Ứng dụng công nghệ GPS trong thành lập lưới thi công tuyến đường giao thông

MỤC LỤC


DANH MỤC BẢNG

2
2


DANH MỤC CÁC TỪ TIẾNG ANH VÀ TỪ VIẾT TẮT
Tiếng Anh

Tiếng Việt

Chú giải

Adjustment

Bình sai

Quá trình xác định và áp dụng các số hiệu chỉnh
vào trị đo để giảm thiểu sai số.

Fixed
coordinate

Tọa độ khống
chế

Tọa độ của điểm khống chế được fix trong khi
bình sai.

GLONASS

GLONASS

Viết tắt của Global Navigation Setellite System.
Hệ thống định vị toàn cầu của LB Nga.

GNSS

GNSS

Viết tắt của Global Navigation Setellite Systems.
Thuật ngữ chỉ các hệ thống định vị toàn cầu nói
chung, bao gồm cả GPS, GLONASS, Galileo,
Compas.

GPS

GPS

Viết tắt của Global Positioning System. Hệ thống
định vị toàn cầu của Hoa Kỳ.

RMS

Sai số trung
phương

Viết tắt của Root Mean Square.

Satellite
geometry

Đồ hình vệ tinh Vị trí và sự di chuyển của các vệ tinh GPS trong
quá trình đo GPS.

WGS-84

WGS-84

Hệ tọa độ trắc địa toàn cầu.
E-líp-xô-ít toán học được dùng trong GPS
LỜI MỞ ĐẦU

Hệ thống định vị toàn cầu GNSS ra đời đã làm thay đổi cơ bản công nghệ
xây dựng lưới tọa độ. Đây là bước đột phá trong việc giải quyết nhiệm vụ xây dựng
mạng lưới tọa độ, các bài toán định vị và đo nối tọa độ quy mô khu vực và toàn cầu.
Ngoài ra, với sự ra đời của công nghệ GNSS, đã có thể kiểm soát tốt hơn những
hoạt động tự nhiên, những biến đổi của bề mặt Trái Đất cũng như những hoạt động
về đời sống xã hội của chính con người.
Với sự phát triển không ngừng của công nghệ GNSS, các hãng chế tạo máy
thu cũng luôn luôn nâng cấp và cải tiến các phần mềm, ứng dụng phục vụ cho công
tác xử lý số liệu đo. Trong đó có phần mềm Trimble Business Center (TBC), một

3
3


phần mềm mới của hãng Trimble. Phần mềm này có nhiều ưu việt vượt trội, sử

dụng đơn giản, dễ dàng. Cho phép xử lý và phân tích cả dữ liệu đo GNSS và dữ liệu
đo truyền thống (kinh vĩ, thủy chuẩn, toàn đạc).
Em thấy phần mềm này có nhiều ứng dụng thực tiễn trong công việc và cuộc
sống, sẽ giúp ích nhiều cho công việc sau này của em. Vì vậy, em đã làm đề tài:
“Ứng dụng công nghệ GPS trong thành lập lưới thi công tuyến đường giao
thông”
Đồ án cơ bản gồm 3 chương:
Chương 1: Tổng quan về công nghệ GPS
Chương 2: Đặc điểm đối với lưới khống chế thi công
Chương 3: Thành lập lưới khống chế thi công bằng công nghệ GPS
Em xin chân trọng cảm ơn các thầy cô trong khoa Trắc địa-Bản đồ, trường
Đại học Tài nguyên và Môi trường Hà Nội đã tận tình chỉ dạy cho em những kiến
thức hết sức quý báu trong suốt thời gian em học tập tại Nhà trường.
Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo TS.Vũ Văn Đồng và cô giáo TS.Phạm
Thị Hoa, người đã trực tiếp hướng dẫn em trong quá trình làm đồ án này.
Mặc dù đã rất cố gắng làm việc song do thời gian, trình độ có hạn nên đồ án
của em không tránh khỏi những thiếu sót. Em rất mong thầy cô giáo cùng các bạn
đóng góp ý kiến để em có thể hoàn thiện hơn về hình thức và nội dung đồ án của
em.
Cuối cùng em xin kính chúc quý thầy cô luôn dồi dào sức khỏe và thành
công, luôn nhiệt thành và tâm huyết với sự nghiệp cao quý. Chúc các bạn đạt nhiều
thành công tốt đẹp trong công việc.
Em xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, ngày tháng 6 năm 2016
Sinh viên thực hiện

4
4

Dương Việt Quang

5
5


CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ GPS
1.1. Cấu trúc của hệ thống định vị GPS
Hệ thống định vị toàn cầu GPS bao gồm 3 bộ phận cấu thành, đó là:
1. Đoạn không gian (Space Segment)
2. Đoạn điều khiển (Control Segment)
3. Đoạn sử dụng (Use Segment) [1]
1.1.1. Đoạn không gian
Đoạn không gian bao gồm các vệ tinh chuyển động trên 6 mặt phẳng quỹ
đạo gần tròn với chu kỳ là 718 phút, ở độ cao cách mặt đất khoảng 20200km. Các
mặt phẳng quỹ đạo nghiêng với mặt phẳng xích đạo của Trái đất một góc

55O

. Quỹ

đạo vệ tinh GPS gần với hình tròn, giá trị biểu kiến tâm sai (nominal eccentricity)
của quỹ đạo vệ tinh GPS có giá trị bằng 0.

