Ứng dụng công nghệ GPS xây dựng lưới khống chế đo vẽ phục vụ công tác thành lập bản đồ địa chính xã văn lãng huyện yên bình tỉnh yên bái

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM

NGUYỄN THẾ VINH
Tên đề tài:
ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ GPS THÀNH LẬP LƢỚI KHỐNG CHẾ ĐO VẼ
TẠI XÃ VĂN LÃNG - HUYỆN YÊN BÌNH - TỈNH YÊN BÁI

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Hệ đào tạo

: Chính quy

Chuyên ngành

: Địa chính Môi trƣờng

Khoa

: Quản lý Tài nguyên

Khóa học

: 2013 – 2017

Thái Nguyên, năm 2017


ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM

NGUYỄN THẾ VINH
Tên đề tài:
ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ GPS THÀNH LẬP LƢỚI KHỐNG CHẾ ĐO VẼ
TẠI XÃ VĂN LÃNG - HUYỆN YÊN BÌNH - TỈNH YÊN BÁI

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Hệ đào tạo

: Chính quy

Chuyên ngành

: Địa chính Môi trƣờng

Khoa

: Quản lý Tài nguyên

Lớp

: 45 - ĐCMT - NO3

Khóa học

: 2013 – 2017

Giảng viên hƣớng dẫn : Th.S. Nguyễn Ngọc Anh

Thái Nguyên, năm 2017

i

LỜI CẢM ƠN
Thực tập tốt nghiệp là một giai đoạn cần thiết và hết sức quan trọng của mỗi
sinh viên, đó là thời gian để sinh viên tiếp cận với thực tế, nhằm củng cố và vận
dụng những kiến thức mà mình đã học trong nhà trƣờng. Qua đó sinh viên ra
trƣờng sẽ hoàn thiện hơn về kiến thức lý luận, phƣơng pháp làm việc, năng lực
công tác nhằm đáp ứng nhu cầu thực tiễn của công việc sau này.
Đƣợc sự giúp đỡ của Ban giám hiệu trƣờng Đại Học Nông Lâm và Ban chủ
nhiệm khoa Quản Lý Tài Nguyên, em đã nghiên cứu đề tài: “Ứng dụng công nghệ
GPS xây dựng lưới khống chế đo vẽ phục vụ công tác thành lập bản đồ địa chính
xã Văn Lãng, huyện Yên Bình, tỉnh Yên Bái ”.
Thời gian thực tập tuy không dài nhƣng đem lại cho em những kiến thức bổ
ích và kinh nghiệm quý báu.
Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trƣờng Đại Học Nông Lâm Thái
Nguyên, các thầy cô trong khoa Quản lý Tài nguyên đã dạy dỗ, dìu dắt em trong thời
gian học tại trƣờng.
Em xin gửi lời cảm ơn tới các bác, cô chú và anh chị đang công tác tại Trung
tâm Môi Trƣờng Tài Nguyên Miền Núi đã nhiệt tình giúp đỡ chỉ bảo em trong quá
trình thực tập và hoàn thành khóa luận tại cơ quan.
Đặc biệt em xin bày tỏ lời biết ơn sâu sắc tới giáo viên trực tiếp hƣớng dẫn
Th.S Nguyễn Ngọc Anh đã ân cần chỉ bảo, tận tình giúp đỡ em hoàn thành khóa
luận tốt nghiệp này.
Do thời gian và khả năng có hạn nên khóa luận tốt nghiệp của em không tránh
khỏi thiếu sót. Em rất mong nhận đƣợc sự đóng góp của thầy, cô giáo cùng toàn thể
các bạn sinh viên để khóa luận của em đƣợc hoàn thiện hơn.
Em xin chân thành cảm ơn!
Thái Nguyên, ngày 20 tháng 5 năm 2017
Sinh viên Nguyễn Thế Vinh

ii

DANH MỤC BẢNG
Bảng 4.5: Thành quả tọa độ trắc địa sau bình sai hệ tọa độ trắc địa vn2000, ellipsoid
WGS84 .......................................................................................................82


ii
i
DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 2.1. Cấu trúc của hệ thống định vị toàn cầu .....................................................32
Hình 2.2. Vệ tinh GPS...............................................................................................33
Hình 2.3. Vệ tinh GPS...............................................................................................34
Hình 2.4. Đƣờng truyền phù hợp ..............................................................................44
Hình 2.5. Đƣờng truyền có một điểm nút .................................................................44
Hình 2.6. Đƣờng truyền nhiều điểm nút ...................................................................45
Hình 2.7. Phƣơng pháp tam giác đo góc ...................................................................46
Hình 2.8. Phƣơng pháp tam giác đo toàn cạnh .........................................................47
Hình 4.1. Sơ đồ thiết kế lƣới địa chính đo vẽ ...........................................................63
Hình 4.2. Sơ đồ lập lịch, phân ca đo .........................................................................64
Hình 4.3. Xử lý số liệu ..............................................................................................66
Hình 4.4. Xử lý số liệu ..............................................................................................67
Hình 4.5. Xử lý số liệu ..............................................................................................67
Hình 4.6. Xử lý số liệu ..............................................................................................68
Hình 4.7. Xử lý số liệu ..............................................................................................68
Hình 4.8. Xử lý số liệu ..............................................................................................69
Hình 4.9. Xử lý số liệu ..............................................................................................69

Hình 4.10. Xử lý số liệu ............................................................................................70
Hình 4.11. Xử lý số liệu ............................................................................................70
Hình 4.12. Xử lý số liệu ............................................................................................71
Hình 4.13. Xử lý số liệu ............................................................................................71


i
v
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

Các từ viết tắt

Giải thích

GPS (Gobal positioning System)

: Hệ thống định vị toàn cầu

YBI

: Điểm địa chính gốc Yên Bái

KV

: Kinh vĩ

VN-2000

: Hệ tọa độ quốc gia Việt Nam

HN-72

: Hệ tọa độ quốc gia Việt Nam

WGS-84(World Goedetic System 1984)

