Ứng dụng công nghệ GPS trong công tác thành lập lưới khống chế cơ sở mặt bằng trường đại học nông lâm thái nguyên

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM

LÊ QUANG TUẤN
Tên đề tài:
ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ GPS TRONG CÔNG TÁC THÀNH LẬP
LƯỚI KHỐNG CHẾ CƠ SỞ MẶT BẰNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC
NÔNG LÂM THÁI NGUYÊN

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

Hệ đào tạo

: Chính quy

Chuyên ngành

: Địa chính môi trường

Khoa

: Quản lý Tài nguyên

Khóa học

: 2011 - 2015

Thái Nguyên, năm 2015


ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM

LÊ QUANG TUẤN
Tên đề tài:
ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ GPS TRONG CÔNG TÁC THÀNH LẬP
LƯỚI KHỐNG CHẾ CƠ SỞ MẶT BẰNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC
NÔNG LÂM THÁI NGUYÊN

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

Hệ đào tạo
Chuyên ngành
Lớp
Khoa
Khóa học
Giáo viên hướng dẫn

: Chính quy
: Địa chính môi trường
: K43 - ĐCMT (N01)
: Quản lý Tài nguyên
: 2011 - 2015
: ThS. Nguyễn Ngọc Anh

Thái Nguyên, năm 2015


ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM

LÊ QUANG TUẤN
Tên đề tài:
ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ GPS TRONG CÔNG TÁC THÀNH LẬP
LƯỚI KHỐNG CHẾ CƠ SỞ MẶT BẰNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC
NÔNG LÂM THÁI NGUYÊN

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

Hệ đào tạo
Chuyên ngành
Lớp
Khoa
Khóa học
Giáo viên hướng dẫn

: Chính quy
: Địa chính môi trường
: K43 - ĐCMT (N01)
: Quản lý Tài nguyên
: 2011 - 2015
: ThS. Nguyễn Ngọc Anh

Thái Nguyên, năm 2015


ii
DANH MỤC CÁC BẢNG, SƠ ĐỒ
Bảng 2.1. So sánh kết quả sử dụng sóng tải và các mã code để xác định
khoảng cách ..................................................................................... 15
Bảng 2.2. Sau đây kiến nghị khoảng thời gian đo hợp lý cho trường hợp

quan trắc từ 4 vệ tinh trở lên với điều kiện khí tượng bình
thường. ............................................................................................. 21
Bảng 2.3. Ảnh hưởng của tầng điện ly đến khoảng cách đo từ vệ tinh
tới máy thu ....................................................................................... 28
Bảng 2.4. Ảnh hưởng tầng đối lưu tới khoảng cách ....................................... 30
Bảng 2.5. Các nguồn lỗi và biện pháp khắc phục được tổng hợp trong
bảng dưới đây .................................................................................. 33
Bảng 2.6. Yêu cầu kỹ thuật chủ yếu của lưới GPS được thành lập ................ 36
Bảng 4.1. Hệ thống các điểm trắc địa hạng cao đã có trong khu vực trường ....... 45


iii
DANH MỤC CÁC SƠ ĐỒ
Sơ đồ 2.1. Quy trình xây dựng lưới đo vệ tinh .............................................. 35
Sơ đồ 4.1. Quy trình thành lập lưới khống chế bằng công nghệ GPS ........... 44


iv
DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 2.1. Hình ảnh vệ tinh nhân tạo ................................................................. 4
Hình 2.2. Sơ đồ cấu trúc hệ thống định vị GPS ................................................ 7
Hình 2.3. Các loại vệ tinh .................................................................................. 7
Hình 2.4. Các trạm theo dõi của hệ thống GPS ................................................ 9
Hình 2.5. Máy thu của hãng Trimble .............................................................. 11
Hình 2.6. Đo khoảng cách giả theo code ........................................................ 13
Hình 2.7. Định vị tuyệt đối............................................................................... 16
Hình 2.8. Định vị tương đối ............................................................................ 18
Hình 2.9. Mô hình sai phân bậc 1 ................................................................... 19
Hình 2.10. Mô hình sai phân bậc 2 .................................................................. 19
Hình 2.11. Mô hình sai phân bậc 3 ................................................................. 20

Hình 4.1. Lập lịch đo GPS khu vực trường Đại học Nông lâm ...................... 47
Hình 4.2. Kết quả trút dữ liệu bằng phần mềm Trimble Data Transfer .......... 48
Hình 4.3. Tạo Ellipsoid quy chiếu cho hệ VN2000 và xây dựng múi chiếu .. 49
Hình 4.4. Kết quả tạo Project cho khu đo trường ĐH Nông lâm ................... 49
Hình 4.5. Kết quả Import dữ liệu thô vào phần mềm TBC V2.7 ................... 50
Hình 4.6. Sơ đồ mạng lưới các điểm đo .......................................................... 50
Hình 4.7. Kết quả xử lý cạnh .......................................................................... 51
Hình 4.8. Kết quả xử lý cạnh .......................................................................... 51
Hình 4.9. Kết quả thiết lập hệ tọa độ VN-2000 .............................................. 52
Hình 4.10. Kết quả nhập tọa độ cho các điểm gốc ......................................... 53
Hình 4.11. Quá trình bình sai lưới khống chế ................................................. 53
Hình 4.12. Đồ hình lưới khống chế đo vẽ ....................................................... 54


