Chuẩn bị bộ số liệu hỗ trợ cho công tác xử lý số liệu GPS độ chính xác cao bằng phần mềm bernese

Đồ án tốt nghiệp

Bộ môn: trắc địa Cao cấp – Công trình
MỤC LỤC

SV: Trần Đại An

1

Lớp:LĐH2TĐ2


Đồ án tốt nghiệp

Bộ môn: trắc địa Cao cấp – Công trình
LỜI MỞ ĐẦU

-

-

-

Trắc địa là một môn khoa học phát triển từ khá lâu, trong quá trình phát triển con
người đã không ngừng ứng dụng những thành tựu khoa học kỹ thuật để hoàn thiện các
phương pháp và thiết bị đo mới nhằm giảm bớt khó khăn của công tác đo đạc đồng
thời nâng cao độ chính xác các thành quả trắc địa. Trong khoảng 20 năm trở lại đây,
các thiết bị đo đạc đã đươc đổi mới về chất. Đó là giai đoạn chuyển dần từ các thiết bị
quang cơ sang thiết bị đo đạc điện tử, cũng trong thời gian này người ta đã ứng dụng
khoa học vũ trụ vào lĩnh vực trắc địa. Mỹ đã xây dựng hệ thống định vị toàn cầu
(GPS), Nga cũng đã xây dựng hệ thống vệ tinh dẫn đường toàn cầu riêng cho mình đó

là hệ thống GLONASS (hệ thống gồm 24 vệ tinh, bay trên 3 mặt phẳng quĩ đạo ở độ
cao từ 18800 đến 19900km, với chu kỳ 676 phút), các nước châu Âu cũng đang xây
dựng hệ thống định vị toàn cầu GALILEO. Cũng xin lưu ý, thời gian gần đây, cộng
đồng quốc tế đã sử dụng Global Navigation Satellite System (GNSS-Hệ thống vệ tinh
dẫn đường toàn cầu) như thuật ngữ chung khi đề cập tới các hệ thống vệ tinh hoạt
động theo nguyên lý định vị trên.
Ngày nay, hệ thống GNSS đã được ứng dụng rộng rãi trong trắc địa, và trong
nhiều lĩnh vực khác như :
Ứng dụng trong dẫn đường: với sai số vị trí điểm cỡ m (hoặc chục m), nhằm dẫn
đường cho các tàu thuyền trên biển, các phương tiện trên không (máy bay, tên lửa),
trên bộ trong các lĩnh vực quân sự, giao thông vận tải, du lịch …
Ứng dụng trong trắc địa: với sai số xác định vị trí điểm từ mm đến dm hoàn toàn đáp
ứng các yêu cầu kỹ thuật của toàn bộ các nhiệm vụ trắc địa như: xây dựng lưới khống
chế, đo vẽ bản đồ, mặt cắt, định vị tàu thuyền khi đo đạc trên biển, ứng dụng trong trắc
địa công trình (thành lập các mạng lưới cơ sở trắc địa công trình và lưới thi công công
trình v.v...)
Ứng dụng trong nghiên cứu biến đổi môi trường toàn cầu: Với ưu thế vượt trội (độ
chính xác cao, hoạt động liên tục trên quy mô toàn cầu) GNSS có thể áp dụng trong
xác định chuyển dịch hiện đại vỏ Trái đất, nghiên cứu tầng khí quyển (điện ly, khí
tượng) và hiện tượng nước biển dâng.
Ở nước ta, công nghệ GPS đã được đưa vào từ những năm 1990, sau một thời
gian ngắn, chúng ta đã sử dụng GPS để hoàn chỉnh mạng lưới thiên văn- trắc địa quốc
gia và rất nhiều ứng dụng khác có ích cho quốc gia.Ví dụ như từ năm 1991 đến 1993 :
Xây dựng lưới GPS hệ ngắn cho khu vực Minh Hải-Sông Bé- Tây Nguyên (gồm
117mốc).Năm 1992: Xây dựng lưới GPS hệ dài trên biển và đất liền, lưới này gồm 36
mốc. Năm 1995: Xây dựng lưới cấp 0, gồm 71 mốc phủ trên toàn bộ lãnh thổ Việt
Nam và nó còn làm cơ sở để xây dựng hệ toạ độ VN-2000.vv… Từ đó đến nay công
SV: Trần Đại An

2

Lớp:LĐH2TĐ2


Đồ án tốt nghiệp

Bộ môn: trắc địa Cao cấp – Công trình

nghệ GPS đã ứng dụng rộng rãi để xây dựng rất nhiều lưới, trong đó việc ứng dụng
GPS để thành lập lưới khống chế là một phần hết sức quan trọng.
Xử lý số liệu là khâu then chốt trong ứng dụng GNSS. Với khối lượng số liệu
khổng lồ (dung lượng một ca đo 24 giờ với tần xuất 15 giây tại một điểm có thể in trên
~ 1000 tờ A4), mô hình toán học và vật lý phức tạp, số liệu GNSS chỉ có thể xử lý
bằng các phần mềm chuyên nghiệp. Trên thế giới, các công ty, các viện, các trường đại
học đã tung ra nhiều phần mềm khác nhau, song về cơ bản có thể chia làm hai loại:
1.phần mềm mang tính thương mại (TGO, GPS survey. TTC, TBC…); 2.phần mềm
chuyên dụng mang tính khoa học (Bernese, Gamit, Gipsy-Oasis…). Phần mềm mang
tính thương mại thường được cung cấp theo máy thu, việc sử dụng không quá phức
tạp, đáp ứng các nhiệm vụ trắc địa thường gặp phục vụ cho đông đảo khách hàng.
Ngược lại, phần mềm chuyên dụng mang tính khoa học được thiết lập nhằm xử lý số
liệu cho các nhiệm vụ đặc biệt như xác định chuyển dịch vỏ Trái đất. Để đáp ứng yêu
cầu độ chính xác cao trên quy mô không gian lớn (sai số cỡ mm trên không gian hàng
ngàn km) phần mềm yêu cầu hàng loạt số liệu hỗ trợ trước khi xử lý. Với khuôn khổ
một đồ án tốt nghiệp, khó có thể xử lý được số liệu bằng phần mềm Bernese, bởi vậy
đề tài với tiêu đề: “Chuẩn bị bộ số liệu hỗ trợ cho công tác xử lý số liệu GPS độ
chính xác cao bằng phần mềm Bernese” được lựa chọn. Đây là cơ hội thuận lợi,
không chỉ có thể làm quen với công tác nghiên cứu mà còn được tiếp cận thực tế, góp
phần giải quyết các nhiệm vụ phức tạp. Khái niệm bộ số liệu ở đây được hiểu là các số
liệu đo của các điểm IGS, các số liệu chung liên quan tới hệ thống GNSS, phần mềm
(thuộc thư mục GEN) và số liệu hỗ trợ xử lý số liệu đo (lịch vệ tinh, mô hình điện ly,

tải trọng đại dương …).
Với tinh thần trên, ngoài phần mở đầu và kết luận, nôi dung đồ án gồm:
Chương 1: Xây dựng lưới khống chế bằng công nghệ GPS
Chương 2: Quy trình xử lý số liệu GPS độ chính xác cao
Chương 3: Chuẩn bị bộ số liệu bổ trợ cho công tác xử lý số liệu GPS độ
chính xác cao bằng phần mềm Bernese
Em xin chân thành cảm ơn TS. Phạm Thị Hoa và TS. Vy Quốc Hải cùng các
thầy cô trong bộ môn Trắc địa cao cấp đã tận tình giúp đỡ để em có thể hoành thành
bản đồ án này. Do trình độ, kinh nghiệm còn có hạn nên không thể tránh khỏi những
sai sót, em rất mong được sự chỉ bảo vào đóng góp ý kiến của các thầy, cô cùng các
bạn sinh viên có thể hoàn thiện bản đồ án này hơn nữa.
Em xin chân thành cảm ơn!
Chương 1: XÂY DỰNG LƯỚI KHỐNG CHẾ BẰNG CÔNG NGHỆ GPS
SV: Trần Đại An