: Hệ tọa độ trắc địa

BTN&MT

: Thông tƣ-Bộ Tài nguyên và Môi trƣờng

STN&MT

: Hƣớng dẫn-Sở Tài nguyên và Môi trƣờng


v

MỤC LỤC

Trang
LỜI CẢM ƠN ................................................................................................... 2
DANH MỤC BẢNG ......................................................................................... ii
DANH MỤC HÌNH ......................................................................................... iii
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ................................................................. iv
MỤC LỤC ......................................................................................................... v
Phần 1: MỞ ĐẦU ............................................................................................ 1
1.1. Đặt vấn đề................................................................................................... 1
1.2. Mục tiêu...................................................................................................... 2

1.3. Ý nghĩa của đề tài ....................................................................................... 2
1.3.1. Ý nghĩa trong học tập .............................................................................. 2
1.3.2. Ý nghĩa trong thực tế............................................................................... 2
Phần 2: TỔNG QUAN TÀI LIỆU ................................................................. 3
2.1. Cơ sở khoa học của đề tài .......................................................................... 3
2.1.1. Lịch sử ra đời .......................................................................................... 3
2.1.2. Cấu tạo của hệ thống định vị toàn cầu ................................................... 31
2.2. Hệ tọa độ WGS-84 và các phƣơng pháp đo GPS .................................... 35
2.2.1. Hệ toạ độ WGS- 84 ............................................................................... 35
2.2.2. Các phƣơng pháp đo GPS A- Đo GPS tuyệt đối .................................. 36
2.3. Các nguồn sai số chủ yếu trong kết quả đo GPS ..................................... 41
2.3.1. Sai số của đồng hồ................................................................................. 41
2.3.2. Sai số của quỹ đạo vệ tinh ..................................................................... 41
2.3.3. Sai số do khúc xạ tầng đối lƣu .............................................................. 42
2.3.4. Sai số do nhiễu của tín hiệu vệ tinh ...................................................... 42
2.4. Các phƣơng pháp xây dựng lƣới cơ bản .................................................. 43


v
i
2.4.1. Phƣơng pháp đƣờng chuyền.................................................................. 43
2.4.2. Phƣơng pháp tam giác ........................................................................... 45
2.4.3. Phƣơng pháp lƣới GPS.......................................................................... 48
2.5. Các ứng dụng của GPS trong trắc địa ...................................................... 48
2.5.1. Xây dựng lƣới khống chế mặt bằng ...................................................... 48
2.5.2. GPS phục vụ đo vẽ địa chính ................................................................ 49
2.5.3. GPS phục vụ trắc địa công trình ........................................................... 50
Phần 3: ĐỐI TƢỢNG NỘI DUNG VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
......................................................................................................................... 53
3.1 Đối tƣợng................................................................................................... 53

3.2 Địa điểm nghiên cứu ................................................................................. 53
3.3. Nội dung nghiên cứu ................................................................................ 53
3.3.1. Điều kiện tự nhiên, kinh tế xã hội của xã Văn Lãng - huyện Yên Bình –
tỉnh Yên Bái .................................................................................................... 53
3.3.2. Tình hình quản lý và sử dụng đất .......................................................... 53
3.3.3. Xây dựng lƣới khống chế địa chính đo vẽ bằng công nghệ GPS ......... 53
3.3.4. Đánh giá chung và đề xuất giải pháp .................................................... 54
3.4. Phƣơng pháp nghiên cứu .......................................................................... 54
3.4.1. Phƣơng pháp thu thập số liệu thứ cấp ................................................... 54
3.4.2. Phƣơng pháp đo đạc thực địa ................................................................ 54
3.4.3. Phƣơng pháp xử lý số liệu..................................................................... 55
Phần 4: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU ............................................................. 56
4.1. Điều kiện tự nhiên, kinh tế xã hội ............................................................ 56
4.1.1. Điều kiện tự nhiên ................................................................................. 56
4.1.2. Điều kiện kinh tế - xã hội ...................................................................... 56
4.1.3. Đánh giá chung về điều kiện tự nhiên, kinh tế xã hội........................... 60
4.2. Xây dựng lƣới khống chế địa chính đo vẽ bằng công nghệ GPS ............. 60


v
ii
4.2.1. Công tác chuẩn bị .................................................................................. 60
4.2.2. Chôn mốc .............................................................................................. 63
4.2.3. Ngoại nghiệp ......................................................................................... 64
4.2.4. Nội nghiệp ............................................................................................. 66
4.2.5. Thành quả tính toán bình sai lƣới khống chế đo vẽ xã Văn Lãng - huyện
Yên Bình - tỉnh Yên Bái.................................................................................. 68
4.2.6. Kiểm tra, nghiệm thu kết quả ................................................................ 73
4.3. Thuận lợi và khó khăn khi xây dựng lƣới GPS tại xã Văn Lãng ............. 75
4.3.1. Thuận lợi ............................................................................................... 75

4.3.2. Khó khăn ............................................................................................... 75
4.3.3. Giải pháp khắc phục .............................................................................. 75
Phần 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ........................................................ 76
5.1. Kết luận .................................................................................................... 76
5.2. Kiến nghị .................................................................................................. 76
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................ 77