v
MỤC LỤC
PHẦN 1: MỞ ĐẦU......................................................................................... 1
1.1. ĐẶT VẤN ĐỀ ........................................................................................ 1
1.2. MỤC ĐÍCH CỦA ĐỀ TÀI .................................................................... 3
1.3. YÊU CẦU CỦA ĐỀ TÀI ....................................................................... 3
1.4. Ý NGHĨA CỦA ĐỀ TÀI ........................................................................ 3
1.4.1. Ý nghĩa trong học tập và nghiên cứu khoa học ................................ 3
1.4.2. Ý nghĩa thực tiễn .............................................................................. 3
PHẦN 2: TỔNG QUAN TÀI LIỆU .............................................................. 4
2.1. TỔNG QUAN VỀ GPS - Navigation Satellite Timing And Ranging
Globol positioning Sytem (Navstar GPS ) .................................................... 4
2.1.1. Đoạn không gian (space Segment) ................................................... 7
2.1.2. Đoạn điều khiển (Control Segment) ................................................. 9
2.1.3. Đoạn sử dụng (User segment) ........................................................ 10
2.1.4. Các hệ tọa độ được sử dụng trong công nghệ GPS ........................ 11

2.2. CÁC ĐẠI LƯỢNG ĐO GPS ............................................................... 13
2.2.1. Đo khoảng cách giả theo C/A – code và P – code ......................... 13
2.2.2. Đo khoảng cách giả theo pha sóng tải ............................................ 15
2.3. CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐO GPS ......................................................... 16
2.3.1. Đo GPS tuyệt đối (Absolute Positioning) ...................................... 16
2.3.2. Đo GPS tương đối (Relative Positioning) ..................................... 18
2.3.3. Đo GPS vi phân DGPS (Differential – GPS) ................................. 24
2.4. CÁC LOẠI SAI SỐ TRONG ĐO GPS ................................................ 26
2.4.1. Sai số đồng hồ (Clock Error) ............................................................ 26
2.4.2. Sai số do quỹ đạo vệ tinh................................................................ 27
2.4.3. Ảnh hưởng của tầng điện ly và tầng đối lưu ................................. 27


vi
2.4.4. Tầm nhìn vệ tinh và sự trượt chu kỳ (Cycle slips) ......................... 30
2.4.5. Sai số do phản xạ đa đường dẫn (Multipath) ................................. 31
2.4.6. Sự suy giảm độ chính xác (DOPS) do đồ hình vệ tinh .................. 31
2.4.7. Sai số tâm pha của anten ................................................................ 32
2.4.8. Các sai số do người đo ................................................................... 32
2.5. THIẾT KẾ LƯỚI KHỐNG CHẾ THEO CÔNG NGHỆ GPS 34
2.5.1. Đặc điểm chung .............................................................................. 34
2.5.2. Trình tự các bước xây dựng lưới đo vệ tinh ................................... 34
2.5.3. Yêu cầu kĩ thuật lưới GPS .............................................................. 36
2.5.4. Thiết kế đồ hình lưới và phương thức liên kết lưới ....................... 37
2.6.NHỮNG NỘI DUNG CẦN CHÚ Ý TRONG THỰC TẾ THIẾT KẾ LƯỚI .. 37
PHẦN 3: ĐỐI TƯỢNG, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU . 39
3.1. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU .................................. 39
3.1.1. Đối tượng nghiên cứu ..................................................................... 39
3.1.2. Phạm vi nghiên cứu ........................................................................ 39
3.2. ĐỊA ĐIỂM VÀ THỜI GIAN TIẾN HÀNH ........................................ 39

3.2.1. Địa điểm nghiên cứu ...................................................................... 39
3.2.2. Thời gian tiến hành ......................................................................... 39
3.3. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU ................................................................ 39
3.3.1. Điều tra cơ bản ............................................................................... 39
3.3.2. Thành lập lưới khống chế bằng công nghệ GPS ............................ 39
3.4. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ........................................................ 40
3.4.1. Phương pháp thu thập và nghiên cứu tài liệu. ................................ 40
3.4.2. Phương pháp khảo sát thực địa ...................................................... 40
3.4.3. Phương pháp bản đồ ....................................................................... 40
3.4.4. Phương pháp đo GPS tĩnh .............................................................. 40
3.4.5. Phương pháp sử dụng phần mềm ................................................... 40


i
LỜI CẢM ƠN
Thực tập tốt nghiệp là một giai đoạn cần thiết và hết sức quan trọng của
mỗi sinh viên, đó là thời gian để sinh viên tiếp cận với thực tế, nhằm củng cố và
vận dụng những kiến thức mà mình đã học được trong nhà trường. Để qua đó sinh
viên khi ra trường sẽ hoàn thiện về kiến thức, phương pháp làm việc cũng như
năng lực công tác, nhằm đáp ứng được yêu cầu của thực tiễn công việc.
Được sự đồng ý của Ban chủ nhiệm khoa Quản lý Tài nguyên em đã
tiến hành nghiên cứu đề tài: “Ứng dụng công nghệ GPS trong công tác thành
lập lưới khống chế cơ sở mặt bằng trường Đại học Nông Lâm Thái Nguyên”.
Hoàn thành được đề tài này, trước hết em xin chân thành cám ơn Ban
giám hiệu trường Đại học Nông Lâm Thái Nguyên, Ban chủ nhiệm khoa
Quản lý Tài nguyên, cùng các thầy cô giáo trong trường đã luôn quan tâm,
dạy bảo, truyền đạt những kiến thức, kinh nghiệm, quý báu cho em trong suốt
bốn năm học vừa qua. Đặc biệt em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy
giáo Th.S. Nguyễn Ngọc Anh đã nhiệt tình chỉ bảo, hướng dẫn cho em. Sự
tạo điều kiện của Bộ môn GIS Và Viễn thám Khoa Quản lý Tài Nguyên cùng

