ứng dụng hệ thống định vị toàn cầu xây dựng lưới địa chính huyện lục nam tỉnh bắc giang

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT

HỌC VIỆN NÔNG NGHIỆP VIỆT NAM

NGUYỄN NGỌC QUYỀN

ỨNG DỤNG HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ TOÀN CẦU XÂY DỰNG
LƯỚI ĐỊA CHÍNH HUYỆN LỤC NAM TỈNH BẮC GIANG

CHUYÊN NGÀNH: QUẢN LÝ ĐẤT ĐAI
MÃ SỐ: 60 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 đo đạc 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 Ngọc Quyền

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.
TS. Lê Minh Tá đã hết lòng quan tâm, trực tiếp hướng dẫn tôi trong
quá trình thực hiện đề tài.
Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Sở Tài nguyên và Môi
trường tỉnh Bắc Giang đã tạo điều kiện giúp đỡ cho tôi trong suốt thời gian
làm luận văn tốt nghiệp.
Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành đến gia đình, bạn bè, các đồng
nghiệp 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 Ngọc Quyền

iii

MỤC LỤC
Lời cam đoan....................................................................................................... ii
Lời cảm ơn ......................................................................................................... iii
Mục lục .............................................................................................................. iv
Danh mục chữ viết tắt ........................................................................................ vii
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.......................................................................................... 2
3. Yêu cầu của đề tài............................................................................................ 2
Chương 1. TỔNG QUAN TÀI LIỆU................................................................... 4
1.1. Khái quát chung về lưới khống chế tọa độ .................................................... 4
1.1.1. Khái niệm về lưới khống chế trắc địa .................................................. 4
1.1.2. Vai trò của lưới trắc địa tọa độ Nhà nước ............................................ 4
1.2. Các phương pháp xây dựng lưới khống chế tọa độ ........................................ 4
1.2.1. Lưới tam giác đo góc .......................................................................... 4
1.2.2. Lưới tam giác đo cạnh......................................................................... 5
1.2.3. Lưới đường chuyền ............................................................................ 5
1.2.4. Lưới trắc địa vệ tinh ............................................................................ 5
1.3. Nguyên lý hoạt động của hệ thống định vị GPS ............................................ 6
1.4. Các đại lượng đo......................................................................................... 11
1.4.1. Đo khoảng cách giả theo code:......................................................... 11
1.4.2. Đo pha sóng tải ................................................................................ 12
1.5. Các phương pháp định vị ............................................................................ 13
1.5.1. Định vị GPS tuyệt đối ...................................................................... 13
1.5.2. Định vị GPS tương đối:.................................................................... 13
1.5.3. Ưu điểm, nhược điểm của phương pháp định vị GPS ........................ 16
1.6. Các loại sai số chủ yếu trong kết quả đo GPS ............................................. 17
1.6.1. Sai số của quỹ đạo vệ tinh ................................................................ 17

iv


1.6.2. Sai số do tầng điện ly và tầng đối lưu ................................................ 18
1.6.3. Sai số do nhiễu xạ của các tín hiệu vệ tinh ........................................ 19
1.6.4. Sai số của đồng hồ ............................................................................ 20
1.6.5. Sai số người đo ................................................................................ 20
1.7. Tình hình xây dựng hệ thống lưới khống chế tọa độ sử dụng công nghệ
GPS trên thế giới và ở Việt Nam ................................................................ 22
1.7.1. Trên thế giới .................................................................................... 22
1.7.2. Ở Việt Nam....................................................................................... 26
1.7.3. Quy trình xây dựng lưới GPS ............................................................ 28
1.8. Giới thiệu chung về chương trình TTC 2.73 để xử lý, bình sai lưới GPS..... 29
Chương 2. NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ......................... 30
2.1. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ............................................................... 30
2.2. Nội dung nghiên cứu .................................................................................. 30
2.3. Phương pháp nghiên cứu ............................................................................ 30
2.3.1. Phương pháp điều tra số liệu thứ cấp................................................ 30
2.3.2. Phương pháp xây dựng lưới địa chính .............................................. 30
2.3.3. Phương pháp xử lý số liệu đo bằng phần mềm TTC 2.73 ................. 31
2.3.4. Phương pháp tổng hợp, phân tích, so sánh ....................................... 31
2.3.5. Phương pháp kiểm tra nghiệm thu .................................................... 31
Chương 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN .......................................................... 32
3.1. Đặc điểm, tình hình huyện Lục Nam và điều kiện tự nhiên – kinh tế xã
hội khu đo 02 xã Vô Tranh, Bình Sơn huyện Lục Nam tỉnh Bắc Giang ...... 32
3.1.1. Khái quát đặc điểm, tình hình chung của huyện Lục Nam ................. 32
3.1.2. Điều kiện tự nhiên – kinh tế xã hội khu đo ........................................ 32
3.2. Thu thập các loại tư liệu, tài liệu trắc địa và bản đồ..................................... 37
3.2.1. Xã Vô Tranh ..................................................................................... 37

