Ứng dụng phần mềm Trimble Total Control (TTC) xử lý dữ liệu đo GPS trong công tác xây dựng lưới khống chế trắc địa xã Tân Hòa,huyện Quốc Oai, TP.Hà Nội

1

1
MỤC LỤC


2

2
DANH MỤC HÌNH ẢNH


3

3
DANH MỤC CHỮ CÁI VIẾT TẮT

STT

Chữ viết tắt

Nghĩa tiếng Anh

1

TTC

Trimble Total Control

2

PDOP

Position Dilution of Precision

3

GPS

Global Positioning System

4
5

RMS
PPM

6

GLONASS

7

UTM

Root Mean Square
PartX Per Million
Global Navigation Setellite
System
Universal Trasverse Mercator

8

GNSS

Global Navigation

9
10

IGS
SV

International GNSS Servicev
Satellite Vehicle

Nghĩa tiếng Việt
Phần mềm xử lý số liệu của
hãng Trimble
Hệ số suy giảm độ chính xác
vị trí
Hệ thống định vị toàn cầu của
Hoa Kỳ
Sai số trung phương
Phần triệu
Hệ thống định vị toàn cầu của
Liên Bang Nga
Phép chiếu bản đồ UTM
Tên dùng chung cho các hệ
thống định vị toàn cầu sử
dụng vệ tinh

Dịch vụ quốc tế GNSS
Vệ tinh nhân tạo


4

4
LỜI MỞ ĐẦU

1. Tính cấp thiết của đề tài
Hệ thống định vị toàn cầu GPS ra đời đã làm thay đổi cơ bản công nghệ xây
dựng lưới tọa độ. Đây là bước đột phá trong việc giải quyết nhiệm vụ xây dựng mạng
lưới tọa độ, các bài toán định vị và đo nối tọa độ quy mô khu vực và toàn cầu. Ngoài ra,
với sự ra đời của công nghệ GPS, đã có thể kiểm soát tốt hơn những hoạt động của tự
nhiên, những biến đổi của bề mặt Trái Đất cũng như những hoạt động về đời sống xã
hội của chính con người. Với sự phát triển không ngừng của công nghệ GPS, các hãng
chế tạo máy thu cũng luôn luôn nâng cấp và cải tiến các phần mềm, ứng dụng phục vụ
cho công tác xử lý số liệu đo. Trong đó có phần mềm Trimble Total Control (TTC), một
phần mềm mới của hãng Trimble
Từ những tính năng ưu việt của hệ thống GPS trong công tác trắc địa, cũng như
khả năng ứng dụng cao của phần mềm Trimble Total Control trong thực tiễn sản xuất.
Đã thúc đẩy em tìm hiểu và thực hiện đề tài: “Ứng dụng phần mềm Trimble Total
Control (TTC) xử lý dữ liệu đo GPS trong công tác xây dựng lưới khống chế trắc địa xã
Tân Hòa,huyện Quốc Oai, TP.Hà Nội”.
-

2. Mục tiêu đề tài
Tìm hiểu hệ thống định vị toàn cầu GPS. Cấu trúc và nguyên lý hoạt động của hệ thống.
Xử lý được số liệu đo GPS bằng phần mềm TTC
3. Nội dung nghiên cứu

- Khái quát về hệ thống định vị toàn cầu GPS và phần mềm TTC
- Thành lập lưới khống chế trắc địa bằng công nghệ GPS
-

Tính toán thực nghiệm
4. Phương pháp nghiên cứu
- Phương pháp thu thập tài liệu: Thu thập tài liệu, nghiên cứu các tài liệu liên quan
đến nội dung của đề tài.
- Phương pháp tin học: Sử dụng phần mềm TTC xử lý số liệu lưới GPS.
- Phương pháp chuyên gia: Học hỏi kiến thức, kinh nghiệm của các chuyên gia trong
lĩnh vực nghiên cứu..
5. Cấu trúc đồ án
Nội dung chính của đồ án gồm 3 chương:


5

5
 Chương 1: Khái quát về hệ thống định vị toàn cầu GPS và phần mềm TTC
 Chương 2: Thành lập lưới khống chế trắc địa bằng công nghệ GPS
 Chương 3: Tính toán thực nghiệm
6. Lời cảm ơn
Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong Khoa Trắc địa - Bản đồ, Trường Đại

học Tài nguyên và Môi trường Hà Nội đã tận tình chỉ dạy cho em những kiến thức hết
sức quý báu trong suốt thời gian em học tập tại Nhà trường. Em xin chân thành cảm ơn
thầy Nguyễn Xuân Thủy người đã trực tiếp hướng dẫn, giúp đỡ em trong quá trình làm
đồ án này.
Mặc dù đã rất cố gắng làm việc song do thời gian, trình độ có hạn nên đồ án của
em không tránh khỏi những thiếu sót. Rất mong thầy cô giáo cùng các bạn đồng nghiệp

