Ứng dụng công nghệ GPS xây dựng lưới địa chính phục vụ công tác thành lập bản đồ địa chính huyện phúc thọ thành phố hà nội

BỘ GIÁO DỤC VÀ ðÀO TẠO
TRƯỜNG ðẠI HỌC NÔNG NGHIỆP HÀ NỘI



TRẦN ðÌNH NGỮ


ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ GPS XÂY DỰNG
LƯỚI ðỊA CHÍNH PHỤC VỤ CÔNG TÁC
THÀNH LẬP BẢN ðỒ ðỊA CHÍNH
HUYỆN PHÚC THỌ THÀNH PHỐ HÀ NỘI

LUẬN VĂN THẠC SĨ NÔNG NGHIỆP

Chuyên ngành: Quản lý ñất ñai
Mã số : 60.62.16

Người hướng dẫn khoa học: TS. Nguyễn Duy Bình



HÀ NỘI - 2012
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học nông nghiệp ……………………

•
i

LỜI CAM ðOAN
Tôi xin cam ñoan số liệu và kết quả nghiên cứu trong luận văn này là
trung thực và chưa ñược sử dụng ñể bảo vệ một học vị nào. Nội dung ñề

tài này là những kết quả nghiên cứu, những ý tưởng khoa học ñược tổng
hợp từ công trình nghiên cứu, các công tác thực nghiệm, các công trình
sản xuất do tôi trực tiếp tham gia thực hiện.
Tôi xin cam ñoan, các thông tin trích dẫn trong luận văn ñều ñã ñược
chỉ rõ nguồn gốc./.
Tác giả luận văn



Trần ðình Ngữ









Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học nông nghiệp ……………………

•
ii

LỜI CẢM ƠN
ðể hoàn thành ñược ñề tài, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành ñến:
Ban Giám hiệu trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội, lãnh ñạo Viện ðào
tạo Sau ðại học, khoa Tài nguyên và Môi trường, cùng các thầy cô giáo ñã
giảng dạy, truyền ñạt kiến thức cho tôi trong suốt thời gian tôi tham gia khóa
học của Trường.

TS. Nguyễn Duy Bình ñã hết lòng quan tâm, trực tiếp hướng dẫn tôi
trong quá trình thực hiện ñề tài.
Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành ñến gia ñình, bạn bè ñã giúp
ñỡ, ñộng viên và ñóng góp ý kiến cho tôi trong suốt quá trình học tập và hoàn
thành ñề tài.
Do thời gian thực hiện có hạn, kinh nghiệm thực tiễn của bản thân chưa
nhiều, luận văn khó tránh khỏi những thiếu sót, kính mong nhận ñược sự ñóng
góp ý kiến của quý thầy cô ñể ñề tài hoàn thiện hơn.
Tác giả luận văn



Trần ðình Ngữ





Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học nông nghiệp ……………………

•
iii

MỤC LỤC
Lời cam ñoan i
Lời cảm ơn ii
Mục lục ii
Danh mục các từ viết tắt iv
Danh mục các bảng vi
Danh mục các hình vii

1. MỞ ðẦU 1
1.1 Tính cấp thiết của ñề tài……………………………………………… 1
1.2 Mục ñích của ñề tài……………………………………………………. 2
1.3 Yêu cầu của ñề tài…………………………………………………… 2
1.4 Tính khoa học và thực tiễn của ñề tài………………………………… 2
2. TỔNG QUAN CÁC VẤN ðỀ NGHIÊN CỨU 3
2.1 Khái quát về hệ thống ñịnh vị toàn cầu GPS………………………… 3
2.1.1 Khái niệm về GPS [12] 3
2.1.2 Các thành phần của GPS [5] 3
2.1.3 Nguyên lý ñịnh vị GPS [13] 6
2.1.4 Các nguồn sai số trong ñịnh vị GPS [2] 12
2.1.5 Ưu ñiểm của phương pháp ñịnh vị GPS 15
2.1.6 Tọa ñộ và hệ qui chiếu 16
2.2 Lịch sử phát triển của hệ thống ñịnh vị toàn cầu…………………… 18
2.2.1 Trên thế giới [2] 18
2.2.2 Tại Việt Nam 19
2.3 Xây dựng lưới ñịa chính ở Việt Nam………………………………… 22
2.3.1 Khái niệm, nguyên tắc thiết kế lưới 22
2.3.2 Cơ sở toán học của lưới ñịa chính 23
2.3.3 Mật ñộ ñiểm khống chế 27
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học nông nghiệp ……………………

•
iv

3. ðỐI TƯỢNG, PHẠM VI, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN
CỨU 29
3.1 ðối tượng nghiên cứu…………………………………………………29
3.2 Phạm vi nghiên cứu………………………………………………… 29
3.3 Nội dung nghiên cứu………………………………………………… 29