Hình 1.1. Cấu trúc của hệ thống định vị toàn cầu GPS

6
6

Theo thiết kế, hệ thống gồm có 24 vệ tinh, mỗi quỹ đạo có 4 vệ tinh. Với sự
phân bố vệ tinh trên quỹ đạo như vậy, trong bất kỳ thời gian nào và ở bất kỳ vị trí
quan trắc nào trên Trái đất cũng có thể quan trắc được ít nhất 4 vệ tinh GPS.
Các quỹ đạo được ký hiệu là A,B,C,D,E,F. Vị trí vệ tinh trên quỹ đạo được
ký hiệu là A-1,D-3 vv...(hình 1.2).
Chương trình đưa các vệ tinh GPS lên quỹ đạo đã được chia làm các khối
(Block) như: Khối I, II, II-A, II-R, II-RM và II-F. Tính đến ngày 24 tháng 5 năm
2010 hiện có 31 vệ tinh của hệ thống GPS đang hoạt động gồm: 10 vệ tinh II-A, 12
vệ tinh II-R, 7 vệ tinh II-RM và 2 vệ tinh II-F.
Các vệ tinh GPS có trọng lượng khoảng 1600kg khi phóng và khoảng 800kg
trên quỹ đạo. Các vệ tinh của các khối sau có trọng lượng lớn hơn và có tuổi thọ
cũng dài hơn các vệ tinh trước đó. Thí dụ: vệ tinh khối I chỉ có trọng lượng là 845
kg, song vệ tinh khối II có trọng lượng là 1500 kg và đến khối II-R vệ tinh có trọng
lượng là 2000 kg. Tuổi thọ của vệ tinh khối II-A và II-R được kéo dài từ 7,5 năm
đến trên 10 năm. Từ năm 2005, các vệ tinh khối II-RM đã phát thêm tín hiệu L2C
phục vụ dân sự. Theo chương trình hiện đại hóa hệ thống GPS, từ tháng 5 năm
2008, Mỹ đã đưa lên quỹ đạo các vệ tinh khối II-F, có tuổi thọ từ 12 năm đến 15
năm và phát thêm tín hiệu L5.

Hình 1.2. Phân bố vệ tinh trên 6 mặt phẳng quỹ đạo

7
7


Năng lượng cung cấp cho hoạt động của các thiết bị trên vệ tinh là năng
lượng pin mặt trời. Hình dạng vệ tinh GPS được thể hiện ở hình 1.3. Trên hình 1.4
thể hiện tiến trình phát triển đoạn không gian của hệ thống GPS.

Hình 1.3. Vệ tinh GPS

Hình 1.4. Tiến trình phát triển đoạn không
Mỗi vệ tinh thuộc khối I được trang bị 4 đồng hồ nguyên tử, gồm 2 đồng hồ
thuộc loại censium và 2 đồng hồ thuộc loại rubidium. Người ta sử dụng 4 đồng hồ
không chỉ với mục đích dự phòng mà còn để tạo ra một cơ sở giám sát thời gian và
cung cấp giờ chính xác nhất. Hệ thống giám sát thời gian đã được thực hiện đối với
các vệ tinh GPS thuộc khối II và khối IIR. Đồng hồ nguyên tử rubidium có độ ổn
định kém hơn một chút so với đồng hồ nguyên tử censium trong thời gian dài. Trên
các vệ tinh GPS thuộc khối II, người ta đã nâng cấp thiết bị bởi 3 đồng hồ censium.
Tất cả các vệ tinh GPS đều có thiết bị tạo dao động với tần số chuẩn cơ sở là
f O = 10,23MHz

. Tần số này là tần số chuẩn của đồng hồ nguyên tử, với độ chính xác

8
8


cỡ

10 −12

. Từ tần số cơ sở

fO

thiết bị sẽ tạo ra các tần số sóng tải L1, L2 và L5. Việc

giám sát và hiệu chỉnh tần số các đồng hồ vệ tinh là một trong các chức năng của đoạn
điều khiển.