đóng góp ý kiến để em có thể hoàn thiện hình thức và nội dung đồ án tốt hơn.
Em xin chân thành cảm ơn!
Hà Nội, ngày tháng năm 2017
Sinh viên thực hiện

Lê Thị Hà

CHƯƠNG 1: KHÁI QUÁT VỀ HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ TOÀN CẦU GPS VÀ
PHẦN MỀM TRIMBLE TOTAL CONTROL
1

Khái quát về hệ thống định vị toàn cầu GPS
Hệ thống Định vị Toàn cầu (tiếng Anh: Global Positioning System - GPS) là hệ

thống xác định vị trí dựa trên vị trí của các vệ tinh nhân tạo, do Bộ Quốc phòng Hoa Kỳ
thiết kế, xây dựng, vận hành và quản lý. Trong cùng một thời điểm, tọa độ của một điểm


6

6

trên mặt đất sẽ được xác định nếu xác định được khoảng cách từ điểm đó đến ít nhất
bốn vệ tinh.
Các vệ tinh đầu tiên của hệ thống này được phóng lên quỹ đạo vào tháng 2 năm
1978. Toàn bộ hệ thống được hoàn chỉnh từ tháng 5 năm 1994.

1.1.1. Cấu trúc và nguyên lý hoạt động của hệ thống định vị toàn cầu GPS
1. Cấu trúc hoạt động của hệ thống GPS

Hình 1.1. Cấu trúc của hệ thống GPS
Hệ thống định vị toàn cầu GPS gồm 3 đoạn hình 1.
- Đoạn không gian (space segment).
- Đoạn điều khiển (control segment).
- Đoạn người sử dụng (user segment).

a)

Đoạn không gian (space segment)
Đoạn không gian của GPS 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 GPS nghiêng so với mặt phẳng xích đạo một góc 55 độ.


7

7

Quỹ đạo của vệ tinh gần hình tròn, ở độ cao 20.200 km, chu kỳ 718 phút, thời hạn sử
dụng 7,5 năm.

Hình 1.2. Chuyển động của vệ tinh xung quanh trái đất.
Từ khi phóng vệ tinh GPS 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 động lâu hơn.
Các vệ tinh đều được trang bị đồng hồ nguyên tử với độ chính xác cao. Vệ tinh

chủ yếu chạy bằng năng lượng mặt trời, tuy nhiên có cả pin mặt trời để dự phòng duy trì
hoạt động trong vùng không có ánh mặt trời. Vệ tinh GPS có trọng lượng khoảng
1600kg và khoảng 800kg trên quỹ đạo. Tuổi thọ vệ tinh đời mới cũng chỉ khoảng 10
năm, việc thay thế và phóng lên quỹ đạo luôn được duy trì.


8

8

Hình 1.3. Vệ tinh thế hệ mới Block IIR-M1 (phóng vào tháng 12-2005)
b) Đoạn điều khiển (control segment)
Đoạn 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. Đoạn điều khiển có 5 trạm quan sát
có nhiệm vụ như sau:
- 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.
Tất cả 5 trạm đều giám sát, theo dõi vệ tinh và truyền dữ liệu đến trạm điều khiển
chính (đặt tại Colorado Springs bang Colorado của Mỹ, bốn trạm giám sát còn lại được
đặt tại Diego Garcia, Ascension, Kwajalein và Hawaii). Tại đó, dữ liệu được xử lý nhằm
tính tọa độ và số hiệu chỉnh đồng hồ vệ tinh.
Ngoài 5 trạm trên còn có 3 trạm anten mặt đất (đặt tại Assension Island, Diego
Garcia và Kwajalein) dùng để cũng cấp dữ liệu (bao gồm các bản lịch và thông tin số
hiệu chỉnh đồng hồ về tinh trong thông báo hàng hải) tới 3 trạm anten mặt đất và từ đó
gửi tiếp tới các vệ tinh. Kết quả là trong vòng 1 giờ các vệ tinh đều có một số liệu đã
được hiệu chỉnh để phát cho máy thu.