3.4 Phương pháp nghiên cứu…………………………………………… 29
3.5 Quy trình xây dựng lưới ñịa chính…………………………………. 31
4. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 32
4.1. Khái quát về ñiều kiện tự nhiên, kinh tế xã hội của huyện Phúc Thọ 32
4.1.1. ðiều kiện tự nhiên 32
4.1.2. Thực trạng phát triển kinh tế…………………………………… 35
4.2 Tình hình quản lý ñất ñai và tư liệu trắc ñịa bản ñồ ………………. 38
4.2.1 Tình hình Quản lý ñất ñai trong huyện ………… 38
4.2.2 Tư liệu trắc ñịa bản ñồ …………. 40
4.3 Ứng dụng công nghệ GPS ñể thành lập lưới ðịa chính………………. 42
4.3.1 Các văn bản 42
4.3.2 Thiết kế lưới 43
4.3.3 Chuyển ñiểm ra thực ñịa 45
4.3.4 ðo ñạc bằng công nghệ GPS tương ñối tĩnh 48
4.3.5 Xử lý tính toán bình sai 54
4.3.6 Kết quả, ñánh giá kết quả 69
4.4 ðo kiểm tra…………………………………………………………… 73
4.4.1 So sánh kết quả ño kiểm tra với kết quả ñã thực hiện 73
4.4.2 So sánh kết quả ño kiểm tra vị trí ñiểm 74
5. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 75
5.1 Kết luận……………………………………………………………… 75
5.2 Kiến nghị……………………………………………………………… 76
TÀI LIỆU THAM KHẢO 77
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học nông nghiệp ……………………

•
v

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

BððC : Bản ñồ ñịa chính
DOP : Dilution of Precision
ðộ mất chính xác
GPS : Global Positioning System
Hệ thống ñịnh vị toàn cầu
HDOP : Horizon Dilution of Precision
ðộ mất chính xác theo phương ngang
PDOP : Position Dilution of Precision
ðộ mất chính xác vị trí vệ tinh theo 3D
Ratio : Tỉ số phương sai
Reference Variance : ðộ chênh lệch tham khảo
Rms : Sai số chiều dài cạnh
VDOP : Vertiacal Dilution of Precision
ðộ mất chính xác theo phương dọc
X, Y, h : Tọa ñộ X, Y, ðộ cao thủy chuẩn tạm thời
Mx, My, Mh : Sai số theo phương x, y, h
Mp : Sai số vị trí ñiểm

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học nông nghiệp ……………………

•
vi

DANH MỤC CÁC BẢNG

STT Tên bảng Trang
4.1 Số ñiểm thiết kế ño trên ñịa bàn huyện 45
4.2 Các chỉ tiêu kỹ thuật trong xây dựng lưới GPS 64
4.3 Số lượng ñiểm GPS ño ñược 70
4.4 So sánh số liệu ñạt ñược với quy phạm ban hành 72

4.5 So sánh kết quả xử lý ñược với kết quả ño kiểm tra 73

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học nông nghiệp ……………………

•
vii

DANH MỤC CÁC HÌNH
STT Tên hình Trang
Hình 2.1: Mô hình hình ảnh trái ñất và vệ tinh GPS 3
Hình 2.2: Cấu trúc tín hiệu GPS (Nguồn: merl.com) 4
Hình 2.3: Các trạm ñiều khiển GPS (Nguồn: atheenah.com) 5
Hình 2.4: Các thành phần chính của GPS (Nguồn: atheenah.com) 6
Hình 2.5: Xác ñịnh hiệu số giữa các thời ñiểm……………………………….7
Hình 2.6: Kỹ thuật giải ña trị tại các máy thu (Nguồn: atheenah.com) 9
Hình 2.7: Kỹ thuật ñịnh vị tuyệt ñối ( Nguồn: vgl.com.vn) 10
Hình 2.8: Kỹ thuật ñịnh vị tương ñối 12
Hình 4.1: Trình bày mặt mốc 46
Hình 4.2: Cửa sổ Select Date 49
Hình 4.3: Cửa sổ Add New Point 49
Hình 4.4: Cửa sổ Auto View Time Selection 50
Hình 4.5: Cửa sổ ListTimes 50
Hình 4.6: Máy ño GPS Trimble R3 52
Hình 4.7: Cửa sổ Create a New Project 56
Hình 4.8: Cửa sổ GPSurvey Project: PHUC THO 56
Hình 4.9: Cửa sổ Load from DAT file: Interactive 57
Hình 4.10: Cửa sổ Receiver Detected 57
Hình 4.11: Cửa sổ Verify Station for Static Occupation 1 58
Hình 4.12: Cửa sổ Load 59
Hình 4.13: Cửa sổ Static Processing 60

Hình 4.14: Sơ ñồ lưới Phúc Thọ 61
Hình 4.15: Cửa sổ Closure 3 Baselines 62
Hình 4.16: Cửa sổ TRIMNET Plus Network Adjustment 65
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học nông nghiệp ……………………

