Ứng dụng công nghệ GPS xây dựng lưới địa chính xã tân châu, huyện di linh, tỉnh lâm đồng

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT
HỌC VIỆN NÔNG NGHIỆP VIỆT NAM









NGUYỄN KỶ CƯƠNG



ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ GPS XÂY DỰNG LƯỚI ĐỊA CHÍNH
XÃ TÂN CHÂU, HUYỆN DI LINH, TỈNH LÂM ĐỒNG




CHUYÊN NGÀNH : QUẢN LÝ ĐẤT ĐAI
MÃ SỐ : 60850103



NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
TS. NGUYỄN DUY BÌNH

HÀ NỘI, NĂM 2014
Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Nông nghiệp
Page i

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan số liệu và kết quả nghiên cứu trong luận văn này là
trung thực và chưa được sử dụng để bảo vệ một học vị nào. Nội dung đề
tài này là những kết quả nghiên cứu, những ý tưởng khoa học được 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 đoan, các thông tin trích dẫn trong luận văn đều đã được
chỉ rõ nguồn gốc./.
Hà Nội, ngày … tháng … năm 2014

TÁC GIẢ LUẬN VĂN




Nguyễn Kỷ Cương

Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Nông nghiệp
Page ii

LỜI CẢM ƠN

Để hoàn thành được đề tài, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến:
Ban giám hiệu Học Viện nông nghiệp Việt Nam, Ban đào tạo đại học,
Khoa Quản lý đất đai, cùng quý Thầy Cô giáo đã giảng dạy, truyền đạt kiến
thức cho tôi trong suốt thời gian tôi tham gia khóa học của Trường.
TS. Nguyễn Duy Bình đã hết lòng quan tâm, trực tiếp hướng dẫn tôi
trong quá trình thực hiện đề tài.
Tôi xin cảm ơn Công ty cổ phần giải pháp công nghệ trắc địa đã tạo
điều kiện cho tôi hoàn thành luận văn này.
Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành đến gia đình, bạn bè đã giúp
đỡ, động viên và đóng góp ý kiến cho tôi trong suốt quá trình học tập và hoàn
thành đề 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 được sự đóng
góp ý kiến của quý Thầy Cô để đề tài hoàn thiện hơn.
Hà Nội, ngày tháng năm 2014


T
ÁC GIẢ LUẬN VĂN



Nguyễn Kỷ Cương

Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Nông nghiệp
Page iii

MỤC LỤC



Lời cam đoan i
Lời cảm ơn ii
Mục lục iii
Danh mục các từ viết tắt vi
Danh mục các bảng vii
Danh mục các hình viii
MỞ ĐẦU 1
1 Tính cấp thiết của đề tài 1
2 Mục đích của đề tài 2
3 Yêu cầu của đề tài 2
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 3
1.1 Khái quát chung về lưới khống chế tọa độ nhà nước 3
1.1.1 Khái niệm và vai trò của lưới khống chế tọa độ nhà nước 3
1.1.2 Các phương pháp xây dựng lưới khống chế tọa độ nhà nước 4
1.2 Khái quát công tác xây dựng lưới trắc địa bằng phương pháp trắc
địa vệ tinh ở một số nước trên thế giới và ở Việt Nam 7
1.2.1 Trên thế giới 7
1.2.2 Tại Việt Nam 8

1.3 Khái quát hệ thống định vị toàn cầu GPS 10
1.3.1 Khái niệm hệ thống định vị toàn cầu GPS 10
1.3.2 Các thành phần của GPS 11
1.3.3 Các đại lượng đo 15
1.3.4 Các phương pháp định vị 17
1.3.5 Các nguồn sai số trong định vị GPS 25

Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Nông nghiệp
Page iv

CHƯƠNG 2. ĐỐI TƯỢNG, PHẠM VI, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG
PHÁP NGHIÊN CỨU 29
2.1 Đối tượng nghiên cứu 29
2.2 Phạm vi nghiên cứu 29
2.3 Nội dung nghiên cứu 29
2.4 Phương pháp nghiên cứu 30
2.4.1 Phương pháp điều tra, thu thập các số liệu phục vụ việc thiết kế,
thi công lưới địa chính 30
2.4.2 Phương pháp thiết kế lưới truyền thống 30
2.4.3 Phương pháp sử dụng phần mềm GPSurvey 2.35 30
2.4.4 Phương pháp tổng hợp, phân tích, so sánh 30
2.4.5 Phương pháp kiểm tra thực địa 30
CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 31
3.1 Điều kiện tự nhiên, kinh tế xã hội xã Tân Châu 31
3.1.1 Đặc điểm tự nhiên 31
3.1.2 Đặc điểm kinh tế và xã hội 32
3.2 Xây dựng lưới địa chính xã Tân Châu 33
3.2.1 Nguyên tắc xây dựng lưới địa chính 33
3.2.2 Quy trình xây dựng lưới địa chính. 35
3.2.3 Thiết kế lưới 36

3.2.3 Tổ chức đo GPS 42
3.2.4 Xử lý tính toán bình sai 49
3.3 Kiểm tra nghiệm thu 66
3.3.1 So sánh kết quả đo kiểm tra với kết quả đã thực hiện. 67
3.3.2 So sánh kết quả đo kiểm tra vị trí điểm 68
3.4 Đánh giá khả năng ứng dụng của công nghệ GPS vào việc thành
lập lưới địa chính trên địa bàn tỉnh Lâm Đồng 68


Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Nông nghiệp
Page v

KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ 69
1 Kết luận 69
2 Kiến nghị 70
TÀI LIỆU THAM KHẢO 71
PHỤ LỤC 73


Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Nông nghiệp
Page vi

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

BĐĐC : Bản đồ địa chính
VTNT : Vệ tinh nhân tạo
DOP : Dilution of Precision
Hệ số phân giản độ chính xác
GPS : Global Positioning System
Hệ thống định vị toàn cầu

HDOP : Horizon Dilution of Precision
Hệ số phân giản độ chính xác theo phương ngang
PDOP : Position Dilution of Precision
Hệ số phân giản độ chính xác vị trí vệ tinh theo 3D
Ratio : Tỉ số phương sai
Reference Variance : Độ chênh lệch tham khảo
Rms : Sai số chiều dài cạnh
VDOP : Vertiacal Dilution of Precision
Hệ số phân giản độ chính xác theo phương dọc
X, Y, h : Tọa độ X, Y, Độ cao thủy chuẩn tạm thời
Mx, My, Mh : Sai số theo phương x, y, h
Mp : Sai số vị trí điểm
Dx, Dy : Chênh lệch theo phương x, y


Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Nông nghiệp
Page vii

DANH MỤC CÁC BẢNG

STT Tên bảng Trang

3.1 Tên điểm, tọa độ và độ cao các điểm gốc 36

3.2 Các hạng mục công việc xây dựng lưới địa chính 39

3.3 Các máy thực hiện đo đạc 47

3.4 Bảng so sánh kết quả xử lý cạnh 56

3.5 Bảng so sánh kết quả sai số khép hình 57

3.6 Các chỉ tiêu kỹ thuật trong xây dựng lưới GPS (Bộ Tài nguyên và
Môi trường - 2008) 60

3.7 Số lượng điểm GPS đo được 64

3.8 So sánh độ chính xác lưới GPS xã Tân Châu với quy phạm năm
2008 65

3. 9 So sánh tọa độ các điểm đo kiểm tra 67


Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Nông nghiệp
Page viii

DANH MỤC CÁC HÌNH

STT Tên hình Trang

1.1 Mô hình hình ảnh trái đất và vệ tinh GPS 10
1.2 Cấu trúc tín hiệu GPS 12
1.3 Các trạm điều khiển GPS 14
1.4 Các thành phần chính của GPS 14
1.5 Xác định hiệu số giữa các thời điểm 15
1.6 Kỹ thuật giải đa trị tại các máy thu 17
1.7 Kỹ thuật định vị tuyệt đối 19
1.8 Kỹ thuật định vị tương đối 22
3.1 Sơ đồ thiết kế lưới địa chính 39
3.2 Quy cách mốc địa chính 41

3.3 Cửa sổ Select Date 44
3.4 Cửa sổ Add New Point 44
3.5 Cửa sổ Auto View Time Selection 45
3. 6 Cửa sổ ListTimes 45
3.7 Máy đo GPS Trimble R3 48
3.8 Cửa sổ Create a New Project 51
3.9 Cửa sổ GPSurvey Project. TAN CHAU 52
3.10 Cửa sổ Load from DAT file. Interactive 52
3.11 Verify Receiver Configuration 1 53
3.12 Cửa sổ Verify Station for Static Occupation 1 53
3.13 Cửa sổ Verify Station for Static Occupation 1 54
3.14 Cửa sổ Load 55
3.15 Cửa sổ Static Processing 55
3.16 Sơ đồ lưới TAN CHAU 56
3.17 Cửa sổ Closure 3 Baselines 57
3.18 Cửa sổ TRIMNET Plus Network Adjustment 61

Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Nông nghiệp
Page 1

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài
Global Positioning System - GPS là hệ thống định vị toàn cầu được Bộ
Quốc Phòng Hoa Kỳ (US of Defense) triển khai và đưa vào hoạt động nhằm
cung cấp nguồn thông tin phục vụ mục tiêu định vị và dẫn đường cho quân sự,
nhưng sau đó đã được thương mại hóa, được ứng dụng rất rộng rãi trong các
hoạt động kinh tế, xã hội. Ngày nay, trong rất nhiều lĩnh vực của đời sống xã
hội đã và đang áp dụng công nghệ GPS. Trong trắc địa cũng vậy, công nghệ
GPS đã mở ra thời kỳ mới, đã thay thế công nghệ truyền thống trong việc thành

lập và xây dựng mạng lưới tọa độ các cấp. Với ngành trắc địa bản đồ thì đây 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 định vị toàn cầu GPS đã được công nhận và sử dụng rộng rãi như
một công nghệ tin cậy, hiệu quả trong trắc địa bản đồ bởi các tính ưu việt sau:
- GPS không đòi hỏi phải thông hướng ngắm giữa các điểm đo đạc.
- Độ chính xác phép đo sử dụng GPS ít chịu ảnh hưởng của các yếu tố
thời tiết (như mưa, bão, tuyết, nhiệt độ hay độ ẩm quá cao hoặc quá thấp).
- Phép đo sử dụng công nghệ GPS đòi hỏi ít thời gian hơn so với các
phương pháp đo truyền thống.
- Các kết quả của phép đạc sử dụng công nghệ GPS đều nằm trong một
hệ toạ độ thống nhất trên toàn thế giới.
- Số liệu đo đạc thu được bằng công nghệ GPS đều ở dạng số (Digital)
vì vậy rất dễ dàng chuyển đổi sang cho các hệ bản đồ tự động hoặc GIS.
Cùng với thời gian, công nghệ GPS ngày càng phát triển hoàn thiện
theo chiều hướng chính xác, hiệu quả, thuận tiện hơn và được sử dụng rộng
rãi. Người ta đã sử dụng công nghệ GPS để xây dựng lưới tọa độ nhà nước
thay thế cho các phương pháp truyền thống, đạt được độ chính xác cao.

Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Nông nghiệp
Page 2

Xã Tân Châu, huyện Di Linh, tỉnh Lâm Đồng có diện tích khoảng
4.480 ha, những năm qua có tốc độ phát triển kinh tế tương đối nhanh kéo
theo nhu cầu sử dụng đất ngày càng tăng mà trong khi đó BĐĐC không đáp
ứng được nhu cầu. Chính vì thế nhu cầu bức thiết trong quản lý đất đai của xã
là phải thành lập được BĐĐC có độ chính xác cao. Muốn có được điều đó cần
phải xây dựng hệ thống lưới địa chính trên địa bàn xã.
Để mở rộng khả năng sử dụng công nghệ GPS, góp phần đưa công
nghệ mới vào sản xuất, xây dựng hệ thống lưới địa chính xã Tân Châu, huyện

Di Linh, tỉnh Lâm Đồng, chúng tôi tiến hành nghiên cứu đề tài:
“Ứng dụng công nghệ GPS xây dựng lưới địa chính Xã Tân Châu,
huyện Di Linh, tỉnh Lâm Đồng”.
2 Mục đích của đề tài
- Tìm hiểu khả năng ứng dụng công nghệ GPS cho công tác đo đạc xây
dựng lưới địa chính.
- Xây dựng lưới địa chính xã Tân Châu, huyện Di Linh, tỉnh Lâm Đồng
3 Yêu cầu của đề tài
Xây dựng lưới địa chính trên địa bàn xã Tân Châu, huyện Di Linh, tỉnh
Lâm Đồng. Phân tích, đánh giá độ chính xác và khả năng ứng dụng công nghệ
GPS trong xây dựng lưới địa chính ở khu vực miền núi tỉnh Lâm Đồng.
- Lưới thiết kế lưới phải đảm bảo yêu cầu quy phạm, phù hợp thuận lợi
với yêu cầu của khu vực đo vẽ, có tính khả thi và hiệu quả kinh tế.
- Các số liệu đo đạc phải chính xác, trung thực, khách quan theo đúng
các chỉ tiêu kỹ thuật.
- Các kết quả tính, đánh giá độ chính xác của lưới phải đạt yên cầu theo
quy định hiện hành.
- Các kết quả kiểm tra, nghiệm thu đúng theo quy định của Bộ tài
nguyên và Môi trường.

Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Nông nghiệp
Page 3

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

1.1 Khái quát chung về lưới khống chế tọa độ nhà nước
1.1.1 Khái niệm và vai trò của lưới khống chế tọa độ nhà nước
1.1.1.1 Khái niệm lưới trắc địa
Lưới trắc địa là hệ thống các điểm được đánh dấu bằng các mốc trắc
địa chôn trên bề mặt trái đất, lên kết với nhau bằng các trị đo sau đó được xử

lý toán học chặt chẽ trong một hệ thống phục vụ cho các mục đích khoa học
và kỹ thuật của các ngành trắc địa và các ngành khác liên quan.
Theo quy mô và độ chính xác của mạng lưới trắc địa có thể pân loại:
Lưới khống chế trắc địa nhà nước, lưới khống chế trắc địa khu vực và lưới
khống chế đo vẽ.
Theo chức năng nhiệm vụ lưới trắc địa được chia ra các loại: Lưới toàn
cầu, lưới quốc gia, lưới địa phương và lưới chuyên dùng.
(Nguyễn Khắc Thời và
Lê Minh Tá - 2009)

1.1.1.2 Vai trò của lưới tọa độ nhà nước
Lưới tọa độ hạng cao nhà nước có vai trò và nhiệm vụ:
Nghiên cứu chi tiết hình dáng và thế trọng trường trái đất cũng như sự
thay đổi của nó theo thời gian.
Thiết lập hệ tọa độ thống nhất trên phạm vi toàn quốc nhằm thỏa mãn
nhu cầu chung của kinh tế kinh tế và quốc phòng.
Làm cơ sở để xây dựng lưới khống chế đo vẽ các loại bản đồ địa hình,
địa chính với các tỷ lệ cơ bản của quốc gia.
Do lưới trắc địa quốc gia phải đảm bảo các nhiệm vụ kỹ thuật nên việc
xây dựng lưới trắc địa quốc gia phải đảm bảo các nguyên tắc sau:
- Phải dày đặc và bao phủ toàn quốc
- Phải có đủ mật độ điểm cần thiết
- Lưới trắc địa cơ sở Nhà nước có độ chính xác cao

Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Nông nghiệp
Page 4

- Phải được xây dựng bảo bảo yêu cầu kinh tế kỹ thuật
Mỗi quốc gia đều có những phương án xây dựng lưới khống chế tọa độ
khác nhau, những quốc gia nhỏ thường xây dựng lưới tam giác dày đặc,

những quốc gia lớn thường xây dựng phương án khóa tam giác.
Lưới khống chế tọa độ thường được xây dựng từ toàn diện đến cục bộ, từ
độ chính xác cao đến độ chính xác thấp. Trước hết người ta xây dựng mạng lưới
điểm khống chế có mật độ thưa và có độ chính xác cao phủ trùm toàn bộ khu vục
cần nghiên cứu, sau đó chêm dày bằng lưới khống chế có mật độ dày hơn và có độ
chính xác thấp hơn. Lưới cấp thấp nhất có độ chính xác đáp ứng nhu cầu công tác
trắc địa đo vẽ các loại bản đồ ở các loại tỷ lệ bản đồ khác nhau.
Lưới khống chế tọa độ địa phương là lưới thiết kế riêng cho khu vực
chưa có hoặc quá xa các điểm khống chế Nhà nước.
Lưới chuyên dùng là lưới thiết kế riêng cho một khu vực hoặc mục đích
kinh tế, quốc phòng.
Lưới tọa độ nhà nước Việt Nam hiện nay được xây dựng gồm 3 cấp đó
là: Lưới hạng I, hạng II và lưới địa chính cơ sở.
1.1.2 Các phương pháp xây dựng lưới khống chế tọa độ nhà nước
1.1.2.1 Lưới tam giác đo góc
Phương pháp này được áp dụng vào đầu thế kỷ XX khi chưa có máy đo
cạnh có độ chính xác cao.
Đồ hình cơ bản là lưới tam giác dày đặc, khóa tam giác, tứ giác trắc địa
(tứ giác có hai đường chéo - hình thoi) và đa giác trung tâm.
Trong lưới tam giác đo góc, người ta đo tất cả các góc trong lưới nên có
điều kiện kiểm tra. Độ chính xác các yếu tố trong trong lưới đạt khá cao và
đồng đều. Hạn chế của lưới này là”
- Đồ hình là những tam giác gần đều.
- Đòi hỏi phải thông hướng cho tất các điểm.
- Cạnh không thể đo dài do ảnh hưởng của triết quang và độ cong trái đất.

Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Nông nghiệp
Page 5

1.1.2.2 Lưới đa giác

Khái niệm: Đường chuyền (lưới đường chuyền) là một dạng cơ bản của
lưới khống chế mặt bằng. Trên khu đo bố trí các điểm nối với nhau tạo thành
đường gãy khúc, trong trắc địa người ta gọi là “Đường chuyền”, “Đường
chuyền đa giác”, “Đường sườn”. Đo tất cả các cạnh và góc ngoặt của đường
chuyền ta sẽ xác định được vị trí tương hỗ giữa các điểm. Nếu biết tọa độ của
một điểm và góc phương vị của một cạnh ta có thể dễ dàng tính ra góc
phương vị và các tọa độ của các điểm trên đường chuyền.
Phương pháp đường chuyền chỉ thích ứng ở khu vực mà ở đó nếu áp
dụng phương pháp tam giác dày đặc thì phải dựng hàng loạt tiêu cao.
Lưới đường chuyền chọn điểm linh hoạt hơn nhưng điều kiện ràng
buộc ít nên độ chính xác lưới kém hơn lưới đo góc. Từ những năm 1990 trở
lại đây phương tiện đo cạnh có nhiều cải tiến, đặc biệt kể từ khi có toàn đạc
điện tử vừa đo cạnh và đo góc có độ chính xác cao nên phương pháp đa giác
được dùng khá phổ biến.
Đồ hình cơ bản của đường chuyền có thể chia làm 3 dạng chính cơ
bản là: “Đường chuyền phù hợp”, “lưới đường chuyền” và đường chuyền
khép kín.
Đối với khu vực đo kéo dài, hai đầu có các điểm khống chế hạng cao
thì dùng lưới dường chuyền phù hợp.
Những yêu cầu cơ bản của lưới đường chuyền là:
- Đường chuyền hạng I xây dựng theo các vòng khép kín.
- Đường chuyền hạng II xây dựng bên trong các vòng khép đường
chuyền hoặc khóa tam giác hạng I ở dạng lưới.
- Những điểm đường chuyền hạng III được xác định trên cơ sở những
điểm tam giác, đường chuyền hạng cao bằng các tuyến đường đơn hoặc hệ
thống các đường chuyền có một hoặc nhiều điểm nút.

Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Nông nghiệp
Page 6

1.1.2.3 Lưới tam giác đo cạnh và lưới đo góc cạnh
Đồ hình cơ bản trong lưới tam giác đo cạnh vẫn là hình tam giác nhưng
để có nhiều trị đo thừa người ta chọn tứ giác trắc địa hoặc đa giác trung tâm
làm đồ hình cơ bản của lưới. Khi độ chính xác đo cạnh tương đương như lưới
tam giác đo góc, sai số trung phương của các yếu tố trong lưới đo cạnh lớn
gấp 2, 3 lần so với đo góc.
Trong thực tế, nhiều lưới mặt bằng lớn có dạng tổng hợp cả ba dạng
lưới nói trên. Lưới tam giác đo cạnh có độ chính xác các yếu tố trong lưới ít
chịu ảnh hưởng của kết cấu hình học của lưới. Lưới đo góc cạnh có ưu điểm
của cả hai dạng cơ bản.
1.1.2.4 Lưới trắc địa vệ tinh
Các phương pháp xây dựng lưới đã nêu ở trên có nhược điểm là phải
thông hướng giữa các điểm liền kề: do ảnh hưởng của chiết quang và độ cong
trái đất nên không xây dựng lưới cạnh dài.
Để xây dựng lưới cạnh dài hoặc nối các lưới ở xa nhau có độ chính xác
cao, từ những năm 60 của thế kỷ XX ra đời phương pháp mới gọi là trắc địa
vệ tinh.
Đầu tiên người ta chụp ảnh VTNT trên nền sao, xác định hướng từ
điểm ngắm đến vệ tinh, khoảng cách từ điểm ngắm đến vệ tinh được đo bằng
máy đo khoảng cách bằng lazer đến vệ tinh.
Sai số vị trí điểm mặt đất cần định vị từ chỗ 100m sau đó chỉ còn 10m.
Thập kỷ 70, với kỹ thuật doppler vệ tinh độ chính xác định vị đạt cỡ vài
decimet thậm chí vài milimet. Các điểm lưới vệ tinh không cần thông hướng,
khoảng các các điểm từ cỡ vài km đến hàng nghìn km. bất cứ lúc nào, bất cứ
ở đâu, nếu thu tín hiệu tốt đều có thể định vị điểm mặt đất.
Năm 1973 hệ thống GPS được thiết kế và nhanh chóng đạt được những
hiệu quả đáng kể.

Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Nông nghiệp
Page 7

Ở Việt Nam, các ứng dụng của công nghệ GPS mới chỉ bắt đầu từ
những năm 1990, song chúng ta đã khai thác có hiệu quả trong công tác xây
dựng và hoàn thiện mạng lưới thiên văn - trắc địa quốc gia. Xây dựng mạng
lưới trắc địa biển, liên kết đất liền với các hải đảo, góp phần xây dựng cơ sở
dữ liệu hình thành hệ quy chiếu VN - 2000. Công nghệ GPS còn được áp
dụng để thành lập lưới địa chính cở sở phục vụ công tác đo vẽ bản đồ địa
chính trong cả nước.
Tương tự như hệ thống GPS, Liên Bang Nga thiết kế hệ thống vệ tinh
GLONASS hoạt động từ năm 1995. Năm 2003, liên minh Châu Âu bắt đầu
đưa lên quỹ đạo quanh trái đất hệ thống vệ tinh có tên là GALILEO và dự
kiến sẽ hoạt động vào năm 2015.
1.2 Khái quát công tác xây dựng lưới trắc địa bằng phương pháp trắc
địa vệ tinh ở một số nước trên thế giới và ở Việt Nam
1.2.1 Trên thế giới
Từ những năm 60 của thế kỷ XX, cơ quan Hàng không và Vũ trụ
(NASA) cùng với quân đội Hoa Kỳ đã tiến hành chương trình nghiên cứu,
phát triển hệ thống dẫn đường và đinh vị chính xác bằng vệ tinh nhân tạo. Hệ
thống định vị đẫn đường bằng vệ tinh thế hệ đầu tiên là hệ thống TRANSIT
được sử dụng trong thương mại vào những năm 1967. Một thời gian ngắn sau
đó TRANSIT bắt đầu ứng dụng trong trắc địa. Việc thiết lập mạng lưới điểm
định vị khống chế toàn cầu là những ứng dụng sớm nhất và giá trị nhất của hệ
TRANSIT.
Định vị bằng hệ TRANSIT cần thời gian quan trắc rất lâu mà độ
chính xác chỉ đạt khoảng 1m. Do vậy trong trắc địa hệ TRANSIT chỉ phù
hợp với công tác xây dựng mạng lưới khống chế cạnh dài. Hệ này không
thỏa mãn được các ứng dụng đo đạc thông dụng như đo đạc bản đồ, các
công trình dân dụng.

Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Nông nghiệp

Page 8

Tiếp sau thành công của hệ TRANSIT. Hệ thống định vị vệ tinh thế hệ
thứ hai ra đời có tên là NAVSTAR - GPS (Navigtion Satellite Timing And
Ranging - Global Positioning System), được gọi tắt là GPS. Hệ thống này bao
gồm 24 vệ tinh phát tín hiệu, bao quanh trái đất theo những quỹ đạo xác định.
Độ chính xác định vị bằng hệ thống này được nâng cao về chất so với hệ
TRANSIT. Nhược điểm về thời gian quan trắc được khắc phục. Một năm sau
khi phóng vệ tinh thử nghiệm NTS - 2 (Navigtion Technology Satellite 2),
giai đoạn thử nghiệm vận hành hệ thống GPS bắt đầu với công việc phóng vệ
tinh GPS mẫu “Block I”. Từ năm 1978 đến năm 1985 có 11 vệ tinh Block Ӏ
đã được phóng lên quỹ đạo. Hiện nay hầu hết số vệ tinh thuộc Block I đã hết
thời hạn sử dụng. Vệ tinh thế hệ thứ II (Block II) bắt đầu được phóng vào
năm 1989. Sau giai đoạn này 24 vệ tinh này đã triển khai trên 6 quỹ đạo
nghiêng 55
0
so với mặt phẳng xích đạo trái đất với chu kỳ gần 12 giờ ở độ cao
xấp xỉ 12.600 dặm (20.200 km). Loại vệ tinh bổ sung thế hệ III được thiết kế
thay thế những vệ tinh Block II được phóng lần đầu vào năm 1995. Cho đến
nay đã có 31 vệ tinh của hệ thống GPS đang hoạt động trên quỹ đạo.
Cùng có tính năng tương tự với hệ thống GPS đang hoạt động còn có
hệ thống GLONASS của Nga (nhưng không thương mại hóa rộng rãi), hệ
thống Bắc Đẩu của Trung Quốc và một hệ thống tương lai sẽ cạnh tranh thị
trường với hệ thống GPS là hệ thống GALILEO của Cộng đồng Châu Âu.
(Vũ Tiến Quang - 2002)
1.2.2 Tại Việt Nam
Ở Việt Nam, phương pháp định vị vệ tinh đã được ứng dụng từ những
năm đầu thập kỷ 90. Với 5 máy thu vệ tinh loại 4000 ST, 4000 SST ban đầu,
sau một thời gian ngắn lưới khống chế đã được lập xong tại những vùng đặc
biệt khó khăn mà từ trước đến nay chưa có khống chế như ở Tây Nguyên,

