Thành lập lưới khống chế thi công công trình cầu Bãi Cháy bằng công nghệ GPS

LỜI CAM ĐOAN
Nhằm thực hiện đúng theo quy định chung của Khoa Trắc Địa – Bản Đồ Trường Đại học Tài nguyên và Môi trường Hà Nội về việc thực hiện đồ án tốt
nghiệp. Em xin cam đoan đề tài “Thành lập lưới khống chế thi công công trình
cầu Bãi Cháy bằng công nghệ GPS” do chính em thực hiện. Những phần sử dụng
tài liệu trong đồ án là hoàn toàn trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất
kì công trình nào khác, nếu sai em xin chịu toàn bộ trách nhiệm.
Hà Nội, ngày 14 tháng 6 năm 2016
Sinh viên

Nguyễn Văn Hùng


LỜI CẢM ƠN
Em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới T.S Nguyễn Bá Dũng - giảng viên khoa
Trắc địa bản đồ trường Đại học Tài nguyên và Môi trường Hà Nội người đã hướng
dẫn, giúp đỡ rất tận tình trong suốt thời gian từ khi em chọn đề tài làm đồ án, làm đề
cương đồ án và tới khi đồ án tốt nghiệp được hoàn thành.
Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trong khoa Trắc địa Bản đồ nói
riêng cũng như các thầy cô giáo trong trường Đại học Tài nguyên và Môi trường
nói chung đã giảng dạy, đóng góp ý kiến, tạo điều kiện cho em học tập và hoàn
thành đồ án tốt nghiệp của mình.
Em xin chân thành cảm ơn người thân trong gia đình, bạn bè trong nhóm đồ
án của giảng viên T.S Nguyễn Bá Dũng, cũng như những người bạn thân đã làm
chỗ dựa tinh thần vững chắc trong suốt thời gian em làm đồ án.
Sinh viên

Nguyễn Văn Hùng


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN

LỜI CẢM ƠN
MỤC LỤC
DANH MỤC BẢNG
DANH MỤC HÌNH
Hình 2.12......................................................................................................................27
Hình 2.14......................................................................................................................27
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ...............................................................................................58


DANH MỤC BẢNG
Hình 2.12......................................................................................................................27
Hình 2.14......................................................................................................................27
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ...............................................................................................58


DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 2.12......................................................................................................................27
Hình 2.14......................................................................................................................27
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ...............................................................................................58


MỞ ĐẦU
Trong giai đoạn hiện nay, trước sự phát triển như vũ bão của khoa học công
nghệ, việc ứng dụng các thành tựu khoa học kỹ thuật tiên tiến vào trong tất cả các
lĩnh vực của đời sống xã hội là một tất yếu khách quan. Trong trắc địa cũng vậy, công
nghệ GPS đã đánh dấu một bước ngoặt lớn trong lịch sử phát triển, đã thay thế công
nghệ truyền thống trong việc thành lập và xây dựng các mạng lưới toạ độ các cấp.
Ứng dụng công nghệ GPS cho phép chúng ta thành lập các mạng lưới toạ độ
trên diện rộng, không những bao phủ toàn quốc mà còn cho phép liên kết với các
mạng lưới trên thế giới. Công nghệ GPS đã giúp các nhà quản lý giải quyết được

bài toán vĩ mô mang tính toàn cầu.
Khi khảo sát, thi công công trình cầu, công tác trắc địa đóng vai trò rất quan
trọng , phục vụ cho công tác quy hoạch và công tác bố trí công trình. Nhằm tìm hiểu
vân đề này, em nhận đề tài: “ Thành lập lưới khống chế thi công công trình cầu
Bãi Cháy bằng công nghệ GPS ” làm đồ án.
Đồ án gồm 4 chương:
Chương 1: Tổng quan tình hình nghiên cứu ứng dụng công nghệ GPS
Chương 2: Nguyên lý cấu tạo chung của hệ thống định vị GPS
Chương 3: Nghiên cứu quy trình thành lập lưới khống chế thi công công
trình
Chương 4: Thực nghiệm thiết kế thi công lưới khống chế công trình cầu
Bãi Cháy


