Ứng dụng công nghệ GPS trong việc thiết kế xây dựng lưới khống chế phục vụ đo vẽ, thành lập bản đồ địa chính xã Tiên Phương, huyện Chương Mỹ, TP.Hà Nội

LỜI CẢM ƠN
Để kết thúc khóa học 2013-2017 và đánh giá kết quả học tập 4 năm của
học sinh sinh viên. Được sự nhất trí của ban giám hiệu trường Đại học Lâm
nghiệp, Viện Quản lý đất đai và Phát triển nông thôn em đã tìm hiểu và thực
hiện khóa luận tốt nghiệp: “Ứng dụng công nghệ GPS trong việc thiết kế xây
dựng lưới khống chế phục vụ đo vẽ, thành lập bản đồ địa chính xã Tiên
Phương, huyện Chương Mỹ, TP.Hà Nội”.
Trong quá trình thực hiện đề tài này, bên cạnh sự lỗ lực cố gắng vận dụng
những kiến thức cũng như hiểu biết của bản thân, em đã nhận được sự quan tâm
giúp đỡ của Nhà trường; Thầy, cô trong Viện Quản lý đất đai và Phát triển nông
thôn; Ban lãnh đạo và tập thể cán bộ UBND xã Tiên Phương; anh chị trong
Trung tâm xử lý số liệu- Trung tâm trắc địa bản đồ biển- Tổng cục biển và hải
đảo, gia đình, bạn bè; đặc biệt là sự hướng dẫn tận tình của ThS. Phùng Trung
Thanh đã trực tiếp hướng dẫn và giúp đỡ em trong suốt quá trình thực hiện
nghiên cứu đề tài.
Mặc dù đã cố gắng học tập, tìm hiểu tình hình thực tế tại địa phương
nhưng do trình độ, kinh nghiệm còn hạn chế nên bài khóa luận không tránh khỏi
những sai sót. Em rất mong được sự đóng góp ý kiến của các thầy cô và bạn bè
để khóa luận được hoàn thiện hơn.
Em xin bày tỏ lòng cảm ơn tới thầy giáo ThS. Phùng Trung Thanh đã
hướng dẫn tận tình và tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất cho em trong suốt quá
trình thực hiện và hoàn thành khóa luận tốt nghiệp.
Qua đây em cũng xin gửi lời cảm ơn tới các thầy cô giáo trong Viện Quản
lý đất đai và Phát triển nông thôn; Ban lãnh đạo và tập thể cán bộ UBND xã
Tiên Phương; anh chị trong Trung tâm xử lý số liệu- Trung tâm trắc địa bản đồ
biển- Tổng cục biển và hải đảo đã tạo điều kiện giúp đỡ em hoàn thành bài khóa
luận này.
Em xin chân thành cảm ơn!
Hà Nội, ngày....tháng…năm 2017
Sinh viên thực hiện
Phan Anh Tú

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN........................................................................................................i
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT......................................................................iv
PHẦN 1. MỞ ĐẦU...............................................................................................1
1.1. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI..................................................................1
1.2. MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI..............................................................................2
1.2.1. Mục tiêu tổng quát.......................................................................................2
1.2.2. Mục tiêu cụ thể............................................................................................2
1.3. PHẠM VI NGHIÊN CỨU.............................................................................2
PHẦN 2. TỔNG QUAN TÀI LIỆU......................................................................3
2.1. TỔNG QUAN VỀ CÔNG TÁC XÂY DỰNG LƯỚI....................................3
2.1.1. Khái niệm lưới khống chế đo vẽ.................................................................3
2.1.2. Các phương pháp xây dựng lưới khống chế đo vẽ......................................3
2.1.3. Nguyên tắc thành lập lưới và thiết kế lưới GPS..........................................6
2.2. TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ HỆ THỐNG VỆ TINH DẪN ĐƯỜNG
TOÀN CẦU(GNSS)..............................................................................................8
2.2.1. Giới thiệu về công nghệ GNSS...................................................................8
2.3. GIỚI THIỆU VỀ CÔNG NGHỆ GPS..........................................................10
2.3.1. Cấu trúc và nguyên lý hoạt động của hệ thống GPS.................................10
2.3.2. Các đại lượng đo GPS...............................................................................14
2.3.3. Các phương pháp đo GPS.........................................................................16
2.3.4. Các nguồn sai số trong đo GPS.................................................................25
2.3.5. Ưu nhược điểm của hệ thống định vị GPS................................................30
PHẦN 3. VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU.............................32
3.1. ĐỊA ĐIỂM VÀ THỜI GIAN NGHIÊN CỨU..............................................32
3.2. ĐỐI TƯỢNG VÀ VẬT LIỆU NGHIÊN CỨU............................................32
3.3. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU........................................................................32

3.4. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU................................................................32
3.4.1. Phương pháp đo vẽ trực tiếp......................................................................32


3.4.2. Phương pháp xử lý số liệu.........................................................................33
3.4.3. Phương pháp so sánh.................................................................................33
PHẦN 4. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU..................................................................34
4.1. ĐIỀU KIỆN TỰ NHIÊN, KINH TẾ XÃ HỘI.............................................34
4.1.1. Điều kiện tự nhiên....................................................................................34
4.1.2. Điều kiện kinh tế, xã hội...........................................................................34
4.2. CÁC TƯ LIỆU TRẮC ĐỊA, BẢN ĐỒ PHỤC VỤ NGHIÊN CỨU............35
4.2.1. Tư liệu trắc địa...........................................................................................35
4.2.2. Đánh giá tư liệu.........................................................................................35
4.3. THIẾT KẾ LƯỚI GPS.................................................................................35
4.3.1. Sơ đồ lưới GPS..........................................................................................35
4.3.2. Thiếu kế ca đo...........................................................................................35
4.3.3. Tổ chức đo lưới bằng công nghệ GPS.......................................................36
4.4. BÌNH SAI LƯỚI GPS BẰNG PHẦN MỀM...............................................37
4.4.1. Tạo một Project mới..................................................................................37
4.4.2. Nhập dữ liệu..............................................................................................39
4.4.3. Xử lý cạnh.................................................................................................41
4.4.4. Bình sai lưới tự do.....................................................................................42
4.4.5. Bình sai lưới trong hệ tọa độ khu vực.......................................................44
4.4.6. Biên tập kết quả bình sai...........................................................................45
PHẦN 5. KÊT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ.............................................................60
5.1. KẾT LUẬN..................................................................................................60
5.2. KIẾN NGHỊ.................................................................................................60
TÀI LIỆU THAM KHẢO...................................................................................61

