ỨNG DỤNG PHẦN MỀM TRIMBLE TOTAL CONTROL 2.7 XỬ LÝ SỐ LIỆU ĐO LƯỚI ĐỊA CHÍNH BẰNG CÔNG NGHỆ GNSS TẠI XÃ GIA HƯNG – GIA VIỄN – NINH BÌNH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI
KHOA TRẮC ĐỊA – BẢN ĐỒ

HOÀNG MINH NGỌC

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
ỨNG DỤNG PHẦN MỀM TRIMBLE TOTAL CONTROL 2.7
XỬ LÝ SỐ LIỆU ĐO LƯỚI ĐỊA CHÍNH BẰNG CÔNG NGHỆ GNSS
TẠI XÃ GIA HƯNG – GIA VIỄN – NINH BÌNH

HÀ NỘI - 2017


TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI
KHOA TRẮC ĐỊA - BẢN ĐỒ

HOÀNG MINH NGỌC

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
ỨNG DỤNG PHẦN MỀM TRIMBLE TOTAL CONTROL 2.7
XỬ LÝ SỐ LIỆU ĐO LƯỚI ĐỊA CHÍNH BẰNG CÔNG NGHỆ GNSS
TẠI XÃ GIA HƯNG – GIA VIỄN – NINH BÌNH

Ngành

: Kỹ thuật Trắc địa – Bản đồ

Mã ngành : D520503

NGƯỜI HƯỚNG DẪN: TS. ĐINH XUÂN VINH

HÀ NỘI - 2017


MỤC LỤC


DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
CNSS
DOP
DORRIS
ESA
GLONASS
GNSS
GPS
IRNSS
PDOP
PRARE
QZSS
RMS
RTK
TEC
UTM
VDOP
WGS-84

Compass Navigation Satellite System
Dilution Of Precision
Doppler Orbitography and Radiopostioning Integrated by Satelite
European Space Agency
Global Navigation Satellite System

Global Navigation Satellite System
Global Positioning System
The Indian Regional Navigational Satellite System.
Position Dilution of Precision
Precise Range And Range-Rate Equipment
Quasi-Zenith Satellite System
Root Mean Square
Real Time Kinematic
Total Electron Content
Universal Trasverse Mercator
Vertical Dilution of Precision
World Geodetic System-1984


DANH MỤC BẢNG


DANH MỤC HÌNH


LỜI MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài

Trong giai đoạn hiện nay, trước sự phát triển như vũ bão của khoa học - công
nghệ, việc áp dụng các thành tựu khoa học, kỹ thuật tiên tiến vào trong tất cả các lĩnh
vực của đời sống xã hội là một tất yếu khách quan. Trong lĩnh vực trắc địa cũng vậy,
công nghệ GNSS đã mở ra một kỷ nguyên mới, đã thay thế công nghệ truyền thống
trong việc thành lập và xây dựng các mạng lưới tọa độ các cấp.
Ứng dụng công nghệ GNSS, chúng ta thành lập các mạng lưới tọa độ trên diện
rộng, không những bao phủ toàn quốc mà còn cho phép liên kết với các mạng lưới trên

thế giới. Công nghệ GNSS đã giúp các nhà quản lý giải quyết bài toán vĩ mô mang tính
toàn cầu.
Ở nước ta, chúng ta đã ứng dụng công nghệ GNSS (cụ thể là GPS) trong hơn 10
năm qua và đã giải quyết được các bài toán lớn như xây dựng hệ VN-2000, thành lập
được mạng lưới địa chính cơ sở phủ trùm toàn quốc, ghép nối tọa độ VN-2000 với các
hệ tọa độ khác, xây dựng DGPS,…
Với các trị đo cạnh ngắn và liên kết trong một mạng lưới chặt chẽ, công nghệ
GNSS có tiềm năng đạt độ chính xác cao về vị trí tương hỗ giữa các điểm trong lưới
đáp ứng được nhiều tiêu chuẩn chặt chẽ của mạng lưới trắc địa.
Trong các kết quả đo luôn tồn tại các sai số đo vì vậy chúng không thỏa mãn các
điều kiện hình học của mạng lưới và xuất hiện các sai số khép. Để loại trừ và giảm
thiểu các sai số này, việc xử lý số liệu đóng vai trò rất quan trọng. Hiện này, có rất
nhiều phần mềm để xử lý số liệu đo bằng công nghệ GNSS, mà một trong số đó là
Trimble Total Control. Để tìm hiểu công tác xử lý số liệu GNSS, em đã thực hiện đề
tài: “Ứng dụng phần mềm Trimble Total Control 2.7 xử lý số liệu đo lưới địa chính
bằng công nghệ GNSS tại xã Gia Hưng – Gia Viễn – Ninh Bình” dưới sự hướng dẫn
của TS. Đinh Xuân Vinh.