9
9


1.1.2. Đoạn điều khiển
Đoạn điều khiển được thiết lập để duy trì hoạt động của toàn bộ hệ thống định
vị này. Đoạn điều khiển là một hệ thống điều khiển hoạt động (OCS) bao gồm 1 trạm
điều khiển trung tâm (MCS) đặt tại căn cứ không quân của Mỹ gần Colorado springs,
một số trạm theo dõi (MS) và một số trạm điều khiển mặt đất (GCS) (hình 1.5).
Trạm điều khiển trung tâm MCS có nhiệm vụ chủ yếu trong đoạn điều khiển.
Trạm điều khiển trung tâm thu nhận tất cả các số liệu giám sát vệ tinh từ các trạm
theo dõi MS để tính toán quỹ đạo vệ tinh và các tham số đồng hồ vệ tinh dựa trên
thuật toán lọc Kalman. Kết quả xử lý tại trạm trung tâm được chuyển tới các trạm
điều khiển mặt đất GCS để chuyển lên vệ tinh.

Hình 1.5. Vị trí các trạm trong đoạn điều khiển của hệ thống GPS
Các trạm theo dõi MS được phân bố quanh Trái đất, đó là các trạm Colorado
Springs, Hawaii, Assension Islands, Diego Garcia và Kwajalein. Mỗi một trạm theo
dõi được trang bị đồng hồ nguyên tử tiêu chuẩn và máy thu GPS để liên tục đo
khoảng cách giả đến các vệ tinh có thể quan sát được. Các số liệu quan sát được ở
các trạm theo dõi được chuyển ngay về trạm điều khiển trung tâm MCS.
Các trạm điều khiển mặt đất GCS, được bố trí tại Assension Islands, Diego
Garcia và Kwajalein có nhiệm vụ kết nối thông tin tới các vệ tinh bằng các anten

10
10

mặt đất, sử dụng dải sóng S, có tần số trong khoảng 2÷4GHz. Các trạm điều khiển
mặt đất GCS có nhiệm vụ chuyển lịch vệ tinh và thông tin đồng hồ vệ tinh đã được
xử lý tại trạm điều khiển trung tâm lên các vệ tinh GPS, để từ đó phát tới các máy
thu của đoạn sử dụng.
Như vậy vai trò của đoạn điều khiển rất quan trọng vì nó không chỉ theo dõi,
quan sát các vệ tinh mà còn liên tục cập nhật để chính xác hoá các thông tin đạo hàng,
trong đó có lịch vệ tinh quảng bá, bảo đảm độ chính xác cần thiết cho công tác định
vị GPS. Các công việc quan sát và xử lý của đoạn điều khiển có thể coi là quy trình
thực hiện “bài toán thuận” nhằm có được vị trí vệ tinh trên quỹ đạo để từ đó cung cấp
cho đoạn sử dụng qua lịch vệ tinh quảng bá.
Cơ quan bản đồ thuộc Bộ quốc phòng Mỹ (DMA) và Cơ quan trắc địa quốc
gia Mỹ (NGS) đã phối hợp với một số nước khác thông qua tổ chức CIGNET xây
dựng mạng lưới theo dõi vệ tinh GPS trên toàn cầu. Năm 1991 đã có 20 trạm giám
sát được đặt ở Mỹ, Achentina, Australia, New Zealand, Cộng hoà Nam Phi, Nigeria,
CHLB Đức,Thuỵ Điển, Nauy, Nhật Bản... Đến năm 1994 đã tăng lên 48 trạm giám
sát, được đặt ở các nước khác như Baranh, Equador, Anh, Trung Quốc vv...Vị trí các
trạm này được xác định toạ độ chính xác nhờ kỹ thuật giao thoa cạnh đáy dài (VLBI)
và kỹ thuật đo laser tới vệ tinh (SLR).
Nhờ các trạm giám sát phân bố trên toàn cầu người ta xác định được chính
xác các tham số quỹ đạo vệ tinh và sự biến đổi của chúng theo thời gian, nhờ đó các
lịch vệ tinh được xác định chính xác hơn. Nhiều cơ quan trắc địa bản đồ của các quốc
gia khác nhau, nhiều viện nghiên cứu, các trường đại học và nhiều nhóm nghiên cứu
ở mọi nơi trên thế giới đã có được các trạm quan trắc GPS liên tục và sử dụng nó như
"sân sau" để được sử dụng GPS với độ chính xác cao. Trước hết phải kể đến những
cố gắng của tổ chức Hợp tác quốc tế về lưới GPS - CIGNET và tổ chức IGS.
1.1.3. Đoạn sử dụng

11
11

Đoạn sử dụng bao gồm các máy thu GPS, máy hoạt động để thu tín hiệu vệ
tinh GPS phục vụ cho các 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. 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 một
hoàn thiện. Ngành chế tạo máy thu GPS là ngành "kỹ thuật cao". Một số hãng chế
tạo còn cho ra các máy thu đa hệ, có thể đồng thời thu tín hiệu từ các vệ tinh GPS,
vệ tinh GLONASS và vệ tinh GALILEO vv...Người ta sản xuất ra nhiều chủng loại
máy thu GPS khác nhau. Có loại phục vụ mục đích đạo hàng, có loại phục vụ công
tác trắc địa, cũng có loại nhỏ gọn có thể cầm tay, phục vụ du lịch vv... Trên hình 1.6
là một máy thu GPS cầm tay, hình 1.7 là máy GPS gắn trên xe ô tô.

