Nghiên cứu ứng dụng công nghệ GNSS trong khảo sát thành lập bản đồ địa hình dưới nước khu vực đê Liên MạcSông Hồng

DANH MỤC HÌNH ẢNH


DANH MỤC BẢNG BIỂU


DANH MỤC CÁC CHỮ VIÊT TẮT
GNSS - Global Navigation Satellite System – Hệ thống dẫn đường vệ tinh
NAVTAR GPS - Navigation Satellile And Ranging Global Positioning system
– Hệ thống định vị toàn cầu
DOP - Dilution Of Precision - Chỉ số phân tán độ chính xác
NPHs -Network processing hubs – Mạng chủ xử lý tức thời


MỤC LỤC


MỞ ĐẦU
Như chúng ta đó biết, sông có vai trò, vị trí rất quan trọng, gắn bó mật thiết và
ảnh hưởng to lớn đến sự phát triển kinh tế - xã hội, bảo đảm quốc phòng, an ninh,
bảo vệ môi trường của nước ta. Sau hơn 20 năm thực hiện công cuộc đổi mới dưới
sự lãnh đạo của Đảng, tiềm lực kinh tế biển của đất nước ta đó không ngừng lớn
mạnh, phát triển với tốc độ khá nhanh và đó cú những đóng góp quan trọng vào
nhịp độ tăng trưởng kinh tế - xã hội của đất nước theo hướng công nghiệp hoá, hiện
đại hoá.
Để tiếp tục phát huy các tiềm năng của sông trong thế kỷ XXI, Đảng ta đó đưa
ra nhiều chiến lược với mục tiêu tổng quát là đến năm 2020, phấn đấu đưa nước
taphát huy tiềm năng tối đa từ sông ngòi ,góp phần quan trọng trong sự nghiệp công
nghiệp hóa, hiện đại hóa, làm cho đất nước giàu mạnh.Vì vậy, việc thành lập bản đồ
địa dưới nước là vấn đề cấp thiết và thiết thực nhằm phục vụ công tác quản lí nhà
nước về sông ngòi.

Trong thời đại công nghệ phát triển, việc ứng dụng công nghệ GPS kết hợp
với một số phương pháp đo sâu truyền thống để thành lập bản đồ địa hình dưới
nước trở nên phổ biến.Cũng chính vì vậy, em đã lựa chọn nghiên cứu và thực hiện
đồ án
‟ Nghiên cứu ứng dụng công nghệ GNSS trong khảo sát thành lập bản đồ
địa hình dưới nước khu vực đê Liên Mạc-Sông Hồng ” với nội dung gồm 3
chương:
Chương 1: Tổng quan công tác thành lập bản đồ địa hình dưới nước
Chương 2: Khả năng ứng dụng của công nghệ GNSS trong khảo sát trong
việc thành lập bản đồ địa hình dưới nước khu vực đê Liên Mạc – Sông Hồng
Chương 3: Thực nghiệm
Mục tiêu của đề tài: Tìm hiểu tầm quan trọng của việc sử dụng công nghệ
GNSS trong đo đạc khảo sát thành lập bản đồ địa hỡnh dưới nước
Trên cơ sở lý thuyết và số liệu thực tế thành lập bản đồ địa hỡnh dưới nước
khu vực đê Liên Mạc – Sông Hồng
Các phương pháp nghiên cứu chủ yếu :

- Thu thập dữ liệu từ các nguồn internet, bản đồ, giáo trình liên quan đến đề tài.


- Tổng hợp phân tích.
- Chuyên gia và thực nghiệm
Để hoàn thiện đồ ỏn này ngoài sự cố gắng nỗ lực của bản thân, em đó nhận
được sự hướng dẫn tận tình và chu đáo của thầy giáo ThS. Nguyễn Xuân Thủy . Do
trình độ còn nhiều hạn chế và thời gian làm đồ án có hạn, lại là một lĩnh vực khá
mới mẻ nên mặc dù đã rất cố gắng nhưng không thể tránh khỏi thiếu sót. Em mong
muốn có được nhiều sự góp ý , chỉ bảo của cỏc thầy cô và các bạn sinh viên trong
trường để em rút ra được nhiều kinh nghiệm hơn trong công việc sau này. Em xin
chân thành cảm ơn thầy giáo ThS. Nguyễn Xuân Thủy cùng các thầy cô giáo trong
bộ môn Trắc địa cao cấp công trình đã trang bị cho em những kiến thức chuyên

ngành và giúp đỡ em trong thời gian qua.

Em xin chân thành cảm ơn !


CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN CÔNG TÁC THÀNH LẬP BẢN ĐỒ ĐỊA HÌNH DƯỚI NƯỚC
1.1. CÁC YÊU CẦU KỸ THUẬT TRONG VIỆC THÀNH LẬP BẢN ĐỒ ĐỊA
HÌNH TỶ LỆ LỚN
Trong trắc địa công trình, tùy thuộc vào các giai đoạn thiết kế; mức độ phức
tạp của địa hình, địa vật; nhiệm vụ thiết kế của từng hạng mục công trình mà chúng
ta thường đo vẽ bản đồ ở các tỷ lệ 1/200, 1/500, 1/1000, 1/2000, 1/5000 (ta gọi
chung là bản đồ tỷ lệ lớn) với các khoảng cao đều khác nhau (h = 0.25m, 0,5m, 1m,
2m).
Độ chính xác của bản đồ phụ thuộc vào độ chính xác của việc thành lập lưới
khống chế mặt bằng, cao độ; độ chính xác biểu thị địa hình địa vật và biểu thị dáng
đất (đo vẽ chi tiết).