9

9

Hình 1.4. Vị trí các trạm điều khiển và giám sát hệ thống GPS
Hiện nay phần điều khiển đã phát triển thêm một số điểm đặt tại các nước như
Achentina, Australia, New Zenland, Baranh, Anh, Cộng hòa Nam Phi, Trung Quốc vv…
c) Đoạn người sử dụng (user segment)
Đoạn người sử dụng bao gồm các máy thu tín hiệu từ vệ tinh để khai thác ứng
dụng của hệ thống GPS. Phần sử dụng GPS gồm 3 bộ phận chính:
• Phần cứng: Phần cứng bao gồm các máy thu mạch điện tử, các bộ dao động tần số vô
tuyến RF (Radio Friquecncy), các anten và các thiết bị ngoại vi cần thiết để máy thu
hoạt động (ví dụ nguồn điện…).
• Phần mềm: Phần mềm bao gồm các chương trình xử lý dữ liệu thu được từ vệ tinh. Ví
dụ chuyển đổi 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 hệ thống định vị GPS. Những chương trình này có thể sử dụng
ở 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 gồm những chương trình phát triển độc lập của máy thu GPS, có thể đánh
giá được các nhân tố như tính sẵn sàng của vệ tinh và mức độ tin cậy của độ chính xác.
• Phần triển khai công nghệ: Phần triển khai công nghệ hướng tới mọi lĩnh vực liên quan
đến GPS như cải tiến thiết kế máy thu, phân tích và mô hình hóa hiệu ứng của anten
khác nhau, hiệu ứng truyền sóng và sự phối hợp của chúng trong phầm mềm xử lý số
liệu, phát triển các hệ thống liên kết truyền thống một các tin cậy cho hoạt động định vị


10

10

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.
2. Nguyên lý hoạt động của hệ thống định vị toàn cầu GPS
Hệ thống định vị toàn cầu GPS thực chất là một mạng lưới bao gồm 27 vệ tinh
quay xung quanh trái đất. Trong số 27 vệ tinh này, 24 vệ tinh đang hoạt động, 3 vệ tinh
còn lại đóng vai trò dự phòng trong trường hợp một trong số 24 vệ tinh chính bị hư
hỏng. Dựa vào cách sắp đặt của các vệ tinh này, khi đứng dưới mặt đất, có thể nhìn
được ít nhất là 4 vệ tinh trên bầu trời tại bất kì thời điểm nào.
Phối hợp hoạt động với các vệ tinh quay xung quanh trái đất là 5 trạm theo dõi đặt
trên mặt đất: trạm chủ được đặt tại Colorado (Mỹ) và 4 trạm khác (không có người điều
khiển) được đặt tại các vị trí rất xa lạ. Các trạm theo dõi này thu thập dữ liệu từ các vệ
tinh và truyền dữ liệu về trạm chủ. Trạm chủ sau đó sẽ xử lí dữ liệu và đưa ra các thay
đổi cần thiết để chuyển dữ liệu chuẩn về các vệ tinh GPS. Các vệ tinh GPS bay vòng
quanh Trái Đất hai lần trong một ngày theo một quỹ đạo rất chính xác và phát tín hiệu
có

thông tin xuống Trái Đất.


11

11

Hình 1.5. Máy thu GPS
Các máy thu GPS nhận thông tin này và bằng phép tính lượng giác tính được
chính xác vị trí của máy. Về bản chất máy thu GPS so sánh thời gian tín hiệu được phát
đi từ vệ tinh với thời gian nhận được chúng. Sai lệch về thời gian cho biết máy thu GPS
ở cách vệ tinh bao xa. Rồi với nhiều quãng cách đo được tới nhiều vệ tinh máy thu có
thể tính được vị trí đặt máy.

1.1.2. Trị đo, nguyên lý và phương pháp định vị của hệ thống GPS
1. Trị đo của hệ thống GPS
Trị đo GPS là những số liệu máy thu GPS nhận được từ tín hiệu của vệ tinh
truyền tới, mỗi vệ tinh GPS phát 4 thông số cơ bản dùng cho việc đo đạc chia thành 2
nhóm bao gồm:
- Nhóm trị đo Code:
+ C/A Code;
+ P Code.
- Nhóm trị đo pha:
+ L1 – Carrie;
+ L2 Carrie;
+ Tổ hợp L1/L2.
Các trị đo này có thể sử dụng riêng biệt hoặc kết hợp để xác định khoảng cách
đến từng vệ tinh.
Mô hình toán học của tín hiệu GPS:
Trên tần số L1= 1575.42 MHz:
s(t)=
Trên tần số L2= 1227.60 MHz:


12

12
s(t)=

Trong đó:
d(t): dữ liệu tần số 50bps;
c(t): mã C/A tần số 1.023MHz;
p(t): mã P tần số 10.23 MHz;

ω: tần số sóng mang.
Mô tả truyền tín hiệu trong miền thời gian:

Hình 1.6. Mô hình điều chế tín hiệu

Hình 1.7. Mô hình điều chế tín hiệu
Mã dữ liệu:
-

Tần số 1 bit dữ liệu GPS: 50Hz truyền trong 20ms.
1 word dữ liệu gồm 30bits, truyền trong 600 ms.


