Nghiên cứu phương pháp xử lý số liệu GPS kết hợp GLONASS trong thành lập lưới trắc địa

Khoa: Trắc địa – Bản đồ

Đồ án tốt nghiệp

MỤC LỤC

SV: Tống Mạnh Cường

Lớp: ĐH1TĐ2


Khoa: Trắc địa – Bản đồ

Đồ án tốt nghiệp

DANH MỤC BẢNG

SV: Tống Mạnh Cường

Lớp: ĐH1TĐ2


Khoa: Trắc địa – Bản đồ

Đồ án tốt nghiệp

DANH MỤC HÌNH

SV: Tống Mạnh Cường

Lớp: ĐH1TĐ2

Khoa: Trắc địa – Bản đồ

Đồ án tốt nghiệp

LỜI NÓI ĐẦU
Hiện nay có nhiều phương pháp để thành lập lưới trắc địa nhưng sử dụng
công nghệ định vị vệ tinh là phương pháp phổ biến nhất. So với các phương
pháp truyền thống, phương pháp này giúp ta tiết kiệm được thời gian, không
phải thông hướng nhiều, tăng năng suất lao động và mang lại hiệu quả kinh tế
cao.
Ở nước ta, công nghệ định vị vệ tinh trên cơ sở Hệ thống định vị toàn
cầu GPS (Global Positioning System) của Hoa Kì đã có những bước phát
triển mạnh mẽ và được ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực trắc địa - bản đồ nói
chung, trong thành lập lưới khống chế nói riêng. Nhưng trong một số trường
hợp, khả năng ứng dụng công nghệ này vẫn còn gặp nhiều khó khăn, ví dụ
như: trường hợp thành lập lưới khống chế ở những nơi bị hạn chế về điều kiên
thông thoáng, những trường hợp mà điều kiên tự nhiên không cho phép quan
sát những vệ tinh có góc ngẩng thấp. Tình huống này thường gặp đối với yêu
cầu thành lập lưới ở đô thị, khu đông dân cư,... Khi đó, số lượng vệ tinh GPS
quan sát được sẽ giảm đáng kể và ảnh hưởng đến độ tin cậy, độ chính xác xác
định tọa độ của điểm đo.
Trong khi đó, cùng với sự phát triển của Hệ thống vệ tinh định vị GPS
của Hoa Kì, Hệ thống vệ tinh định vị GLONASS (Global Navigation Satellite
System) của Nga cũng đã được đầu tư, phát triển và không ngừng hoàn thiện.
Cho đến nay, Hệ thống GLONASS đã có đủ số lượng vệ tinh theo thiết kế và
có thể thực hiện đầy đủ các chức năng của một hệ thống vệ tinh định vị. Từ
đó, mở ra khả năng kết hợp quan trắc các vệ tinh định vị GLONASS với các
vệ tinh GPS trong thành lập lưới trắc địa để nâng cao độ tin cậy, độ chính xác

xác định tọa độ, đặc biệt trong các trường hợp số lượng vệ tinh GPS quan trắc
được bị hạn chế. Chính vì vậy, em đã chọn đề tài: “Nghiên cứu phương

SV: Tống Mạnh Cường

4

Lớp: ĐH1TĐ2


Khoa: Trắc địa – Bản đồ

Đồ án tốt nghiệp

pháp xử lý số liệu GPS kết hợp GLONASS trong thành lập lưới trắc địa”
để thực hiện đồ án tốt nghiệp.
Kết cấu của đồ án, ngoài phần mở đầu và kết luận, gồm có 3 chương
chính:
Chương 1. Khái quát chung về công nghệ định vị vệ tinh GPS và
GLONASS;
Chương 2. Phương pháp xử lý dữ liệu đo GPS và GLONASS bằng phần
mềm TBC;
Chương 3. Tính toán thực nghiệm bằng phần mềm TBC.
Do trình độ chuyên môn có hạn và nguồn tài liệu còn hạn chế, nên cuốn
đồ án còn nhiều thiếu sót, rất mong được sự đóng góp ý kiến của các thầy cô
và các bạn đồng nghiệp để cuốn đồ án được hoàn thiện hơn.
Em xin chân thành cảm ơn sự hướng dẫn tận tình, chu đáo của các thầy
cô trong Khoa Trắc địa – Bản đồ và các cán bộ Cục Bản đồ/Bộ Tổng Tham
Mưu, đã giúp em hoàn thành cuốn đồ án này. Tôi xin chân thành cám ơn
những đóng góp ý kiến của các bạn bè đồng nghiệp trong quá trình làm đồ án.

SV: Tống Mạnh Cường

5

Lớp: ĐH1TĐ2


Khoa: Trắc địa – Bản đồ

Đồ án tốt nghiệp

CHƯƠNG 1. KHÁI QUÁT CHUNG
VỀ CÔNG NGHỆ ĐỊNH VỊ VỆ TINH GPS VÀ GLONASS
1.1 Cấu tạo chung của các hệ thống vệ tinh định vị

Trên thế giới hiện nay có nhiều hệ thống vệ tinh định vị nhưng chúng
đều có cấu tạo chung gồm ba đoạn:
- Đoạn không gian bao gồm các vệ tinh nằm trên quỹ đạo xoay quanh trái đất.