7


2. Mục tiêu của đề tài

Ứng dụng phần mềm Trimble Total Control 2.7 xử lý số liệu đo lưới địa chính
bằng công nghệ GNSS tại xã Gia Hưng, huyện Gia Viễn, tỉnh Ninh Bình.
3. Nội dung nghiên cứu

- Tìm hiểu công nghệ GNSS, so sánh ưu, nhược điểm của nó so với công nghệ
truyền thống.
- Lưới địa chính đo bằng công nghệ GNSS.

- Phương pháp và quy trình xử lý số liệu đo GNSS.
- Nghiên cứu ứng dụng phần mềm TTC 2.7 phục vụ xử lý số liệu lưới địa chính
đo bằng công nghệ GNSS tại xã Gia Hưng – Gia Viễn – Ninh Bình.
4. Phương pháp nghiên cứu

- Phương pháp tổng hợp: Thu thập tài liệu, số liệu, nghiên cứu các tài liệu liên
quan đến nội dung của đề tài.
- Phương pháp tin học: Sử dụng phần mềm TTC 2.7 để xử lý số liệu GNSS.
- Phương pháp chuyên gia: Học hỏi kiến thức, kinh nghiệm của các chuyên gia,
thầy cô trong lĩnh vực Trắc địa - Bản đồ.
5. Bố cục đồ án

Đồ án gồm 3 chương:
 Chương 1: Khái quát về hệ thống định vị toàn cầu (GNSS)
 Chương 2: Ứng dụng phần mềm Trimble Total Control 2.7 (TTC 2.7) trong xử lý

số liệu lưới địa chính đo bằng công nghệ GNSS
 Chương 3: Thực nghiệm

Để hoàn thiện đồ án này, em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới các thầy cô trong khoa
Trắc địa – Bản đồ, trường Đại học Tài nguyên và Môi trường Hà Nội đã tận tình chỉ
dạy em những kiến thức quý báu trong suốt quá trình học tập tại trường. Đặc biệt, em

8


xin cảm ơn TS. Đinh Xuân Vinh – người đã trực tiếp hướng dẫn, chỉ bảo và cung cấp
các tài liệu quý giá để em thực hiện đồ án này.
Mặc dù đã rất cố gắng làm việc song do thời gian, trình độ có hạn nên đồ án
không tránh khỏi những thiếu sót. Em rất mong thầy, cô đóng góp ý kiến để em có thể

hoàn thiện hơn về nội dung và hình thức của đồ án này.
Em xin chân thành cảm ơn!
Hà Nội, ngày tháng năm 2017
Sinh viên thực hiện
Hoàng Minh Ngọc

9


CHƯƠNG 1
KHÁI QUÁT VỀ HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ TOÀN CẦU (GNSS)
1.1. Tổng quan về hệ thống định vị toàn cầu (GNSS)

GNSS là chữ viết tắt của cụm từ Global Navigation Satellite System với nghĩa là
hệ thống vệ tinh dẫn đường toàn cầu. Các hệ thống vệ tinh dẫn đường toàn cầu hiện
nay là GPS (Mỹ), GLONASS (Nga), GALILEO ( Châu Âu), COMPASS (Trung Quốc)
và một số hệ thống dẫn đường khu vực khác.
1.1.1. Một số hệ thống GNSS trên thế giới [2]
a. Hệ thống Global Positioning System (GPS)

Hệ thống định vị toàn cầu (GPS) được xây dựng và phát triển từ năm 1973. Năm
1994, hệ thống hoàn thành theo thiết kế. Bộ quốc phòng Mỹ là cơ quan quản lý, bảo trì
và vận hành GPS. Với GPS người dùng có thể xác định nhanh chóng dữ liệu dẫn
đường bao gồm vị trí, vận tốc và thời gian tại bất kỳ điểm nào trên mặt đất, mà không
phụ thuộc vào thời tiết, thời gian.