3.2.2. Xã Bình Sơn ..................................................................................... 37
3.2.3. Các số liệu gốc phục vụ cho xây dựng lưới địa chính ....................... 38
3.3. Xây dựng lưới địa chính cụm 02 xã Vô Tranh và Bình Sơn huyện Lục Nam......... 38
3.3.1. Các văn bản áp dụng trong thiết kế thi công ..................................... 38

v


3.3.2. Nguyên tắc thiết kế lưới địa chính .................................................... 39
3.3.3. Phương án thiết kế ............................................................................ 40
3.3.4. Tổ chức đo lưới địa chính ................................................................. 44
3.3.5. Xử lý kết quả đo lưới GPS bằng phần mềm TTC 2.73 ..................... 49
3.3.6. Sơ đồ thi công lưới GPS và đánh giá kết quả bình sai lưới 02 xã ...... 62
3.4. Kiểm tra nghiệm thu và đánh giá phương pháp đo lưới: .............................. 67
3.4.1. Kiểm tra nghiệm thu ......................................................................... 67
3.4.2. Đánh giá phương pháp đo lưới .......................................................... 68
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ........................................................................... 70
KẾT LUẬN ....................................................................................................... 70
KIẾN NGHỊ ...................................................................................................... 71

vi


DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT
BTNMT

Bộ Tài nguyên và Môi trường

EDOP

Easrhing Dilution Of Presition

GPS

Global Positioning System

GNSS

Global Navigation Satellite System

GLONASS

Global Orbitting Navigation Satellite System

NAVSTAR GPS

Navigation Satellite Providing Timming and
Ranging Global Positioning System

NDOP

Northing Dilution Of Presition

Ratio

Tỉ số phương sai

Reference Variance

Độ chênh lệch tham khảo

Rms

Sai số chiều dài cạnh

SSTP

Sai số trung phương

TDOP

Time Dilution Of Presition

UBND

Ủy ban nhân dân

UTM

Universal Transverse Mercator

VT

Vệ tinh

VDOP

Vertical Dilution Of Presition

vii

DANH MỤC BẢNG
Số bảng

Tên bảng

Trang

3.1.

Số hiệu điểm tọa độ gốc (1) ................................................................... 41

3.2.

Thống kê các cạnh thông hướng (1) ....................................................... 42

3.3.

Số hiệu điểm tọa độ gốc (2) ................................................................... 43

3.4.

Thống kê các cạnh thông hướng (2) ....................................................... 43

3.5.

Số lượng điểm GPS đã đo ...................................................................... 62

3.6.

Tiêu chí đánh giá chất lượng lưới địa chính ........................................... 62

3.7.

Tiêu chí đánh giá chất lượng lưới địa chính đo bằng công nghệ GPS........... 63

3.8:

Bảng tọa độ vuông góc không gian sau bình sai (1) ............................... 65

3.9:

Bảng tọa độ vuông góc không gian sau bình sai (2) ............................... 66

3.10.

So sánh kết quả đạt được với quy phạm hiện hành ................................. 67

3.11.

So sánh kết quả xử lý được với kết quả đo kiểm tra ............................... 68

viii


DANH MỤC HÌNH
Số hình

Tên hình

Trang

1.1

Hình ảnh trái đất và vệ tinh GPS ............................................................7

1.2

Vệ tinh và quỹ đạo vệ tinh GPS ..............................................................8

1.3

Các thông tin điều biến sóng tải L1, L2 ...................................................9

1.4

Sơ đồ vị trí các trạm theo dõi và trạm điều khiển GPS .......................... 10

1.5

Đo khoảng cách giả theo code .............................................................. 11

1.6

Hệ thống định vị toàn cầu của Mỹ ........................................................ 23

1.7

Hệ thống định vị toàn cầu GLONASS của Nga .................................... 24

1.8

Quy trình xây dựng lưới GPS ............................................................... 28

1.9

Giao diện phần mềm Trimble Total Control ......................................... 29

3.1

Modul lập lịch đo trong Trimble Total Control ..................................... 44

3.2

Cài đặt các thông số lập lịch đo ............................................................ 45

3.3

Số lượng vệ tinh ................................................................................... 46

3.4

Sự phân bố vệ tinh trên bầu trời............................................................ 46

3.5

Máy GPS 1 tần số Hitarget V30X......................................................... 47

3.6

Điểm địa chính BS - 24 ........................................................................ 49

3.7

Tạo mới Project .................................................................................... 50

3.8

Nhập số liệu từ máy thu GPS................................................................ 50

3.9

Cửa sổ Insert Files into Project .............................................................. 51

3.10

Cửa sổ Receiver Raw Data Import...................................................... 52

3.11

Cửa sổ Process Option.......................................................................... 53

3.12

Cửa sổ Processing Options ................................................................... 53

3.13

Cửa sổ Scan Satellites .......................................................................... 54

3.14

Cửa sổ Loop Closure Report ................................................................ 55

3.15

Cửa sổ Coordinate System Manager ..................................................... 57

3.16

Cửa sổ Coordinate System Group Parameters ...................................... 58