Chúng chuyển động ổn định và quay hai vòng quỹ đạo trong gần 24 giờ. Các
vệ tinh trên quỹ đạo được bố trí sao cho các máy thu trên mặt đất có thể nhìn
thấy tối thiểu 4 vệ tinh vào bất kì thời điểm nào;
- Đoạn điều khiển. Chức năng của đoạn này là kiểm soát để vệ tinh đi đúng theo

quỹ đạo và thông tin thời gian chính xác. Các trạm dưới mặt đất nhận tín hiệu
liên tục từ những vệ tinh và gửi các thông tin này đến trạm trung tâm của hệ
thống định vị. Tại trạm kiểm soát trung tâm,nó sẽ sửa lại dữ liệu cho đúng và
kết hợp với an-ten khác để gửi lại thông tin cho các vệ tinh;
- Đoạn sử dụng là các thiết bị nhận tín hiệu từ vệ tinh và người sử dụng thiết bị

này.
1.2 Hệ thống vệ tinh định vị GPS

1.2.1 Lịch sử phát triển
Bộ Quốc phòng Mỹ là cơ quan thiết kế và điều khiển hệ thống định vị
toàn cầu GPS. Trong nhóm những người tham gia điều hành dự án GPS của
Bộ Quốc phòng Mỹ cần kể tới sự đóng góp to lớn của TS. Ivan Getting, người
sáng lập The Aerospace Corporation và TS. Bradford Parkinson, chủ tịch hội
đồng quản trị của The Aerospace Corporation. Bảng 1.1 trình bày tóm tắt niên
biểu những sự kiện liên quan tới lịch sử phát triển GPS.

SV: Tống Mạnh Cường

6

Lớp: ĐH1TĐ2


Khoa: Trắc địa – Bản đồ

Thời gian
Thập niên
1920s

Đồ án tốt nghiệp

Bảng1.1 Niên biểu lịch sử phát triển GPS
Sự kiện
Ra đời hệ thống dẫn đường vô tuyến.

LORAN, hệ thống dẫn đường áp dụng phương pháp đo độ lệch thời

Đầu Đại

gian của tín hiệu sóng vô tuyến, do Phòng thí nghiệm Bức xạ Đại

chiến thế

học MIT (MIT Radiation Laboratory). LORAN cũng là hệ thống

giới 2

định vị trong mọi điều kiện thời tiết thực sự đầu tiên, nhưng hai
chiều (vĩ độ và kinh độ).
Vệ tinh Sputnik của Nga được phóng lên vũ trụ. Đại học MIT cho

1957

rằng tín hiệu vô tuyến điện của vệ tinh có thể tăng lên khi chúng
tiếp cận trái đất và giảm đi khi rời khỏ trái đất và do vậy có thể truy
theo vị trí từ mặt đất.
TRANSIT, hệ thống dẫn đường dựa trên vệ tinh hoạt động đầu tiên,
do Phòng thí nghiệm vật lý ứng dụng Johns Hopkins phát triển dưới

1959

sự chỉ đạo của TS. Richard Kirschner. Mặc dù khởi đầu Transit
được chế tạo để hỗ trợ cho đội tàu ngầm của Mỹ nhưng những công
nghệ này đã được phát triển có ích trở thành Hệ thống định vị toàn
cầu. Vệ tinh Transit đầu tiên được phóng lên vũ trụ vào năm 1959.

Hệ thống dẫn đường đo hiệu thời gian ba chiều (kinh độ, vị độ và độ
cao longitude, latitude and altitude) đầu tiên do Raytheon
Corporation đề xuất theo yêu cầu của Không lực Hoa Kì để làm hệ

1960

thống dẫn đường sẽ được sử dụng với (with a proposed ICBM) có
thể đạt tới độ lưu động bằng chạy trên một hệ thống đường ray. Hệ
thống dẫn đường được trình bày là MOSAIC (Mobile System for
Accurate ICBM Control). Ý tưởng này bị hỏng khi chương trình

1963

Mobile Minuteman bị hủy bỏ vào năm 1961.
Tổng công ty Aerospace Corporation thực hiện nghiên cứu về hệ

SV: Tống Mạnh Cường

7

Lớp: ĐH1TĐ2


Khoa: Trắc địa – Bản đồ

Đồ án tốt nghiệp

thống không gian làm cơ sở cho hệ thốn dẫn đường cho phương tiện
chuyển động nhanh theo ba chiều không gian. Việc nghiên cứu này
trực tiếp dẫn tới khái niệm về hệ thống định vị toàn cầu. Khái niệm

liên quan đến việc đo thời gian tới của tín hiệu sóng vô tuyến được
phát đi từ vệ tinh có vị trí chính xác đã biết. Đo thời gian sẽ cho
khoảng cách tới vị trí vệ tinh đã biết và lần lượt có thể xác định
được vị trí của người sử dụng.
Không lực Hoa Kì bắt đầu hỗ trợ nghiên cứu của Aerospace, chỉ
định nghiên cứu này bằng Dự án Hệ thống 621B. Khoảng năm
1963

1972, chương trình này đã biểu diễn hoạt động của một loại tín hiệu
xác định khoảng cách vệ tinh mới dựa trên tiếng ồn ngẫu nhiên giả
tạo (PRN, pseudo random noise).
Timation, hệ thống vệ tinh hải quân, được phát triển dưới sự chỉ đạo
của Roger Easton ở Phòng nghiên cứu Hải quan (Naval Research
Lab, NRL) để cải thiện đồng hồ có tính ổn định cao, khả năng

1964

truyền thời gian, và dẫn đường 2 chiều. Hoạt động của Timation
theo tiêu chuẩn thời gian chuẩn vũ trụ đã cung cấp cơ sở quan trọng
cho hệ thống định vị toàn cầu. Vệ tinh Timation đầu tiên được
phóng lên vũ trụ vào tháng 5 năm 1967.
Bộ Quốc phòng Mỹ (DoD, Department of Defence, USA) thành lập
một ủy ban gọi là Ủy ban Thự hiện Vệ tinh Dẫn đường (NAVSEC,
Navigation Satellite Executive Committee) để phối hợp nỗ lực của
các nhóm dẫn đường vệ tinh (Transit của Hải quân, Chương trình