•
1

1. MỞ ðẦU
1.1 Tính cấp thiết của ñề tài
Hệ thống ñịnh vị toàn cầu GPS là hệ thống ñịnh vị, dẫn ñường sử dụng
các vệ tinh nhân tạo ñược Bộ Quốc phòng Mỹ triển khai từ những năm ñầu
thập kỷ 70. Ban ñầu, hệ thống này ñược dùng cho mục ñích quân sự nhưng
sau ñó ñã ñược thương mại hóa, ñược ứng dụng rất rộng rãi trong các hoạt
ñộng kinh tế, xã hội. Ngày nay, trong rất nhiều lĩnh vực của ñời sống xã hội
ñã và ñang áp dụng công nghệ GPS. Trong trắc ñịa cũng vậy, công nghệ GPS
ñã mở ra thời kỳ mới, ñã thay thế công nghệ truyền thống trong việc thành lập
và xây dựng mạng lưới tọa ñộ các cấp. Với ngành trắc ñịa bản ñồ thì ñây là
cuộc cách mạng thực sự về cả kỹ thuật, chất lượng cũng như hiệu quả kinh tế
trên phạm vi toàn thế giới nói chung và ở Việt Nam nói riêng.
Hệ thống ñịnh vị toàn cầu GPS ñã ñược công nhận và sử dụng rộng rãi
như một công nghệ tin cậy, hiệu quả trong trắc ñịa bản ñồ bởi các tính ưu việt
sau: Có thể xác ñịnh tọa ñộ của các ñiểm từ ñiểm gốc khác mà không cần
thông hướng; ñộ chính xác ño ñạc ít phụ thuộc vào ñiều kiện thời tiết (có thể
ño trong mọi ñiều kiện thời tiết); việc ño ñạc tọa ñộ các ñiểm rất nhanh
chóng, tính chính xác cao, ở vị trí bất kỳ trên trái ñất; kết quả ño ñạc có thể
tính trong hệ tọa ñộ toàn cầu hoặc hệ tọa ñộ ñịa phương bất kỳ.[4]
Cùng với thời gian, công nghệ GPS ngày càng phát triển hoàn thiện
theo chiều hướng chính xác, hiệu quả, thuận tiện hơn và ñược sử dụng rộng
rãi. Người ta ñã sử dụng công nghệ GPS ñể xây dựng lưới tọa ñộ nhà nước

thay thế cho các phương pháp truyền thống, ñạt ñược ñộ chính xác cao.
Huyện Phúc Thọ thành phố Hà Nội những năm qua có tốc ñộ phát triển
kinh tế tương ñối nhanh kéo theo nhu cầu sử dụng ñất ngày càng tăng. Chính
vì thế nhu cầu bức thiết trong quản lý ñất ñai của huyện là phải thành lập
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học nông nghiệp ……………………

•
2

ñược bản ñồ ñịa chính (BððC) có ñộ chính xác cao. Muốn có ñược ñiều ñó
cần phải xây dựng hệ thống lưới ñịa chính trên ñịa bàn huyện.
ðể mở rộng khả năng sử dụng công nghệ GPS, góp phần ñưa công
nghệ mới vào sản xuất, xây dựng hệ thống lưới ñịa chính huyện Phúc Thọ
thành phố Hà Nội, chúng tôi tiến hành nghiên cứu ñề tài:
“Ứng dụng công nghệ GPS xây dựng lưới ñịa chính phục vụ công
tác thành lập bản ñồ ñịa chính huyện Phúc Thọ, thành phố Hà Nội”
1.2 Mục ñích của ñề tài
Thông qua việc nghiên cứu nhằm tìm hiểu khả năng ứng dụng công
nghệ GPS vào xây dựng lưới ñịa chính khu vực ñồng bằng của Hà Nội.
1.3 Yêu cầu của ñề tài
Thiết kế, thi công lưới ñịa chính trên ñịa bàn huyện Phúc Thọ. Phân
tích, ñánh giá ñộ chính xác và khả năng ứng dụng công nghệ GPS trong xây
dựng lưới ñịa chính ở khu vực ñồng bằng.
1.4 Tính khoa học và thực tiễn của ñề tài
Dựa trên công nghệ GPS ñể xây dựng hệ thống lưới ñịa chính thay thế
cho phương pháp xây dựng lưới truyền thống, góp phần ñưa công nghệ mới
vào sản xuất nhằm nâng cao ñộ chính xác lưới, mang lại hiệu quả kinh tế - kỹ
thuật trong thực tế sản xuất.
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học nông nghiệp ……………………

•
3

2. TỔNG QUAN CÁC VẤN ðỀ NGHIÊN CỨU
2.1 Khái quát về hệ thống ñịnh vị toàn cầu GPS
2.1.1 Khái niệm về GPS [12]
Tên tiếng Anh ñầy ñủ của GPS là Navigation Satellite Timing and
Ranging Global Positioning System. ðây là một hệ thống radio hàng hải dựa
vào các vệ tinh ñể cung cấp thông tin vị trí 3 chiều và thời gian chính xác. Hệ
thống luôn sẵn sàng trên phạm vi toàn cầu và hoạt ñộng trong mọi ñiều kiện
thời tiết.

Hình 2.1: Mô hình hình ảnh trái ñất và vệ tinh GPS
(Nguồn: pocketgpsworld.com)
2.1.2 Các thành phần của GPS [5]
GPS gồm 3 thành phần: mảng không gian, mảng ñiều khiển và mảng
người sử dụng.
• Mảng không gian
- Hệ thống ban ñầu có 24 vệ tinh, trong ñó có 3 vệ tinh dự trữ. Hiện nay
ñã có 29 vệ tinh bay xung quanh Trái ñất ở quỹ ñạo gần tròn, với ñộ cao
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học nông nghiệp ……………………

•
4

khoảng 20.200km, góc nghiêng 55
0
, nằm trên 6 mặt phẳng quỹ ñạo.
- Chức năng chính của các vệ tinh là:
+ Nhận và lưu trữ dữ liệu ñược gửi lên từ các trạm ñiều khiển.

+ Duy trì thời gian chính xác bởi ñồng hồ nguyên tử gắn trên vệ tinh.
+ Truyền thông tin và dữ liệu cho người sử dụng theo hai tần số là L1
và L2.