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU
ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ GPS
1.1 Tổng quan tình hình nghiên cứu ứng dụng công nghệ GPS trong các lĩnh
vực trên thế giới
* 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

1


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.
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 GPSIIR-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

2


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 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.
1.2 Tổng quan nghiên cứu ứng dụng công nghệ GPS trong trắc địa bản đồ ở
Việt Nam
- Công nghệ ứng dụng hệ thống định vị toàn cầu GPS đã được đưa vào sản
xuất ở Việt Nam từ năm 1991. Trên cơ sở sử dụng 3 máy thu GPS của hãng
TRIMBLE loại 1 tần số 4000-ST, Liên hiệp KHSX Trắc địa bản đồ thuộc Cục Đo
đạc và bản đồ Nhà nước lúc đó đã gấp rút thử nghiệm để đưa vào sản xuất, nhằm
đáp ứng yêu cầu xây dựng các mạng lưới toạ độ nhà nước ở những khu vực khó
khăn nhất của đất nước, mà bằng công nghệ truyền thống (phương pháp tam giác,
đường chuyền) không có khả năng thực hiện, hoặc phải chi phí rất lớn và trong thời
gian dài mới thực hiện được. Trong những năm 1991 đến 1994, theo kế hoạch
nhiệm vụ do Cục Đo đạc và bản đồ Nhà nước giao, Liên hiệp KHSX Trắc địa bản
đồ đã xây dựng thành công các mạng lưới toạ độ nhà nước hạng II ở khu vực Minh
Hải, Sông Bé và Tây Nguyên, đồng thời đã xây dựng thành công mạng lưới trắc địa
biển nối các đảo và quần đảo xa ( kể cả Trường Sa ) với mạng lưới toạ độ nhà nước
trên đất liền. Từ đó đến nay, việc ứng dụng công nghệ GPS đã có những bước phát
triển rất lớn. Từ chỗ chỉ có 3 máy thu GPS 1 tần số của hãng TRIMBLE, đến nay ở

3


Việt Nam đã có trên 82 máy thu GPS các loại của các hãng khác nhau, từ máy thu
đặt trên máy bay, máy thu 2 tần số, máy đo động đến máy có độ chính xác trung
bình ( GEO EXPLORER ) để đo khống chế ảnh. Các lĩnh vực ứng dụng công nghệ
GPS hiện nay cũng rất đa dạng, từ ứng dụng để xây dựng các mạng lưới toạ độ nhà
nước, độ chính xác cao, khoảng cách lớn; ứng dụng trong dẫn đường và xác định
toạ độ tâm chính ảnh khi bay chụp ảnh bằng máy bay; xây dựng các mạng lưới toạ
độ, độ cao địa chính cấp 1; dẫn đường và xác định toạ độ đo vẽ bản đồ địa hình đáy
biển; đo toạ độ, độ cao các điểm khống chế ảnh ngoại nghiệp; đo toạ độ độ cao các