1.1.1 Yêu cầu về độ chính xác trong việc thành lập lưới khống chế
a. Về khống chế mặt bằng
Theo [4], Sai số giới hạn vị trí điểm của lưới khống chế đo vẽ so với điểm lưới
cấp cao hơn không vượt quá 0.2mm ở vùng quang đãng và 0.3mm ở vùng rậm rạp,
tính theo tỷ lệ bản đồ.
Trong trường hợp tổng quát, sai số vị trí điểm yếu nhất của cấp khống chế thứ
“i” được tính theo công thức:

mi =

m p .k i −1
1 + k 2 + k 4 + ... + k 2( n −1)

(1.1)

b. Về khống chế độ cao
Hiện nay trong trắc địa công trình thường áp dụng các chỉ tiêu kỹ thuật sau:
Bảng 1.1 Các chỉ tiêu kỹ thuật xây dựng lưới khống chế độ cao[9]
Hạ

Chỉ tiêu kỹ thuật

ng II

Chiều dài lớn nhất của tuyến (Km)
- Giữa các điểm gốc
- Giữa các điểm nút
Khoảng cách lớn nhất giữa các mốc (Km)

Hạ
ng III

40
10

15
5

- Khu vực đang xây dựng

2

0.2

- Khu vực chưa xây dựng

5

0.8

7

Hạ
ng IV
4
2
0.2
÷0.5

0.5


5

10

÷2

20

Sai số khép giới hạn của tuyến

L
(L là chiều dài tuyến, tính bằng Km)

m)

(m

L

L

(m

m)

(m

m)

1.1.2 Độ chính xác biểu diễn địa hình - địa vật của bản đồ
a. Độ chính xác đo vẽ địa hình(dáng đất)
Trong trắc địa công trình, yếu tố địa hình có ý nghĩa rất lớn, nó là yếu tố quyết
định cho việc lựa chọn tuyến, chọn điểm xây dựng công trình; nó cũng là cơ sở để
thiết kế và tính toán khối lượng.
Theo [4], sai số trung bình đo vẽ dáng đất so với điểm khống chế độ cao gần
nhất tính theo khoảng cao đều cơ bản [4]
Bảng 1.2 Sai số trung bình đo vẽ dáng đất so với khoảng cao đều cơ bản đối với
các tỷ lệ bản đồ
Sai số trung bình đo vẽ dáng đất so với
khoảng cao đều cơ bản đối với các tỷ lệ bản đồ

1:10
1:20
1:50
1:500
00
00
00
o
o
Từ 0 đến 2
¼
1/4
1/4
1/4
Từ 2o đến 6o
1/3
1/3
1/3
1/3
o
o
Từ 6 đến 15
1/3
1/3
1/2
1/2
o
Lớn hơn 15
1/2
1/2

1/2
Sai số độ cao của các điểm đặc trưng địa hình không vượt quá 1/3 giá trị
Độ dốc địa hình

khoảng cao đều cơ bản
Khi kiểm tra thực địa, để kiểm tra sai số biểu diễn địa hình của bản đồ ta dung
công thức sau:

 ∆ H 2 
mH =
n

(1.2)

Trong đó:
n : là số lượng điểm kiểm tra

∆ H : là hiệu số giữa độ cao đo kiểm tra và độ cao đo nội suy trên bản đồ
mH : Sai số trung bình đo vẽ dáng đất kiểm tra

8


mH cho phép để xác định độ chính xác biểu diễn địa

Sau đó so sánh với giá trị

hình của bản đồ.
Theo [4] giá trị chênh lệch cho phép của mỗi điểm kiểm tra không được vượt
quá 2 lần mH , số lượng điểm có giá trị bằng giá trị chênh lệch cho phép không quá

10% tổng số điểm kiểm tra
b. Độ chính xác biểu diễn địa vật:
Theo [4], sai số trung bình vị trí mặt phẳng của các địa vật cố định, chủ yếu so
với điểm khống chế đo vẽ gần nhất không vượt quá 0.5mm trên bản đồ; đối với
những địa vật thứ yếu không vượt quá 0.7mm.
Khi kiểm tra thực địa để kiểm tra sai số biểu diễn địa vật của bản đồ ta dung
công thức sau:
Chênh lệch vị trí mặt bằng được tính theo công thức:

∆ Pi = ∆ x 2 + ∆ y 2

(1.3)
∆x, ∆y là chênh lệch giá trị tọa độ theo trục X và trục Y giữa điểm kiểm tra và
điểm đồ giải trên bản đồ.

 ∆ 2Pi 
mmb =
n

(1.4)

n : số lượng điểm kiểm tra

mmb : Sai số trung bình vị trí mặt phẳng của các địa vật
Sau đó so sánh với giá trị

mmb

cho phép để xác định độ chính xác biểu diễn địa

vật của bản đồ.
Giá trị chênh lệch tọa độ cho phép của mỗi điểm kiểm tra không được vượt
quá 2 lần

mmb , số lượng điểm có giá trị bằng giá trị chênh lệch cho phép không quá

10% tổng số điểm kiểm tra.
1.2. NHỮNG ĐẶC TRƯNG CHÍNH TRONG ĐO VẼ BẢN ĐỒ ĐỊA HÌNH
DƯỚI NƯỚC Ở NƯỚC TA
Bản đồ địa hình được thành lập theo nhiều phương pháp đi cùng với những
trang thiết bị máy móc và công nghệ khác nhau. Ở nước ta, cho đến nay vẫn áp
dụng hai biện pháp chủ yếu là đo vẽ ảnh và đo vẽ trực tiếp. Đối với trắc địa công