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
GPS: Global Positioning System – Hệ thống định vị toàn cầu


DANH MỤC BẢN

Bảng 2.1. Chỉ tiêu kỹ thuật lưới tam giác.............................................................5
Bảng 2.2. Tiêu chuẩn kỹ thuật lưới GPS..............................................................7
Bảng 2.3. Quy định đo GPS..................................................................................8
Bảng 2.4. So sánh độ chính xác của các giải sóng..............................................15
Bảng 2.5. Thời gian đo hợp lý.............................................................................22
Bảng 2.6. Bảng tổng hợp các nguồn sai số và cách khắc phục...........................30


DANH MỤC HÌNH
Hình 2.1. Đồ hình dạng chuỗi tam giác................................................................4
Hình 2.2. Đồ hình đa giác trung tâm....................................................................4
Hình 2.3. Đồ hình tứ giác trắc địa........................................................................5
Hình 2.4. Đồ hình lưới tam giác rẻ quạt................................................................5
Hình 2.5. Chuyển động của vệ tinh trên quỹ đạo................................................11
Hình 2.6. Sơ đồ bố trí các trạm điều khiển..........................................................12
Hình 2.7. Trimble R3...........................................................................................14
Hình 2.8. Trimble R4..........................................................................................14
Hình 2.9. Nguyên tắc xác định khoảng cách......................................................15
Hình 2.10. Sơ đồ tọa độ không gian....................................................................17
Hình 2.11. Nguyên lý định vị tuyệt đối...............................................................17
Hình 2.12. Kỹ thuật đo tương đối........................................................................19
Hình 2.13. Trạm quan sát r vào 1 thời điểm........................................................20
Hình 2.14. Trạm quan sát đồng hồ vệ tinh J, k tại 1 thời điểm...........................20
Hình 2.15. Trạm quan sát vệ tinh J, k tại 2 thời điểm.........................................21

Hình 2.16. Định vị động......................................................................................24
Hình 2.17. Sai số do tầng điện ly.......................................................................28
Hình 2.18. Sai số do tầng ion và tầng đối lưu...................................................28
Hình 3.1. Ảnh chụp toàn cảnh xã Tiên Phương..................................................34


PHẦN 1. MỞ ĐẦU
1.1. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI
Đất đai là vật mang sự sống, không gian tồn tại và phát triển của con người.
Xã hội loài người ngày càng phát triển, dân số ngày càng đông nhu cầu sử dụng đất
ngày càng nhiều và đa dạng. Việc sử dụng đất không hợp lý, khoa học gây ra hậu
quả nặng nề về kinh tế, xã hội và môi trường. Do đó, việc sử dụng đất như thế nào
để đảm bảo việc sử dụng đất hợp lý cho các ngành, các lĩnh vực và nâng cao hiệu
quả sử dụng đất đang là một vấn đề nóng bỏng và cần được quan tâm hàng đầu của
mọi quốc gia trên thế giới, trong đó có Việt Nam.
Có thể nói đất đai là vấn đề xuyên suốt mọi thời đại, tất cả các Nhà nước
đều coi việc quản lý nắm chặt quỹ đất đai của đất nước là vấn đề sống còn của
quốc gia, tài nguyên đất phục vụ cho chiến lược xây dựng và bảo vệ thế hệ đi
trước đã tốn biết bao công sức và xương máu mới tạo lập, bảo vệ được vốn đất
đai như ngày nay. Vì vậy trách nhiệm của chúng ta và các thế hệ mai sau là phải
quản lý đất đai thật tốt. Trong hoạt động kinh tế của Quốc gia, khu vực và địa
phương thì đất đai là nguồn tài nguyên, là yếu tố đầu vào không thể thiếu được.
Tình hình dân số gia tăng nhưng diện tích đất đai có hạn, việc sử dụng một cách
tiết kiệm, hợp lý và có hiệu quả nguồn tài nguyên đất là hết sức quan trọng. Một
trong những công tác quản lý đất đai đó là đo đạc và thành lập bản đồ. Ngày nay
quá trình công nghiệp hóa, hiện đại hóa diễn ra nhanh nhóng nên công tác đo
đạc trong ngành quản lý đất đai ngày càng được chú trọng, có nhiều thiết bị,
công nghệ hiện đại ra đời đáp ứng nhu cầu của người dân trong công tác đo đạc
và thành lập bản đồ.
Một trong những công nghệ hiệ đại đang được ứng dụng rộng rãi trong

nước và quốc tế đó chính là công nghệ GPS. Công nghệ GPS được ứng dụng
rộng rãi trong công tác đo đạc địa chính, trước hết là xây dựng mạng lưới các
cấp. Theo quy định của Tổng cục địa chính, lưới địa chính, các cấp được phát
triển từ lưới khống chế tọa độ Nhà nước hạng I, II. Lưới địa chính cơ sở là cơ sở
để phát triển các mạng lưới thấp hơn phục vụ cho công tác đo vẽ, xây dựng bản
đồ...
Trên cơ sở nhận thức tầm quan trọng của ứng dụng công nghệ GPS xây
dựng lưới khống chế GPS phục vụ công tác dồn điền đổi thửa, được sự phân