với sự nỗ lực của bản thân em đã hoàn thành đề tài tốt nghiệp theo đúng nội
dung hướng dẫn và thời gian quy định của nhà trường.
Mặc dù bản thân có nhiều cố gắng, song do điều kiện thời gian và năng
lực còn nhiều hạn chế nên khóa luận tốt nghiệp của em không tránh khỏi
những thiếu sót, em rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của các thầy cô
giáo và các bạn để bài khóa luận của em được hoàn chỉnh hơn.
Em xin chân thành cám ơn!
Thái Nguyên, ngày 10 tháng 05 năm 2015
Sinh viên

LÊ QUANG TUẤN


1
PHẦN 1
MỞ ĐẦU

1.1. ĐẶT VẤN ĐỀ

Đất đai là tài nguyên vô cùng quý giá, là địa bàn phân bố của con người,
là nơi phát triển xây dựng các cơ sở kinh tế - văn hóa – xã hội. Đặc biệt đất là
tài liệu không gì thay thế được trong sản xuất nông – lâm – ngư nghiệp. Hầu
hết các nước trên thế giới đều xây dựng một nền kinh tế trên cơ sở phát triển
nông lâm nghiệp dựa vào khai thác tiềm năng đất đai, lấy đó làm cơ sở cho sự
phát triển các ngành khác. Do đó, việc tổ chức sử dụng nguồn tài nguyên đất
đai hợp lý đầy đủ và đem lại hiệu quả cao theo quan điểm sinh thái và phát
triển bền vững trở thành vấn đề cấp thiết.
Vấn đề đặt ra khi sử dụng tài nguyên thiên nhiên của lãnh thổ chúng ta
cần có cái nhìn tổng quan từ các hợp phần trong tự nhiên. Để từ đó có giải
pháp khai thác và sử dụng hợp lý.

Trong những năm trước đây để ghi nhận, mô tả và quản lý tài nguyên
thiên thiên, sự phân bổ đô thị, phân bổ dân cư, phân bổ sản xuất. . . người ta
sử dụng hệ thống bản đồ địa lý, bản đồ chuyên đề, bản đồ giải thửa. . . được
vẽ trên giấy cùng các bảng biểu thống kê được đo vẽ thủ công bằng tay. Các
bản đồ này mức độ sử dụng còn hạn chế do độ chính xác không cao, nội dung
không phong phú, khó khăn cho việc lưu trữ, nhân bản, bảo quản, cập nhật và
chỉnh sửa.
Trong giai đoạn hiện nay, cùng với sự phát triển của nền kinh tế, khoa học
kỹ thuật, tin học điện tử viễn thông, ngành địa chính đang phải đối mặt với sự
phát triển không ngừng của khoa học công nghệ. Những khái niệm mới, hệ
thống mới, kỹ thuật mới xuất hiện, đã được ngành địa chính ứng dụng có hiệu
quả vào công tác quản lý đất đai, và thành lập bản đồ địa chính dạng số.


2
Song song với mỗi giai đoạn phát triển của xã hội loài người, và các
ngành khoa học nói chung và ngành trắc địa nói riêng cũng có những bước
phát triển rõ rệt. Ngày nay, những thành tựu to lớn của nhiều ngành như toán
học, địa lý học, kỹ thuật điện, tin học. . . đã được ứng dụng vào ngành trắc địa
bản đồ. Hệ thống định vị toàn cầu GPS là hệ thống dẫn đường và định vị
chính xác dựa trên các vệ tinh NAVSTAR được bộ quốc phòng MỸ thiết kế,
triển khai từ năm 1973 và sử dụng rộng rãi tới ngày nay.
Ngày nay, Công nghệ GPS chiếm vai trò chủ đạo trong các lĩnh vực dân
sự và đã thay thế được công nghệ truyền thống trong việc xây dựng lưới tọa
độ, đồng thời mở ra nhiều các lĩnh vực khác nhau vì nó đạt được nhiều tính
ưu việt hơn hẳn các phương pháp cũ như độ chính xác cao, thời gian đo
nhanh, ít tốn kém và hầu hết thực hiện được trong mọi điều kiện thời tiết.
Công nghệ GPS đã mang lại nhiều hiệu quả khoa học như định vị được với độ
chính xác tới milimet, khoảng cách đo được lên tới hàng nghìn km, có thể
định vị các đối tượng chuyển động tạo cơ sở khoa học mới cho xây dựng các