9


trình chúng ta cần thành lập các loại bản đồ tỷ lệ lớn; qua trải nghiệm từ nhiều năm
cho đến nay đo vẽ bản đồ trực tiếp vẫn mang lại hiệu quả cao nhất.
Đo vẽ bản đồ trực tiếp trên thực địa bao gồm hai bước cơ bản là thành lập hệ
thống khống chế cao tọa độ và đo vẽ chi tiết.
Tuy nhiên đối với việc đo vẽ đị hình vùng song Hồ và ven biển hiện nay vẫn
còn tồn tại nhiều hạn chế. Những hạn chế này được rút ra trong quá trình sản xuất
thực tiễn.
Khi ta đo vẽ địa hình ở các khu cực này theo phương pháp toàn đạc bằng máy
toàn đạc điện tử sẽ gặp phải những khó khăn sau:

• Đối với việc thành lập lưới khống chế mặt bằng

Đặc điểm của lưới khống chế mặt bằng phục vụ đo vẽ địa hình cho những khu

vực này là đồ hình dạng tuyến với các điểm được bố trí dọc theo bờ. Việc đo lưới

-

thường gặp phải những khó khăn sau:
Do yêu cầu thông hướng mà đồ hình lưới bố trí rất khó, có trường hợp phải bố trí
cạnh rất ngắn, điều này làm ảnh hưởng đến độ chính xác thành lập lưới và khó đảm

-

bảo được quy trình quy phạm.
Việc đo lưới phải tốn rất nhiều thời gian và công sức. Đối với một điểm đường
chuyền cấp 1chungs ta phải đo góc 3 vòng theo hai chiều đảo thuận ống kính, đo

cạnh theo hai chiều thuận nghịch; một ca đo cần có ít nhất là 4 người thực hiện.
• Đối với việc thành lập lưới khống chế độ cao
Chúng ta phải dẫn độ cao tới tất cả các điểm trên tuyến khống chế mặt
bằng.Để đảm bảo độ chính xác khống chế trên thực tế chúng ta đang áp dụng việc
dẫn độ cao bằng thủy chuẩn hình học. Thực hiện theo phương pháp này thường gặp

-

phải những khó khăn như sau:
Thông thường dọc theo bờ sông, hồ thì hệ thống giao thông là không thuận lợi, do
đó công tác dẫn tuyến gặp rất nhiều khó khăn trong công việc đi lại có rất nhiều
trường hợp phải chui rúc, luồn lách và bố trí cạnh đo rất ngắn, từ đó làm tăng số

-

lượng trạm đo, ảnh hưởng lớn đến tiến độ công việc và độ chính xác đo lưới.

Việc thủy chuẩn vượt sông là trường hợp thường xuyên gặp phải, để thực hiện điều
này thường gặp rất nhiều khó khăn và có trường hợp không thực hiện được phải dẫn

đi vòng mất rất nhiều thời gian và công sức.
• Đối với đo việc đo vẽ chi tiết
Đối với địa hình vùng sông hồ và ven biển, trong diện tích đo vẽ thường bao
gồm hai phần, phần trên bờ và phần dưới nước. Trong khuôn khổ đề tài nghiên cứu

10


này, chúng em tập trung đề cập đến phần đo vẽ địa hình dưới nước. Trong thực tế
sản xuất hiện nay, công tác đo vẽ địa hình dưới nước thường gặp phải những khó

-

khăn:
Việc bắt tín hiệu gương là rất khó khăn (Vì thuyền chòng chành vì sóng, gió, dòng

-

chảy…)
Việc đo độ sâu đúng với thời điểm máy bắt được tín hiệu gương là rất khó. Nếu
không đo độ sâu được đúng thời điểm thì có thể thuyền sẽ bị trôi đi nơi khác và khi

-

ấy vị trí điểm đo sâu và vị trí dựng gương sẽ không khớp nhau.
Khi máy và gương cách xa nhau trong điều kiện dưới nước thì việc liên lạc giữa

-

người đo và người đi gương cũng gặp nhiều khó khăn
Đối với địa hình sông, hồ thì thường xuyên gặp phải trường hợp tia ngắm bị vướng,

-

phải chuyển máy nhiều trạm trong phạm vi hẹp.
Đối với vùng ven biển, khả năng đo khoảng cách của máy là hạn chế, trường hợp
phạm vi đo vẽ vượt ra ngoài tầm đo của máy thì không thể thực hiện được. Bên
cạnh đó, nếu gần bờ có nhiều thực phủ, bờ biển nông thì các tàu đo không thể vào
được, khả năng thông hướng của máy toàn đạc bị hạn chế rất nhiều.
Những khó khăn trên ảnh hưởng rất nhiều đến chất lượng sản phẩm, tốn nhiều
thời gian và ảnh hưởng lớn đên tiến độ thực hiện công việc.
Từ những đặc điểm nêu trên thôi thúc những người làm công tác trắc địa phải
nghiên cứu để tìm ra giải pháp hợp lý cho việc đo vẽ địa hình dưới nước vùng sông
hồ và ven biển.

CHƯƠNG 2

11


KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG CỦA CÔNG NGHỆ GNSS TRONG ĐO ĐẠC
THÀNH LẬP BẢN ĐỒ ĐỊA HÌNH DUỚI NƯỚC KHU VỰC ĐÊ LIÊN MẠC
– SÔNG HỒNG
2.1 Cấu trúc của hệ thống GPS
Hệ thống định vị toàn cầu có tên đầy đủ là Navigation Satellile And Ranging
Global Positioning system (NAVTAR GPS) được bắt đầu triển khai từ những năm
1970 do quân đội Mỹ chủ trì. Lúc đầu hệ thống này chỉ dung cho mục đích quân sự.

