ứng dụng hệ thống định vị toàn cầu thành lập lưới khống chế đo vẽ xã xuân hương, huyện lạng giang, tỉnh bắc giang

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT

HỌC VIỆN NÔNG NGHIỆP VIỆT NAM
-------

-------

NGUYỄN NHƯ SÁNG

ỨNG DỤNG HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ TOÀN CẦU THÀNH LẬP
LƯỚI KHỐNG CHẾ ĐO VẼ XÃ XUÂN HƯƠNG,
HUYỆN LẠNG GIANG, TỈNH BẮC GIANG

LUẬN VĂN THẠC SĨ

HÀ NỘI, NĂM 2015


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT

HỌC VIỆN NÔNG NGHIỆP VIỆT NAM
-------

-------

NGUYỄN NHƯ SÁNG

ỨNG DỤNG HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ TOÀN CẦU THÀNH LẬP
LƯỚI KHỐNG CHẾ ĐO VẼ XÃ XUÂN HƯƠNG,
HUYỆN LẠNG GIANG, TỈNH BẮC GIANG

CHUYÊN NGÀNH: QUẢN LÝ ĐẤT ĐAI
MÃ SỐ

: 06 85 01 03

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
TS. LÊ MINH TÁ

HÀ NỘI, NĂM 2015


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan số liệu và kết quả nghiên cứu trong luận văn này là
trung thực và chưa được sử dụng để bảo vệ một học vị nào. Nội dung đề tài
này là những kết quả nghiên cứu, những ý tưởng khoa học được tổng hợp từ
công trình nghiên cứu, các công tác thực nghiệm, các công trình sản xuất do
tôi trực tiếp tham gia thực hiện.
Tôi xin cam đoan, các thông tin trích dẫn trong luận văn đều đã được
chỉ rõ nguồn gốc.
Hà Nội, ngày …… tháng …. năm 2015
Tác giả luận văn

Nguyễn Như Sáng

ii

LỜI CẢM ƠN
Để hoàn thành được đề tài, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến:
Ban giám đốc Học Viện Nông Nghiệp Việt Nam, Khoa Quản lý đất
đai, cùng quý Thầy Cô giáo đã giảng dạy, truyền đạt kiến thức cho tôi trong
suốt thời gian tôi tham gia khóa học của Học viện.
Tôi xin gửi lời cảm ơn tới TS.Lê Minh Tá – người đã hết lòng quan tâm,
trực tiếp hướng dẫn tôi trong suốt quá trình nghiên cứu và hoàn thành luận văn
thạc sĩ.
Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Chi nhánh công ty cổ phần tư
vấn dịch vụ và thương mại nông nghiệp Phương Bắc nơi tôi tham gia trong suốt
quá trình xây dựng lưới; cảm ơn gia đình, bạn bè đã giúp đỡ, động viên và đóng
góp ý kiến cho tôi trong suốt quá trình học tập và hoàn thành đề tài.
Do thời gian thực hiện có hạn, kinh nghiệm thực tiễn của bản thân chưa
nhiều, luận văn khó tránh khỏi những thiếu sót, kính mong nhận được sự đóng
góp ý kiến của quý thầy cô để đề tài hoàn thiện hơn.
Hà Nội, ngày…….tháng……..năm 2015
Tác giả luận văn

Nguyễn Như Sáng

iii


MỤC LỤC

Lời cam đoan

ii

Lời cảm ơn

iii

Mục lục

iv

Danh mục chữ viết tắt

vi

Danh mục bảng

viii

Danh mục hình

ix

MỞ ĐẦU

1

1

Tính cấp thiết của đề tài

1

2

Mục đích của đề tài

3

3

Yêu cầu của đề tài

3

Chương 1 TỔNG QUAN TÀI LIỆU

4

1.1 Khái quát chung về lưới khống chế

4

1.1.1 Các phương pháp xây dựng lưới khống chế tọa độ truyền thống

4

1.1.2 Các hệ thống định vị dẫn đường toàn cầu GNSS

5

1.1.3 Phương pháp xây dựng lưới khống chế tọa độ bằng công nghệ GPS

8

1.2 Khái quát chung về hệ thống định vị toàn cầu (GPS)
1.2.1 Khái quát về GPS

9
9

1.2.2 Các đại lượng đo GPS

13

1.2.3 Các phương pháp định vị GPS

16

1.2.4 Các nguồn sai số trong định vị GPS

22

1.3 Ứng dụng hệ thống định vị toàn cầu trên Thế giới và ở tại Việt Nam

25

1.3.1 Trên thế giới

25

1.3.2 Tại Việt Nam

26

1.4 Xây dựng lưới khống chế đo vẽ bằng công nghệ đo GPS

29

1.4.1 Khái niệm về lưới khống chế đo vẽ

29

1.4.2 Yêu cầu thiết kế lưới khống chế đo vẽ

29

iv


1.5 Giới thiệu chương trình bình sai, đánh giá độ chính xác lưới GPS bằng
phần mềm Trimble Total Control
1.5.1 Giới thiệu chung về phần mềm Trimble Total Control