1

Phần 1
MỞ ĐẦU
1.1. Đặt vấn đề
Trong giai đoạn hiện nay, Việt Nam cùng với sự phát triển của nền
công nghiệp hoá, hiện đại hoá đất nƣớc và hội nhập quốc tế. Song song với
quá trình này là sự cải tiến thay đổi về mặt công nghệ, các tiến bộ khoa học
kỹ thuật tiên tiến hiện đại, các dự án nghiên cứu ứng dụng của công nghệ mới
đƣợc đẩy mạnh chính vì vậy.
Sự ra đời của hệ thống định vị toàn cầu GPS (Global Positioning
System) đã mang lại một diện mạo mới cho các lĩnh vực ứng dụng công nghệ
GPS nói chung và ngành trắc địa nói riêng. Từ những năm 80, khi mà hệ
thống định vị toàn cầu GPS đƣợc phía Mỹ cho phép khai thác trong lĩnh vực
dân sự thì các ứng dụng của nó trong trắc địa có những ƣu điểm hơn hẳn với
công nghệ đo đạc truyền thống. Đó là khả năng đo nhanh, độ chính xác cao và
đo trong mọi điều kiện thời tiết, bất kỳ thời điểm trên phạm vi toàn cầu. Sau
Mỹ, Nga cũng xây dựng hệ thống định vị toàn cầu Glonass (Global
Navigation satellite system) với nguyên lý hoạt động tƣơng tự hệ thống GPS.
GPS đƣợc đƣa vào nƣớc ta sử dụng từ năm 1990 và chủ yếu phục vụ
xây dựng các mạng lƣới quốc gia và các lƣới cạnh dài phục vụ đo vẽ bản đồ,
hoặc đo nối toạ độ từ đất liền đến các đảo xa. Cùng với sự phát triển của hệ

thống GPS thì máy thu GPS là phần cứng quan trọng trong đoạn sử dụng. Với
sự phát triển của khoa học kỹ thuật, các hãng sản xuất máy thu GPS cũng cho
ra đời các máy thu thế hệ mới ngày càng gọn nhẹ, hoàn thiện hơn về tính năng
sử dụng. với khả năng này máy sẽ cho kết quả đo nhanh, độ chính xác cao đối
với cạnh đáy dài. Nó có thể phục vụ cho rất nhiều mục đích khác nhau, cho
nhiều ngành nhƣ: trắc địa, thuỷ văn, xây dựng, quốc phòng


2

Hiện nay ở nƣớc ta việc đo đạc theo các phƣơng pháp truyền thống chi
phí rất tốn kém và rất khó thực hiện. Do đó công nghệ GPS đóng vai trò rất
quan trọng trong việc xây dựng lƣới khống chế cũng nhƣ các dạng lƣới khác
phục vụ từ khảo sát thiết kế đến thi công các công trình.
Xuất phát từ yêu cầu thực tế và khả năng ứng dụng của các máy thu GPS
nói trên, đƣợc sự đồng ý của khoa Quản lý Tài nguyên, trƣờng Đại Học Nông
Lâm Thái Nguyên, em đã nghiên cứu đề tài tốt nghiệp “Ứng dụng công nghệ
GPS xây dựng lưới không chế đo vẽ phục vụ công tác thành lập bản đồ địa
chính xã Văn Lãng - huyện Yên Bình - tỉnh Yên Bái”.
1.2. Mục tiêu
Ứng dụng công nghệ GPS thành lập lƣới không chế trắc địa phục vụ
công tác đo vẽ và thành lập bản đồ địa chính
Thành lập đƣợc lƣới không chế trắc địa đạt yêu cầu kỹ thuật bằng công nghệ
GPS trên địa bàn xã Văn Lãng - huyện Yên Bình - tỉnh Yên Bái.
1.3. Ý nghĩa của đề tài
1.3.1. Ý nghĩa trong học tập
- Biết cách sử dụng máy đo GPS và các phần mềm bình sai
1.3.2. Ý nghĩa trong thực tế
- Thấy đƣợc vai trò quan trọng của công nghệ GPS trong công tác đo
đạc nói chung và công tác thành lập lƣới khống chế trắc địa nói riêng

- Với những tính nắng ƣu việt, kỹ thuật đo GPS là phƣơng pháp mới
áp dụng không chỉ tốt trong ngành địa chính mà còn ứng dụng nhiều ngành
nhƣ: Giao thông, Thủy lợi, Xây dựng, Nông nghiệp…


3

Phần 2
TỔNG QUAN TÀI LIỆU
2.1. Cơ sở khoa học của đề tài
2.1.1. Lịch sử ra đời
Hệ thống định vị toàn cầu là hệ thống dùng để định vị và đạo hàng, hệ
thống này ra đời nhằm đáp ứng ý tƣởng sử dụng vệ tinh nhân tạo của trái đất
vào mục đích định vị và dẫn đƣờng trên mặt đất, ít phụ thuộc vào thời tiết và
thời điểm trong ngày. Nó đã đƣợc các nhà khoa học Liên xô và Mỹ đề cập
đến từ những năm của thập niên 50 - 60, khi Liên Xô phóng thành công vệ
tinh nhân tạo đầu tiên của trái đất (vệ tinh Sputnhic-1) vào năm 1957, từ đó
các nhà khoa học quân sự của hai nƣớc và các nhà khoa học trên thế giới đã
tiếp tục nghiên cứu và đã đạt đƣợc những thành công trong việc sử dụng các
vệ tinh của mình. Để xác định vị trí điểm trên mặt đất hoặc trên đại dƣơng
phục vụ cho việc dẫn đƣờng tàu, thuyền, máy bay và các phƣơng tiện quân sự
khác. Bƣớc đầu các hệ thống định vị vệ tinh khu vực đƣợc xây dựng nhằm
đáp ứng nhu cầu định vị chính xác cao cho cả một vùng rộng lớn mà ít phụ
thuộc vào các điều kiện không gian và thời gian. Ngƣời ta đã xây dựng các hệ
thống định vị vệ tinh khu vực trong đó vệ tinh thƣờng đƣợc sử dụng là vệ tinh
địa tĩnh. Một số hệ thống định vị vệ tinh đƣợc xây dựng thuộc loại này nhƣ:
- Hệ thống STAR- FIX.
- Hệ thống EUTELTRACS và hệ thống OMNITRACS.
- Hệ thống NAVSTAR
Vào đầu những năm của thập niên 60 thì hệ thống định vị toàn cầu

đƣợc ra đời nhƣ:
- Hệ thống TRANSIT của Mỹ.
- Hệ thống TSICADA của Liên xô.


