Xây dựng lưới khống chế trắc địa phục vụ nâng cấp thành phố Bạc Liêu

Đại Học Mỏ-Địa Chất

LỜI NÓI ĐẦU
Việt Nam là một quốc gia đang trên đường phát triển mạnh mẽ đi lên hội
nhập với cộng đồng thế giới. Để xây dựng công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước
thì công tác xây dựng cơ sở hạ tầng , cải tạo và nâng cấp thành phố, đặc biệt là các
thành phố trực thuộc tỉnh là công tác đang được chính phủ quan tâm và đầu tư.
Trong công tác thiết kế , thi công xây dựng cũng như công tác thành lập bản
đồ địa hình để phục vụ cho việc xây dựng cơ sở hạ tầng thì công tác trắc địa luôn
đóng vai trò quan trọng, luôn đi trước một bước.
Ngày nay với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kĩ thuật, công nghệ mới
cũng được áp dụng khá mạnh mẽ vào lĩnh vực trắc địa. Sự ra đời của hệ thống định
vị toàn cầu(GPS) và các máy toàn đạc điện tử ngày càng hoàn thiện và có độ chính
xác cao đã tạo ra một bước đột phá trong ngành trắc địa-bản đồ thế giới nói chung
và ngành trắc địa-bản đồ nước ta nói riêng
Để tìm hiểu vấn đề trên em nhận thực hiện đồ án tốt nghiệp với đề tài “ Xây
dựng lưới khống chế trắc địa phục vụ nâng cấp thành phố Bạc Liêu ”
Nội dung đồ án gồm 3 chương :
Chương 1: Các phương pháp xây dựng lưới khống chế tọa độ và độ cao
Chương 2: Giới thiệu về hệ thống định vị toàn cầu GPS
Chương 3: Xây dựng lưới khống chế tọa độ và độ cao phục vụ nâng cấp thành phố
Bạc Liêu
Trong quá trình làm đồ án, với sự nỗ lực của bản thân và nhận được sự hướng
dẫn chỉ bảo tận tình của thầy giáo TS. Lê Minh Tá, cô giáo Th.S Kim Thị Thu
Hương cùng các thầy cô trong khoa Trắc địa Bản đồ và Quản lý đất đai cùng các
bạn đồng nghiệp đến nay đồ án tốt nghiệp của em đã hoàn thành. Do trình độ và
thời gian nghiên cứu còn hạn chế, kinh nghiệm thực tế còn ít nên trong quá trình
thực hiện đề tài không tránh khỏi những thiếu sót.Em rất mong nhận được sự chỉ
bảo và đóng góp ý kiến của các thầy cô giáo, các bạn đồng nghiệp.
Xin chân thành cảm ơn !
Hà Nội, tháng 05 năm 2017

Sinh viên thực hiện
Phạm Văn Điệp

Phạm Văn Điệp

1


Đại Học Mỏ-Địa Chất
CHƯƠNG 1:CÁC PHƯƠNG PHÁP XÂY DỰNG LƯỚI KHỐNG CHẾ TỌA
ĐỘ VÀ ĐỘ CAO
1.1. Các phương pháp xây dựng lưới khống chế tọa độ
1.1.1 Phương pháp tam giác
Phương pháp tam giác là một phương pháp thông dụng để xây dựng lưới khống
chế tọa độ. Phương pháp này có 3 dạng cơ bản sau:
+ Phương pháp tam giác đo góc
+ Phương pháp tam giác đo cạnh
+ Phương pháp tam giác đo góc – cạnh
a. Phương pháp tam giác đo góc
Để xác định vị trí mặt bằng của một số điểm trên mặt đất, ta nối các điểm thành
các tam giác và các tam giác này liên kết với nhau tạo thành hệ thống lưới tam giác.
Đồ hình của phương pháp này được xây dựng trên cơ sở chuỗi tam giác, đa
giác, tứ giác trắc địa hoặc lưới tam giác dày đặc.
Một số sơ đồ lưới tam giác được ứng dụng trong thực tế:

a. Chêm điểm

d. Chuỗi tam giác đơn

b.Hình quạt

e. Đa giác trung tâm
đơn

c. Tứ giác trắc địa

g.Lưới tam giác dày đặc

Hình 1.1
Đặt máy ở các đỉnh tam giác và đo tất cả các góc trong từng tam giác. Cho
trước tọa độ điểm A, cạnh gốc S0 và một phương vị gốc α0, thông qua các trị đo góc

Phạm Văn Điệp

2


Đại Học Mỏ-Địa Chất
(hoặc hướng) trong lưới ta tính chuyền được chiều dài và phương vị các cạnh khác.
Từ đó xác định được tọa độ của tất cả các điểm còn lại trong lưới.
αC
Để kiểm tra chất lượng đo người ta bố trí thêm một phương vị gốc
và
cạnh gốc

SC

( Hình 1- 2).

B

D

S0

SC

α0
αC

A

C
Hình 1.2

- Ưu điểm : Phạm vi khống chế của mạng lưới lớn , có kết cấu đồ hình chặt chẽ ,
có nhiều trị đo thừa thuận lợi cho việc kiểm tra và bình sai.Độ chính xác của lưới
tương đối cao và đồng đều.
-Nhược điểm : Gặp khó khăn khi đo trong khu vực có địa hình phức tạp , do
việc thông hướng không thuận lợi , chịu ảnh hưởng của chiết quang và độ cong trái
đất. Độ chính xác của lưới phụ thuộc vào đồ hình.
Để thông hướng ở vùng đồng bằng thì tại các điểm tam giác thường phải xây
cột tiêu cao. Chi phí xây dựng cột tiêu chiếm khoảng 60% - 70% tổng giá trị xây
dựng mới.
b. Phương pháp tam giác đo cạnh
Ngày nay các loại máy đo dài điện tử được ứng dụng rộng rãi , việc đo dài
các cạnh rất thuận lợi và cho độ chính xác cao. Sau khi bố trí lưới tam giác dùng
máy đo dài đo tất cả các cạnh của lưới tam giác , sử dụng các số liệu gốc gồm tọa
độ và phương vị đã biết cùng các kết quả đo cạnh ta có thể tính được tọa độ các
điểm còn lại của tam giác.