13

13
-

10 words – 1 subframe truyền trong 6 giây.
1 page gồm 5 subframes, truyền trong 30 giây.
Một bộ dữ liệu hoàn chỉnh gồm 25 pages truyền trong 12.5 phút.

Mỗi subframe bắt đầu bằng 2 word: TLM, HOW:
- TLM word sử dụng để xác định bắt đầu của một subframe.
- HOW word sử dụng để tính tc trong quá trình xác định vị trí vệ tinh.
2. Nguyên lý định vị của hệ thống GPS
Có hai nguyên lý trong định vị GPS:

-

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 biết tọa độ vệ tinh.

-

Định vị tương đối: Xác định hiệu tọa độ của hai hay nhiều điểm quan sát sau khi so
sánh từng cặp điểm định vị tuyệt đối trong cùng ca đo. Vector hiệu tọa độ này được gọi
là Baseline.

a) Định vị tuyệt đối

Hình 1.8. Định vị GPS tuyệt đối
Giả sử đặt máy thu tại M và tiến hành thu tín hiệu vệ tinh S.
- X, Y, Z là tọa độ điểm M;
- Xi, Yi, Zi là tọa độ các điểm vệ tinh Si;
- Ri là khoảng cách từ các vệ tinh Si đến máy thu.


14

14
- Ta có hệ phương trình toán học sau:
(1.1)
Trong phương trình (1.1): Xi, Yi, Zi đã biết Ri đo được còn lại 3 ẩn số X, Y, Z là

tạo độ các điểm quan sát.
Để giải được tọa độ điểm quan sát, cần ít nhất ba phương trình dạng (1.1) tương
ứng phải quan sát tối thiểu ba vệ tinh.
- X, Y, Z là tọa độ điểm M;
- X1, Y1, Z2; X2, Y2, Z2; X3,Y3, Z3 tương ứng là tọa độ 3 vệ tinh S1, S2, S3;

- R1, R2, R3 lần lượt là khoảng cách từ các vệ tinh S1, S2, S3 đến máy thu.
Ta có hệ phương trình sau:

(1.2)

Trong hệ phương trình (1.2): X1, Y1, Z2; X2, Y2, Z2; X3,Y3,Z3 đã biết, R1, R2, R3 đo
được. Hệ phương trình cho bộ nghiệm duy nhất là X, Y, Z.
Trên thực tế, do sai số đo thời gian là (sai số đồng bộ giữa đồng hồ vệ tinh và
đồng hồ máy thu) nếu không xác định được R i mà chỉ xác định được các khoảng cách
giả tương ứng Ri’.
Ta có quan hệ sau:
Ri’=Ri+c.
c là vận tốc lan truyền tính hiệu, là đại lượng đã biết
Thay (1.1) vào (1.3):

(1.3)

(1.4)
Phương trình (1.4) gồm 4 ẩn số, đó là X, Y, Z, và . Để giải cần ít nhất 4 phương
trình, đồng nghĩa với máy thu thu đồng thời tối thiểu 4 vệ tinh.
Khi đó ta có hệ phương trình:


15

15

(1.5)

Hệ phương trình (1.5) gồm bốn phương trình với 4 ẩn số X, Y, Z và sẽ cho bộ

nghiệm duy nhất. Đây chính là nguyên lý của định vị tuyệt đối.
Như vậy định vị tuyệt đối cần quan sát đồng thời tối thiểu 4 vệ tinh. Trên thực tế,
với hệ thống vệ tinh hoạt động đầy đủ như hiện nay, số lượng vệ tinh có thể quan sát
đồng thời là 6-8 vệ tinh, có khi nhiều hơn 10. Khi đó lời giải đơn trị sẽ được rút ra nhờ
phương pháp xử lý số liệu đo theo nguyên tắc số bình phương nhỏ nhất.
b) Định vị tương đối

Hình 1.9. Định vị tương đối GPS
Định vị tương đối là trường hợp sử dụng đồng thời hai hay nhiều máy thu GPS
đặt ở điểm quan sát khác nhau để nhận tín hiệu vệ tinh (ít nhất 4 vệ tinh), trên cơ sở so
sánh kết quả định vị tuyệt đối giữa các điểm này, rút ra hiệu tọa độ vuông góc không
gian (hay hiệu tọa độ mặt cầu ( giữa chúng trong khung quy chiếu xác định, hiệu tọa độ
này tạo thành cạnh cơ sở BaseLine, mặc dù cạnh nằm dưới mặt đất.
Để đạt được độ chính xác cao và rất cao cho kết quả xác định hiệu tọa độ giữa
hai điểm xét người ta tạo ra và sử dụng các sai phân khác nhau cho pha sóng tải nhằm


