TÍCH HỢP CÔNG NGHỆ GNSS VÀ MÔ HÌNH QUASIGEOID ĐỂ XÁC ĐỊNH ĐỘ CAO NHÀ NƯỚC

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

LÒ HUYỀN TRANG

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
TÍCH HỢP CÔNG NGHỆ GNSS
VÀ MÔ HÌNH QUASIGEOID
ĐỂ XÁC ĐỊNH ĐỘ CAO NHÀ NƯỚC

HÀ NỘI, 2017


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

LÒ HUYỀN TRANG

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
TÍCH HỢP CÔNG NGHỆ GNSS
VÀ MÔ HÌNH QUASIGEOID
ĐỂ XÁC ĐỊNH ĐỘ CAO NHÀ NƯỚC

Ngành: Kỹ thuật Trắc địa – Bản đồ
Mã ngành: D520503
NGƯỜI HƯỚNG DẪN: TS. PHẠM THỊ HOA

HÀ NỘI, 2017


MỤC LỤC

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT
STT

Viết tắt

1

WGS-84

2

EGM

3

GALILEO

4

GLONASS

5

GRACE

6

GPS

7

GNSS

8

IAG

9

NGA

10

NRL

11

PAS

12

BKG

Thông tin đầy đủ
World Geodetic System 1984
Earth Gravitials Model

Nghĩa tiếng Việt

Hệ quy chiếu thế giới do cơ quan Bản đô
Bộ quốc phòng My
công bố năm 1984
Mô hình trọng trường toàn cầu
Hệ thống định vị toàn cầu của

Global Navigation

Châu Âu
Hệ thống định vị toàn cầu

Satellite System
Gravity Recovery And

của Nga
Hôi phục trọng lực và khí hậu

Climate Experiment
Global Positioning

thí nghiệm
Hệ thống định vị toàn cầu

System
Global Navigation

của My
Hệ thống vệ tinh dẫn đường

Satellite System

International Association

toàn cầu
Hiệp hội Quốc tế về Đo đạc

of Geodesy
National Geospatial-

Cơ quan tình báo không gian

Intelligence Agency
Naval Research

địa lý quốc gia
Phòng thí nghiệm Nghiên cứu

Laboratory
Polish Academy of

Hải quân

Sciences
Bundesamt für
Kartographie und
Geodäsie

Học viện Khoa học Ba Lan
Cơ quan Liên bang về Bản đô và
Đo đạc

DANH MỤC BẢNG
Trang
Bảng 3.4. Trích giá trị (hGNSS – hTC ) tại một số điểm trong tập hợp 822 điểm..............................68
Bảng 3.5. Kết quả tính toán giá trị chênh (hGNSS – hTC ) trên 818 điểm.........................................68


DANH MỤC HÌNH
Bảng 3.4. Trích giá trị (hGNSS – hTC ) tại một số điểm trong tập hợp 822 điểm..............................68
Bảng 3.5. Kết quả tính toán giá trị chênh (hGNSS – hTC ) trên 818 điểm.........................................68


MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Trong thời đại công nghệ GNSS (Global Navigation Satellite System), vị trí điểm
trên bề mặt Trái đất đã được giải quyết một cách hiệu quả, nhưng độ cao của điểm
chưa thể giải quyết trọn vẹn nếu như không có thông tin về Geoid hay Quasigeoid.
Trên quy mô toàn cầu, các nhà khoa học đã nghiên cứu và xây dựng được một số
mô hình Quasigeoid. Các mô hình này được cung cấp miễn phí giá trị dị thường độ
cao, mở ra cơ hội tích hợp với công nghệ GNSS để xác định độ cao chuẩn thay thế cho
phương pháp đo thủy chuẩn truyền thống vốn tốn nhiều thời gian và công sức. Để làm
sáng tỏ bản chất của giải pháp tích hợp này, em đã chọn đề tài tốt nghiệp với tên gọi:
“Tích hợp công nghệ GNSS và mô hình Quasigeoid để xác định độ cao nhà nước” .
2. Mục đích của đề tài
- Nghiên cứu quy trình tích hợp công nghệ GNSS và mô hình Quasigeoid để xác
định độ cao nhà nước.
- Tiến hành thực nghiệm công nghệ GNSS và mô hình Quasigeoid để xác định độ
cao nhà nước.
3. Nội dung nghiên cứu
- Khái quát về công nghệ GNSS và ứng dụng của GNSS trong xác định độ cao.

- Mô hình Quasigeoid toàn cầu và mô hình Quasigeoid cục bộ.
- Tích hợp công nghệ GNSS và mô hình Quasigeoid để xác định độ cao nhà nước.
4. Phương pháp nghiên cứu
- Phương pháp thu thập các tài liệu liên quan: tìm hiểu, thu thập, hệ thống hóa và
kế thừa các tài liệu đã nghiên cứu hoặc có liên quan.
- Phương pháp thống kê, xử lí số liệu: tổng hợp và xử lý các số liệu liên quan.
- Phương pháp phân tích: sử dụng các phương tiện và công cụ tiện ích, phân tích
logic các tư liệu đánh giá khách quan các yếu tố để đưa ra các kết luận chính xác.
- Phương pháp thực nghiệm: trên cơ sở lí thuyết có được từ thông tin liên quan
thu thập, thống kê sử dụng số liệu thực tế để đưa ra được sản phẩm như yêu cầu thực
tế sản xuất.