30

Vào khoảng giữa những năm 60 Bộ quốc phòng Mỹ khuyến khích xây
dựng một hệ thống đạo hàng vệ tinh hoàn hảo hơn so với hệ thống TRANSIT.
ý tƣởng chính của đề án do Hải quân Mỹ đề xuất là sử dụng khoảng cách đo
từ các điểm trên mặt đất đến vệ tinh trên cơ sở biết chính xác tốc độ và thời
gian lan truyền tín hiệu vô tuyến, đề án có tên là TIMATION. Các công trình
nghiên cứu tƣơng tự cũng đƣợc không quân Mỹ tiến hành trong khuôn khổ
chƣơng trình mang mã số 621B. Song từ năm 1973 Bộ quốc phòng Mỹ quyết
định đình chỉ cả hai chƣơng trình này để triển khai phối hợp nghiên cứu xây
dựng hệ thống đạo hàng vô tuyến vệ tinh trên cơ sở các kết quả của chƣơng
trình TRANSIT và hai chƣơng trình vừa nói tới. Hệ thống này có tên gọi
đúng là NAVSTAR GPS (Navigation Satellite Providing Timing and Ranging
Global Postioning System). Nhiệm vụ chủ yếu của hệ thống là xác định toạ
độ không gian và tốc độ chuyển động của điểm xét trên tàu vũ trụ, máy bay,
tàu thuỷ và trên đất liền phục vụ cho Bộ quốc phòng Mỹ và các cơ quan dân
sự. Khi đƣợc hoàn tất, hệ thống sẽ gồm có 21 vệ tinh hoạt động và 3 vệ tinh
dự trữ, các vệ tinh quay trên 6 quỹ đạo hầu nhƣ tròn, ở độ cao cỡ 20000km
với chu kỳ sấp xỉ 12 giờ. Với cách bố trí này thì trong suốt 24 giờ tại bất kỳ
điểm nào trên trái đất cũng sẽ quan sát đƣợc ít nhất 4 vệ tinh. Các vệ tinh đầu
tiên của hệ thống đƣợc phóng lên quỹ đạo vào tháng 2 năm 1978, toàn bộ hệ
thống đƣợc đƣa vào hoạt động hoàn chỉnh từ tháng 5 năm 1994.
Song hành với hệ thống NAVSTAR GPS, một hệ thống định vị toàn
cầu tƣơng tự mang tên GLONASS (Global Navigation Satellite System) do
Liên Xô chế tạo cũng đã đƣợc đƣa và sử dụng năm 1982. Hệ thống cũng gồm

24 vệ tinh nhƣng quay trong 3 mặt phẳng quỹ đạo từ 18840km đến 19940km,
trên mỗi quỹ đạo các vệ tinh có độ giãn cách là 45 0, chu kỳ quay cỡ 676 phút.
Với đúng nghĩa là hệ thống định vị toàn cầu GPS, cả NAVSTAR và
GLONASS cùng cho phép thực hiện định vị cho bất kỳ điểm xét nào, vào bất


31

kỳ thời điểm nào trong ngày và với bất kỳ điều kiện thời tiết nào. Đã có
những dự án phối hợp khai thác hệ thống này để nâng cao hiệu quả trên phạm
vi toàn cầu.
* Đặc điểm và tính năng của hệ thống định vị toàn cầu GPS
Khi mới ra đời hệ thống GPS chỉ có quân sự Mỹ đƣợc độc quyền
khai thác, sử dụng vào mục đích quân sự. Từ năm 1980 chính phủ Mỹ cho
phép chính thức hệ thống GPS đƣợc sử dụng cho mục đích dân sự, từ đó
các nhà khoa học của nhiều nƣớc đã ra sức nghiên cứu phát triển công
nghệ GPS để đạt đƣợc những thành quả cao nhất trong việc phát huy
nguồn tiềm năng to lớn này.
Hƣớng nghiên cứu chủ yếu đi vào các lĩnh vực:
- Chế tạo máy thu tín hiệu.
- Xây dựng phần mềm xử lý tín hiệu, đáp ứng cho nhiều mục đích.
- Thiết lập và phát triển công nghệ ứng dụng trong chuyên ngành.
Công nghệ GPS có đặc điểm ƣu việt hơn hẳn các công nghệ truyền
thống ở các mặt:
- Xác định trực tiếp các thành phần toạ độ không gian với độ chính
xác cao (cả toạ độ mặt bằng, độ cao).
- Rất linh hoạt trong bố trí điểm đo, có thể đo trong hầu hết các
thời điểm và thời tiết.
- Khả năng tự động hoá rất cao, cả trong đo ngoại nghiệp và xử lý số
liệu nội nghiệp.

Chính vì tính ƣu việt này mà công nghệ GPS đƣợc ứng dụng ở nhiều
ngành với nhiều chức năng khác nhau, nhất là trong lĩnh vực trắc địa.
2.1.2. Cấu tạo của hệ thống định vị toàn cầu
Hệ thống định vị toàn cầu GPS bao gồm ba bộ phận cấu thành, đó là
đoạn không gian (Space Segment), đoạn điều khiển (Control Segment)

và


32

đoạn sử dụng (User Segment). Chúng tôi xin trình bày cụ thể về từng bộ phận
cấu thành của hệ thống nhƣ sau:

Hình 2.1. Cấu trúc của hệ thống định vị toàn cầu
a) Đoạn không gian (Space Segment)
Đoạn này gồm 24 vệ tinh, trong đó có 3 vệ tinh dự trữ, quay trên 6 mặt
phẳng quỹ đạo cách đều nhau và có góc nghiêng 55 0 so với mặt phẳng xích
đạo của trái đất. Quỹ đạo của vệ tinh hầu nhƣ tròn, vệ tinh bay ở độ cao xấp
xỉ 20000km so với mặt đất, chu kỳ quay của vệ tinh là 718m (xấp xỉ 12 giờ).
Do vậy sẽ bay qua đúng điểm cho trƣớc trên mặt đất mỗi ngày một lần, với
cách phân bố nhƣ vậy thì tại bất kỳ thời điểm nào, ở bất kỳ vị trí nào trên trái
đất cũng đều nhìn thấy 4 vệ tinh.
Mỗi vệ tinh đƣợc trang bị máy phát tần số chuẩn nguyên tử chính xác
cao cỡ 10-12. Máy phát này tạo ra các tín hiệu tần số cơ sở 10.23 MHz, từ đây
tạo ra các sóng tải tần số L1= 1227.60 MHz, các sóng tải đƣợc điều biến bởi
hai loại Code khác nhau: C/A - Code và P - Code.