hệ quy chiếu và hệ tọa độ quốc gia, quan trắc dịch chuyển lục địa, quan trắc
biến động vỏ trái đất, dự báo động đất v.v... Gần đây, công nghệ GPS ngày
càng được sử dụng nhiều hơn để xây dựng lưới khống chế tọa độ, một yếu tố
cực kỳ quan trọng không thể thiếu trong công tác thành lập bản đồ. Mặt khác
để xây dựng lưới khống chế tọa độ thì có nhiều phương pháp như: phương
pháp tam giác đo góc, phương pháp đa giác, phương pháp tam giác đo cạnh
độ chính xác cao, phương pháp tam giác đo góc – cạnh. Nhưng với tính ưu
việt của mình thì công nghệ GPS ngày càng được biết đến sử dụng rộng rãi và
trở thành phương pháp chính.
Từ thực tế ứng dụng công nghệ GPS trong công tác thành lập lưới khống
chế cơ sở mặt bằng và những ưu điểm của kỹ thuật này so với các phương
pháp truyền thống. Được sự nhất trí của ban giám hiệu trường Đại học Nông
Lâm Thái Nguyên, Ban chủ nhiện khoa Quản lí Tài nguyên em tiến hành thực
hiện đề tài: “Ứng dụng công nghệ GPS trong công tác thành lập lưới khống
chế cơ sở mặt bằng trường Đại học Nông Lâm Thái nguyên”


3
1.2. MỤC ĐÍCH CỦA ĐỀ TÀI

- Ứng dụng công nghệ GPS trong công tác thành lập lưới khống chế cơ
sở mặt bằng trường Đại học Nông Lâm Thái Nguyên.
- Ứng dụng phần mềm TBC 2.0 (Trimble Business Center) trong xử lý
tính toán số liệu đo GPS.
- Xây dựng hệ thống tọa độ các điểm khống chế đo vẽ phục vụ cho việc
thành lập bản đồ địa chính.
1.3. YÊU CẦU CỦA ĐỀ TÀI

- Lưới khống chế được thành lập phải tuân theo quy trình, quy phạm
hiện hành của Bộ Tài nguyên & Môi trường.

- Quy trình thực hiện đảm bảo tính khoa học và chính xác.
1.4. Ý NGHĨA CỦA ĐỀ TÀI

1.4.1. Ý nghĩa trong học tập và nghiên cứu khoa học
- Đây là cơ hội cho sinh viên vận dụng những kiến thức đã học và những
hiểu biết của mình vào thực tiễn, đồng thời cũng có cơ hội nâng cao sự hiểu
biết về phát triển của ngành địa chính nói chung và ứng dụng công nghệ GPS
trong công tác thành lập lưới khống chế cơ sở mặt bằng nói riêng.
- Nâng cao kỹ năng sử dụng và kế thừa các thành tựu của khoa học và kĩ
thuật vào thực tiễn.
1.4.2. Ý nghĩa thực tiễn
- Qua nghiên cứu, tìm hiểu và ứng dụng công nghệ GPS trong công tác
thành lập lưới khống chế cơ sở mặt bằng giúp cho công tác quản lý Nhà nước
về đất đai được nhanh hơn đầy đủ hơn và chính xác hơn.
- Phục vụ tốt cho việc đo vẽ chi tiết thành lập bản đồ địa chính theo công
nghệ số, hiện đại hóa hệ thống hồ sơ địa chính theo quy định của Bộ Tài
Nguyên và Môi Trường.


4
PHẦN 2
TỔNG QUAN TÀI LIỆU

2.1. TỔNG QUAN VỀ GPS - Navigation Satellite Timing And Ranging

Globol positioning Sytem (Navstar GPS)
Hệ thống định vị toàn cầu có tên đầy đủ là Navigation Satellite Timing
And Ranging Globol positioning Sytem (Navstar GPS) được bắt đầu triển
khai từ những năm 1970 do quân đội Mỹ chủ trì. Nhiệm vụ chủ yếu của hệ
thống là xác định tọa độ không gian và tốc độ chuyển động của điểm xét trên

tàu vũ trụ, máy bay, tàu hỏa và trên đất liền, phục vụ cho bộ quốc phòng Mỹ
và các cơ quan quân sự.

Hình 2.1. Hình ảnh vệ tinh nhân tạo
Năm 1973 hệ thống định vị toàn cầu GPS đã được thiết kế và có tên đầy
đủ là NAVSTAR GPS (Navigation Satellite Timing And Ranging Globol
positioning Sytem). Đến ngày 22 tháng 02 năm 1978 vệ tinh đầu tiên của hệ
thống định vị toàn cầu GPS đã được đưa lên quỹ đạo, đến năm 1985 người ta


5
đưa lên quỹ đạo 11 vệ tinh hệ I (block I) mang tính chất thực nghiệm. Hiện
nay hầu hết số vệ tinh thuộc hệ block I đã hết thời gian sử dụng. Từ năm 1989
đến năm 1990 người ta đã đưa lên quỹ đạo 9 vệ tinh thuộc các thế hệ II (
block II) và các vệ tinh công tác. Vệ tinh thế hệ block II khác với vệ tinh thế
hệ block I ở chỗ nó phát tín hiệu chứa nhiễu chủ động SA (Selective
Availability) và A.S (Anti Spoofing). Từ những năm 1990 đến 1994 người ta
đưa lên quỹ đạo 15 vệ tinh thế hệ II A (chữ A có nghĩa là tiên tiến – Advance)
có khả năng liên hệ các vệ tinh. Từ ngày 08 tháng 12 năm 1993, trên 6 quỹ
đạo của hệ thống GPS đã đủ 24 vệ tinh triển khai trên 6 mặt phẳng quỹ đạo ở
độ cao khoảng 20.200km và nghiêng với mặt phẳng xích đạo trái đất một góc
55 độ, chu kì xấp xỉ 12 giờ. Với cách bố trí này thì trong suốt 24 giờ tại bất kì
điểm nào trên mặt đất cũng quan sát được ít nhất là 4 vệ tinh. Với hệ thống
GPS này, vấn đề thời gian, vị trí, tốc độ được giải quyết nhanh chóng, chính
xác trên phạm vi toàn cầu trong bất kì thời điểm nào. Từ những năm 1996
người ta đưa lên quỹ đạo các vệ tinh bổ sung thế hệ II R (chũ R có nghĩa là
Đổi mới – Replacement) được thiết kế để thay thế các vệ tinh thế hệ block II.
Các vệ tinh thế hệ II R có khả năng đo khoảng cách giữa 3 vệ tinh lân cận.
Cho đến nay đã có 28 vệ tinh của hệ thống GPS đang hoạt động trên quỹ đạo.
Người ta còn dự định từ nay đến năm 2010 sẽ đưa lên quỹ đạo các vệ tinh thế