16

16

giảm ảnh hưởng của các nguồn sai số khác nhau như: Sai số của đồng hồ vệ tinh cũng
như trong máy thu, sai số tọa độ vệ tinh, số nguyên đa trị… Thực chất vấn đề là lấy trị
đo trực tiếp tạo thành trị đo mới (các sai phân) để loại trừ hoặc giảm bớt các sai số trên.
Độ chính xác đạt được cỡ cm, chủ yếu áp dụng trong trắc địa. Định vị tương đối thường
sử dụng trong pha sóng tải. Nguyên lý đo tọa độ tương đối là xác định pha của sóng
mang L1 (với máy thu 1 tần số) hay L1 và L2 (với máy thu 2 tần số).
Ta công thức:
R = Nλ + ϕλ;
Trong đó λ: Bước sóng (λ = );

(1.6)

f: Tần số sóng;
N: Số nguyên lần bước sóng;
ϕ: Pha của sóng;
R: Khoảng cách vệ tinh - máy thu.
Từ công thức (1.6) ta có:
ϕ = (R – N
Xét công thức (3) có thể viết dưới dạng:

(1.7)

(1.8)
ϕ(t) = φs(ts ) - φp(t) + Nsp
s s
φ (t ) - Pha của sóng tại thời điểm ts khi vệ tinh bắt đầu phát tín hiệu;
φp(t) - Pha của sóng tại thời điểm t khi máy thu nhận được tín hiệu;
Nsp - Số nguyên lần bước sóng.
Từ các công thức trên suy ra:
(1.9)
ϕ(t) = φs(t) - ().Ssp - φp(t) + Nsp
Kết hợp các thành phần của vế phải của công thức (9) biểu diễn dưới dạng:
ϕ(t) = - ().Ssp - αp(t) + βs(t) + γsp

(1.10)

Trong đó:
αp(t) - Thành phần ảnh hưởng hệ thống pha (t) do máy thu gây ra (chủ yếu là số
hiệu chỉnh đồng hồ máy thu);

βs(t) - Thành phần ảnh hưởng hệ thống pha (t) do vệ tinh gây ra (chủ yếu là số
hiệu chỉnh đồng hồ vệ tinh);


17

17
γsp(t) - Thành phần ảnh hưởng hệ thống pha (t) do cả vệ tinh và máy thu gây ra

không phụ thuộc thời gian (chủ yếu là φs(to) - φp(to) + Nsp , trong đó to là thời điểm bắt
đầu đo).
Công thức (1.10) chính là công thức cơ bản để lập phương trình đo trong kỹ
thuật đo tọa độ tương đối GPS. Điều quan trọng nhất là phải tổ hợp các trị đo sao cho
khử được các thành phần hệ thống p(t), s(t) và p.
Với số lượng vệ tinh GPS xuất hiện trên bầu trời nhiều thường nhiều hơn 4, có
thể lên tới 10 vệ tinh. Bằng cách tổ hợp theo từng cặp vệ tinh ta sẽ có rất nhiều trị đo.
Không những thế khi đo tương đối các vệ tinh lại được quan sát trong khoảng thời gian
tương đối dài (từ nửa giờ đến vài giờ). Do vậy, trên thực tế số lượng trị đo để xác định
ra hiệu tọa độ giữa hai điểm quan sát sẽ rất lớn, và khi đo sẽ được xử lý theo nguyên tắc
bình phương nhỏ nhất.
3. Các phương pháp định vị GPS
Trong công tác khai thác và sử dụng hệ thống GPS hiện nay, tùy từng tính chất
công việc, độ chính xác các đại lượng cần tìm mà người ta sử dụng các phương pháp đo
cho cho phù hợp. Trên thực tế có một số kĩ thuật đo như sau:
a) Đo tĩnh (Static)
Đo tĩnh (Static) hay đo tĩnh nhanh (Fast–Static) là phương pháp đo tương đối, sử
dụng 2 hay nhiều máy đo đồng thời tín hiệu trong một thời gian dài để xác định ra hiêu
tọa độ giữa các máy thu. Các trạm đo đồng thời tạo thành các đoạn đo (secsion).
Đo tĩnh là phương pháp đo có độ chính xác cao nhất, với máy thu 1 tần và 2 tần
số hiện nay cho độ chính xác rất cao phục vụ công tác xây dựng các mạng lưới trắc địa

nhà nước, nghiên cứu địa động …
Ở khoảng cách từ vài chục đến vài trăm km thì người ta thường sử dụng máy đo
hai tần số L1, L2 để khắc phục sai số do tầng địa ly.
b) Kĩ thuật đo động (Kinematic)
Phương pháp đo dựa trên cơ sở nguyên lý định vị tương đối. Cơ sở của định vị
động là dựa trên sự khác nhau của trị đo giữa hai chu kì đo, nhận được bởi một máy thu
tín hiệu của chính vệ tinh nào đó chuyển đến. Sự thay đổi đó tương đương với sự thay
đổi khoảng cách địa diện đến vệ tinh.
Kết quả của định vị động là xác định được các điểm trên đường đi của máy thu di
động so với máy thu cố định. Trạm máy cố định được gọi là trạm tham khảo hay còn