30
30

1.5.2 Quy trình hoạt động của phần mềm Trimble Total Control trong
bình sai, đánh giá độ chính xác lưới GPS

31

Chương 2 NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

33

2.1 Đối tượng nghiên cứu

33

2.2 Phạm vi nghiên cứu

33

2.3 Nội dung nghiên cứu

33

2.3.1 Điều kiện tự nhiên, kinh tế xã hội khu đo xã Xuân Hương

33

2.3.2. Thiết kế, chọn điểm, đóng cọc, đo đạc, tính toán, bình sai, đánh giá độ
chính xác kết quả đo, kiểm tra nghiệm thu thành quả đo đạc

33

2.3.3 Khả năng ứng dụng công nghệ GPS ở vùng trung du, đồi núi khi
xây dựng lưới đo vẽ

33

2.4 Phương pháp nghiên cứu

33

2.4.1 Phương pháp điều tra, thu thập tài liệu, số liệu

33

2.4.2 Phương pháp xây dựng lưới khống chế đo vẽ theo phương pháp
truyền thống

34

2.4.3 Phương pháp xử lý số liệu đo

34

2.4.4 Phương pháp kiểm tra nghiệm thu

34

2.4.5 Phương pháp tổng hợp, phân tích, so sánh

34

2.5 Quy trình xây dựng lưới

35

Chương 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

36

3.1 Điều kiện tự nhiên, kinh tế xã hội của khu đo xã Xuân Hương

36

3.1.1 Điều kiện tự nhiên, kinh tế xã hội

36

3.1.2 Thu thập các loại tư liệu, tài liệu trắc địa và bản đồ của xã
Xuân Hương

40

3.2 Thiết kế, chọn điểm, đóng cọc, đo đạc, tính toán, bình sai, đánh giá độ
chính xác kết quả đo, kiểm tra nghiệm thu thành quả đo đạc
3.2.1 Các văn bản áp dụng trong thiết kế xây dựng lưới
v

41
41


3.2.2 Thiết kế lưới, chọn điểm, đóng cọc

42

3.2.3 Tổ chức đo GPS

45

3.2.4 Đo đạc thực địa

49

3.2.5 Xử lý số liệu

53

3.2.6 Bình sai lưới

61

3.2.7 Kết quả bình sai và đánh giá độ chính xác lưới GPS

65

3.2.8 Kiểm tra nghiệm thu

66

3.3 Khả năng ứng dụng của công nghệ GPS trong việc xây dựng lưới đo vẽ
ở vùng trung du, đồi núi

67

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

70

Kết luận

70

Kiến nghị

71

TÀI LIỆU THAM KHẢO

72

PHỤ LỤC

vi


DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT
Chữ viết tắt

Nghĩa của chữ viết tắt

BĐĐC

: Bản đồ địa chính

DOP

: Dilution of Precision

Độ suy giảm chính xác

GPS

: Global Positioning System
Hệ thống định vị toàn cầu

HDOP

: Horizon Dilution of Precision
Độ suy giảm chính xác theo phương ngang

PDOP

: Position Dilution of Precision
Độ suy giảm chính xác vị trí vệ tinh theo 3D
và thời gian