thượng nguồn Sông Bé, Cà Mau… Những năm sau đó, công nghệ GPS đóng
vai trò quan quyết định trong việc đo lưới cấp “0” lập hệ quy chiếu quốc gia

Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Nông nghiệp
Page 9

mới theo thông tư hướng dẫn áp dụng Hệ quy chiếu và Hệ tọa độ Quốc gia
VN-2000, ngày 20 tháng 6 năm 2001, số 973/2001/TT-TCĐC của Tổng cục
Địa chính (nay là Bộ Tài nguyên và Môi trường) cũng như việc lập lưới
khống chế hạng III phủ trùm lãnh thổ và nhiều lưới khống chế cho các công
trình dân dụng khác.
Những ứng dụng sớm nhất của GPS trong trắc địa bản đồ là trong
công tác đo lưới khống chế. Hiện nay hệ thống GPS vẫn đang phát triển và
ngày càng hoàn thiện về phần cứng (thiết bị đo) và phần mềm (chương trình
xử lý số liệu) được ứng dụng rộng rãi vào mọi dạng công tác trắc địa bản đồ,
trắc địa công trình dân dụng và các công tác định vị khác theo chiều hướng
ngày càng đơn giản, hiệu quả.
 Quá trình phát triển lưới tọa độ địa chính
Mặt bằng và độ cao Nhà nước của Việt Nam được xây dựng qua nhiều
giai đoạn và sử dụng nhiều phương pháp đo khác nhau.
Giai đoạn đo đạc lưới tam giác hạng I và II ở miền Bắc được tiến hành
từ năm 1956 đến năm 1963, tính toán bình sai xong năm 1966. Lưới tam giác
đo góc hạng I và xây dựng dưới dạng lưới dày đặc, lưới tam giác hạng II được
xây dựng chủ yếu bằng phương pháp chêm điểm vào lưới tam giác hạng I.
Giai đoạn đo đạc lưới tam giác đo góc hạng I, khu vực Bình-Trị-Thiên
(nay là khu vực tỉnh Quảng Bình, Quảng Trị và Thừa Thiên Huế) được tiến
hành từ năm 1977 đến năm 1983.
Giai đoạn đo đạc lưới tam giác đo góc hạng II Miền Trung, phương án
xây dựng là lưới tam giác hạng II dày đặc thay thế cho việc xây dựng lưới tam
giác hạng I và chêm lưới tam giác hạng II. Được xây dựng từ năm 1983 đến

năm 1992 gồm 8 khu đo.
Giai đoạn đo đạc lưới đường chuyền hạng II khu vực Nam bộ được đo
đạc từ năm 1988 đến năm 1990.

Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Nông nghiệp
Page 10

Giai đoạn đo lưới GPS cạnh ngắn khu vực Minh Hải, Sông Bé, Tây
Nguyên được đo từ năm 1991 đến năm 1993. Đây là khu vực đo có nhiều
khó khăn.
Từ năm 1992 đến năm 1995, chúng ta đã đo lưới GPS cạnh dài phủ
trùm toàn quốc nối đất liền với hải đảo, đo lưới GPS cấp “0” để kiểm định các
lưới hạng I, hạng II mặt bằng xây dựng trước đây, đồng thời là phương tiện
đo nối tọa độ của Việt Nam với các lưới trong khu vực và quốc tế.
Lưới mặt bằng nhà nước hạng I, II đã phủ trùm cả nước. Một số nơi đã
xây dựng được lưới mặt bằng hạng III, IV. Nhưng cho đến nay số điểm lưới
mặt bằng hạng III, hạng IV đã bị hư hỏng khá nhiều. Năm 1994 đến năm
2004, nước ta đã xây dựng lưới khống chế địa chính cơ sở (độ chính xác
tương đương hạng III nhà nước) phủ trùm cả nước để thay thế cho lưới hạng
III và hạng IV đã có. Lưới này gồm 12.631 điểm.
1.3 Khái quát hệ thống định vị toàn cầu GPS
1.3.1 Khái niệm hệ thống định vị toàn cầu GPS
GPS là một hệ thống radio hàng hải dựa vào các vệ tinh để 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 động trong mọi điều kiện thời tiết.
(Ahmed El-Rabbany - 2007)


Hình 1. 1: Mô hình hình ảnh trái đất và vệ tinh GPS

Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Nông nghiệp
Page 11

1.3.2 Các thành phần của GPS
GPS gồm 3 thành phần: Đoạn không gian, đoạn điều khiển và đoạn
người sử dụng.
• Đoạn không gian
Đoạn này gồm 24 vệ tinh, trong đó có 3 vệ tinh dự trữ quay trên 6 mặt
phẳng quỹ đạo cách đều nhau và có góc nghiêng 55
0
so với mặt phẳng xích
đạo của trái đất. Quỹ đạo của vệ tinh hầu như là tròn, và ở độ cao khoảng
20.000 km. Chu kỳ quay của vệ tinh sẽ bay qua đúng điểm cho trước trên mặt
đất một ngày một lần.
Mỗi vệ tinh được trang bị máy phát tần số chuẩn nguyên tử chính xác
cao cỡ 10
-12
. Máy phát này tạo ra các tín hiệu tần số cơ sở 10,23 M
HZ
, và từ
đây tạo ra các sóng tải tần số L
1
= 1575,42 M
HZ
và L
2
= 1227,60 M
HZ
. Người
ta sử dụng tần số tải để làm giảm ảnh hưởng của tầng điện ly.