3

Lớp:LĐH2TĐ2


Đồ án tốt nghiệp

Bộ môn: trắc địa Cao cấp – Công trình

1.1.KHÁI QUÁT VỀ HỆ THỐNG GPS
1.1.1 Vài nét về lịch sử phát triển
Tháng 10 năm 1957, Liên Xô (cũ) đã phóng thành công công nghệ vệ tinh nhân
tạo (VTNT) đầu tiên của Trái Đất Sputnhic – I lên quỹ đạo, mở đầu cho kỷ nguyên con
người chinh phục không gian vũ trụ. Cũng từ đó, con người đã sử dụng VTNT vào giải
quyết nhiệm vụ của nhiều lĩnh vực khác nhau, trong đó có Trắc địa cao cấp.

Ngay từ năm 1958, bằng số liệu quan sát từ vệ tinh, người ta đã xác định độ dẹt
cực của Trái Đất là f = 1/298,3 rất gần với kết quả từ đo đạc trên mặt đất. Cũng trong
thời gian này, bằng quan sát VTNT người ta cũng đã xác định được một số tham số vật
lý của Trái Đất.
Vào những năm 1960, VTNT được đưa lên quỹ đạo và đóng vai trò như những
mục tiêu cao, dùng các thiết bị quang học để quan sát vệ tinh từ mặt đất phục vụ xây
dựng lưới tam giác vệ tinh (còn gọi là mạng lưới tam giác vũ trụ) cho phép chuyền tọa
độ giữa các điểm cách xa nhau trên bề mặt mặt đất. Phương pháp tam giác vệ tinh chịu
ảnh hưởng đáng kể của điều kiện thời tiết, máy móc, thiết bị quan sát nặng nề, không
thuận tiện cho công tác đo đạc ngoài thực địa. Vì vậy, sau khi hoàn thành nhiệm vụ
lịch sử nói trên, hiện nay phương pháp này không còn áp dụng trong thực tế.
Để khắc phục nhược điểm của phương pháp tam giác vệ tinh, người ta thiết kế hệ
thống đạo hàng vệ tinh làm việc trong mọi điều kiện thời tiết và liên tục trong 24 giờ
trong ngày. Năm 1962, Mỹ thiết kế và xây dựng hệ thống đạo hàng hải quân NNSS,
được gọi là Transit. Cũng trong thời gian này, Liên Xô (cũ) đã xây dựng hệ thống
TSICADA có tính năng tương tự như hệ thống Transit của Mỹ. Cả hai hệ thống trên
đều được hoạt động theo nguyên lý hiệu ứng Doppler, dựa theo tín hiệu từ vệ tinh phát
xuống mặt đất. Trong trường hợp này vệ tinh đóng vai trò như các điểm gốc (có tọa
độ), là phương tiện truyền thông tin quỹ đạo vệ tinh, tạo trị đo Doppler để cung cấp
cho máy thu thực hiện bài toán định vị trên biển và trên mặt đất. Từ năm 1967, phương
pháp Doppler vệ tinh không chỉ là đột phá cho nhiệm vụ định vị trên biển mà còn mở
ra khả năng xây dựng lưới khống chế tọa độ cho một số quốc gia trước thập niên 80
của thế kỷ trước. Tuy vậy, hệ thống Transit cũng có những nhược điểm như không đáp
ứng được các yêu cầu định vị tức thời cần độ chính xác cao.

SV: Trần Đại An

4

Lớp:LĐH2TĐ2

Đồ án tốt nghiệp

Bộ môn: trắc địa Cao cấp – Công trình

Năm 1973, hệ thống GPS được thiết kế. Từ năm 1978 đến 1985, người ta đưa lên
quỹ đạo 11 vệ tinh khối I (block I) mang tính chất thực nghiệm. Từ năm 1989 đến
1990, người ta đưa lên quỹ đạo 9 vệ tinh thuộc khối II (block II). Các vệ tinh khối II
khác vệ tinh khối I ở chỗ nó phát tín hiệu có nhiễu cố ý SA và có kỹ thuật bảo mật AS.
Từ năm 1990 đến năm 1994, người ta đưa lên quỹ đạo 15 vệ tinh thế hệ II – A có khả
năng liên hệ giữa các vệ tinh.
Từ sau năm 1995, hệ thống GPS vẫn tiếp tục được duy trì và bảo dưỡng cũng
như thay thế những vệ tinh già tuổi. Năm 2000, số vệ tinh trong chòm GPS đã tăng lên
28 vệ tinh. Những vệ tinh thế hệ GPS-IIR đã và đang được phóng lên để thay thế
những vệ tinh già tuổi. Vệ tinh mới nhất được phóng lên ngày 16/9/2005 mang tên
GPS-IIR-M1, là vệ tinh đầu tiên thuộc thế hệ 8 chiếc vệ tinh hiện đại nhất GPS-IIR-M.
Theo kế hoạch, vệ tinh tiếp theo sẽ được phóng lên không gian vào tháng giêng năm
nay (2006).
Ngoài hệ thống GPS của Mỹ, năm 1980, Liên Xô (cũ) cũng đã triển khai xây
dựng hệ thống định vị toàn cầu quân sự có tên gọi là GLONASS. Nguyên lý hoạt động
của hệ thống này tương tự như hệ thống GPS.
Để tăng cường độ chính xác định vị GPS và GLONASS, từ cuối năm 2002, dịch
vụ dẫn đường sử dụng vệ tinh phủ trùm Châu Âu EGNOS đã cung cấp khả năng định
vị chính xác trên toàn bộ Châu Âu và các vùng lân cận. Để tăng cường độ chính xác
cho hệ thống GPS, Mỹ đã xây dựng hệ thống định vị tăng cường diện rộng WAAS, và
Nhật Bản đã xây dựng hệ thống MSAS cũng có tính năng tương tự như WAAS và
EGNOS. Các hệ thống này cung cấp khả năng định vị tức thời trên toàn bộ vùng phủ
sóng với sai số không lớn hơn 3m.
Từ tháng 3 năm 2002, Liên minh Châu Âu bắt đầu đưa lên quỹ đạo các vệ tinh