1968

Timation, và SECOR của Quân đội, hay còn gọi là Hệ thống đồng
tương quan khoảng cách chuỗi (Sequential Correlation of Range

System). NAVSEC ký hợp đồng một số nghiên cứu để làm sáng tỏ
khái niệm dẫn đường vệ tinh cơ bản. Những nghiên cứu này về một
số vấn đề chính xung quanh khái niệm như lựa chọn tần số sóng

SV: Tống Mạnh Cường

8

Lớp: ĐH1TĐ2


Khoa: Trắc địa – Bản đồ

Đồ án tốt nghiệp

mang (dải L đối lập với dải C), thiết kế cấu trúc tín hiệu, và lựa
chọn định hình quỹ đạo vệ tinh.
NAVSEC quản lý các thảo luận khái niệm giữa các nhóm dẫn
đường vệ tinh khác nhau. APL Hải quân ủng hộ nhóm Transit mở
1969-1972

rộng, trong khi NRL Hải quân ủng hộ cho Timation mở rộng, còn
Không lực Hoa Kì thì ủng hộ cho “chòm sao đồng bộ mở rộng”, tức
dự án ‘Hệ thống 621B’.
Thứ trưởng Bộ Quốc phòng quyết định thiết lập một chương trình
hợp tác ba dịch vụ để thống nhất những khái niệm khác nhau về
định vị và dẫn đường thành một hệ thống Bộ quốc phòng hỗn hợp
gọi là Hệ thống vệ tinh dẫn đường quốc phòng (Defense Navigation

Tháng 4

năm 1973

Satellite System). Không lực Hoa Kì được chỉ định làm người quản
lý (điều hành) chương trình. Hệ thống mới được phát triển qua văn
phòng chương trình kết hợp (joint program office), với sự tham gia
của tất cả quan chủng quốc phòng. Đại tá Brad Parkinson được chỉ
định làm người chỉ đạo văn phòng chương trình kết hợp và được đặt
trọng trách phát triển kết hợp khái niệm ban đầu về hệ thống dẫn
đường dựa trên không gian (space-based navigation system).
Hệ thống đầu tiên được trình bày tới Hội đồng Thu nhận và Thẩm
định Hệ thống Quốc phòng (Defense System Acquisition and
Review Council, DSARC) bị từ chối thông qua. Hệ thống được

Tháng 8
năm 1973

trình lên DSARC được gói gọn trong Hệ thống 621B của Air Fore
và không đại diện cho chương trình kết hợp. Mặc dù có người ủng
hộ ý tưởng của hệ thống dẫn đường dựa trên vệ tinh mới nhưng Văn
phòng Chương trình Kết hợp đã được thúc đẩy khẩn trương tổng
quát hóa khái niệm bao gồm xem xét và yêu cầu tất cả các binh

17/12/1973

chủng quốc phòng.
Một khái niệm mới được trình tới DSARC và được thông qua để

SV: Tống Mạnh Cường

9

Lớp: ĐH1TĐ2


Khoa: Trắc địa – Bản đồ

Đồ án tốt nghiệp

thực hiện và cấp kinh phí là hệ thống NAVSTAR GPS, đánh dấu
khởi đầu công nhận khái niệm (ý tưởng) (Giai đoạn I của chương
trình GPS). Khái niệm mới thực sự là một hệ thống dàn xếp (thỏa
hiệp – compromise system) do Đại tá Parkinson thương lượng đã
kết hợp tốt nhất giữa tất cả những khái niệm và công nghệ dẫn
đường vệ tinh có sẵn. Cấu hình hệ thống được thông qua bao gồm
24 vệ tinh chuyển động trong những quỹ đạo nghiêng chu kỳ 12 giờ
Tháng 6
năm 1974

đồng hồ.
Hãng Rockwell International được chọn làm nhà cung cấp vệ tinh
cho chương trình GPS.
Vệ tinh NAVSTAR đầu tiên được phóng lên vũ trụ. Vệ tinh này
được chỉ định là Vệ tinh Công nghệ Dẫn đường (NTS) số 1, về cơ

Ngày 14

bản đây là vệ tịnh Timation tân trang lại do NRL đóng. Vệ tinh thứ

tháng 7 năm hai (là vệ tinh cuối cùng) của nhóm NTS được phóng vào năm
1974

1977. Những vệ tinh này được sử dụng cho việc đề xuất đánh giá
khái niệm (ý tưởng) và thực hiện những đồng hồ nguyên tử đầu tiên

1977

đã được phóng vào trong không gian (vũ trụ).
Thực hiện kiểm tra thiết bị người sử dụng ở Yuma, Arizona.
Vệ tinh Block I đầu tiên được phóng. Toàn bộ 11 vệ tinh Block I
được phóng trong khoảng thời gian 1978 và 1985 trên Atlas-

22/2/1978

Centaur. Những vệ tinh Block I do Rockwell International xây dựng
được coi là những vệ tinh mẫu phát triển được dùng để kiểm tra hệ
thống. Bị mất một vệ tinh do phóng trượt.
Phóng vệ tinh GPS đầu tiên thực hiện những bộ cảm ứng Hệ thống

26/4/1980

1982

phát hiện tiếng nổ hạt nhân hoạt động tổng hợp (Integrated
Operational Nucluear Detonation Detection System (IONDS)
sensors).
Bộ Quốc phòng thông qua quyết định giảm số vệ tinh của chòm vệ
tinh GPS từ 24 xuống 18 tiếp theo sau tái cấu tạo lại chương trình

SV: Tống Mạnh Cường

10

Lớp: ĐH1TĐ2


Khoa: Trắc địa – Bản đồ

Đồ án tốt nghiệp

chính do Quyết định 1979 của Văn phòng Thư ký Bộ Quốc phòng
gây ra để cắt giảm kinh phí 500 triệu đô la (khoảng 30%) từ ngân

14/7/1983

16/9/1983

sách cho giai đoạn năm tài chính FY81-FY86.
Phóng vệ tinh GPS đầu tiên thực hiện hệ thống dò tìm tiếng nổ hạt
nhân (NDS) mới hơn.
Theo (the Soviet downing of Korean Air flight 007), tổng thống
Reagan hứa cho GPS được sử dụng cho các máy bay dân dụng hoàn
toàn miễn phí khi hệ thống đưa vào sử dụng. Sự kiện này đánh dấu
sự bắt đầu lan tỏa công nghệ GPS từ quân sự sang dân sự.
Hợp đồng thiết bị người sử dụng chính đầu tiên được giao cho JPO.