mốc quốc giới; xây dựng các mạng lưới công trình v.v... Các phần mềm để xử lý
tính toán bình sai các trị đo GPS cũng đa dạng, chủ yếu là các phần mềm kèm theo
máy thu, như TRIMVEC, TRIMVEC PLUS, TRIMNET, TRIMNET PLUS,
GPSURVEY, PHASE PROCESSOR, GEOMATIC OFFICE (hãng TRIMBLE);
GPPS (ASHTECH), v.v... và 1 phần mềm bình sai lưới GPS do Liên hiệp KHSX
Trắc địa bản đồ xây dựng.
1.3 Tình hình nghiên cứu ứng dụng GPS trong đo đạc công trình
* Xây dựng lưới khống chế mặt bằng
Có thể nói, những ứng dụng đầu tiên của công nghệ GPS trong trắc địa là đo
đạc các mạng lưới trắc địa mặt bằng. Chúng ta biết rằng đo tương đối tĩnh cho độ
chính xác cao nhất, vì thế phương pháp này được sử dụng để đo các mạng lưới trắc
địa. Khi xây dựng các công trình có chiều cao lớn như nhà cao tầng, silo, ống khói
cao thể sử dụng GPS để lập lưới chuyển trục công trình lên cao.Với độ chính xác
cao trong đo GPS cạnh ngắn có thể chuyển trục theo phường pháp tọa độ hoàn
nguyên.
- Ưu điểm chủ yếu và quan trọng nhất của công nghệ GPS là có thể xác định
được các vector cạnh giữa các điểm trắc địa với độ cao chính xác cao mà không đòi
hỏi tầm thông hướng giữa các điểm đó. Ngay từ những năm 1990, khi hiểu biết hết
lợi thế của GPS, người ta đã nói rằng, GPS đã đưa các phương pháp xây dựng lưới
trắc địa truyền thống thành “những con khủng long thời tiền sử”. Cho đến nay nhiều
nước đã coi đo GPS là phương pháp chủ yếu trong xây dựng các mạng lưới trắc địa.

4


Bằng kỹ thuật đo tương đối tĩnh, người ta có thể xây dựng các mạng lưới có
cạnh dài đến hàng trăm km. Khung tọa độ trái đất quốc tế ITRE thực chất là mạng
lưới có cạnh dài như vậy.
Trong quy định đo GPS đã đưa ra một số tiêu chuẩn kỹ thuật lưới GPS như
sau:

Bảng 1.1 Sai số trung phương tương đối cạnh yếu nhất
Cấp

Chiều dài cạnh

hạng

trung bình (km)

Hạng II
Hạng III
Hạng I
Cấp 1
Cấp 2

9
5
2
1
<1

Sai số TP
a (mm)

b (mm)

tương đối

≤2
≤5

≤ 10
≤ 10
≤ 10

cạnh yếu nhất
1:120.000
1: 80.000
1: 45.000
1: 20.000
1: 10.000

≤ 10
≤ 10
≤ 10
≤ 10
≤ 10

Trong quy trình trên còn quy định một số yêu cầu trong đo lưới GPS như sau:
Bảng 1.2 Quy định đo GPS
Hạng

Góc ngưỡng (độ)
Số lượng VT hiệu ứng
Số lần trung bình đặt
máy lại tại điểm đo
Thời gian đo (phút)
Tần số ghi tín hiệu (S)

Hạng

Hạng

Cấp 1 Cấp 2
III
IV
≥ 15
≥ 15
≥ 15
≥ 15
≥4
≥4
≥4
≥4
≥4
≥5
≥5
≥5
≥5
≥2
≥ 1.6 ≥ 1.6 ≥ 1.6
≥2
≥2
≥ 1.6 ≥ 1.6 ≥ 1.6
≥ 60
≥ 45
≥ 45
≥ 45
≥ 90
≥ 20
≥ 15

≥ 15
≥ 15
10÷60 10÷60 10÷60 10÷60 10÷60
II
≥ 15

Đo tĩnh nhanh
Tĩnh Tĩnh nhanh
Tĩnh Tĩnh nhanh
Tĩnh Tĩnh nhanh
Tĩnh Tĩnh nhanh

Từ khi có công nghệ GPS, người ta đã đưa ra các khái niệm mới đối với lưới
trắc địa, đó là mạng lưới tĩnh, các mạng lưới động.
Các mạng lưới tĩnh là các mạng lưới có các mốc cố định trên mặt đất được đo
với độ chính xác cao và là cơ sở trắc địa trải rộng liên tục trên một diện tích nhất

