Nghiên cứu ứng dụng công nghệ GNSS xây dựng mạng lưới khống chế cơ sở ở mỏ than đèo nai

Đồ án tốt nghiệp

Trường đại học Mỏ-Địa Chất
MỤC LỤC

MỤC LỤC.....................................................................................................................i
TỔNG QUAN VỀ ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ HỆ THỐNG VỆ TINH DẪN
ĐƯỜNG TOÀN CẦU GNSS.......................................................................................3
Một số thông số vệ tinh thế hệ GPS IIR-M1 (thế hệ mới):.....................................10
Hình 1.11: Xác định hệ quy chiếu WGS- 84............................................................15
CHƯƠNG 2................................................................................................................ 27
THÀNH LẬP LƯỚI KHỐNG CHẾ CƠ SỞ BẰNG CÔNG NGHỆ GNSS..........27
CHƯƠNG 3................................................................................................................42
TÍNH TOÁN XỬ LÝ SỐ LIỆU LƯỚI GNSS..........................................................42

SV: Nguyễn Văn Hiến

i

Lớp trắc điạ mỏ-CT K55


Đồ án tốt nghiệp

Trường đại học Mỏ-Địa Chất

LỜI MỞ ĐẦU
Công nghệ định vị vệ tinh đã được bắt đầu ứng dụng ở Việt Nam gần 20
năm. Từ đó đến nay hầu hết người sử dụng Việt Nam đã quen với hệ thống định
vị toàn cầu GPS. Trong suốt thời gian qua GPS vẫn là lựa chọn chính yếu cho
tất cả mọi ứng dụng. Đến thời điểm này thế giới công nghệ định vị vệ tinh đã và

đang có những thay đổi lớn. Đặc biệt hệ thống vệ tinh dẫn đường toàn cầu
GNSS (Global Navigation Satellite System) đang càng ngày được ứng dụng
rộng rãi hơn trong các công tác trắc địa - bản đồ.
Sự kết hợp của các hệ thống GPS, GLONASS, GALILEO và COMPASS
sẽ hình thành nên hệ thống định vị dẫn đường toàn cầu GNSS, nó sẽ cung cấp số
lượng vệ tinh nhiều hơn so với số lượng vệ tinh hiện có của GPS, vì vậy nâng
cao được độ chính xác cảu các máy thu mặt đất và cung cấp được nhiều ứng
dụng hơn.
Ở Việt Nam công nghệ GNSS đã được ứng dụng rộng từ những năm 1990
và đã đạt được những thành tựu to lớn.
Công nghệ GNSS đã được nghiên cứu và ứng dụng trong công tác trắc địa
mỏ vào những năm cuối thế kỷ 90. Việc ứng công nghệ GNSS xây dựng mạng
lưới khống chế cơ sở bề mặt mỏ với địa hình đặc biệt phức tạp đã đem lại hiệu
quả lớn trong cho công tác trắc địa ở mỏ.
Như vậy có thể khẳng định công nghệ GNSS đã mở ra một tương lai công
nghệ mới trong lĩnh vực trắc địa ở trên thế giới cũng như ở Việt Nam. Vì vậy em
được Khoa trắc địa và Bộ môn trắc địa mỏ giao đề tài tốt nghiệp: "Nghiên cứu
ứng dụng công nghệ GNSS xây dựng mạng lưới khống chế cơ sở ở mỏ than
Đèo Nai" nhằm ứng dụng công nghệ mới trong công tác trắc địa nói chung và
trắc địa mỏ nói riêng.
Tuy nhiên do thời gian và kiến thức chuyên môn còn hạn chế, hơn nữa
đây là một lĩnh vực mới lần đầu tiên được đưa vào ứng dụng ở Việt Nam nên
bản đồ án không thể tránh khỏi những thiếu sót, rất mong nhận được sự đóng
góp ý kiến của thầy cô và các bạn đồng nghiệp để bản đồ án được hoàn thiện
hơn.
Em xin chân thành cảm ơn sự hướng dẫn tận tình, chu đáo của thầy
NCS. Phạm Văn Chung, các thầy cô trong Bộ môn trắc địa mỏ, Khoa trắc địa
SV: Nguyễn Văn Hiến

1

Lớp trắc điạ mỏ-CT K55


Đồ án tốt nghiệp

Trường đại học Mỏ-Địa Chất

cùng toàn thể ý kiến của bạn bè đồng nghiệp đã giúp em hoàn thành cuốn đồ án
này.
Em xin chân thành cảm ơn!
Hà Nội, ngày 15 tháng 6 năm 2015
Sinh viên thực hiện

Nguyễn Văn Hiến

SV: Nguyễn Văn Hiến

2

Lớp trắc điạ mỏ-CT K55


Đồ án tốt nghiệp

Trường đại học Mỏ-Địa Chất

CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ HỆ THỐNG VỆ TINH
DẪN ĐƯỜNG TOÀN CẦU GNSS

1.1. Lịch sử phát triển công nghệ GNSS
Ngày nay cùng sự phát triển bùng nổ của khoa học và công nghệ, các kỹ
thuật đo đạc hiện đại đã ra đời và nhanh chóng được sử dụng vào thực tiễn,
mang lại những hiệu quả cao. Như toàn đạc điện tử đã cho phép đo góc với độ
chính xác tới 1", đo cạnh dài tới 7000m (gương chùm) với độ chính xác cao. Các
thiết bị đo dựa trên kỹ thuật laze như máy scan laser 3D cho phép quan trắc lún
và biến dạng mặt đất một cách thuận tiện và chính xác. Nhưng đáng nghi nhận
hơn cả là sự ra đời của các hệ thống định vị vệ tinh toàn cầu GNSS (Global
Navigation Satellite System) bao gồm các hệ thống định vị GPS (Mỹ), Glonass
(Nga), Galileo (EU), Bắc Đẩu-Compass (Trung Quốc) chủ đạo vẫn là hệ thống
định vị GPS và mới đây là Glonass.