hệ II F (block II F, có nghĩa là Tiếp tục – Follow On).
Trong những năm của thập kỉ 80 quân đội Mỹ đã chính thức cho phép sử
dụng trong dân sự. Từ đó các nhà khoa học của nhiều nước phát triển đã lao
vào cuộc chạy đua để đạt được thành quả cao nhất trong lĩnh vực sử dụng vệ
tinh chuyên dụng GPS. Những thành tựu này cho kết quả trong hai hướng chủ
đạo là chế tạo máy thu tín hiệu và thiết lập các phần mềm để chế biến thu tín
hiệu cho các mục đích khác nhau.


6
Trong thời gian này Liên Xô xây dựng hệ thống định vị toàn cầu
GLONASS (Global Navigation Satellite System) nguyên lý hoạt động của hệ
thống này tương tự hoạt động như hệ thống GPS, nhưng có những đặc thù
riêng và nó không được thương mại hóa rộng rãi.
Cho tới năm 1988, các máy thu GPS do 10 hãng trên thế giới sản xuất đã
đạt được trình độ cạnh tranh trên thị trường. Vì lý do trên, giá máy đã giảm
xuống tới mức hợp lý mang tính phổ cập. Một số hãng trên thế giới sản xuất
máy thu GPS hàng đầu như: TRIMBLE NAVIGATION (Mỹ), ASHTECH
(Mỹ), WILD (Thụy Sĩ), SEGSEL (Pháp), MINI MAX (Tây Đức)...
Ở Việt Nam các ứng dụng của công nghệ GPS trong trắc địa 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 lưới Trắc địa biển, liên kết đất liền với các hải đảo xa đất liền. Chỉ với 5
máy thu vệ tinh loại 4000ST, 4000SST ban đầu sau một thời gian ngắn đã lập
xong lưới khống chế như Tây Nguyên, Thượng nguồn sông Bé, Cà Mau...
Công nghệ GPS đã góp phần xây dựng cơ sở dữ liệu để hình thành hệ quy
chiếu VN-2000. Bên cạnh đó chúng ta đã ứng dụng GPS để đo đạc một số
mạng lưới nghiên cứu địa động trên các khu vực đứt gãy Sông Hồng, Điện
Biên - Lai Châu và tham gia cùng các nước trong khu vực thực hiện đo đạc và
nghiên cứu sự di chuyển vỏ trái đất thuộc vùng Đông Nam Á.

Toàn bộ phần cứng của hệ thống GPS có tên đầy đủ là NAVSTAR GPS
SYSTEM. NAVSTAR viết tắt của chữ NAVIGATION SYSTEM WITH
TIME AND RANGING.
Phần cứng này gồm 3 phần: Phần điều khiển (Control Segment), phần
không gian (Space Segment) và phần sử dụng (User Segment).


7

Hình 2.2. Sơ đồ cấu trúc hệ thống định vị GPS
2.1.1. Đoạn không gian (space Segment)
1. Chòm vệ tinh GPS
Bao gồm 24 vệ tinh bay trên quỹ đạo có độ cao

20200 km, chu kì 11

giờ 58 phút, phân bố đều trên 6 mặt phẳng quỹ đạo nghiêng với xích đạo một
góc

. Việc bố trí này nhằm mục đích để tại mỗi thời điểm và mỗi vị trí

trên trái đất đều có thể quan sát ít nhất 4 vệ tinh.

Hình 2.3. Các loại vệ tinh
Các vệ tinh NAVSTAR có 2 trạng thái: “hoạt động khỏe“ (Healthy) và
“Hoạt động không khỏe“ (Unhealthy). Hai trạng thái của vệ tinh này được
quyết định do 4 trạm điều khiển mặt đất. Chúng ta có thể sử dụng tín hiệu của
các vệ tinh ở cả hai trạng thái “Hoạt động khỏe“ và “Hoạt động không khỏe“.

8
2. Cấu trúc tín hiệu GPS
Mỗi vệ tinh đều có thiết bị tạo dao động với tần số chuẩn cơ sở là

=10.23

MHZ . Tần số này còn là tần số chuẩn của đồng hồ nguyên tử, với độ chính xác cỡ
. Tử tần số cơ sở

thiết bị sẽ tạo ra hai tần số sóng tải L1 và L2.

Sóng tải L1 có tần số = 154
Sóng tải L2 có tần số

= 1575.42 MHZ, có bước sóng là 19,032 cm.