33

+ C/A - Code (Coarse/ Acquisition) là Code thô / thâu tóm, nó đƣợc sử
dụng cho các mục đích dân sự và chỉ điều biến sóng tải L1, C/A-Code có tần
số 1,023MHz. Mỗi vệ tinh đƣợc gán một C/A - Code riêng biệt.
+ P - Code (Precise) là Code chính xác, nó đƣợc sử dụng cho mục đích
quân sự và điều biến cả hai sóng tải L1, L2. Code này có tần số 10,23MHz,
độ dài toàn phần là 267 ngày, nghĩa là chỉ sau 267 ngày P - Code mới lặp lại.
Tuy vậy, ngƣời ta chia Code này thành các đoạn có độ dài 7 ngày, và gán cho
mỗi vệ tinh một trong các đoạn Code nhƣ thế, cứ sau một tuần lại thay đổi
nên P - Code rất khó bị giải mã để sử dụng nếu không đƣợc cho phép.

Hình 2.2. Vệ tinh GPS
Cả hai sóng tải L1và L2 còn đƣợc điều biến bởi các thông tin đạo hàng
bao gồm: Ephemerit của vệ tinh, thời gian của hệ thống, số hiệu chỉnh cho
đồng hồ của vệ tinh, quang cảnh phân bố vệ tinh trên bầu trời và tình trạng
của hệ thống.
b) Đoạn điều khiển (Control segment).
Đoạn này gồm 4 trạm quan sát trên mặt đất trong đó có 1 trạm điều
khiển trung tâm đặt tại Colorado Springs và 4 trạm theo dõi đặt tai Hawaii
(Thái Bình Dƣơng), Ascension Island (Đại Tây Dƣơng), Diego Garcia (ấn Độ
Dƣơng) và Kwajalein (Tây Thái Bình Dƣơng). các trạm này tạo thành một
vành đai bao quanh trái đất.


34

+ C/A - Code (Coarse/ Acquisition) là Code thô / thâu tóm, nó đƣợc sử
dụng cho các mục đích dân sự và chỉ điều biến sóng tải L1, C/A-Code có tần
số 1,023MHz. Mỗi vệ tinh đƣợc gán một C/A - Code riêng biệt.
+ P - Code (Precise) là Code chính xác, nó đƣợc sử dụng cho mục đích

quân sự và điều biến cả hai sóng tải L1, L2. Code này có tần số 10,23MHz,
độ dài toàn phần là 267 ngày, nghĩa là chỉ sau 267 ngày P - Code mới lặp lại.
Tuy vậy, ngƣời ta chia Code này thành các đoạn có độ dài 7 ngày, và gán cho
mỗi vệ tinh một trong các đoạn Code nhƣ thế, cứ sau một tuần lại thay đổi
nên P - Code rất khó bị giải mã để sử dụng nếu không đƣợc cho phép.

Hình 2.3. Vệ tinh GPS
Cả hai sóng tải L1và L2 còn đƣợc điều biến bởi các thông tin đạo hàng
bao gồm: Ephemerit của vệ tinh, thời gian của hệ thống, số hiệu chỉnh cho
đồng hồ của vệ tinh, quang cảnh phân bố vệ tinh trên bầu trời và tình trạng
của hệ thống.
c) Đoạn sử dụng (User Segment)
Đoạn sử dụng bao gồm 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 (định vị tuyệt đối) hay một nhóm gồm từ 20 máy
thu trở lên hoạt động đồng thời theo một lịch trình thời gian nhất định (định vị


35

tƣơng 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 (định vị vi phân).
2.2. Hệ tọa độ WGS-84 và các phƣơng pháp đo GPS
2.2.1. Hệ toạ độ WGS- 84
Do mục đích ứng dụng toàn cầu của hệ thống GPS, kết quả định vị phải
đƣợc quy chiếu lên một hệ thống định vị toàn cầu, hệ thống đƣợc chọn là
WGS-84 (World Goedetic System 1984). Hệ toạ độ WGS-84 do Bộ quốc
phòng Mỹ xây dựng năm 1984 và đƣa vào sử dụng năm 1987.
Ellipxoid đƣợc chọn sử dụng cho hệ thống WGS-84 là Ellipxoid GRS80 (Geodetic Reference System 1980) đƣợc hiệp hội trắc địa và địa vật lý

chấp nhận năm 1979 và đƣợc đánh giá tiếp cận tốt nhất đối với mặt Geoid
toàn cầu. Ellipxoid này có những thông số:
- Bán trục lớn a=6378137 m
- Độ dẹt 1/ = 1/ 298,257223563
- Độ lệch tâm e=0,08181990843
Z

O
Y

- Tâm O của hệ trùng với tâm của trái đất
- Trục OZ của hệ trùng với trục quay của trái đất
- Trục OX trùng với kinh tuyến gốc và thuộc mặt phẳng xích đạo (là
giao tuyến của mặt phẳng kinh tuyến gốc và mặt phẳng xích đạo).
- Trục OY trùng với mặt phẳng xích đạo và vuông góc với OX, OZ.
- Ba trục OX, OY, OZ tạo thành một tam diện thuận.
Hệ toạ độ trên là hệ tạo độ vuông góc không gian WGS-84. Mỗi điểm
đƣợc biểu diễn trên hệ toạ độ bởi ba yếu tố là X,Y,Z. Hệ toạ độ WGS-84 là hệ