Hình 1.1: Hình ảnh thời định vị theo sóng radio

SV: Nguyễn Văn Hiến

3

Lớp trắc điạ mỏ-CT K55


Đồ án tốt nghiệp

Trường đại học Mỏ-Địa Chất

Kỹ thuật định vị vệ tinh toàn cầu này đã mở ra bước ngoặt mang tính cách
mạng trong đo đạc và bản đồ bởi những tính năng vượt trội của nó so với các
thiết bị đo kinh điển, trước hết là cho phép xác định đồng thời cả 3 thành phần
tọa độ với độ chính xác cao, dễ thao tác, đo đến khoảng cách xa đến hàng nghìn
km, có thể đo đạc trong mọi điều kiện thời tiết (mưa, nắng, gió,..) và thời gian

ngày cũng như đêm, không đòi hỏi tầm nhìn thông hướng giữa các điểm đo.
Hiện nay, nó đã trở thành một trong nhưng công cụ chủ đạo phục vụ các công
tác trong trắc địa nói chung cũng như trắc địa mỏ nói riêng: thành lập lưới khống
chế, đo vẽ địa hình, quan trắc chuyển động và biến dạng mặt đất, v.v... Với
những điều kiện đặc thù địa hình và công việc có đôi chút khác biệt, khó khăn
hơn so với trắc địa thông thường thì việc ứng dụng công nghệ GNSS đã mang
lại hiệu quả công việc đáng kể, tăng tốc độ chính xác, giảm thiểu công tác ngoại
nghiệp rất lớn.
1.2. Khái quát hệ thống vệ tinh dẫn đường toàn cầu GNSS
Các hệ thống định vị toàn cầu:
Hiện nay trên thế giới có ba hệ thống vệ tinh dẫn đường: GPS,
GLONASS, GALILEO. Cả ba hệ thống định vị toàn cầu ngày nay được gọi tên
chung là hệ thống vệ tinh dẫn đường toàn cầu (GNSS, Global Navigation
Satellite System). Phần này sẽ tóm lược một số thông tin về ba hệ thống vệ tinh
nhân tạo: GPS, GLONASS và GALILEO.
1.2.1. GPS
Tên gọi GPS (Global Positioning System) dùng để chỉ hệ thống định vị
toàn cầu do Bộ quốc phòng Mỹ thiết kế và điều hành. Bộ Quốc phòng Mỹ
thường gọi GPS là NAVSTAR GPS (Navigation Signal Timing and Ranging
Global Positioning System). Mọi người đều có thể sử dụng GPS miễn phí. Vệ
tinh đầu tiên của GPS được phóng vào tháng 2 năm 1978, vệ tinh gần đây nhất
là vệ tinh GPS IIR-M1 được phóng vào tháng 12 năm 2005 (Wikipedia, 2006).
GPS bao gồm 24 vệ tinh (tính đến năm 1994), đã được bổ sung thành 28 vệ tinh
(vào năm 2000), chuyển động trong 6 mặt phẳng quỹ đạo (nghiêng 55 độ so với
mặt phẳng xích đạo) xung quanh trái đất với bán kính 26.560km (Yasuda,
2001). Hay nói cách khác độ cao trung bình của vệ tinh GPS so với mặt đất vào
khoảng 20.200km (Wikipedia, 2006).
1.2.2. GLONASS
Hệ thống GLONASS (Global Orbiting Navigation Satellite System, Hệ
thống vệ tinh dẫn đường quỹ đạo toàn cầu, tiếng Nga ГЛОНАСС: ГЛОбальная

SV: Nguyễn Văn Hiến

4

Lớp trắc điạ mỏ-CT K55


Đồ án tốt nghiệp

Trường đại học Mỏ-Địa Chất

НАвигационная Спутниковая Система; Global'naya Navigatsionnaya
Sputnikovaya Sistema) do Liên bang Xô viết (cũ) thiết kế và điều hành. Ngày
nay hệ thống GLONASS vẫn được Cộng hoà Nga tiếp tục duy trì hoạt động. Hệ
thống GLONASS bao gồm 30 vệ tinh chuyển động trong ba mặt phẳng quỹ đạo
(nghiêng 64.8 độ so với mặt phẳng xích đạo) xung quanh trái đất với bán kính
25.510km (Yasuda, 2001).
1.2.3. 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 hợp Âu Châu (EU) đã lên kế hoạch thiết kế và
điều hành một hệ thống định vị vệ tinh mới mang tên GALILEO, 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 và đưa vào sử
dụng trong năm 2010 (chậm hơn so với thời gian dự định ban đầu 2 năm)
(Wikipedia, 2006). GALILEO được thiết kế gồm 30 vệ tinh chuyển động trong
3 mặt phẳng quỹ đạo (nghiêng 56 độ so với mặt phẳng xích đạo) xung quanh

Trái Đất với bán kính 29.980 km (Yasuda, 2001).