1


5. Cấu trúc đồ án
- Chương 1: Tổng quan về công nghệ GNSS.
- Chương 2: Mô hình Quasigeoid toàn cầu và mô hình Quasigeoid cục bộ.
- Chương 3: Tích hợp công nghệ GNSS và mô hình Quasigeoid để xác định độ
cao nhà nước.
6. Lời cám ơn
Với lòng biết ơn sâu sắc nhất, em xin gửi đến quý Thầy Cô ở khoa Kĩ thuật Trắc
địa – Bản đô đã cùng với tri thức và tâm huyết của mình để truyền đạt vốn kiến thức
quý báu cho chúng em trong suốt thời gian học tập tại trường. Và đặc biệt, khoa đã tổ
chức cho chúng em được tiếp cận với môn học mà theo em là rất hữu ích đối với sinh
viên. Em cũng xin gửi lời cám ơn đặc biệt đến TS. Phạm Thị Hoa – Trưởng khoa Trắc
địa- Bản đô đã giúp đỡ em trong thời gian qua để em có thể hoàn thành quá trình làm
đô án một cách tốt nhất.
Bước đầu đi vào thực tế, kiến thức của em còn hạn chế và còn nhiều bỡ ngỡ. Do
vậy, không tránh khỏi những thiếu sót là điều chắc chắn, em rất mong nhận được

những ý kiến đóng góp quý báu của quý Thầy Cô và các bạn học để kiến thức của em
trong lĩnh vực này được hoàn thiện hơn.
Em xin kính chúc quý Thầy Cô trong Khoa Kĩ thuật Trắc địa – Bản đô thật dôi
dào sức khỏe, niềm tin để tiếp tục thực hiện sứ mệnh cao đẹp của mình là truyền đạt
kiến thức cho thế hệ mai sau, đạt được nhiều thành công tốt đẹp trong công việc.
Trân trọng!
Hà Nội, ngày tháng năm 2017
Sinh viên thực hiện

Lò Huyền Trang

2


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ GNSS
1.1. Tổng quan về công nghệ GNSS
GNSS là tên dùng chung cho các hệ thống định vị toàn cầu sử dụng vệ tinh, được
cấu thành như một chòm sao (một nhóm hay một hệ thống) của quy đạo vệ tinh kết
hợp với thiết bị ở mặt đất. Trong cùng một thời điểm, ở một vị trí trên mặt đất nếu xác
định được khoảng cách đến bốn vệ tinh (tối thiểu) thì sẽ tính được tọa độ của vị trí đó.
GNSS hoạt động trong mọi điều kiện thời tiết, mọi nơi trên trái đất và 24 giờ một
ngày. My là nước đầu tiên phóng lên và đưa vào sử dụng hệ vệ tinh dẫn đường này.
My đặt tên cho hệ thống này là hệ thống vệ tinh định vị toàn cầu GPS (Global
Positioning System), ban đầu là để dùng riêng cho quân sự, về sau mở rộng ra sử dụng
cho dân sự trên phạm vi toàn cầu, bất kể quốc tịch và miễn phí.
Phương pháp sử dụng GPS/GNSS được coi là phương pháp dẫn đường vô tuyến
điện, các vệ tinh hệ thống định vị toàn cầu được coi là các trạm phát vô tuyến điện,
hay nói chính xác hơn “các trạm phát vô tuyến điện ở trong vũ trụ” (space-based radio
wave transmitters). Phương pháp dẫn đường vô tuyến điện là phương pháp sử dụng
thiết bị phát sóng vô tuyến điện từ một trạm phát cố định có vị trí đã biết, tại điểm thu

sóng máy thu sẽ tính toán thời gian, khoảng cách và kết quả thu được vị trí máy thu
sóng vô tuyến điện.
Hiện nay, GNSS là tên gọi chung cho 3 hệ thống định vị dẫn dường toàn cầu sử
dụng vệ tinh là GPS (Global Positioning System) do My chế tạo và hoạt động từ năm
1994, GLONASS (GLobal Orbiting Navigation Satellite System) do Nga chế tạo và
hoạt động từ năm 1995, và hệ thống GALILEO mang tên nhà thiên văn học GALILEO
do Liên minh châu Âu (EU) chế tạo và dự kiến được đưa vào sử dụng trong năm 2010.
Nguyên lý hoạt động chung của ba hệ thống GPS, GLONASS và GALILEO cơ bản là
giống nhau. Trung Quốc cho biết cũng đã gần hoàn thiện để có hệ GNSS của riêng
mình. Ấn Độ cũng công bố xây dựng hệ GNSS của mình có tên là IRNSS và sẽ đi vào
hoạt động năm 2012.
1.1.1. Cấu trúc chung của hệ thống GNSS
Mỗi hệ thống GNSS có ít nhiều sự khác biệt cho từng thành phần nhưng cấu trúc
của hệ thống dẫn đường vệ tinh toàn cầu (GNSS) có thể được chia làm 3 phần chính:
3


- Phần không gian: Bao gôm các vệ tinh quay quanh Trái đất trên quy đạo theo
quy đạo xác định, chúng truyền những tín hiệu cần thiết cho hệ thống hoạt động.
- Phần điều khiển: Bao gôm các tiện ích trên mặt đất thực hiện nhiệm vụ theo
dõi, điều khiển vệ tinh, tính toán quĩ đạo cần thiết cho sự quản lý mảng không gian và
nạp dữ liệu lên vệ tinh.
- Phần sử dụng: Toàn thể các thiết bị thu và ky thuật tính toán để cung cấp cho
người sử dụng thông tin về vị trí.
1.1.2. Các hệ thống GNSS toàn cầu
1.1.2.1. Hệ thống TRANSIT