Vì một tam giác đo cạnh không có trị đo thừa , do đó người ta không xây
dựng lưới đo cạnh dưới dạng chuỗi tam giác mà để có trị đo thừa người ta chọn tứ
giác trắc địa hoặc đa giác trung tâm làm đồ hình cơ bản. Độ chính xác của lưới phụ
thuộc vào đồ hình
- Ưu điểm : Phạm vi khống chế rộng , trị đo ít và độ chính xác cao.

Phạm Văn Điệp

3


Đại Học Mỏ-Địa Chất
- Nhược điểm : Cũng giống như phương pháp đo góc là việc bố trí điểm , chọn
đồ hình thông hướng cho mạng lưới khó khăn , trị đo thừa ít , không có điều kiện
kiểm tra kết quả đo ngoài thực địa.
c. Phương pháp tam giác đo góc – cạnh
Lưới tam giác đo toàn góc hoặc toàn cạnh đều có những ưu điểm và nhược
điểm riêng. Để phát huy các ưu điểm của lưới tam giác đo góc và lưới tam giác đo
cạnh , và để nâng cao độ chính xác của mạng lưới tọa độ người ta xây dựng lưới
tam giác đo góc – cạnh kết hợp. Trị đo trong lưới có thể là tất cả các góc, tất cả các
cạnh hoặc chỉ đo một số cạnh hoặc góc có chọn lọc.
- Ưu điểm : Độ chính xác cao, phạm vi khống chế rộng. Độ chính xác phân bố
đồng đều. Có nhiều phương án để lựa chọn khi tổ chức đo ngoại nghiệp.
- Nhược điểm : Khối lượng đo đạc ngoài thực địa rất lớn, việc xây dựng lưới
khó khăn và tốn kém. Công tác xử lý nội nghiệp phức tạp do có hai loại trị đo khác
nhau về đơn vị và khác nhau về độ chính xác.
1.1.2 Phương pháp đa giác
Đây là một dạng cơ bản của lưới khống chế tọa độ. Ngoài tên gọi trên thì
trong trắc địa người ta còn gọi là phương pháp đường chuyền.
Bản chất của phương pháp này là người ta tiến hành xây dựng hệ thống các

điểm trắc địa tạo thành các tuyến đa giác riêng biệt , hoặc hệ thống các tuyến có
nhiều điểm nút. Sau đó tiến hành đo tất cả các cạnh và góc ngoặt của đường chuyền.
Từ tọa độ và phương vị khởi đầu sẽ xác định được tọa độ của tất cả các điểm trong
lưới theo công thức :
X i + 1 = X i + S i, i +1 cos α i, i +1
( 1.1)
Y i +1 = Y i +S i, i +1 sin α i, i +1

B

β1

αd
Sd

`

Sc

β2
S1

1
Sn

β n +1

αc

Hình 1.3

Ví dụ : Như hình 1.3 ta tiến hành đo tất cả các góc ngoặt β 1 , β2 …..βn + 1 và tất
cả các cạnh S 1 , S2 , ….. Sn sau đó dựa vào tọa độ điểm A và phương vị khởi đầu α d ta
sẽ tính được tọa độ các điểm 1,2,…n theo công thức (1.1).
Tùy theo tình hình cụ thể của khu vực cần khống chế mà ta có thể chọn đồ hình
của lưới cho phù hợp.Sau đây là một số đồ hình cơ bản của lưới đường chuyền:

Phạm Văn Điệp

4


Đại Học Mỏ-Địa Chất

a. Lưới đường chuyền phù hợp

b. Lưới đường chuyền duỗi thẳng

c. Lưới đường chuyền có điểm nút
- Ưu điểm : Rất linh hoạt khi thiết kế , thuận lợi cho việc chọn điểm và thông
hướng , dễ đo , số lượng phương trình điều kiện ít.
- Nhược điểm : Trị đo thừa ít nên độ chính xác không cao , không có điều kiện
kiểm tra ngoài thực địa , kết cấu hình học không chặt chẽ.

Phạm Văn Điệp

5


Đại Học Mỏ-Địa Chất
Tuy vậy , ngày nay có việc hỗ trợ của các công nghệ hiện đại như máy đo dài ,

máy kinh vĩ điện tử có độ chính xác đo cạnh rất cao , nên đã khắc phục khá nhiều
các nhược điểm đã nêu ở trên. Do đó phương pháp này được sử dụng phổ biến trong
thực tế.
Các chỉ tiêu kĩ thuật của lưới đường chuyền
Theo quy phạm đo vẽ bản đồ địa hình tỉ lệ 1 : 500 , 1: 1000 , 1: 2000 , 1 :
5000 của Cục đo đạc và Bản đồ Nhà nước năm 1990 quy định các chỉ tiêu kỹ thuật
của lưới đường chuyền như sau :
Bảng 1.1: Các chỉ tiêu kĩ thuật lưới đường chuyền
Đường chuyền(km)

Chỉ tiêu kĩ thuật

Hạng 4

Cấp 1

Cấp 2

10

5

3

7

3

2

5

2

1.5

5

0.8

0.4

0.25

0.12

0.08

Chu vi vòng khép lớn nhất (km)

30

15

10

Số lượng cạnh nhiều nhất trong đường chuyền

15

15

15

1:25000

1:10000

1 : 5000

Sai số trung phương đo góc

2”

5”

10”

Sai số khép góc của đường chuyền không lớn hơn

5”

10”

Chiều dài đường chuyền dài nhất (km)
- Đường đơn
- Giữa điểm khởi tính và điểm nút
- Giữa các điểm nút

Chiều dài cạnh (km)

- Dài nhất
- Ngắn nhất

Sai số khép tương đối giới hạn không được lớn hơn

Phạm Văn Điệp

6

20”