Hình 1.2: Nhà thiên văn học Galileo Galilei (1564-1642)

SV: Nguyễn Văn Hiến

5

Lớp trắc điạ mỏ-CT K55


Đồ án tốt nghiệp

Trường đại học Mỏ-Địa Chất

Bảng 1.1: So sánh một số thông số kỹ thuật của ba hệ thống vệ tinh dẫn đường
toàn cầu (Yasuda, 2001)
Hạng mục

GPS

GLONASS

GALILEO

Số vệ tinh

28 (tính đến 2000)

30

30

Số mặt phẳng quỹ
đạo

6MEO

3MEO

3MEO

Độ nghiêng
MPQĐ

55o

64.8o

56o

Bán kính quỹ đạo

26.560 km

25.510 km

29.980 km

Chu kỳ

11 giờ 58 phút 2 giây 11 giờ 15 phút 40 giây 14 giờ 21 phút 36 giây
G1: 1602+Kx0.5625
MHz

E1: 1589.742 MHz

L2: 1227.60 MHz

G2: 1246 + Kx0.5625
MHz

E5: 1202.025 MHz

L5: 1176.45 MHz

K = –7~24

E6: 1278.75 MHz

G2 = G1x7/9

C1: 5019.86 MHz

L1: 1575.42 MHz
Tần số sóng mang

E2: 1561.098 MHz

Phương trình

CDMA

FDMA

CDMA

Dạng mã số

??

Chuỗi M

??

1023 bit

511 bit

2.35x1014

5110000

Tốc độ mã số
(C/A L1, P L1,
L2)

1.023 Mcps

0.511 Mcps

10.23 Mcps

5.11 Mcps

Thời gian chuẩn

UTC (USNO)

UTC (Nga)

UTC

Sai số chủ định

SA (đã bỏ 2000)

Không có

Không có

Độ dài mã số

N/A

E1, E2: 2.046 Mcps
E5: 10.23/1.023 Mcps
E6: 20.46 Mcps

Thông điệp dẫn đường (Navigation messages)

Ephemeris

Yếu tố quỹ đạo Vị trí, tốc độ và gia tốc

SV: Nguyễn Văn Hiến

6

-

Lớp trắc điạ mỏ-CT K55


Đồ án tốt nghiệp

Trường đại học Mỏ-Địa Chất

ba chiều
Almanac

Yếu tố quỹ đạo

Yếu tố quỹ đạo

L1: BPSK: 50 bps

QBSK

Tốc độ truyền dữ L2: BPSK: 25 bps

E1, E2, C: 300 bps
BPSK: 50 bps

liệu

L5: QPSK: 50 bps

E5: 330 bps
E6: 2500 bps

Chu kỳ dữ liệu

12 phút 30 giây

2 phút 30 giây

-

Định dạng dữ liệu

30 bit / từ

100 bit / string

-

Có

Không có

-

Dữ liệu hiệu chỉnh
điện từ
1.3. Cơ cấu của hệ thống định vị toàn cầu GNSS
Hệ thống định vị toàn cầu được cấu tạo thành ba phần ( Phần không gian
– space segment, phần điều khiển – control segment và phần người sử dụng –
user segment).

SV: Nguyễn Văn Hiến

7

Lớp trắc điạ mỏ-CT K55


Đồ án tốt nghiệp

Trường đại học Mỏ-Địa Chất

Hình1.3: Sơ đồ liên quan giữa ba phần của hệ thống định vị toàn cầu
1.3.1. Phần không gian (space segment)
Phần không gian của GNSS bao gồm 24 vệ tinh nhân tạo (được gọi là
satellite vehicle, tính đến thời điểm 1995). Quỹ đạo chuyển động của vệ tinh
nhân tạo xung quanh trái đất là quỹ đạo tròn, 24 vệ tinh nhân tạo chuyển động
trong 6 mặt phẳng quỹ đạo. Mặt phẳng quỹ đạo vệ tinh GNSS nghiêng so với
mặt phẳng xích đạo một góc 55 độ. Hình 1.4 minh họa chuyển động của vệ tinh
GNSS xung quanh trái đất.
Từ khi phóng vệ tinh GNSS 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
SV: Nguyễn Văn Hiến

8

Lớp trắc điạ mỏ-CT K55


Đồ án tốt nghiệp

Trường đại học Mỏ-Địa Chất

động lâu hơn. Vệ tinh thế hệ đầu Block I được cho trong Hình 1.5. Vệ tinh đầu
tiên của thế hệ mới Block IIR-M1 (mới được phóng vào năm 2005) được cho
trong Hình 1.6.

Hình 1.4: Chuyển động vệ tinh nhân tạo xung quanh trái đất

Hình 1.5: Vệ tinh NAVSTAR
Một số thông số vệ tinh thế hệ GPS Block I:

SV: Nguyễn Văn Hiến

9

Lớp trắc điạ mỏ-CT K55

Đồ án tốt nghiệp

Trường đại học Mỏ-Địa Chất

Vệ tinh GPS chạy bằng năng lượng mặt trời. Vệ tinh được trang bị pin
mặt trời để chạy cả khi không có năng lượng mặt trời. Mỗi vệ tinh có bộ nâng
đỡ loại tên lửa để duy trì vệ tinh trong quỹ đạo chính xác. Mỗi vệ tinh được xây
dựng có thể tồn tại và hoạt động trong khoảng 10 năm. Việc thay thế và phóng
vệ tinh lên quỹ đạo được duy trì thường xuyên. Một vệ tinh GPS nặng khoảng
2000 pounds (909 kg) và cao 17 feet (khoảng 5 mét) có bảng nhận năng lượng
mặt trời trải rộng. Năng lượng phát sóng chỉ khoảng 50 watts hoặc nhỏ hơn.
Một số thông số vệ tinh thế hệ GPS IIR-M1 (thế hệ mới):
Vệ tinh thế hệ mới nhất GPS IIR-M1 có khối lượng 1132.75kg. Vệ tinh
GPS IIR-M1 có khả năng thực hiện tín hiệu quân sự mới (M-code trên L 1M và
L2M) và tín hiệu dân dụng thứ 2 (L2C). Vệ tinh GPS IIR-M1 trị giá 75 triệu đô la
Mỹ đã được phóng thành công vào 3giờ 36 phút sáng ngày 26/9/2005. Ảnh vệ
tinh GPS IIR-M1 cho trong Hình 1.6.