Hình 1.1. Hệ thống TRANSIT, tiền thân của GPS.
Từ năm 1959, hải quân My đã bắt tay vào thiết kế và hình thành hệ thống đạo
hàng vệ tinh TRANSIT, chính vì thế nên hệ thống này còn được gọi là hệ thống vệ tinh

dẫn đường hải quân. Hệ thống TRANSIT gôm từ 4 đến 6 vệ tinh chuyển động trên quy
đạo cách mặt đất khoảng 1000km. Chu kỳ chuyển động của vệ tinh khoảng 105 phút.
Góc nghiêng (i) của mặt phẳng quy đạo xấp xỉ 90°, như vậy các vệ tinh chuyển động
gần như theo hướng đường kinh tuyến. Hệ thống đạo hàng vệ tinh TRANSIT là hệ
thống hoạt động dựa trên nguyên lý đo hiệu khoảng cách theo hiệu ứng Doppler. Vệ
tinh TRANSIT chuyển động ở quy đạo thấp do đó hiệu khoảng cách xác định dựa vào
phương trình quan trắc Doppler sẽ chính xác hơn, song ảnh hưởng nhiễu của trọng
trường Trái đất đến quy đạo vệ tinh lại phức tạp hơn. Độ chính xác đo biến đổi khoảng
cách bằng hệ thống Doppler có thể đạt cỡ 0,03m/s. Trong thời gian này Liên Xô cũng
tiến hành xây dựng hệ thống định vị TSICADA có nguyên lý hoạt động tương tự như
4


hệ thống định vị TRANSIT.
Hệ thống TRANSIT và TSICADA được coi là những hệ thống định vị vệ tinh
toàn cầu đầu tiên, là bước đi ban đầu để có được các hệ thống định vị vệ tinh hoàn hảo
hơn là GPS và GLONASS như hiện nay.
Do vệ tinh TRANSIT chuyển động trên quy đạo thấp, chu kỳ xấp xỉ 105 phút, do
đó thời gian quan sát liên tục một vệ tinh TRANSIT kéo dài trong khoảng 15-20 phút.
TRANSIT sử dụng hai tần số sóng tải ổn định là 150MHz và 400MHz.
Dựa trên kết quả quan sát một vệ tinh trên quy đạo tại các thời điểm khác nhau
t1 , t 2 , t 3 …sẽ xác định được hiệu khoảng cách từ vệ tinh đến điểm quan sát, từ đó xác

định được vị trí của điểm quan sát.
Các vệ tinh TRANSIT phát đi lịch vệ tinh quảng bá phục vụ cho định vị tức thời.
Ngoài ra TRANSIT còn có thể sử dụng lịch vệ tinh chính xác. Lịch vệ tinh được thành
lập dựa trên 4 trạm quan sát của hệ thống đặt tại Maine, California, Minnesota và
Hawaii. Để xác định được quy đạo vệ tinh chính xác, đòi hỏi phải có dữ liệu về trường
trọng lực toàn cầu. Vào những năm 1960, độ chính xác quy đạo về tinh TRANSIT đạt
khoảng 100m đến 1000m, nhưng vào những năm 1980, độ chính xác được nâng lên

trong khoảng 1m đến 10m.
Phương pháp quan sát vệ tinh bằng hiệu ứng Doppler đã được sử dụng khá rộng
rãi do thiết bị quan sát đơn giản, gọn nhẹ, đông thời vẫn đảm bảo độ chính xác yêu cầu
trong công tác dẫn đường trên biển. Một ưu điểm của định vị vệ tinh theo nguyên lý
Doppler là không cần yêu cầu quá cao về độ chính xác thời gian. Với mục đích dẫn
đường, độ chính xác định vị vệ tinh của hệ thống này ở chế độ tức thời là ± 200m.
Với mục đích trắc địa, hệ thống TRANSIT có thể cho phép định vị với độ chính
xác cỡ 0.5m đến 1m, nếu quan sát trong vài ngày và sử dụng lịch vệ tinh chính xác.
Bằng ky thuật Doppler, trong các năm 1987-1988 ở Việt Nam đã xây dựng mạng lưới
Doppler gôm 14 điểm phân bố trên cả nước.
Hệ thống TRANSIT đã ngừng hoạt động vào ngày 31 tháng 12 năm 1996, nhưng
ky thuật Doppler vẫn đang được sử dụng trong hệ thống DORIS của Pháp. Ngay trong
hệ thống GPS người ta vẫn sử dụng cả trị đo Doppler làm một nguôn số liệu đầu vào
cho bài toán định vị.

5


1.1.2.2. Hệ thống GPS
Trong quá trình vẫn hành hệ thống TRANSIT, một số nhược điểm của hệ thống
này đã sớm được chỉ ra. Ngay từ năm 1970, Bộ quốc phòng My đã đưa ra đề án xây
dựng một hệ thống định vị toàn cầu khác có những ưu điểm vượt trội hơn hệ thống
TRANSIT. Đó là GPS (Global Positioning System) dùng để chỉ hệ thống định vị toàn
cầu do Bộ quốc phòng My thiết kế và điều hành, thường gọi GPS là NAVSTAR GPS
(Navigation Signal Timing and Ranging Global Positioning System). GPS bao gôm 32
vệ tinh chuyển động trong 6 mặt phẳng quy đạo. GPS ban đầu chỉ dành cho các mục
đích quân sự, nhưng từ năm 1980 chính phủ My cho phép sử dụng trong dân sự nhưng
với giới hạn độ chính xác bởi nhiễu cố ý SA. GPS hoạt động trong mọi điều kiện thời
tiết, mọi nơi trên Trái Đất, 24 giờ một ngày. Không mất phí thuê bao hoặc mất tiền trả
cho việc thiết lập sử dụng GPS nhưng phải tốn tiền không rẻ để mua thiết bị thu tín

hiệu và phần mềm nhúng hỗ trợ. Năm 1983, tại Eiffel một bang miền Tây thuộc cộng
hòa liên bang Đức đã ứng dụng công nghệ GPS xây dựng lưới khống chế đầu tiên
thành công. Từ tháng 5/2000, My chính thức bỏ nhiễu cố ý SA. Việc xây dựng thành
công GPS là nhờ vào những thành tựu khoa học và ky thuật sau:
- Độ tin cậy cao của hệ thống không gian;
- Công nghệ đông hô nguyên tử độ chính xác cao;
- Khả năng xác định và theo dõi vệ tinh một cách chính xác;
- Công nghệ VLSI và quang phổ rộng.
Cấu trúc hệ thống GPS gôm 3 phần chính tương tự với cấu trúc của GNSS đã
trình bày ở mục 1.1.1. Nội dung cấu trúc cụ thể của GPS như sau:
a) Phần không gian trong hệ thống GPS (Space Segment)
Trong phần không gian, các chức năng chính của vệ tinh bao gôm:
- Thu nhận và lưu trữ dữ liệu được truyền từ mảng điều khiển;
- Cung cấp thời gian chính xác bằng các chuẩn tần số nguyên tử đặt trên vệ tinh;
- Truyền thông tin và tín hiệu đến người sử dụng trên một hay hai tần số.
Các thế hệ vệ tinh GPS được đánh số Block I, II, IIA, IIR và IIF. Thế hệ vệ tinh
đầu tiên là Block I được xây dựng bởi Rockwell International Corporation, nặng
khoảng 800kg và tuổi thọ khoảng 5 năm. Block II và IIA cũng do công ty này xây
dựng nhưng nặng đến 900 kg. Tuổi thọ của chúng khoảng 7.5 năm. Sự thay thế các
6