Theo sự phân bố không gian người ta chia hệ thống GPS thành 3 phần gọi là đoạn

-

(segment).
Đoạn không gian (Space segment)
Đoạn điều khiển ( Controll segment)
Đoạn sử dụng (User segment)
2.1.1. Đoạn không gian (Space segment)

Hình 2.1 Vệ tinh và quỹ đạo vệ tinh GPS
Đoạn không gian, theo lý thuyết gồm 24 vệ tinh chuyển động trên 6 mặt phẳng
quỹ đạo. Vệ tinh chuyển động ở độ cao khoảng 20200km. Mặt phẳng quỹ đạo
nghiêng so với mặt phẳng xích đạo Trái Đất một dóc 55 0 mỗi quỹ đạo của mỗi vệ
tinh cách nhau 600 kinh.Chu kỳ chuyển động của vệ tinh là 12h đồng hồ.
2.1.2. Đoạn điều khiển (Controll segment)

12


Hình 2.2 Sơ đồ vị trí các trạm theo dõi và trạm điều khiển GPS
Sau đó các thông tin này được chuyển lên các vệ tinh, từ đó chuyển đến các
máy thu của người sử dụng. Như vậy nhiệm vụ của đoạn điều khiển là rất quan
trọng, không chỉ điều khiển theo dõi mọi hoạt động của các vệ tinh mà còn liên tục
cập nhật để chính xác hóa các thông tin đạo hàng, đảm bảo độ chính xác khi định vị.
2.1.3. Đoạn sử dụng (User segment)
Đoạn sử dụng bao gồm tất cả các máy móc, thiết bị thu nhận thông tin từ vệ
tinh để khai thác sử dụng cho mục đích và yêu cầu khác nhau ở cả trên biển, trên
không và trên đất liền. Một số bộ phận :
* Phần cứng: Phần cứng bao gồm máy thu mạch điện tử, các bộ dao đọng tần

số vô tuyến RF (Radio Frequency), các ăng ten và các thiết bị ngoại vi cần thiết để
máy thu hoạt động (ví dụ nguồn điện…).
* Phần mềm: Bao gồm các chương trình xử lý dữ liệu thu được từ vệ tinh. Ví
dụ chuyển đổi tín hiệu thu được thành những thông tin định vị hoặc dẫn đường…
Những chương trình này cho phép người sử dụng tác động khi cần để có thể lợi
dụng được những ưu điểm của nhiều đặc tính định vị GPS.Những chương trình này
có thể sử dụng được trong điều kiện ngoại nghiệp và được thiết kế sao cho có thể
cung cấp những thông báo về trạng thái và sự tiến bộ của hệ thống tới người điều
hành. Ngoài ra trong phần mềm còn bao gồm những chương trình phát triển tính
độc lập của máy thu GPS, có thể đánh giá được các nhân tố như tính sẵn sang của
vệ tinh và mức độ tin cậy của độ chính xác.
* Phần triển khai công nghệ: Hướng tới mọi lĩnh vực liên quan đến GPS
như: cải tiến thiết kế máy thu, phân tích và mô hình hóa hiệu ứng của ăng ten khác
nhau, hiệu ứng truyền sóng và sự phối hợp của chúng trong phần mềm xử lý số liệu,

13


phát triển các hệ thống liên kết truyền thông một cách tin cậy cho các hoạt đông
định vị GPS cự py dài và ngắn khác nhau và theo dõi các xu thế phát triển trong
lĩnh vực giá cả và hiệu suất của thiết bị.
2.2. Các đại lượng đo GPS
Trị đo GPS là những số liệu mà máy thu nhận được tín hiệu của vệ tinh truyền
tới. Mỗi vệ tinh GPS phát 4 thông tin cơ bản dung cho việc đo đạc và được chia
thành hai nhóm:

- Nhóm trị đo code: C/A code và P code.
- Nhóm trị đo pha: Đo pha sóng tải L1 L2 và tổ hợp L1/L2.

14

2.2.1. Đo khoảng cách giả theo pha sóng tải
Việc đo khoảng cách giả theo pha sóng tải được thực hiện như sau: Máy thu
GPS thu tín hiệu GPS và đo hiệu số giữa pha của sóng tải của vệ tinh với pha của
tín hiệu do chính máy thu tạo ra.
Kí hiệu ϕS (t)là pha của sóng tải thu được ở tần số fS và (t) là pha sóng tải được
tạo ra trong máy thu ở tần số fR.
Ta có:(t)=

(2.1)

ϕ R (t ) = f R .t − ϕ 0R

ρ

Trong đó:

- Khoảng cách hình học từ máy thu đến vệ tinh

C – vận tốc ánh sang, = 3.108
Pha ban đầu của sóng tải của vệ tinh và của sóng tải máy thu ϕ 0S , ϕ 0R chịu ảnh
hưởng của sai số đồng hồ ∆tS, ∆tR:

ϕ0S = f S .∆t S

1
2

ϕ0R = f R .∆t R

(2.2)

Sự khác biệt giữa các tần số fS, fR so với tần số chấp nhận f là rất nhỏ. Do đó
hiệu số pha của chúng là:

 ρ
ϕ RS (t ) = ϕ S (t ) − ϕ R (t ) = f S  t −  − f R .t − ϕ 0S − ϕ 0R
 c
⇒

ϕ RS ' (t ) = − f
(∆t =

ρ
− f .∆ t
c

(2.3)