đầu tiên của hệ thống định vị toàn cầu GALILEO. Hệ thống GALILEO được đưa vào
hoạt động thử nghiệm từ năm 2008 và dự kiến hoàn thành vào năm 2013 hoặc 2015.
Năm 2007, Trung Quốc phát triển hệ thống định vị khu vực Bắc Đẩu – 1 thành hệ
thống định vị toàn cầu với tên gọi là COMPASS hay Bắc Đẩu – 2.
Các hệ thống định vị vệ tinh GPS, GALILEO, GLONASS, COMPASS được gọi
chung là hệ thống định vị dẫn đường toàn cầu GPS. Để phục vụ cho công tác định vị
trong những điều kiện hạn chế không thể thu liên tục tín hiệu từ vệ tinh, người ta đã
SV: Trần Đại An

5

Lớp:LĐH2TĐ2


Đồ án tốt nghiệp

Bộ môn: trắc địa Cao cấp – Công trình

chế tạo thiết bị định vị tích hợp công nghệ định vị với hệ thống định vị quán tính INS.
Từ năm 2000 trở lại đây, người ta đã đưa các vệ tinh CHAMP, GRACE, và GOCE lên
quỹ đạo phục vụ quan trắc gradien trọng lực trái đất với độ phân giải cao.
1.1.2. Hệ thống GPS
a. Cấu trúc hệ thống GPS
Toàn bộ phần cứng của hệ thống GPS có tên đầy đủ là NAVSTAR GPS
SYSTEM. NAVSTAR viết tắt 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).

Hình 1.1.1- Sơ đồ hoạt động của hệ thống định vị toàn cầu GPS

SV: Trần Đại An

6

Lớp:LĐH2TĐ2


Đồ án tốt nghiệp

Bộ môn: trắc địa Cao cấp – Công trình

b. Phần điều khiển (Control Segment):

Hình 1.1.2- Trạm điều khiển của hệ thống GPS
Phần điều khiển gồm 8 trạm mặt đất trong đó có 4 trạm theo dõi (Monitor
Station): Diego Garcia, Ascension, Kwajalein và Hawai; một trạm điều khiển trung
tâm (Master Control Station) và 3 trạm hiệu chỉnh số liệu (Upload Station). Lưới trắc
địa đặt trên 4 trạm này được xác định bằng phương pháp giao thoa đường đáy dài
(VLBI). Trạm trung tâm làm nhiệm vụ tính toán lại tọa độ của các vệ tinh theo số liệu
của 4 trạm theo dõi thu được từ vệ tinh. Sau khi tính toán, các số liệu được gửi từ trạm
trung tâm tới 3 trạm hiệu chỉnh số liệu và từ đó gửi tiếp tới các vệ tinh. Như vậy, trong
vòng 1 giờ các vệ tinh đều có một số liệu đã được hiệu chỉnh để phát cho các máy thu.
c. Phần không gian (Space Segment):

SV: Trần Đại An

7

Lớp:LĐH2TĐ2

Đồ án tốt nghiệp

Bộ môn: trắc địa Cao cấp – Công trình

Hình 1.1.3- Phân bố vệ tinh trên 6 quỹ đạo

Hình 1.1.4- Vệ tinh GPS
* Chòm vệ tinh GPS:
Bao gồm 24 vệ tinh bay trên quỹ đạo có độ cao đồng nhất 20 200 km, chu kỳ 12
giờ, phân phối đều trên 6 mặt phẳng quỹ đạo nghiêng với xích đạo một góc 55 0. Việc
bố trí này nhằm mục đích để tại mỗi thời điểm và mỗi vị trí trên trái đất đều có thể
quan sát được 4 vệ tinh.
Mỗi vệ tinh phát 2 tần số sóng mang với tần số cao L1=1575.42 MHz và
L2=1227.60 MHz. Loại sóng này phát trên cơ sở dãy số tựa ngẫu nhiên bao gồm các
số 0 và 1. Mã này được gọi tên là mã P (Precise). Bên cạnh mã P, sóng còn mang đi mã
C/A (Clear/Acquisition) trong sóng L1. Mã C/A được phát với 2 tần số 10.23 MHz và
1.023 MHz. Ngoài 2 mã trên vệ tinh còn phát mã phụ có tần số 50 Hz chứa các thông
tin về lịch vệ tinh. Các vệ tinh đều được trang bị đồng hồ nguyên tử với độ chính xác
cao.
Các vệ tinh NAVSTAR có 2 trạng thái: "hoạt động khỏe" ( Healthy) và "hoạt
động không khoẻ ( 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".
d. Phần sử dụng (User Segment):
Phần sử dụng bao gồm các máy thu tín hiệu từ vệ tinh trên đất liền, máy bay và
tàu thủy. Các máy thu này phân làm 2 loại: máy thu 1 tần số và máy thu 2 tần số. Máy
SV: Trần Đại An

8

Lớp:LĐH2TĐ2


Đồ án tốt nghiệp

Bộ môn: trắc địa Cao cấp – Công trình

thu 1 tần số chỉ nhận được các mã phát đi với sóng mang L1. Các máy thu 2 tần số
nhận được cả 2 sóng mang L1 và L2. Các máy thu 1 tần số phát huy tác dụng trong đo
tọa độ tuyệt đối với độ chính xác 10 m và tọa độ tương đối với độ chính xác từ 1 đến 5
cm trong khoảng cách nhỏ hơn 50 km. Với khoảng cách lớn hơn 50 km độ chính xác
sẽ giảm đi đáng kể (độ chính xác cỡ dm). Để đo được trên những khoảng cách dài đến
vài nghìn km chúng ta phải sử dụng máy 2 tần số để khử đi ảnh hưởng của tầng ion
trong khí quyển trái đất. Toàn bộ phần cứng GPS hoạt động trong hệ thống tọa độ
WGS-84 với kích thước elipsoid a=6378137.0 m và α=1:298,5722.
e. Nguyên lý hoạt động của hệ thống GPS
Như chúng ta đã biết về nguyên lý hoạt động của hệ thống DOPPLER, đó là
nguyên lý của sự thay đổi tần số tín hiệu khi nơi phát tín hiệu chuyển động. Hệ thống
GPS hoạt động trên một nguyên lý hoàn toàn khác. Để xác định tọa độ tuyệt đối của
một điểm mặt đất chúng ta sử dụng kỹ thuật "tựa khoảng cách". Kỹ thuật này được mô
tả bằng công thức:

C.t + C.∆ t = ( x s − x p ) 2 + ( y s − y p ) 2 + ( z s − z p ) 2

(1)