3.17

Hộp thoại Type chọn Free .................................................................... 59

3.18

Cửa sổ Adjustment Reports (1)............................................................. 59

3.19

Hộp thoại Type chọn Biased................................................................. 60

3.20

Cửa sổ Adjustment Reports (2)............................................................ 61

3.21

Hộp thoại Type chọn National Biased .................................................. 61

ix


MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Công tác quản lý Nhà nước về đất đai trong giai đoạn hiện nay cũng như
trong tương lai lâu dài luôn giữ vai trò quan trọng trong việc phát triển kinh tế xã hội, bảo vệ môi trường, giữ vững an ninh, quốc phòng và toàn vẹn lãnh thổ
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 2, Điều 6 của Luật Đất đai
năm 2003. 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 chínhđã được quy
định tại Điều 19 của Luật Đất đai năm 2003.
Căn cứ Luật đất đai ngày 29 tháng 11 năm 2013; căn cứ Nghị định số
45/2015/NĐ-CP ngày 06 tháng 05 năm 2015 của Chính phủ về hoạt động đo đạc
và bản đồ; căn cứ Nghị định số 21/2013/NĐ-CP ngày 04 tháng 3 năm 2013 của
Chính phủ về quy định chức năng, nhiệm vụ, quyền hạn và cơ cấu tổ chức của Bộ
Tài nguyên và Môi trường; căn cứ “Quy phạm thành lập bản đồ địa chính tỷ lệ
1:200, 1:500, 1:1000, 1:2000, 1:5000 và 1:10000” do Bộ Tài nguyên và Môi
trường ban hành năm 2008 áp dụng thống nhất trong cả nước đối với việc đo đạc,
thành lập bản đồ địa chính phục vụ công tác quản lý đất đai.
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.
Ở Việt Nam từ năm 1990 hệ thống định vị toàn cầu đã được ứng dụng và

1


ngày càng phát triển. Công nghệ GPS đã được ứng dụng xây dựng mạng lưới tọa
độ Nhà nước từ cấp “0” đến lưới địa chính cơ sở (cấp III Nhà nước).
Hiện nay, công nghệ GPS đã được ứng dụng để xây dựng lưới khống chế
tọa độ các cấp để thành lập bản đồ địa chính từ lưới địa chính đến lưới đo vẽ.
Công nghệ GPS ngày càng phát triển hoàn thiện theo chiều hướng chính
xác, hiệu quả, thuận tiện hơn và được sử dụng rộng rãi. Người ta đã sử dụng công
nghệ GPS để xây dựng lưới tọa độ nhà nước thay thế cho các phương pháp
truyền thống, đạt được độ chính xác cao.
Huyện Lục Nam, 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 phải thành lập được
bản đồ địa chính có độ chính xác cao trong một hệ tọa độ thống nhất trong
toàn huyện. Muốn có được điều đó cần phải xây dựng hệ thống lưới địa chính
trên địa bàn huyện.
Để góp phần đưa công nghệ mới vào sản xuất, xây dựng hệ thống lưới địa
chính huyện Lục Nam, tỉnh Bắc Giang, dưới sự hướng dẫn của Tiến Sỹ Lê Minh
Tá, tôi tiến hành nghiên cứu đề tài: “Ứng dụng hệ thống định vị toàn cầu xây
dựng lưới địa chính huyện Lục Nam tỉnh Bắc Giang”
2. Mục đích của đề tài
Ứng dụng công nghệ GPS vào xây dựng lưới địa chính huyện Lục Nam,
tỉnh Bắc Giang.
3. Yêu cầu của đề tài

Lưới địa chính của huyện Lục Nam tỉnh Bắc Giang được thiết kế đảm bảo
mật độ điểm hợp lý, phục vụ cho công tác thành lập bản đồ địa chính các loại tỉ
lệ. Lưới thiết kế phải có tính khả thi và hiệu quả kinh tế cao.
Công tác tổ chức đo lưới GPS phải thỏa mãn yêu cầu kỹ thuật theo quy
phạm hiện hành.
Các kết quả bình sai và đánh giá độ chính xác của lưới địa chính huyện
Lục Nam tỉnh Bắc Giang phải thỏa mãn yêu cầu của quy phạm hiện hành.

2


Dựa trên công nghệ đo GPS để xây dựng lưới khống chế địa chính phục
vụ công tác thành lập bản đồ địa chính, thay thế cho phương pháp xây dựng lưới
truyền thống, góp phần đưa công nghệ mới vào sản xuất nhằm nâng cao độ chính
xác, mang lại hiệu quả kinh tế - kỹ thuật trong thực tế sản xuất. Từ các kết quả
đạt được, đưa ra khả năng ứng dụng của công nghệ GPS đối với các huyện miền
núi của tỉnh Bắc Giang.