Ratio

: Tỉ số phương sai

Reference Variance

: Độ chênh lệch tham khảo

Rms

: Sai số chiều dài cạnh

TTC

: Trimble Total Control

VDOP

: Vertiacal Dilution of Precision
Độ suy giảm chính xác theo phương dọc

VTNT

: Vệ tinh nhân tạo

X, Y, h

: Tọa độ X, Y, Độ cao thủy chuẩn

Mx, My, Mh

: Sai số theo phương x, y, h

Mp

: Sai số vị trí điểm

vii


DANH MỤC BẢNG
Số bảng

Tên bảng

Trang

1.1

Chỉ tiêu kỹ thuật cơ bản chung của lưới khống chế đo vẽ

30

3.1

Bảng tọa độ, độ cao điểm gốc khởi tính

42

3.2

Tổng hợp các cặp điểm thông hướng

43

3.3

Bảng tổng hợp thiết kế ca đo

49

3.4

So sánh kết quả đánh giá độ chính xác đạt được với quy phạm hiện

3.5

hành

66

So sánh kết quả đo được với kết quả đo kiểm tra

67

viii


DANH MỤC HÌNH
Số hình

Tên hình

Trang

1.1

Mô hình hình ảnh trái đất và vệ tinh GPS

1.2

Cấu trúc tín hiệu GPS

11

1.3

Các trạm điều khiển GPS

12

1.4

Các thành phần chính của GPS

13

1.5

Xác định hiệu số giữa các thời điểm

14

1.6

Kỹ thuật giải đa trị tại các máy thu

16

1.7

Kỹ thuật định vị tuyệt đối

17

1.8

Kỹ thuật định vị tương đối

20

1.9

Giao diện phần mềm Total Trimble Control

31

1.10

Quy trình họat động của Trimble Total Control

32

2.1

Quy trình xây dựng lưới khống chế đo vẽ

35

3.1

Modul lập lịch đo trong Trimble Total Control

45

3.2

Cài đặt các thông số lập lịch đo

46

3.3

Đồ hình số lượng vệ tinh

47

3.4

Sự phân bố vệ tinh trên bầu trời

47

3.5

Máy đo GPS-X20

50

3.6

Tạo mới Project

54

3.7

Cửa sổ Import

55

3.8

Cửa sổ nhập dữ liệu

56

3.9

Sơ đồ lưới GPS

56

3.10

Cài đặt các tham số trong xử lý cạnh

57

3.11

Cửa sổ xử lý cạnh

58

3.12

Cửa sổ lựa chọn vệ tinh giải cạnh

59

3.13

Lập báo cáo sai số khép vòng

60

3.14

Menu bình sai lưới

61

3.15

Lập báo cáo kết quả bình sai tự do

62

3.16

Lập báo cáo kết quả bình sai với số liệu gốc trong hệ tọa độ WGS-84

63

ix

9


3.17

Bình sai lưới với tọa độ gốc trong hệ tọa độ địa phương

64

3.18

Cửa sổ kết quả bình sai lưới

64

3.19

Cửa sổ biên tập kết quả bình sai GPS

65

x


MỞ ĐẦU

1. Tính cấp thiết của đề tài
Đất đai là nguồn tài nguyên thiên nhiên, tài sản quốc gia quý báu, là địa
bàn để phân bố dân cư và các hoạt động kinh tế, xã hội quốc phòng, an ninh; là
nguồn nội lực để xây dựng và phát triển bền vững quốc gia. Khảo sát, đo đạc, lập
bản đồ địa chính là một trong những nội dung quản lý nhà nước về đất đai đã
được ghi tại khoản 3, Điều 22 của Luật đất đai 2013. Nội dung chức năng, nhiệm
vụ, quyền hạn của các cấp, các ngành trong việc thực hiện khảo sát, đo đạc, lập
và quản lý bản đồ địa chính đã được quy định tại Điều 23 của Luật đất đai 2013.
Căn cứ Luật đất đai năm 2013, Nghị định 43/2014/NĐ-CP ngày 15 tháng
05 năm 2014 của Chính phủ quy định chi tiết thi hành một số điều của Luật Đất
đai; Căn cứ Nghị định số 21/2013/NĐ-CP ngày 04 tháng 03 năm 2013 của Chính
Phủ quy định chức năng, nhiệm vụ, quyền hạn và cơ cấu tổ chức của Bộ Tài
nguyên và Môi trường; Bộ Tài nguyên và Môi trường ban hành Thông tư số
25/2014/TT-BTNMT ngày 19/05/2014 về quy định các yêu cầu kỹ thuật cơ bản
của việc lập, chỉnh lý, quản lý, sử dụng bản đồ địa chính và trích đo địa chính
thửa đất thay thế Quy phạm thành lập bản đồ địa chính trước đây.
Ở Việt Nam công tác quản lý đất đai ngày càng được coi trọng. Để làm tốt
công tác này cần phải xây dựng hệ thống cơ sở dữ liệu địa chính hoàn chỉnh,
thống nhất và cập nhật. Để làm được điều đó cần phải thành lập bản đồ địa chính
số có độ chính xác cao, áp dụng các thành tựu khoa học kỹ thuật hiện đại và các
thiết bị hiện đại.
Công tác đo đạc bản đồ được chúng ta thực hiện từ rất lâu đời, ban đầu chỉ
sử dụng các dụng cụ thô sơ và những phép tính đơn giản để đo vẽ, thành lập bản
đồ. Ngày nay, cùng với sự phát triển mạnh mẽ của các ngành khoa học, ngành
trắc địa cũng phát triển nhanh tróng và đạt được những thành tựu khoa học đáng
kể. Trong đó công tác đo đạc thành lập bản đồ địa chính được áp dụng nhiều
công nghệ, máy móc hiện đại như: Máy kinh vĩ, máy toàn đạc điện tử, các phần
mềm ứng dụng xử lý trên máy tính…

1

Hệ thống định vị toàn cầu GPS là hệ thống định vị, dẫn đường sử dụng các
vệ tinh nhân tạo được Bộ Quốc phòng Mỹ triển khai từ những năm đầu thập kỷ
70. Ban đầu, hệ thống này được dùng cho mục đích quân sự nhưng sau đó đã
được thương mại hóa, được ứng dụng rất rộng rãi trong các hoạt động kinh tế, xã
hội. Ngày nay, trong rất nhiều lĩnh vực của đời sống xã hội đã và đang áp dụng
công nghệ GPS. Trong trắc địa cũng vậy, công nghệ GPS đã mở ra thời kỳ mới,
đã thay thế công nghệ truyền thống trong việc thành lập và xây dựng mạng lưới
tọa độ các cấp. Với ngành trắc địa bản đồ thì đây là cuộc cách mạng thực sự về
cả kỹ thuật, chất lượng cũng như hiệu quả kinh tế trên phạm vi toàn thế giới nói
chung và ở Việt Nam nói riêng.
Hệ thống định vị toàn cầu GPS đã được công nhận và sử dụng rộng rãi
như một công nghệ tin cậy, hiệu quả trong trắc địa bản đồ bởi các tính ưu việt
sau: Có thể xác định tọa độ của các điểm từ điểm gốc khác mà không cần thông
hướng; độ chính xác đo đạc ít phụ thuộc vào điều kiện thời tiết, việc xác định tọa
độ các điểm rất nhanh chóng, tính chính xác cao, ở bất kỳ vị trí nào nếu thu được
tín hiệu vệ tinh trên trái đất; Kết quả đo đạc có thể tính trong hệ tọa độ toàn cầu
hoặc hệ tọa độ địa phương bất kỳ.
Huyện Lạng Giang, tỉnh Bắc Giang những năm qua có tốc độ phát triển
kinh tế tương đối nhanh kéo theo nhu cầu sử dụng đất ngày càng tăng. Chính vì
thế nhu cầu bức thiết trong quản lý đất đai của huyện là thành lập bản đồ địa
chính (BĐĐC) có độ chính xác cao. Hiện nay đã xây dựng xong mạng lưới địa
chính huyện Lạng Giang và đang tiến hành đo vẽ bản đồ địa chính trong toàn
huyện theo quy phạm thành lập bản đồ địa chính năm 2014. Tuy nhiên ứng dụng
công nghệ GPS để xây dựng lưới khống chế đo vẽ phục vụ thành lập bản đồ địa
chính chưa được các cấp quan tâm đúng mức và chưa có các quy định chi tiết.
Để mở rộng khả năng sử dụng công nghệ GPS, góp phần đưa công nghệ
mới vào công tác đo vẽ thành lập bản đồ địa chính, dưới sự hướng dẫn của TS.
Lê Minh Tá, tôi tiến hành nghiên cứu đề tài:

“Ứng dụng hệ thống định vị toàn cầu thành lập lưới khống chế đo vẽ xã
Xuân Hương, huyện Lạng Giang, tỉnh Bắc Giang”

2


2. Mục đích của đề tài
Ứng dụng công nghệ đo GPS tĩnh nhanh để xây dựng lưới khống chế đo vẽ
phục vụ thành lập bản đồ địa chính tại xã Xuân Hương, huyện Lạng Giang.
3. Yêu cầu của đề tài
- Lưới khống chế đo vẽ phải đảm bảo đủ mật độ điểm và độ chính xác để
thành lập bản đồ địa chính tỷ lệ lớn nhất 1/1000 cho khu đo.
- Lưới khống chế đo vẽ phải đảm bảo đủ các cặp thông hướng phù hợp với
địa hình và công tác đo vẽ chi tiết thành lập bản đồ địa chính cho khu đo.
- Các yêu cầu kỹ thuật xây dựng lưới tuân theo các quy định hiện hành của
Bộ Tài nguyên và Môi trường.

3


Chương 1. TỔNG QUAN TÀI LIỆU
1.1. Khái quát chung về lưới khống chế
Lưới khống chế là hệ thống các điểm được đánh dấu chắc chắn trên mặt
đất, giữa chúng liên kết với nhau bởi các điều kiện hình học và các điều kiện toán
học chặt chẽ, được xác định trong cùng một hệ thống tọa độ thống nhất với độ
chính xác cần thiết, làm cơ sở phân bố chính xác các yếu tố nội dung bản đồ và
hạn chế sai số tích lũy. (Dương Vân Phong và Nguyễn Gia Trọng, 2013)
1.1.1. Các phương pháp xây dựng lưới khống chế tọa độ truyền thống
1.1.1.1. Lưới tam giác
* Lưới tam giác đo góc

Lưới tam giác đo góc được xây dựng đầu tiên trên thế giới ở Hà Lan năm
1916 nửa đầu thế kỷ XX, hầu hết các nước đều xây dựng lưới tọa độ nhà nước
theo phương pháp này. Đồ hình cơ bản của lưới là hình tam giác, tứ giác trắc địa
và đa giác trung tâm. (Lê Mạnh Hùng, 2013)
Trong lưới tam giác đo góc, người ta đo tất cả các góc do đó có nhiều trị
đo thừa kiểm tra. Độ chính xác của lưới khá cao và đồng đều, hạn chế của lưới
đo góc là độ chính xác các yếu tố trong lưới phụ thuộc nhiều vào đồ hình lưới,
đồng thời phải đòi hỏi phải thông hướng đến nhiều điểm khác, do đó công việc
chọn điểm rất khó khăn và phải xây dựng cột tiêu với chi phí lớn (chiếm 70%
kinh phí xây dựng lưới). (Lê Mạnh Hùng, 2013)
* Lưới tam giác đo cạnh
Do sự phát triển của các máy đo khoảng cách điện tử người ta xây dựng
lưới tam giác đo cạnh. Trong lưới đo cạnh người ta đo tất cả các cạnh, chỉ đo nối
phương vị đủ để bình sai lưới.
Lưới đo cạnh có các ưu điểm là độ chính xác ít phụ thuộc vào đồ hình
lưới, công tác ngoại nghiệp nhanh và ít chịu ảnh hưởng của điều kiện ngoại cảnh
hơn lưới đo góc. Hạn chế của lưới đo cạnh là ít trị đo thừa, không có điều kiện
kiểm tra trị đo ở thực địa. Trong một tam giác đo ba cạnh chỉ là trị đo vừa đủ, do