công của Bộ môn Quản lý đất đai, Viện Quản lý đất đai và Phát triển nông thôn Trường Đại học Lâm nghiệp Việt Nam, đồng thời được sự hướng dẫn của giảng
viên ThS. Phùng trung Thanh tôi tiến hành nghiên cứu đề tài : “Ứng dụng công
nghệ GPS trong việc xây dựng lưới khống chế phục vụ đo vẽ, thành lập bản
đồ địa chính xã Tiên Phương, huyện Chương Mỹ, TP.Hà Nội”.
1.2. MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI
1.2.1. Mục tiêu tổng quát
Kết quả nghiên cứu góp phần hoàn thiện hệ thống lưới khống chế phục vụ
công tác thành lập bản đồ địa chính xã Tiên Phương - huyện Chương Mỹ. Khẳng
định những ưu điểm của việc ứng dụng công nghệ GPS trong công tác xây dựng
lưới khống chế.
1.2.2. Mục tiêu cụ thể
- Xây dựng lưới GPS phục vụ công tác đo vẽ, thành lập bản đồ địa chính
xã Tiên Phương, huyện Chương Mỹ, thành phố Hà Nội.
- Tính toán bình sai lưới GPS xã Tiên Phương phục vụ công tác đo vẽ,
thành lập bản đồ địa chính xã Tiên Phương, huyện Chương Mỹ, thành phố Hà
Nội.
1.3. PHẠM VI NGHIÊN CỨU
- Về không gian: Nghiên cứu được thực hiện trên địa bàn xã Tiên Phương,
huyện Chương Mỹ, thành phố Hà Nội.
- Về thời gian: Kết quả được tính toán từ số liệu đo GPS vào tháng 5 năm

2016.
- Về nội dung: Xây dựng lưới GPS phục vụ đo vẽ, thành lập bản đồ địa
chính xã Tiên Phương, huyện Chương Mỹ, thành phố Hà Nội.


PHẦN 2. TỔNG QUAN TÀI LIỆU
2.1. TỔNG QUAN VỀ CÔNG TÁC XÂY DỰNG LƯỚI
2.1.1. Khái niệm lưới khống chế đo vẽ
Lưới khống chế đo vẽ là cấp lưới cuối cùng phục vụ trực tiếp đo vẽ thành
lập bản đồ tỷ lệ lớn. Từ hệ thống lưới này tiến hành đo vẽ chi tiết tới từng địa vật
(thửa đất hoặc lô thửa đất).
Lưới khống chế đo vẽ bao gồm lưới mặt bằng và lưới độ cao:
Lưới khống chế đo vẽ mặt bằng thành lập bằng các phương pháp như:
đường chuyền kinh vĩ, hoặc hệ thống đường chuyền kinh vĩ, lưới tam giác nhỏ
hoặc sử dụng công nghệ GPS.
Lưới khống chế đo vẽ độ cao được thành lập theo phương pháp đo cao
hình học hoặc phương pháp đo cao lượng giác. Lưới đo cao được thành lập từ
những đường đo cao riêng biệt hoặc hệ thống các đường đo cao tự trên các điểm
độ cao của lưới cấp cao hơn.
2.1.2. Các phương pháp xây dựng lưới khống chế đo vẽ
- Lưới đường chuyền
Lưới đường chuyền gồm các điểm nối với nhau tạo thành các đường gấp
khúc. Đo tất cả các góc ngoặt và các cạnh trong lưới từ đó tính tạo độ cho tất cả
các điểm.
Lưới đường chuyền bao gồm nhiều đường chuyền liên kết với nhau tạo
thành các điểm nút. Lưới đường chuyền có ưu điểm là dễ chọn điểm, độ lớn của
góc ngoặt có thể thay đổi không hạn chế cho nên đồ hình lưới bố trí rất linh
hoạt. Hạn chế của lưới đường chuyền là có ít trị đo thừa, kết cấu hình học không
chặt chẽ bằng lưới đo góc.
- Lưới tam giác

Lưới tam giác là tập hợp các điểm được cố định chắc chắn ngoài thực
địa, giữa chúng liên kết với nhau bởi các hình tam giác và các điều kiện toán
học chặt chẽ. Được xác định chung trong hệ thống tọa độ thống nhất, làm cơ sở
phân bố chính xác các yêu tố nội dung bản đồ và hạn chế sai số lũy. Lưới tam


giác nhỏ là một dạng lưới khống chế đo vẽ mặt bằng, được áp dụng ở những
khu vực quang đãng, có tầm nhìn tốt, địa hình đồi núi.
Khi xây dựng lưới tam giác nhỏ dạng chêm dày thường sử dụng cạnh tam
giác hoặc đường chuyền cấp cao hơn làm cạnh gốc( cạnh mở đầu).
Lưới tam giác là loại lưới chêm dày ở khu vực đã có lưới khống chế cấp
cao. Thực tế sản xuất có thể sử dụng một số đồ hình lưới như sau:
1.Chuỗi tam giác

Hình 2.1. Đồ hình dạng chuỗi tam giác
2. Đa giác trung tâm

Hình 2.2. Đồ hình đa giác trung tâm



1. Tứ giác trắc địa

Hình 2.3. Đồ hình tứ giác trắc địa
3. Lưới dạng rẻ quạt

Hình 2.4. Đồ hình lưới tam giác rẻ quạt
Khi tiến hành thiết kế lưới tam giác người thiết kế phải tuân thủ các tiêu
chí thiết kế lưới theo đúng quy phạm như sau:
Bảng 2.1. Chỉ tiêu kỹ thuật lưới tam giác