36

toạ độ cơ sở của hệ thống GPS, toạ độ của vệ tinh cũng nhƣ điểm quan sát
đều lấy hệ toạ độ này.
2.2.2. Các phương pháp đo GPS A- Đo GPS tuyệt đối
1. Nguyên lý đo GPS tuyệt đối
Đo GPS tuyệt đối là trƣờng hợp sử dụng máy thu GPS để xác định
ngay ra toạ độ của điểm quan sát trong hệ toạ độ WGS-84. Việc đo GPS tuyệt
đối đƣợc thực hiện trên cơ sở sử dụng đại lƣợng đo là khoảng cách giả từ vệ
tinh đến máy thu theo nguyên tắc giao hội không gian từ các điểm có tọa độ

đã biết là các vệ tinh.
Tại một trạm máy, công tác quan trắc đƣợc tiến hành đồng thời đo tới 4
vệ tinh, ta lập đƣợc một hệ gồm 4 phƣơng trình có dạng:
(Xs1 - X)2 + (Ys1 - Y)2 + (Zs1 - Z)2 = (R1 - Ct)2
(Xs2 - X)2 + (Ys2 - Y)2 + (Zs2 - Z)2 = (R2 - Ct)2
(Xs3 - X)2 + (Ys3 - Y)2 + (Zs3 - Z)2 = (R3 - Ct)2
(Xs4 - X)2 + (Ys4 - Y)2 + (Zs4 - Z)2 = (R4 - Ct)2
Bằng cách đo khoảng cách giả đồng thời từ 4 vệ tinh đến máy thu ta có
thể xác định đƣợc tọa độ tuyệt đối của máy thu (X,Y,Z), ngoài ra còn xác
định đƣợc số hiệu chỉnh cho đồng hồ (thạch anh) của máy thu t.
Trên thực tế, với hệ thống vệ tinh hoạt động đầy đủ nhƣ hiện nay, số lƣợng
vệ tinh quan sát đồng thời thƣờng là  4. Khi đó lời giải đơn trị sẽ đƣợc rút ra nhờ
phƣơng pháp xử lý số liệu đo theo nguyên tắc số bình phƣơng nhỏ nhất.
2. Đo GPS vi phân
Phần lớn khách hàng sử dụng máy thu GPS thƣờng có nhu cầu định vị
với độ chính xác từ cỡ deximet đến một vài chục mét. Nhƣng với chế độ can
thiệp SA thì hệ thống GPS chỉ cho độ chính xác định vị hạn chế cỡ 100 mét.
Để tháo gỡ sự khống chế này, giới kỹ thuật và các nhà sản xuất máy thu GPS


37

đã đƣa ra một phƣơng pháp đo đƣợc gọi là đo GPS vi phân.
Phƣơng pháp này cần có một máy thu GPS có khả năng phát tín hiệu
vô tuyến đƣợc đặt tại điểm có toạ độ đã biết (gọi là máy cố định), đồng thời
có máy khác (máy di động) đặt ở vị trí cần xác định toạ độ. Cả máy cố định
và máy di động cần tiến hành đồng thời thu tín hiệu từ các vệ tinh nhƣ nhau.
Nếu thông tin từ vệ tinh bị nhiễu thì kết quả xác định toạ độ của cả máy cố
định và máy di động cũng đều bị sai lệch. Độ sai lệch này đƣợc xác định trên
cơ sở so sánh toạ độ tính ra theo tín hiệu thu đƣợc và toạ độ đã biết trƣớc của

máy cố định, và nó đƣợc máy cố định phát đi qua sóng vô tuyến để máy di
động thu nhận mà hiệu chỉnh cho kết quả xác định toạ độ của mình.
Ngoài cách hiệu chỉnh toạ độ, ngƣời ta còn tiến hành hiệu chỉnh cho
khoảng cách từ vệ tinh đến máy thu. Với cách hiệu chỉnh thứ hai đòi hỏi máy
cố định có cấu tạo phức tạp và tốn kém, nhƣng lại cho phép ngƣời sử dụng xử
lý chủ động, linh hoạt hơn.
Thực chất của đo GPS vi phân là xác định tọa độ theo nguyên tắc đo
tuyệt đối vì tín hiệu thu đƣợc từ máy cố định và máy di động không đƣợc xử
lý kết hợp, mà máy di động chỉ hiệu chỉnh vào kết quả theo gia số tƣơng ứng
ở tại máy cố định.
B- Đo GPS tương đối
1. Nguyên lý đo GPS tương đối
Đo GPS tƣơng đối là trƣờng hợp sử dụng 2 máy thu GPS đặt ở 2 điểm
quan sát khác nhau để xác định ra hiệu toạ độ vuông góc không gian (X,
Y, Z) hay hiệu tọa độ mặt cầu (B, L, H) giữa chúng trong hệ toạ độ
WGS-84.
Nguyên tắc đo GPS tƣơng đối đƣợc thực hiện trên cơ sở sử dụng đại
lƣợng đo là pha của sóng tải. Để đạt độ chính xác cao và rất cao cho kết quả
đo, ngƣời ta đã tạo ra và sử dụng các sai phân khác nhau cho pha sóng tải


38

nhằm làm giảm các nguồn sai số khác nhau nhƣ: Sai số đồng hồ trên vệ tinh
cũng nhƣ trong máy thu, sai số tọa độ vệ tinh, sai số số nguyên đa trị...
Ta ký hiệu: pha của sóng tải từ vệ tinh j đƣợc đo tại trạm quan sát R
vào thời điểm ti là jr (ti).
Giả sử ta quan sát đồng thời hai điểm 1 và 2 lên vệ tinh j vào thời điểm
ti. Khi đó ta sẽ có đại lƣợng pha đo đƣợc là:
j(ti) = j2(ti)- j1(ti)

(II.2)

Biểu thức (II.2) là sai phân bậc 1. Trong sai phân này hầu nhƣ không
còn ảnh hƣởng của sai số đồng hồ trên vệ tinh.
Nếu ta xét hai trạm tiến hành quan sát đồng thời hai vệ tinh j, k vào thời
điểm ti, ta sẽ có sai phân bậc 2:
2j,k(ti) = k(ti)- j(ti)

(II.3)

Trong sai phân này hầu nhƣ không còn ảnh hƣởng của sai số đồng hồ
trên vệ tinh cũng nhƣ sai số của đồng hồ trong máy thu.
Nếu ta xét hai trạm tiến hành quan sát đồng thời hai vệ tinh j, k vào các
thời điểm ti và ti+1, ta sẽ có sai phân bậc 3:
3j,k(ti) = 2j,k(ti+1)- 2j,k(ti)

(II.4)

Sai phân này cho phép loại trừ các số nguyên đa trị.