Đại Học Mỏ-Địa Chất
1.1.3. Phương pháp trắc địa vệ tinh
Lưới GPS là lưới trắc địa không gian trong hệ tọa độ WGS – 84 . Lưới nói
chung không khác nhiều so với mạng lưới trắc địa truyền thống . Lưới gồm các
điểm được chôn trên mặt đất nơi ổn định hoặc bố trí trên các công trình vững
chắc.Các điểm của lưới GPS được liên kết với nhau bởi các cạnh đo độc lập. Nhờ
các cạnh đo này, tọa độ , độ cao của các điểm GPS sẽ được tính. Các cạnh được đo
trong các đoạn đo với thời gian thu tín hiệu quy định đủ để đảm bảo độ chính xác
cạnh đo theo yêu cầu độ chính xác của lưới GPS.
Độ chính xác của lưới GPS không phụ thuộc vào đồ hình của lưới , do vậy
việc chọn điểm GPS đơn giản hơn lưới trắc địa truyền thống. Tuy nhiên do đặc
điểm đo GPS nên khi bố trí điểm đặt máy GPS có một số yêu cầu khác so với
phương pháp truyền thống. Cụ thể là :
- Vị trí điểm được chọn phải cách xa các khu vực phát sóng như trạm phát
thanh , truyền hình để giảm các nguồn gây nhiễu tín hiệu.
- Cần lưu ý đến điều kiện thông thoáng thuận tiện cho việc thu tín hiệu vệ
tinh . Không đặt máy thu GPS dưới các rặng cây , các tán cây , dưới chân các tòa
nhà cao tầng tránh tình trạng tín hiệu vệ tinh bị gián đoạn ảnh hưởng đến kết quả đo

GPS . Tốt nhất nên bố trí điểm đo sao cho góc mở lên trời khoảng 150o.
- Vị trí đặt máy GPS cũng không quá gần các bề mặt phản xạ như các kết cấu
kim loại , các hàng rào , mặt nước để tránh hiện tượng đa đường dẫn.
Nếu đảm bảo các yêu cầu trên thì ngoài các nguồn sai số cơ bản ảnh hưởng
đến chất lượng đo GPS sẽ được giảm tối thiểu.
Các điểm GPS không cần thông hướng với nhau nhưng để phát triển các
cấp lưới thấp hơn thì thông thường người ta bố trí một số cặp điểm thông hướng
trong lưới GPS.Các cặp điểm thông hướng này được sử dụng để đo nối các phương
vị và kiểm tra sai số hệ thống của các trị đo góc ở cấp lưới thấp hơn.
- Ưu điểm : Không phải xây dựng cột tiêu , công tác ngoại nghiệp ít phụ ít
phụ thuộc vào điều kiện thời tiết , các công tác đo ngắm và tính toán tự động hóa,
thời gian thi công nhanh và lưới đạt độ chính xác cao, đồng đều.
- Nhược điểm : Thiết bị thu tín hiệu vệ tinh GPS khá đắt tiền nên hiệu quả
kinh tế mang lại chưa cao. Đòi hỏi cán bộ tham gia xây dựng và đo lưới GPS phải
có kinh nghiệm và trình độ kĩ thuật cao.
1.2 Các phương pháp xây dựng lưới khống chế độ cao
1.2.1 Đo cao hình học
1. Nguyên lý của đo cao hình học
Nguyên lý của nó là dựa vào tia ngắm nằm ngang, nghĩa là trong phạm vi
hẹp coi tia ngắm của máy thủy chuẩn song song với mặt thủy chuẩn đi qua hai chân
mia và vuông góc vói phương dây dọi. Dụng cụ đo là máy và mia thủy chuẩn.

Phạm Văn Điệp

7


Đại Học Mỏ-Địa Chất
Để xác định chênh cao giữa các điểm người ta đưa trục ngắm của ống kính
máy thủy chuẩn về vị trí nằm ngang và đọc số trên các mia dựng ở các điểm đo. Có

hai cách để đo chênh cao giữa hai điểm mia là: đo thủy chuẩn từ giữa và đo thủy
chuẩn phía trước.
a. Đo thủy chuẩn từ giữa
Để đơn giản ta xét tại 1 trạm máy trong phạm vi hẹp, nghĩa là coi thủy chuẩn
là mặt phẳng nằm ngang.

a

- - - - - - - - - -- - - - - -- - - -- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - b
b
a
- - - - - - - - - 2- - -Hướng đo

1 - -- -- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -- - - - -- - - -- - - Mặt thủy chuẩn
- - - - - - - - - -- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -- - - - - Hình 1.4 Phương pháp đo thủy chuẩn từ giữa.
Tia ngắm truyền thẳng và song song với mặt thủy chuẩn đã qua hai chân mia,
trục đứng của máy và các mia theo phương dây dọi vuông góc với mặt thủy chuẩn,
chênh cao giữa hai điểm 1, 2 ký hiệu là được tính theo công thức:
= -

Phạm Văn Điệp

(1.2)

8


Đại Học Mỏ-Địa Chất
Theo hướng đo từ 1 đến 2 ( chiều của mũi tên), mia đặt tại điểm 1 gọi là
“mia sau”, mia đặt tại điểm 2 gọi là “mia trước”. Số đọc mia sau ký hiệu là a, mia

trước là b, ta có:
=a–b

(1.3)

Nếu độ cao điểm 1 biết trước là thì độ cao của điểm 2 là:
= +

(1.4)

Khi hai điểm A và B xa nhau hoặc trường hợp quá lớn ( độ dốc lớn ) cần
phải bố trí nhiều trạm máy thì là tổng chênh cao của n trạm máy.
= = - (1.5)
b. Đo thủy chuẩn phía trước

- - - - - - - - - -- - - -

- - - - - - - - - -- - - - - - - - - -

b
------

- - - - B- - - - -

- - - - - - - - - - - - - - - - - - - -- - - - - - - - - - - - -- - - - - - - - - - - - -- - - - A
Hình 1.5 Đo thủy chuẩn phía trước
Đặt máy tại điểm A đã biết độ cao, cần xác định độ cao điểm B thì ta đặt mia
tại B. Đưa trục ngắm về vị trí nằm ngang và đọc số đọc trên mia là b, đo chiều cao
máy ta tính được:
=