3


Chương 1. TỔNG QUAN TÀI LIỆU
1.1. Khái quát chung về lưới khống chế tọa độ
1.1.1. Khái niệm về lưới khống chế trắc địa
Lưới trắc địa là hệ thống các điểm được đánh dấu bằng các mốc bê tông,
liên kết với nhau theo một quy luật toán học nhất định; thông qua các trị đo góc,
chiều dài, góc phương vị, từ một điểm có tọa độ có thể tính ra tọa độ các điểm
khác trong lưới (qua quá trình xử lý toán học các kết quả đo).
Trong quá trình xây dựng, người ta chia lưới trắc địa thành 3 loại: Lưới trắc địa
Nhà nước, lưới trắc địa khu vực (lưới địa chính) và lưới đo vẽ.

Theo chức năng nhiệm vụ lưới trắc địa được chia ra các loại: lưới toàn
cầu, lưới quốc gia, lưới địa phương và lưới chuyên dùng (Dương Vân Phong và
Nguyễn Gia Trọng, 2013).
1.1.2. Vai trò của lưới trắc địa tọa độ Nhà nước
Lưới trắc địa tọa độ hạng cao Nhà nước có vai trò và nhiệm vụ sau:
Nghiên cứu chi tiết hình dáng kích thước, thể trọng trường của trái đất và
những thay đổi của chúng theo thời gian.
Thiết lập hệ tọa độ thống nhất trên phạm vi toàn quốc nhằm thỏa mãn các
yêu cầu xây dựng kinh tế và quốc phòng.
Lưới trắc địa các cấp làm cơ sở xây dựng lưới khống chế để đo vẽ các loại
bản đồ địa hình, địa chính và các loại tỷ lệ trong phạm vi quốc gia; định hướng
cho các công tác nghiên cứu khoa học và kỹ thuật về trái đất như địa chất, địa
động học, bảo vệ tài nguyên và môi trường (Dương Vân Phong và Nguyễn Gia
Trọng, 2013).
1.2. Các phương pháp xây dựng lưới khống chế tọa độ
1.2.1. 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

4


và đa giác trung tâm (Trần Hồng Quang, 2001).
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) (Dương Vân Phong và Nguyễn Gia Trọng, 2013).

1.2.2. 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 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).
1.2.3. 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 (Trần Bạch Giang, 1995).
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).
1.2.4. Lưới trắc địa vệ tinh
Các phương pháp xây dựng lưới nêu trên có nhược điểm là phải thông
hướng giữa các điểm liền kề. Do ảnh hưởng của chiết quang và độ cong trái đất

5


nên không xây dựng lưới cạnh dài.
Để xây dựng lưới cạnh dài hoặc nối các lưới ở xa nhau có độ chính xác cao,
từ những năm 60 của thế kỷ XX ra đời phương pháp mới gọi là trắc địa vệ tinh.
Đầu tiên người ta chụp ảnh vệ tinh nhân tạo trên nền sao, xác định hướng

từ điểm ngắm đến vệ tinh, khoảng cách từ điểm ngắm đến vệ tinh được đo bằng
máy đo khoảng cách Lazer đến vệ tinh.
Sai số vị trí điểm mặt đất cần định vị từ chỗ 100m sau đó chỉ còn 10m.
Thập kỷ 70 với kỹ thuật Doppler vệ tinh độ chính xác đạt cỡ định vị đạt cỡ vài
dm thậm chí vài mm.
Các điểm vệ tinh không cần thông hướng, khoảng cách giữa các điểm từ
vài Km đến hàng nghìn Km. Bất cứ lúc nào, bất cứ ở đâu nếu thu tín hiệu tốt đều
có thể định vị điểm mặt đất (Trần Bạch Giang, 2003).
Năm 1973 hệ thống GPS được thiết kế và nhanh chóng đạt được những
hiệu quả đáng kể.
Ở Việt Nam, các ứng dụng của công nghệ GPS mới chỉ bắt đầu từ những
năm 1990, song chúng ta đã khai thác có hiệu quả trong công tác xây dựng và
hoàn thiện mạng lưới thiên văn quốc gia. Xây dựng mạng lưới trắc địa biển, liên
kết đất liền với các hải đảo, góp phần xây dựng cơ sở dữ liệu hình thành hệ quy
chiếu VN-2000. Công nghệ GPS còn được áp dụng để thành lập lưới địa chính
cơ sở phục vụ công tác đo vẽ bản đồ địa chính trong cả nước (Dương Vân Phong
và Nguyễn Gia Trọng, 2013).
1.3. Nguyên lý hoạt động của hệ thống định vị GPS
Hệ thống định vị toàn cầu GPS là hệ thống bao gồm các vệ tinh bay trên
quỹ đạo, thu thập thông tin toàn cầu và được xử lý bởi các trạm điều khiển trên
mặt đất.Trong cùng một thời điểm, ở một vị trí trên mặt đất nếu xác định được
khoảng cách đến ba vệ tinh (tối thiểu) thì sẽ tính được toạ độ của vị trí đó
(Nguyễn Đức Hùng, 2006).