Trên thực tế, số vệ tinh GPS xuất hiện trên bầu trời thƣờng nhiều hơn 4.
Bằng cách tổ hợp theo từng cặp vệ tinh ta sẽ có rất nhiều trị đo để xác định ra
hiệu toạ độ giữa hai điểm quan sát, khi đó số liệu đo sẽ đƣợc xử lý theo
nguyên tắc số bình phƣơng nhỏ nhất.
2. Phương pháp đo tĩnh
Phƣơng pháp đo tĩnh đƣợc sử dụng để xác định ra hiệu toạ độ (hay vị
trí tƣơng hỗ) giữa hai điểm xét với độ chính xác cao, thƣờng là nhằm đáp ứng
các yêu cầu của công tác trắc địa - địa hình. Trong trƣờng hợp này cần có ít
nhất hai máy thu GPS, một máy đặt tại điểm đã biết toạ độ, máy kia đặt ở

39

điểm cần xác định tọa độ. Cả hai máy phải đồng thời thu tín hiệu từ một số vệ
tinh chung liên tục trong một khoảng thời gian nhất định, thƣờng là một đến
ba tiếng đồng hồ. Khoảng thời gian quan sát phải kéo dài là để đủ cho đồ hình
phân bố vệ tinh thay đổi mà từ đó ta có thể xác định đƣợc số nguyên đa trị
của sóng tải và để có nhiều trị đo nhằm đạt đƣợc độ chính xác cao và ổn định
trong kết quả quan sát.
Đây là phƣơng pháp cho phép đạt đƣợc độ chính xác cao nhất trong
việc định vị tƣơng đối bằng GPS, có thể cỡ xentimet, thậm chí milimet ở
khoảng cách giữa hai điểm xét tới hàng chục và hàng trăm kilomet. Nhƣợc
điểm chủ yếu của phƣơng pháp là thời gian đo phải kéo dài hàng giờ, do vậy
năng suất đo thƣờng không cao.
3. Phương pháp đo động
Phƣơng pháp đo động cho phép xác định vị trí tƣơng đối của hàng loạt
điểm so với điểm đã biết, trong đó tại mỗi điểm đo chỉ cần thu tín hiệu trong
vòng một phút. Theo phƣơng pháp này cần có ít nhất hai máy thu. Để xác
định số nguyên đa trị của tín hiệu vệ tinh, cần có một cạnh đáy đã biết đƣợc
gối lên điểm đã biết toạ độ. Sau khi đã xác định, số nguyên đa trị đƣợc giữ
nguyên để tính khoảng cách từ vệ tinh đến máy thu cho các điểm đo tiếp theo
trong suốt chu kỳ đo. Nhờ vậy thời gian thu tín hiệu tại điểm đo không phải là
một tiếng nhƣ trong phƣơng pháp đo tĩnh, mà chỉ còn là một phút.
Với cạnh đáy đã biết ta đặt một máy thu cố định ở điểm đầu cạnh đáy
và cho tiến hành thu liên tục tín hiệu vệ tinh trong suốt chu kỳ đo, máy này
đƣợc gọi là máy cố định. ở điểm cuối cạnh đáy ta đặt máy thu thứ hai. Hai
máy thu tiến hành thu tín hiệu đồng thời trong khoảng thời gian một phút.
Việc này đƣợc gọi là khởi đo (Initialization), máy thu thứ hai đƣợc gọi là máy
di động. Tiếp đó cho máy di động lần lƣợt chuyển đến các điểm đo cần xác

định, tại các điểm dừng lại để thu tín hiệu trong vòng một phút và cuối cùng


40

trở lại điểm xuất phát là điểm cuối cạnh đáy để khép tuyến đo bằng lần thu tín
hiệu thứ hai cũng kéo dài trong vòng một phút.
Yêu cầu nhất thiết của phƣơng pháp đo này là cả máy cố định và máy
di động phải đồng thời thu tín hiệu liên tục từ ít nhất là 4 vệ tinh chung trong
suốt chu kỳ đo. Vì vậy tuyến đo phải bố trí ở các khu vực thoáng đãng để
không xảy ra tình trạng tín hiệu thu bị gián đoạn (Cycle Slip). Nếu xảy ra
trƣờng hợp này thì phải tiến hành khởi đo lại tại cạnh đáy xuất phát hoặc sử
dụng một cạnh đáy khác đƣợc thiết lập dự phòng trên tuyến đo. Cạnh đáy có
thể dài từ 2km đến 5km và so độ chính xác cỡ cm là đủ.
Phƣơng pháp đo động cho phép đạt độ chính xác định vị tƣơng đối
không thua kém so với phƣơng pháp đo tĩnh. Song nó lại đòi hỏi khá ngặt
nghèo về thiết bị và tổ chức đo để đảm bảo yêu cầu về đồ hình phân bố cũng
nhƣ tín hiệu của vệ tinh.
4. Phương pháp đo giả động
Phƣơng pháp đo giả động cũng cho phép xác định vị trí tƣơng đối của
hàng loạt điểm so với điểm đã biết trong khoảng thời gian đo khá nhanh,
nhƣng độ chính xác định vị không cao bằng phƣơng pháp đo động. Trong
phƣơng pháp này không cần làm thủ tục khởi đo, tức là không cần sử dụng
cạnh đáy đã biết. Máy cố định cũng phải tiến hành thu tín hiệu vệ tinh liên tục
trong suốt chu kỳ đo, còn máy di động di chuyển đến từng điểm đo, tại mỗi
điểm thu tín hiệu từ 5 đến 10 phút.
Sau khi đo hết lƣợt, máy di động quay trở về điểm xuất phát (điểm đo đầu
tiên) và đo lặp lại tất cả các điểm theo đúng trình tự trƣớc đó, nhƣng phải đảm bảo
sao cho khoảng thời gian giãn cách giữa hai lần đo tại mỗi điểm không ít hơn một
tiếng đồng hồ. Chính trong khoảng thời gian này đồ hình phân bố vệ tinh thay đổi