= 120

= 1227,60MHZ, có bước sóng là

24,42cm.
Để phục vụ cho các mục đích và đối tượng khác nhau, các tín hiệu phát đi
được điều biến mang theo các code riêng biệt, đó là C/A code, P-code và Y-code.
C/A-code (coarse/Acquisition code) là code thô cho phép dùng rộng rãi.
C/A code mang tính chất tựa ngẫu nhiên. Tín hiệu mang code này có tần số
thấp (1.023 MHZ) tương ứng với bước sóng 293 mét. C/A code chỉ điều biến
sóng tải L1, song nếu có sự can thiệp của các trạm điều khiển trên mặt đất có
thể chuyển sang cả L2.Chu kì của C/A code là 1 mili giây, trong đó chứa
1023 bite (1023 chíp) mỗi một vệ tinh phát đi C/A code khác nhau. Nó chủ
yếu được sử dụng cho mục đích dân sự với độ chính xác không cao, vì vậy

chỉ dùng trong mục đích dân sự.
P-code là code chính xác (Precision code). Ban đầu nó được sử dụng
cho các mục đích quân sự, đáp ứng yêu cầu chính xác cao và điều biến cả 2
sóng tải L1 và L2. Code này được tạo bởi nhiều chuỗi các chữ số 0 và 1, được
sắp xếp theo quy luật tựa ngẫu nhiên với tần số 10,23 MHZ; 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 này thành các đoạn có độ dài 7 ngày và gán cho mỗi vệ
tinh 1 trong các đoạn code này và cứ sau mỗi tuần lại thay đổi. Bằng cách này
P-code rất khó bị giải mã để sử dụng nếu không được phép.
Y- code là code bí mật, được phủ lên P-code gọi là kỹ thuật AS (AntiSpoofing). Chỉ có các vệ tinh thuộc khối II (sau năm 1989) mới có khả năng


9
này. Ngoài các tần số trên, các vệ tinh còn có thể trao đổi với các trạm điều
kiển trên mặt đất qua các tần số 1783,74 MHZ. Và 2227,5 MHZ để truyền
các thông tin đạo hàng và các lệnh điều khiển tới vệ tinh.
Người ta ước lượng độ chính xác định vị đạt cỡ 1% bước sóng của tín
hiệu.Như vậy, ngày nay khi sử dụng code thô C/A để định vị thì có thể đạt độ
chính xác cỡ 3m. Chính vì thế phía Mỹ chủ động làm nhiễu tín hiệu để hạ thấp
độ chính xác định vị tuyệt đối. Kỹ thuật làm nhiễu này gọi là SA (SelectiveAvailability). Do nhiễu SA, khách hàng chỉ có thể định vị tuyệt đối với độ chính
xác 50 đến 100m. Từ ngày 20-05-2000 Mỹ đã bỏ chế độ nhiễu SA.
2.1.2. Đoạn điều khiển (Control Segment)
Phần điều khiển gồm 9 trạm mặt đất, trong đó có 4 trạm mặt đất và có 5
trạm

theo

dõi

(Monitor

Station):Colorado

Springs, Diego

Garcia,

Ascension,Kwajalein và Hawaii; một trạm điều khiển trung tâm (Master
Control Station-MCS) và 3 hiệu chỉnh số liệu (Upload Station).

Hình 2.4. Các trạm theo dõi của hệ thống GPS
Các trạm này theo dõi liên tục tất cả các vệ tinh có thể quan sát được.
Các số liệu quan sát được ở các trạm này được chuyển về trạm điều kiển trung
tâm MCS, tại đây việc tính toán số liệu chung được thực hiện và cuối cùng
các thông tin đạo hàng cập nhật được chuyển lên các vệ tinh, để sau đó từ các
vệ tinh chuyển đến các máy thu của người sử dụng.


10
Như vậy, vai trò của đoạn điều kiển rất quan trọng vì nó không chỉ theo
dõi các vệ tinh mà còn liên tục cập nhật để chính xác hóa các thông tin đạo
hàng trong đó có lịch vệ tinh quảng bá, đảm bảo độ chính xác cho công tác
định vị bằng hệ thống GPS.
2.1.3. Đoạn sử dụng (User segment)
Đoạn sử dụng bao gồm các máy thu GPS, máy hoạt động để thu tín hiệu
vệ tinh GPS phục vụ cho mục đích khác nhau như dẫn đường trên biển, trên
không, trên đất liền và phục vụ cho công tác đo đạc ở nhiều nơi trên thế giới.
Trong việc khai thác sử dụng công nghệ GPS, người ta có thể kết nối các thiết
bị thu tín hiệu GPS với một số thiết bị khác để thực hiện các kĩ thuật đo động
thời gian thực (Real time Kinematic-RTK). Đo vi phân DGPS, đo vi phân