Hình 2.2: Cấu trúc tín hiệu GPS (Nguồn: merl.com)

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học nông nghiệp ……………………

•
5

• Mảng ñiều khiển
Có 5 trạm ñiều khiển trên mặt ñất: Hawaii, Colorado Springs,
Ascension Is., Diego Garcia và Kwajalein, có chức năng như sau:
- Cả 5 trạm ñều là trạm giám sát, theo dõi vệ tinh và truyền dữ liệu ñến
trạm ñiều khiển chính.
- Trạm ñặt tại Colorado Springs là trạm ñiều khiển chính (MSC). Tại ñó dữ
liệu theo dõi ñược xử lý nhằm tính tọa ñộ và số hiệu chỉnh ñồng hồ vệ tinh.
- Ba trạm tại Ascension, Diego Garcia và Kwajalein là các trạm nạp dữ
liệu lên vệ tinh. Dữ liệu bao gồm các bảng lịch và thông tin số hiệu chỉnh
ñồng hồ vệ tinh trong thông báo hàng hải.

Hình 2.3: Các trạm ñiều khiển GPS (Nguồn: atheenah.com)
• Mảng người sử dụng
Gồm các máy thu ñặt trên mặt ñất, bao gồm phần cứng và phần mềm.
- Phần cứng là các máy ño có nhiệm vụ thu tín hiệu vệ tinh ñể rút ra trị
ño khoảng cách từ máy thu ñến vệ tinh và tọa ñộ vệ tinh ở thời ñiểm ño.
- Phần mềm có nhiệm vụ xử lý các thông tin ñể cung cấp tọa ñộ máy thu.
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học nông nghiệp ……………………

•
6


Hình 2.4: Các thành phần chính của GPS (Nguồn: atheenah.com)
2.1.3 Nguyên lý ñịnh vị GPS [13]
2.1.3.1 Các ñại lượng ño
Việc ñịnh vị bằng GPS thực hiện trên cơ sở sử dụng hai dạng ñại lượng
ño cơ bản, ñó là ño khoảng cách giả theo các code tựa ngẫu nhiên (C/A-code
và P-code) và ño pha của sóng tải (L1, L2).
• ðo khoảng cách giả theo C/A-code và P-code
Code tựa ngẫu nhiên ñược phát ñi từ vệ tinh cùng với sóng tải. Máy thu
GPS cũng tạo ra code tựa ngẫu nhiên ñúng như vậy. Bằng cách so sánh code
thu từ vệ tinh và code của chính máy thu tạo ra có thể xác ñịnh ñược khoảng
thời gian lan truyền của tín hiệu code, từ ñó dễ dàng xác ñịnh ñược khoảng
cách từ vệ tinh ñến máy thu (ñến tâm anten của máy thu). Do có sự không
ñồng bộ giữa ñồng hồ của vệ tinh và máy thu, do có ảnh hưởng của môi
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học nông nghiệp ……………………

•
7

trường lan truyền tín hiệu nên khoảng cách tính theo khoảng thời gian ño
ñược không phải là khoảng cách thực giữa vệ tinh và máy thu, ñó là khoảng
cách giả.

Nếu ký hiệu tọa ñộ của vệ tinh là x
s
, y
s
, z
s
; tọa ñộ của ñiểm xét (máy
thu) là x,y,z; thời gian lan truyền tín hiệu từ vệ tinh ñến ñiểm xét là t, sai số
không ñồng bộ giữa ñồng hồ trên vệ tinh và trong máy thu là
∆
t, khoảng cách
giả ño ñược là R, ta có phương trình:

Trong ñó, c là tốc ñộ lan truyền tín hiệu.
Trong trường hợp sử dụng C/A-code, theo dự tính của các nhà thiết kế
hệ thống GPS, kỹ thuật ño khoảng thời gian lan truyền tín hiệu chỉ có thể ñảm
bảo ñộ chính xác ño khoảng cách tương ứng khoảng 30m. Nếu tính ñến ảnh
hưởng của ñiều kiện lan truyền tín hiệu, sai số ño khoảng cách theo C/A code
sẽ ở mức 100m là mức có thể chấp nhận ñược ñể cho khách hàng dân sự ñược
khai thác. Song kỹ thuật xử lý tín hiệu code này ñã ñược phát triển ñến mức
có thể ñảm bảo ñộ chính xác ño khoảng cách khoảng 3m, tức là hầu như
tczzyyxxttcR
sss
∆+−+−+−=∆+=
222
)()()()(

(1.1)

1 1 0 0 0 1 1 1 1 0 1 0 0 0 1
1 1 0 0 0 1 1 1 1 0 1 0 0 0 1
1 1 0 0 0 1 1 1 1 0 1 0 0 0 1
∆
t

∆
δ

Code do máy thu
t
ạo[[[[[[[
ơ
ra

Code chuyền từ vệ tinh
tinhtinh

Code thu
ñư
ợc

Hình 2.5: Xác ñịnh hiệu số giữa các thời ñiểm
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học nông nghiệp ……………………