Các yếu tố đặc trưng
Chiều dài cạnh ngắn nhất
Góc nhỏ nhất
Số lượng tam giác trong lưới
Sai số khéo tam giác giới hạn
Sao số trung phương đo góc
Sai số trung phương cạnh yếu nhất

Các chỉ tiêu kỹ thuật
150m
200

17
90”
30”

1:2000


Đo góc trong lưới tam giác người ta sử dụng các loại máy kinh vĩ có độ chính
xác <30”. Mỗi góc tiến hành đo 3 vòng đo, giữa các vòng đo phải đo thay đổi giá trị
ban đầu là 1800/n (n là số vòng đo). Tại các điểm tam giác thường có nhiều hướng
do đó sử dụng phương pháp đo toàn vòng để đo. Sau khi đo tất cả các gốc và các
góc đo được để tính ra chiều dài và góc phương vị của cạnh.
- Lưới GPS
Các phương pháp xây dựng lưới nêu trên có nhược điểm là phải thống
hướng giữa các điểm liền kề. Do ảnh hưởng của chiết quang và độ cong trái đất
nên không xây dựng lưới cạnh dài. Để xây dựng lưới cạnh dài hoặc nối các lưới
ở xa nhau có độ chính xác cao, từ những năm 60 của thế kỷ XX ra đời phương
pháp mới gọi là trắc địa vệ tinh. Đầu tiên người ta chụp ảnh vệ tinh nhân tạo trên

nền sao, xác định hướng từ điểm ngắm đến vệ tinh, khoảng cách từ điểm ngắm
đến vệ tinh được đo bằng máy đo khoảng cách Lazer đến vệ tinh. Sai số vị trí
điểm mặt đất cần định vị từ chỗ 100m sau đã chỉ còn 10m. Thập kỷ 70 với kỹ
thuật Doppler vệ tinh độ chính xác định vị đạt cỡ vài dm thậm chí vài mm. Các
điểm vệ tinh không cần thông hướng, khoảng cách giữa các điểm từ vài km đến
hàng nghìn km. Bất cứ lúc nào, bất cứ ở đâu nếu thu tín hiệu tốt đều có thể định
vị điểm mặt đất. Năm 1973 hệ thống GPS được thiết kế và nhanh chĩng đạt được
những hiệu quả đáng kể. Ở Việt Nam, các ứng dụng của công nghệ GPS mới chỉ
bắt đầu từ những năm 1990, song chúng ta đã khai thác có hiệu quả trong công
tác xây dựng và hoàn thiện mạng lưới thiên văn quốc gia. Xây dựng mạng lưới
trắc địa biển, liên kết đất liền với các hải đảo, góp phần xây dựng cơ sở dữ liệu
hình thành hệ quy chiếu VN 2000. Công nghệ GPS còn được áp dụng để thành
lập lưới địa chính cơ sở phục vụ công tác đo vẽ bản đồ địa chính trong cả nước.
2.1.3. Nguyên tắc thành lập lưới và thiết kế lưới GPS
- Lưới được phát triển từ cấp cao hơn.
- Lưới đo bằng GPS được bố trí dưới dạng tam giác dày dặc, lưới đường
chuyền tạo thành các đa giác khép kín hoặc chuỗi tam giác. Đảm bảo mạng lưới
cơ bản trên phải nối ít nhất 2 điểm tọa độ nhà nước.
- Khi xử lý số liệu cần chuyển đổi kết quả về mặt qui chiếu và hệ tọa độ
nhà nước hiện hành.


- Đảm bảo mật độ điểm cần thiết để làm cơ sở phát triển xuống lưới
thấp hơn.
- Thời gian đo GPS trên một điểm không ít hơn 30 phút.
- Các điểm đo GPS đồng thời phải tiến hành tính các cạnh độc lập theo
phương pháp xử lý hậu kỳ.
- Cách chọn vị trí điểm cơ sở trong khu đo.
Điểm GPS phải chọn ở vị trí thỏa mãn các quy định sau đây:
- Đảm bảo góc nhìn xung quanh điểm không bị che khuất. Trường hợp có

hướng bị che khuất khi lập lịch đo phải chọn đủ số vệ tinh tối thiểu cho trạm đo.
- Các điểm phải thông hướng từng đôi một, tránh các nhà cao tầng, các
địa vật cao xung quanh, không bị ảnh hưởng của các đài phát sóng điện.
- Khoảng cách giữa các điểm không vượt quá 10km.
- Vị trí chọn điểm tốt nhất ở những nới có thể lưu trữ lâu dài khi chôn
mốc, sau đó chọn điểm phải vẽ ghi chú điểm.
- Lưới GPS phải đo nối với ít nhất 2 điểm tọa độ nhà nước hạng cao hơn.
Các điểm hạng cao cần chọn đều ra các phía của lưới GPS thiết kế.
- Khi xử lý số liệu cần tính chuyển kết quả về hệ quy chiếu và hệ tọa độ
VN 2000.
-Bằng kỹ thuật đo tương đối tĩnh, người ta có thể xây dựng các mạng
lưới có cạnh dài đến hàng trăm km. Trong quy định đo GPS đã đưa ra một số
tiêu chuẩn kỹ thuật lưới GPS như sau :
Bảng 2.2. Tiêu chuẩn kỹ thuật lưới GPS
Sai số trung phương tương đối cạnh yếu nhất
Cấp hạng

Chiều dài
cạnh trung
bình (km)

a(mm)

b(mm)

Sai sốTP tương
đối cạnh yếu
nhất

Địa chính cơ

sở hạng II

9

10

2

1:120.000

Địa chính cơ
sở hạng III

5

10

5

1:80.000

Địa chính cơ
sở hạng IV

2

10

10

1:45.000


Cấp 1

10

1

10

1:20.000

- Trong quy trình trên còn quy định một số yêu cầu trong đo lưới GPS
như sau
Bảng 2.3. Quy định đo GPS
Quy định đo GPS