Hình1.6: GPS IIR-M1 launchedinSep2005
1.3.2. Phần điều khiển (control segment)

SV: Nguyễn Văn Hiến

10

Lớp trắc điạ mỏ-CT K55


Đồ án tốt nghiệp

Trường đại học Mỏ-Địa Chất

Phần điều khiển là để duy trì hoạt động của toàn bộ hệ thống GPS cũng
như hiệu chỉnh tín hiệu thông tin của vệ tinh hệ thống GPS. Phần điều khiển có
5 trạm quan sát có nhiệm vụ như sau:

Hình 1.7: Các trạm điều khiển và kiểm tra
- 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 1.7 minh họa vị trí các trạm điều khiển 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 đặt tính và dữ liệu thời gian thực.
1.3.3. Phần người sử dụng (user segment)
Phần người sử dụng là khu vực có phủ sóng mà người sử dụng dùng ăng
ten và máy thu tín hiệu từ vệ tinh và có được thông tin vị trí, thời gian và vận tốc
SV: Nguyễn Văn Hiến

11

Lớp trắc điạ mỏ-CT K55


Đồ án tốt nghiệp

Trường đại học Mỏ-Địa Chất

di chuyển. Để có thể thu được vị trí, ở phần người sử dụng cần có ăng ten và
máy thu GPS (GPS receivers). Nguyên lý thu ở phần người sử dụng được minh
họa trong các Hình 1.8.a và 1.8.b.
Máy thu GNSS: Nhằm có vị trí, vận tốc và thông tin thời gian thì chúng ta
cần có máy thu GNSS (GPS). Hình 1.8.a minh họa một máy thu GPS tổng quát.
Các chức năng của từng phần như sau Rizos 1999.
Antenna
và bộ tiền
khuếch đại:
Antennas
được dùng
cho máy thu
GPS có đặc
tính tia vì
vậy chúng
không phải
được hướng
về
phía
nguồn
tín
hiệu như đĩa
thu TV vệ
tinh.
Antennas
gọn nhẹ và
có
nhiều
loại thiết kế

khác nhau.
Có khuynh
hướng tích
Hình 1.8.a: Generic GPS receiver (Rizos, C, 1999)
hợp antenna
với các cơ
cấu điện tử của máy thu.
Bộ tần số vô tuyến và bộ xử lý máy tính: Bộ tần số vô tuyến gồm các cơ
cấu điện tử xử lý tín hiệu. Các loại máy thu khác nhau về kỹ thuật xử lý tín hiệu.
Có một bộ xử lý mạnh không những thực hiện việc tính toán như tách
emphemerides và xác định độ cao, phương vị của vệ tinh v.v.... Mà còn điều
khiển truy theo và đo trong các mạch số hiện đại, và trong một số trường hợp
thực hiện xử lý tín hiệu số. Hình 1.8.b chỉ cho biết nhiệm vụ của bộ tần số vô
tuyến và bộ xử lý máy tính.

SV: Nguyễn Văn Hiến

12

Lớp trắc điạ mỏ-CT K55


Đồ án tốt nghiệp

Trường đại học Mỏ-Địa Chất

Hình 1.8.b: Nhiệm vụ của bộ tần số vô tuyến và vi xử lý (Peter H. Dana, 1995)
Giao diện bộ điều khiển: Bộ điều khiển cho phép người vận hành giao
tiếp với bộ vi xử lý. Kích thước và kiểu loại khác nhau lớn giữa các máy thu
khác nhau, loại nhỏ như loại cầm tay có phím mềm xung quanh một màn hình

LCD gắn trong hộp máy thu.
Bộ lưu dữ liệu: Trong trường hợp máy thu GPS định dùng cho mục đích
chuyên môn như đo đạc dữ liệu, đo được phải được lưu theo cách nào đó để xử
lý dữ liệu sau. Trong trường hợp ứng dụng ITS như đo chuyển động của phương
tiện thì chỉ cần ghi lại tọa độ và vận tốc đo được từ GPS. Nhiều thiết bị lưu trữ
dữ liệu được dùng trong quá khứ bao gồm cả máy thu băng từ, đĩa mềm và băng
máy tính v.v.... Nhưng ngày nay hầu hết các máy thu đều có sử dụng bộ nhớ
cứng (RAM) hoặc các thẻ nhớ tháo rời được.
Bộ cấp nguồn: Ngày nay các máy thu GPS di chuyển được cần nguồn
điện thấp. Xu hướng áp dụng sử dụng nhiều nguồn điện khác nhau có hiệu quả
hơn là một xu hướng mạnh và hầu hết các máy thu GPS hoạt động bằng một số
nguồn bao gồm pin NiCad hoặc Lithium gắn trong, ác quy bên ngoài như ác quy
xe ô tô hoặc nguồn điện chính.
Có nhiều loại máy thu GPS trên thị thường từ loại cầm tay cho tới loại
máy thu GPS dùng cho hệ thống hàng hải, ví dụ như máy thu GPS của hãng
Garmin Ltd trong Hình 1.9 hoặc máy thu GPS cầm tay của Hãng InterWorld
Electronics trong Hình 1.10.

SV: Nguyễn Văn Hiến

13

Lớp trắc điạ mỏ-CT K55


Đồ án tốt nghiệp

Trường đại học Mỏ-Địa Chất

Hình 1.9: Máy thu GPS StreePilotIII (Courtesy of Garmin Ltd)

Hình 1.10: Máy thu GPS cầm tay (Courtesy of Interworld Electronics)
1.4. Tọa độ và hệ quy chiếu trong công nghệ GNSS
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 quốc tế Trắc địa quốc tế đề xuất, Gs. Ts Moritz chủ
trì, đây là hệ quy chiếu cho trái đất kiểu truyền thống bao gồm elipsoid quy
chiếu, tọa độ quy chiếu, các hằng số của trái đất, và mô hình trường trọng lực
trái đất.