Tháng tư

Hợp đồng bao gồm việc nghiên cứu, phát triển cũng như lựa chọn

19985

sản xuất các máy thu GPS dùng cho máy bay, tàu thủy và máy thu
xách tay (gọn nhẹ).
Bộ Quốc phòng chính thức yêu cầu Bộ Giao thông (Department of
Transport, DoT) có trách nhiệm thiết lập và cung cấp một văn

1987

phòng đáp ứng nhu cầu người sử dụng dân sự về thông tin GPS, dữ
liệu và hỗ trợ kỹ thuật. Tháng 2 năm 1989, Coast Guard có trách
nhiệm làm đại lý hướng dẫn Dịch vụ GPS Dân sự (civil GPS
service).
Khảo sát trở thành một thị trường GPS thương mại đầu bảng được
nâng cánh! Để bù cho số vệ tinh giới hạn có sẵn trong quá trình phát

1984

triển chòm vệ tinh, các nhà khảo sát đã chuyển qua số kỹ thuật nâng
cao độ chính xác bao gồm kĩ thuật GPS Vi phân (DGPS) và kỹ

3/1988
14/2/1989

thuật truy theo pha sóng mang (carrier phase tracking).
Thư ký Không lực Hoa Kì thông báo về việc mở rộng chòm GPS tới
21 vệ tinh cộng thêm 3 vệ tinh dự phòng.
Vệ tinh đầu tiên của các vệ tinh Block II đã được phóng từ Cape
Canaveral AFT, Florida, trên dàn phóng Delta II (Delta II booster).
Phi thuyền con thoi (Space Shuttle) làm bệ phóng theo kế hoạch cho

SV: Tống Mạnh Cường

11

Lớp: ĐH1TĐ2


Khoa: Trắc địa – Bản đồ

Đồ án tốt nghiệp

các vệ tinh Block II được Rockwell Intenational đóng. Tiếp theo tai
nạn Challenger 1986, Văn phòng Chương trình Kết hợp (JPO) xem
xét lại và đã sử dụng Delta II làm bệ phóng vệ tinh GPS.
Hãng Martine Marietta (sau khi mua xong General Electric Astro
21/6/1989

Space Division vào năm 1992) được thắng hợp đồng xây dựng 20
vệ tinh bổ sung (Block IIR). Chiếc vệ tinh Block IIR đầu tiên sẵng
sàng để phóng vào cuối năm 1996.
Hãng Trimble Navigation, nhà sản xuất bán máy thu GPS hàng đầu

1990

thế giới được thành lập năm 1978 hoàn thành loạt sản phẩm ban
đầu.
Bộ Quốc phòng Hoa Kì (DoD) theo Kế hoạch Dẫn đường Vô tuyến

25/3/1990

Liên bang, lần đầu tiên khởi động (kích hoạt) chế độ làm nhiễu cố ý
SA (Selective Availability) làm giảm độ chính xác dẫn đường GPS.
SA được tắt đi trong chiến tranh vịnh Ba tư (Persian Gulf War).
Những yếu tố đóng góp vào quyết định tắt SA bao gồm việc phủ
sóng ba chiều có giới hạn được chòm NAVSTAR cung cấp trong

8/1990

quỹ đạo vào thời gian đó và sớ máy thu mã số chính xác (Precision
(P)-code) trong bản kiểm kê của DoD. DoD đã mua hàng nghìn máy
thu GPS dân dụng ngay sau đó không lâu đã dùng cho lực lượng
liên minh trong cuộc chiến tranh.
GPS được các lực lượng liên minh dùng lần đầu tiên trong điều kiện
chiến tranh trong Chiến tranh Vịnh Ba Tư. Sử dụng GPS cho Bão

1990-1991

Sa Mạc Hoạt Động (Operation Desert Storm) chúng minh là cách sử
dụng chiến thuật thành công đầu tiên của công nghệ không gian

29/8/1991
1/7/1991

trong giới hạn thiết trí hoạt động.
SA được kích hoạt lại sau Chiến tranh Vịnh Ba Tư.
Mỹ đã cho phép cộng đồng thế giới sử dụng dịch vụ định vị tiêu
chuẩn (SPS) GPS bắt đầu từ năm 1993 trên cơ sở liên tục và miển
phí trong vòng ít nhất 10 năm. Lời đề nghị này được thông báo

SV: Tống Mạnh Cường

12

Lớp: ĐH1TĐ2


Khoa: Trắc địa – Bản đồ

Đồ án tốt nghiệp

trong Hội nghị Dẫn đường Hàng không lần thứ 10 (the 10 th Air
Navigation Conference) của Tổ chức Hàng không Dân dụng Quốc
tế (ICAO, International Civil Aviation Organization).
Mỹ mở rộng lời đề nghị 1991 vào Hội nghị thường niên ICAO bằng
5/9/1991

cách cho phép thế giới sử dụng SPS trong tương lai, việc này phụ
thuộc vào việc có đủ vốn, cung cấp dịch vụ này tối thiểu 6 năm có
thông báo trước về việc chấm dứt hoạt động GPS hoặc xóa bỏ SPS.
Bộ Trưởng Bộ Quốc phòng Hoa Kì chính thức thông báo Khả năng
hoạt động đầu tiên của GPS, có nghĩa là 24 vệ tinh trên quỹ đạo hệ