Hình 1.1. Vệ tinh của hệ thống GPS
b. Hệ thống GLONASS

Hệ thống Glonass do cơ quan phát triển không gian (RSA) và Bộ Quốc Phòng

Liên Xô trước đây (nay là Cộng Hòa Liên Bang Nga) triển khai cùng thời gian với hệ
thống GPS của Mỹ. Tất cả các vệ tinh được đưa lên quỹ đạo từ trung tâm vũ trụ

10


Baikonur Cosmodrome ở Kazakhtan. Vệ tinh đầu tiên được đưa lên quỹ đạo tháng
10/1982. Ngày 24/9/1993, Glonass chính thức đưa vào sử dụng. Theo thiết kế ban đầu,
cấu hình dự tính là 24 vệ tinh sẽ hoàn thành năm 1997. Hệ thống định vị Glonass được
xây dựng và phát triển để thay thế hệ thống Dopler Tsikada phục vụ dẫn đường và
nghiên cứu về Trái Đất. Cấu trúc của hệ thống Glonass cũng gồm ba phần: đoạn vệ
tinh, đoạn kiểm tra mặt đất và đoạn người sử dụng.

Hình 1.2. Các vệ tinh hệ thống GLONASS
c. Hệ thống GALILEO

Hệ thống Galileo là hệ thống vệ tinh dẫn đường toàn cầu do Liên Minh Châu Âu
và tổ chức hàng không Châu Âu xây dựng và phát triển, phục vụ các mục đích dân sự.
Galileo có nhiều điểm thiết kế giống GPS, là hệ thống bổ sung và hoàn toàn tương
thích với GPS.
d. Hệ thống COMPASS

Compass là hệ thống định vị dẫn đường do Trung Quốc thiết kế, phát triển. Hệ
thống được triển khai trong hai giai đoạn. Giai đoạn đầu thiết kế, xây dựng hệ thống vệ

11


tinh thử nghiệm dẫn đường Beidou–1 và trên cơ sở Beidou–1 giai đoạn hai sẽ xây dựng
hệ thống vệ tinh dẫn đường Compass.

Trên cơ sở Beidou–1, Trung Quốc tiến hành xây dựng hệ thống vệ tinh dẫn đường
toàn cầu (CNSS) gọi là Compass. Hệ thống Compass hoạt động giống các hệ thống vệ
tinh định vị khác (GPS, GLONASS, Galileo…) dựa trên sóng vô tuyến được phát quảng
bá một chiều (từ vệ tinh đến bộ thu) để bộ thu tự xác định vị trí của mình. Hệ thống đầy
đủ gồm 5 vệ tinh địa tĩnh và 30 vệ tinh hoạt động ở quỹ đạo trung bình (MEO).
e. Một số hệ thống dẫn đường khu vực
 Hệ thống dẫn đường của Nhật Bản

Hệ thống vệ tinh dẫn đường khu vực của Nhật cũng bao gồm đoạn vệ tinh, đoạn
điều khiển mặt đất và đoạn người sử dụng. Vệ tinh hoạt động trên quỹ đạo đồng bộ trái
đất, quỹ đạo hình elip có góc nghiêng lớn gần thiên đỉnh nên gọi chính xác là hệ thống
vệ tinh gần thiên đỉnh, (QZSS). Hệ thống phù hợp với các khu vực địa hình núi cao hay
trong thành phố có nhiều nhà cao tầng, phương tiện di động khó nhận được tín hiệu
GPS, nhất là tín hiệu từ các vệ tinh địa tĩnh. Hệ thống mặt đất của QZSS có trạm kiểm
tra, trạm quan trắc và các trạm vệ tinh giám sát vệ tinh.

.
Hình 1.3. Quỹ đạo vệ tinh QZSS

12


 Hệ thống dẫn đường của Ấn Độ

Hệ thống vệ tinh dẫn đường Ấn Độ (IRNSS) do Tổ chức nghiên cứ không gian
Ấn Độ (ISRO) phát triển. Hệ thống hoạt động độc lập, bao trùm toàn bộ lãnh thổ Ấn
Độ và vùng lân cận. IRNSS được thiết kế với 7 vệ tinh và hệ mặt đất tương ứng. Trong
số 7 vệ tinh có 3 vệ tinh địa tĩnh và 4 vệ tinh hoạt động trên quỹ đạo đồng bộ trái đất.


Hệ thống dẫn đường của Pháp
Hệ thống xác định vị trí và quỹ đạo tích hợp với vệ tinh (Doppler Orbitography and
Radiopostioning Integrated by Satelite, DORRIS) do Trung tâm nghiên cứu không gian
và Viện địa lý Pháp (CNES) phát triển. Khác với GPS và Glonass, DORIS không phát
tín hiệu từ vệ tinh về các máy thu mặt đất, mà ngược lại, các trạm mặt đất phát tín hiệu
lên vệ tinh. Vì vậy, xử lý và phân tích dữ liệu được thực hiện ở cả vệ tinh và mặt đất.