SV: Nguyễn Văn Hiến

14

Lớp trắc điạ mỏ-CT K55


Đồ án tốt nghiệp

Trường đại học Mỏ-Địa Chất

Hình 1.11: Xác định hệ quy chiếu WGS- 84
Elipsoid được chọn làm hệ toạ độ định vị toàn cấu 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 xác
định bởi bán trục lớn a =6378137.0m 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 sở mô hình trường trọng lực trái đất,
các điểm cần tính được nội suy theo các giá trị tại nút lưới theo phương pháp

collccation có độ chính xác từ 1m đến 2m.
Bảng 1.2: Các tham số của hệ thống quy chiếu WGS-84
Kính thước Ellipsoid quy chiếu
WGS-184

a= 6378137m
α=1/298, 257223563

Tốc độ quay của trái đất

ω=7292115,8553X ‾¹¹ rad/s

Hằng số trọng lực trái đất

GM=3986004,418X108 m3/s2

Các điểm tọa độ quy chiếu

12 điểm Air-Force và NIMA Tracking
Station
Chuỗi điều hòa cầu tới bậc
n=m-360 với 130.676 hệ số
Mô hình với lưới 15’ x 15’ độ chính xác độ
cao Geoid tại nút lưới là 0.5 đến 1.0 m

Mô hình trường trọng lực trái đất
EGM-96
Mô hình Geoid EGM-96

Đẳng thức sau là biểu thức biến đổi đơn giản độ cao từ hệ tọa độ ellipsoid

WGS 84 về độ cao hệ tọa độ địa phương bằng cộng thêm độ chênh GeoidEllipsoid tại điểm đo.
H=h+N
SV: Nguyễn Văn Hiến

(1.1)
15

Lớp trắc điạ mỏ-CT K55


Đồ án tốt nghiệp

Trường đại học Mỏ-Địa Chất

Trong đó:
+ H là độ cao tính đến mặt ellipsoid – là độ cao có thể đo chính xác được
bằng công nghệ GPS.
+ h là độ cao thủy chuẩn, được sử dụng thực tế.
+ N là độ chênh lệch 2 bề mặt Geoid và ellipsoid tại điểm đó.
1.5. Các phương pháp định vị
Định vị là việc xác định vị trí điểm cần đo. Tuỳ thuộc vào đặc điểm cụ thể
của việc xác định toạ độ người ta chia thành 2 loại hình định vị cơ bản: Định vị
tuyệt đối và định vị tương đối.
1.5.1. Đo GNSS tuyệt đối (Absolute Positioning)
Đo GNSS tuyệt đối là trường hợp sử dụng một máy hu GNSS để xác định
tọa độ của các điểm quan sát trong hệ thống tọa độ WGS-84, là các thành phần
tọa độ vuông góc không gian (X,Y,Z) hoặc các thành phần tọa độ mặt cầu
(B,L,H). Hệ thống tọa độ WSG-84 là hệ thống tọa độ cơ sở của hệ thống GNSS,
tọa độ của vệ tinh cũng như của điểm quan sát đều được lấy trong hệ tọa độ này.
WGS-84 được thiết lập gắn với Ellipsoid có kích thước như sau:

Bán trục lớn: a=6378137m,
Bán trục bé: b=6356752,3m
Độ dẹt:

α=1/298,2572

Việc đo GNSS tuyệt đối được thực hiện trên cơ sở sử dụng đại lượng đo
là khoảng cách giả 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 về 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 ( ). Từ ba khoảng cách giả ta lập được hệ 3 phương trình mà 4 ẩn số
SV: Nguyễn Văn Hiến

16

Lớp trắc điạ mỏ-CT K55


Đồ án tốt nghiệp

Trường đại học Mỏ-Địa Chất

(tọa độ vuông góc XYZ hoặc tọa độ mặt cầu BLH của điểm quan sát và sai số
do đồng bộ đồng hồ vệ tinh và đồng hồ máy thu ∆t) 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 4. Khi
đó ta lập được hệ phương trình tương ứng 4 cho 4 vê tịnh:
(X1-X)² + (Y1-Y)² + (Z1-Z)² = (R1-c. ∆t)²
(X2-X)² + (Y2-Y)² + (Z2-Z)² = (R2-c. ∆t)²

(1.2)

(X3-X)² + (Y3-Y)² + (Z3-Z)² = (R3-c. ∆t)²
(X4-X)² + (Y4-Y)² + (Z4-Z)² = (R4-c. ∆t)²
Trong đó: Ri- là khoảng cách giả từ máy thu đến vị tinh thứ i
Xi,Yi, Zi - tọa độ không gian thứ i.
X,Y, Z- Tọa độ không gian điểm đặt anten.
∆t- sai số do đồng hồ trên vệ tinh và trong máy thu.
c - vận tốc lan truyền tín hiệu.
Vậy bằng cách đo khoảng cách giả đồng thời từ máy thu đến 4 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, có khi lên tới 10 vệ tinh. Khi đó lời giải đa trị sẽ được rút ra theo nguyên
tắc số bình phương nhỏ nhất. Độ chính xác của phương pháp định vị tuyệt đối là
5-10 m, nếu dùng Ephemeris do chính phủ Mỹ cung cấp thì độ chính xác lên tới
1m. Trên thực tế độ chính xác của phương pháp này chỉ đến 100m do chính phủ
Mỹ dùng hệ thống làm nhiễu SA. Để khắc phục nhược điểm này người ta đã đưa
ra phương pháp định vị vi phân và định vị tương đối để nâng cao độ chính xác.
1.5.2. Đo GNSS tương đối (Relative Positioning)
Nguyên tắc đo: Sử dụng hai máy thu GNSS đặt ở hai điểm quan sát khác
nhau để xác định ra hiệu tọa độ vuông góc không gian (∆X, ∆Y,∆Z) hay hiệu tọa
độ mặt cầu (∆B,∆L,∆H) giữa chúng trong hệ tọa độ WGS-84.