•
8

không thua kém so với trường hợp sử dụng P-code vốn không dành cho khách
hàng ñại trà. Chính vì lý do này mà trước ñây Chính phủ Mỹ ñã ñưa ra giải
pháp SA ñể hạn chế khả năng thực tế của C/A code. Nhưng ngày nay do kỹ
thuật ño GPS có thể khắc phục ñược nhiễu SA, Chính phủ Mỹ ñã tuyên bố bỏ
nhiễu SA trong trị ño GPS từ tháng 5 năm 2000.
• ðo pha sóng tải
Các sóng tải L1, L2 ñược sử dụng cho việc ñịnh vị với ñộ chính xác
cao. Với mục ñích này người ta tiến hành ño hiệu số giữa pha của sóng tải do
máy thu nhận ñược từ vệ tinh và pha của tín hiệu do chính máy thu tạo ra.
Hiệu số pha do máy thu ño ñược ta ký hiệu là
Φ
(0<
Φ
<2
π
).
Khi ñó ta có thể viết:

Trong ñó: R là khoảng cách giữa vệ tinh và máy thu;

λ
là bước sóng của sóng tải;
N là số nguyên lần bước sóng λ chứa trong R;

∆
t là sai số ñồng bộ giữa ñồng hồ của vệ tinh và máy thu;
N còn ñược gọi là số nguyên ña trị, thường không biết trước mà cần
phải xác ñịnh trong thời gian ño.
Trong trường hợp ño pha theo sóng tải L1 có thể xác ñịnh khoảng cách
giữa vệ tinh và máy thu với ñộ chính xác cỡ cm, thậm chí nhỏ hơn. Sóng tải

L2 cho ñộ chính xác thấp hơn nhiều, nhưng tác dụng của nó là cùng với L1
tạo ra khả năng làm giảm ñáng kể tầng ñiện ly và việc xác ñịnh số nguyên ña
trị ñược ñơn giản hơn.
)(
2
tcNR ∆+−
Π
=Φ
λ
λ
(1.2)

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học nông nghiệp ……………………

•
9


Hình 2.6: Kỹ thuật giải ña trị tại các máy thu (Nguồn: atheenah.com)
2.1.3.2 ðịnh vị tuyệt ñối (point positioning)
ðây là trường hợp sử dụng máy thu GPS ñể xác ñịnh ngay tọa ñộ của
ñiểm quan sát trong hệ tọa ñộ WGS-84. ðó có thể là các thành phần tọa ñộ
vuông góc không gian (X,Y,Z) hoặc các thành phần tọa ñộ mặt cầu (B,L,H).
Hệ thống tọa ñộ WGS-84 là hệ thống tọa ñộ cơ sở của GPS, tọa ñộ của vệ tinh
và ñiểm quan sát ñều lấy theo hệ thống tọa ñộ này.
Việc ño GPS tuyệt ñối ñược thực hiện trên cơ sở sử dụng ñại lượng ño
là khoảng cách giả từ vệ tinh ñến máy thu theo nguyên tắc giao hội cạnh
không gian từ các ñiểm ñã biết tọa ñộ là các vệ tinh.
Nếu biết chính xác khoảng thời gian lan truyền tín hiệu code tựa ngẫu
nhiên từ vệ tinh ñến máy thu, ta sẽ tính ñược khoảng cách chính xác giữa vệ

tinh và máy thu. Khi ñó 3 khoảng cách ñược xác ñịnh ñồng thời từ 3 vệ tinh
ñến máy thu sẽ cho ta vị trí không gian ñơn trị của máy thu. Song trên thực tế
cả ñồng hồ trên vệ tinh và ñồng hồ trong máy thu ñều có sai số, nên khoảng
cách ño ñược không phải là khoảng cách chính xác. Kết quả là chúng không
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học nông nghiệp ……………………

•
10

thể cắt nhau tại một ñiểm, nghĩa là không thể xác ñịnh ñược vị trí của máy
thu. ðể khắc phục tình trạng này cần sử dụng thêm một ñại lượng ño nữa, ñó
là khoảng cách từ vệ tinh thứ 4, ta có hệ phương trình:
(xs
1
- x)
2
+(ys
1
- y)
2
+(zs
1
- z)
2
= (R1-c
∆
t)
2

(xs

2
- x)
2
+(ys
2
- y)
2
+(zs
2
- z)
2
= (R2-c
∆
t)
2

(xs
3
- x)
2
+(ys
3
- y)
2
+(zs
3
- z)
2
= (R3-c
∆

t)
2

(xs
4
- x)
2
+(ys
4
- y)
2
+(zs
4
- z)
2
= (R4-c
∆
t)
2

Với 4 phương trình 4 ẩn số (x, y, z,
∆
t) ta sẽ tìm ñược nghiệm là tọa ñộ
tuyệt ñối của máy thu, ngoài ra còn xác ñịnh thêm ñược số hiệu chỉnh của
ñồng hồ (thạch anh) của máy thu.
Trên thực tế với hệ thống vệ tinh hoạt ñộng ñầy ñủ như hiện nay, số
lượng vệ tinh mà các máy thu quan sát ñược thường từ 6-8 vệ tinh, khi ñó
nghiệm của phương trình sẽ tìm theo nguyên lý số bình phương nhỏ nhất.