Góc ngưỡng
(độ)

Đo tĩnh
nhanh

Số lượng VT
hiệu ứng

Tĩnh

Số lần trung

bình đặt máy
lại tại điểm
đo

Tĩnh

Thời gian đo

Tĩnh

ĐCCS
hạng II

ĐCC
S
hạng
III

ĐCC
S
hạng
IV

Cấp
1

Cấp
2

15

15

15

15

15

4

4

4

4

4

-

5

5

5

5

2

2

1.6

1.6

1.6

2

1.6

1.6

1.6

60

45

45

45

20

15

15

15

10
÷60

10
÷60

10
÷60

10
÷60

Tĩnh nhanh

Tĩnh nhanh

90

( phút )
Tĩnh nhanh
Tần số ghi tín
hiệu (S)

Tĩnh

10 ÷60

Tĩnh nhanh

2.2. TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ HỆ THỐNG VỆ TINH DẪN
ĐƯỜNG TOÀN CẦU(GNSS).
2.2.1. Giới thiệu về công nghệ GNSS.


Hệ thống dẫn đường dẫn đường vệ tinh toàn cầu ( GNSS) là hệ thống định
vị quốc tế mới. GNSS được cấu thành như một chòm sao (một nhóm hay một hệ
thống) của quỹ đạo vệ tinh kết hợp với thiết bị ở mặt đất.Trong cùng một thời
điểm, ở một vị trí trên mặt đất nếu xác định được khoảng cách đến ba vệ tinh (tối
thiểu) thì sẽ tính được tọa độ của vị trí đó.GNSS hoạt động trong mọi điều kiện
thời tiết, mọi nơi trên trái đất và 24 giờ một ngày.
Hiện nay, GNSS là tên gọi chung cho các hệ thống định vị dẫn dường sử
dụng vệ tinh, gồm: GPS (Global Positioning System) do Mỹ chế tạo và hoạt
động từ năm 1994, GLONASS (GLobal Orbiting Navigation Satellite System)
do Nga chế tạo và hoạt động từ năm 1995, và hệ thống GALILEO mang tên nhà
thiên văn học GALILEO do Liên minh châu Âu (EU) chế tạo đưa vào sử dụng
trong năm 2010. Gần đây nhất có Compass ( Trung Quốc), hệ thống IRNSS của
Ấn Độ. Nguyên lý hoạt động chung của ba hệ thống GPS, GLONASS và
GALILEO cơ bản là giống nhau.
- GPS
Tên gọi GPS (Global Positioning System) dùng để chỉ hệ thống định vị
toàn cầu do Bộ quốc phòng Mỹ thiết kế và điều hành. Bộ Quốc phòng Mỹ
thường gọi GPS là NAVSTAR GPS (Navigation Signal Timing and Ranging
Global Positioning System).Mọi người đều có thể sử dụng GPS miễn phí. Vệ
tinh đầu tiên của GPS được phóng vào tháng 2 năm 1978, vệ tinh gần đây nhất
là vệ tinh GPS IIR-M1 được phóng vào tháng 12 năm 2005 (Wikipedia,
2006). GPS bao gồm 24 vệ tinh (tính đến năm 1994), đã được bổ sung thành 28
vệ tinh (vào năm 2000), chuyển động trong 6 mặt phẳng quỹ đạo (nghiêng 55 độ

so với mặt phẳng xích đạo) xung quanh trái đất với bán kính 26.560 km
(Yasuda, 2001). Hay nói cách khác độ cao trung bình của vệ tinh GPS so với
mặt đất vào khoảng 20.200 km (Wikipedia, 2006).
- GLONASS
Hệ thống GLONASS (Global Orbiting Navigation Satellite System) Hệ
thống vệ tinh dẫn đường quỹ đạo toàn cầu, tiếng Nga ГЛОНАСС: do Liên bang


Sô viết (cũ) thiết kế và điều hành. Ngày nay hệ thống GLONASS vẫn được
Cộng hoà Nga tiếp tục duy trì hoạt động. Hệ thống GLONASS bao gồm 30 vệ
tinh chuyển động trong ba mặt phẳng quỹ đạo (nghiêng 64.8° so với mặt phẳng
xích đạo) xung quanh trái đất với bán kính 25.510 km (Yasuda, 2001).
- GALILEO
Cả hai hệ thống GPS và GLONASS được sử dụng chính cho mục đích
quân sự. Đối với những người sử dụng dân sự có thể có sai số lớn nếu như cơ
quan điều hành GPS và GLONASS kích hoạt bộ phận gây sai số chủ định, ví dụ
như SA của GPS. Do vậy Liên hợp Âu Châu (EU) đã lên kế hoạch thiết kế và
điều hành một hệ thống định vị vệ tinh mới mang tên GALILEO, mang tên nhà
thiên văn học GALILEO, với mục đích sử dụng dân sự. Việc nghiên cứu dự án
hệ thống GALILEO được bắt đầu triển khai thực hiện từ năm 1999 do 4 quốc gia
Châu Âu: Pháp, Đức, Italia và Anh Quốc. Giai đoạn đầu triển khai chương trình
GALILEO bắt đầu năm 2003 và theo dự kiến sẽ hoàn thành và đưa vào sử dụng
trong năm 2010 (chậm hơn so với thời gian dự định ban đầu 2 năm) (Wikipedia,
2006). GALILEO được thiết kế gồm 30 vệ tinh chuyển động trong 3 mặt.
Ba hệ thống này đều được ứng dụng rộng rãi với những tính năng ưu việt
riêng của mình. Cho đến nay, hệ thống GPS là hệ thống được đánh giá cao và là
một hệ thống hoàn thiên, phổ biến nhất hiện nay, nên trong khóa luận này, tôi chỉ
tập chung nghiên cứu về hệ thống định vị toàn cầu GPS.
2.3. GIỚI THIỆU VỀ CÔNG NGHỆ GPS
2.3.1. Cấu trúc và nguyên lý hoạt động của hệ thống GPS