SV: Nguyễn Văn Hiến

17

Lớp trắc điạ mỏ-CT K55


Đồ án tốt nghiệp

Trường đại học Mỏ-Địa Chất

Hình1.12: Đo GNSS tương đối
Nguyên tắc đo GNSS: Được thực hiện trên cơ sơ sử dụng đại lượng đo là
pha sóng tải. Để đạt được độ chính xác cao và rất cao cho kết quả xác định hiệu
tọa độ (hay vị trí tương hỗ) giữa hai điểm xét cần thực hiện quan trắc đồng thời
tại hai điểm. Người ta đã tạo và sử dụng các sai phân khác nhau cho pha tải
nhằm làm giảm ảnh hưởng của các nguồn sai số khác nhau như: sai số đồng hồ
trên vệ tinh cũng như trên máy thu, sai số tọa độ vệ tinh, sai số nguyên đa trị.
1.5.3. Đo GNSS vi phân DGNSS (Differential- GNSS)
Theo phương pháp này cần có một máy thu GNSS có khả năng phát tín
hiệu vô tuyến được đặt tại điểm có tọa độ đã biết (thường gọi là máy cố định),
đồng thời có một máy khác (máy di động) đặt ở vị trí cần xác định tọa độ, có thể
là điểm cố định trên bề mặt đất hay điểm di động như máy bay, oto, tàu
thủy...Cả máy cố định và máy di động cần thiết thu tín hiệu đồng thời từ các vệ
tinh như nhau. Nếu thông tin từ vệ tinh bị nhiễu thì kết quả xác định tọa độ của
máy cố định và máy di động đều bị sai lệch. Độ sai lệch này được xác định dựa
trên cơ sở so sánh tọa độ tính được theo tín hiệu đã thu và tọa độ sẵn có của máy
cố định và từ đó có thể coi là độ sai lệch tọa độ với máy di động. Nó được máy
cố định phát đi qua sóng vô tuyến để máy di động thu nhận và hiệu chỉnh kết
quả xác định tọa độ của máy.
Ngoài cách hiệu chỉnh cho tọa độ người ta còn tiến hành hiệu chỉnh cho

khoảng cách từ vệ tinh đến máy thu. Cách này đòi hỏi máy thu cố định có cấu
tạo phức tạp và tốn kém hơn nhưng lại cho phép người sử dụng xử lý chủ động,
linh hoạt hơn.

SV: Nguyễn Văn Hiến

18

Lớp trắc điạ mỏ-CT K55


Đồ án tốt nghiệp

Trường đại học Mỏ-Địa Chất

Để đảm bảo độ chính xác cần thiết, các số hiệu chỉnh cần được xác và
phát, chuyển nhanh với tần số cao. Chẳng hạn, để cho khoảng cách từ vệ tinh
đến máy thu được hiệu chỉnh đạt độ chính xác cỡ 5m, số hiêu chỉnh phải được
phát chuyển với tần số 15 giây/1 lần. Cũng với lý này phạm vi hoạt động của
một máy thu cố định rất hạn chế với bán kính khoảng 50 đến 70 km. Người ta đã
xây dựng các hệ thống GNSS vi phân diện rộng cũng như mạng lưới GNSS vi
phân gồm một trạm cố định để phục vụ nhu cầu định vị cho cả một lục địa hay
đại dượng với độ chính xác cỡ 10m. Phương pháp định vị GNSS vi phân có thể
đảm bảo độ chính xác phổ biến cỡ vài ba mét hoặc hơn thế nữa, tới decimet ứng
với tầm hoạt động cỡ vài chục km.
Hệ thống truyền phát số cải chính đóng vai trò quan trọng trong hệ thống
định vị vi phân. Đây là hệ thống hỗ trợ mặt đất trong đo DGNSS. Một số quốc
gia hay khu vực đã xây dựng hệ thống này như hệ thống tăng cường diện rộng
WAAS của Mỹ, hệ thống đạo hàng địa tĩnh phủ trùm Châu Âu EGNOS của
Châu Âu và hệ thống tăng cường đa năng MSAS của Nhật Bản.

Kỹ thuật định vị vi phân GNSS về cơ bản có thể chia làm 2 loại là GNSS
vi phân cục bộ (diện hẹp) và GNSS vi phân diện rộng. Đặc điểm của kỹ thuật
GNSS vi phân diện hẹp là cung cấp cho người dử dụng GNSS vi phân tổng hợp
số cải chính cho trị đo chứ không cung cấp số cải chính cho từng nguồn sai số.
Phạm vi tác dụng của nó khá hẹp trong vòng 150km. Còn đặc điểm của kỹ thuật
GNSS vi phân diện rộng là tính riêng từng nguồn sai số chủ yếu trong định vi
GNSS và phát tín hiệu vi phân cho người sử dụng, phạm vi tác dụng của nó
tương đối lớn, thường trên 1000m.
+ Định vị vi phân được phân thành 3 kiểu:
+ Định vị GNSS vi phân diện hẹp.
+ Định vị GNSS vi phân diện rộng.
+ Định vị GNSS vi phân tăng cường.
1.6. Các nguồn sai số trong kết quả đo GNSS
Cũng như bất kỳ một phương pháp đo đạc khác, việc định vị bằng hệ
thống GNSS chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố khác nhau.