vệ tinh Block II/IIA bằng Block IIR bắt đầu từ năm 1996. Những vệ tinh này do công
ty General Electric xây dựng. Block IIF phóng lên quĩ đạo từ năm 2005.
Đến năm 2003 trên quĩ đạo vệ tinh của hệ thống GPS có 26 vệ tinh Block IIA và
IIR có cấu hình như sau:
- Có 6 mặt phẳng quĩ đạo gần tròn;
- Trên mỗi mặt phẳng quĩ đạo có 4 đến 5 vệ tinh;
- Mặt phẳng quĩ đạo nghiêng so với xích đạo khoảng 55°;
- Độ cao bay trên mặt đất xấp xỉ 20.200km;

- Chu kỳ 718’ .
Quãng thời gian tôn tại của chúng vào khoảng 10 năm và chi phí cho mỗi lần
thay thế lên đến hàng tỷ USD.

Hình 1.2. Cấu trúc tín hiệu GPS
Mỗi vệ tinh truyền một tín hiệu hàng hải duy nhất trên hai tần số L1
1575.42MHz và L2 1227.60MHz. Các tín hiệu vệ tinh bao gôm:
- Hai tần số sóng mang;
7


- Mã đo khoảng cách được điều biến vào các sóng mang;
- Thông báo hàng hải chứa đựng thông tin về vị trí và đông hô vệ tinh;
Các sóng tải L1 và L2 thuộc dải sóng cực ngắn với tần số lớn thì các tín hiệu sẽ ít
bị ảnh hưởng của tầng điện ly và tầng đối lưu.
Các sóng tải được điều biến bởi 3 loại code khác nhau: C/A-code, P-code, Y-code.
- C/A - code là code thô/thâu tóm (Coarse/Acquisition). Nó được sử dụng cho các
mục đích dân sự và chỉ điều biến sóng tải L1. Code này được tạo bởi một chuỗi các số
0 và 1 được sắp xếp theo quy luật tựa ngẫu nhiên với tần số 1,023 MHz tức chỉ bằng
1/10 tần số cơ sở, và được lặp lại sau mỗi miligiây. Mỗi vệ tinh được gắn một C/A
-code riêng biệt.
- P – code là code chính xác (Precise). Nó được sử dụng cho các mục đích quân
sự, tức là để đáp ứng các yêu cầu có độ chính xác cao và điều biến cả 2 sóng tải L1 và
L2. Code này được tạo bởi nhiều chữ số 0 và 1 được sắp xếp theo quy luật tựa ngẫu
nhiên với tần số 10,23 MHz, độ dài toàn phần của code là 267 ngày nghĩa là sau 267
ngày code mới lặp lại. Tuy vậy người ta chia code này thành các đoạn có độ dài 7 ngày
và gán cho các vệ tinh một trong các đoạn code như thế, cứ sau một tuần lại thay đổi.
Bằng cách này P – code rất khó giải mã để sử dụng nếu không được cho phép.
- Y – code là code bí mật được phủ lên P – code nhằm chống bắt chước, gọi là ky
thuật AS (Anti Spoosing). Chỉ có các vệ tinh thuộc các khối từ sau năm 1989 mới có

khả năng này.
Ngoài các tần số trên, các vệ tinh còn có thể trao đổi với các trạm điều khiển trên
mặt đất qua các tần số 1783,74 MHz và 2227,5 MHz để truyền thông tin đạo hàng và
lệnh điều khiển tới vệ tinh.
Tất cả các vệ code được khởi tạo lại sau mỗi tuần lễ GNSS vào đúng thứ 7, chủ
nhật. Như vậy tuần lễ GNSS là đơn vị thời gian lớn nhất sử dụng công nghệ GNSS.
b) Phần điều khiển của hệ thống GPS (Control Segment)
Mảng điều khiển bao gôm các tiện ích cần thiết cho việc giám sát sức khoẻ; Theo
dõi, điều khiển, tính toán bản lịch vệ tinh và nạp dữ liệu lên vệ tinh. Để duy trì hoạt
động của toàn bộ hệ thống cũng như hiệu chỉnh tín hiệu thông tin của vệ tinh. Có các
trạm quan sát trên mặt đất, chia thành trạm trung tâm và trạm con. Các trạm con, vận
hành tự động, nhận thông tin từ vệ tinh, gửi tới cho trạm chủ. Sau đó các trạm con gửi