ở đây: s =[xs ys zs] - Tọa độ vệ tinh;
p=[xp yp zp] - Tọa độ điểm mặt đất;

c - Tọa độ sóng;
t - Thời gian sóng đi từ vệ tinh tới máy thu.
∆t - Số hiệu chỉnh thời gian.
Tập hợp các phương trình đo dạng (1) ta có hệ thống phương trình sai số có 4 ẩn
số là t, xp yp zp trong đó xs ys zs biết được từ mã lịch vệ tinh (tần số 50Hz), t được
xác định theo đồng hồ vệ tinh và máy thu theo mã C/A, c là hằng số tốc độ truyền sóng
điện từ. Theo kỹ thuật này chúng ta có thể xác định tọa độ với độ chính xác 10 m. Nếu
kết quả trên được gửi tới trạm điều khiển trung tâm, chúng ta có được tọa độ tuyệt đối
mặt đất với độ chính xác 1 m. Sở dĩ độ chính xác được tăng lên đáng kể vì máy thu chỉ
thu được lịch vệ tinh dự báo, còn ở trạm điều khiển trung tâm có lịch vệ tinh chính
xác. Qua đây chúng ta thấy tọa độ tuyệt đối các điểm mặt đất được xác định có độ
chính xác kém phương pháp DOPPLER. Sở dĩ như vậy vì vệ tinh của hệ thống GPS có

SV: Trần Đại An

9

Lớp:LĐH2TĐ2


Đồ án tốt nghiệp

Bộ môn: trắc địa Cao cấp – Công trình

độ cao gấp đôi hệ thống DOPPLER. Tọa độ tuyệt đối với độ chính xác 10 m của hệ
thống GPS chỉ dùng để đáp ứng 2 mục đích:
- Đạo hàng ( định vị cho các đối tượng chuyển động như tàu biển, máy bay....)
- Cung cấp tọa độ gần đúng cho phương pháp đo tọa độ tương đối GPS.
Ngược lại với độ chính xác của tọa độ tuyệt đối, công nghệ GPS đã đạt được
thành tựu đáng kể trong việc xác định tọa độ tương đối. Nguyên lý đo tọa độ tương đối

là xác định pha của sóng mang L1 (với máy thu 1 tần số) hay L1 và L2 (với máy thu 2
tần số).
Chúng ta có công thức:
S = Nλ + ϕλ

(2)

Trong đó: λ - Bước sóng (λ = c/f)
f: Tần số sóng;
N: Số nguyên lần bước sóng;
ϕ: Pha của sóng;
S: Khoảng cách vệ tinh - máy thu.
Từ công thức (2) chúng ta có:
ϕ = (f/c).S - N

(3)

Xét công thức (3) từ một phía khác chúng ta có thể viết:
ϕ(t) = φs(ts ) - φp(t) + Nsp

(4)

φs(ts ) - Pha của sóng tại thời điểm ts khi vệ tinh bắt đầu phát tín hiệu;
φp(t) - Pha của sóng tại thời điểm t khi máy thu nhận được tín hiệu;
Nsp - Số nguyên lần bước sóng.
Từ các công thức trên ta suy ra:
ϕ(t) = φs(t) - (f/c).Ssp - φp(t) + Nsp

(5)

Kết hợp các thành phần của vế phải của công thức (5) chúng ta biểu diễn dưới
dạng:
ϕ(t) = - (f/c).Ssp - αp(t) + βs(t) + γsp

(6)

Trong đó:
αp(t) - Thành phần ảnh hưởng hệ thống pha (t) do máy thu gây ra (chủ yếu là số
hiệu chỉnh đồng hồ máy thu)

SV: Trần Đại An

10

Lớp:LĐH2TĐ2


Đồ án tốt nghiệp

Bộ môn: trắc địa Cao cấp – Công trình

βs(t) - Thành phần ảnh hưởng hệ thống pha (t) do vệ tinh gây ra (chủ yếu là số
hiệu chỉnh đồng hồ vệ tinh)
γsp(t) - Thành phần ảnh hưởng hệ thống pha (t) do cả vệ tinh và máy thu gây ra
không phụ thuộc thời gian (chủ yếu là φs(to) - φp(to) + Nsp , trong đó to là thời điểm
bắt đầu đo)
Công thức (6) chính là công thức cơ bản để lập phương trình đo trong kỹ thuật đo
tọa độ tương đối GPS. Điều quan trọng nhất là chúng ta phải tổ hợp các trị đo sao cho
khử được các thành phần hệ thống p(t), s(t) và p.
1.1.3. Các trị đo GPS

Trị đo GPS là những số liệu máy thu GPS nhận được từ tín hiệu của vệ tinh
truyền tới. Mỗi vệ tinh GPS phát 4 thông số cơ bản cho việc đo đạc và chỉ chia thành
hai nhóm:
- Nhóm trị đo code: C/A – code, P – code;
- Nhóm trị đo pha: L1, L2 và tổ hợp L1/L2.
Các trị đo này có thể sử dụng riêng biệt hoặc kết hợp để xác định khoảng cách từ
vệ tinh đến máy thu.
a. Trị đo code
Trong trường hợp này, máy thu nhận được code phát đi từ vệ tinh, so sánh với
code tự do máy thu tạo ra nhằm xác định thời gian truyền tín hiệu từ vệ tinh đến máy
thu và từ đó khoảng cách từ máy thu tới vệ tinh được xác định theo công thức:
D = c.t + c.δt + δ

(2.1)

Trong đó:
c : là vận tốc truyền sóng (ánh sáng) = 299792458 m/s
t : là thời gian truyền tín hiệu (sóng)
δt : là số hiệu chỉnh do sự không đồng bộ đồng hồ máy thu và vệ tinh
δ : là số hiệu chỉnh do môi trường.
Hiện nay, độ chính xác định vị với trị đo code có thể đất tới 30m. Với độ chính
xác đó, trị đo code được sử dụng trong định vị đạo hàng và trong đo đạc độ chính xác
thấp.

SV: Trần Đại An

11

Lớp:LĐH2TĐ2

Đồ án tốt nghiệp

Bộ môn: trắc địa Cao cấp – Công trình

b. Trị đo pha sóng tải
Sóng tải được phát đi từ vệ tinh có chiều dài bước sóng không đổi. Nếu gọi λ là
chiều dài bước sóng thì khoảng cách giữa vệ tinh và máy thu GPS là:
D = N.λ + δλ

(2.2)

Trong đó:
N : là số nguyên lần bước sóng
δλ : là phần lẻ bước sóng
Trị đo pha chính là phần lẻ bước sóng thể hiện qua độ di pha giữa sóng tải thu
được từ vệ tinh và sóng tải do máy thu tạo ra. Phần lẻ này có thể đo được với độ chính
xác cỡ 1% bước sóng, tức khoảng vài mm.
1.1.4. CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐỊNH VỊ GPS
a. Định vị tuyệt đối

v3
v2
v4
v1

Hình 1.1.7- Định vị tuyệt đối
Định vị tuyệt đối còn gọi là định vị điểm đơn, tức là dựa vào trị đo khoảng cách
từ vệ tinh đến máy thu GPS để xác định trực tiếp vị trí tuyệt đối của anten máy thu
trong hệ toạ độ WGS – 84 (hệ toạ độ có điểm gốc là tâm khối lượng trái đất). Định vị

tuyệt đối còn được chia thành định vị tuyệt đối tĩnh và định vị tuyệt đối động. “Tĩnh”
hay “động” là nói trạng thái của (anten) máy thu trong quá trình định vị.
Độ chính xác của định vị tuyệt đối tĩnh ước tính đạt tới cỡ mét, còn độ chính xác
định vị tuyệt đối động khoảng 10 – 40 m.
SV: Trần Đại An