4


đó khi xây dựng lưới đo cạnh đồ hình cơ bản là tứ giác trắc địa và đa giác trung
tâm. (Dương Vân Phong và Nguyễn Gia Trọng, 2013)
1.1.1.2. Lưới đường chuyền
Lưới đường chuyền gồm các điểm nối với nhau tạo thành các đường
gấp khúc. Đo tất cả các góc ngoặt và các cạnh trong lưới từ đó tính tọa độ cho
tất cả các điểm. (Lê Mạnh Hùng, 2013)
Lưới đường chuyền bao gồm nhiều đường chuyền liên kết với nhau tạo
thành các điểm nút. Lưới đường chuyền có ưu điểm là dễ chọn điểm, độ lớn của

góc ngoặt có thể thay đổi không hạn chế cho nên đồ hình lưới bố trí rất linh hoạt.
Hạn chế của lưới đường chuyền là có ít trị đo thừa, kết cấu hình học không chặt
chẽ bằng lưới đo góc. (Dương Vân Phong và Nguyễn Gia Trọng, 2013)
1.1.2. Các hệ thống định vị dẫn đường toàn cầu GNSS
1.1.2.1. Hệ thống định vị GLONASS
Từ năm 1976, Bộ quốc phòng Liên Xô (cũ) đã thiết kế xây dựng hệ thống
định vị toàn cầu GLONASS (Global Orbitting 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 vẫn tiếp tục được duy trì và phát triển dưới
sự quản lý, bảo trì của bộ Quốc phòng Nga. Tương tự như hệ thống GPS,
GLONASS là hệ thống định vị toàn cầu quân sự. (Trần Mạnh Tuấn và Đào Thị
Hồng Diệp, 2012)

Hệ thống GLONASS cũng được cấu thành bởi ba đoạn: đoạn không gian,
đoạn điều khiển và đoạn sử dụng. GLONASS sử dụng hệ thống tọa độ PZ-09 và
hệ thống giờ UTC (SU). (Trần Mạnh Tuấn và Đào Thị Hồng Diệp, 2012)
* Đoạn không gian
Theo thiết kế, đoạn không gian của hệ thống GLONASS bao gồm 24 vệ
tinh hoạt động trên quỹ đạo gần tròn. Trên mỗi quỹ đạo có 8 vệ tinh, nghiêng so
với mặt phẳng xích đạo 64,80. Độ cao của các vệ tinh là 19.100 km, do đó chu kỳ
của vệ tinh là 11 giờ 15 phút.
Hiện nay tuổi thọ của các vệ tinh GLONASS thế hệ mới đã kéo dài
khoảng từ 7 đến 10 năm.
5


* Đoạn điều khiển
Đoạn điều khiển của hệ thống GLONASS gồm năm trạm quan sát đặt trên
lãnh thổ Nga, được liên kết chung với trạm điều khiển trung tâm SCC (System
Control Centrer) đặt tại Moscova.

* Đoạn sử dụng
Các máy thu của GLONASS được chia ra các máy thu đạo hàng sử dụng
L1, C/A code và pha sóng tải. Máy trắc địa sử dụng L1: C/A code, P code, pha
sóng tải và L2: P code và pha sóng tải.
1.1.2.2. Hệ thống định vị GALILEO
Cả hai hệ thống GPS và GLONASS được sử dụng chính cho mục đích
quân sự. Đối với những người sử dụng dân sự có thể có sai số lớn nếu như cơ
quan điều hành GPS và GLONASS kích hoạt bộ phận gây sai số chủ định, ví dụ
như SA của GPS. Do vậy, liên minh Châu Âu (EU) đã lên kế hoạch thiết kế và
điều hành một hệ thống định vị vệ tinh mới mang tên nhà thiên văn học
GALILEO, với mục đích sử dụng dân sự. Việc nghiên cứu dự án hệ thống
GALILEO được bắt đầu triển khai thực hiện từ năm 1999 do 4 quốc gia Châu
Âu: Pháp, Đức, Italia và Anh Quốc. Giai đoạn đầu triển khai chương trình
GALILEO bắt đầu năm 2003 và theo dự kiến sẽ hoàn thành đưa vào sử dụng
trong năm 2010 (chậm hơn so với thời gian dự định ban đầu 2 năm). (Đặng
Nam Chinh và Đỗ Ngọc Đường, 2012)
* Đoạn không gian
Đoạn không gian của GALILEO gồm 30 vệ tinh chuyển động trong 3
mặt phẳng quỹ đạo, nghiêng 560 so với mặt phẳng xích đạo. Với góc nghiêng
như vậy, hệ thống sẽ phục vụ tốt cho vùng có độ vĩ cao là vùng của các nước
Bắc Âu.
* Đoạn điều khiển
GALILEO bao gồm một số trạm mặt đất nằm trên lãnh thổ châu Âu và
các trạm ngoài châu Âu, có chức năng truyền thông tin và kiểm tra. Đây là
thành phần cần thiết để gửi và nhận thông tin từ các vệ tinh GALILEO phục
vụ kiểm tra và điều khiển.

6

* Đoạn sử dụng
GALILEO bao gồm nhiều nhóm sử dụng với nhiều chủng loại máy thu,
mà mỗi loại đòi hỏi các thông tin khác nhau. Để đáp ứng các yêu cầu,
GALILEO sẽ thỏa mãn các dịch vụ khác nhau ở hai mức tiêu chuẩn.
Hệ thống GALILEO không chỉ cung cấp các dịch vụ về định vị mà còn
xác định thời gian chính xác. (Đặng Nam Chinh và Đỗ Ngọc Đường, 2012)
1.1.2.3. Hệ thống định vị COMPASS
Tương tự như các hệ thống định vị toàn cầu khác, COMPASS có cấu trúc
gồm ba bộ phận: Đoạn không gian, đoạn điều khiển và đoạn sử dụng. (Trần Mạnh
Tuấn và Đào Thị Hồng Diệp, 2012)