8


thông tin đã được hiệu chỉnh trở lại, để các vệ tinh biết được vị trí của chúng trên quy
đạo và thời gian truyền tín hiệu. Nhờ vậy, các vệ tinh mới có thể đảm bảo cung cấp
thông tin chính xác tuyệt đối vào bất kỳ thời điểm nào. Có 5 trạm điều khiển trên mặt
đất: Hawaii, Colorado Springs, Ascension Is, Diego Garcia và Kwajalein. Chức năng
của chúng như sau:
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 đông hô vệ tinh. Ba trạm tại
Ascension, Diego Garcia và Kwajalein là các trạm nạp dữ liệu lên vệ tinh. Dữ liệu bao
gôm các bản lịch và thông tin số hiệu chỉnh đông hô vệ tinh trong thông báo hàng hải.
Cùng với các trạm quan sát NGA được vận hành ở Anh, Argentina, Ecuador,
Bahrain, Úc và Washington DC. Thông tin đường bay của vệ tinh đi được gửi đến Air
Force Space Command's MCS ở Schriever Air Force Base 25 km đông nam của
Colorado Springs, do 2nd Space Operations Squadron (2 SOPS) của U.S. Air Force

vận hành. Sau đó 2 SOPS liên lạc thường xuyên với mỗi vệ tinh GPS thông qua việc
cập nhật định vị sử dụng các ăng ten mặt đất chuyên dụng hoặc dùng chung (AFSCN)
(các ăng ten GPS mặt đất chuyên dụng được đặt ở Kwajalein, đảo Ascension, Diego
Garcia, và Cape Canaveral). Các thông tin cập nhật này đông bộ hóa với các đông hô
nguyên tử đặt trên vệ tinh trong vòng một vài phần tỉ giây cho mỗi vệ tinh, và hiệu
chỉnh lịch thiên văn của mô hình quy đạo bên trong mỗi vệ tinh. Việc cập nhật được
tạo ra bởi bộ lọc Kalman sử dụng các tín hiệu/thông tin từ các trạm quan sát trên mặt
đất, thông tin thời tiết không gian và các dữ liệu khác.

Hình 1.3. Các trạm điều khiển GPS trênThế Giới
c) Phần sử dụng của hệ thống GPS (User Segment)
9


Đoạn sử dụng bao gôm tất cả các máy móc, thiết bị thu nhận thông tin từ vệ tinh
để khai thác sử dụng cho các mục đích và yêu cầu khác nhau của khách hàng kể cả
trên trời, trên biển và trên đất liền. Đó có thể là một máy thu riêng biệt hoạt động độc
lập (trường hợp định vị tuyệt đối) hay một nhóm gôm từ 2 máy thu trở lên hoạt động
đông thời theo một lịch trình thời gian nhất định (trường hợp định vị tương đối) hoặc
hoạt động theo chế độ một máy thu đóng vai trò máy chủ phát tín hiệu vô tuyến hiệu
chỉnh cho các máy thu khác (trường hợp định vị vi phân). Đó còn là cả một hệ thống
dịch vụ đạo hàng GPS đa năng trên phạm vi toàn cầu hoặc ở từng khu vực đang đuợc
thiết lập ở một số nước phát triển. Phần sử dụng gôm 3 bộ phận chính:
- Phần cứng: Máy thu mạch điện tử, các bộ dao tần số, các ăngten và thiết bị
ngoại vi cần thiết để máy thu hoạt động (ví dụ nguôn điện…)
- Phần mềm: Các chương trình xử lý dữ liệu từ vệ tinh. Ví dụ chuyển đổi các tín
hiệu thu được thành những thông tin định vị hoặc dẫn đường… Những chương trình này
cho phép người sử dụng tác động khi cần để có thể lợi dụng được những ưu điểm của
nhiều đặc tính định vị GPS. Những chương trình này có thể sử dụng được trong điều
kiện ngoại nghiệp và được thiết kế sao cho có thể cung cấp những thông báo hữu ích về

trạng thái và sự tiến bộ của hệ thống tới người điều hành. Ngoài ra trong phần mềm còn
bao gôm những phần mềm phát triển tính độc lập của máy thu GPS, có thể đánh giá
được các nhân tố như tính sẵn sàng của vệ tính và độ tin cậy của độ chính xác.
- Phần triển khai công nghệ: Gôm công nghệ liên quan đến lĩnh vực GPS ví dụ:
Cải tiến thiết bị máy thu, phân tích và mô hình hóa hiệu ứng của ăng ten khác nhau,
hiệu ứng truyền sóng và sự phối hợp của chúng trong phần mềm xử lý số liệu, phát
triển các hệ thống liên kết truyền thông theo một các tin cậy cho các hoạt động định vị
GPS cự ly dài và ngắn khác nhau và theo dõi các xu thế phát triển trong lĩnh vực giá cả
và hiệu suất thiết bị.
1.1.2.3. Hệ thống GLONASS
Từ năm 1976, Bộ quốc phòng Liên Xô đã nghiên cứu xây dựng hệ thống định vị
toàn cầu GLONASS. Ngày 12 tháng 10 năm 1982, vệ tinh đầu tiên của GLONASS
được phóng lên quy đạo. GLONASS là từ viết tắt của cụm từ tiếng Nga "Globalnaya
Navigatsionnaya Sputnikovaya Sistema" (tạm dịch là hệ thống định vị vệ tinh toàn
cầu). GLONASS là hệ thống định vị vệ tinh do Lực lượng Phòng vệ Không gian của
10


Nga điều hành, tương tự GPS; là hệ thống vệ tinh dẫn đường toàn cầu, do Liên bang
Xô Viết (cũ) thiết kế và điều hành. Ngày nay hệ thống GLONASS vẫn được Cộng hòa
liên bang Nga tiếp tục duy trì hoạt động. Hệ thống GLONASS bao gôm 30 vệ tinh
chuyển động trong 3 mặt phẳng quy đạo. GLONASS sử dụng hệ thống tọa độ PZ–90
về hệ thống giờ UTC (SU).
Cũng giống như GPS, chức năng chính của GLONASS là hệ thống điều hướng
cho xe hơi và hàng không. Tuy nhiên, ban đầu nó được ngành quốc phòng của Nga
dùng làm hệ thống dẫn đường trong các môi trường đòi hỏi tốc độ cao như trong máy
bay phản lực và tên lửa đạn đạo.
GLONASS bắt đầu ra mắt vào cuối thập kỷ 70 của thế kỷ trước. Ban đầu, nó
được sử dụng chủ yếu cho việc định vị thời tiết và đo vận tốc. Tuy nhiên sau sự sụp đổ
của Liên Xô, sự đầu tư cho GLONASS bị cắt giảm khiến dự án bị đình trệ. Kết hợp