18

18

gọi là trạm BASE. Máy thu đặt tại trạm này phải đảm bảo cố định trong suốt thời gian
đo động. Máy thu di động gọi là các trạm ROVE, được di động trên các điểm đo cần
xác định tọa độ (trên đất liền, không trung, trên biển). Trong quá trình đo, cả hai máy
phải đảm bảo thu được liên tục ít nhất 4 vệ tinh. Định vị động có thể sử dụng đối với trị
đo khoảng cách giả hoặc trị đo sóng tải hoặc phối hợp cả hai loại trên. Trong trường hợp
việc sử dụng đo sóng tải có độ chính xác cao hơn.
c) Kĩ thuật đo giả động (Pseudo-Kinematic)
Phương pháp đo 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 đo 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 phải thu tín hiệu suốt
chu kì đo, máy di động được chuyển tới các điểm cần xác định và mỗi điểm thu tín hiệu
5-10 phút.
Sau khi đo hết lượng máy di động quay trở lại điểm xuất phát và đo lặp lại tất cả

các điểm theo đúng trình tự như trước, nhưng chú ý phải đảm bảo thời gian dãn cách
giữa 2 lần đo tại mỗi điểm không ít hơn 1 tiếng đồng hồ. Yêu cầu nhất thiết của phương
pháp này là có it nhất 3 vệ tinh chung cho cả hai lần đo tại một điểm quan sát.
Điều đáng chú ý nhất trong phương pháp này là máy di động cần thu tín hiệu vệ
tinh liên tục trong suốt chu kì đo như phương pháp đo động, tại mỗi điểm đo máy chỉ đo
5-10 phút sau đó có thể tắt máy di chuyển đến điểm khác.
1.1.3. Các nguồn sai số trong định vị GPS
Bảng 1.1. Bảng thống kê nguồn lỗi khi đo GPS và biện pháp khắc phục
Nguồn lỗi
1. Phụ thuộc vệ tinh
- Emphemerit
- Đồng hồ vệ tinh
- Đồ hình 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 anten

Biện pháp xử lý
Emphemerit chính xác
Sai phân bậc I
Chọn thời gian PDOP
Dùng máy 2 tần
Lập mô hình
Xác định đơn vị sai phân bậc III
Tránh vật cản, sai phân bậc III

Tránh phản xạ, ngưỡng góc cao
Đo 2 lần chiều cao anten


19

19
-

Tâm pha anten
Nhiễu điện từ
- Tọa độ quy chiếu
- Chiều dài cạnh
- Cấu hình máy thu

Anten chuẩn đặt quay về một hướng
Tránh bức xạ điện từ
Khống chế chính xác, tin cậy
Bố trí cạnh ngắn
Chú ý lắp đặt

Cũng như bất kỳ một phương pháp đo đạc khác, việc định vị bằng hệ thống GPS chịu
ảnh hưởng của nhiều yếu tố khác nhau.
Các nguồn sai số trong GPS được chia thành 3 nguồn chính:
-

Sai số phụ thuộc vệ tinh.
Sai số phụ thuộc đường truyền tín hiệu.
Sai số phụ thuộc máy thu.
a) Sai số phụ thuộc vệ tinh

Sai số đồng hồ vệ tinh: Mặc dù vệ tinh được trang bị đồng hồ nguyên tử có độ

chínhh xác rất cao nhưng vẫn có sai số. Trong trị đo khoảng cách giả sử tín hiệu code,
khoảng cách từ vệ tinh đến máy thu được tính dựa vào thời gian lan truyền tín hiệu. Đại
lượng này là hiệu thời gian thu tín hiệu tại máy (được đo bằng đồng hồ máy thu) trừ đi
thời gian phát tín hiệu (được đo bằng đồng hồ vệ tinh) do có thể thấy sai số đồng hồ vệ
tinh sẽ gây ra trong trị đo khoảng cách giả. Để hạn chế sai số này thì có dùng số hiệu
chỉnh và khi xử lý số liệu đo trong định vị tương đối nên sử dụng các sai phân bậc I.
Sai số do đồ hình vệ tinh: Theo nghĩa nào đó, có thể hiểu định vị vệ tinh là giao
hội nghịch khoảng cách trong không gian với điểm gốc là các vệ tinh.