Hình 1.6. Máy thu GPS cầm tay

Hình 1.7. Dẫn đường xe ô tô bằng GPS

12
12


Hiện nay đã có nhiều loại máy thu có khả năng đo ở chế độ tức thời (Real
Time). Dạng máy thu phổ biến hiện nay là dạng máy thu đa kênh (Multichannel).
Trước đây, các máy thu thường có từ 8 đến 12 kênh, nhưng hiện nay, với sự
phát triển của các hệ thống GNSS và quá trình hiện đại hóa đoạn không gian, người
ta đã chế tạo máy thu tin hiệu GNSS có nhiều kênh, thậm chí có đến hàng trăm
kênh. Khi máy thu làm việc, mỗi kênh sẽ độc lập theo dõi và thu tín hiệu từ một vệ
tinh. Kèm theo các máy thu GPS (phục vụ công tác trắc địa) là các phần mềm xử lý
số liệu đo. Các phần mềm này cũng được liên tục phát triển, ngày một hoàn hảo về

chức năng và tính tiện dụng.
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 thu-phát khác để thực hiện các kỹ thuật đo
động tức thời RTK, đo GPS vi phân DGPS, đo vi phân diện rộng WADGPS. Trong
kỹ thuật WADGPS còn sử dụng vệ tinh viễn thông thương mại làm phương tiện trung
gian để truyền số cải chính vi phân cho các trạm đo.
Để nâng cao độ chính xác và độ tin cậy cho kết quả định vị GPS, thỏa mãn các
yêu cầu định vị tức thời, người ta đã xây dựng các hệ thống tăng cường GBAS, SBAS.
1.2. Nguyên lý định vị và các trị đo GPS
1.2.1. Nguyên lý định vị GPS
Định vị là việc xác định vị trí điểm cần đo. Tuỳ thuộc vào đặc điểm cụ
thể của việc xác định toạ độ người ta chia thành 2 loại hình định vị cơ bản:
Định vị tuyệt đối và định vị tương đối.
a. Định vị tuyệt đối
Định vị tuyệt đối khoảng cách giả
Định vị tuyệt đối có thể sử dụng trị đo khoảng cách giả theo tín hiệu code, trị
đo khoảng cách giả theo pha hoặc trị đo Doppler (hiệu khoảng cách).
Trong phần này chỉ xét cho trường hợp định vị tuyệt đối bằng các trị đo
khoảng cách giả theo code, là bài toán phổ biến trong đạo hàng bằng GPS.

13
13


Để giải bài toán này, chúng ta sử dụng lời giải của bài toán giao hội ngược đo
cạnh trong không gian, bản chất là bài toán ngược xác tọa độ điểm trong định vị vệ tinh.
Chúng ta đã xét nguyên tắc đo khoảng cách giả theo tín hiệu code. Theo
nguyên tắc này chúng ta có phương trình trị đo khoảng cách giả từ vệ tinh j đến
máy thu i tại thời điểm t như sau:

R ij ( t ) = ρij ( t ) + c.δ i ( t ) − c.δ j ( t )

Trong đó:

R ij ( t )
ρ ij (t )

(1.1)

- khoảng cách giả đo được giữa vị trí quan trắc i và vệ tinh j
- khoảng cách hình học giữa vệ tinh và điểm quan sát

c - vận tốc ánh sáng

δ j ( t ), δi ( t )

- sai số đồng hồ vệ tinh và đồng hồ máy thu

δ j (t )
Như đã nói ở phần trước, sai số đồng hồ vệ tinh

xác định được nhờ đa

thức đồng hồ vệ tinh được cung cấp theo lịch vệ tinh, do đó sẽ tính được số hiệu
chỉnh cho đồng hồ vệ tinh theo công thức:

δ j ( t ) = a 0 + a 1 ( t − t oe ) + a 2 ( t − t oe ) 2 + δ rel

trong đó t là thời điểm xét,

t oe

là thời điểm lịch vệ tinh,

δ rel

(1.2)

là số hiệu chỉnh do

hiệu ứng thuyết tương đối vào đồng hồ vệ tinh, được tính theo công thức:

δ

rel

= F.e. a . sin E

F=−
; với

2 µ
c

2

= −4,442807633*10 −10 s / m
(1.3)