5


định. Các số liệu của các điểm trong mạng lưới được coi là không đổi và không có
sai số.
Các mạng lưới này thường có độ chính xác đo chiều dài cỡ 1:250.000 và đo
cao cỡ một vài mm trên km. Có thể thấy rằng các mạng lưới này thuộc hệ thống
lưới khống chế tọa độ, lưới độ cao nhà nước.
Các mạng lưới động là các mạng lưới gồm một số điểm cố định có vai trò là
các trạm theo dõi làm cơ sở để xác định nhiều điểm khác. Các điểm cần xác định
cũng có thể là các điểm chuyển động cần xác định tọa độ tức thời.
* Đo các mạng lưới quan trắc biến dạng và chuyển dịch công trình
Trong các dạng đo đạc, thì đo biến dạng công trình đòi hỏi yêu cầu độ chính

xác cao nhất. Thí dụ: để phát hiện giá trị biến dạng hoặc chuyển dịch khá nhỏ cỡ
một vài mm thì cần phải thực hiện các phép đo có sai số không lớn hơn ± 1 mm.
Mức độ tin cậy của số liệu đo biến dạng, chuyển dịch phụ thuộc độ chính xác đo và
phương pháp xử lý số liệu đo.
Người ta đã sử dụng phương pháp đo GPS động liên tục với tần suất ghi tín
hiệu cỡ 0,5s ÷ 1s hoặc nhỏ hơn để quan trắc dao động của cầu dây văng do tác động
của ngoại lực hoặc quan trắc do động của nhà cao tầng do áp lực của gió.
Có thể sử dụng GPS và quan trắc chuyển vị ngang các công trình. Vấn đề
quan trắc chuyển dịch thẳng đứng còn bị hạn chế do độ chính xác về độ cao. Trong
trương hợp sử dụng lịch vệ tinh quảng bá vẫn có thể đo các cạnh ngắn bằng GPS
đạt độ chĩnh xác cỡ 2÷3 mm nếu loại bỏ được sai số định tâm anten máy thu.
Trên cơ sở này GPS vẫn có thể giúp chúng ta theo dõi phát hiện chuyển dịch và
biến dạng công trình với giá trị lớn cỡ hai lần sai số đo tức là có giá trị chuyển dịch,
biến dạng cỡ 4 hoặc 6 mm .

6


CHƯƠNG 2: NGUYÊN LÝ CẤU TẠO CHUNG CỦA
HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ GPS
2.1 Nguyên lý hoạt động của hệ thống định vị toàn cầu GPS
* 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

(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 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....)

7


- 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

(2.2)

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

(2.3)

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

(2.4)

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

(2.5)

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

(2.6)

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)

8


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.
2.2 Cấu tạo chung của hệ thống định vị 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).

9


Hình 2.1 Sơ đồ hoạt động của hệ thống định vị toàn cầu GPS

10


b. Phần điều khiển (Control Segment)

Hình 2.2 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.

11


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)

Hình 2.3 Phân bố vệ tinh trên 6 quỹ đạo

Hình 2.4 Vệ tinh GPS

12


* Chòm vệ tinh GPS

Bao gồm 24 vệ tinh bay trên quỹ đạo có độ cao đồng nhất 20 đến 200 km, chu
kỳ 12 giờ, phân phối đều trên 6 mặt phẳng quỹ đạo nghiêng với xích đạo một góc
550. 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 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 đó 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.

13

2.3 Các trị đo GPS và các nguồn sai số trong đo đạc định vị GPS
* 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
(2.7)
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.
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
Trong đó:
N : là số nguyên lần bước sóng

14

(2.8)


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.
* Các nguồn sai số trong đo đạc định vị 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 chính sai số
hệ thống, do đó sai số ngẫu nhiên trở thành chỉ tiêu quan trọng để 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 8 m/s, do đó nếu đồng hồ
thạch anh có sai số 10 -4 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

15


hoặc giảm thiểu ảnh hưởng sai số đồng hồ trong kết quả đo.
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

Hình 2.5 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

16

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.
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 góc cao 200, có thể đạt đến 150 m. 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 100 có thể đạt đến 20 m.

17


Hình 2.6 Sai số do tầng đối lưu và điện ly

18


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.
d. Sự trượt đa tuyến

Hình 2.7 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.

19