∆ t S = ∆ tR )

Đồng thời hiệu pha được viết:
ϕ RS (t ) = ∆ ϕ + N = − Φ + N

Trong đó:

(2.4)

∆ ϕ : Số lẻ hiệu pha đo được

N: Số nguyên lần chu kỳ

Kết hợp (2.3) và (2.4) ta được:

1
c
ρ = ∆t + N
Φ= λ
λ

(2.5)

15


(λ: bước sóng của sóng tải)
Từ hiệu pha này, dễ dàng xác định được khoảng cách giả từ máy thu tới vệ
tinh. Đo cạnh theo pha của sóng tải có thể đạt được độ chính xác cỡ 1% độ dài bước
sóng, tức là cỡ 1.9mm với sóng tải L1, với sóng tải L2 thì kém hơn nhưng tác dụng
chủ yếu của nó là kết hợp với sóng tải L1 để làm giảm ảnh hưởng của tầng điện li
đến độ chính xác xác định cạnh, đồng thời xác định số nguyên đa trị N đơn giản
hơn.
2.2.2 Đo khoảng cách giả theo mã (Code)
Trong phương pháp này, mã tựa ngẫu nhiên được phát đi từ vệ tinh tới máy
thu GPS, máy thu tín hiệu vệ tinh và cũng phát ra mã tương tự. Sau đó máy thu so
sánh mã thu được từ vệ tinh với mã của máy thu tạo ra để xác định ra thời gian lan
truyền của tín hiệu vệ tinh. Từ đó tính ra được khoảng cách từ máy thu tới vệ tinh
theo công thức:
R = c(t - ∆t) = ρ + c. ∆t

(2.6)

2.2.3 Đo khoảng cách giả theo tần số Doppler
Theo phương phỏp này, khi vệ tinh phỏt đi tần số f 0, mỏy thu thu được tần số
fr, hiệu tần số của chỳng chớnh là tần số Doppler:
∆f = f0 - fr

(2.7)

Đồng thời ∆f lại được xác định theo công thức:

∆f = − f0

ρ
c

(2.8)

ρ - vận tốc khoảng cỏch tức thời.

dρ
dt
Ta có phương trình biểu thị tốc độ khoảng cách:

ρ=

R = λ .Φ = ρ + c.∆ t

(2.9)

(2.10)

Từ đây ta xác định được khoảng cách giả từ máy thu tới vệ tinh.
2.3. Các nguồn sai số trong đo GPS

16


Cũng như bất kỳ phương pháp đo đạc nào khác, việc định vị điểm bằng hệ
thống GPS cũng chịu ảnh hưởng của nhiều nguồn sai số khác nhau, trong đó phải kể
đến là:
2.3.1. Ảnh hưởng của tầng Ion
Tầng ion trong khí quyền là lớp khí quyển có độ cao trên 50km. Sóng điện từ
qua tầng ion bị tán sắc gây nên sự trễ tín hiệu.ảnh hưởng của sự trễ tín hiệu này
thông thường khoảng 20 - 30 m vào ban ngày và 3 - 6m vào ban đêm.
Sự trễ tín hiệu do ảnh hưởng của tầng ion của tín hiệu từ một vệ tinh GPS đến
hai máy thu GPS có khoảng cách nhỏ (khoảng dưới 40km) là tương đối giống nhau.
Nguyên nhân là khi đó có thể coi tín hiệu truyền từ vệ tinh GPS tới hai máy thu
được truyền qua cùng một môi trường ion. Đối với các máy thu cách xa nhau thì sự
sai khác về trễ tín hiệu cũng tăng lên.
Để giảm bớt sự trễ tín hiệu, vệ tinh GPS có phát đi các hệ số mô hình hoá tầng
ion để các máy thu GPS sử dụng tính ảnh hưởng của sự trễ tín hiệu. Tuy vậy, các
mô hình khí quyển cũng chỉ là gần đúng, do vậy vẫn tồn tại sự trễ tín hiệu do ảnh
hưởng của tầng ion.
Hệ số tán sắc của tầng ion phụ thuộc vào tần số sóng điện từ. Do vậy, sử dụng
máy thu hai tần số sẽ giảm thiểu đáng kể ảnh hưởng sai số tầng ion.
2.3.2. Ảnh hưởng của tầng đối lưu
Tầng đối lưu là lớp khí quyền dưới tầng ion. Do ảnh hưởng của tính chất khúc
xạ của sóng điện từ khi truyền qua môi trường khí quyển không đồng nhất gây nên
hiện tượng trễ tín hiệu. Hệ số chiết quang tiêu biểu cho tầng đối lưu là 1.0030, xong

do ảnh hưởng của nhiệt độ, độ ẩm và áp suất khác nhau hệ số này luôn thay đổi gây
nên sự không đồng nhất trong môi trường truyền sóng. ảnh hưởng của tầng đối lưu
đến sai số trễ tín hiệu GPS phụ thuộc vào góc ngưỡng cao (Elevation angle) của tín
hiệu vệ tinh. Đối với góc ngưỡng thấp dưới 3 0 sai số trễ tín hiệu có thể lên tới 30m,
góc ngưỡng càng cao thì sai số càng giảm dần. Sự khác nhau về hệ số chiết quang
của vùng có thể tạo ra sự khác nhau về độ trễ tín hiệu đối với hai máy thu GPS cách
xa nhau tới 1 - 3m.
Sai số do ảnh hưởng của tầng đối lưu có thể giảm nhỏ bằng cách đặt góc
ngưỡng cao trong các máy thu GPS, sử dụng các mô hình khí quyển thích hợp.
2.3.3. Sai số quỹ đạo vệ tinh