6


Hình 1.1: Hình ảnh trái đất và vệ tinh GPS
Ban đầu nhiệm vụ chủ yếu của hệ thống là xác định tọa độ và tốc độ
chuyển động của điểm xét trên tàu vũ trụ, máy bay, tàu thủy và trên đất liền phục

vụ cho Bộ Quốc phòng Mỹ.
Vào đầu thập kỷ 80, bộ quốc phòng Mỹ đã chính thức cho phép sử
dụng GPS trong dân sự. Từ đó các nhà khoa học của nhiều nước đã tập trung
nghiên cứu phát triển công nghệ GPS để đạt được những thành quả cao nhất
trong việc phát huy nguồn tiềm năng to lớn này. Hướng nghiên cứu chủ yếu
đi vào các lĩnh vực: Chế tạo máy thu tín hiệu, xây dựng phần mềm xử lý tín
hiệu đáp ứng cho nhiều mục đích, thiết lập và phát triển công nghệ ứng dụng
trong các chuyên ngành.Hệ thống luôn sẵn sàng trên phạm vi toàn cầu và
hoạt động trong mọi điều kiện thời tiết.
Các thành phần của hệ thống GPS:
Hệ thống định vị toàn cầu GPS bao gồm 3 bộ phận:
- Đoạn không gian ( Space Segment )
- Đoạn điều khiển ( Control segment )
- Đoạn sử dụng ( User Segment )
*Đoạn không gian:
Đoạn không gian đến nay bao gồm 31 vệ tinh chuyển động trên 6 mặt
phẳng quỹ đạo. Vệ tinh chuyển động ở độ cao khoảng 20200 Km. Mặt phẳng quỹ

7


đạo nghiêng so với mặt phẳng xích đạo Trái đất một góc 550, mỗi quỹ đạo của mỗi
vệ tinh cách nhau 600 kinh. Chu kỳ chuyển động của vệ tinh là gần 12h đồng hồ.
Tất cả các vệ tinh GPS đều có thiết bị tạo dao động tần số chuẩn cơ sở f0 = 10.23
MHz. Từ tần số cơ sở f0 sẽ tạo ra hai tần số sóng tải L1, L2.

Hình 1.2: Vệ tinh và quỹ đạo vệ tinh GPS
L1 = 154f0 = 1575.42 MHz.
L2 = 120f0 = 1227.60 MHz.
Các sóng tải này được điều khiển bởi các mã, mã C/A và mã P.

Mã C/A ( Coarse/Accquisition code ) là mã thô cho phép sử dụng rộng rãi.
Mã C/A là một chuỗi nhị phân mang tính chất tựa ngẫu nhiên, có tần số
1.023MHz, tương ứng với bước sóng 293 m. Chu kỳ của mã C/A là 1 mi-li-giây,
mỗi vệ tinh phát đi một mã C/A khác nhau và mã C/A chỉ điều biến sóng tải L1.
Mã P (Precission code) là mã chính xác, được dùng cho mục đích quân sự
là chủ yếu. Mã P cũng là một chuỗi nhị phân nhưng phức tạp hơn, có tần số
10.23 MHz tương ứng với bước sóng 29.3 m, có chu kỳ 267 ngày. Người ta chia
mã P thành 38 đoạn, mỗi đoạn dài 7 ngày và mỗi đoạn điều biến cho một vệ tinh,
sau 7 ngày lại thay đổi. Bằng cách chia và điều biến này mã P rất khó bị giải mã.
Theo thiết kế độ chính xác định vị GPS có thể đạt độ chính xác cỡ 1% độ dài
bước sóng, nghĩa là chỉ với mã thô C/A cũng có thể đạt độ chính xác cỡ 3 m.
Chính vì thế phía Mỹ đã chủ động làm nhiễu tín hiệu bằng kỹ thuật SA (Selective

8


Availability) nhằm hạ thấp độ chính xác định vị. Từ ngày 20-05-2000 Mỹ đã bỏ
chế độ nhiễu SA.
L1: C/A-code 1.023 MHz
P - code 10.23 MHz
Thông tin đạo hàng
L2: P - code 10.23 MHz
Thông tin đạo hàng
Hình 1.3: Các thông tin điều biến sóng tải L1, L2
Ngoài hai sóng tải L1 và L2 phục vụ cho mục đích định vị cho người sử
dụng, các vệ tinh còn dùng hai sóng tần số 1783.74 MHz và 2227.5 MHz để trao
đổi thông tin với các trạm điều khiển trên mặt đất.
*Đoạn điều khiển:
Đoạn điều khiển bao gồm một trạm điều khiển trung tâm đặt tại Colorado
Springs và bốn trạm theo dõi phân bố đều quanh Trái Đất đặt tại Hawaii (Thái

