ứng dụng công nghệ gps xây dựng lưới địa chính huyện đắk r’lấp tỉnh đắk nông

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

NGUYỄN VĂN MẠNH

ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ GPS XÂY DỰNG LƯỚI ðỊA
CHÍNH HUYỆN ðẮK R’LẤP TỈNH ðẮK NÔNG

CHUYÊN NGÀNH: QUẢN LÝ ðẤT ðAI
MÃ SỐ

: 60.85.01.03

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS-TS. NGUYỄN KHẮC THỜI

HÀ NỘI - 2013


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

Nguyễn Văn Mạnh

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

i


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 Ban quản
lý ñào tạo, 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.
PGS - TS. Nguyễn Khắc Thời 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

Nguyễn Văn Mạnh

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

ii


MỤC LỤC

LỜI CAM ðOAN ..........................................................................................i
LỜI CẢM ƠN...............................................................................................ii
MỤC LỤC ...................................................................................................iii
DANH MỤC CÁC BẢNG............................................................................ v
DANH MỤC CÁC HÌNH ........................................................................... vi
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT............................................................vii
MỞ ðẦU....................................................................................................... 1
1 Tính cấp thiết của ñề tài............................................................................ 1
2 Mục ñích của ñề tài .................................................................................. 2
3 Yêu cầu của ñề tài..................................................................................... 2
4 Tính khoa học và thực tiễn của ñề tài .................................................... 2
Chương 1. TỔNG QUAN CÁC VẤN ðỀ NGHIÊN CỨU ......................... 3
1.1 Khái quát về hệ thống ñịnh vị toàn cầu GPS ....................................... 3
1.1.1 Khái niệm về GPS [13] ........................................................................ 3
1.1.2 Các thành phần của GPS [5] .................................................................. 3
1.1.3 Nguyên lý ñịnh vị GPS [14] ................................................................. 6
1.1.4 Các nguồn sai số trong ñịnh vị GPS [2].............................................. 12
1.1.5 Ưu ñiểm của phương pháp ñịnh vị GPS ............................................. 15
1.1.6 Tọa ñộ và hệ qui chiếu ....................................................................... 16
1.2 Lịch sử phát triển của hệ thống ñịnh vị toàn cầu .............................. 18
1.2.1 Trên thế giới [13] ............................................................................... 18
1.2.2 Tại Việt Nam...................................................................................... 19
1.3 Xây dựng lưới ñịa chính ở Việt Nam................................................... 22
1.3.1 Khái niệm, nguyên tắc thiết kế lưới ..................................................... 22
1.3.2 Cơ sở toán học của lưới ñịa chính ...................................................... 23
1.3.3 Mật ñộ ñiểm khống chế ...................................................................... 26

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

iii

Chương 2. ðỐI TƯỢNG, PHẠM VI, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP
NGHIÊN CỨU ........................................................................................... 28
2.1 ðối tượng nghiên cứu .......................................................................... 28
2.2 Phạm vi nghiên cứu ............................................................................. 28
2.3 Nội dung nghiên cứu ............................................................................ 28
2.4 Phương pháp nghiên cứu .................................................................... 28
2.5 Quy trình xây dựng lưới ñịa chính bằng công nghệ GPS................. 30
Chương 3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN ....................... 31
3.1. Khái quát về ñiều kiện tự nhiên, kinh tế xã hội của huyện ðắk R’Lấp
........................................................................................................... 31
3.1.1. ðiều kiện tự nhiên .............................................................................. 31
3.1.2 Thực trạng phát triển kinh tế-xã hội..................................................... 35
3.2 Tình hình Quản lý ñất ñai trong huyện và tư liệu Trắc ñịa bản ñồ... 37
3.2.1 Tình hình Quản lý ñất ñai trong huyện ................................................ 37
3.2.2. Tư liệu trắc ñịa bản ñồ ........................................................................ 39
3.3 Ứng dụng công nghệ GPS ñể thành lập lưới ñịa chính ...................... 41
3.3.1 Các văn bản ......................................................................................... 41
3.3.2 Thiết kế lưới ñịa chính......................................................................... 42
3.3.3. Chuyển thiết kế ra thực ñịa ................................................................. 45
3.3.4 ðo ñạc bằng công nghệ GPS tương ñối tĩnh ........................................ 48
3.3.5 Xử lý tính toán bình sai ...................................................................... 51
3.3.6 Kết quả, ñánh giá kết quả ................................................................... 68
3.4 ðo kiểm tra ........................................................................................... 70
3.4.1 So sánh kết quả ño kiểm tra với kết quả ñã thực hiện ......................... 71
3.4.2 So sánh kết quả ño kiểm tra vị trí ñiểm............................................... 71
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ.................................................................... 73
TÀI LIỆU THAM KHẢO.......................................................................... 75
PHỤ LỤC.................................................................................................... 78