17


Mỗi vệ tinh GPS theo thiết kế sẽ chuyển động theo một quỹ đạo nhất định.
Tuy vậy do nhiều yếu tố kỹ thuật, các vệ tinh không thể bay đúng hoàn toàn theo
quỹ đạo thiết kế. Do vậy, quỹ đạo vệ tinh (lịch vệ tinh) được thông báo trong tín
hiệu vệ tinh sẽ không đúng hoàn toàn với quỹ đạo thực tế của vệ tinh. Sai số quỹ
đạo vệ tinh là sự chênh lệch giữa toạ độ thực tế của vệ tinh với toạ độ được tính
theo thông báo lịch vệ tinh.
Sai số về quỹ đạo vệ tinh nói chung rất nhỏ và hàng ngày đều được cải chính
lại ít nhất một lần. Sai số này thường nhỏ hơn 3m.
2.3.4. Sai số do đồng hồ vệ tinh
Là sai số về giờ thật của đồng hồ vệ tinh so với giờ thông báo trong tín hiệu vệ
tinh. Các máy định vị GPS phải căn cứ vào giờ vệ tinh thông báo và giờ theo đồng
hồ máy thu GPS để định vị (tính khoảng cách Pseudorange) vì vậy sai số đồng hồ
vệ tinh sẽ gây nên sai số xác định khoảng cách (Pseudorange), tức là gây nên sai số
định vị.
Sai số về đồng hồ vệ tinh cũng luôn được cải chính lại bằng tín hiệu phát đi từ
trạm Master Control trên mặt đất.

2.3.5. Sai số của đồng hồ máy thu GPS
Cũng tương tự như sai số của đồng hồ vệ tinh. Sai số đồng hồ máy thu tạo nên
sai số Pseudorange tức là tạo nên sai số định vị của máy thu GPS.
2.3.6. Hiện tượng đa đường dẫn (Multipath)
Hiện tượng đa tuyến là hiện tượng phản xạ tín hiệu GPS từ mặt đất tới antena
máy thu GPS khi góc ngưỡng của vệ tinh thấp.
Hiện tượng này có thể tránh được khi loại bỏ các vệ tinh có góc ngưỡng nhỏ
(nhỏ hơn 100 - 150) và sử dụng antena có đĩa che tia phản xạ.
2.3.7. ảnh hưởng của bình đồ vệ tinh.
Độ chính xác định vị bằng GPS phụ thuộc vào vị trí hình học tương quan giữa
các vệ tinh đối với máy thu GPS định vị theo một chùm vệ tinh. Chỉ số đánh giá sự
cân đối vị trí tương quan của các vệ tinh đối với máy thu GPS được gọi là DOP
(Dilution Of Precision). Chỉ số này được gọi là sự phân tán độ chính xác.
Chỉ số DOP càng cao thì độ chính xác càng thấp.Chỉ số tối ưu của DOP là nhỏ
hơn 2.5.Chỉ số DOP cho phép nhỏ hơn 4.
2.4. Các phương pháp đo GPS

18


2.4.1. Đo GPS tuyệt đối
Là kỹ thuật xác định toạ độ của điểm đặt máy thu tín hiệu vệ tinh trong hệ toạ
độ toàn cầu WGS - 84. Kỹ thuật định vị này là việc tính toán toạ độ của điểm đo
nhờ việc giải bài toán nghịch không gian dựa trên cơ sở khoảng cách đo được từ các
vệ tinh tại thời điểm đo. Do nhiều nguồn sai số nên độ chính xác vị trí điểm thấp,
không dùng được cho việc đo đạc chính xác, dùng chủ yếu cho việc dẫn đường, và
các mục đích đo đạc có yêu cầu độ chính xác không cao. Đối với phương pháp này
chỉ sử dụng một máy thu thu tín hiệu vệ tinh. Sơ đồ nguyên lý, hình 2.4.

Hình 2.3. Sơ đồ định vị tuyệt đối đo khoảng cách giả

Định vị tuyệt đối có thể sử dụng các trị đo khoảng cách giả theo code, trị đo
khoảng cách giả theo pha sóng tải hoặc theo tần số Doppler.

19


1. Định vị tuyệt đối bằng khoảng cách giả theo code
Khoảng cách giả code tại thời điểm t được biểu diễn bởi biểu thức sau
Ri j (t ) = ρ i j (t ) + c.∆ δ i j (t )

(2.11)

Trong đó:

R ij (t ) : Khoảng cách giả đo được giữa vị trí quan trắc i và vệ tinh j
ρ i j (t ) : Khoảng cách hình học giữa vệ tinh và điểm quan sát
∆ δ i j (t ) :Sai số đồng hồ

c: Vận tốc ánh sáng
Sai số đồng hồ bao gồm tổng hợp của đồng hồ vệ tinh và đồng hồ máythu xét
theo hệ thống giờ GPS.
Trong biểu thức (2.11) ta có biểu diễn khoảng cách hình học qua toạ độ của vệ
tinh và máy thu tại thời điểm (t).