Bình Dương), Ascension Island (Đại Tây Dương), DiegoGarcia (Ấn Độ Dương)
và Kwajalein (Tây Thái Bình Dương).
Tất cả 5 đều là trạm giám sát, theo dõi vệ tinh và truyền dữ liệu đến trạm
điều khiển chính.
Trạm đặt tại Colorado Springs là trạm điều khiển chính (MSC). Tại đó dữ
liệu theo dõi được xử lý nhằm tính toạ độ và số hiệu chỉnh đồng hồ vệ tinh.
Ba trạm tại Ascension, Diego Garcia và Kwajalein là các trạm nạp dữ liệu
lên vệ tinh.
Các trạm này liên tục theo dõi sự hoạt động của các vệ tinh. Đồng thời
trên mỗi trạm theo dõi đều có các mày thu GPS, chúng đo khoảng cách, sự thay
đổi khoảng cách và cả các số liệu khí tượng. Các số liệu này được gửi tới trạm
trung tâm xử lý tính toán, kết quả tính toán là các lịch vệ tinh (Ephemerit) và số

9


cải chính đồng hồ vệ tinh. 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, nó không chỉ
điều chỉnh, theo dõi mọi hoạt động của các vệ tinh mà còn liên tục cập nhật các
loại thông tin bổ trợ để chính xác hóa các thông tin đạo hàng, đảm bảo độ chính
xác khi định vị.

Hình 1.4: Sơ đồ vị trí các trạm theo dõi và trạm điều khiển GPS
*Đoạn sử dụng:
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 các yêu cầu khác nhau cả ở trên
biển, trên không và trên đất liền. Đó có thể là một máy thu riêng hoạt động độc lập
(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 (định vị tương đối) hoặc hoạt động theo chế

độ máy thu đóng vai trò máy chủ phát tín hiệu vô tuyến hiệu chỉnh cho các máy
thu khác (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 (Đặng Nam Chinh và Đỗ Ngọc Đường, 2012).

10


1.4. Các đại lượng đo
1.4.1. Đo khoảng cách giả theo 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 ;
Với

t – thời gian lan truyền từ tín hiệu vệ tinh đến điểm xét;
∆ t – sai số không đồng bộ giữa đồng hồ vệ tinh và máy thu;

R – khoảng cách giả đo được;
Tín hiệu vệ tinh

Tín hiệu máy thu
t
Hình 1.5: Đo khoảng cách giả theo code
Nếu ký hiệu: Xs , Ys , Zs – là tọa độ của vệ tinh; X , Y, Z - toạ độ của
điểm. Khi đó ta có thể viết :
R = c( t + ∆ t ) =

(X S − X) 2 + (YS − Y) 2 + (ZS − Z) 2 + c ∆ t

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 cỡ 30 m. Nếu tính đến ảnh hưởng của điều kiện lan
truyền tín hiệu, thì sai số đo khoảng cách theo C/A – code sẽ ở mức 100 mét, với
mức này chính phủ mỹ chấp nhận để cho khách hàng khai thác sử dụng. Song kỹ
thuật xử lý tín hiệu code này đã phát triển đến mức có thể đạt độ chính xác đo
khoảng cách tới mức 3 m tức là hầu như không thua kém so với trường hợp sử
dụng P – code mà phía Mỹ không cho khách hàng sử dụng. Chính vì lý do này

11


phía Mỹ phải đưa ra giải pháp SA để hạn chế khả năng thực tế của C/A – code
(Đặng Nam Chinh và Đỗ Ngọc Đường, 2012).
1.4.2. Đo pha sóng tải
Trong các công tác của trắc địa, đo khoảng cách giả (Pseudo Range) theo
pha các sóng tải L1 và L2 cho độ chính xác cao, nên phương pháp đo này được
ứng dụng nhiều hơn cả.
Việc đo khoảng cách giả theo pha sóng tải được thực hiện như sau: máy
thu GPS thu tín hiệu vệ tinh và đo hiệu số giữa pha của sóng tải của vệ tinh
với pha của tín hiệu do chính máy thu tạo ra. Nếu ký hiệu pha sóng tải là Ф
(0< Ф < 2П);
Khi đó ta có thể viết:

Ф=

2П

(R − Nλ + c∆t)
λ

Trong đó:
R - là khoảng cách giữa vệ tinh và máy tâm anten máy thu
λ – bước sóng của sóng tải
N – số nguyên lần bước sóng chứa trong R, hoặc còn được gọi là số nguyên đa
trị. N thường không biết trước mà phải xác định trong quá trình đo
∆t– sai số không đồng bộ giữa đồng hồ của vệ tinh và của máy thu
Người ta tìm cách xác định chắc chắn số nguyên lần chu kỳ N và từ số lẻ
hiệu pha đo được có thể xác định được khoảng cách giả R từ máy thu tới vệ tinh
theo công thức:
R = c.

ϕ
2π . f

Đo cạnh theo pha sóng tải có thể đạt được độ chính xác cỡ 1% độ dài bước
sóng, tức là cỡ 1.9 mm với sóng tải L1, với sóng tải L2 thì độ chính xác kém hơn
nhưng tác dụng chủ yếu của nó là kết hợp với sóng tải L1 tạo ra khả năng để làm giảm
ảnh hưởng của tầng điện li đến độ chính xác xác định cạnh, đồng thời xác định số
nguyên N đa trị được đơn giản hơn (Đặng Nam Chinh và Đỗ Ngọc Đường, 2012).