Hình 2.7: Kỹ thuật ñịnh vị tuyệt ñối ( Nguồn: vgl.com.vn)

(1.3)

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học nông nghiệp ……………………

•
11

2.1.3.3 ðịnh vị tương ñối (Relative Positioning)
ðo GPS tương ñối là trường hợp sử dụng hai máy thu GPS ñặt ở hai
ñiểm quan sát khác nhau ñể xác ñịnh ra hiệu tọa ñộ vuông góc không gian
(∆X, ∆Y, ∆Z) hay hiệu tọa ñộ mặt cầu (∆B, ∆L, ∆H) giữa chúng trong hệ tọa
ñộ WGS-84.
Nguyên tắc ño GPS tương ñối ñược thực hiện trên cơ sở sử dụng ñại
lượng ño là pha của sóng tải. ðể ñạt ñược ñộ chính xác cao và rất cao cho kết
quả xác ñịnh hiệu tọa ñộ giữa hai ñiểm xét, người ta ñã tạo ra và sử dụng các
sai phân khác nhau cho pha sóng tải nhằm làm giảm ảnh hưởng ñến các
nguồn sai số khác nhau như: Sai số của ñồng hồ vệ tinh cũng như của máy
thu, sai số tọa ñộ vệ tinh, sai số số nguyên ña trị,
Ta ký hiệu
Φ
(ti) là hiệu pha của sóng tải từ vệ tinh j ño ñược tại trạm r
vào thời ñiểm ti, khi ñó nếu hai trạm ño 1 và 2 ta quan sát ñồng thời vệ tinh j
vào thời ñiểm ti, ta sẽ có sai phân bậc một ñược biểu diễn như sau:
∆
1
Φ

j

(ti)=
Φ
2
j
(ti)-
Φ
1
j
(ti) (1.4)
Trong sai phân này hầu như không còn ảnh hưởng của sai số ñồng hồ vệ tinh.
Nếu hai trạm cùng tiến hành quan sát ñồng thời hai vệ tinh j và k vào
thời ñiểm ti, ta có phân sai bậc hai:
∆
2
Φ

j,k
(ti)=
∆
1
Φ

k
(ti)-
∆
1
Φ

j
(ti) (1.5)

Qua công thức này ta thấy không còn ảnh hưởng của sai số ñồng hộ vệ
tinh và máy thu.
Nếu xét hai trạm cùng tiến hành quan sát ñồng thời hai vệ tinh j và k
vào thời ñiểm ti và t
i+1
, ta sẽ có phân sai bậc ba:
∆
3
Φ

j,k
(ti)=
∆
2
Φ

j,k
(t
i+1
)-
∆
2
Φ

j,k
(t
i
) (1.6)
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học nông nghiệp ……………………

•
12

Sai phân này cho phép loại trừ sai số số nguyên ña trị.
Hiện nay hệ thống GPS có khoảng 27-28 vệ tinh hoạt ñộng. Do vậy, tại
mỗi thời ñiểm ta có thể quan sát ñược số vệ tinh nhiều hơn 4. Bằng cách tổng
hợp theo từng cặp vệ tinh sẽ có rất nhiều trị ño, mặt khác thời gian thu tín
hiệu trong ño tương ñối thường khá dài vì vậy số lượng trị ño ñể xác ñịnh ra
hiệu tọa ñộ giữa hai ñiểm là rất lớn, khi ñó bài toán sẽ giải theo phương pháp
số bình phương nhỏ nhất.

Hình 2.8: Kỹ thuật ñịnh vị tương ñối
(Nguồn: matrongvang.blogspot.com)
2.1.4 Các nguồn sai số trong ñịnh vị GPS [2]
2.1.4.1 Sai số do ñộ sai lệch ñồng hồ
Sai số do sự không ñồng bộ giữa ñồng hồ vệ tinh và máy thu gây ra sai
số rất lớn trong kết quả ño GPS, ñặc biệt là trong ñịnh vị tuyệt ñối.
Các vệ tinh ñược trang bị ñồng hồ nguyên tử có ñộ chính xác cao, tính
ñồng bộ về thời gian giữa các ñồng hồ vệ tinh ñược giữ trong khoảng 20 nano
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học nông nghiệp ……………………

•
13

giây. Còn các máy thu GPS ñược trang bị ñồng hồ thạch anh chất lượng cao
(1 phần 10
4
) ñặt bên trong.
Chúng ta biết rằng vận tốc truyền tín hiệu khoảng 3.10
8

m/s, nếu sai số
ñồng hồ thạch anh là 10
-4
s thì sai số khoảng cách tương ứng là 30km, nếu
ñồng hồ nguyên tử sai 10
-7
s thì khoảng cách sai 30m.
Với ảnh hưởng như trên, người ta ñã sử dụng nguyên tắc ñịnh vị tương
ñối ñể loại trừ ảnh hưởng của sai số ñồng hồ.
2.1.4.2 Sai số quỹ ñạo vệ tinh
Chúng ta ñã biết vệ tinh chuyển ñộng trên quỹ ñạo xung quanh trái ñất
chịu nhiều sự tác ñộng như ảnh hưởng của sự thay ñổi trọng trường trái ñất,
ảnh hưởng của sức hút mặt Trăng, mặt Trời, Các ảnh hưởng trên sẽ tác ñộng
tới quỹ ñạo của vệ tinh, khi ñó vệ tinh sẽ không chuyển ñộng hoàn toàn tuân
theo ñúng 3 ñịnh luật Kepler. Sai số quỹ ñạo vệ tinh ảnh hưởng gần như trọn
vẹn ñến kết quả ñịnh vị tuyệt ñối, song ñược khắc phục về cơ bản trong ñịnh
vị tương ñối hoặc vi phân.
ðể biết ñược vị trí của vệ tinh trên quỹ ñạo thì người sử dụng có thể
căn cứ vào lịch vệ tinh. Tùy thuộc vào mức ñộ chính xác của thông tin, lịch
vệ tinh ñược chia làm 3 loại là:
- Lịch vệ tinh dự báo (Almanac): Phục vụ cho lập lịch và xác ñịnh
quang cảnh nhìn thấy của vệ tinh tại thời ñiểm quan sát, lịch vệ tinh này có sai
số khoảng vài km.
- Lịch vệ tinh quảng bá (Broadcast ephemeris): ðược tạo lập dựa trên
5 trạm quan sát thuộc ñoạn ñiều khiển của hệ thống GPS, hiện nay khi chế ñộ
nhiễu SA ñã ñược bỏ thì lịch vệ tinh quảng bá có sai số khoảng từ 2-5 m.
- Lịch vệ tinh chính xác: ðược lập dựa trên cơ sở các số liệu quan trắc
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học nông nghiệp ……………………