SV: Nguyễn Văn Hiến

19

Lớp trắc điạ mỏ-CT K55


Đồ án tốt nghiệp

Trường đại học Mỏ-Địa Chất

1.6.1. Sai số do đồng hồ
Đây là sai số của đồng hồ trên vệ tinh, đồng hồ trên máy thu và sự không
đồng bộ của chúng. Đồng hồ trên vệ tinh được trạm điều khiển trên mặt đất theo

dõi và do đó nếu phát hiện có sai lệch trạm này sẽ phát tín hiệu chỉ thị thông báo
số cải chính cho máy thu GNSS biết để sử lý. Để làm giảm ảnh hưởng của sai số
đồng hồ của cả vệ tinh và máy thu, người ta sử dụng hiệu các trị đo giữa các vệ
tinh cũng như giữa các trạm quan sát.
1.6.2. Sai số quỹ đạo vệ tinh
Tọa độ điểm đo GPS được tính dựa vào vị trí đã biết của vệ tinh. Người ta
sử dụng phải dựa vào lịch thông báo tọa độ vệ tinh mà theo lịch tọa độ vệ tinh có
thể bị sai số (Hình 1.13)

Hình 1.13: Sai số do quỹ đạo vệ tinh
Do vậy nếu sử dụng quỹ đạo vệ tinh chính xác có thể đạt kết quả định vị
tốt hơn. Có hai phương án nhằm hoàn thiện thông tin quỹ đạo vệ tinh:
- Sử dụng những trạm mặt đất có vị trí chính xác làm những điểm chuẩn
để tinh chỉnh quỹ đạo vệ tinh dành cho công tác đo đạc đặc biệt.
- Thu nhận lịch vệ tinh chính xác từ Dịch vụ địa học GPS Quốc tế (The
International GPS Service for Geodynamics – IGS)
SV: Nguyễn Văn Hiến

20

Lớp trắc điạ mỏ-CT K55


Đồ án tốt nghiệp

Trường đại học Mỏ-Địa Chất

Cơ quan IGS sử dụng một mạng lưới gồm 70 trạm theo dõi tinh chỉnh quỹ
đạo vệ tinh. Hệ thống này cho thông tin quỹ đạo ưu việt hơn so với lịch vệ tinh
thông báo của hệ thống GPS chỉ có 5 trạm theo dõi vệ tinh.

1.6.3. Ảnh hưởng của tầng Ion
Tín hiệu vệ tinh trước khi đến máy thu phải xuyên qua môi trường không
gian gồm các tầng khác nhau. Tầng ion là lớp chứa các hạt tích điện trong bầu
khí quyển ở độ cao từ 50 – 1000 km, tầng ion có tính chất khúc xạ đối với song
điện từ, chiết suất của tầng ion tỷ lệ với tần số song điện từ truyền qua nó. Do
vậy trị đo của máy thu 2 tần số cho phép giảm ảnh hưởng tán sắc của tầng ion.
Hiệu chỉnh ảnh hưởng của tầng ion đối với trị đo của máy thu tần số L 1
phải dựa vào các tham số mô hình phát đi trong thông báo vệ tinh, tuy nhiên chỉ
giảm được khoảng 50% ảnh hưởng tầng ion.
Với máy thu 2 tần số ảnh hưởng tầng ion, trị đo giải trừ do đó việc định vị
có độ chính xác cao hơn, nhất là đối với việc đo cạnh dài.
1.6.4. Ảnh hưởng của tầng đối lưu

Hình 1.14: Sai số do tầng đối lưu và điện ly
Tầng đối lưu có độ cao đến 8km so với mặt đất là tầng làm khúc xạ đối
với tín hiệu GPS do chiết suất biến đổi. do vậy số cải chính mô hình khí quyển
phải được áp dụng đối với trị đo của máy một tần số và cả máy hai tần số, chiết
suất của tầng đối lưu sinh ra độ chậm pha tín hiệu, được chia thành hai loại ướt
và khô, ảnh hưởng của chiết suất khô được tạo thành mô hình loại trừ nhưng ảnh
hưởng của chiết suất ướt là nguồn sai số khó lập mô hình và loại bỏ trong trị đo
GNSS.
SV: Nguyễn Văn Hiến

21

Lớp trắc điạ mỏ-CT K55


Đồ án tốt nghiệp

Trường đại học Mỏ-Địa Chất

1.6.5. Tầm nhìn vệ tinh và sự trượt chu kỳ
Điểm quan trọng nhát khi đo GNSS là phải thu được tín hiệu ít nhất 4 vệ
tinh tức là phải có tầm nhìn thông tới các vệ tinh đó.
Tín hiệu GNSS là sóng cực ngắn trong phổ điện từ, nó có thể xuyên qua
mây mù, song không thể truyền qua được tán cây hoặc các vật cản che chắn. Do
vậy tầm nhìn vệ tinh thông thoáng có tầm quan trọng đặc biệt đối với công tác
đo GNSS.
Khi sử dụng trị đo pha cần phải đảm bảo thu tín hiệu vệ tinh trực tiếp, liên
tục nhằm xác định số nguyên lần bước sóng khởi đầu. Tuy nhiên có trường hợp
ngay cả khi vệ tinh vẫn nhìn thấy nhưng máy thu vẫn bị gián đoạn thu tín hiệu,
trường hợp đó có một số chu kỳ không xác định đã trôi qua mà máy thu vẫn
không đếm được khiến cho số nguyên lần bước sóng thay đổi và làm sai kết quả
định vị. Do đó cần phải phát hiện và xác định sự trượt chu kỳ trong tín hiệu
GNSS. Một số máy thu có thể nhận biết sự trượt chu kỳ và thêm vào số hiệu
chỉnh tương ứng khi xử lý số liệu. Mặt khác khi tính toán xử lý số liệu GNSS có
thể dùng sai phân bậc ba để nhận biết và xử lý trượt chu kỳ.
1.6.6. Hiện tượng đa tuyến