12


1.5. Các phương pháp định vị
1.5.1. Định vị GPS tuyệt đối
Định vị tuyệt đối là sử dụng một máy thu GPS đặt tại điểm cần xác định vị
trí, thu tín hiệu vệ tinh và xử lý, kết quả định vị là tọa độ vuông góc không gian

(X,Y,Z) hoặc tọa độ trắc địa (B,L,H) của điểm đặt máy.
Định vị tuyệt đối dựa trên cơ sở giao hội không gian từ các điểm đã biết
tọa độ là các vệ tinh, các đại lượng đo ở đây là các khoảng cách giả từ máy thu
tới vệ tinh. Độ chính xác có thể đạt được cỡ 3 m tới 20 m thậm chí kém hơn.
Trong phương pháp định vị này, ẩn số là 3 thành phần tọa độ (X,Y,Z) hay
(B,L,H) của điểm đo, ngoài ra do sai số của đồng hồ máy thu và đồng hồ vệ tinh
nên coi chúng là ẩn số thứ tư cần xác định.
Với mỗi trị đo, ta viết được một phương trình:
(XSi – X)2 + (YSi – Y)2 + (ZSi - Z)2 = (RSi – c.∆t)2
Để xác định các ẩn số cần 4 trị đo khoảng cách giả, tức là máy thu cần
quan sát đồng thời 4 vệ tinh. Trên thực tế, cùng thời điểm chúng ta thường
quan sát 6 đến 8 vệ tinh và lúc này hệ phương trình được lập từ các phương
trình trên được giải theo nguyên lý số bình phương nhỏ nhất (Đặng Nam
Chinh và Đỗ Ngọc Đường, 2012).
1.5.2. Định vị GPS tương đối:
a. Nguyên lý
Định vị tương đối là sử dụng ít nhất 2 máy thu đặt tại các điểm quan sát
khác nhau, tiến hành thu tín hiệu vệ tinh đồng thời và xác định các hiệu tọa độ
(∆X, ∆Y, ∆Z) hoặc (∆B, ∆L, ∆H). Nói cách khác, định vị tương đối là xác định
vector giữa 2 điểm đặt máy, được gọi là baseline.
Để đạt được độ chính xác cao, người ta đã tạo ra các sai phân khác nhau
nhằm làm giảm ảnh hưởng của một số nguồn sai số.
Ký hiệu Φ(ti) là hiệu pha của sóng tải từ vệ tinh j đo được tại trạm r vào
thời điểm ti, khi đó nếu hai trạm đo 1 và 2 ta quan sát đồng thời vệ tinh j vào thời
điểm ti, ta sẽ có sai phân bậc một (single differences) được biểu diễn như sau:
∆1Φj(ti)= Φ2j(ti)- Φ1j(ti)

13

Trong sai phân này hầu như không còn ảnh hưởng của sai số đồng hồ vệ tinh.
Nếu hai trạm cùng tiến hành quan sát đồng thời hai vệ tinh j và k vào thời
điểm ti, ta có phân sai bậc hai (double diferences):
∆2Φj,k(ti)= ∆1Φk(ti)- ∆1Φj(ti)
Qua công thức này ta thấy không còn ảnh hưởng của sai số đồng hộ vệ
tinh và máy thu.
Nếu xét hai trạm cùng tiến hành quan sát đồng thời hai vệ tinh j và k vào
thời điểm ti và ti+1, ta sẽ có phân sai bậc ba (triple differences):
∆3Φj,k(ti)= ∆2Φj,k(ti+1)- ∆2Φj,k(ti)
Trong sai phân này đã loại bỏ được sai số số nguyên đa trị.
Định vị tương đối được thực hiện trên nguyên tắc đo pha sóng tải và hạn
chế được nhiều nguồn sai số chung của hai điểm đặt máy, độ chính xác có thể đạt
được lên tới cỡ mi-li-mét trên khoảng cách hàng trăm ki-lo-mét.
Trong định vị tương đối, người ta sử dụng các phương pháp đo: đo tĩnh,
đo động và đo giả động (Đặng Nam Chinh và Đỗ Ngọc Đường, 2012).
b. Đo tĩnh:
Phương pháp đo tĩnh được sử dụng để xác định hiệu tọa độ (hay vị trí
tương hỗ) giữa hai điểm xét với độ chính xác cao, thường là nhằm đáp ứng các
yêu cầu của công tác trắc địa – địa hình. Trong trường hợp này cả hai máy cùng
phải đồng thời thu tín hiệu từ một số vệ tinh chung liên tục trong một khoảng
thời gian nhất định. Số vệ tinh chung tối thiểu cho cả hai trạm quan sát là ba,
nhưng thường được lấy là bốn để đề phòng trường hợp thu tín hiệu vệ tinh bị
gián đoạn. Khoảng thời gian quan sát phải kéo dài là đủ để cho đồ hình phân bố
vệ tinh thay đổi từ đó ta có thể xác định được số nguyên đa trị của sóng tải và
đồng thời để có nhiều trị đo nhằm đạt được độ chính xác cao và ổn định.
Phương pháp đo tĩnh cho phép đạt được độ chính xác cao nhất trong định
vị tương đối bằng GPS, có thể cỡ cen-ti-mét, thậm chí mm trên khoảng cách
hàng chục và hàng trăm km. Nhược điểm chủ yếu của phương pháp này là thời
gian đo phải kéo dài hàng giờ, do vậy mà năng suất đo bị ảnh hưởng (Đặng Nam
Chinh và Đỗ Ngọc Đường, 2012).