Hình 1.4. Sơ đồ hoạt động của hệ thống DORIS
 Hệ thống dẫn đường của Đức

PRARE là thiết bị do Đức thiết kế và chế tạo, hoạt động ở dải tần gigahertz, có
khả năng xác định khoảng cách và sự thay đổi khoảng cách. Thiết bị của hệ thống được
cơ quan hàng không Châu Âu lắp đặt trên các vệ tinh viễn thám ERS – 1, ERS – 2, vệ
tinh Meteo – 3 của Nga. Tương tự như DORIS, PRARE có thể đo độ cao từ vệ tinh đến

13


các mặt đại dương với độ chính xác cao. Sự khác biệt của PRARE với GPS và DORIS
là đo khoảng cách hai chiều. Tín hiệu phát đi từ vệ tinh được các trạm mặt đất thu nhận
sau đo lại phát trở lại vệ tinh. Anten mặt đất theo dõi liên tục khi nhìn thấy vệ tinh. Hệ
thống hoạt động từ năm 1995.

Hình 1.5. Trạm anten hệ thống PRARE
1.1.2. Cấu trúc của hệ thống GNSS

14


Hình 1.6. Cấu trúc hệ thống GPS

Một hệ GNSS hoàn chỉnh gồm ba phần cơ bản là đoạn không gian, đoạn điều
khiển mặt đất, đoạn người sử dụng: [4]
- Đoạn không gian là các vệ tinh bay quanh trái đất với quỹ đạo và độ cao nhất
định đã được quy định. Các vệ tinh này bố trí sao cho một máy thu tại một thời điểm
bát kỳ, một vị trí bất kỳ luôn nhìn thấy 4 vệ tinh.
- Đoạn điều khiển mặt đất là các trung tâm điều khiển, các trạm giám sát đặt trên
Trái Đất. Mục đích trong phần này là kiểm soát vệ tinh đi đúng hướng theo quỹ đạo và
thông tin thời gian chính xác.
- Đoạn người sử dụng là thiết bị nhận tín hiệu vệ tinh GNSS và người sử dụng
thiết bị này.
1.1.3.

Các trị đo trong GNSS

a. Các trị đo khoảng các giả theo mã

Trị đo khoảng cách giả theo mã là khoảng cách đo được nhờ xác định thời gian
lan truyền của một đoạn mã từ tâm phát sóng của vệ tinh đến tâm thu tín hiệu của ăng
ten của máy thu (hay còn gọi là tâm pha ăng ten). Khi thu được mã phát đi từ vệ tinh,
máy thu sẽ tạo ra một đoạn mã tương tự, bằng cách so mã tịnh tiến sẽ xác định được
khoảng thời gian lan truyền của đoạn mã trong không gian. Công thức xác định khoảng
cách trong trường hợp này có dạng:
D = c.Δt
Trong đó:
c là vận tốc truyền sóng trong môi trường chân không;
c = 299792458m/s;
Δt là khoảng thời gian lan truyền của một đoạn mã;
D là khoảng cách giả xác định được.

15

(1.1)


Cách xác định khoảng cách như trên là cách xác định khoảng cách một chiều (one
– way ranging), khác hẳn với cách xác định khoảng cách dưới mặt đất là xác định
khoảng cách hai chiều.
Việc xác định khoảng thời gian lan truyền tín hiệu Δt như trên tồn tại một số sai
số như: sai số của đồng hồ vệ tinh, sai số đồng hồ máy thu và sự không đồng bộ về
mốc tính thời gian giữa đồng hồ máy thu, đồng hồ vệ tinh. Ta có thể viết lại công thức
1.1 như sau:
D = c. [(tR – ΔtR) – (tS – ΔtS)] = c. [(tR - tS) + (ΔtS - ΔtR)]
 D = ρ + δt
Trong đó:

(1.2)

tR là thời điểm máy thu nhận được tín hiệu vệ tinh;
tS là thời điểm vệ tinh phát tín hiệu;
ΔtS là sai số đồng hồ vệ tinh. Giá trị sai số đồng hồ vệ tinh có thể tính toán được
thông qua các hệ số đa thức đồng hồ có trong tệp quảng bá hoặc nội suy từ tệp lịch
chính xác;
ρ là khoảng cách hình học giữa tâm phát sóng của vệ tinh đến tâm pha ăng ten
máy thu (đây là khoảng cách chính xác, không chịu ảnh hưởng của bất cứ nguồn sai số
nào) và có thể được xác định thông qua công thức:
ρ=