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

iv


DANH MỤC CÁC BẢNG
STT

Tên bảng

Trang

Bảng 3.1: Số ñiểm thiết kế ño trên ñịa bàn huyện......................................... 46
Bảng 3.2: Các chỉ tiêu kỹ thuật trong xây dựng lưới GPS [2] ....................... 67
Bảng 3.3: Số lượng ñiểm GPS ño ñược ........................................................ 68
Bảng 3.4: So sánh số liệu ñạt ñược với quy phạm ban hành ......................... 70
Bảng 3.5: So sánh kết quả xử lý ñược với kết quả ño kiểm tra ..................... 71

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

v


DANH MỤC CÁC HÌNH
STT

Tên hình

Trang

Hình 1.1: Mô hình hình ảnh trái ñất và vệ tinh GPS ....................................... 3
Hình 1.2: Cấu trúc tín hiệu GPS (Nguồn: merl.com) ...................................... 4
Hình 1.3: Các trạm ñiều khiển GPS (Nguồn: atheenah.com) .......................... 5
Hình 1.4: Các thành phần chính của GPS (Nguồn: atheenah.com) ................. 6
Hình 1.5: Xác ñịnh hiệu số giữa các thời ñiểm ............................................... 7
Hình 1.6: Kỹ thuật giải ña trị tại các máy thu (Nguồn: atheenah.com)............ 9
Hình 1.7: Kỹ thuật ñịnh vị tuyệt ñối ( Nguồn: vgl.com.vn)........................... 10
Hình 1.8: Kỹ thuật ñịnh vị tương ñối............................................................ 12
Hình 3.1: Máy ño GPS Trimble R3 .............................................................. 50
Hình 3.2: Cửa sổ Project .............................................................................. 52
Hình 3.3: Cửa sổ New Project ...................................................................... 52
Hình 3.4: Cửa sổ Import............................................................................... 52
Hình 3.5: Cửa sổ Insert Files into Project ..................................................... 53
Hình 3.6: Cửa sổ Receiver Raw Data Import................................................ 53
Hình 3.7: Cửa sổ Prosessing Options ........................................................... 54
Hình 3.8: Cửa sổ Prosessing Options............................................................ 55
Hình 3.9: Cửa sổ sơ ñồ ño GPS sơ bộ........................................................... 56
Hình 3.10 Cửa sổ Scan Satellites.................................................................. 57
Hình 3.11 ..................................................................................................... 58
Hình 3.12: Cửa sổ Quality Control ............................................................... 59
Hình: 3.13 .................................................................................................... 59
Hình 3.14..................................................................................................... 60
Hình 3.15 Cửa sổ Property: Point............................................................... 60
Hình: 3.16: Cửa sổ 3D Adjustment............................................................... 60
Hình 3.17: Cửa sổ Select Coordinate System type........................................ 61
Hình 3.18: Cửa sổ Select Coordinate Sytem Zone........................................ 62
Hình 3.19: Cửa sổ Select Geoid Model ........................................................ 62
Hình 3.20: Cửa sổ Property: Point............................................................ 63
Hình 3.21 ..................................................................................................... 64

Hình 3.22. Cửa sổ 3D Adustment................................................................ 64
Hình 3.23. Cửa sổ 3D Adustment ............................................................... 65
Hình 3.24: Cửa sổ Adjustment Reports ........................................................ 65

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

vi


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 sỹ khoa học Nông nghiệp ………………………

vii


MỞ ðẦU
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 ðắk R’Lấp tỉnh ðắk Nông những năm qua có tốc ñộ phát triển
kinh tế tương ñối nhanh, kéo theo nhu cầu sử dụng ñất ngày càng tăng. Chính

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

1


vì thế nhu cầu bức thiết trong quản lý ñất ñai của huyện là phải thành lập
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 ðắk R’Lấp
tỉnh ðắk Nông, chúng tôi tiến hành nghiên cứu ñề tài:
“Ứng dụng công nghệ GPS xây dựng lưới ñịa chính huyện ðắk
R’Lấp tỉnh ðắk Nông”
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 miền núi của ðắk Nông.
3 Yêu cầu của ñề tài
Thiết kế, thi công lưới ñịa chính trên ñịa bàn huyện ðắk R’Lấp. Phân
tích, ñánh giá ñộ chính xác và khả năng ứng dụng công nghệ GPS trong xây
dựng lưới ñịa chính ở khu vực miền núi.
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 sỹ khoa học Nông nghiệp ………………………

2


Chương 1. TỔNG QUAN CÁC VẤN ðỀ NGHIÊN CỨU
1.1 Khái quát về hệ thống ñịnh vị toàn cầu GPS
1.1.1 Khái niệm về GPS [13]
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 1.1: Mô hình hình ảnh trái ñất và vệ tinh GPS
(Nguồn: pocketgpsworld.com)
1.1.2 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
khoảng 20.200km, góc nghiêng 550, nằm trên 6 mặt phẳng quỹ ñạo.