(1.6)

=(+)–b

Phạm Văn Điệp

(1.7)

9


Đại Học Mỏ-Địa Chất
1.2.2 Đo cao lượng giác
Nguyên lí của phương pháp này là dựa vào mối tương quan của hàm lượng
giác tạo bởi tia ngắm nghiêng , khoảng cách giữa hai điểm và phương dây dọi đi
qua các điểm cần xác định độ cao. Dụng cụ đo là máy kinh vĩ , máy toàn đạc.
Giả sử cần xác định chênh cao giữa hai điểm A và B, ta đặt máy kinh vĩ có
bàn độ đứng ở A, mia (hoặc tiêu) ở B. Sau đó ta ngắm ống kính hướng về B’ trên
mia

- - -- - - - B’- -- - D
Z
- - - - -- - - - -

h

v

S

B

- - -- - -- -

- - - - -A - - - - - - -- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - Hình 1.6 Đo cao lượng giác
Khi đó chênh cao giữa hai điểm A và B là:
∆hAB = h + iA – lB + f
(1.8)
Trong đó:
- iA là chiều cao máy
- lB là chiều cao tiêu ngắm (hoặc số đọc trên mia) tại điểm B
- f là ảnh hưởng của độ cong quả đất và chiết quang tia ngắm.
- Nếu đo được góc đứng V thì : h = StgV
(1.9)
- Nếu đo khoảng thiên đỉnh Z thì : h = ScotgZ
(1.10)
- Nếu S < 300m có thể bỏ qua sai số cải chính f.
Phương pháp đo cao lượng giác thường được áp dụng chủ yếu để xác định độ cao
các điểm độc lập và xác định độ cao các điểm chi tiết.

Phạm Văn Điệp

10


Đại Học Mỏ-Địa Chất

1.2.3 Đo cao GPS
Nguyên tắc xác định độ cao trên cơ sở sử dụng kết quả đo GPS :

H = hg + N = hγ +ζ

(1.11)

Thực tế người ta xác định hiệu độ cao :
∆H = ∆hg + ∆N =∆ hγ + ∆ζ
(1.12)
Như đã biết trong GPS ta có thể nhận được các giá trị tọa độ vuông góc không
gian X,Y,Z của điểm xét (đo tuyệt đối) cũng như hiệu tọa độ vuông góc không gian
∆X, ∆Y, ∆Z (đo tương đối). Từ kết quả này ta có thể tính đổi thành tọa độ trắc địa
mặt cầu B,L,H và hiệu tọa độ ∆B , ∆L , ∆H tương ứng với nó.
Như vậy các đại lượng H và ∆H có thể xác định chính xác từ kết quả đo GPS .
Độ cao ( hay hiệu độ cao) nhận được từ đo GPS là độ cao trắc địa liên quan tới
các tham số Ellipsoid và tọa độ, độ cao điểm khởi tính . Nhưng trong thực tế, khi sử
dụng độ cao người ta không quan tâm đến H (hoặc ∆H) mà cần đến hγ ( hoặc hg)
Từ công thức (1.11) ta có thể rút ra :
hg = H - N
hγ = H - ζ
Nghĩa là nếu có giá trị H lại biết được N (hoặc ζ) ta sẽ xác định được h g

Phạm Văn Điệp

11


Đại Học Mỏ-Địa Chất
hγ

(hoặc

) . Trong thực tế này chúng ta cần đến loại thành quả thứ hai trong đo

GPS, đó là các giá trị hiệu độ cao giữa hai điểm quan sát.
Từ (1.12) ta có :
∆hγ = ∆H - ∆ζ
∆hg = ∆H - ∆N
Nghĩa là trên cơ sở giá trị ∆H nhận được từ đó GPS , nếu xác định được ∆ζ
hoặc ∆N , ta sẽ xác định được hiệu độ cao chuẩn ∆h γ (hoặc hiệu độ cao chính ∆Hg)
giữa hai điểm đo.
∆N được xác định thông qua các số liệu trọng lực , còn việc xác định ∆ ζ
thường được tiến hành bằng phương pháp nội suy tuyến tính.
Do giá trị ∆H có thể nhận được với độ chính xác cao ( cỡ dm hay cỡ mm ) nên
độ chính xác của ∆hg , ∆hγ phụ thuộc chủ yếu vào kết quả xác định các đại lượng
∆N và ∆ζ

Phạm Văn Điệp

12


Đại Học Mỏ-Địa Chất
CHƯƠNG 2: KHÁI QUÁT VỀ HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ TOÀN
CẦU GPS
2.1. CẤU TRÚC CỦA HỆ THỐNG GPS

Hình 2.1. Hệ thống vệ tinh GPS
Hệ thống định vị toàn cầu GPS (Global Positioning System) được Bộ quốc
phòng Mỹ nghiên cức thiết lập từ những năm 1970 nhằm phục vụ cho mục đích
quân sự. Sau đó, vào những năm đầu của thập kỷ 80 thế kỷ XX hệ thống này bắt

đầu được phép khai thác sử dụng trong dân sự. Từ đó hệ thống định vị GPS đã được
các nhà trắc địa ở nhiều nước trên thế giới ( 1982) và ở Việt Nam (1991) nghiên cức
ứng dụng để giải quyết có hiệu quả nhiều nhiệm vụ của công tác trắc địa như xây
dựng các mạng lưới trắc địa các cấp, xác định vị trí tâm chụp ảnh hàng không, trắc
địa biển, đo đạc địa chính và bản đồ,…
Hệ thống GPS được chia làm 3 đoạn:

• Đoạn không gian: bao gồm các vệ tinh, chúng truyền những tín hiệu cần thiết
cho hệ thống hoạt động.