12

Lớp:LĐH2TĐ2


Đồ án tốt nghiệp

Bộ môn: trắc địa Cao cấp – Công trình

Trong định vị tuyệt đối tĩnh có thể quan trắc liên tục các vệ tinh khác nhau ở các thời
điểm khác nhau để đo khoảng cách từ vệ tinh đến điểm trạm đo và có nhiều trị đo
thừa, qua xử lý số liệu sẽ được toạ độ tuyệt đối của điểm trạm đo.
Trong trường hợp định vị tuyệt đối theo phương pháp đo khoảng cách giả thì ở
một thời điểm ti, từ một trạm đo, quan trắc đồng bộ 4 vệ tinh, j = 1, 2,3, 4 ta có một hệ
phương trình được viết dưới dạng ma trận:
A .X + L = 0 (2.5)
i
i
Khi quan trắc đồng bộ với số lượng vệ tinh nhiều hơn 4 thì cần nghiệm theo
phương pháp số bình phương nhỏ nhất. Lúc đó (2.5) được viết dưới dạng hệ phương
trình sai số:
V = A .X + L
i
i

i

(2.6)

Nếu số lượng thời điểm quan trắc là n và bỏ qua sự thay đổi của đồng hồ máy thu
theo thời gian thì từ (2.6) ta có hệ phương trình sai số tương ứng là:
V = A.X +L

(2.7)

Trong đó:
V=(V

V
1

A = (A

L = (L

1

A

... V )
2
n
...

2

A )
n

T

T
L ... L )
1 2
n

X = (δ

δ
X

δ
Y

δ )T
Z T

Theo phương pháp số bình phương nhỏ nhất, ta có:
T -1 T
X = -(A .A) .(A .L)

(2.8)

Sai số trung phương của ẩn số được tính theo công thức:
MX =



0

SV: Trần Đại An

Q
ii

13

Lớp:LĐH2TĐ2


Đồ án tốt nghiệp

Bộ môn: trắc địa Cao cấp – Công trình

Trong đó:
 : là sai số của trị đo khoảng cách giả (SSTP trọng số đơn vị)
0
Q

: là phần tử tương ứng trên đường chéo chính của ma trận hệ số
ii

T -1
Qx = (A .A)
Đ

ịnh vị tuyệt đối theo pha sóng tải có độ chính xác cao hơn so với

phương pháp đo khoảng cách giả. Trong định vị tuyệt đối đo pha sóng tải cần chú ý
hiệu chỉnh sai số do tầng điện ly và tầng đối lưu, khôi phục pha sóng tải, xác định số
nguyên lần bước sóng. Kết quả định vị tuyệt đối theo phương pháp pha sóng tải có thể
được dùng làm trạm tham khảo hoặc trạm gốc (có toạ độ tương đối chính xác) cho định
vị tương đối.
b. Định vị tương đối
Định vị tương đối là trường hợp dùng hai máy thu GPS đặt ở 2 điểm khác
nhau (2 điểm mút của một đường đáy) quan trắc đồng bộ cùng các vệ tinh để
xác định vị trí tương đối (ΔX, ΔY, ΔZ hoặc ΔB, ΔL, ΔH) giữa hai điểm mút
của đường đáy hoặc vector đường đáy trong hệ toạ độ WGS – 84. Tương tự, nhiều
máy thu được đặt ở các điểm mút của một số đường đáy, quan trắc đồng bộ cùng
các vệ tinh GPS thì có thể xác định được một số vector đường đáy đó. Nếu đã
biết toạ độ của một điểm thì có thể dùng vecor đường đáy để tính toạ độ của điểm
kia.

SV: Trần Đại An

14

Lớp:LĐH2TĐ2


Đồ án tốt nghiệp

Bộ môn: trắc địa Cao cấp – Công trình

Hình 1.1.8- Định vị tương đối

Định vị tương đối cũng được phân chia thành định vị tương đối tĩnh và

định vị

tương đối động. Trong định vị tương đối trị đo thường được sử dụng là pha sóng tải.
Trong trường hợp số lượng trạm đo nhiều hơn 2, quan trắc đồng bộ

cùng

một số vệ tinh thì ảnh hưởng sai số của quỹ đạo vệ tinh, sai số đồng hồ máy thu, sai
số do tầng điện ly, sai số do khúc xạ của tầng đối lưu đối với trị đo để tiến hành định
vị tương đối thì có thể loại trừ hoặc giảm thiểu ảnh hưởng của sai số tương quan, nâng
cao độ chính xác định vị tương đối.
c. Định vị sai phân
Định vị GPS sai phân còn gọi là định vị GPS vi phân (Differential GPS viết tắt
là DGPS). Trong phương pháp này, một số máy thu đặt tại một điểm đã biết toạ độ,
gọi là trạm gốc hoặc trạm tham khảo, đồng thời có máy thu khác đặt ở điểm cần
xác định toạ độ, gọi là trạm đo. Dựa vào toạ độ chính xác đã biết của trạm gốc tính
số hiệu chỉnh khoảng cách từ trạm gốc đến vệ tinh và số hiệu chỉnh này được máy
GPS ở trạm gốc phát đi. Máy thu ở trạm đo, trong khi đo đồng thời cũng thu được
số hiệu chỉnh từ trạm gốc và tiến hành hiệu chỉnh kết quả định vị, từ đó nâng cao độ
chính xác định vị.
Định vị GPS sai phân có thể chia thành sai phân trạm gốc đơn, sai phân khu vực
cục bộ (nhiều trạm gốc) và sai phân khu vực rộng lớn.
(1)

GPS sai phân trạm gốc đơn (SRDGPS)

SV: Trần Đại An

15

Lớp:LĐH2TĐ2


Đồ án tốt nghiệp

Bộ môn: trắc địa Cao cấp – Công trình

(2)

GPS sai phân khu vực cục bộ (LADGPS)

(3)

GPS sai phân khu vực rộng lớn (WADGPS)

1.1.5. Các nguồn sai số trong đo GPS
Định vị GPS về thực chất được xây dựng trên cơ sở giao hội không gian các
khoảng cách đo được từ máy thu đến các vệ tinh có toạ độ đã biết. Khoảng cách đo
được là hàm của thời gian và tốc độ lan truyền tín hiệu trong không gian giữa vệ
tinh và máy thu. Vì vậy, kết quả đo chịu ảnh hưởng trực tiếp của các sai số của vệ
tinh, của máy thu, của môi trường lan truyền tín hiệu và các nguồn sai số khác. Các
nguồn sai số đó có tính chất hệ thống và tính chất ngẫu nhiên ảnh hưởng đến
kết quả đo GPS.
a. Sai số đồng hồ đo
Sai số đồng hồ gồm sai số đồng hồ vệ tinh, đồng hồ máy thu và sự
không đồng bộ giữa chúng. Đồng hồ vệ tinh là đồng hồ nguyên tử, độ chính xác
cao nhưng không phải hoàn toàn không có sai số. Trong đó, sai số hệ thống
lớn hơn sai số ngẫu nhiên rất nhiều, nhưng có thể dùng mô hình để cải

hệ thống, do đó sai số ngẫu nhiên trở thành chỉ tiêu quan trọng để

chính sai số

đánh giá độ chính

xác của đồng hồ. Khi hai trạm đo tiến hành quan trắc đồng bộ đối với vệ tinh thì ảnh
hưởng của sai số đồng hồ vệ tinh đối với trị đo của hai trạm là như nhau.
Đồng hồ máy thu là đồng hồ thạch anh. Cùng một máy thu, khi quan trắc
đồng thời nhiều vệ tinh thì sai số đồng hồ máy thu có ảnh hưởng như nhau
đối với các trị đo tương ứng và các sai số đồng hồ của các máy thu có thể được coi là
độc lập với nhau.
Như đã biết, vận tốc truyền tín hiệu xấp xỉ 3.10
anh có sai số 10