- Hệ thống định vị toàn cầu GPS gồm 3 bộ phận là:
- Đoạn không gian (Space Segment)
- Đoạn điều khiển (Control Segment)
- Đoạn sử dụng (User Segment)
2.3.1.1. Đoạn không gian (Space Segment)
Đoạn không gian gồm 28 vệ tinh chuyển động trên 6 mặt phẳng quỹ đạo
(mỗi mặt phẳng có 4 vệ tinh), nghiêng với mặt phẳng xích đạo Trái đất một góc
khoảng 550. Vệ tinh có độ cao cỡ 20200km so với bề mặt Trái đất chuyển động
trên quỹ đạo gần tròn với chu kỳ 718 phút. Do sự phân bố vệ tinh như vậy mà


bất kỳ thời điểm nào, ở bất cứ vị trí nào trên Trái đất cũng có thể quan trắc được
ít nhất 4 vệ tinh.

Hình 2.5. Chuyển động của vệ tinh trên quỹ đạo
Chương trình đưa các vệ tinh lên quỹ đạo được chia làm các khối (Block).
Các vệ tinh của khối sau có trọng lượng và tuổi thọ lớn hơn. Năng lượng cung
cấp cho hoạt động của các thiết bị vệ trên vệ tinh là năng lượng pin mặt trời.
Mỗi vệ tinh đều được trang bị đồng hồ nguyên tử độ chính xác rất cao (cỡ 10 -12).
Tất cả các vệ tinh GPS đều có thiết bị tạo dao động với tần số chuẩn cơ sở là f 0=
10,23 MHz. Dựa trên f0 thiết bị sẽ tạo ra hai tần số sóng tải L1 và L2:
L1= 154.f0= 1575,42 MHz (Bước sóng ở1=19.032cm)
L2= 120.f0= 1227,60 MHz (Bước sóng ở2= 24.420cm)
Các sóng tải L1, L2 thuộc dải sóng cực ngắn, với tần số lớn như vậy thì
các tín hiệu sẽ ít bị ảnh hưởng của tầng điện ly và tầng đối lưu.
Để phục vụ cho các mục đích khác nhau, tín hiệu phát đi được điều biến
bởi 3 loại code:
+ C/A - code (Coarse/Acquisition code) là code thô được sử dụng rộng
rãi. C/A code có tính chất code tựa ngẫu nhiên. Tín hiệu mang code này có tần
số thấp (1,023 MHz). C/A code chỉ điều biến sóng tải L1. Chu kỳ của C/A code

là 1 miligiây, trong đó chứa 1023 bite, mỗi một vệ tinh phát đi một C/A code
khác nhau.
+ P - code (Precision code) là code chính xác được sử dụng cho các mục
đích quân sự của Mỹ và chỉ dùng cho mục đích khác khi được phía Mỹ cho phép.


P - code điều biến cả hai sóng tải L1 và L2, có độ dài cỡ 10 14 bite và là code tựa
ngẫu nhiên. Tín hiệu của P – code có tần số đúng bằng tần số chuẩn f 0 (10,23
MHz), tương ứng với bước sóng 29,3m. Mỗi vệ tinh chỉ được gán một đoạn code
này, do vậy rất khó bị giải mã để sử dụng nếu không được phép.
+ Y - code là code bí mật được phủ lên P – code nhằm chống bắt chước,
gọi là kỹ thuật AS (Anti Spoosing). Chỉ có các vệ tinh thuộc các khối từ sau năm
1989 (khối 2) mới có khả năng này.
Ngoài các tần số trên, các vệ tinh GPS còn có thể trao đổi với các trạm
điều khiển mặt đất qua các tần số 1783,74 MHz và 2227,5 MHz để truyền thông
tin đạo hàng và lệnh điều khiển tới vệ tinh.
Tất cả các code được khởi tạo lại sau mỗi tuần lễ GPS vào đúng nửa đêm
thứ 7 chủ nhật, như vậy tuần lễ GPS là đơn vị thời gian lớn nhất sử dụng trong
công nghệ GPS.
2.3.1.2. Đoạn điều khiển (Control Segment)

Hình 2.6. Sơ đồ bố trí các trạm điều khiển
Đoạn điều khiển được thiết lập để duy trì hoạt động của toàn bộ hệ thống
định vị GPS. Đoạn này gồm 1 trạm điều khiển trung tâm (MCS) được đặt tại căn
cứ không quân Mỹ gần Colorado spings và 4 trạm theo dõi đặt trên mặt đất là:
Hawaii (Thái Bình Dương), Assension island (Đại Tây Dương), Diego garcia
(Ấn Độ Dương), Kwajalein (Thái Bình Dương).