Phạm Văn Điệp

13


Đại Học Mỏ-Địa Chất
• Đoạn điều khiển: bao gồm các tiện ích trên mặt đất thực hiện nhiệm vụ theo
dõi vệ tinh, tính toán quỹ đạo cần thiết cho sự quản lý mảng không gian.
• Đoạn người sử dụng: bao gồm toàn thể các thiết bị thu và kỹ thuật tính toán
để cung cấp cho người sử dụng thông tin về vị trí.

Hình 2.2 Các thành phần cơ bản của hệ thống GPS
2.1.1. Đoạn không gian (Space Segment)
Đoạn không gian theo thiết kế bao gồm 24 vệ tinh chuyển động trên 6 mặt
phẳng quỹ đạo với độ cao khoảng 20.200 km, nghiêng với mặt phẳng xích đạo của trái đất
một góc 550. Vệ tinh GPS chuyển động trên quỹ đạo gần như tròn đều với chu kì 718 phút.
Với sự phân bố vệ tinh trên quỹ đạo như vậy trong bất kì thời gian nào và ở bất kì vị trí
quan sát nào trên trái đất cũng có thể quan sát được tối thiểu 4 vệ tinh.

Phạm Văn Điệp

14


Đại Học Mỏ-Địa Chất
Các vệ tinh GPS có trọng lượng khoảng 1600kg khi phóng và khoảng 800kg
trên quỹ đạo. Theo thiết kế tuổi thọ của vệ tinh khoảng 7,5 năm. Năng lượng cung
cấp cho hoạt động của các thiết bị trên vệ tinh là năng lượng pin mặt trời.
Mỗi vệ tinh được trang bị 4 đồng hồ nguyên tử gồm 2 đồng hồ thuộc loại
censium và 2 đồng hồ thuộc loại rubidium có độ chính xác

10−12

s. Với 4 đồng hồ

này không chỉ có mục đích dự phòng mà còn tạo ra cơ sở giám sát thời gian và cung
cấp giờ chính xác nhất. Thêm vào đó mỗi vệ tinh còn được trang bị bộ tạo dao động
thạch anh rất chính xác.
Tất cả các đồng hồ của hệ thống GPS hoạt động ở tần số chuẩn cơ sở f 0 =
10.23MHz. Tần số này là tần số chuẩn của đồng hồ nguyên tử, với độ chính xác cỡ
10-12
Các vệ tinh GPS đều có thiết bị tạo dao động với tần số cơ sở chuẩn f 0 . Từ
tần số cơ sở thiết bị sẽ tạo ra 2 tần số sóng tải L1, L2.
Sóng tải L1 có tần số f1 = 154f0 = 1575,42 MHz, có bước sóng l1 = 19,032 cm
Sóng tải L2 có tần số f2 = 120f0 = 1227,60 MHz, có bước sóng l2 = 24,420 cm
Các sóng tải L1, L 2 thuộc dải sóng cực ngắn như vậy các tín hiệu vệ tinh sẽ ít
bị ảnh hưởng của tầng điện li và tầng đối lưu vì mức độ làm chậm tín hiệu do tầng
điện li tỷ lệ nghịch với bình phương của tần số.
Để phục vụ cho các mục đích và đối tượng khác nhau, các tín hiệu phát đi
được điều biến mang theo các code riêng biệt đó là C/A code, P- code và Y – code.

- C/A code là code thô cho phép dùng rộng rãi.
- P – code được dùng cho mục đích quân sự (của Mỹ) và chỉ được dùng cho
mục đích khác khi Mỹ cho phép.
- Y – code là code bí mật được phủ lên P- code gọi là kỹ thuật AS (Antin Spoofing).
Người ta ước lượng độ chính xác định vị cỡ 1% bước sóng của tín hiệu. Như
vậy ngay khi sử dụng code thô C/A để định vị thì có thể đạt tới độ chính xác cỡ 3m.
Chính vì thế phía Mỹ chủ động làm nhiễu tín hiệu để hạ thấp độ chính xác định vị
tuyệt đối. Kỹ thuật làm nhiễu này gọi là SA (Selective Availability). Do nhiễu SA

Phạm Văn Điệp

15


Đại Học Mỏ-Địa Chất
khách hàng chỉ có thể định vị tuyệt đối với độ chính xác cỡ 50 ÷ 100m. Từ ngày 20
tháng 5 năm 2000 Mỹ đã bỏ chế độ nhiễu SA.

Hình 2.3: Cấu trúc tín hiệu GPS (Nguồn: merl.com)
2.1.2. Đoạn điều khiển ( Control Segment)
Mục đích trong phần này là kiểm soát vệ tinh đi đúng hướng theo quỹ đạo và
thông tin thời gian chính xác.

Phạm Văn Điệp

16


Đại Học Mỏ-Địa Chất
Có 5 trạm điều khiển đặt trên mặt đất gồm: ở Hawai (Thái Bình Dương),

Assension Island (Đại Tây Dương), Diego Garcia (Ấn Độ Dương) và Kwajalein
(Tây Thái Bình Dương), MCS (Master Control Station) gần Colorado Spring.
Trạm điều khiển trung tâm MCS (Master Control Station) đặt tại căn cứ
không quân Mỹ gần Colorado Spring.
Các trạm theo dõi đặt tại Hawai (Thái Bình Dương), Assension Island (Đại
Tây Dương), Diego Garcia (Ấn Độ Dương) và Kwajalein (Tây Thái Bình Dương)
có nhiệm vụ theo dõi liên tục tất cả các vệ tinh có thể quan sát được. Số liệu quan
sát được ở các trạm này được chuyển về trạm điều khiển ở trung tâm, tại đây việc
tính toán số liệu được thực hiện và cuối cùng các thông tin đạo hàng cập nhật được
chuyển lên các vệ tinh để sau đó từ vệ tinh chuyển đến các máy thu của người sử
dụng. Như vậy vai trò của đoạn điều khiển là rất quan trọng vì nó không chỉ theo
dõi các vệ tinh mà còn liên tục cập nhật để chính xác hoá các thông tin đạo hàng
đảm bảo độ chính xác cho công tác định vị bằng hệ thống GPS.