diện rộng WADGPS (Wide-area-Differential GPS). Trong đó WADGPS còn
sử dụng vệ tinh viễn thông thương mại như là phương tiện trung gian để
truyền số cải chính đo vi phân cho các trạm đo.
Máy thu GPS là phần cứng quan trọng trong đoạn sử dụng. nhờ các tiến
bộ kỹ thuật trong lĩnh vực điện tử viễn thông và kỹ thuật thông tin, tín hiệu
số, các máy thu GPS ngày càng hoàn thiện. Ngành chế tạo máy thu GPS là
ngành “ kỹ thuật cao”. Các máy thu hiện nay có thể làm việc được với đầy đủ
bằng các bước sóng tải L1 và L2 hoặc chỉ thu được tín hiệu tần L1. Có thể
định vị tuyệt đối khoảng cách giả C/A code và cả khoảng cách P(Y) code
hoặc theo pha sóng tải, một số hãng còn cho ra các máy thu có thể đồng thời
thu tín hiệu vệ tinh GPS và cả vệ tinh GLONASS.
Về nguyên tắc theo dõi vệ tinh và tín hiệu, người ta chế tạo ra các máy
thu tín hiệu song song. Do đó cấu hình nhiều kênh nên máy thu có thể đồng
thời thu tín hiệu của nhiều vệ tinh. Loại thứ hai là loại máy thu tuần tự thay
đổi nhanh. Với loại máy thu này tuần tự ghi tín hiệu thay đổi liên tục sau
những khoảng thời gian rất ngắn. Trên cơ sở hai nguyên tắc trên, người ta sản


ii
DANH MỤC CÁC BẢNG, SƠ ĐỒ
Bảng 2.1. So sánh kết quả sử dụng sóng tải và các mã code để xác định
khoảng cách ..................................................................................... 15
Bảng 2.2. Sau đây kiến nghị khoảng thời gian đo hợp lý cho trường hợp
quan trắc từ 4 vệ tinh trở lên với điều kiện khí tượng bình
thường. ............................................................................................. 21
Bảng 2.3. Ảnh hưởng của tầng điện ly đến khoảng cách đo từ vệ tinh
tới máy thu ....................................................................................... 28
Bảng 2.4. Ảnh hưởng tầng đối lưu tới khoảng cách ....................................... 30
Bảng 2.5. Các nguồn lỗi và biện pháp khắc phục được tổng hợp trong
bảng dưới đây .................................................................................. 33

Bảng 2.6. Yêu cầu kỹ thuật chủ yếu của lưới GPS được thành lập ................ 36
Bảng 4.1. Hệ thống các điểm trắc địa hạng cao đã có trong khu vực trường ....... 45


12
(Kinh tuyến đi qua đài thiên văn Greenwich, cực quả đất, tâm vật chất quả
đất) đều thuộc về quả đất.
Do đó hệ tọa độ WGS – 84 tham gia vào chuyển động ngày đêm của quả
đất. Tuy nhiên tọa độ của mọi điểm trên mặt đất được xác định trong hệ tọa
độ này không thay đổi và không phụ thuộc vào sự quay quanh trục của quả
đất. Vì lý do đó hệ tọa độ WGS – 84 cũng như mọi hệ tọa độ địa tâm quả đất
khác được sử dụng rộng rãi trong Trắc địa - Bản đồ để xây dựng các mạng
lưới Trắc địa và thành lập bản đồ.
Để xác định các tham số quỹ đạo chuyển động của vệ tinh người ta phải
sử dụng hệ tọa độ sao. Hệ tọa độ sao có một yếu tố không liên quan đến trái
đất điểm xuân phân (điểm xuân phân là giao điểm của mặt phẳng xích đạo và
đường hoàng đạo). Như vậy các tham số quỹ đạo của vệ tinh được xác định
trong hệ tọa độ sao và được sử dụng để tính toán ra tọa độ của vệ tinh trong
hệ WGS – 84 vào thời điểm quan sát.
Trong cuộc sống hàng ngày và cả trong các lĩnh vực khoa học – kỹ thuật
người ta thường sử dụng hệ thống thời gian liên quan đến chuyển động của
mặt trời: Đó là giờ mặt trời trung bình. Hệ thống thời gian này có quan hệ mật
thiết với hệ thống thời gian sao.
Do bị ảnh hưởng của nhiều yếu tố, các hệ thống thời gian mặt trời và sao
thường không ổn định, nên người ta xây dựng chuẩn thời gian dựa trên việc
xác định số dao động của một nguyên tử đồng vị phóng xạ giữa hai mức cân
bằng. Chuẩn thời gian là giờ nguyên tử với độ ổn định rất cao và không liên
quan đến sự quay của trái đất. Trong công nghệ GPS để xác định 1 khoảng
cách giữa vệ tinh và máy thu với độ chính xác cỡ cm và thâm trí mm đòi hỏi
phải đáp ứng hai điều kiện:

Sự đồng bộ rất cao giữa đồng hồ và máy thu
Độ chính xác xác định thời gian phải rất cao (cỡ 10^-11s)


13
2.2. CÁC ĐẠI LƯỢNG ĐO GPS

Việc định vị bằng GPS được sử dụng trên cơ sở sử dụng 2 đại lượng đo
cơ bản là: Đo khoảng cách giả theo các code tựa ngẫu nhiên (C/A-code và Pcode) và đo pha sóng tải (L1 và L2).
2.2.1. Đo khoảng cách giả theo C/A – code và P – code
Đo khoảng cách giả tức là xác định khoảng cách từ máy thu đến vệ tinh,
nhưng khoảng cách đo được không phải là khoảng cách thực (khoảng cách
hình học). Do sự không đồng bộ đồng hồ trên máy thu và đồng hồ trên vệ
tinh, và do sự ảnh hưởng của môi trường lan truyền tín hiệu.
Code truyÒn tõ vÖ tinh