-4

8

m/s, do đó nếu đồng hồ thạch

giây thì sai số tương ứng của khoảng cách 30.000 m; nếu đồng

hồ nguyên tử có sai số 10

-7

giây thì sai số tương ứng khoảng cách là 30 m.

Trong định vị GPS tương đối, sử dụng các sai phân bậc 1, 2, 3, có thể

loại trừ

hoặc giảm thiểu ảnh hưởng sai số đồng hồ trong kết quả đo.
SV: Trần Đại An

16

Lớp:LĐH2TĐ2


Đồ án tốt nghiệp

Bộ môn: trắc địa Cao cấp – Công trình

b. Sai số quỹ đạo vệ tinh
Do sự thay đổi của trọng trường trái đất, sức hút mặt trăng, mặt trời và các
thiên thể khác, áp lực bức xạ mặt trời… tác động lên vệ tinh, nên chuyển động của
vệ tinh trên quỹ đạo không hoàn toàn tuân theo định luật Kepler. Đó là nguyên nhân
gây nên sai số quỹ đạo vệ tinh hay còn gọi là sai số vị trí của vệ tinh.

Hình1.1.9- Sai số quỹ đạo vệ tinh
Trong định vị GPS cần phải sử dụng lịch quỹ đạo vệ tinh (Ephemerit). Các
trạm điều khiển quan trắc liên tục để xác định quỹ đạo chuyển động của vệ tinh và
đưa ra lịch dự báo, gọi là lịch vệ tinh quảng bá, cung cấp đại trà cho người sử dụng
bằng cách thu trực tiếp nhờ máy thu GPS. Lịch vệ tinh quảng bá cho phép xác định
vị trí tức thời của vệ tinh với độ chính xác cỡ 20 ÷ 100 m.
Ngoài lịch vệ tinh quảng bá còn có lịch vệ tinh chính xác (Precise
Ephemerit). Lịch vệ tinh này được thành lập từ kết quả hậu xử lý số liệu quan trắc ở
các thời điểm trong khoảng thời gian quan trắc, có độ chính xác toạ độ vệ tinh cỡ 10

÷ 50 m.
Sai số vị trí điểm của vệ tinh chịu ảnh hưởng gần như trọn vẹn đến độ chính
xác toạ độ điểm định vị tuyệt đối (định vị điểm đơn), nhưng lại được loại trừ về cơ
bản trong kết quả định vị tương đối.
c. Sai số do tầng điện ly và tầng đối lưu
Tầng đối lưu được tính từ mặt đất tới độ cao 50km và tầng điện ly ở độ cao từ
50km đến 1000km. Tín hiệu từ vệ tinh qua tầng điện ly, tầng đối lưu đến máy thu
bị khúc xạ và thay đổi tốc độ lan truyền.
SV: Trần Đại An

17

Lớp:LĐH2TĐ2


Đồ án tốt nghiệp

Bộ môn: trắc địa Cao cấp – Công trình

Đối với tầng điện ly, giá trị sai số tăng tỷ lệ thuận với mật độ điện tử tự do và tỷ
lệ nghịch với bình phương của tần số tín hiệu. Đối với tín hiệu GPS, số hiệu chỉnh
khoảng cách theo hướng thiên đỉnh có thể đạt giá trị tối đa là 50m, theo hướng có
0
góc cao 20 , có thể đạt đến 150m. Để giảm thiểu sai số do tầng điện ly thường dùng
máy thu 2 tần số, dùng mô hình hiệu chỉnh hoặc dùng hiệu các trị đo đồng bộ.
Đối với tầng đối lưu, sự khúc xạ của đường chuyền tín hiệu càng phức tạp
hơn, phụ thuộc vào sự biến đổi của khí hậu mặt đất, áp lực không khí, nhiệt
độ và độ ẩm. Ảnh hưởng của khúc xạ trong tầng đối lưu phụ thuộc vào góc cao của
đường chuyền tín hiệu. Giá trị ảnh hưởng sai số theo hướng thiên đỉnh có thể đạt đến
2 ÷ 3 m, theo hướng có góc cao 10

0

có thể đạt đến 20 m.

Hình1.1.10- Sai số do tầng đối lưu và điện ly
Để giảm thiểu sai số do tầng đối lưu có thể dùng mô hình tín hiệu chỉnh đưa
thêm tham số phụ ước tính ảnh hưởng của tầng đối lưu vào quá trình xử lý số liệu để
tính hoặc dùng hiệu các trị đo đồng bộ.

SV: Trần Đại An

18

Lớp:LĐH2TĐ2


Đồ án tốt nghiệp

Bộ môn: trắc địa Cao cấp – Công trình

d. Sự trượt đa tuyến

Hình 1.1.11- Sai số do hiện tượng đa đường truyền
Tín hiệu từ vệ tinh đến máy thu GPS có thể bị nhiễu do một số nguyên nhân
như: tín hiệu phản xạ từ các vật khác (kim loại, bê tông, mặt nước…) ở gần máy thu
GPS; tín hiệu bị nhiễu do ảnh hưởng của các sóng điện từ khác (khi đặt máy thu ở
gần các trạm phát sóng, gần đường dây điện cao áp); tín hiệu bị gián đoạn do bị che
chắn bởi các vật cản (nhà cửa, cây cối…). Các tín hiệu bị nhiễu nói trên chập với tín
hiệu truyền trực tiếp từ vệ tinh đến máy thu gây ra sai số đối với trị đo.