Hình 2.4: Các trạm điều khiển GPS (Nguồn: atheenah.com)
2.1.3. Đoạn sử dụng (Use Segment)

- Đoạn sử dụng bao gồm các máy móc, thiết bị nhận thông tin từ vệ tinh để khai thác
sử dụng cho các mục đích và yêu cầu khác nhau của người sử dụng như: Dẫn đường
trên biển, trên không, trên đất liền và phục vụ cho công tác đo đạc ở nhiều nơi trên

-

thế giới.
Đoạn sử dụng GPS có 3 bộ phận chính:

Phạm Văn Điệp

17

Đại Học Mỏ-Địa Chất
Phần cứng bao gồm: Máy thu, các bộ phận dao động tần số vô tuyến RF
(Radio Friquency), các anten và các thiết bị ngoại vi cần thiết để hoạt động máy thu.
Phần mềm bao gồm: Các chương trình tính dùng để xử lí dữ liệu cụ thể,
chuyển đổi những thông báo GPS thành những thông tin định vị hoặc dẫn đường đi
hữu ích. Trong phần mềm còn bao gồm các chương trình phát triển tính độc lập của
máy thu GPS, có thể đánh giá được các nhân tố như tính sẵn sang của vệ tinh và
mức độ tin cậy của độ chính xác.
Phần mềm khai triển công nghệ: Hướng tới mọi lĩnh vực có liên quan đến
GPS như: Cải tiến thiết bị 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 phần mềm xử lý
số liệu, phát triển của hệ thống liên kết truyền thông một cách tin cậy cho các hoạt
động định vị GPS cự li dài, ngắn khác nhau và theo dõi các xu thế phát triển trong
lĩnh vực giá cả và hiệu suất thiết bị.

Hình 2.5. Các máy thu GPS

2.2 Các đại lượng đo GPS

Phạm Văn Điệp

18


Đại Học Mỏ-Địa Chất
Việc định vị bằng GPS được thực hiện trên cơ sở sử dụng hai đại lượng đo
cơ bản, đó là đo khoảng cách giả theo code tựa ngẫu nhiên và đo pha sóng tải.
1. Đo khoảng cách giả theo code
Code tựa ngẫu nhiên được phát từ vệ tinh cùng với sóng tải. Máy thu GPS

cũng có code tựa ngẫu nhiên đúng như vậy. Bằng cách so sánh code thu được từ
vệ tinh và code từ chính máy thu tạo ra có thể xác định được khoảng thời gian
lan truyền của tín hiệu code, từ đó dễ dàng xác định được khoảng cách từ vệ tinh
đến máy thu (đến tâm anten của máy thu). Do có sự không đồng bộ giữa đồng
hồ vệ tinh và máy thu, và có ảnh hưởng của môi trường lan truyền tín hiệu nên
khoảng cách tính theo khoảng thời gian đo được không phải là khoảng cách thực
giữa vệ tinh và máy thu, đó là khoảng cách giả.
Nếu ký hiệu tọa độ của vệ tinh là , tọa độ của điểm xét (máy thu) là ; thời
gian lan truyền tín hiệu từ vệ tinh đến máy thu là t, sai số không đồng bộ giữa
đồng hồ trên vệ tinh và trong máy thu là , khoảng cách giả đo được là R, ta có
phương trình:
R = c(t + ) = +c.

(2.1)

trong đó: c – Vận tốc truyền sóng ánh sáng trong môi trường chân không
c=299792458m/s;
Tập hợp các phương trình dạng (2.1) ta có hệ thống phương trình có 4 ẩn số
là , . Các đại lượng biết được từ lịch vệ tinh, t được xác định theo đồng hồ vệ
tinh và máy thu theo mã C/A, c là hằng số tốc độ truyền sóng ánh sáng trong
chân không.
2. Đo pha sóng tải
Sóng tải được phát đi từ vệ tinh có chiều dài bước sóng không đổi. Nếu gọi
là chiều dài bước sóng thì khoảng cách giữa các vệ tinh và máy thu GPS.
D = N. +

(2.2)

Trong đó:

- N là số nguyên lần bước sóng
- là phần lẻ bước sóng

Phạm Văn Điệp

19


Đại Học Mỏ-Địa Chất
Trị đo pha chính là phần lẻ bước sóng thể hiện qua độ dị pha giữa sóng tải
thu được từ vệ tinh và sóng tải do máy thu tạo ra. Phần lẻ này có thể đo được với
độ chính xác cỡ 1% bước sóng, tức vài mm.
Biểu thức xác định dị pha:
= R + c() - .N + +

(2.3)

Trong đó:
R=
R là khoảng cách đúng từ vệ tinh đến máy thu;
là các thành phần tọa độ của vệ tinh s;
là các thành phần tọa độ của điểm quan sát trong hệ tọa độ WGS-84;
c là vận tốc truyền sóng ánh sáng;
là sai số đồng hồ máy thu;
là sai số đồng hồ vệ tinh;
là bước sóng của sóng tải;
N là số nguyên lần bước sóng từ vệ tinh đến anten máy thu;
là sai số do khí quyển;
là tổng hợp các sai số khác.
Định vị với trị đo pha sóng tải có độ chính xác cao hơn định vị với trị đo

code. Vấn đề chính trong trường hợp này là xác định số nguyên lần bước sóng (số
nguyên đa trị N) giữa anten máy thu và vệ tinh.
Có nhiều phương pháp xác định số nguyên đa trị:
a. Phương pháp hình học dựa vào sự thay đổi hình học vệ tinh khi đo để giải số
nguyên đa trị đồng thời với tọa độ anten.
b. So sánh (kết hợp) trị đo pha và trị đo code.
c. Trị đo trải rộng (hiệu quả tần số L1 và L2) cho bước sóng 86,2cm để xác định số
nguyên đa trị, nhưng kém chính xác hơn.
d. Sử dụng sai phân bậc 3.
e. Phương pháp hàm số ambiguity và kỹ thuật OTF (On The Fly) xác định nhanh số
nguyên đa trị trong khi anten di động, phương pháp này được áp dụng với máy thu
2 tần số.