với tuổi đời của vệ tinh ngắn (khoảng 3 năm), nên rất ít người tin tưởng vào thành
công của chương trình GLONASS. Thế nhưng mọi sự thay đổi vào năm 2011 khi Thủ
tướng Nga Vladimir Putin tuyên bố coi việc hoàn thành chương trình GLONASS là
một ưu tiên quốc gia và đầu tư ô ạt cho dự án này, biến nó trở thành tổ hợp công nghệ
tối quan trọng.
Vào năm 2007, ông Putin ban hành sắc lệnh liên bang mở GLONASS cho sử
dụng dân sự không giới hạn, đưa hệ thống này trở thành thách thức với hệ thống GPS
của My. Vào năm 2010, GLONASS đã phủ khắp lãnh thổ của Nga. Một năm sau đó,
nhờ vào chòm sao vệ tinh quay theo quy đạo mà nó đã phủ khắp toàn cầu.
GLONASS ban đầu sử dụng phương pháp truy cập đa tần FDMA (Frequency
Division Multiple Access Method) để liên lạc với các vệ tinh, với 25 kênh cho 24 vệ
tinh. Đây là giao thức phổ biến trong liên lạc vệ tinh nhưng có hạn chế là dễ bị can
nhiễu và gián đoạn. Từ năm 2008, GLONASS đã sử dụng CDMA (Code Division
Multiple Access Technique) để mang đến khả năng tương thích với các vệ tinh GPS.
Bởi vì các thiết bị nhận GLONASS tương thích với cả FDMA và CDMA nên chúng
chúng có kích cỡ lớn hơn và đắt đỏ hơn GPS.
Hệ thống GLONASS có cấu trúc gôm 3 thành phần là phần không gian, phần
điều khiển, phần sử dụng:
a) Phần không gian của hệ thống GLONASS
11


Đoạn không gian bao gôm các vệ tinh chuyển động trên bề mặt quả đất theo ba
bề mặt quy đạo với góc nghiêng 64,8° và độ cao 19100km cách mặt đất. Trên mỗi quy
đạo các vệ tinh có độ giãn cách là 45°, chu kỳ quay cỡ 676 phút. Các mặt phẳng quy
đạo được phân bố cách đều nhau 120°.
Các vệ tinh được đặt vào các khe quy đạo. Các vệ tinh trong mặt phẳng quy đạo
2 và 3 dịch chuyển ± 30° so với mặt phẳng quy đạo 1.
Tương tự như hệ thống GPS, mội vệ tinh GLONASS cũng truyền tín hiệu trên
sóng tải L1 và L2 với hai tần số tương ứng là f1 và f2. Từ năm 2009, các vệ tinh

GLONASS-K có khả năng phát thêm tín hiệu L3. Tín hiệu của vệ tinh GLONASS
cũng được điều biến theo code tựa ngẫu nhiên C/A và P-code.
b) Phần điều khiển của hệ thống GLONASS
Phần điều khiển của GLONASS cũng có chức năng tương tự như phần điều
khiển của GPS. Phần điều khiển GLONASS gôm năm trạm quan sát đặt trên lãnh thổ
Nga và được liên kết với trạm điều khiển trung tâm. Từ năm 1999, Nga đã phối hợp
với một số nước khác để tăng cường thêm trạm quan sát vệ tinh GLONASS đặt ở
ngoài nước Nga.
c) Phần sử dụng của hệ thống GLONASS
Phần sử dụng bao gôm tất cả máy thu tín hiệu vệ tinh và chương trình xử lý, tính
toán số liệu. Hiện nay một số hãng chế tạo máy thu GPS kết hợp GLONASS như:
Ashtech Z-18 (My), GB-1000 (Topcon- Nhật Bản), OEMV-1G, OEMV-2, OEMV-3,…
1.1.2.4. Hệ thống Galilleo
Việc nghiên cứu dự án hệ thống GALILEO được bắt đầu triển khai thực hiện từ
năm 1999 do 4 quốc gia Pháp, Đức, Italia và Anh, dự kiến đưa vào sử dụng trong năm
2010 (chậm hơn so với thời gian dự định ban đầu 2 năm). Galilleo là câu trả lời của
cộng đông châu Âu đối với GPS. Không giống như GPS và GNSS, trong khi 2 hệ
thống này được đầu tư, quản lý và điều hành bởi các tổ chức quân sự theo yêu cầu của
mỗi quốc gia thì Galilleo được quản lí và điều hành bởi các tổ chức dân sự, kinh phí
đầu tư phát triển các hợp phần chính của hệ thống cũng như kinh phí duy trì hệ thống
được kêu gọi từ nguôn vốn thương mại. Galilleo được thiết kế với một trùm gôm 30 vệ
tinh (27 vệ tinh hoạt đông & 3 vệ tinh dự phòng) toàn bộ các hệ thống hợp phần mặt
đất cần thiết phục vụ cho hệ thống. Quy đạo bay của Galilleo cao hơn so với GPS,
12


nhưng nguyên lý hoạt động hoàn toàn giống GPS. Theo công bố thì trùm vệ tinh của
Galilleo được thiết kế để tại bất kỳ thời điểm nào trong ngày mọi vị trí trên Trái đất
đều có thể quan sát được ít nhất 8 vệ tinh.
Cấu trúc hệ thống GALILLEO vẫn có cấu trúc tương tự như hệ thống GNSS,