[

] [

] [

2

]

2

2

ρ i j (t ) = X j (t ) − X 1 + Y j (t ) − Yi + Z j (t ) − Z i
(2.12)
j
j
j
Trong đó: X (t), Y (t); Z (t) là các thành phần vectơ vị trí địa tâm của vệ tịnh tại
thời điểm t. Xi; Yi; Zi là toạ độ cần xác định điểm quan sát trong hệ toạ độ trái đất.
Sai số đồng hồ ∆ δ ji(t ) sẽ được phân tích rõ hơn trong những yếu tố cấu thành.
Thông tin về các đồng hồ vệ tinh luôn biết và được phát đi rộng rãi theo thông tin
đạo hàng dưới dạng các hệ số của đa thức a 0, a1, a2 tại thời điểm t0. Để xác định sai
lệch

đồng

hồ

vệ

tinh

δ j (t ) = a0 + a1 ( t − t 0 ) + a 2 ( t − t 0 )

tại

thời

điểm

t

ta

tính

theo

công

thức:

2

(2.13)
Trong công thức (2.13) đã cho phép tính toán hiệu chỉnh được phần lớn sai số

đồng hồ vệ tinh song vẫn còn lại một phần sai số nhỏ.
Sai số đồng hồ ∆ δ i j (t ) có thể được chia làm hai phần như nhau:

∆ δ i j (t ) = δ j (t ) − δ i(t )

(2.14)
Trong đó: Phần liên quan đến đồng hồ vệ tinh được xác định theo (2.13), còn

phần liên quan đến đồng hồ máy thu δ i (t ) là ẩn số. Thay (2.14) vào (2.11) ta có

Ri j (t ) = ρ i j (t ) + c(δ j (t ) − δ i (t ))
20

(2.15)


Nếu xét tại một thời điểm t nhất định, thì trong các phương trình trị đo chỉ có 4
ẩn số đó là toạ độ Xi, Yi, Zicủa điểm quan sát và sai lệch đồng hồ máy thu

δ i (t ) .

Bốn ẩn số này hoàn toàn có thể giải ngay nếu như đồng thời quan sát được 4 vệ
tinh, hình 2.4.
Định vị tuyệt đối có thể thực hiện đối với khoảng cách giả theo C/A code và
khoảng cách giả theo P-code. Độ chính xác của định vị tuyệt đối phụ thuộc nhiều
nguồn sai số, trong đó ảnh hưởng của sai số quỹ đạo vệ tinh gần như trọn vẹn đến
kết quả định vị. Do nhiều nguồn sai số ảnh hưởng đến kết quả đo vì vậy định vị
tuyệt đối chỉ thoả mãn cho các yêu cầu đạo hàng, và các công tác đo đạc không yêu
cầu độ chính xác cao.
2. Định vị tuyệt đối bằng pha sóng tải
Khoảng cách giả có thể nhận được từ các trị đo pha sóng tải. Mô hình toán
học của các trị đo này như sau:

φ i j (t ) =

1 j
ρ i (t ) + N i j + f j .∆ δ i j (t )

λ

(2.16)

Trong đó: φ i j (t ) là pha sóng tải đo được, λ là bước sóng và ρ i j (t ) là khoảng cách
hình học từ điểm quan sát đến vệ tinh như trong mô hình khoảng cách giả theo
code. Số đa trị pha độc lập tức thời N i j là số nguyên, và thường gọi là số nguyên đa
trị (cần xác định). Ký hiệu

f j là tần số của tín hiệu vệ tinh và

∆ δ i j (t ) là tổng hợp độ

sai đồng hồ vệ tinh và đồng hồ máy thu.
Sau khi thay (2.14) và (2.16) ra được mô hình sóng tải:

φ i j (t ) =

1 j
ρ i (t ) + N i j + f j (δ j (t ) − δ i (t ))
λ

Trong biểu thức trên độ sai đồng hồ vệ tinh

(2.17)

δ j (t ) đã biết. Trong trường hợp

này mô hình khoảng cách pha tương đương với mô hình khoảng cách code khi số
lượng vệ tinh quan sát đồng thời lớn hơn 4.

2.4.2. Đo GPS vi phân (DGPS)

21


Là phương pháp đo GPS sử dụng nguyên lý định vị tuyệt đối, dùng trị đo code
và trị đo pha sóng tải. Nội dung của phương pháp là dùng 2 trạm đo trong đó có một
trạm gốc (Base Station) có toạ độ biết trước và một trạm đo tại các điểm cần xác
định toạ độ (Rover Station). Trên cơ sở độ lệch về toạ độ đo so với toạ độ đã biết
của trạm gốc để hiệu chỉnh vào kết quả đo cho các trạm di động theo nguyên tắc
đồng ảnh hưởng, sơ đồ nguyên lý như hình 2.5.

22


2.4 Sơ đồ nguyên lý đo DGPS
1. Phương pháp cải chính toạ độ
Theo phương pháp này số cải chính phân sai là hiệu số toạ độ (hiệu kinh độ, vĩ
độ và độ cao: ∆B, ∆L, ∆H) đã biết và toạ độ tính được theo trị đo GPS tại trạm
Base.
2. Phương pháp cải chính cự ly
Số cải chính phân sai là hiệu khoảng cách thật từ vệ tinh tới tâm điểm anten
của máy thu GPS tại trạm Base và khoảng cách giả tới các vệ tinh tính được tại trạm
Base.
Tuỳ theo cách xử lý, ta có 2 phương pháp tính số cải chính phân sai.
- Phương pháp DGPS xử lý sau (Post prosessing)
Theo phương pháp này, số liệu đồng thời thu tín hiệu các vệ tinh giống nhau,
trong cùng một khoảng thời gian tại trạm Base và trạm Rover được lưu lại và số cải
chính phân sai cùng với toạ độ đã được cải chính phân sai của trạm Rover được tính
toán sau khi đo xong.