Hình1.15: sai số do hiện tượng đa đường truyền
Đó là những tín hiệu từ vệ tinh không đến thẳng anten máy thu mà đập
vào bề mặt phản xạ nào đó xung quanh rồi mới đến máy thu. Như vậy kết quả
đo không đúng, để tránh hiện tượng này anten phải có tầm nhìn vệ tinh thông
thoáng với góc ngẩng cao hơn 150. Việc chọn góc ngẩng như thế này nhằm
giảm ảnh hưởng bất lợi của chiết quang khí quyển và hiện tượng đa tuyến.
Hầu hết anten GNSS gắn bản dạng phẳng, tròn che chắn tín hiệu phản xạ
từ dưới mặt đất lên.
SV: Nguyễn Văn Hiến

22

Lớp trắc điạ mỏ-CT K55


Đồ án tốt nghiệp

Trường đại học Mỏ-Địa Chất

1.6.7. Sự suy giảm độ chính xác (DOPs) do đồ hình các vệ tinh
Việc định vị GNSS là việc giải bài toán giao hội nghịch không gian dựa
vào điểm gốc là vệ tinh và các khoảng cách tương ứng đến máy thu GNSS.
.

Hình1.16: Khoảng cách từ vệ đến máy thu GNSS
Trường hợp tối ưu khi thu tín hiệu vệ tinh GNSS là vệ tinh cần phải có sự
phân bố hình học cân đối trên bầu trời xung quanh điểm đo. Chỉ số mô tả đồ
hình vệ tinh gọi là hệ số phân tán độ chính xác- hệ số DOP (Delution of
Precision). Chỉ số DOP là số nghịch đảo thể tích của khối tỷ diện tạo thành giữa
các vệ tinh và máy thu. Chỉ số này chia ra thành các loại sau:
+ PDOP chỉ số phân tán độ chính xác về vị trí (Positional DOP)
+ TDOP là chỉ số phân tán độ chính xác về thời gian (Teme DOP)
+ HDOP là chỉ số phân tán độ chính xác về mặt phẳng (Horizontal DOP)
+ V DOP là chỉ số phân tán độ chính xác về độ cao (Vertical DOP)
+ G DOP là chỉ số phân tán độ chính xác về hình học (Geometric DOP)

SV: Nguyễn Văn Hiến

23

Lớp trắc điạ mỏ-CT K55


Đồ án tốt nghiệp

Trường đại học Mỏ-Địa Chất

Đồ hình phân bố vệ tinh được thiết kế sao cho chỉ số PDOP đạt xấp xỉ 2,5
với xác xuất 90% thời gian. Đồ hình vệ tinh đạt yêu cầu với chỉ số P DOP < 6.
1.6.8. Tâm pha của anten
Tâm pha là một điểm nằm bên trong anten, là nơi tín hiệu GNSS biến đổi
thành tín hiệu trong mạch điện tử. Các trị đo khoảng cách được tính vào điểm
này. Điều này có ý nghĩa quan trọng, ở nhà máy chế tạo anten đã được kiểm
định sao cho tâm pha trùng với tâm hình học của nó, tuy nhiên tâm pha thay đổi
vị trí phụ thuộc vào đồ hình vệ tinh, ảnh hưởng này có thể kiểm định trước khi
đo hoặc sử dụng mô hình tâm pha ở giai đoạn tính xủ lý. Quy định cần phải tuân
theo là khi đặt anten cần dóng theo cùng một hướng và tốt nhất là sử dụng cùng
một loại anten cho cùng một ca đo. Các nguồn lỗi và biện pháp khắc phục được
tổng hợp trong bảng 1.3.
Bảng 1.3: Các nguồn lỗi và biện pháp khắc phục anten
NGUỒN LỖI
1.Phụ thuộc vệ tinh
Ephemerit
Đồng hồ vệ tinh
2. Phụ thuộc đường tín hiệu
Tầng ion
Tầng đối lưu
Số đa trị nguyên
Trượt chu kỳ
Đa tuyến

3. Phụ thuộc máy thu
Chiều cao angten
Cấu hình máy thu
Tâm pha angten
Nhiễu điện từ
Tọa độ quy chiếu
Chiều dài cạnh

BIỆN PHÁP XỬ LÝ
Ephemerts chính xác
Sai phân bậc một
Dùng máy hai tần số
Lập mô hình
Xác định đơn trị, sai phân bậc ba
Tránh vật cản, sai phân bậc ba
Tránh phản xạ, ngưỡng góc cao
Đo hai lần khi đo độ cao angten
Chú ý khi lắp đặt
Angten chuẩn đặt quay về một
hướng
Tránh bức xạ điện từ
Khống chế chính xác, tin cậy
Bố trí cạnh ngắn

1.7. Lựa chọn phương pháp đo GNSS xây dựng lưới khống chế mặt bằng
mỏ lộ thiên
1.7.1. Khái niệm về mạng lưới GNSS
Lưới khống chế GNSS là mạng lưới khống chế trắc địa không gian được
xây dựng trên hệ thống tọa độ WGS-84 (World Geodetic System -84), nói chung
không khác nhiều với mạng lưới truyền thống (tam giác, đa giác...). Lưới khống

SV: Nguyễn Văn Hiến

24

Lớp trắc điạ mỏ-CT K55