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 chính xác các thông tin đạo hàng, đảm bảo độ
chính xác cho công tác định vị bằng hệ thống GPS.
2.3.1.3. Đoạn sử dụng (User Segment)
Phần sử dụng bao gồm các máy thu tín hiệu từ vệ tinh trên đất liền, máy
bay và tàu thủy. Các máy thu này phân làm 2 loại: máy thu 1 tần số và máy thu 2
tần số. Máy thu 1 tần số chỉ nhận được các mã phát đi với sóng mang L1. Các
máy thu 2 tần số nhận được cả 2 sóng mang L1 và L2. Các máy thu 1 tần số phát
huy tác dụng trong đo tọa độ tuyệt đối với độ chính xác 10 m và tọa độ tương
đối với độ chính xác từ 1 đến 5 cm trong khoảng cách nhỏ hơn 50 km. Với
khoảng cách lớn hơn 50 km độ chính xác sẽ giảm đi đáng kể (độ chính xác cỡ
dm). Để đo được trên những khoảng cách dài đến vài nghìn km chúng ta phải sử
dụng máy 2 tần số để khử ảnh hưởng của tầng ion trong khí quyển Trái Đất.
Toàn bộ phần cứng GPS hoạt động trong hệ thống tọa độ WGS-84 với kích
thước elipsoid
a = 6378137.0 m = 1:29825722.α
Phần sử dụng GPS có 3 bộ phận chính:
• Phần cứng
• Phần mềm
• Phần triển khai công nghệ
Phần cứng bao gồm máy thu mạch điện tử , các bộ dao động tần số vô
tuyến RF (Radio Friquency), các ăngten và các thiết bị ngoại vi cần thiết
để hoạt động máy thu. Đặc điểm chính yếu của bộ phận này là tính chắc chắn,
có thể xách tay, tin cậy khi làm việc ngoài trời và dễ thao tác.
Phần mềm bao gồm những chương trình tính dùng để xử lý dữ liệu cụ thể,
chuyển đổi những thông báo GPS thành những thông tin định vị hoặc dẫn đường
đi hữu ích. Những chương trình này cho phép người sử dụng tác động khi cần để
có thể lợi dụng được những ưu điểm của nhiều đặc tính định vị GPS. Những
chương trình này có thể sử dụng được trong điều kiện ngoại nghiệp và được
thiết kế sao cho có thể cung cấp những thông báo hữu ích về trạng thái và sự tiến
bộ của hệ thống tới người điều hành. Ngoài ra trong phần mềm còn bao gồm

những chương trình phát triển tính 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 hướng tới mọi lĩnh vực liên quan đến GPS như:
cải tiến thiết kế máy thu, phân tích và mô hình hoá hiệu ứng của ăngten khác
nhau, hiệu ứng truyền sóng và sự phối hợp của chúng trong phần mềm xử lý số
liệu, phát triển các hệ thống liên kết truyền thông một cách tin cậy cho các hoạt
động định vị GPS cự ly dài và ngắn khác nhau và theo dõi các xu thế phát triển
trong lĩnh vực giá cả và hiệu suất thiết bị.
Máy thu GPS là phần cứng quan trọng trong đoạn sử dụng. Nhờ các tiến
bộ kỹ thuật trong lĩnh vực điện tử viễn thông và ký thuật thông tin tín hiệu số,
các máy thu GPS ngày một hoàn thiện. Một số hãng chế tạo cũng cho ra đời các
máy thu có thể thu đồng thời tín hiệu vệ tinh GPS và GLONASS.
Cùng với máy thu còn có các phần mềm phục vụ xử lý thông tin như
Trimble, Trimnet Plus, GPSurvey,… Các phần mềm này ngày càng hoàn thiện,
nâng cao độ chính xác và hiệu quả tính toán, xử lý.

Hình 2.7. Trimble R3

Hình 2.8. Trimble R4

2.3.2. Các đại lượng đo GPS
2.3.2.1. Trị đo khoảng cách giả
Trị đo khoảng cách giả là khoảng cách giả đo được từ vệ tinh đến tâm
anten của máy thu, trong đó chứa sai số đồng hồ của máy thu (đồng hồ thạch
anh) và đồng hồ vệ tinh (đồng hồ nguyên tử) cũng như sự chậm thời gian do ảnh
hưởng của môi trường lan truyền tín hiệu. Mỗi vệ tinh GPS luôn phát đi cùng
với sóng tải một code tựa ngẫu nhiên riêng (PRN-Code) và khoảng cách giả sẽ

được xác định dựa trên khoảng thời gian từ khi phát đến khi thu tín hiệu PRN-


Code. Để làm được điều đó máy thu GPS sẽ tạo ra code tựa ngẫu nhiên giống
như code phát đi từ vệ tinh. So sánh code nhận được theo thang thời gian đồng
hồ vệ tinh và code máy thu tạo ra theo thang đồng hồ máy thu, ta xác định được
khoảng thời gian lan truyền tín hiệu từ vệ tinh tới máy thu. Sự mô tả nguyên tắc
xác định khoảng cách giả được biểu diễn như trên hình vẽ:
1 1 0 0 0 1 1 1 1 0 1 0\ 0 0 1 1
=\
11 0 00 1 11 1 0 1 000 1 1

Code truyền từ vệ tinh

0\
=\
0
1 1 0 0 0 1 1 1 1 0 1 0 0 0 1 1
1 1 0 0 0 1 1 1 1 0 1 0 0 0 1 1

Code truyền từ vệ tinh

Code thu được
Code thu được

11 0 0 01 1 1 1 0 1 0 0 0 1 1

Code do máy tạo ra

11 0 0 01 1 1 1 0 1 0 0 0 1 1

Code do máy tạo ra
∆t

t

∆t

t

Hình 2.9. Nguyên tắc xác định khoảng cách
Khoảng cách giả nhận được:
R   c.