Phạm Văn Điệp

20


Đại Học Mỏ-Địa Chất
2.3. Các phương pháp định vị GPS
2.3. 1. Phương pháp định vị GPS tuyệt đối

Hình 2.6 Nguyên tắc định vị tuyệt đối đo khoảng cách giả
Đo GPS tuyệt đối là trường hợp sử dụng một máy thu GPS để xác định ngay ra
tọa độ của điểm quan sát trong hệ tọa độ WGS-84. Đó có thể là các thành phần tọa
độ vuông góc không gian (X, Y, Z) hoặc các thành phần tọa độ trắc địa mặt cầu (B,
L, H). Hệ thống tọa độ WGS-84 là hệ thống tọa độ cơ sở của hệ thống GPS, tọa độ
của vệ tinh cũng như điểm quan sát đều được lấy theo hệ thống tọa độ này. Nó được
thiết lập gắn với Elippsoid có kích thước như sau:
Bán trục lớn: a = 6378137m

Độ dẹt: 1/ = 298,2572
Việc đo GPS tuyệt đối được thực hiện trên cơ sở sử dụng đại lượng đo là
khoảng cách giả từ vệ tinh đến máy thu theo nguyên tắc giao hội không gian từ các
điểm tọa độ đã biết là các vệ tinh.
Nếu biết chính xác khoảng cách lan truyền tín hiệu code tựa ngẫu nhiên từ vệ
tinh đến máy thu, ta sẽ tính được chính xác khoảng cách từ vệ tinh đến máy thu. Khi
đó 3 khoảng cách được xác định đồng thời từ 3 vệ tinh máy thu sẽ cho ta vị trí
không gian đơn trị của máy thu. Song trên thực tế đồng hồ trên vệ tinh và đồng hồ
trên máy thu đều có sai số, nên các khoảng cách đo được đều không phải là khoảng
cách chính xác. Kết quả là chúng không thể cắt nhau tại một điểm, nghĩa là không

Phạm Văn Điệp

21


Đại Học Mỏ-Địa Chất
thể xác định được vị trí của máy thu. Để khắc phục được tình trạng này, cần sử dụng
thêm một đại lượng đo nữa, đó là khoảng cách từ vệ tinh thứ 4. Để hiểu rõ điều này,
ta viết một hệ phương trình cho 4 vệ tinh:

(2.4)

Vậy là bằng cách đo khoảng cách giả đồng thời từ 4 vệ tinh đến máy thu ta có
thể xác định được tọa độ tuyệt đối của máy thu, ngoài ra còn xác định thêm được số
hiệu chỉnh cho đồng hồ.
Độ chính xác của định vị tuyệt đối phụ thuộc vào các nguồn sai số, nhất là sai
số do quỹ đạo vệ tinh, do đó độ chính xác của phương pháp này thấp, thường đạt từ
3m đến 20m. Nói chung, định vị tuyệt đối ít được sử dụng trong công tác trắc địa.
*Đo GPS vi phân (DGPS)

Phần lớn khách hàng sử dụng máy thu GPS thường có nhu cầu định vị với độ
chính xác từ cỡ đềximét đến vài chục mét. Để nâng cao độ chính xác định vị tuyệt
đối các nhà khoa học đã đưa ra phương pháp đo GPS vi phân.
Theo phương pháp này chỉ cần có một máy thu GPS có khả năng phát tín hiệu
vô tuyến được đặt tại điểm có tọa độ đã biết (gọi là điểm cố định), đồng thời có máy
khác (gọi là máy di động) đặt ở vị trí cần xác định tọa độ, đó có thể là điểm cố định
hoặc điểm di động. Cả máy cố định và máy di động cần tiến hành đồng thời thu tín
hiệu từ các vệ tinh như nhau. Nếu thông tin từ vệ tinh bị nhiễu, thì kết quả xác định
tọa độ của cả máy cố định và máy di động cũng đều bị sai lệch. Độ sai lệch này
được xác định trên cơ sở so sánh tọa độ tính ra theo tín hiệu thu được và tọa độ biết
trước của máy cố định và được xem là như nhau cho cả máy cố định và máy di
động. Nó được máy cố định phát đi qua sóng vô tuyến để máy di động thu nhận và
hiệu chỉnh cho kết quả xác định tọa độ của mình.
Ngoài cách hiệu chỉnh cho tọa độ, người ta còn tiến hành hiệu chỉnh cho khoảng
cách từ vệ tinh đến máy thu. Cách hiệu chỉnh thứ hai này đòi hỏi máy thu cố định

Phạm Văn Điệp

22


Đại Học Mỏ-Địa Chất
có cấu tạo phức tạp và tốn kém hơn, nhưng lại cho phép người sử dụng xử lý chủ
động linh hoạt hơn.
Phương pháp đo GPS vi phân có thể có hai cách xử lý số hiệu chỉnh tại điểm di
động:
- Phương pháp xử lý đồng thời.
- Phương pháp hậu xử lý.
Để đảm bảo độ chính xác, các máy di động không nên đặt quá xa máy cố định,
để đảm bảo giá trị nhiễu là như nhau. Đồng thời, số liệu cải chính vi phân cần phải

xác định và chuyển phát nhanh với tần số cao. Độ chính xác của phương pháp này
đạt tới mét, thậm chí vài đềximét.
2. Phương pháp định vị GPS tương đối
Định vị GPS tương đối là trường hợp 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 (∆X, ∆Y, ∆Z)
hay hiệu tọa độ trắc địa mặt cầu (∆B, ∆L, ∆H) giữa chúng trong hệ tọa độ WGS-84
Nguyên tắc đo GPS tương đối được thực hiện trên cơ sở sử dụng đại lượng đo
là pha của 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 người ta đã tạo ra và sử dụng các
sai phân khác nhau cho pha sóng tải nhằm làm giảm ảnh hưởng của các nguồn sai
số khác nhau như: sai số của đồng hồ trên vệ tinh cũng như trên máy thu, sai số của
tọa độ vệ tinh, số nguyên đa trị,…
Ký hiệu pha (hiệu pha) của sóng tải từ vệ tinh j được đo tại trạm quan sát r vào
thời điểm t là (). Khi đó, nếu xét hai trạm 1 và 2 tiến hành quan sát đồng thời vệ tinh
j vào thời điểm , ta sẽ có sai phân bậc một được lập như sau:
() = () - ()