* Đoạn không gian
Theo thiết kế, đoạn không gian của COMPASS/Beidou-2 bao gồm 27 vệ
tinh ở quỹ đạo trung bình, 3 vệ tinh quỹ đạo nghiêng đồng bộ trái đất và 5 vệ tinh
địa tĩnh. Các vệ tinh địa tĩnh của hệ thống COMPASS/ Beidou-1 gồm 3 vệ tinh
địa tĩnh được đưa lên quỹ đạo vào những năm 2000 và 2003.
Từ năm 2007, chương trình xây dựng hệ thống định vị toàn cầu
COMPASS/ Beidou-2 được triển khai. Các vệ tinh địa tĩnh của hệ thống tiếp tục
được đưa lên quỹ đạo Beidou-1D năm 2007 có vị trí quỹ đạo là 58,750 đông và
vệ tinh Beidou-1E có quỹ đạo là 1060 đông. (Đặng Nam Chinh và Đỗ Ngọc
Đường, 2012)
* Đoạn điều khiển
Đoạn mặt đất bao gồm một trạm chủ, hai trạm điều khiển cập nhật và 30
trạm theo dõi. Công nghệ đo khoảng cách laser đến vệ tinh MEO được áp dụng
để chính xác hóa quỹ đạo vệ tinh. Hiện nay một số trạm mặt đất được trang bị
thiết bị đo laser đến vệ tinh.
* Đoạn sử dụng
Đoạn sử dụng bao gồm các máy thu COMPASS và các máy thu khác có sử
dụng chung tín hiệu vệ tinh COMPASS với các vệ tinh GNSS khác. Một số hãng
chế tạo máy thu của Trung Quốc đã chế tạo máy thu tín hiệu từ các vệ tinh Bắc Đẩu

-1 và các vệ tinh COMPASS. (Trần Mạnh Tuấn và Đào Thị Hồng Diệp, 2012)
7


1.1.3. Phương pháp xây dựng lưới khống chế tọa độ bằng công nghệ GPS
So với các phương pháp truyền thống khi xây dựng lưới khống chế tọa độ
thì phương pháp xây dựng lưới khống chế bằng công nghệ GPS có những ưu
điểm vượt trội hơn phương pháp truyền thống ở chỗ: (Lê Mạnh Hùng, 2013)
- Có thể khống chế trên một vùng lãnh thổ rộng lớn như quốc gia hay châu
lục, trong khi phương pháp truyền thống chỉ khống chế ở một khu vực nhỏ hẹp.
- Không cần phải thông hướng, không cần xây dựng các cột tiêu trên mặt đất
giữa các điểm đo cho nên công tác chọn điểm sẽ có nhiều phương án để lựa chọn.
- Có thể định vị ở thời gian thực và ở thời điểm bất kỳ vị trí nào nếu thu
được tín hiệu vệ tinh: Trên mặt đất, trên biển và trong không gian cho đối tượng
đứng yên hay di động.
- Có thể đo 24 giờ một ngày cho nên thời gian thi công nhanh đem lại
hiệu quả kinh tế cao.
- Độ chính xác lưới cao và đồng đều. Độ chính xác không phụ thuộc vào
đồ hình của lưới cho nên thuận lợi cho công tác thiết kế lưới.
- Công tác xử lý nội nghiệp hoàn toàn tự động theo các chương trình có
sẵn nên kết quả có độ tin cậy cao.
Với những ưu điểm vượt trội hơn so với phương pháp truyền thống nên ngày
nay công nghệ GPS đã được sử dụng rộng rãi với các phương pháp định vị: định vị
tuyệt đối, định vị tương đối (gồm đo tĩnh, đo động).
Phương pháp định vị tương đối tĩnh được sử dụng để xác định hiệu tọa độ
(vị trí tương hỗ) giữa hai điểm xét với độ chính xác cao. Trong trường hợp này
cần có hai máy thu, một máy đặt tại điểm đã biết tọa độ, còn máy kia đặt tại điểm
cần xác định tọa độ. Cả hai máy cần phải đồng thời thu tín hiệu từ một số vệ tinh
chung liên tục trong một khoảng thời gian nhất định, thường từ 60 phút đến vài
ba tiếng đồng hồ. Số vệ tinh chung tối thiểu cho cả hai trạm quan sát là 4 vệ tinh.

Khoảng thời gian quan sát phải kéo dài là đủ để cho đồ hình phân bố vệ tinh thay
đổi mà từ đó ta có thể xác định được số nguyên đa trị của sóng tải và đồng thời là
để có nhiều trị đo nhằm đạt độ chính xác cao và ổn định cho kết quả giám sát.
(Dương Vân Phong và Nguyễn Gia Trọng, 2013)