(1.3)

Trong đó:

Xj, Yj, Zj là các thành phần tọa độ của vệ tinh thứ j.
X, Y, Z là các thành phần tọa độ của điểm quan sát.
Ngoài các nguồn sai số như đã nói ở trên, trị đo khoảng cách giả theo mã còn
chịu ảnh hưởng của nhiều nguồn sai số khác nên chúng ta có thể viết lại công thức
(1.3) như sau:
D = ρ + cδt + dIon + dTrop + dRed + dMul + dRot + dv + ε
Trong đó:
dIon là sai số của tầng điện ly đối với sóng tín hiệu của vệ tinh.

16

(1.4)


dTrop là sai số do ảnh hưởng của tầng đối lưu đối với sóng tín hiệu của vệ tinh.
dRed là sai số ảnh hưởng của thuyết tương đối đối với đồng hồ vệ tinh và đồng hồ
máy thu. Ảnh hưởng của thuyết tương đối đối với đồng hồ vệ tinh là tương đối nhỏ, khi
chế tạo máy thu, các hãng chế tạo thường viết cho máy thu một đoạn chương trình để
máy thu tự hiệu chỉnh ảnh hưởng của nguồn sai số này.
dMul là sai số do ảnh hưởng của hiện tượng đa đường dẫn đối với sóng tín hiệu.
dv là số hiệu chỉnh do sự thay đổi khoảng cách giả gây ra.
ε là số hiệu chỉnh do ảnh hưởng của các nguồn sai số khác như sai số lệch tâm
phát sóng của vệ tinh, sai số lệch tâm pha ăng ten, sai số do ảnh hưởng của Mặt Trăng,
Mặt Trời, số hiệu chỉnh do hiện tượng di chuyển của cực Trái Đất,…
b. Các trị đo khoảng cách giả theo pha sóng tải
Cũng tương tự như đo khoảng cách giả theo mã; ở đây, khi máy thu nhận đc tín
hiệu là pha sóng tải từ vệ tinh máy thu sẽ tạo ra một sóng tải có cấu trúc tín hiệu tương
tự và bằng cách lấy hiệu pha giữa sóng tải nhận được với sóng tải do chính máy thu tạo
ra sẽ thu được hiệu pha.
Nếu bỏ qua ảnh hưởng của một số nguồn sai số, trị đo pha sóng tải từ vệ tinh j

đến máy thu k tại thời điểm t trong hệ thống giờ GPS được thể hiện qua công thức 1.5:
(t) = + ƒ [+

(1.5)

Trong đó:
ρ là khoảng cách hình học từ vệ tinh j đến máy thu k tại thời điểm t;
λ là bước sóng của sóng tải tương ứng;
ƒ là tần số của sóng tải;
là sai số đồng hồ của máy thu k tại thời điểm t;
là sai số của vệ tinh j tại thời điểm t;
là số nguyên đa trị giữa vệ tinh j với máy thu k tại thời điểm t ở thời điểm thực
hiện trị đo pha đầu tiên.
17


c. Các trị đo Doppler
Trị đo Doppler có được nhờ hiệu ứng Doppler. Hiệu ứng Doppler là một hiệu ứng
vật lý đặt tên theo tên của Christian Andreas Doppler trong đó tần số và bước sóng của
sóng nói chung bị thay đổi do sự thay đổi vị trí tương hỗ giữa nguồn phát và nguồn thu.
Đối với sóng chuyển động trong một môi trường, nguồn sóng và người quan sát
đều có thể chuyển động tương đối so với môi trường. Hiệu ứng Doppler lúc đó là sự
tổng hợp của hai hiệu ứng riêng rẽ gây ra bởi hai chuyển động này:
ƒ=

(1.6)