(2.5)

Trong sai phân này không có ảnh hưởng của sai số đồng hồ vệ tinh.
Nếu xét hai trạm tiến hành quan sát đồng thời vệ tinh j, k vào thời điểm , ta sẽ
có sai phân bậc hai:
() = () - ()

Phạm Văn Điệp

(2.6)

23

Đại Học Mỏ-Địa Chất
Trong sai phân này không có ảnh hưởng của sai số đồng hồ trên vệ tinh cũng
như sai số đồng hồ trong máy thu.
Nếu hai trạm tiến hành quan sát đồng thời hai vệ tinh j, k vào các thời điểm
và , ta sẽ có sai phân bậc ba:
= () - ()

(2.7)

Sai phân này cho phép loại trừ các số nguyên đa trị.
Hiện nay, số vệ tinh GPS xuất hiện trên bầu trời thường nhiều hơn 4, có khi 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 cả một
khoảng thời gian tương đối dài, thường từ nửa giờ đến vài ba 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
đó số liệu đo được sử lý theo nguyên tắc số bình phương nhỏ nhất.
1.Đo tĩnh
Phương pháp đo tĩnh được sử dụng để xác định hiệu tọa độ (vị trí tương hỗ)
giữa hai điểm xét với độ chính xác cao, thường là nhằm đáp ứng các yêu cầu của
công tác trắc địa – địa hình. Trong trường hợp này cần có hai máy thu, một máy đặt
tại điểm đã biết tọa độ, còn máy kia đặt tại điểm cần xác định tọa độ. Cả hai máy
cần phải đồng thời thu tín hiệu từ một số vệ tinh chung liên tục trong một khoảng
thời gian nhất định, thường từ 60 phút đến vài ba tiếng đồng hồ. Số vệ tinh chung
tối thiểu cho cả hai trạm quan sát là 4 vệ tinh. Khoảng thời gian quan sát phải kéo
dài đủ để cho đồ hình phân bố vệ tinh thay đổi mà từ đó ta có thể xác định được số
nguyên đa trị của sóng tải và đồng thời là để có nhiều trị đo nhằm đạt độ chính xác
cao và ổn định cho kết quả giám sát.
Trong đo tĩnh cần chú ý đến công tác bố trí các ca đo. Khoảng thời gian quan
trắc của các máy thu được gọi là độ dài ca đo.

Khi quyết định độ dài thời gian quan trắc trong các ca đo cần căn cứ vào:
- Độ chính xác của lưới cần thành lập
- Độ dài cạnh đo
- Số lượng vệ tinh có thể quan trắc
- Cấu hình vệ tinh

Phạm Văn Điệp

24


Đại Học Mỏ-Địa Chất
- Độ ổn định của tín hiệu vệ tinh đo được
Thông thường khi vệ tinh càng nhiều thì cấu hình càng tốt và thời gian quan
trắc có thể rút ngắn hơn. Thời gian quan trắc cũng có thể rút ngắn đối với cạnh có
chiều dài ngắn hơn.
Bảng quy định của thời gian ca đo
Chiều dài cạnh (km)
Độ dài ca đo (phút)
0-1
10-30
1-5
30-60
5-10
60-90
10-20
90-120
Thời gian phải kéo dài tới mức nhất định để có thể xác định được số nguyên
đa trị. Đối với cạnh ngắn (nhỏ hơn 1 km), số nguyên đa trị có thể được giải ra trong
khoảng thời gian 5-10 phút khi sử dụng pha của tần số L1. Bằng máy thu 2 tần số,

khi sử dụng kỹ thuật cổng rộng, ở khoảng cách đo là 15 km có thể nhận được kết
quả chính xác với chỉ 2 phút số liệu đo.
Đây là phương pháp cho phép đạt độ chính xác cao nhất trong việc định vị
tương đối bằng GPS có thể cỡ cm, thậm chí mm ở khoảng cách giữa hai điểm xét
tới hàng chục và hàng trăm km. Nhược điểm chủ yếu của phương pháp là thời gian
đo phải kéo dài hàng giờ đồng hồ, do vậy năng suất thường không cao.
2.Đo tĩnh nhanh
Phương pháp này về bản chất giống như đo GPS tĩnh nhưng thời gian đo
ngắn hơn, gọi là đo tĩnh nhanh, đó là giải nhanh được số nguyên đa trị. Phương
pháp đòi hỏi dữ liệu trị đo pha sóng tải và trị đo code. Thời gian đo tĩnh nhanh thay
đổi từ 8 phút đến 30 phút phụ thuộc vào số vệ tinh và đồ hình vệ tinh. Số vệ tinh
nhiều hơn 4 đảm bảo trị đo dư với đồ hình vệ tinh phân bố đều hỗ trợ việc tìm
nhanh số nguyên đa trị và giảm thời gian định vị.
3. Đo động
Phương pháp đo động cho phép xác định vị trí tương đối của hàng loạt điểm
so với điểm đã biết trong đó tại điểm đo chỉ cần thu tín hiệu trong khoảng thời gian
chưa đến một phút. Theo phương pháp này cần có ít nhất hai máy thu. Để xác định
số nguyên đa trị của tín hiệu vệ tinh, phải có một cạnh đáy đã biết gối lên điểm đã
có tọa độ. Một máy thu cố định đặt tại một điểm gốc đã có tọa độ ( trạm Base) trong

Phạm Văn Điệp

25