8


Bên cạnh những ưu điểm vượt trội so với các phương pháp truyền thống
thì phương pháp đo bằng công nghệ GPS cũng có một số hạn chế như:
- Máy móc thiết bị vệ tinh GPS khá đắt tiền nên hiệu quả kinh tế mang lại
chưa cao, đòi hỏi cán bộ tham gia xây dựng và đo lưới GPS phải có kinh nghiệm
và trình độ kỹ thuật cao.
- Công tác chọn điểm theo các nguyên tắc khá nghiêm ngặt.
Hiện nay công nghệ GPS đã và đang được ứng dụng rộng rãi trong công
tác xây dựng lưới địa chính và lưới khống chế đo vẽ để thành lập bản đồ địa
chính các tỷ lệ tại một số địa phương. Qua thực tế thấy rằng công nghệ này có
chiều hướng phát triển tốt, khả năng ứng dụng cao, đem lại hiệu quả cả về kỹ
thuật và kinh tế. (Bùi Thị Hồng Thắm, 2014)
1.2. Khái quát chung về hệ thống định vị toàn cầu (GPS)
1.2.1. Khái quát về GPS
1.2.1.1. Khái niệm về GPS
Tên tiếng Anh đầy đủ của GPS là: Navigation Satellite Timing and Ranging
Global Positioning System. Đây là một hệ thống radio hàng hải dựa vào các vệ tinh để
cung cấp thông tin vị trí 3 chiều và thời gian chính xác. Hệ thống luôn sẵn sàng trên
phạm vi toàn cầu và hoạt động trong mọi điều kiện thời tiết. (Đặng Nam Chinh và Đỗ
Ngọc Đường, 2012)

Hình 1.1 Mô hình hình ảnh trái đất và vệ tinh GPS

9


1.2.1.2. Các thành phần của GPS
GPS gồm 3 đoạn: Đoạn không gian, đoạn điều khiển và đoạn sử dụng. (Đặng
Nam Chinh và Đỗ Ngọc Đường, 2012)
* Đoạn không gian (Space Segment)
Hệ thống ban đầu có 24 vệ tinh, trong đó có 03 vệ tinh dự trữ. Hiện nay đã
có 31 vệ tinh bay xung quanh Trái đất trên 6 quỹ đạo gần tròn cách đều nhau, với
độ cao khoảng 20.200 km, nghiêng với mặt phẳng xích đạo của trái đất một góc 550. Vệ
tinh GPS chuyển động trên quỹ đạo gần như tròn đều với chu kì 718 phút. Với sự phân
bố vệ tinh trên quỹ đạo như vậy trong bất kì thời gian nào và ở bất kì vị trí quan sát nào
trên trái đất cũng có thể quan sát được tối thiểu 4 vệ tinh.
Các vệ tinh GPS có trọng lượng khoảng 1600kg khi phóng và khoảng 800kg
trên quỹ đạo. Theo thiết kế tuổi thọ của vệ tinh khoảng 7,5 năm. Năng lượng cung
cấp cho hoạt động của các thiết bị trên vệ tinh là năng lượng pin mặt trời.
Mỗi vệ tinh được trang bị 4 đồng hồ nguyên tử gồm 2 đồng hồ thuộc loại
censium và 2 đồng hồ thuộc loại rubidium có độ chính xác 10-12 s. Với 4 đồng
hồ này không chỉ có mục đích dự phòng mà còn tạo ra cơ sở giám sát thời gian
và cung cấp giờ chính xác nhất. Thêm vào đó mỗi vệ tinh còn được trang bị bộ
tạo dao động thạch anh rất chính xác.
Tất cả các đồng hồ của hệ thống GPS hoạt động ở tần số chuẩn cơ sở f 0 =
10.23MHz. Tần số này là tần số chuẩn của đồng hồ nguyên tử, với độ chính xác cỡ 10-12
Các vệ tinh GPS đều có thiết bị tạo dao động với tần số cơ sở chuẩn f 0.
Từ tần số cơ sở thiết bị sẽ tạo ra 2 tần số sóng tải L1, L2.
Sóng tải L1 có tần số f1 = 154f0 = 1575,42MHz, có bước sóng l1 = 19,032 cm
Sóng tải L2 có tần số f2 = 120f0 = 1227,60 MHz, có bước sóng l2 = 24,420 cm
Các sóng tải L1, L 2 thuộc dải sóng cực ngắn như vậy các tín hiệu vệ tinh
sẽ ít bị ảnh hưởng của tầng điện li và tầng đối lưu vì mức độ làm chậm tín hiệu
do tầng điện li tỷ lệ nghịch với bình phương của tần số.

Để phục vụ cho các mục đích và đối tượng khác nhau, các tín hiệu phát đi
được điều biến mang theo các code riêng biệt đó là C/A code, P- code và Y – code.
10


- C/A code là code thô cho phép dùng rộng rãi.
- P – code được dùng cho mục đích quân sự (của Mỹ) và chỉ được dùng
cho mục đích khác khi Mỹ cho phép.
- Y – code là code bí mật được phủ lên P- code gọi là kỹ thuật AS (Antin Spoofing).
Người ta ước lượng độ chính xác định vị cỡ 1% bước sóng của tín hiệu.
Như vậy ngay khi sử dụng code thô C/A để định vị thì có thể đạt tới độ chính xác
cỡ 3m. Chính vì thế phía Mỹ chủ động làm nhiễu tín hiệu để hạ thấp độ chính
xác định vị tuyệt đối. Kỹ thuật làm nhiễu này gọi là SA (Selective Availability).
Do nhiễu SA khách hàng chỉ có thể định vị tuyệt đối với độ chính xác cỡ 50 ÷
100m. Từ ngày 20 tháng 5 năm 2000 Mỹ đã bỏ chế độ nhiễu SA.