Trong đó:
v là vận tốc lan truyền của sóng trong môi trường;
vr là vận tốc tương đối của người quan sát đối với môi trường, nhận giá trị dương

nếu người quan sát tiến lại gần nguồn âm;
vs là vận tốc tương đối của nguồn đối với môi trường, nhận giá trị dương nếu
nguồn dịch chuyển ra xa đối với người quan sát.
Cụ thể, nếu nguồn di động trong môi trường phát ra sóng với tần số tại nguồn là ,
một người quan sát đứng yên trong môi trường sẽ nhận được tần số :
ƒ=
(1.7)
Với c là tốc độ lan truyền của sóng trong môi trường, v là thành phần vận tốc
chuyển động của nguồn so với môi trường theo phương pháp chỉ đến người quan sát
(âm nếu đi về phía người quan sát, dương nên ngược lại).
Tương tự, khi nguồn đứng im còn người quan sát chuyển động:
ƒ=
(1.8)
S
Giả sử tần số của sóng do vệ tinh phát đi là f , tần số máy thu nhận được là f R, vρ là
vận tốc khoảng cách tức thời ta có:
(1.9)
1.1.4. Các nguyên lý định vị trong GNSS

Có hai nguyên lý định vị trong GNSS:

18


- Định vị tuyệt đối: Xác định tọa độ của điểm quan sát trên cơ sở giải bài toán
giao hội nghịch trong không gian khi đã biết tọa độ vệ tinh.
- Định vị tương đối: Xác định hiệu tọa độ của hai hoặc nhiều điểm quan sát sau
khi so sánh từng cặp điểm định vị tuyệt đối trong từng ca đo.
a. Nguyên lý định vị tuyệt đối
Định vị tuyệt đối là nguyên lý sử dụng ít nhất một máy thu, thu tín hiệu vệ tinh,

xác định ra tọa độ tương đối (B, L, H hoặc X, Y, Z) trong hệ tọa độ WGS-84. [4]

Hình 1.7. Định vị tuyệt đối
Ta có:
- X,Y, Z là tọa độ của điểm M;
- Xi, Yi, Zi là tọa độ của các vệ tinh Si;
- Ri là khoảng cách từ các vệ tinh Si đến máy thu.

Ta có quan hệ toán học sau:
Ri =

(1.10)

Trong phương trình (1.10), có Xi, Yi, Zi đã biết và Ri đo được. Phương trình còn
lại ba ẩn số, đó chính là tọa độ của điểm quan sát X, Y, Z.
Để giải được tọa độ điểm quan sát, cần có ít nhất ba phương trình dạng phương
trình (1.10) tương ứng phải quan sát đồng thời tối thiểu ba vệ tinh.

19


Với:
- X, Y, Z là tọa độ của điểm M;
- X1, Y1, Z1; X2, Y2, Z2; X3, Y3, Z3 tương ứng là tọa độ của các vệ tinh S1, S2, S3;
- R1, R2, R3 lần lượt là khoảng cách từ các vệ tinh S1, S2 và S3 đến máy thu.

Ta có quan hệ toán học sau:
(1.11)
Trong hệ phương trình (1.11), các giá trị X1, Y1, Z1; X2, Y2, Z2; X3, Y3, Z3 đã biết;
R1, R2, R3 đo được. Hệ phương trình (1.11) cho phép giải được bộ nghiệm duy nhất X,

Y, Z.
Như vậy, nếu thu được tín hiệu đồng thời từ ba vệ tinh, máy thu sẽ xác định được
tọa độ của điểm quan sát. Để có được điều này đòi hỏi R 1, R2, R3 phải là các khoảng
cách được đo chính xác. Trên thực tế, do có sai số đo thời gian (sai số không đồng bộ
giữa đồng hồ vệ tinh và đồng hồ máy thu) nên không thể xác định được các giá trị R i
mà chỉ xác định được các khoảng cách giả tương ứng .
Ta có quan hệ:
=

(1.12)

Trong phương trình (1.12) có:
- c là vận tốc lan truyền tín hiệu (c 3.108 m/s)
- là sai số đồng hồ, là đại lượng chưa biết

Thay (1.10) vào (1.12) ta có:
= +

(1.13)

Trong phương trình (1.13) gồm 4 ẩn số, đó là X, Y, Z và . Để giải được nghiệm
duy nhất cần phải có ít nhất bốn phương trình dạng phương trình (1.13), đồng nghĩa
với việc máy thu phải quan sát đồng thời tối thiểu bốn vệ tinh.
Khi đó:
(1.14)

20


Hệ phương trình (1.14) gồm bốn phương trình với bốn ẩn số X, Y, Z và sẽ cho bộ

nghiêm duy nhất. Đây chính là nguyên lý của định vị tuyệt đối.
Hiện nay phương pháp định vị tuyệt đối đạt được độ chính xác cỡ 3m đến 10m
khi định vị điểm đơn với thời gian ngắn. Để nâng cao độ chính xác hơn nữa các nhà
nghiên cứu đã đưa ra phương pháp định vị vi phân.
b.