Như vậy khoảng cách giả trong phương trình (1.1) sau khi được hiệu chỉnh

sai số đồng hồ vệ tinh sẽ là:

14
14


R ij ( t ) + c.δ j ( t ) = ρij ( t ) + c.δ i ( t )

Khoảng cách hình học

ρ ij ( t ) =

ρij ( t )

(1.4)

từ vệ tinh đến anten máy thu tại điểm t được viết:

[X ( t ) − X ] + [Y ( t ) − Y ] + [ Z (t ) − Z ]
2

j

2

j

i

i

j

2

i

(1.5)

X j ( t ), Y j ( t ), Z j ( t )
trong đó

là các thành phần của vectơ vị trí địa tâm của vệ tinh j

tại thời điểm t.

X i , Yi , Z i

là toạ độ cần xác định của điểm quan sát trong hệ toạ độ

Trái đất.
Như vậy ta có thể viết được phương trình trị đo khoảng cách giả theo code:

R ij ( t ) =

trong đó

[X (t ) − X ] + [Y ( t ) − Y ] + [ Z (t ) − Z ]
j

2

2

j

i

R ij ( t ) = R ij ( t ) + c.δ j ( t )

i

j

i

2

+ c.δ i ( t )

(1.6)

là khoảng cách giả đã hiệu chỉnh sai số đồng hồ

vệ tinh.
Nếu xét tại một thời điểm định vị (t), trong các phương trình trị đo (1.6) chỉ có

4 ẩn số, đó là toạ độ

X i , Yi , Z i

của điểm quan sát trong hệ tọa độ vuông góc không

gian địa tâm (WGS-84) và sai lệch đồng hồ máy thu

δ i (t )

tại thời điểm đó. Về nguyên

tắc, bốn ẩn số này hoàn toàn có thể giải được ngay nếu như đồng thời quan sát được ít
nhất 4 vệ tinh (hình 1.8). Đây chính là khả năng định vị tức thời của GPS.
Ngay trong trường hợp
máy thu di chuyển với tốc độ

15
15


cao, chúng ta vẫn liên tục xác
định được vị trí của máy thu, gọi
là định vị tuyệt đối động. Việc
xác định vị trí cho đối tượng
động phục vụ dẫn đường (hay
đạo hàng) chính là ý tưởng ban
đầu của hệ thống GPS.

Hình 1.8. Định vị tuyệt đối đo khoảng cách giả
Để giải bài toán định vị, chúng ta xét cho trường hợp cơ bản nhất, trong đó
tạm thời bỏ qua (chưa xét) các ảnh hưởng do tầng điện ly, tầng đối lưu và một số
ảnh hưởng khác. Sau đây giới thiệu bài toán định vị xác định vị trí máy thu

X i , Yi , Z i

và sai số đồng hồ máy thu

δi (t )

tại thời điểm t.

Trong phương trình (2.1.6) chỉ có 4 ẩn số đó là

X i , Yi , Z i

và

δi (t )

. Nếu quan sát

đồng thời 4 vệ tinh thì sẽ giải được 4 ẩn số nói trên. Thông thường có thể quan sát nhiều
hơn 4 vệ tinh, khi đó 4 ẩn số trên sẽ được giải theo nguyên lý số bình phương nhỏ nhất.
Giả sử ta quan sát được n vệ tinh (n>4), với mỗi vệ tinh j ta có một phương
trình trị đo khoảng cách giả dạng:

R ij ( t ) =

[X ( t ) − X ] + [Y ( t ) − Y ] + [ Z ( t ) − Z ]
j

2

i

2

j

i

j

i

2

+ c.δ i ( t )

(1.7)

X i ,0 ; Yi,0 ; Z i,0
Nếu có được giá trị gần đúng của vị trí điểm quan trắc là

sẽ

khai triển tuyến tính vế phải của phương trình (1.7). Trong đó thay cho các ẩn số

X i , Yi , Z i

là các ẩn số

dX i , dYi , dZi

, với quan hệ sau:

16
16


X i = X i ,0 + dX i
Yi = Yi ,0 + dYi
Z i = Z i,0 + dZi
(1.8)
Sau khi áp dụng khai triển Taylor và giữ lại số hạng bậc nhất của

dX i , dYi , dZi

Vj = −

ta được phương trình số hiệu chỉnh:

X j ( t ) − X i,0
ρ ij,0 ( t )

dX i −

Y j ( t ) − Yi,0
ρ ij,0 ( t )

.dYi −

Z j ( t ) − Z i,0
ρ ij,0 ( t )

dZi + c.δ i ( t ) + l j

(1.9)

ρ ij, 0 ( t ) =

[X ( t ) − X ] + [Y (t ) − Y ] + [ Z ( t ) − Z ]
2

j

2

j

i ,0

j

i,0

2

i ,0

trong đó:
lj

và

lj =

là số hạng tự do được tính:

[X ( t ) − X ] + [Y ( t ) − Y ] + [ Z (t ) − Z ]
j

2

i,0

j

2

i,0

j

2

i,0

− R ij ( t )
(1.10)

Trong phương trình (1.9), ký hiệu

c.δ i ( t ) = ∆d

và coi

∆d

là ẩn số, như vậy

ta có thể viết:
Vj = −

X j ( t ) − X i,0
ρ ij,0 ( t )

dX i −

Y j ( t ) − Yi ,0
ρ ij,0 ( t )

.dYi −

Z j ( t ) − Z i,0
ρ ij,0 ( t )

dZi + ∆d + l j

(1.11)
Sử dụng ký hiệu ma trận, hệ phương trình số hiệu chỉnh được viết:

V = A.X + L

17
17

(1.12)


với:

 v1 
v 
V =  2
 .. 
 
v n 

;

 a1
a
A= 2
 ..

a n

b1
b2
..
bn

1
1

..

1

c1
c2
..
cn

;

dXi 
 dY 
X= i
 dZi 


 ∆d 

;

 l1 
l 
L =  2
 .. 
 

l n 

(1.13)

Trong ma trận A, các hệ số được tính:

aj = −
bj = −
cj = −

X j ( t ) − X i ,0
ρij,0 ( t )
Y j ( t ) − X i,0
ρ ij,0 ( t )
Z j ( t ) − Z i,0
ρij,0 ( t )
(1.14)

Trong trường hợp này nếu coi các khoảng cách giả đo được là cùng độ chính
xác (P=1) thì hệ phương trình chuẩn có dạng:

A T A.X + A T .L = 0

(1.15)

Ẩn số X sẽ nhận được từ kết quả giải hệ phương trình chuẩn:

(

X = − ATA

)

−1

ATL
(1.16)

Để giải bài toán này, thường sử dụng phương pháp tính lặp nhích dần, trong
đó toạ độ gần đúng lần đầu của điểm quan sát có thể chấp nhận là:

X i , 0 = Yi ,0 = Zi , 0 = 0
(1.17)
Sau khoảng 5 đến 6 lần tính lặp, sẽ nhận được toạ độ của điểm quan sát. Sau
khi nhận được ẩn số thứ tư là

∆d

, sai số đồng hồ máy thu được tính:

18
18


δi (t) =

∆d
c

Trong bài toán định vị, có 4 ẩn số là

(1.18)

dXi , dYi , dZi

và

∆d

(hoặc

δi ( t )

). Để

đánh giá độ chính xác các ẩn số, chúng ta sử dụng ma trận nghịch đảo của ma trận
hệ số phương trình chuẩn, thường ký hiệu là Q:

(

Q = ATA

)

−1

(1.19)

Tương ứng với thứ tự các ẩn số ta có thể viết các phần tử của ma trận Q như sau:

Q X , X
Q
X ,Y
Q=
 Q X ,Z

 Q X ,t

Q X ,Y

Q X ,Z

Q Y ,Y

Q Y ,Z

Q Y ,Z

Q Z,Z

Q Y ,t

Q Z,t

Q X ,t 
Q Y ,t 

Q Z, t 

Q t ,t 

(1.20)

Với ký hiệu như trên ta sẽ tính được sai số vị trí điểm định vị tuyệt đối trong
không gian theo công thức:

M P = µ. Q X ,X + Q Y ,Y + Q Z, Z
(1.21)
Người ta ký hiệu :

PDOP = Q X ,X + Q Y ,Y + Q Z,Z
(1.22)
PDOP là độ suy giảm độ chính xác của vị trí điểm, cũng có thể gọi là độ phân
tản độ chính xác của vị trí điểm.
Như vậy PDOP là mức đo chất lượng hình học của lời giải bài toán định vị
tuyệt đối, hay là yếu tố đồ hình vệ tinh trong kết quả định vị. PDOP không có đơn

19
19


vị, giá trị PDOP càng nhỏ thì chất lượng hình học của lời giải càng tốt. Khi vệ tinh
nhiều và phân bố đều trên bầu trời theo phương vị và góc cao thì PDOP sẽ nhỏ.
Sai số xác định số hiệu chỉnh đồng hồ

δi ( t )

được xác định theo công thức:

m ∆d = µ. Q T ,T

(1.23)
TDOP = Q T ,T

Ký hiệu

(1.24)

TDOP được gọi là độ suy giảm độ chính xác đối với thời gian. Ngoài ra
người ta còn đưa ra khái niệm độ suy giảm độ chính xác hình học là GDOP,
với giá trị GDOP được tính:

GDOP = Q X ,X + Q Y ,Y + Q Z,Z + Q T ,T
(1.25)
Như vậy trong hệ toạ độ không gian địa tâm XYZ chúng ta đã có các khái
niệm về GDOP, PDOP, TDOP.
Nếu xét đến vị trí điểm định vị P trong hệ toạ độ không gian địa diện chân
trời x, y, z, (N, E, U) thiết lập tại điểm quan sát, ta có các khái niệm sau:
HDOP là độ suy giảm độ chính xác vị trí mặt bằng, được tính:

HDOP = q x ,x + q y, y
(1.26)
VDOP là độ suy giảm độ chính xác về độ cao, được tính:

VDOP = q z ,z
(1.27)
Cũng tương tự như PDOP, các giá trị GDOP, HDOP, VDOP, TDOP đều là
mức đo chất lượng hình học của các lời giải.

20
20

q x , x , q y , y , q z ,z
Các giá trị

trong (1.26) và (1.27) là các phần tử trên đường

chéo của ma trận q, được tính theo công thức:

q x , x

q = R T Q P R = q x , y
 q x ,z


q x ,y
q y,y
q y ,z

q x ,z 

q y ,z 
q z ,z 

(1.28)

Trong đó: - R là ma trận xoay, được xác định theo (1.18);
-

QP

là ma trận con (3x3) của ma trận Q (1.20)

Q X , X

Q P = Q X , Y
 Q X,Z

Q X ,Y
Q Y ,Y
Q Y ,Z

Q X,Z 

Q Y,Z 
Q Z,Z 

(1.29)

Do tính chất trực giao của ma trận xoay R cho nên:

Q X , X + Q Y , Y + Q Z, Z = q x , x + q y, y + q z , z = PDOP
(1.30)

- Định vị tuyệt đối chính xác
Định vị tuyệt đối chính xác (PPP) là kỹ thuật định vị GPS sử dụng 1 máy thu
để xác định tọa độ không gian của điểm đặt máy trong hệ ITRF hay WGS-84 với độ
chính xác rất cao. Phương pháp này có thể áp dụng cho định vị tĩnh hoặc định vị
động, có thể thực hiện xử lý sau hoặc xử lý tức thời. Để định vị PPP, cần phải sử
dụng tất cả các trị đo bằng máy thu 2 tần số, gồm cả trị đo pha L1, L2, trị đo khoảng

cách giả theo code C1, C2 (L2C) và sử dụng cả P1,P2 vốn chỉ được sử dụng cho mục
đích quân sự.

21
21


Ngay từ năm 1997, dựa trên mạng lưới GPS toàn cầu với các trạm quan sát
thường xuyên của IGS và khả năng chuyển dữ liệu tức thời qua Internet, Phòng thí
nghiệm phản lực JPL thuộc Cơ quan hàng không vũ trụ Mỹ (NASA) đã đưa ra ý tưởng
định vị tuyệt đối chính xác tức thời (PPP). Người ta có thể cung cấp các thông tin quỹ
đạo GPS chính xác (cỡ ≈10cm), các số hiệu chỉnh đồng hồ vệ tinh, các số liệu
GNSS, tham số quay của Trái đất, bản đồ toàn cầu về tầng điện ly và tầng đối lưu
với giãn cách từ 30s đến 900s. Các dữ liệu này làm cơ sở cho tính toán định vị tuyệt
đối chính xác.
Liên quan đến phương pháp PPP, hàng loạt vấn đề cần được giải quyết nhằm
giảm thiểu các nguồn sai số ảnh hưởng đến định vị tuyệt đối như: Mô hình địa vật
lý trái đất, bao gồm ảnh hưởng của thủy triều, tải trọng đại dương, hoạt động kiến
tạo mảng, ảnh hưởng của khí quyển, gồm ảnh hưởng của tầng điện ly và tầng đối
lưu, hiệu ứng cuốn pha (Phase Wind-Up Effect). Ngoài ra, còn phải tính đến các số
hiệu chỉnh khác như lệch tâm anten phát của vệ tinh trong hệ toạ độ cố định với vệ
tinh, số hiệu chỉnh do thuyết tương đối vv...
Để xác định chính xác quỹ đạo và số hiệu chỉnh đồng hồ vệ tinh, người ta đã
sử dụng số liệu quan trắc liên tục tại nhiều trạm GNSS thường trực phân bố trên
toàn cầu và xử lý bằng các chương trình tính toán tiên tiến như GIPSY/OASIS II,
BERNESE vv... Trong xử lý số liệu định vị chính xác PPP, các trị đo pha sóng tải
được phối hợp với các trị đo khoảng cách giả theo code, trong đó cần phải xác định
số nguyên đa trị (N) trong trị đo pha. Các phép lọc Kalman và lọc tuần tự
(Sequential Filter) cũng được áp dụng trong xử lý PPP.
Nhờ sử dụng số liệu quỹ đạo chính xác của vệ tinh, số liệu về tầng điện ly

của IGS và các số liệu địa vật lý của Trái đất do IERS cung cấp tức thời thông qua
các vệ tinh viễn thông địa tĩnh, người ta đã thực hiện định vị tuyệt đối chính xác tức
thời trên mọi nơi trên Trái đất, vì thế công nghệ này còn được gọi là GPS hiệu chỉnh
trên toàn cầu (GCGPS).