8/12/1992

thống GPS không còn là hệ thống đang triển khai nữa mà GPS đã có
khả năng duy trì độ chính xác ở mức độ sai số 100 mét và có sẵn
trên toàn cầu liên tục cho người sử dụng SPS như đã hứa.
Người quản trị FAA David Hinson thông báo GPS là một hệ thống

17/2/1994

6/6/1994

dẫn đường đầu tiên đã được thông qua để sử dựng làm phương tiện
hỗ trợ dẫn đường độc lập cho tất cả các phương tiện bay thông qua
tiếp cận không chính xác (nonprecision approach).
Người quản trị FAA David Hinson thông báo ngừng phát triển Hệ
thống Hạ cánh Vi sóng (MLS) cho việc hạ cánh Loại II và III.
Hãng Orbital Sciences, một nhà sản xuất tên lửa và vệ tinh hàng đầu
thế giới đồng ý mua hãng Magellen Corp., một nhà sản xuất máy

11/1994

thu GPS cầm tay ở California bằng trao đổi chứng khoán trị giá 60
triệu đô la Mỹ, mang lại cho Orbital tiến gần tới mục tiêu trở thành
công ty viển thông hai chiều dựa vào vệ tinh.
Người quản trị FAA David Hinson thông báo thực hiện Hê thống
Gia tăng Vùng rộng (WAAS, Wide Area Augmentation System)

8/6/1994

nhằm mục đích cải thiện tính hợp nhất GPS và tăng tính sẵn có cho
người sử dụng dân sự trên tất cả các phương tiện bay. Giá chương
trình theo dự tính mất 400-500 triệu đô la Mỹ. Chương trình này
được lập kế hoạch thực hiện vào khoảng năm 1997.

SV: Tống Mạnh Cường

13

Lớp: ĐH1TĐ2


Khoa: Trắc địa – Bản đồ

Đồ án tốt nghiệp

Ủy ban hành động dẫn đường định vị Bộ Giao thông (the
11/10/1994

Department of Transportation Positioning / Navigation Executive
Committee) được thành lập để cung cấp diễn đàn qua đại lý nhằm
thực hiện chính sách GPS.
Người quản trị FAA David Hinson nhắc lại lời đề nghị (US’s offer)

14/10/1994

làm GPS-SPS có sẵn trong tương lai, dựa trên cơ sở liên tục và toàn
cầu miễn phí cho người sử dụng trực tiếp trong thư gửi cho ICAO.
Tổng thống Bil Clinton tái khẳng định rằng Mỹ cung cấp tín hiệu

16/3/1995

GPS cho cộng đồng người sử dụng dân dụng thế giới trong thư gửi

cho ICAO
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. Những vệ tinh thế hệ GPS-IIR đã và
đang được phóng lên để thay thế những vệ tinh già tuổi.

SV: Tống Mạnh Cường

14

Lớp: ĐH1TĐ2


Khoa: Trắc địa – Bản đồ

Đồ án tốt nghiệp

1.2.2 Cấu trúc của hệ thống GPS
Hệ thống GPS có cấu trúc chung của một hệ thống vệ tinh định vị với 3
đoạn (Hình 1.1):

Hình 1.1 Sơ đồ mối quan hệ cấc thành phần trong hệ thống GPS
- Đoạn không gian. Đoạn không gian của GPS bao gồm 24 vệ tinh nhân tạo hoạt

động (được gọi là satellite vehicle). Quỹ đạo chuyển động của vệ tinh nhân
tạo xung quanh trái đất là quỹ đạo ellip. Theo thiết kế, 24 vệ tinh nhân tạo
chuyển động trong 6 mặt phẳng quỹ đạo. Mặt phẳng quỹ đạo vệ tinh GPS
nghiêng so với mặt phẳng xích đạo một góc 55 độ. Quĩ đạo của vệ tinh gần
hình tròn ở độ cao 20.200 km, chu kỳ 718 phút, thời hạn sử dụng 7,5 năm.
Hình 1.2 minh họa chuyển động của vệ tinh GPS xung quanh Trái đất.

SV: Tống Mạnh Cường

15

Lớp: ĐH1TĐ2

Khoa: Trắc địa – Bản đồ

Đồ án tốt nghiệp

Hình 1.2. Chuyển động vệ tinh GPS xung quanh Trái đất
Từ khi phóng vệ tinh GPS đầu tiên được phóng vào năm 1978, đến nay
đã có bốn thế hệ vệ tinh khác nhau. Thế hệ đầu tiên là vệ tinh Block I, thế hệ
thứ hai là Block II, thế hệ thứ ba là Block IIA và thế hệ gần đây nhất là Block
IIR. Thế hệ cuối của vệ tinh Block IIR được gọi là Block IIR-M. Những vệ
tinh thế hệ sau được trang bị thiết bị hiện đại hơn, có độ tin cậy cao hơn, thời
gian hoạt động lâu hơn.
- Đoạn điều khiển. Đoạn điều khiển duy trì hoạt động của toàn bộ hệ thống GPS

cũng như hiệu chỉnh tín hiệu thông tin của vệ tinh hệ thống GPS và gồm có 5
trạm quan sát có nhiệm vụ như sau:
+ Giám sát và điều khiển hệ thống vệ tinh liên tục;
+ Quy định thời gian hệ thống GPS;
+ Dự đoán dữ liệu lịch thiên văn và hoạt động của đồng hồ trên vệ tinh;
+ Cập nhật định kỳ thông tin dẫn đường cho từng vệ tinh cụ thể;
+ Có một trạm điều khiển chính (Master Control Station) ở Colorado Springs
bang Colarado của Mỹ và 4 trạm giám sát (monitor stations) và ba trạm ăng
ten mặt đất dùng để cung cấp dữ liệu cho các vệ tinh GPS.
Bản đồ trong hình 1.3 cho biết vị trí các trạm điều khiển và giám sát hệ
thống GPS. Gần đây có thêm một trạm phụ ở Cape Cañaveral (bang Florida,
Mỹ) và một mạng quân sự phụ (NIMA) được sử dụng để đánh giá đặc tính và
dữ liệu thời gian thực.