Nguyên lý định vị tương đối

Hình 1.8. Định vị GPS tương đối
Phương pháp định vị tương đối được áp dụng để xác định tọa độ của các điểm
so với một điểm khác dựa trên thành phần của các vec tơ cạnh (Baseline) giữa chúng,
bằng cách sử dụng hai máy thu GPS đặt ở hai điểm quan sát khác nhau, để xác định ra
hiệu tọa độ vuông góc không gian (hoặc hiệu tọa độ mặt cầu (giữa chúng trong hệ tọa
độ WGS-84.
Nguyên lí định vị tương đối được thực hiện trên cơ sở sử dụng trị đo pha sóng tải.
Để đạt được độ chính xác cao cho kết quả xác định hiệu tọa độ (hay vị trí tương hỗ)
giữa hai điểm xét, người ta đã tạo ra và sử dụng các sai phân khác nhau cho pha sóng
tải để làm giảm ảnh hưởng của các nguồn sai số như: sai số đồng hồ vệ tinh, đồng hồ
máy thu, lịch vệ tinh, số nguyên đa trị.
Định vị GPS tương đối được chia làm ba phương pháp đo cơ bản là: phương pháp
định vị tương đối trạng thái tĩnh, phương pháp định vị tương đối trạng thái động và
phương pháp định vị giả động.
21


 Định vị tương đối trạng thái tĩnh (Static)

Định vị tương đối trạng thái tĩnh (Static Relative Positioning) gọi tắt là định vị
tĩnh (Static) là phương pháp định vị thực hiện theo nguyên lý định vị tương đối. Hai
máy thu đặt cố định và đồng thời quan sát cùng số vệ tinh chung trong thời gian dài từ

vài chục phút đến vài giờ, thậm chí vài ngày.
Định vị tĩnh có độ chính xác cao, sai số tương đối đo cạnh có thể đạt cỡ 10 -6m đến
10-9m trên chiều dài cỡ hàng nghìn km. Định vị tương đối trạng thái tĩnh chủ yếu được
ứng dụng để xây dựng lưới khống chế.
 Định vị tương đối trạng thái động (Kinematic)

Là phương pháp định vị thực hiện
theo nguyên lý định vị tương đối, sử dụng
ít nhất hai máy thu, một máy đặt cố định
tại điểm đã biết tọa độ gọi là trạm Base
liên tục thu tín hiệu vệ tinh, một máy vừa
di chuyển vừa thu tín hiệu vệ tinh gọi là
trạm Rover.
Kết quả định vị trạng thái động cho

Hình 1.9. Phương pháp đo động
ta tọa độ tương đối giữa điểm trạm Base và nhiều điểm trạm Rover. Độ chính xác của
phương pháp định vị động kém hơn phương pháp định vị tĩnh và định vị tĩnh nhanh,
thường được dùng vào việc đo thành lập bản đồ hoặc những việc có độ chính xác
tương tự.
 Phương pháp định vị giả động

Phương pháp định vị giả động cho phép xác định vị trí tương đối của hàng loạt
điểm so với điểm đã biết trong khoảng thời gian đo khá nhanh, nhưng độ chính xác
định vị không cao bằng phương pháp định vị động. Trong 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 kì đo.

22

Sau khi đo hết lượt, máy di động được đưa trở về điểm xuất phát (điểm đo đầu
tiên) và đo lặp lại tất cả các điểm theo đúng trình tự trước đó, nhưng phải đảm bảo sao
cho khoảng thời gian dãn cách giữa hai lần đo tại mỗi điểm là từ một giờ đồng hồ trở
lên. Chính trong khoảng thời gian này, đồ hình phân bố vệ tinh đã thay đổi, đủ để xác
định được số nguyên đa trị. Còn hai lần đo, mỗi lần kéo dài từ 5 đến 10 phút, và dãn
cách nhau một tiếng đồng hồ, có tác dụng tương đương phép đo tĩnh kéo dài trong một
tiếng. Yêu cầu cần thiết của phương pháp này là phải có được ít nhất ba vệ tinh chung
cho cả hai lần đo tại mỗi điểm quan sát. [4]
Điều đáng chú ý của phương pháp này là máy di động không nhất thiết phải thu tín
hiệu liên tục từ vệ tinh trong suốt chu kì đo, mà chỉ cần thu trong vòng 5 đến 10 mười phút
tại mỗi điểm đo, nghĩa là có thể tắt máy trong lúc vận chuyển từ điểm nọ sang điểm kia.
Điều này cho phép áp dụng phương pháp cả ở khu vực có nhiều vật che khuất.
c. Định vị vi phân
Định vị tuyệt đối cho phép xác định tọa độ của điểm quan sát trong thời gian thực
với độ chính xác thấp nên thường chỉ được ứng dụng cho công tác dẫn đường và công
tác khác cần độ chính xác không cao. [4]
Trên cơ sở nguyên lý định vị tuyệt đối, để nâng cao độ chính xác tọa độ điểm quan
sát có thể sử dụng phương pháp định vị vi phân.