gôm 3 thành phần:
a) Phần không gian của hệ thống GALILLEO
Phần này gôm 30 vệ tinh (3 vệ tinh dự phòng) phân bố trên 3 mặt phẳng quy đạo
có dạng gần tròn cách đều nhau 120° và nghiêng là 56° so với mặt phẳng xích đạo. Vệ
tinh chuyển động ở độ cao 23616km với chu kỳ 14h21’.
b) Phần điều khiển của hệ thống GALILLEO
Phần điều khiển gôm các trạm đặt trên lãnh thổ châu Âu và cả các trạm ngoài
châu Âu. Ngoài chức năng theo dõi, điều khiển, tính toán bản lịch vệ tinh và nạp dữ
liệu lên vệ tinh, các trạm điều khiển này còn xác định để truyền phát thông qua các vệ
tinh các số liệu liên quan đến việc cảnh báo (báo động) sự cố của hệ thống và phát đi
các thông tin đến những đơn vị thành viên, các trang tâm dịch vụ thương mại và các hệ
thống địa phương liên quan.
c) Phần sử dụng của hệ thống GALILLEO
Phần sử dụng bao gôm tất cả các máy thu tín hiệu vệ tinh và chương trình xử lý,
tính toán số liệu. Khác với GPS và GLONASS, phần sử dụng của Galilleo sẽ phân
quyền khai thác cho người sử dụng tùy theo kinh phí họ chi trả tùy với các loại hình
dịch vụ sau:
- Dịch vụ mở (Open Service): Dịch vụ miễn phí có sẵn cho thị trường các ứng
dụng đòi hỏi phải định vị đơn giản và không cần sự đảm bảo. Nó giống như GPS
nhưng mà không bất kỳ cơ sở hạ tầng mặt đất bổ sung.
- Dịch vụ Thương mại CS (Commercial Service): Dịch vụ này đòi hỏi được sử
dụng chuyên nghiệp, có độ chính xác cao hơn và cung cấp dich vụ đảm bảo có thu phí.
Tín hiệu truyền đi đã được mã hóa tạo tính bảo mật cao. Bên cạnh đó, hệ thống cung
cấp dữ liệu tốc độ thấp, đảm bảo năng lực và phát sóng tín hiệu chuyển hướng bổ sung
để duy trì các ứng dụng thương mại.
- Dịch vụ An toàn của cuộc sống (Safety of Life Service): Đây là một dịch vụ cho
các ứng dụng đảm bảo an toàn hơn cho cuộc sống. Tín hiệu được mã hóa nhưng xác
13

thực và thông tin toàn vẹn được phát sóng, có sự tương tác thông tin hai chiều theo
thời gian thực.
- Dịch vụ Điều hành công vụ (Public Regulated Service): Chỉ dành cho đối tượng
được chính phủ cho phép sử dụng.
- Dịch vụ tìm kiếm cứu nạn (Search and Rescue Service): Dịch vụ cho phép phát
hiện nguy hiểm và phát đi cảnh báo theo thời gian thực. Nó tương thích với COSPASSARSAT, đảm bảo thông tin tương tác hai chiều.
Ngày 30 tháng 11 năm 2007, 27 bộ trưởng giao thông vận tải các nước thành
viên của EU đã đi đến một thỏa thuận sẽ đưa vào vận hành hệ thống trước năm 2013.
Bảng 1.1. Độ chính xác định vị của các dịch vụ của Galilleo
Dịch vụ

Độ chính xác mặt bằng
1 tần L1 2 tần E5a và

Độ chính xác độ cao
1 tần L1
2 tần E5a

L1
Dịch vụ mở OS
Dịch vụ PRS
Dịch vụ Sol (mức

±15m

±4m
±6.5m
±4m

và L1

±35m

±8m
±12m

Độ chính
xác thời
gian
±30ns
±100ns

±8m

độ chính xác cao)
Có rất nhiều điểm giống nhau giữa tín hiệu được Galilleo dự kiến sử dụng (L1,
E5s & E5b) và các tín hiệu của hệ thống GPS sau khi hiện đại hóa (L2C, L5 và dự
kiến tương lai là L1c). Khả năng hoạt động của Galilleo được hi vọng tối thiểu cũng
phải tốt bằng GPS dân dự, và trong 1 vài khía cạnh khác sẽ vượt trội hơn so với GPS
(bao gôm các đông hô nguyên tử gắn trực tiếp trên bo mạch).
Để đảm bảo an toàn số liệu cho người sử dụng, hệ thống GALILLEO còn có
chức năng cảnh báo khi sai số định vị tuyệt đối vượt quá giới hạn nhất định.
Một số thông tin để so sánh giữa 3 hệ thống GPS, GLONASS, GALILLEO được
thể hiện ở bảng 1.2.

14


Bảng 1.2. Bảng so sánh tổng hợp GPS, GLONASS, GALILLEO

Sở hữu

Mã tín hiệu
Độ cao bay
Chu kỳ
Số vệ tinh

GPS

GLONASS

GALILLEO

My
CDMA
20.180 km
11h58’
Luôn có 24 vệ tinh

Nga
FDMA/CDMA
19.130 km
11h16’
29 vệ tinh

EU
CDMA
23.220 km
14h05’
12 vệ tinh (22 vệ tinh

hoạt động

(24 vệ tinh

nữa sẽ phóng

(32 trên quy đạo)
1,57542 GHz

vận hành)
khoảng

trong tương lai)
1,164 – 1.215 GHz

(L1 signal)

1,602 GHz (SP)

(E5a & E5b)

1,2276 GHz

khoảng

1,260 – 1,300 GHz (E6)

(L2 signal)

1,246 G

1,559 – 1,592 GHz

Tần số

(E2 – L1 – E11)
1.1.3. Trị đo và phương pháp đo trong công nghệ GNSS
1.1.3.1. Các trị đo
a) Trị đo khoảng cách giả theo tín hiệu Code
Trị đo mã (code) tương đương với hiệu thời gian khi nhận tín hiệu (được biểu
diễn trong khung thời gian của máy thu) và thời gian lan truyền (biểu diễn theo khung
thời gian của vệ tinh) của tín hiệu vệ tinh. Giả cự ly là khoảng cách từ ăng ten của máy
thu tới ăng ten của vệ tinh kèm theo độ lệch thời gian giữa đông hô máy thu và đông
hô vệ tinh và các sai số khác. Khoảng cách giả đơn vị là mét:
R= c.t

(1.1)

Nếu ta kí hiệu tọa độ của vệ tinh là XS , YS, ZS tọa độ của điểm xét (máy thu) là
x, y, z thời gian lan truyền của tín hiệu vệ tinh đến điểm xét là t, sai số không đông bộ
giữa đông hô vệ tinh và đông hô máy thu là Δt, khoảng cách giả đo được là R. Khi đó
ta có thể viết::
(1.2)
Trong đó: C là tốc độ truyền tín hiệu.