SV: Tống Mạnh Cường

16

Lớp: ĐH1TĐ2


Khoa: Trắc địa – Bản đồ

Đồ án tốt nghiệp

Hình 1.3 Vị trí các trạm điều khiển và giám sát hệ thống GPS
- Đoạn sử dụng. Đoạn sử dụng bao gồm các máy thu tín hiệu vệ tinh và phần

mềm xử lý tính toán số liệu, máy tính thu tín hiệu GPS, có thể đặt cố định trên
mặt đất hay gắn trên các phương tiện chuyển động như ô tô, máy bay, tàu
biển, tên lửa, vệ tinh nhân tạo... Tuỳ theo mục đích của các ứng dụng, các
máy thu GPS có thiết kế cấu tạo khác nhau cùng với phần mềm xử lý và quy
trình thao tác thu thập số liệu ở thực địa.
1.2.3 Hệ tọa độ sử dụng trong hệ thống định vị vệ tinh GPS WGS-84
Từ năm 1980 Bộ Quốc phòng Mỹ đã đưa ra ý tưởng xây dựng một hệ
quy chiếu quốc tế thống nhất cho toàn Trái đất. Đến năm 1984, hệ quy chiếu
quốc tế khá hoàn thiện WGS-84 đã được thừa nhận trên cơ sở các nghiên cứu
tổng hợp số liệu toàn cầu do liên đoàn quôc tế Trắc địa quôc tế đề xuất, Gs.
Ts. Moritz chủ trì. Đây là hệ quy chiếu cho Trái đất kiểu truyền thống bao
gồm ellipsoid quy chiếu, tọa độ quy chiếu, các hằng số của Trái đất, và mô
hình trường trọng lực Trái đất.
Ellipsoid được chọn làm hệ toạ độ định vị toàn cầu là GRS-80 (Geodetic
Reference System 1980), mặt quy chiếu này được hệ định vị GPS sử dụng gọi
là Hệ Trắc Địa Giới 1984 (WGS - 84). Hệ toạ độ này dùng ellipsoid địa tâm

SV: Tống Mạnh Cường

17

Lớp: ĐH1TĐ2


Khoa: Trắc địa – Bản đồ

Đồ án tốt nghiệp

xác định bởi bán trục lớn a = 6378137.0 m và nghịch đảo độ dẹt 1/f =
298.257223563.
Hệ quy chiếu WGS-84 còn xác định mô hình độ cao Geoid. Mô hình độ
cao Geoid EGM-96 được thiết lập trên cơ sỏ mô hình trường trọng lực Trái
đất, các điểm cần tinh được nội suy theo các giá trị tại nút lưới theo phương
pháp collocation có độ chính xác từ 1m đến 2m.
- Kích thước Ellipsoid quy chiếu
+ Bán trục lớn:
+ Độ dẹt

a = 6378137m;
f = 1/298,257223563;
-11
Ω = 7292115,8553.10
rad/s
8 3 2
GM = 3986004,418.10 m /s .

- Tốc độ quay Trái đất:

- Hằng số trọng lực Trái đất:
1.3 Hệ thống vệ tinh định vị GLONASS

1.3.1 Lịch sử phát triển
Từ năm 1976, Bộ Quốc phòng Liên Xô đã nghiên cứu, thiết kế, xây dựng
hệ thống định vị toàn cầu GLONASS (GLObal Navigation Satellite System).
Ngày 12 tháng 10 năm 1982 vệ tinh đầu tiên của GLONASS được phóng lên
quỹ đạo. Hiện nay hệ thống GLONASS tiếp tục được duy trì và phát triển dưới
sự quản lý, bảo trì của Bộ quốc phòng Nga. Tương tự hệ thống GPS
,GLONASS là một hệ thống định vị toàn cầu quân sự.
1.3.2. Cấu trúc của hệ thống GLONASS
Hệ thống GLONASS cũng được cấu thành bởi 3 đoạn là đoạn khônggian,
đoạn điều khiển và đoạn sử dụng. GLONASS sử dụng hệ tọa độ PZ-90 và hệ
thống giờ UTC(SU).
- Đoạn không gian. Theo thiết kế, đoạn không gian của hệ thống GLONASS bao

gồm 24 vệ tinh hoạt động trên 3quỹ đạo gần tròn. Trên mỗi quỹ đạo có 8 vệ
tinh. Góc nghiêng của các mặt phẳng quỹ đạo với mặt phẳng xích đạo là 640,8.
Các mặt phẳng quỹ đạo được phân bố đều cách nhau 120 0 trên Xích đạo. Độ
cao của các vệ tinh là 19100km, do đó chu kì của vệ tinh là 11h15 phút.Trọng

SV: Tống Mạnh Cường

18

Lớp: ĐH1TĐ2


Khoa: Trắc địa – Bản đồ

Đồ án tốt nghiệp

lượng của vệ tinh xấp xỉ 1400kg. Hai cánh vệ tinh là pin mặt trời, có diện tích
trên 23 m2. Thời kỳ đầu, tuổi thọ của các vệ tinh được thiết kế khoảng 3 năm.
Mỗi lần phóng bằng tên lửa đẩy có thể đưa lên quỹ đạo từ 2 đến 3 vệ tinh. Hiện
nay tuổi thọ của các vệ tinh GLONASS thế hệ mới kéo dài khoảng 7-10 năm.
Trên hình 1.4 là vệ tinh GLONASS-M và trên hình 1.5 là vệ tinh GLONASS-K.