Để khắc phục sai số do nhiễu tín hiệu, cần phải đặt máy thu cách xa các vật dễ
phản xạ tín hiệu hoặc các đối tượng gây nhiễu tín hiệu; không thu tín hiệu khi trời
đầy mây, mưa, không đặt máy ở dưới các rặng cây.
e. Tầm nhìn vệ tinh và sự trượt chu kỳ
Điều quan trọng nhất khi đo GPS là phải thu được tín hiệu ít nhất 4 vệ tinh tức là
phải có tầm nhìn thông tới các vệ tinh đó.
Tín hiệu GPS là sóng cực ngắn trong phổ điện từ, nó có thể xuyên qua mây mù,
song không thể truyền qua được tán cây hoặc các vật che chắn. Do vậy, tầm nhìn vệ
tinh thông thoáng có tầm quan trọng đặc biệt đối với công tác đo GPS.
Khi sử dụng trị đo pha cần phải đảm bảo thu tín hiệu vệ tinh trực tiếp, liên tục
nhằm xác định số nguyên lần bước sóng khởi đầu. Tuy nhiên, có trường hợp ngay cả
khi vệ tinh được nhìn thấy nhưng máy thu vẫn bị gián đoạn thu tín hiệu, trường hợp đó
có một số chu kỳ không xác định đã trôi qua mà máy thu không đếm được khiến cho
số nguyên lần bước sóng thay đổi và làm sai kết quả định vị. Do đó cần phải phát hiện
SV: Trần Đại An

19

Lớp:LĐH2TĐ2


Đồ án tốt nghiệp

Bộ môn: trắc địa Cao cấp – Công trình

và xác định sự trượt chu kỳ trong tín hiệu GPS. Một số máy thu có thể nhận biết được
sự trượt chu kỳ và thêm vào số hiệu chỉnh tương ứng khi xử lý số liệu. Mặt khác khi
tính toán bình sai xử lý số liệu GPS có thể dùng sai phân bậc ba để nhận biết và xử lý
sự trượt chu kỳ.
f. Sự suy giảm độ chính xác (DOPs) do đồ hình các vệ tinh

Hình 1.1.12- Khoảng cách từ vệ tinh đến máy thu
Ta biết việc định vị GPS là việc giải bài toán giao hội nghịch không gian dựa vào
điểm gốc là các vệ tinh và các khoảng cách tương ứng đến máy thu. Trường hợp tối ưu
khi thu tín hiệu vệ tinh GPS là vệ tinh cần phải có sự phân bố hình học cân đối trên
bầu trời xung quanh điểm đo. Chỉ số mô tả đồ hình vệ tinh gọi là hệ số phân tán độ
chính xác – hệ số DOP là số nghịch đảo thể tích của khối tỷ diện tạo thành giữa các vệ
tinh và máy thu. Chỉ số DOP chia ra làm các loại:
- PDOP chỉ số phân tán độ chính xác về vị trí (Positional DOP),
- TDOP chỉ số phân tán độ chính xác về thời gian (Time DOP),
- HDOP chỉ số phân tán độ chính xác về mặt phẳng (Horizontal DOP),
- VDOP chỉ số phân tán độ chính xác về độ cao (Verical DOP),
- GDOP chỉ số phân tán độ chính xác về hình học (Geometric DOP),
Đồ hình phân bố vệ tinh được thiết kế sao cho chỉ số PDOP đạt xấp xỉ 2.5 với
xác xuất 90% về thời gian. Đồ hình vệ tinh đạt yêu cầu với chỉ số PDOP < 6.

SV: Trần Đại An

20

Lớp:LĐH2TĐ2


Đồ án tốt nghiệp

Bộ môn: trắc địa Cao cấp – Công trình

g. Các sai số do người đo
Khi đo GPS, tâm hình học của anten máy thu cần đặt chính xác trên tâm mốc
điểm đo theo đường dây dọi. Anten phải đặt cân bằng, chiều cao từ tâm mốc đến tâm

hình học của anten cần phải đo và ghi lại chính xác. Đo chiều cao Anten không đúng
thường là lỗi hay mắc phải của người đo GPS. Ngay cả khi xác định tọa độ phẳng đo
chiều cao cũng quan trọng vì GPS là hệ thống định vị 3 chiều, sai số chiều cao sẽ lan
truyền sang vị trí mặt phẳng và ngược lại.
Một số loại sai số khác nữa là nhiễu trong trị đo GPS. Nguyên nhân là do mạch
điện tử và sự suy giảm độ chính xác của máy thu. Các thiết bị mới hiện đại hơn sẽ
cung cấp dữ liệu sạch hơn.
h. Tâm pha của Anten
Tâm pha là một điểm nằm trong Anten, là nơi tín hiệu GPS biến đổi thành tín
hiệu trong mạch điện. Các trị đo khoảng cách được tính vào điểm này. Điều này có ý
nghĩa quan trọng đối với công tác trắc địa. Ở nhà máy chế tạo, Anten được kiểm định
sao cho tâm pha trùng với tâm hình học của nó. Tuy nhiên tâm pha thay đổi vị trí phụ
thuộc vào đồ hình vệ tinh. Ảnh hưởng này có thể kiểm định trước khi đo hoặc sử
dụng mô hình tâm pha ở giai đoạn tính xử lý. Quy định cần phải tuân theo cùng một
hướng (thường là hướng Bắc) và tốt nhất sử dụng cùng một loại Anten cho cùng một
ca đo, các nguồn lỗi và biện pháp khắc phục được tổng hợp trong bảng:
Bảng 1.1
Nguồn Lỗi
1. Phụ thuộc vệ tinh
Ephemeris
Đồng hồ vệ tinh
Đồ hình vệ tinh
2. Phụ thuộc đường tín hiệu
Chiều cao anten
Cấu hình máy thu
Tâm pha anten
Nhiễu điện tử
Tọa độ quy chiếu
Chiều dài cạnh

SV: Trần Đại An

Biện pháp xử lý
Ephemeris chính xác
Sai phân bậc một
Chọn thời gian có PDOP<6
Đo hai lần khi đo chiều cao anten
Chú ý khi lắp đặt
Anten chuẩn, đặt quay về một hướng
Tránh bức xạ điện từ
Khống chế chính xác, tin cậy
Bố trí cạnh ngắn

21

Lớp:LĐH2TĐ2


Đồ án tốt nghiệp

Bộ môn: trắc địa Cao cấp – Công trình

i. Sai số khác
Ngoài các nguồn sai số chủ yếu trên đây còn có các nguồn sai số khác như sai
số do ảnh hưởng xoay của trái đất, do triều tịch của trái đất, do hiệu
tương đối

ứng của thuyết

. Trong định vị chính xác cao cần phải xem xét và tìm biện pháp giảm

ảnh hưởng của các nguồn sai số.