•

14

trong mạng lưới giám sát và ñược tính toán nhờ một số tổ chức khoa học, loại
lịch này cho sai số nhỏ hơn 0.5m.
2.1.4.3 Ảnh hưởng ñiều kiện khí tượng
Tín hiệu vệ tinh ñến máy thu ñi qua một quãng ñường lớn hơn
20.000km, trong ñó có tầng ñiện ly từ ñộ cao 50km tới ñộ cao 500km và tầng
ñối lưu từ ñộ cao 50km ñến mặt ñất. Khi tín hiệu ñi qua các tầng này có thể bị
thay ñổi (tán xạ) phụ thuộc vào mật ñộ ñiện tử tự do trong tầng ñiện ly và tình
trạng hơi nước, nhiệt ñộ và các bụi khí quyển trong tầng ñối lưu.
Người ta ước tính rằng, do ảnh hưởng của tầng ñiện ly, khi ñịnh vị
tuyệt ñối có thể bị sai số khoảng 12m, còn ảnh hưởng của tầng ñối lưu có thể
gây sai số khoảng 3m.
Các vệ tinh GPS phát tín hiệu ở tần số cao (sóng cực ngắn) do ñó ảnh
hưởng của tầng ñiện ly ñã ñược giảm nhiều, tuy vậy cần lưu ý tới ñặc tính của
sóng cực ngắn là truyền thẳng và dễ bị che chắn.
Ảnh hưởng của tầng ñiện ly tỷ lệ với bình phương tần số, vì thế khi sử
dụng máy thu 2 tần sẽ khắc phục ñược ảnh hưởng này.
Tuy vậy, ở khoảng cách ngắn (<10km) tín hiệu tới 2 máy coi như ñi
trong cùng môi trường, sai số sẽ ñược loại trừ trong các công thức tính hiệu
tọa ñộ, do vậy ta nên sử dụng máy một tần, trong khi ñó nếu sử dụng máy hai
tần có thể bị nhiễu, làm kết quả kém chính xác.
ðể khắc phục ảnh hưởng của tầng ñối lưu, người ta quy ñịnh chỉ sử
dụng tín hiệu vệ tinh có góc cao trên 15
o
(hoặc trên 10
o
).
Hiện nay người ta ñang sử dụng một số mô hình khí quyển, trong ñó có
mô hình của Hopfield ñược dùng rộng rãi.

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học nông nghiệp ……………………

•
15

2.1.4.4 Sai số do nhiễu tín hiệu
Tín hiệu vệ tinh tới máy thu có thể bị nhiễu do một số nguyên nhân
sau:
- Tín hiệu bị phản xạ từ các vật (kim loại, bê tông) gần máy thu.
- Tín hiệu bị nhiễu do ảnh hưởng của các tín hiệu sóng ñiện từ khác.
- Máy thu GPS ñặt gần các ñường dây tải ñiện cao áp.
- Tín hiệu bị gián ñoạn do các vật che chắn tín hiệu.
ðể khắc phục sai số nhiễu tín hiệu, khi thiết kế ñiểm ño cần bố trí xa
các trạm phát sóng, các ñường dây cao thế, Không bố trí máy thu dưới các
rặng cây.
2.1.4.5 Sai số do người ño
Người ño có thể phạm các sai lầm như: trong ño chiều cao anten, dọi
ñiểm ñịnh tâm không tốt, ñôi khi ghi nhầm chế ñộ ño cao anten. ðể tránh các
sai số này thì người ño GPS cần thận trọng trong ñịnh tâm và ño chiều cao
anten.
Cần chú ý là sai số do ño chiều cao anten không những ảnh hưởng tới
ñộ cao của ñiểm ño mà còn ảnh hưởng tới vị trí mặt bằng.
Trong khi thu tín hiệu không nên ñứng vây quanh máy thu, không che ô
cho máy.
2.1.5 Ưu ñiểm của phương pháp ñịnh vị GPS
- Các vệ tinh có thể ñược quan trắc trên cùng một vùng lãnh thổ rộng
lớn như quốc gia hay châu lục, trong khi phương pháp ñịnh vị truyền thống
chỉ khống chế ở một khu vực nhỏ hẹp.
- Không ñòi hỏi thông hướng ở các trạm ño.
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học nông nghiệp ……………………