Hình 1.4 Vệ tinh GLONASS-M

Hình 1.5 Vệ tinh GLONASS-K
Dựa trên tần số chuẩn của đồng hồ nguyên tử, các vệ tinh GLONASS
phát tín hiệu L1 và L2 có tần số khác nhau được xác định theo công thức:
fk L1 = 1602MHz + k .0,5625MHz,
fk L2 = 1246MHz + k .0,4375MHz,
trong đó k là số hiệu vệ tinh (k=1,2...24).
Tín hiệu GLONASS cũng được điều biến theo code tựa ngẫu nhiên để
làm cơ sở cho đo khoảng cách giả .Hệ thống GLONASS cũng sử dụng C/A
code có tần số 0.511 MHz và sử dụng P-code có tần số 5,11 MHHz .

SV: Tống Mạnh Cường

19

Lớp: ĐH1TĐ2


Khoa: Trắc địa – Bản đồ

Đồ án tốt nghiệp

Hệ thống GLONASS sử dụng kỹ thuật đa truy cập phân chia tần số
FDMA(Frequency Division Multiple Access)để thiết bị thu tiếp nhận tín hiệu,
trong khi đó hệ thống GPS sử dụng kỹ thuật đa truy cập phân chia code CDMA.
Các sóng tải được điều biến bởi các code và thông tin chuyển tới máy
thu.GLONASS cũng sử dụng các code tựa ngẫu nhiên.C/A code là code tựa
ngẫu nhiên có tần số 0.511MHz tức là bằng 511 Kilobite/s là code cơ sở trong
đo khoảng cách giả,do đó được gọi là code khoảng cách(ranging code).
Từ năm 2009, các vệ tinh GLONASS-K có khả năng phát thêm tín hiệu
L3. Theo chương tình hiện đại hóa hệ thống GLONASS,các vệ tinh thế hệ mới
có thể sử dụng cả kỹ thuật phân chia đa code CDMA tương tự như hệ thống
GPS. Tính đến 31 tháng 12 năm 2011, hệ thống GLONASS đã có 21 vệ tinh
đang hoạt động, 3 vệ tinh chuẩn bị hoạt động, 2 vệ tinh dự phòng.
- Đoạn điều khiển. Đoạn điều khiển của hệ thống GLONASS gồm 5 trạm quan

sát(TT&C-Telemetry, Tracking anh Control station). Vị trí các trạm thuộc đoạn
điều khiển của GLONASS trên hình 1.6

Hình 1.6. Đoạn điều khiển của GLONASS
Vai trò của đoạn điều khiển mặt đất có nhiệm vụ sau:
-

giám sát hoạt động vủa các vệ tinh trên quỹ đạo;

SV: Tống Mạnh Cường

20

Lớp: ĐH1TĐ2

Khoa: Trắc địa – Bản đồ

-

Đồ án tốt nghiệp

hiệu chỉnh liwwn tục các tham số quỹ đạo vệ tinh;
tạo ra và chuyển lên vệ tinh các chương trình được gián nhãn thời gian (timetagged), các lệnh điều khiển và các thông tin chuyên dụng.
Từ các năm 1998-1999 đã có 60 trạm quan sát GLONASS và 30 trạm đo
khoảng cách bằng laser (SLR) trên 25 nước tham gia.Nhờ đó lịch vệ tinh chính
xá của GLONASS đã đạt độ chính xác vị trí vệ tinh cỡ 25-50cm và có thể đạt
cỡ 10 cm.

- Đoạn sử dụng. Các máy thu của GLONASS được chia ra các máy thu đạo hàng

sử dụng L1, C/A code, P-code, pha sóng tải và L2:P code và pha sóng tải. Máy
thu GLONASS chưa có trên thị trường,song một số hãng chế tạo thiết bị định vị
đã chế tạo máy thu GPS kết hợp GLONASS như AshtechZ-18 (Mỹ), GB-1000
của hãng topcon (Nhật Bản) OEMV-1G, OEMV-2, OEMV-3 là máy thu tích
hợp công nghệ GPS và GLONASS. Trên hình 1.7 là máy thu GLONASS/GPS
kiểu cầm tay.

Hình 1.7. Máy thu GLONASS/GPS
1.3.3 Hệ tọa độ sử dụng trong hệ thống định vị GLONASS ( PZ-90)

SV: Tống Mạnh Cường

21

Lớp: ĐH1TĐ2


Khoa: Trắc địa – Bản đồ

Đồ án tốt nghiệp

- Định vị bằng vệ tinh GLONASS được thực hiện trong hệ PZ-90 và trong hệ

thống thời gian UTC (SU),và sử dụng giờ Mátxcơva (MT = UTC+3h từ 0h
ngày 1 tháng 1 năm 1983).
Hệ thống hệ tọa độ PZ-90 có các tham số như trong bảng 1.2:
Bảng 1.2 Các tham số của hệ PZ-90
Tham số
Bán trục lớn
Độ dẹt f
Hằng số GM
Tốc độ quay Trái đất
Hệ số điều hòa C20

Giá trị
6378136 m
1/298,257839303
398600,44.109 m3/s2
7,292115.105 rad/s
-1082,63.10-6

Hệ quy chiếu PZ-90-02 được xác định chính xác. Sai lệch gốc tọa độ giữa
PZ-90-02 với ITRF-2000 khoảng vài chục cm.
1.4 Nguyên lý cơ bản của phương pháp định vị vệ tinh

Bao gồm 2 nguyên lý cơ bản:
+ Nguyên lý định vị tuyệt đối;
+ Nguyên lý định vị tương đối.
1.4.1 Định vị tuyệt đối (Absolute Positioning)
Định vị tuyệt đối là trường hợp sử dụng một máy thu GPS/GLONASS
để xác định tọa độ của điểm quan sát trong hệ thống tọa độ WGS-84/PZ-90,
là các thành phần tọa độ vuông góc không gian (X,Y,Z) hoặc các thành phần
tọa độ mặt cầu (B, L, H).