Như vậy tọa độ tức thời (đã được cải chính phân sai) không được tính toán
trong phòng sau khi đo. Chính vì lý do đó nên phương pháp này ít được áp dụng.
- Phương pháp xử lý DGPS thời gian thực (Realtime DGPS)
3. Độ chính xác và tầm hoạt động của hệ thống DGPS
Tuỳ thuộc vào các thiết bị, cách thức thu tín tiệu vô tuyến, tầm hoạt động ta
phân biệt các trường hợp áp dụng công nghệ DGPS [7].
- DGPS tầm ngắn: thiết bị thu tín hiệu vô tuyến ở dải tần VHF, có tầm hoạt
động khoảng 60km. Độ chính xác định vị theo chế độ Realtime DGPS đạt 0.5 1.0m.
- DGPS tầm trung: BEACON DGPS sử dụng các trạm tĩnh (BEACON) được
xây dựng cố định, trên đó đặt các máy thu GPS và các thiết bị phát sóng Radiolink
ở dải tần số từ 238.5KH Z đến 325KHZ. Tầm hoạt động của trạm tĩnh tuỳ thuộc vào
công suất thiết bị phát sóng Radiolink nằm trong khoảng từ 200km đến 500km. Độ
chính xác đạt cỡ 1 - 5m tuỳ thuộc vào khoảng cách đến trạm tĩnh.
2.4.3. Phương pháp đo GPS hiệu chỉnh toàn cầu Gc - GPS
Công nghệ đo GPS hiệu chỉnh toàn cầu (Gobally Corrected - GPS) do hai
công ty C&C Technologies và công ty Navcom Technology chế tạo, hình 2.6. Ưu
điểm của phương pháp này là khi đo đạc chỉ cần một máy thu GPS, không cần trạm
Base, do đó mà tầm hoạt động của máy không bị hạn chế, có thể đo cách xa bờ và
độ chính xác định vị trên biển không phụ thuộc vào vị trí tầu đo. Về bản chất

23


phương pháp đo Gc-GPS cũng tương tự như phương pháp định vị vi phân DGPS.
Tuy nhiên phương pháp tính số hiệu chỉnh vào kết quả đo GPS tại trạm di động
được thực hiện trên phạm vi toàn cầu với một mạng lưới các điểm tham chiếu cơ sở
được xác định trên toàn thế giới. Tại mỗi vị trí tham chiếu người ta tiến hành theo
dõi toàn bộ nhóm vệ tinh quan sát được và liên tục gửi số liệu thô tới hai mạng chủ
xử lý độc lập tức thời (Network processing hubs - NPHs). NPHs nhận dư liệu thô,
tính toán quỹ đạo vệ tinh và các số hệu chỉnh đồng hồ cho mỗi vệ tinh trong nhóm

quan sát được. Các số hiệu chỉnh này được gửi lên các vệ tinh các vệ tinh viễn
thông Inmarsat và từ đây các số hiệu chỉnh được truyền đến người sử dụng ở bất kỳ
nơi nào trên thế giới thông qua các thông điệp hợp lệ. Trước khi thu tín hiệu bằng
phương pháp Gc-GPS thì phải đăng ký và được hãng sản xuất thiết bị cung cấp cho
một mã hiệu chỉnh nhập vào phần mềm chuyên dụng kèm theo thiết bị.
Như vậy, khi sử dụng công nghệ đo Gc-GPS hiệu chỉnh toàn cầu chỉ cần một
máy thu GPS là có thể xác định được toạ độ của các điểm ở bất vị trí nào trên trái
đất mà không cần đến trạm cố định (trạm Base), độ chính xác đạt cỡ 0.25-1m. Với
tính ưu việt đó, công nghệ Gc-GPS rất thích hợp cho các dạng công tác đo đạc định
vị trên biển tại những vùng cách xa bờ mà trước đây các phương pháp đo GPS khác
không thực hiện được.
2.4.4. Đo GPS tương đối

24


SA B

A

B

Hình 2.5.Sơ đồ định vị tương đối
Trên hình 2.7, A ký hiệu là điểm đã biết toạ độ (điểm tham chiếu), B là điểm
chưa biết và SAB là vectơ baseline. Các vectơ vị trí XA và XB có mối liên hệ như sau:
XB = XA = SAB

(2.18)

Từ đó ta có thể viết:

S AB

 X B − X A   ∆ X AB 
= YB − YA  =  ∆ YAB 
 Z B − Z B   ∆ Z AB 

(2.19)

Hiệu toạ độ trong (2.19) được xác định trong hệ WGS - 84.
Định vị tương đối cho kết quả tốt nhất nếu quan trắc được thực hiện đồng thời
tai cả hai điểm tham chiếu và điểm cần xác định. Các trị quan trắc đồng thời tại hai
điểm A và B đối với vệ tinh i và j cho ta các tổ hợp tuyến tính dưới dạng sai phân
bậc nhất, sai phân bậc hai, sai phân bậc ba.Thông thường trong các phần mềm xử lý
người ta sử dụng kỹ thuật sai phân.
- Sai phân bậc nhất (Single differences)
Chúng ta xét 2 quan điểm quan sát và 1 vệ tinh. Ký hiệu hai điểm đặt máy thu
GPS là 1 và 2 dùng quan sát vệ tinh j, hình 2.8.
Theo các phương trình pha, đối với hai điểm quan sát ta có hai phương trình:

1 j
ρ 1 (t ) + N 1j − f j .δ 1 (t )
λ
1
φ 2j (t ) − f j .δ j (t ) = ρ 2j (t ) + N 2j − f j .δ 2(t )
λ

φ1j (t ) − f j .δ j (t ) =

(2.20)

j

1

2

Hình 2.6 Phương pháp xác định sai phân bậc nhất

25