•
16

- Có thể ñịnh vị ở thời gian thực và ở thời ñiểm bất kỳ: trên mặt ñất,
trên biển và trong không gian cho ñối tượng ñứng yên hay di ñộng.
- Có thể ño 24h/ngày trong mọi ñiều kiện thời tiết.
- ðộ chính xác ngày càng cao và càng ñược cải thiện.
- Người sử dụng không cần quan tâm ñến việc vận hành hệ thống.
2.1.6 Tọa ñộ và hệ qui chiếu
Hình dạng trái ñất theo quan niệm của thuyết ñẳng tĩnh thì trái ñất là
một khối vật chất lỏng, do vậy dạng tự nhiên của trái ñất quay sẽ có dạng
Ellipsoid và thế trọng trường trên mặt Ellipsoid trái ñất sẽ bằng nhau. ðiều
này thể hiện sự cân bằng giữa lực trọng trường của khối vật chất lỏng của trái
ñất và lực ly tâm do chuyển ñộng quay của nó.
Một Ellipsoid có hình dạng phù hợp với Geoid trái ñất phải là Ellipsoid
phù hợp theo nghĩa trên phạm vi toàn cầu. Ellipsoid ñược chọn làm hệ tọa ñộ
ñịnh vị toàn cầu là GRS-80 (Geodetic Reference System 1980), mặt quy chiếu
này ñược hệ ñịnh vị GPS sử dụng gọi là Hệ trắc ñịa thế giới 1984 (WGS-84).
Hệ tọa ñộ này dùng Ellipsoid ñịa tâm xác ñịnh bởi bán trục lớn
a=6378137.0m và nghịch ñảo ñộ dẹt 1/f =298.257223563.
Ellipsoid trái ñất biểu thị một mô hình toán học mô tả bề mặt tự nhiên
của trái ñất nhưng không chỉ rõ cách nhận biết một vị trí cụ thể trên trái ñất.
Mỗi hệ tọa ñộ ñịa phương ñều chỉ rõ mặt quy chiếu và phép chiếu bản ñồ, tức
là xác ñịnh một phương thức biểu thị một ñiểm trên mặt ñất tự nhiên so với
mặt quy chiếu ñó.
Hệ ñịnh vị GPS cho tọa ñộ vuông góc không gian 3 chiều X, Y, Z hoặc
các thành phần tọa ñộ mặt cầu B, L, H hoặc các gia số tọa ñộ trên trong hệ tọa
ñộ toàn cầu WGS-84. Do ñó cần phải áp dụng phép tính chuyển tọa ñộ ñể
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học nông nghiệp ……………………

•
17

chuyển tọa ñộ từ hệ tọa ñộ GPS (WGS-84) về hệ tọa ñộ qui chiếu ñịa phương.
Tọa ñộ không gian ñịa phương (3 chiều) còn ở dạng ñược gọi là hệ
thống "2+1". Nghĩa là tọa ñộ trắc ñịa B và L xác ñịnh ñộc lập với ñộ cao h.
Do ñó bài toán tính chuyển tọa ñộ GPS B, L, H về hệ tọa ñộ ñịa phương yêu
cầu một dạng tính chuyển tọa ñộ, trong khi ñó ñộ cao lại ñòi hỏi dạng tính
chuyển hoàn toàn khác.
Việc biến ñổi tọa ñộ WGS-84 về tọa ñộ ñịa phương thực hiện qua 3
giai ñoạn:
1. Tọa ñộ vuông góc không gian X, Y, Z hoặc ( ∆X, ∆Y, ∆Z ) thuộc hệ
WGS-84 ñổi thành tọa ñộ B, L, H hoặc ( ∆B, ∆L, ∆H) thuộc hệ WGS-84, sau
ñó áp dụng 7 tham số tính chuyển về tọa ñộ không gian ñịa phương.
2. Tọa ñộ không gian ñịa phương tính ñổi thành tọa ñộ trắc ñịa.
3. Tọa ñộ trắc ñịa sau ñó tính chuyển ñổi thành tọa ñộ phẳng qua phép
chiếu bản ñồ.
Phép tính chuyển ñộ cao có sự khác biệt do ñộ cao xác ñịnh trên
Ellipsoid WGS-84 là bề mặt có phương trình toán học, còn ñộ cao sử dụng
thực tế lại là ñộ cao thủy chuẩn so với bề mặt Geoid - bề kéo dài từ mặt nước
biển trung bình - một bề mặt không mô tả ñược bằng phương trình toán học.
ðẳng thức sau là biểu thức biến ñổi ñơn giản ñộ cao Ellipsoid WGS-84
về ñộ cao ñịa phương bằng cộng thêm ñộ chênh Geoid-Ellipsoid tại ñiểm ñó:
H = h +N
Trong công thức trên, H là ñộ cao tính ñến mặt Ellipsoid - là ñộ cao có
thể ño ñược chính xác bằng công nghệ GPS; h là ñộ cao thủy chuẩn, ñược sử
dụng thực tế; N là ñộ chênh lệch 2 bề mặt Geoid và Ellipsoid tại ñiểm ñó. Dựa
vào số liệu ño trọng lực toàn thế giới người ta ñã lập ra mô hình Geoid toàn
cầu dùng cho việc nội suy giá trị chênh Geoid-Ellipsoid phục vụ cho việc tính