1.2. XÂY DỰNG LƯỚI BẰNG CÔNG NGHỆ GPS
1.2.1. Khái niệm, nguyên tắc thiết kế lưới
a. Khái niệm về lưới GPS
Lưới GPS gồm các điểm được chôn trên mặt đất nơi ổn định hoặc bố trí
trên đỉnh các công trình vững chắc, kiên cố. Các điểm được liên kết với nhau
bởi các cạnh đo, nhờ các cạnh đo chúng ta sẽ tính toán xác định tọa độ, độ cao
của các điểm trong một hệ thống tọa độ thống nhất.
b. Nguyên tắc thiết kế lưới
Công tác thiết kế lưới phải tuân thủ theo các nguyên tắc sau:
- Lưới thiết kế phải đi từ tổng quát đến chi tiết, từ độ chính xác cao đến
độ chính xác thấp.
- Hệ thống lưới tọa độ cơ sở phải được xây dựng trên cơ sở các điểm
tọa độ Nhà nước cấp cao hơn.
- Lưới tọa độ cơ sở phải được nối vào ít nhất hai điểm cấp cao hơn và gần khu đo nhất.
- Sai số số liệu gốc của lưới cấp trên ảnh hưởng đến cấp dưới kế cận
không được vượt quá 12%.
- Lưới thiết kế phải đảm bảo đủ mật độ điểm, phủ trùm khu đo, phục
vụ cho công tác đo vẽ bản đồ địa chính theo từng giai đoạn.
- Thường xuyên cập nhật, tiến hành nâng cao độ chính xác bằng cộng
nghệ và kỹ thuật đo tiến tiến.
- Trong quá trình thiết kế cố gắng chọn phương án tối ưu, giá thành rẻ,
dễ thi công, đồng thời đảm bảo độ chính xác trong công tác đo vẽ theo từng
SV: Trần Đại An

22

Lớp:LĐH2TĐ2

Đồ án tốt nghiệp

Bộ môn: trắc địa Cao cấp – Công trình

1.2.2. Đồ hình lưới trắc địa đo bằng công nghệ GPS
Khi xây dựng lưới trắc địa, công nghệ GPS được ứng dụng như một phương pháp
đo có ưu thế hơn hẳn các phương pháp truyền thống. Tuy nhiên đồ hình lưới trắc địa
về cơ bản vẫn áp dụng các đồ hình truyền thống. Do những ưu việt của phương pháp
công nghệ GPS một số tiêu chuẩn của đồ hình lưới có thể đơn giản hơn. Dưới đây là
các dạng đồ hình thông dụng:

a.

Đồ hình lưới tam giác dày đặc

-

Đồ hình lưới tam giác dày đặc đo nối tất cả các cạnh có thể (hình
1.2.1).

-

Đồ hình lưới tam giác dày đặc chỉ đo nối các cạnh tam giác (hình
1.2.2).

b.

Đồ hình lưới tứ giác (hình 1.2.3)

c.

Đồ hình lưới đường chuyền

-

Đồ hình lưới đường chuyền dạng chuỗi tam giác đo nối tất cả các cạnh
có thể (hình 1.2.4)

-

Đồ hình lưới đường chuyền dạng tam giác nối nhau tại 1 đỉnh (hình
1.2.5)

-

Đồ hình lưới đường chuyền dạng chuỗi tứ giác (hình 1.2.6)

-

Đồ hình lưới đường chuyền dạng cạnh đơn (hình 1.2.7)

Hình 1.2.1

SV: Trần Đại An

Hình 1.2.2

23

Hình 1.2.3

Lớp:LĐH2TĐ2


Đồ án tốt nghiệp

Hình 1.2.4

Bộ môn: trắc địa Cao cấp – Công trình

Hình 1.2.5

Hình 1.2.6

Hình 1.2.7

Qua thực tế áp dụng các dạng đồ hình trên có thể nhận xét như sau:

1.

Lưới trắc địa đo bằng công nghệ GPS có thể thiết kế dưới dạng lưới tam giác, tứ
giác hoặc đường chuyền.
Đồ hình lưới tốt nhất là đồ hình tam giác và đường chuyền chuỗi tam giác đo tất cả

2.

các cạnh.
Thứ tự các loại đồ hình theo mức độ giảm dần độ chính xác như sau:

3.

-

Đồ hình lưới tam giác dày đặc đo nối tất cả các cạnh có thể;

-

Đồ hình lưới đường chuyền dạng chuỗi tam giác đo nối tất cả các cạnh
có thể;

-

Đồ hình lưới tam giác dày đặc chỉ đo nối các cạnh tam giác;
-

Đồ hình lưới tứ giác;
Đồ hình lưới đường chuyền dạng chuỗi tam giác chỉ đo nối các cạnh

-

tam giác;
Đồ hình lưới đường chuyền dạng chuỗi tứ giác chỉ đo nối các cạnh tứ

-

giác;

-

Đồ hình lưới đường chuyền dạng tam giác nối nhau tại 1 đỉnh;
4.

Đồ hình lưới đường chuyền dạng cạnh đơn,

Có thể áp dụng các dạng đồ hình trên đây để thiết kế lưới, nhưng thời gian đo phải
lớn hơn thời gian đo tối thiểu theo thứ tự ngược lại và lưu ý các điểm khởi tính phải đo
nối ít nhất với 3 điểm khác.

5.

Thời gian đo càng lớn thì độ chính xác càng tăng. Trong điều kiện Việt Nam, thời
gian đo tối thiểu đối với các cạnh dưới 5 km nên là 90 phút, các cạnh trên 5 km - 180
phút.

SV: Trần Đại An

24

Lớp:LĐH2TĐ2


Đồ án tốt nghiệp
6.

Bộ môn: trắc địa Cao cấp – Công trình

Chênh lệch độ dài các cạnh nối các điểm liền kề không được quá lớn (theo kinh
nghiệm không nên lớn hơn 1,5 lần chiều dài cạnh trung bình).

7.

Góc kẹp giữa các cạnh không ảnh hưởng lớn đến độ chính xác của lưới, nhưng
không nên thiết kế góc kẹp quá nhỏ.

1.3. CƠ SỞ LÝ THUYẾT XỬ LÝ SỐ LIỆU ĐO LƯỚI GPS
1.3.1. Nguyên lý cơ bản xử lý số liệu
Nguyên tắc xử lý toán học của các trị đo GPS là áp dụng phương pháp “bình
phương nhỏ nhất” và phép toán phân tích xác suất thống kê để tính toán số liệu và
đánh giá chính xác kết quả đo. Tuỳ theo thiết kế máy và kỹ thuật đo, phần mềm
FIROMWARE tự động hoá thực hiện những bước tính toán xử lý nhất định trước khi
chuyển số liệu cho phần mềm xử lý (máy tính) hoặc kết quả trực tiếp ra FIELBOOK ở
thực địa.
Mô hình xác định khoảng cách từ vệ tinh đến máy thu:
PjA = C (TA

ρ
- T) =
j

j
A

+ δtrop + c. DTA - C.DTj + δion + εp

(1.4.1)

Trong đó:

ρ

j
A

: Là khoảng cách hình học từ vệ tinh đến máy thu

δtrop, δion: Là sự chậm pha do tầng ion và tầng đối lưu của khí quyển
DTA, DTj: Là sự sai lệch của đồng hồ vệ tinhvà đồng hồ máy thu
εp: Là các sai số nhiễu
Áp dụng phương pháp “bình phương nhỏ nhất” để tính toán xác định tọa độ
điểm quan sát dựa vào các trị đo khoảng cách từ vệ tinh đến máy thu. Quy tắc đó là:
VTWV = min.
Áp dụng bài toán tìm cực tiểu dạng toàn phần các độ dư của trị quan sát, biểu
thức có dạng sau:
AX = b + V

(1.4.2)

Trong biểu thức ta có vectơ ma trận ẩn số X và vectơ ma trận số hiệu chỉnh V ,
cùng vectơ số hạng tự do b (b = trị số tính trừ đi trị số quan sát).
SV: Trần Đại An

25

Lớp:LĐH2TĐ2