22
22


Ngay từ năm 2002, thông qua các trạm IGS và hệ thống thông tin viễn thông,
trên toàn bộ lãnh thổ Canađa có thể thực hiện định vị tuyệt đối chính xác tức thời.
Qua thử nghiệm cho thấy, định vị tuyệt đối chính xác theo phương pháp đo tĩnh xử
lý sau có thể đạt độ chính xác vị trí cỡ 1÷2 cm, còn áp dụng cho định vị động xử lý
tức thời có thể đạt độ chính xác cỡ 1÷2 dm.
Năm 2006, hãng TerraTec của Na Uy đã cho ra phần mềm TerraPOS dùng để
tính toán định vị tuyệt đối chính xác xử lý sau. Phần mềm này cho phép xử lý định vị
tuyệt đối chính xác theo số liệu GPS/GLONASS, trị đo Doppler và phối hợp với số
liệu INS. Phần mềm TerraPOS được ứng dụng rộng rãi để tính toán tọa độ chính xác
trong chụp ảnh hàng không, quét LIDAR từ máy bay và trong đo đạc biển.
Hiện nay, người ta đã sử dụng công nghệ định vị tuyệt đối chính xác của
FUGRO, NAVCOM, C-NAV vv... để xác định độ cao anten máy thu trên tàu đo,
tính hiệu chỉnh vào kết quả đo sâu hồi âm, giảm thiểu công tác quan trắc độ cao
mực nước tại các trạm nghiệm triều vv...
b. Định vị tương đối
Định vị tương đối là xác định véc tơ hiệu toạ độ

∆B, ∆L, ∆H

∆X, ∆Y, ∆Z

(hay

) giữa hai điểm trong hệ toạ độ trái đất (WGS-84) - gọi là véc tơ cạnh

(Baseline).
Định vị tương đối có thể thực hiện bằng các trị pha sóng tải và cũng có thể
bằng khoảng cách giả. Trên thực tế, để giải bài toán định vị tương đối, người ta sử
dụng trị đo pha sóng tải kết hợp khoảng cách giả và cũng có khi sử dụng cả trị đo
Doppler để hỗ trợ giải nhanh số nguyên đa trị.
Kỹ thuật đo pha hiện nay có thể đạt độ chính xác cỡ 1% bước sóng và có thể
cao hơn, chính vì thế định vị tương đối đạt độ chính xác rất cao. Kết quả định vị
tương đối được sử dụng trong trắc địa vào những nhiệm vụ cần độ chính xác cao và

23
23


rất cao như xây dựng lưới khống chế quốc gia, các mạng lưới chuyên dụng (nghiên
cứu địa động, lưới trắc địa công trình vv...).

Hình 1.9. Định vị tương đối
Trong định vị tương đối bằng trị đo pha sóng tải, cần phải phát hiện và hiệu
chỉnh hiện tượng trượt chu kỳ, xác định số nguyên đa trị trong phương trình trị đo
pha. Để loại bỏ hoặc giảm thiểu một số nguồn sai số ảnh hưởng đến kết quả định vị,
người ta đã sử dụng các phương trình sai phân (hiệu pha).

24
24

1.2.2. 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 dùng cho việc đo đạc chia thành
2 nhóm bao gồm:
- Nhóm trị đo Code
+ C/A Code
+ P Code
- Nhóm trị đo pha:
+ L1 – Carrie
+ L2 Carrie
+ Tổ hợp L1/L2
Các trị đo này có thể sử dụng riêng biệt hoặc kết hợp để xác định khoảng
cách đến từng vệ tinh.
Mô hình toán học của tín hiệu GPS:
Trên tần số L1= 1575.42 MHz:
s(t)=
Trên tần số L2= 1227.60 MHz:
s(t)=
Trong đó: - d(t) : dữ liệu tần số 50bps
- c(t) : mã C/A tần số 1.023MHz
- p(t) : mã P tần số 10.23 MHz
- ω : tần số sóng mang
Một bộ dữ liệu hoàn chỉnh gồm 25 pages truyền trong 12.5 phút.
Mỗi subframe bắt đầu bằng 2 word: TLM, HOW
- TLM word sử dụng để xác định bắt đầu của một subframe.
- HOW word sử dụng để tính tc trong quá trình xác định vị trí vệ tinh.
Mô tả truyền tín hiệu trong miền thời gian:

25
25