SV: Tống Mạnh Cường

22

Lớp: ĐH1TĐ2


Khoa: Trắc địa – Bản đồ

Đồ án tốt nghiệp

Hình 1.8 Định vị tuyệt đối
Việc định vị tuyệt đối được thực hiện trên cơ sở sử dụng đại lượng đo là
khoảng cách giả từ vệ tinh đến anten máy thu theo nguyên tắc giao hội không
gian từ các điểm đã biết tọa độ là các vệ tinh.
Về nguyên tắc, nếu biết chính xác khoảng thời gian lan truyền tín hiệu,
code tựa ngẫu nhiên từ vệ tinh đến máy thu ta sẽ tính được khoảng cách chính
xác giữa vệ tinh và máy thu, khi đó máy thu chỉ cần thu tín hiệu của 3 vệ tinh
thì ta có thể xác định được tọa độ không gian của máy thu. Song trên thực tế
cả đồng hồ vệ tinh và đồng hồ trong máy thu đều có sai số nên các khoảng

cách đo được không phải là khoảng cách chính xác mà là khoảng cách giả
được tính theo công thức (2.4). từ ba khoảng cách giả ta lập được hệ 3
phương trình mà bốn ẩn số (tọa độ vuông góc XYZ hoặc tọa độ mặt cầu BLH
của điểm quan sát và sai số do đồng bộ hồng hồ vệ tinh và đồng hồ máy thu )
do đó không xác định được vị trí không gian điểm quan sát. Để khắc phục
tình trạng này cần phải thu tín hiệu đồng thời từ 4 vệ tinh, tức là phải thu thêm
tín hiệu của vệ tinh thứ tư. Khi đó, ta lập được hệ phương trình tương ứng 4

SV: Tống Mạnh Cường

23

Lớp: ĐH1TĐ2


Khoa: Trắc địa – Bản đồ

Đồ án tốt nghiệp

cho 4 vệ tinh:
(X1-X)2+(Y1-Y)2+(Z1-Z)2=(R1-c.)2
(X2-X)2+(Y2-Y)2+(Z2-Z)2=(R2-c.)2
(X3-X)2+(Y3-Y)2+(Z3-Z)2=(R3-c.)2
(X4-X)2+(Y4-Y)2+(Z4-Z)2=(R4-c.)2
trong đó:
Ri là khoảng cách giả từ máy thu đến vệ tinh thứ i ;
Xi,Yi,Zi – tọa độ không gian vệ tinh i;
X,Y,Z – tọa độ không gian điểm đặt anten;
– sai số do đồng hồ trên vệ tinh và trong máy thu;
c – vận tốc lan truyền tín hiệu.

Bằng cách đo khoảng cách giả đồng thời từ máy thu đến bốn vệ tinh ta
có thể xác định được tọa độ tuyệt đối của máy thu, ngoài ra còn có thể xác
định được số hiệu chỉnh vào đồng hồ máy thu. Thực tế với hệ thống vệ tinh
hoạt động đầy đủ như hiện nay, số lượng vệ tinh quan sát được thường là từ 6
đến 8 vệ tinh GPS, có khi lên tới 10 vệ tinh và một số lượng tương tự vệ tinh
GLONASS.

SV: Tống Mạnh Cường

24

Lớp: ĐH1TĐ2


Khoa: Trắc địa – Bản đồ

Đồ án tốt nghiệp

1.4.2 Định vị tương đối (Relative Positioning)
Định vị tương đối là trường hợp sử dụng hai máy thu GPS/GLONASS
đặt ở 2 điểm quan sát khác nhau để xác định hiệu tọa độ vuông góc không
gian (X, hay hiệu tọa độ mặt cầu ( giữa chúng trong hệ tọa độ WGS-84/PZ-90.

Hình 1.9 Định vị tương đối
Nguyên tắc định vị tương đối được thực hiện trên cơ sở sử dụng đại
lượng đo pha sóng tải kết hợp khoảng cách giả và cũng có khi sử dụng cả trị
đo Doppler để hỗ trợ giả nhanh số nguyên đa trị.. Để đạt được độ chính xác
cao cho kết quả xác định hiệu tọa độ (hay vị trí tương hỗ) giữa 2 điểm xét cần
thực hiện quan trắc đồng thời tại hai điểm. Người ta đã tạo ra và sử dụng các
sai phân khác nhau cho pha sóng tải làm giảm ảnh hưởng của các nguồn sai

số khác nhau như sai số của đồng hồ trên vệ tinh và trong máy thu, sai số của
tọa độ vệ tinh, 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
nhiệm vụ cần độ chính xác cao và rất cao như xây dựng lưới khống chế quốc
gia, các mạng lưới chuyên dụng( nghiên cứu địa động, lưới trắc địa công trình
v v…)
Ta ký hiệu pha (chính xác hơn là hiệu pha) của sóng tải từ vệ tinh J được đo

SV: Tống Mạnh Cường

25

Lớp: ĐH1TĐ2