Các sóng tải được điều biến bởi 2 loại code khác nhau là: C/A - code
và P - code.
C/A - code là code thô/ thâu tóm (Coarse/ acquisition). Nó được sử
dụng cho mục đích dân sự và điều chỉnh sóng tải L
1
. Code này được tạo bởi 1
chuỗi các chữ số 0 và 1 được sắp xếp theo quy luật tự ngẫu nhiên với tần số
1,023 M
HZ
tức là bằng 1/10 tần số cơ sở và được lặp lại sau mỗi một mili giây.
Mỗi vệ tinh được gán cho một C/A - code riêng biệt.
P - code là code chính xác (precice). Nó được sử dụng cho mục đích
quân sự, đáp ứng yêu cầu chính xác cao và điều biến cả 2 sóng tải L
1
và L
2
.
Code này dược tạo bởi nhiều chuỗi các chữ số 0 và 1 được sắp xếp theo quy
luật tựa ngẫu nhiên với tần số 10,23 M
HZ
; độ dài toàn phần của code là 267
ngày, nghĩa là chỉ sau 267 ngày P - code mới lặp lại. Tuy vậy, người ta chia
code ngày thành các đoạn có độ dài 7 ngày và cho mỗi vệ tinh thành một
trong các đoạn như thế, cứ sau một tuần lại thay đổi. Bằng cách này P - code
rất khó bị giải mã để sử dụng nếu không được phép.

Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Nông nghiệp
Page 12

Cả hai sóng tải L

1
và L
2
còn được điều biến bởi các thông tin đạo hàng
bao gồm: Tọa độ theo thời gian của vệ tinh (ephernerit). Thời gian của hệ
thống, số hiệu chỉnh cho đồng hồ vệ tinh, quanh cảnh phân bố vệ tinh trên bầu
trời và trạng thái hệ thống.
Ngoài 2 sóng tải L
1
và L
2
phục vụ mục đích định vị cho người sử dụng
(khách hàng), các vệ tinh còn dùng 2 tần sóng tần số 1783,74 M
HZ
và 2227,5
M
HZ
để trao đổi thông tin với các trạm điều khiển trên mặt đất.
Mỗi vệ tinh GPS có trọng lượng 1830 kg khi phóng và 930 kg khi bay
trên quỹ đạo. Các máy móc thiết bị trên vệ tinh hoạt động nhờ năng lượng do
các tấm pin mặt trời với sải cánh dài 580 cm cung cấp. Tuổi thọ của vệ tinh
theo thiết kế là 7,5 năm hiện nay đã đạt tới 10 năm. Một vệ tinh gắn 4 đồng hồ
nguyên tử có độ chính xác cao lên đến 10
-19
s. Tuy nhiên có những vệ tinh bị
hỏng hóc khá nhanh và đã được thay thế.


Hình 1. 2
: Cấu trúc tín hiệu GPS

Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Nông nghiệp
Page 13

• Đoạn điều khiển
Đoạn này bao gồm 5 trạm quan sát trên mặt đất trong đó bao gồm 1
trạm điều khiển trung tâm tại Colorado springs (căn cứ không quân Mỹ); 4
trạm theo dõi đặt tại Hawaii (Thái Bình Dương), Ascesion Island (Đại Tây
Dương), Diego Garcia (Ấn Độ Dương) và Kwajalein (Tây Thái Bình Dương).
Các trạm này tạo thành một vành đai bao quanh Trái đất.
Nhiệm vụ của đoạn điều khiển là điều khiển toàn bộ hoạt động và chức
năng của các vệ tinh trên cơ sở theo dõi sự chuyển động quỹ đạo của các vệ
tinh cũng như hoạt động của đồng hồ trên đó. Tất cả các trạm đều có máy thu
GPS và chúng tiến hành đo khoảng cách và sự thay đổi khoảng cách tới tất cả
các vệ tinh có thể quan sát được, đồng thời đo các số liệu khí tượng.tất cả các
số liệu đo được nhận ở mỗi trạm đều được chuyền về trạm trung tâm. Trạm
trung tâm xử lý tất cả số liệu được truyền từ các trạm theo dõi về cùng với số
liệu đo của chính nó. Kết quả xử lý cho ra các ephemerit chính xác hóa của vệ
tinh và số hiệu chỉnh cho các đồng hồ trên vệ tinh. Từ trạm trung tâm các số
liệu này được truyền trở lại cho các trạm theo dõi để từ đó truyền tiếp lên cho
các vệ tinh cùng các lệnh điều khiển khác. Như vậy các thông tin đạo hàng và
các thông tin thời gian trên vệ tinh được thường xuyên chính xác hóa và
chúng sẽ được cung cấp cho người sử dụng thông qua các sóng tải L
1
và L
2
.
Việc chính xác hóa thông tin như thế được tiến hành 3 lần trong một ngày.
Cần nói thêm là các thông tin cung cấp đại trà cho khách hàng chỉ đảm bảo độ
chính xác định vị cỡ 10 m, chưa kể chúng còn bị cố ý làm nhiễu đi để đảm

bảo về quân sự bởi chế độ SA (Selective Availability) để hạn chế độ chính
xác này ở mức 100 m. Chỉ khi thỏa thuận với phía Mỹ, người sử dụng mới có
thể có được các số liệu đảm bảo độ chính xác cao tới 1 m.

Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Nông nghiệp
Page 14


Hình 1. 3
: Các trạm điều khiển GPS
• Đoạn người sử dụng
Gồm các máy thu đặt trên mặt đất, bao gồm phần cứng và phần mềm.
- Phần cứng là các máy đo và các thiết bị kèm theo có nhiệm vụ thu tín
hiệu vệ tinh phục vụ cho các mục đích khác nhau của người sử dụng.
- Phần mềm có nhiệm vụ xử lý các thông tin thu được từ các vệ tinh để
cung cấp tọa độ của các máy thu.
(Nguyễn Khắc Thời và Lê Minh Tá - 2009)


Hình 1. 4: Các thành phần chính của GPS

Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Nông nghiệp
Page 15

1.3.3 Các đại lượng đo
Việc định vị bằng GPS thực hiện trên cơ sở sử dụng hai dạng đại lượng
đo cơ bản, đó là đo khoảng cách giả theo các code tựa ngẫu nhiên (C/A-code
và P-code) và đo pha của sóng tải (L1, L2).
1.3.3.1 Đo khoảng cách giả theo các code tựa ngẫu nhiên
Code tựa ngẫu nhiên được phát đi từ vệ tinh cùng với sóng tải. Máy thu

GPS cũng tạo ra code tựa ngẫu nhiên đúng như vậy. Bằng cách so sánh code
thu từ vệ tinh và code của chính máy thu tạo ra có thể xác định được khoảng
thời gian lan truyền của tín hiệu code, từ đó dễ dàng xác định được khoảng
cách từ vệ tinh đến máy thu (đến tâm anten của máy thu). Do có sự không
đồng bộ giữa đồng hồ của vệ tinh và máy thu, do có ảnh hưởng của môi
trường lan truyền tín hiệu nên khoảng cách tính theo khoảng thời gian đo
được không phải là khoảng cách thực giữa vệ tinh và máy thu, đó là khoảng
cách giả.







Hình 1. 5: Xác định hiệu số giữa các thời điểm
Nếu ký hiệu tọa độ của vệ tinh là x
s
, y
s
, z
s
; tọa độ của điểm xét (máy
thu) là x,y,z; thời gian lan truyền tín hiệu từ vệ tinh đến điểm xét là t, sai số
không đồng bộ giữa đồng hồ trên vệ tinh và trong máy thu là
∆
t, khoảng cách
giả đo được là R, ta có phương trình:

tczzyyxxttcR

sss
∆+−+−+−=∆+=
222
)()()()(
(1.1)
1 1 0 0 0 1 1 1 1 0 1 0 0 0 1 1
1 1 0 0 0 1 1 1 1 0 1 0 0

0 1 1

1 1 0 0 0 1 1 1 1 0 1 0 0 0 1 1
∆
t

∆
δ

Code do máy thu tạo ra
Code chuyền từ vệ tinh
Code thu được

Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Nông nghiệp
Page 16

Trong đó, c là tốc độ 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 đo khoảng thời gian lan truyền tín hiệu chỉ có thể đảm
bảo độ chính xác đo khoảng cách tương ứng khoảng 30m. Nếu tính đến ảnh
hưởng của điều kiện lan truyền tín hiệu, sai số đo khoảng cách theo C/A code
sẽ ở mức 100m là mức có thể chấp nhận được để cho khách hàng dân sự được

khai thác. Song kỹ thuật xử lý tín hiệu code này đã được phát triển đến mức
có thể đảm bảo độ chính xác đo khoảng cách khoảng 3m, tức là hầu như
không thua kém so với trường hợp sử dụng P-code vốn không dành cho khách
hàng đại trà. Chính vì lý do này mà trước đây Chính phủ Mỹ đã đưa ra giải
pháp SA để hạn chế khả năng thực tế của C/A code. Nhưng ngày nay do kỹ
thuật đo GPS có thể khắc phục được nhiễu SA, Chính phủ Mỹ đã tuyên bố bỏ
nhiễu SA trong trị đo GPS từ tháng 5 năm 2000.
1.3.3.2 Đo pha sóng tải
Các sóng tải L1, L2 được sử dụng cho việc định vị với độ chính xác
cao. Với mục đích này người ta tiến hành đo hiệu số giữa pha của sóng tải do
máy thu nhận được từ vệ tinh và pha của tín hiệu do chính máy thu tạo ra.
Hiệu số pha do máy thu đo được ta ký hiệu là Φ (0<Φ<2π).
Khi đó ta có thể viết:


Trong đó: 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 đồng bộ giữa đồng hồ của vệ tinh và máy thu;
N còn được gọi là số nguyên đa trị, thường không biết trước mà cần
phải xác định trong thời gian đo.
)(
2
tcNR ∆+−
Π
=Φ

λ
λ
(1.2)