1100011110100011
Code thu ®−îc
11 0 0 0 1 1 0 1 0 0 1 1
Code do m¸y t¹o ra
∆t

t
Hình 2.6. Đo khoảng cách giả theo code

Nguyên tắc đo khoảng cách giả theo tín hiệu code là phương pháp đo
khoảng cách một chiều (one-way-ranging), khác với các nguyên tắc đo
khoảng cách 2 chiều của các máy đo dài điện tử, hay đo khoảng cách bằng
radar. Dựa vào code tựa ngẫu nhiên C/A code hoặc P-code bằng phương pháp
phân tích tương quan code sẽ xác định được khoảng thời gian lan truyền tín

hiệu từ vệ tinh đến máy thu. Trên thực tế không thể thực hiện việc so sánh
code nhận được với code tạo ra trên vệ tinh mà chỉ có thể thực hiện được
trong máy thu tín giữa tín hiệu code nhận được và tín hiệu do máy thu tạo ra.


14
Trong trường hợp này code do máy thu tạo ra không đông bộ với code trên vệ
tinh do sự đồng bộ quả đồng hồ vệ tinh và đồng hồ máy thu.
Ký hiệu ts là thời điểm tính theo đồng hồ vệ tinh khi phát tín hiệu và tR
là thời điểm tính theo đồng hồ máy thu nhận tín hiệu code. Tương tự ta ký
hiệu độ sai của các đồng hồ tính theo hệ thống giờ GPS là δs và δR lần lượt với
đồng hồ vệ tinh và đồng hồ máy thu. Khi đó thời gian lan truyền tín hiệu là:
t= tR - ts = [ tR(GPS)+δR ] – [ts(GPS)+δs]= t(GPS)+
Trong đó ta ký hiệu: t(GPS)=tR(GPS)-ts(GPS) và

(1.1)
=δR-δs (1.2)

Độ sai lệch đồng hồ vệ tinh δscó thể mô hình hóa theo hàm đa thức nhờ
các hệ số a0,a1,a2 chuyền từ vệ tinh lưu trong đoạn đầu tiên của thông tin đạo
hàng. Số hiệu chỉnh của đồng hồ vệ tinh được xác định:
δs=a0+a1(t-t0)+a2(t-t0)2(1.3)
Trong đó t là thời điểm xét, t0 là thời điểm lịch vệ tinh. khoảng cách
giả R được tính theo công thức:
R=c(t+

)=ρ+c.

=

+c.

(1.4)
Trong đó:
ρ- khoảng cách giữa vệ tinh và máy thu
c : vận tốc ánh sáng (c=3.

)

xs,ys,zs: là tọa độ không gian vệ tinh S.
x,y,z: là tọa độ không gian điểm quan sát.
Độ chính xác đạt được trong trường hợp sử dụng C/A-code theo dự
tính của các nhà thiết kế hệ thống GPS, kỹ thuật đo lan truyền tín hiệu chỉ có
thể đảm bảo độ chính xác đo khoảng cách tương ứng cỡ 30m. Nếu tính đến
ảnh hưởng của điều kiện lan truyền tín hiệu sai số đo khoảng cách cỡ 100m.
Song kỹ thuật xử lý tín hiệu code này đã phát triển đến mức có thể đảm bảo
độ chính xác đo khoảng cách tới cỡ 3m, tức là không thua kém trường hợp sử


15
dụng P-code vốn không dùng cho khách hàng đại trà. Chính lý do này Mỹ đã
phải đưa ra giải pháp SA để hạn chế khả năng thực tế của C/A-code.
2.2.2. Đo khoảng cách giả theo pha sóng tải
Người ta tiến hành đo hiệu số pha của sóng tải do máy thu nhận được từ
vệ tinh với pha của tín hiệu do chính máy thu tạo ra. Ký hiệu hiệu số pha do
máy thu đo được là Ф khi đó có thể viết:
Φ=

1

λ

ρ+

c

λ

∆δ + N

(1.5)

Trong đó: ρ- khoảng cách giữa vệ tinh và máy thu
λ- bước sóng của sóng tải
N- số nguyên lần bước sóng λ chứa trong R
- sai số không đồng bộ giữa đồng hồ của vệ tinh và máy thu.
N được gọi là số nguyên đa trị, thường không được biết trước mà cần
xác định trong quá trình đo.
Trong trường hợp đo pha theo sóng tải L1 có thể xác định khoảng cách
giữa vệ tinh và máy thu với độ chính xác cỡ centimet thậm chí milimet. Sóng
tải L2 có độ chính xác thấp hơn L1, nhưng có tác dụng cùng sóng tải L1 giảm
thiểu ảnh hưởng sai số của tầng điện ly và đơn giản hóa việc xác định số
nguyên đa trị N. Dưới đây là bảng so sánh kết quả sử dụng sóng tải và các mã
code để xác định khoảng cách.
Bảng 2.1. So sánh kết quả sử dụng sóng tải và các mã code để xác định
khoảng cách
Tín hiệu

Bước sóng

Mp

L1

0.2 m

2 mm

L2

0.25 m

2,5 mm

C/A-code

300 m

3,0 mm

P-code

30 m

0.3 mm


iii
DANH MỤC CÁC SƠ ĐỒ
Sơ đồ 2.1. Quy trình xây dựng lưới đo vệ tinh .............................................. 35

Sơ đồ 4.1. Quy trình thành lập lưới khống chế bằng công nghệ GPS ........... 44