đủ để xác định đƣợc số nguyên đa trị, còn hai lần đo, mỗi lần kéo dài từ 5 đến 10
phút và giãn cách nhau một tiếng. Yêu cầu nhất thiết trong phƣơng pháp này là


41

phải có đƣợc ít nhất 3 vệ tinh chung cho cả hai lần đo tại mỗi điểm quan sát.
Điều đáng chú ý là máy di động không nhất thiết phải thu tín hiệu vệ
tinh liên tục trong suốt chu kỳ đo mà chỉ cần thu trong vòng 5 đến 10 phút tại
mỗi điểm đo. Điều này cho phép áp dụng phƣơng pháp cả ở khu vực có nhiều
vật che chắn. Về mặt thiết kế, tổ chức đo thì chỉ nên bố trí khu vực đo tƣơng
đối nhỏ với số lƣợng điểm vừa phải để có thể kịp đo lặp tại mỗi điểm trƣớc
một tiếng đồng hồ và đảm bảo số lƣợng vệ tinh chung cho cả hai lần đo.
2.3. Các nguồn sai số chủ yếu trong kết quả đo GPS
2.3.1. Sai số của đồng hồ
Đây là sai số của đồng hồ vệ tinh, đồng hồ trong máy thu và sự không
đồng bộ giữa chúng.
Đồng hồ trên vệ tinh đƣợc trạm điều khiển trên mặt đất theo dõi và
đƣợc hiệu chỉnh 3 lần trong một ngày.
Để làm giảm sai số của đồng hồ vệ tinh và máy thu, ngƣời ta sử dụng
hiệu các trị đo giữa các vệ tinh cũng nhƣ các trạm quan sát.
2.3.2. Sai số của quỹ đạo vệ tinh
Nhƣ đã biết, chuyển động của vệ tinh quanh trái đất không tuân thủ nghiêm
ngặt theo định luật Kepler do có nhiều tác động nhiễu nhƣ: Tính không đồng nhất
của trọng trƣờng trái đất, ảnh hƣởng của sức hút mặt trăng, mặt trời và các thiên
thể khác, sức cản của khí quyển, áp lực của bức xạ mặt trời...Nhƣ vậy, chúng ta
cần xác định và sử dụng vị trí tức thời của vệ tinh đƣợc xác định ra trên cơ sở sử
dụng đoạn không gian và đƣơng nhiên toạ độ của vệ tinh có chứa sai số. Bảng toạ
độ vệ tinh ứng với từng thời điểm cụ thể gọi là Ephemezit (lịch vệ tinh), có hai
loại Ephemezit là Ephemezit chính xác và Ephemezit đại trà.

Ephemezit chính xác chỉ đƣợc cung cấp khi chính phủ Mỹ cho phép và
đảm bảo định vị tuyệt đối tốt nhất là 1m.
Ephemezit đại trà đƣợc cung cấp cho khách hàng qua tín hiệu vệ tinh


42

phát đi. Ephemezit loại này cho phép định vị tuyệt đối cỡ 30m, nhƣng nó còn
bị nhiễu cố ý cho nên độ chính xác định vị tuyệt đối thực tế cỡ 100m. Sai số
vị trí của vệ tinh ảnh hƣởng hầu nhƣ trọn vẹn đến sai số xác định toạ độ của
điểm quan sát đơn riêng biệt. Nhƣng nó đƣợc loại trừ đáng kể trong kết quả
định vị tƣơng đối giữa hai điểm sai số do khúc xạ tầng điện ly
Tầng điện ly phân bố trong phạm vi cách mặt đất từ 50 đến 1000km.
ảnh hƣởng này tỷ lệ thuận với mật độ điện tử trong tầng điện ly và tỷ lệ
nghịch với bình phƣơng tần số sóng tải. Với vị trí các điểm máy thu không
cách xa nhau thì ảnh hƣởng này có thể coi là bằng nhau.
2.33. Sai số do khúc xạ tầng đối lưu
Tầng đối lƣu phân bố trong phạm vi từ mặt đất tới độ cao gần 50 km. Khi
qua tầng đối lƣu tốc độ truyền sóng biến động phức tạp hơn, tuỳ thuộc vào tình
hình mặt đất (nhƣ sông hồ, sa mạc,...) và thời tiết. Trong phạm vi hẹp (nhỏ hơn
30km) thì có thể coi nguồn ảnh hƣởng này là bằng nhau với các điểm trạm đo.
Để giảm ảnh hƣởng của tầng điện ly cũng nhƣ tầng đối lƣu, ngƣời ta quy định
chỉ quan sát vệ tinh ở độ cao từ 150 trở lên so với mặt phẳng chân trời.
2.3.4. Sai số do nhiễu của tín hiệu vệ tinh
Hiện tƣợng sóng tải không truyền thẳng vào tâm ăngten máy thu mà
trƣớc đó đã bị phản xạ từ những vật thể khác, lúc này đƣờng truyền sóng là
một đƣờng gấp khúc gây ra sai số đo cạnh. Tín hiệu phản xạ này sẽ giao thoa
với tín hiệu trực tiếp từ vệ tinh tới máy thu và làm nhiễu tín hiệu thu đƣợc.
Sai số này phụ thuộc vào môi trƣờng địa hình, địa vật xung quanh điểm trạm
đo và tính năng của ăngten máy thu.

Trƣờng hợp các nguồn sai số trên ảnh hƣởng đến việc xác định
khoảng cách từ vệ tinh đến máy thu chứ chƣa phải là sai số của bản thân
vị trí điểm quan sát. Do vị trí điểm quan sát đƣợc xác định bởi phép giao
hội khoảng cách từ vệ tinh, nên độ chính xác của nó phụ thuộc vào đồ