(1.1)

Trong đó:
δ là sai số đồng hồ
R là khoảng cách hình học
c là vận tốc truyền sóng
2.3.2.2. Trị đo khoảng cách giả
Trong kỹ thuật vô tuyến điện, người ta đã xác định được độ chính xác do
khoảng cách cỡ 1% bước sóng. Trong bảng 4.1 sẽ cho ta thấy sự so sánh độ
chính xác đo khoảng cách giả R với việc sử dụng các sóng tải L1, L2 và các tín
hiệu C/A-code, P-code.
Bảng 2.4. So sánh độ chính xác của các giải sóng
Tín hiệu

Bước sóng

mg


L1

0,20m

2,0mm

L2

0,25m

2,5mm

C/A-code

300m

3,0mm

P-code

30,0m

0,3mm

Theo đây để đo đạc GPS với độ chính xác cao, cần tiến hành đo
hiệu giữa pha sóng tải do máy thu nhận được từ vệ tinh và pha của tín hiệu
do chính máy tạo ra. Ký hiệu ệ (0<ệ<2ð) là hiệu số pha do máy thu được, ta

có thể viết:
1
c
      N



(1.2)

Trong đó:
ẹ: là khoảng cách hình học giữa vệ tinh và máy thu
: là bước sóng của sóng tải ( = c/f)
N: là số nguyên lần bước sóng ở
∆ọ: là sai số không đồng bộ giữa đồng hồ của vệ tinh và của máy thu
Khoảng cách cần đo và số nguyên đa trị thường không được biết trước mà
cần phải xác định trong quá trình đo. Trong trường hợp đo pha của sóng tải L1,
có thể xác định khoảng cách giữa vệ tinh và máy thu với độ chính xác cỡ
centimet. Sóng tải L2 cho độ chính xác thấp hơn ít nhiều, nhưng tác dụng chủ
yếu của nó là cùng với sóng tải L1 tạo ra khả năng làm giảm ảnh hưởng đáng kể
của tầng điện ly, ngoài ra nó cũng làm cho việc xác định số nguyên đa trị được
đơn giản hơn.
2.3.3. Các phương pháp đo GPS
2.3.3.1. Đo GPS tuyệt đối
- Nguyên lý đo GPS tuyệt đối
Đo GPS tuyệt đối là trường hợp sử dụng máy thu GPS để xác định ngay
ra toạ độ của điểm quan sát trong hệ thống WGS-84. Đó có thể là các thành
phần toạ độ vuông góc không gian (X, Y, Z) hoặc các thành phần toạ độ
mặt cầu (B, L, H).

Z
Z
M
M
G

z

G

o
z
x
o

y
y

Y
Y

x
X
X

Hình 2.10. Sơ đồ tọa độ không gian

Hình 2.11. Nguyên lý định vị tuyệt đối
Việc đo GPS tuyệt đối được thực hiện trên cơ sở sử dụng đại lượng đó là
khoảng cách giả từ vệ tinh đến máy thu theo nguyên tắc giao hội không gian từ

các điểm có toạ độ đã biết là các vệ tinh.
Nếu biết chính xác khoảng thời gian lan truyền tín hiệu code tựa ngẫu
nhiên từ vệ tinh đến máy thu, ta sẽ tính được khoảng cách chính xác giữa vệ tinh
mà máy thu. Khi đó 3 khoảng cách được xác định đồng thời từ 3 vệ tinh đến
máy thu sẽ cho ta vị trí không gian đơn trị của máy thu. Song trên thực tế cả
đồng hồ vệ tinh và đồng hồ máy thu đều có sai số, nên các khoảng cách đo được
không phải là khoảng cách chính xác. Kết quả là chúng không thể cắt nhau tại


một điểm, nghĩa là không thể xác định được vị trí của máy thu. Để khắc phục
tình trạng này cần sử dụng thêm một đại lượng đo nữa đó là khoảng cách từ một
vệ tinh thứ tư. Để thấy rõ điều này ta viết thêm một hệ gồm 4 phương trình
dạng:
 ( X S1 

 ( X S 2 

 (X S3 

 ( X S 4 

X ) 2  (YS1  Y ) 2  ( Z s1  Z ) 2 ( R  C.t ) 2
X ) 2  (YS 2  Y ) 2  ( Z s 2  Z ) 2 ( R  C.t ) 2
X ) 2  (YS 3  Y ) 2  ( Z s3  Z ) 2 ( R  C.t ) 2
X ) 2  (YS 4  Y ) 2  ( Z s 4  Z ) 2 ( R  C.t ) 2

(1.3)

Tại một trạm máy, công tác quan trắc được tiến hành đồng thời nên thành
phần ∆t chỉ còn là ảnh hưởng của sai số đồng hồ máy thu. Do đó, bằng cách đo

khoảng cách giả đồng thời tới 4 vệ tinh, ta sẽ xác định được 4 ẩn số (X, Y, Z) là
các thành phần toạ độ của máy thi (điểm xét) theo toạ độ WGS-84 và sai số
đồng hồ máy thu ∆t.
Vậy là, bằng cách đo khoảng cách giả đồng thời từ 4 vệ tinh đến máy thu
ta có thể xác định được toạ độ tuyệt đối của máy thu, ngoài ra còn xác định thêm
được số hiệu chỉnh do đồng hồ (thạch anh) của máy thu nữa.
Quan sát đồng thời 4 vệ tinh là yêu cầu tối thiểu cần thiết để xác định toạ
độ không gian tuyệt đối của điểm quan sát. Tuy nhiên, nếu máy thu được trang
bị đồng hồ chính xác cao thì khi đó chỉ còn 3 ẩn số là 3 thành phần toạ độ điểm
quan sát. Để xác định chúng ta chỉ cần quan sát đồng thời 3 vệ tinh.
- Đo vi phân
Phần lớn khách hàng sử dụng máy thu GPS thường có nhu cầu định vị với
độ chính xác từ cỡ đêximet đến vài chục mét. Nhưng với chế độ can thiệp SA
(Selective Availabitily) thì hệ thống GPS chỉ cho độ chính xác định vị hạn chế
cỡ 100m. Để tháo gỡ sự hạn chế này, giới kỹ thuật và các nhà sản xuất máy thu
GPS đã đưa ra một phương pháp đo được gọi là 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 toạ độ đã biết (gọi là máy cố định), đồng thời
có máy khác (gọi là máy di động) đặt ở vị trí cần xác định toạ độ, đó có thể là
điểm cố định hoặc điểm di động. Cả máy cố định và 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