20

20
Hình 1.10. Ảnh của đồ hình phân bố vệ tinh.
Vì vậy, sự phân bố vệ tinh cũng ảnh hưởng đến kết quả định vị. Nếu các vệ tinh

mà đang thu tín hiệu chúng chụm lại với nhau về phía thiên đỉnh thì độ chính xác của
kết quả định vị sẽ thấp. Nếu chúng trải rộng ra phía chân trời thì độ chính xác của kết
quả sẽ tốt hơn nhiều.
Để nâng cao độ chính xác định vị, cần chọn điểm đo hợp lý (để có đồ hình tốt),
chọn vị trí quang đãng đặt máy.
Ngoài sai số đồ hình, sai số đồng hồ, vệ tinh còn có thể gây ra các sai số khác
nhau như sự nhiễu loạn chuyển động vệ tinh, sự xê dịch vị trí các bộ phận vệ tinh so với
trọng tâm vệ tinh…
b) Sai số phụ thuộc đường truyền tín hiệu
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

sóng điện từ, chiết suất của tầng ion tỷ lệ với tần số sóng 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.

Hình 1.11. Ảnh hưởng của tầng đối lưu
Ảnh hưởng của tầng đối lưu: 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 GPS.


21

21
Hiện tượng đa tuyến: 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 ngưỡng cao hơn 15 việc chọn góc ngưỡng như thế này nhằm giảm ảnh
hưởng bất lợi của chiết quang khí quyển và hiện tượng đa tuyến.
Hầu hết anten GPS gắn bản dạng phẳng, tròn che chắn tín hiệu phản xạ từ dưới
mặt đất lên.
Tầm nhìn vệ tinh và sự trượt chu kỳ: Điểm quan trọng nhất khi đo GPS 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 GPS 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 GPS.
Khi sử dụng trị đo pha cần phải đảm 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 GPS. 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 GPS có thể dùng sai phân bậc ba để nhận biết và xử lý trượt chu kỳ.
c) Sai số phụ thuộc máy thu
Tâm pha của anten: Tâm pha là một điểm nằm bên trong anten, là nơi tín hiệu
GPS 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 xử 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.
1.2. Phần mềm Trimble Total Control


22

22
Trước tháng 11 năm 2011 các số liệu đo các mạng lưới GPS hầu hết được xử lý,

tính toán bình sai bằng GPSurvey 2.35, vì phần mềm này cho phép xử lý các số liệu
tương đối đa dạng và có tính ổn định cao. Nhưng từ tháng 11- 2011 đến nay phần mềm
nói trên không thể xử lý được các tín hiệu GPS nữa (cụ thể là không thể giải được
cạnh), do đó mỗi hãng máy đã lập phần mềm xử lý riêng cho các số liệu của mình. Cụ
thể như: Hãng máy Trimble của Mỹ có các phần mềm: Trimble Total Control (TTC),
Trimble Business Center (TBC);Hãng máy của Trung Quốc:Compass,Hight Geomatics
Office (HGO);hãng máy của Thụy sỹ: Leica Geomatics Office 5 (LGO5)…

Trimble Total Control là một phần mềm thật sự chuyên nghiệp, phục vụ đa mục
đích, trong đó có modul xử lý số liệu GPS tĩnh phục vụ công tác xây dựng lưới khống
chế một cách nhanh chóng và tiện lợi, có thể xử lý số liệu hàng nghìn điểm chỉ trong
vòng một thời gian rất ngắn. Nó có những công cụ rất mạnh cho phép xử lý, phân tích
và lập báo cáo từ một khối lượng số liệu rất lớn nhanh chóng. Trimble Total Control lý
tưởng để xử lý số liệu cho các lưới khống chế GPS lớn và các cạnh đo dài. Phần mềm
Trimble Total Control là một hợp phần quan trọng trong hệ thống Trimble Toolbox cho
các giải pháp đo đạc tích hợp.
Đặc tính nổi bật:
- Xử lý cạnh đo GPS
- Hỗ trợ cho hệ thống vệ tinh GLONASS của Nga
- Xử lý số liệu đo tĩnh, tĩnh nhanh, đo động và đo động liên tục
- Hỗ trợ cho số liệu GPS thô thu được từ các máy của hãng khác
- Hỗ trợ số liệu toàn đạc điện tử và thuỷ chuẩn số
- Bình sai lưới khống chế
- Chuyển đổi hệ toạ độ và phép chiếu hình
- Tích số liệu GPS và GLONASS
- Phân tích sự biến dạng liên tục của trị đo GPS
- Tạo các bảng báo cáo linh hoạt
Nhược điểm của phần mềm Trimble Total Control:


23

23
- Khi trên Project có đồng thời các cạnh xử lý rồi và các cạnh chưa xử lý. Phần

mềm chỉ có thể tính riêng từng cạnh chưa xử lý mà không thể tính tất cả các cạnh chưa
xử lý được.
- Tính sai số khép hình phải tính thủ công từng tam giác một. Không tính được

tất cả cùng một lúc.

CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG LƯỚI KHỐNG CHẾ TRẮC ĐỊA
BẰNG CÔNG NGHỆ GPS
2.1 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)
Có 2 loại lưới khống chế trắc địa:
-Lưới khống chế mặt bằng nếu chỉ biết (X,Y),dùng làm cơ sở xác định vị trí mặt
bằng của các điểm
Có 2 phương pháp chính để xây dựng lưới khống chế mặt bằng là lưới tam gíac
và lưới đường chuyền.Ngoài ra , có thể ứng dụng GPS để xây dựng lưới trắc địa
Với lưới tam giác: hoặc đo tất cả các góc,hoặc đo tất cả các cạnh,hoặc đo cả góc
lẫn cạnh


24

24
Hình 2.1. Lưới tam giác

Với lưới đường chuyền: có 2 dạng chính là lưới đường chuyền phù hợp và lưới đường
chuyền khép kín

Hình 2.2. Lưới đường chuyền phù hợp

Hình 2.3. Lưới đường chuyền khép kín
-Lưới khống chế độ cao nếu chỉ biết (H), sử dụng làm cơ sở để xác định độ cao

của các điểm trên mặt đất.
2.2. Thành lập lưới khống chế trắc địa bằng công nghệ GPS
2.2.1. Yêu cầu chọn điểm trong thành lập lưới khống chế trắc địa bằng công
nghệ GPS
Vị trí các điểm GPS được chọn phải thỏa mãn các yêu cầu sau:
-

Vị trí điểm được chọn phải phù hợp với yêu cầu của thiết kế kỹ thuật, thuận lợi cho việc
đo nối và cho các công tác đo đạc tiếp theo. Điểm chọn phải đặt ở nơi có nền đất, đá ổn

-

định sử dụng được lâu dài và an toàn khi đo đạc.
Vị trí điểm chọn phải thuận tiện cho việc lắp đặt máy thu và thao tác khi đo, có khoảng

-

không rộng và góc cao của vệ tinh phải lớn hơn
Vị trí điểm chọn phải thuận tiện cho việc thu tín hiệu vệ tinh, tránh hiện tượng nhiễu tín
hiệu do quá gần các trạm phát song và sai số đa đường dẫn ( Multipath) do phản xạ tín


25

25

hiệu từ các địa vật xung quanh điểm đo. Vị trí điểm chọn phải cách xa nguồn phát song
vô tuyến công suất lớn ( như tháp truyền hình, trạm vi ba ) lớn hơn 200m và tránh xa
-

cáp điện cáo thế lớn hơn 50m.
Đi lại thuận tiện cho đo ngắm.
Cần tận dụng các mốc khống chế đã có nếu chúng đảm bảo các yêu cầu nêu trên
Công tác chọn điểm phải tuân theo các yêu cầu sau:

-

Vẽ sơ đồ ghi chú điểm ngay ngoài thực địa (kể cả các điểm đã có mốc cũ)
Tên điểm GPS có thể đặt theo tên làng, tên núi, tên địa danh, tên đơn vị, tên công trình.
Khi tận dụng điểm cũ không đổi tên điểm. số hiệu điểm cần được biên tập tiện lợi cho

-

máy tính.
Khi điểm chọn cần đo nói thủy chuẩn, người chọn điểm phải khảo sát tuyến đo thủy

-

chuẩn ngoài thực địa và đề xuất kiện nghị.
Khi tận dụng điểm cũ phải kiểm tra tính ổn định, sự hoàn hảo, tính an toàn và phù hợp

-

với các yêu cầu của điểm đo GPS.
Đất dung để chon mốc GPS phải được sự đồng ý của cơ quan quản lý, người đang sửu
dụng đất cần làm thủ tục chuyển quyền sử dụng đất và làm các thủ tục ủy quyền bảo
quản mốc.
2.2.2. Một số đồ hình lưới trong thành lập lưới khống chế trắc địa bằng công
nghệ GPS
Các dạng đồ hình thông dụng:

1. Đồ hình lưới tam giác dày đặc
- Đồ hình lưới tam giác dày đặc đo nối tất cả các cạnh có thể