Hình 1.2 Cấu trúc tín hiệu GPS

11


* Đoạn điều khiển (Control Segment)
Mục đích trong đoạn này là kiểm soát vệ tinh đi đúng hướng theo quỹ đạo
và thông tin thời gian chính xác.
Có 5 trạm điều khiển đặt trên mặt đất gồm: ở Hawai (Thái Bình Dương),
Assension Island (Đại Tây Dương), Diego Garcia (Ấn Độ Dương) và Kwajalein
(Tây Thái Bình Dương), MCS (Master Control Station) gần Colorado Spring.
Trạm điều khiển trung tâm MCS (Master Control Station) đặt tại căn cứ
không quân Mỹ gần Colorado Spring.
Các trạm theo dõi đặt tại Hawai (Thái Bình Dương), Assension Island (Đại

Tây Dương), Diego Garcia (Ấn Độ Dương) và Kwajalein (Tây Thái Bình Dương) có
nhiệm vụ theo dõi liên tục tất cả các vệ tinh có thể quan sát được. Số liệu quan sát
được ở các trạm này được chuyển về trạm điều khiển ở trung tâm, tại đây việc tính
toán số liệu được thực hiện và cuối cùng các thông tin đạo hàng cập nhật được chuyển
lên các vệ tinh để sau đó từ vệ tinh chuyển đến các máy thu của người sử dụng. Như
vậy vai trò của đoạn điều khiển là rất quan trọng vì nó không chỉ theo dõi các vệ tinh
mà còn liên tục cập nhật để chính xác hoá các thông tin đạo hàng đảm bảo độ chính
xác cho công tác định vị bằng hệ thống GPS.

Hình 1.3 Các trạm điều khiển GPS
12


* 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 các mục đích và yêu cầu khác nhau của khách hàng
kể cả ở trên trời, trên biển và trên đất liền. Đó có thể là một máy thu riêng biệt
hoạt động độc lập (Trường hợp định vị tuyệt đối) hay một nhóm gồm từ hai máy
thu trở lên hoạt động đồng thời theo một lịch trình thời gian nhất định (Trường
hợp định vị tương đối) hoặc trường hợp hoạt động theo chế độ một máy thu đóng
vai trò là máy chủ phát tín hiệu vô tuyến hiệu chỉnh cho các máy thu khác
(Trường hợp định vị vi phân). Đó còn là cả một hệ thống dịch vụ đạo hàng GPS
đa năng trên phạm vi toàn cầu hoặc ở từng khu vực đang được thiết lập ở một số
nước phát triển.

Hình 1.4 Các thành phần chính của GPS
1.2.2. Các đại lượng đo GPS
Việc định vị bằng công nghệ GPS thực hiện trên cơ sở sử dụng hai dạng
đại lượng đo cơ bản, đó là đo khoảng cách giả theo các code tựa ngẫu nhiên
(C/A-code và P-code) và đo pha của sóng tải (L1, L2). (Đặng Nam Chinh và Đỗ

Ngọc Đường, 2012)

13


1.2.2.1. Đo khoảng cách giả theo C/A-code và P-code
Code tựa ngẫu nhiên được phát đi từ vệ tinh cùng với sóng tải. Máy thu
GPS cũng tạo ra code tựa ngẫu nhiên đúng như vậy. Bằng cách so sánh code thu
từ vệ tinh và code của chính máy thu tạo ra có thể xác định được khoảng thời
gian lan truyền của tín hiệu code, từ đó dễ dàng xác định được khoảng cách từ vệ
tinh đến máy thu (đến tâm anten của máy thu). Do có sự không đồng bộ giữa
đồng hồ của vệ tinh và máy thu, do có ảnh hưởng của môi trường lan truyền tín
hiệu nên khoảng cách tính theo khoảng thời gian đo được không phải là khoảng
cách thực giữa vệ tinh và máy thu, đó là khoảng cách giả.

1 1 0 0 0 1 1 1 1 0 1 0 0 0 1 1
Code chuyền từ vệ tinh
1 1 0 0 0 1 1 1 1 0 1 0 0 0 1
Code thu được
1 1 0 0 0 1 1 1 1 0 1 0 0 0 1
Code do máy thu tạo ra
∆δ
∆t
Hình 1.5 Xác định hiệu số giữa các thời điểm
Nếu ký hiệu tọa độ của vệ tinh là xs, ys, zs; tọa độ của điểm xét (máy thu)
là x,y,z; thời gian lan truyền tín hiệu từ vệ tinh đến điểm xét là t, sai số không
đồng bộ giữa đồng hồ trên vệ tinh và trong máy thu là ∆t, khoảng cách giả đo
được là R, ta có phương trình:

R = c(t + ∆t ) = ( x s − x) 2 + ( y s − y ) 2 + ( z s − z ) 2 + c∆t

Với c là tốc độ lan truyền tín hiệu.
Trong trường hợp sử dụng C/A-code, theo dự tính của các nhà thiết kế hệ
thống GPS, kỹ thuật đo khoảng thời gian lan truyền tín hiệu chỉ có thể đảm bảo độ
chính xác đo khoảng cách tương ứng khoảng 30m. Nếu tính đến ảnh hưởng của
điều kiện lan truyền tín hiệu, sai số đo khoảng cách theo C/A code sẽ ở mức 100m
14