23


Hình 1.10. Định vị vi phân
Theo phương pháp này, một máy thu đặt tại điểm A đã biết tọa độ chính xác (coi
như không có sai số) là (XA, YA, ZA), gọi là trạm chủ. Các máy thu khác đặt tại các
điểm P cần xác định tọa độ, gọi là trạm phụ (trạm này có thể cố định hoặc di chuyển).
Cả trạm chủ và trạm phụ đồng thời thu tín hiệu vệ tinh và định vị theo nguyên lí định vị
tuyệt đối. Tại điểm A ta xác định được tọa độ X ’A, Y’A, Z’A. Tại điểm P ta xác định được
tọa độ X’P, Y’P , Z’P.

Do có sai số nên tọa độ điểm A đo được khác với tọa độ điểm A có trước, sai số
này được tính như sau:
(1.15)
Coi các sai số ảnh hưởng đến điểm A và điểm P là như nhau. Như vậy, tọa độ
điểm P cũng được hiệu chỉnh một lượng là .
Ta được tọa độ điểm P chính xác hơn:
(1.16)

24


Trong đó, , được gọi là các số hiệu chỉnh vị trí và được trạm chủ phát đi đến các
trạm phụ bằng sóng radio, trạm phụ thu được các số hiệu chỉnh này và hiệu chỉnh vào
kết quả đo của mình, được kết quả chính xác hơn.
1.1.5. Các nguồn sai số trong GNSS

Kết quả định vị GNSS chịu ảnh hưởng của các nguồn sai số: các nguồn sai số liên
quan đến vệ tinh, các nguồn sai số do môi trường gây ra, các nguồn sai số có liên quan
đến máy thu và một số sai số khác.
a. Sai số liên quan đến vệ tinh
 Sai số lịch vệ tinh

Tọa độ của vệ tinh đóng vai trò là số liệu gốc trong giải các bài toán định vị.
Trong quá trình chuyển động trên quỹ đạo, các vệ tinh không tự tính toán các tham số
quỹ đạo hay tọa độ cho mình, để có được tọa độ hay tham số quỹ đạo thì vệ tinh phải
dựa vào các trạm giám sát dưới mặt đất được gọi là các trạm điều khiển. Các trạm điều
khiển là các trạm đã biết tọa độ từ trước, được trang bị máy thu GPS liên tục quan sát
các vệ tinh, các số liệu quan sát được dùng tính toán ra các tham số quỹ đạo (lịch
quảng bá) hoặc tọa độ vệ tinh và sai số đồng hồ vệ tinh (lịch chính xác). Các tham số
vệ tinh sau khi tính toán sẽ được phát cho vệ tinh để các vệ tinh phát cho người sử

dụng (các máy thu tín hiệu vệ tinh). Để có lịch quảng bá, người ta phải dùng các giá trị
đo ở thời điểm t để ngoại suy ra các tham số tại thời điểm t + nên khi sử dụng các
tham số để tính toán tọa độ vệ tinh vào các thời điểm có trị đo dùng vào việc giải các
bài toán định vị thường có sai số lớn hơn việc dùng tọa độ vệ tinh trong lịch chính xác.
Đối với định vị tuyệt đối, sai số tọa độ hầu như ảnh hưởng gần như trọn vẹn vào kết
quả định vị. Khi đó, các mạng lưới cạnh ngắn với độ chính xác xác định các yếu tố
không cao, thông thường chỉ cần dùng lịch quảng bá. Khi xây dựng những mạng lưới
cạnh dài hoặc mạng lưới có yêu cầu độ chính xác rất cao (như các mạng lưới quan tắc
địa động,...) thông thường sử dụng lịch vệ tinh chính xác để nâng cao độ chính xác các
yếu tố của lưới.
25