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

3

- 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 1.2: Cấu trúc tín hiệu GPS (Nguồn: merl.com)
• 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:

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

4


- 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 1.3: 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 sỹ khoa học Nông nghiệp ………………………

5


Hình 1.4: Các thành phần chính của GPS (Nguồn: atheenah.com)
1.1.3 Nguyên lý ñịnh vị GPS [14]
1.1.3.1 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 lan truyền tín hiệu nên khoảng cách tính theo khoảng thời gian ño

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

6


ñược không phải là khoảng cách thực giữa vệ tinh và máy thu ñó là khoảng
cách giả.
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

Code chuyền từ vệ tinh
tinhtinh
Code thu
ñược

Code do máy thu
tạo[[[[[[[ơra

∆δ
∆t

Hình 1.5: Xác ñịnh hiệu số giữa các thời ñiểm
Nếu ký hiệu tọa ñộ của vệ tinh là xs, ys, zs; 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:

R = c(t + ∆t ) = ( x s − x) 2 + ( y s − y ) 2 + ( z s − z ) 2 + c∆t
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

không thua kém so với trường hợp sử dụng P-code vốn không dành cho khách

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

7


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<2π).
Khi ñó ta có thể viết:
2Π

( R − Nλ + c∆t )
λ
Trong ñó: R là khoảng cách giữa vệ tinh và máy thu
Φ=

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.

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

8


Hình 1.6: Kỹ thuật giải ña trị tại các máy thu (Nguồn: atheenah.com)
1.1.3.2 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
thể cắt nhau tại một ñiểm nghĩa là không thể xác ñịnh ñược vị trí của máy thu.

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

9


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:
(xs1- x)2 +(ys1- y)2 +(zs1- z)2 = (R1-c∆t)2
(xs2- x)2 +(ys2- y)2 +(zs2- z)2 = (R2-c∆t)2
(xs3- x)2 +(ys3- y)2 +(zs3- z)2 = (R3-c∆t)2
(xs4- x)2 +(ys4- y)2 +(zs4- 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 1.7: Kỹ thuật ñịnh vị tuyệt ñối ( Nguồn: vgl.com.vn)

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

10


1.1.3.3 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:

∆1Φ j (ti)= Φ2 j(ti)- Φ1 j (ti)
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:

∆2Φ j,k(ti)= ∆1Φ k(ti)- ∆1Φ j(ti)
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 ti+1, ta sẽ có phân sai bậc ba:

∆3Φ j,k(ti)= ∆2Φ j,k(ti+1)- ∆2Φ j,k(ti)
Sai phân này cho phép loại trừ sai số số nguyên ña trị.

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

11


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 1.8: Kỹ thuật ñịnh vị tương ñối
(Nguồn: matrongvang.blogspot.com)
1.1.4 Các nguồn sai số trong ñịnh vị GPS [2]
1.1.4.1 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
giây. Còn các máy thu GPS ñược trang bị ñồng hồ thạch anh chất lượng cao
(1 phần 104) ñặt bên trong.

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

12


Chúng ta biết rằng vận tốc truyền tín hiệu khoảng 3.108m/s nếu sai số
ñồng hồ thạch anh là 10-4s thì sai số khoảng cách tương ứng là 30km nếu
ñồng hồ nguyên tử sai 10-7s 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.
1.1.4.2 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
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.

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

13


1.1.4.3 Sai số do tầng ñiện ly và tầng ñối lưu
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 làm giảm ảnh hưởng của tầng ñiện ly và tầng ñối lưu người ta quy
ñịnh chỉ sử dụng tín hiệu vệ tinh có góc cao trên 15o trở lên so với mặt phẳng
chân trời.
Hiện nay người ta ñang sử dụng một số mô hình khí quyển trong ñó có
mô hình của Hopfield ñược dùng rộng rãi.
1.1.4.4 Sai số do nhiễu tín hiệu
Tín hiệu vệ tinh tới máy thu có thể bị nhiễu do một số nguyên nhân sau:

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

14


- 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 vườn
cây rậm rạp.

1.1.4.5 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.
1.1.5 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.
- 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.

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

15


- ðộ chính xác ngày càng cao và càng ñược cải thiện.
- Người sử dụng không cần quan tâm ñến việc vận hành hệ thống.
1.1.6 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
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

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

16


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
ñộ cao bằng công nghệ GPS. Song do bề mặt Geoid biến ñổi phức tạp số liệu
ño trọng lực thưa nên thực tế phương pháp xác ñịnh ñộ cao trong ño GPS còn
ñang ñược hoàn thiện thêm ñể kết quả ñạt yêu cầu sử dụng.
Nếu có các ñiểm có ñộ cao thủy chuẩn bao quanh khu ño có thể áp

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

17