15


Hình 1.4. So sánh tín hiệu vệ tinh và máy thu GPS
Máy GPS thường đo khoảng cách từ máy thu đến vệ tinh bằng code C/A (được
cấu tạo bởi một chuỗi các giá trị 0 và 1) với tần số chip là 1,023MHz, độ dài chip

0,9975µs. Một chip tương đương với khoảng cách là 0,9975µs x 3. 108 = 293m. Một
chuỗi code gôm 1.023 chip do đó thời gian để phát một chuỗi code C/A là 0,9975µs x
1.023 = 1020,4425µs ≈ 1ms tương đương với 300km. Phương pháp này đòi hỏi máy
thu phải có một đông hô chính xác đông bộ với đông hô vệ tinh. Do sự không đông bộ
của đông hô trên vệ tinh và máy thu, do ảnh hưởng của môi trường lan truyền tín hiệu
nên khoảng cách thu được R không phải khoảng cách chính xác mà chỉ là khoảng cách
giả từ vệ tinh đến máy thu.
Ngoài sai số do sự không đông bộ giữa đông hô vệ tinh và máy thu, giá trị
khoảng cách giả còn có nhiều sai số khác: Sai số quy đạo vệ tinh, sai số đông hô vệ
tinh, sai số đông hô của máy thu, sai số khi truyền tín hiệu qua tầng đối lưu, tầng điện
ly và tổng sai số do đa đường truyền và nhiễu tại máy thu. Do đó, khoảng cách giả R
có độ chính xác thấp 0.3m cho mã P và 3m cho C/A nên ít được dùng trong trắc địa.
Tuy nhiên nó có tính trực quan vì thể hiện trực tiếp khoảng cách hình học từ máy thu
đến vệ tinh. Code đo khoảng cách P truyền trên 2 pha L1,L2 -> 2 trị đo P1,P2. Code
16


C/A trên L1 chỉ có trị đo duy nhất C1.
b) Trị đo pha sóng tải
Việc đo khoảng cách giả theo tín hiệu code chỉ cho phép xác định được khoảng
cách từ vệ tinh đến máy thu với sai số lý thuyết là 30m. Để đạt độ chính xác cao hơn
người ta dùng đại lượng đo khác là đo pha sóng tải. Trị đo pha trên 1 hay 2 tần số: là
trị đo trên tần số phách giữa tín hiệu nhận từ vệ tinh và máy thu. Trị đo pha biểu diễn
bởi số nguyên chu kỳ ở pha L1 và L2 của pha sóng mang nửa chu kỳ đo bằng máy cần
phải chuyển sang dạng số nguyên chu kỳ được báo hiệu ở phần đầu tệp Rinex. Đơn vị
đo số nguyên chu kỳ (full cycles). Công thức cơ bản của trị đo pha:
∅=

2π
( R − N λ + c.∆t )

λ

(1.3)

Trong đó:
λ : Bước sóng của tín hiệu;
R: Khoảng cách từ vệ tinh đến máy thu.
N: Số nguyên lần bước sóng λ chứa trong R
Nếu sử dụng sóng tải L1 thì ta có thể đo được khoảng cách từ vệ tinh đến máy
thu với độ chính xác đến cm, thậm chí mm. Sóng tải L2 cho độ chính xác thấp hơn
nhiều nhưng tác dụng của nó là cùng với sóng tải L1 làm giảm ảnh hưởng của tầng
điện ly.
c) Phép đo Doppler (Doppler measurement )
Chuyển động tương đối của vệ tinh và máy thu tạo nên những biến đổi tần số của
tín hiệu vệ tinh thu nhận được. Phép đo Doppler đo sự biến đổi pha của tín hiệu vệ tinh
tại một thời điểm nhất định. Độ dịch chuyển Doppler (Doppler Shift), tương đương với
tốc độ biến đổi của khoảng cách từ vệ tinh đến máy thu (range rate) gây ra do chuyển
động tương đối của máy thu tới vệ tinh chính là hình chiếu của vector vận tốc tương
đối của vệ tinh và máy thu theo phương truyền tín hiệu. Do vậy, vận tốc chuyển động
của máy thu so với vệ tinh có thể xác định được bằng các phép đo Doppler. Tín hiệu
của hiệu ứng Doppler được coi như trị đo đi kèm và mang dấu dương khi vệ tinh tiến
tới gần. Đơn vị của trị đo Doppler là Hz.

17


d) Các trị đo trong tệp Rinex
Các trị đo có thể nhận biết một cách trực quan qua một phần tệp số liệu đo dạng Rinex.

Hình 1.5. Tệp Rinex

Ở mục Types of observ ( các loại trị đo trong tệp ), có các kí hiệu L1, L2, C1, P2,
P1, D1, D2 được chú giải như sau:
L1, L2: trị đo pha trên L1 và L2.
C1: trị đo tựa khoảng cách bằng mã C/A trên L1.
P1, P2: trị đo tựa khoảng cách bằng mã P trên L1, L2.
18


D1, D2: trị đo Doppler trên L1 và L2.
Các trị đo này được nhận biết theo thứ tự ở hàng số liệu tô xanh bên dưới. Tùy
từng loại máy thu còn có thể có nhiều loại trị đo khác.
1.1.3.2. Các phương pháp đo
Các phương pháp đo trong GNSS là đo tĩnh, đo tĩnh nhanh, đo động, đo giả
động. Nội dung của từng phương pháp như sau:

19