14


c. Đo động
Phương pháp đo động cho phép xác định vị trí tương đối của hàng loạt
điểm so với điểm đã biết, trong đó tại mỗi điểm đo chỉ cần thu tín hiệu trong
vòng một vài phút.
Theo phương pháp này, cần có một cạnh đáy đã biết để xác định số
nguyên đa trị. Với cạnh đáy đã biết, đặt một máy thu cố định ở điểm đầu cạnh
đáy và cho tiến hành thu liên tục tín hiệu vệ tinh trong suốt chu kỳ đo, máy này
được goi là máy cố định. Ở điểm cuối cạnh đáy đặt máy thu thứ hai, thu tín hiệu
vệ tinh đồng thời với máy cố định trong một vài phút, việc làm này gọi là khởi đo
(initialization) để xác định số nguyên đa trị của tín hiệu vệ tinh. Sau khi đã xác
định, số nguyên đa trị được giữ nguyên để tính khoảng cách từ vệ tinh đến máy
thu trong các điểm đo tiếp sau trong suốt cả chu kỳ đo. Tiếp đó cho máy thứ hai
này, gọi là máy di động, lần lượt chuyển đến các điểm đo cần xác định, tại mỗi
điểm dừng lại để thu tín hiệu trong một vài phút, cuối cùng quay trở về điểm khởi
đo để đo khép.
Yêu cầu nhất thiết của phương pháp đo động là cả máy cố định và máy di
động phải đồng thời thu tín hiệu liên tục từ ít nhất là bốn vệ tinh chung trong suốt
chu kỳ đo. Vì vậy tuyến đo phải bố trí ở khu vực thoáng đãng để không xảy ra
tình trạng tín hiệu thu bị gián đoạn (cycle slip). Nếu tín hiệu gián đoạn phải tiến
hành lại công tác khởi đo hoặc sử dụng một cạnh đáy khác dự phòng trên tuyến
đo. Cạnh đáy có thể dài từ 2 m đến 5 km và dộ chính xác cỡ cen-ti-mét là đủ.
Phương pháp đo động cho phép đạt độ chính xác dịnh vị tương đối kém
hơn so với phương pháp đo tĩnh, đồng thời đòi hỏi khá ngặt nghèo về thiết bị và
tổ chức đo để đảm bảo yêu cầu về đồ hình phân bố, tín hiệu của vệ tinh (Đặng
Nam Chinh và Đỗ Ngọc Đường, 2012).
d. Đo giả động

Phương pháp đo giả động cũng cho phép xác định vị trí tương đối của
hàng loạt điểm so với điểm đã biết trong khoảng thời gian đo nhanh. Phương
pháp này không cần làm thủ tục khởi đo, tức là không cần sử dụng cạnh đáy đã
biết. Máy cố định cũng phải tiến hành thu tín hiệu vệ tinh liên tục trong suốt chu

15


kỳ đo, còn máy di động được chuyển đến từng điểm đo, tại mỗi điểm đo thu tín
hiệu trong khoảng thời gian là 5 ÷ 10 phút.
Sau khi đo hết lượt máy di động quay trở về điểm xuất phát (điểm đo đầu
tiên) và đo lặp lại tại tất cả các điểm theo đúng trình tự trước đó, nhưng khoảng
thời gian giãn cách giữa hai lần đo tại mỗi điểm không ít hơn một tiếng, chính
trong khoảng thời gian này đồ hình phân bố vệ tinh thay đổi đủ để xác định được
số nguyên đa trị. Yêu cầu nhất thiết trong phương pháp này là phải có ít nhất ba
vệ tinh chung cho cả hai lần đo tại mỗi thời điểm quan sát.
Phương pháp này có độ chính xác kém hơn phương pháp đo động nhưng
có thể áp dụng ở khu vực có nhiều vật che khuất. Về mặt thiết kế, tổ chức đo thì
chỉ nên bố chỉ ở khu vực đo tương đối nhỏ với số lượng điểm vừa phải để đảm
bảo thời gian đo lặp lại tại mỗi điểm và số lượng vệ tinh chung cho cả hai lần đo
(Đặng Nam Chinh và Đỗ Ngọc Đường, 2012).
1.5.3. Ưu điểm, nhược điểm của phương pháp định vị GPS
* Ưu điểm:
- Các vệ tinh GPS có thể được quan trắc trên cùng một vùng lãnh thổ
rộng lớn như quốc gia hay châu lục, trong khi phương pháp định vị truyền thống
chỉ khống chế ở một khu vực nhỏ hẹp.
- Không cần phải thông hướng trên mặt đất giữa các điểm 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

16