NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG MÁY ĐỊNH VỊ GPS Leica SR20 TRONG ĐO ĐẠC XÂY DỰNG LƯỚI ĐỊA CHÍNH KHU ĐO XÃ THÀNH LỢI HUYỆN BÌNH TÂN, TỈNH VĨNH LONG

BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM TP. HỒ CHÍ MINH
KHOA QUẢN LÝ ĐẤT ĐAI & BẤT ĐỘNG SẢN

BÁO CÁO TỐT NGHIỆP
ĐỀ TÀI:

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG MÁY ĐỊNH VỊ
GPS Leica SR20 TRONG ĐO ĐẠC XÂY DỰNG LƯỚI
ĐỊA CHÍNH KHU ĐO XÃ THÀNH LỢI HUYỆN
BÌNH TÂN, TỈNH VĨNH LONG

SVTH
: PHẠM DUY
MSSV
: 05151044
LỚP
: DH05DC
NGÀNH
: CÔNG NGHỆ ĐỊA CHÍNH
NIÊN KHÓA : 2005 – 2009

- TP. Hồ Chí Minh, tháng 7 năm 2009 –


Ngành: Công nghệ Địa chính

SVTH: Phạm Duy

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM TP. HỒ CHÍ MINH
KHOA QUẢN LÝ ĐẤT ĐAI & BẤT ĐỘNG SẢN

BỘ MÔN CÔNG NGHỆ ĐỊA CHÍNH

PHẠM DUY

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG MÁY ĐỊNH VỊ
GPS Leica SR20 TRONG ĐO ĐẠC XÂY DỰNG LƯỚI
ĐỊA CHÍNH KHU ĐO XÃ THÀNH LỢI, HUYỆN
BÌNH TÂN, TỈNH VĨNH LONG

Giáo viên hướng dẫn: Thầy Đặng Quang Thịnh
(Trường Đại Học Nông Lâm TP. Hồ Chí Minh)

Ký tên:…………............

- TP. Hồ Chí Minh, tháng 7 năm 2009 Trang 2


Ngành: Công nghệ Địa chính

SVTH: Phạm Duy

-

LỜI CẢM ƠN

#"
Lời đầu tiên con xin chân thành gửi lời biết ơn đến cha mẹ
người đã sinh thành, nuôi nấng, tạo mọi điều kiện về vật chất cũng như
tinh thần cho con đến ngày hôm nay.
Bên cạnh đó, tôi cũng xin gửi lời cảm ơn đến quí Thầy, Cô

trong Bộ môn Công nghệ địa chính, thuộc Khoa Quản Lý Đất Đai và
Bất Động Sản, trường Đại học Nông Lâm Tp. Hồ Chí Minh, đặc biệt là
Thầy Đặng Quang Thịnh, cùng tập thể các bạn trong lớp DH05DC
đã giúp tôi trang bị đầy đủ về kiến thức chuyên ngành trong suốt thời
gian theo học tại trường. Đây chính là hành trang cho một người kỹ sư
tương lai như tôi chuẩn bị bước vào đời.
Kế đến tôi cũng gởi lời cảm ơn đến tất cả mọi người trong công
ty Cổ Phần Tư Vấn Và Vật Tư Thiết Bị Đo Đạc Nam Sông Tiền, nơi tôi
đã thực tập, nhất là chú Lê Văn Minh – Tổng giám đốc công ty, chú
luôn quan tâm, chỉ bảo và tạo mọi điều kiện học tập, nghiên cứu để tôi
hoàn thành báo cáo tốt nghiệp này. Mặc dù thời gian thực tập không
nhiều nhưng được sự giúp đỡ tận tình của các anh chị trong công ty mà
tôi học hỏi được rất nhiều kinh nghiệm quí báu. Vì trình độ còn hạn
chế không tránh khỏi những thiếu sót, rất mong sự thông cảm và đóng
góp ý kiến của thầy cô, chú và các anh chị. Một lần nữa tôi xin chân
thành cảm ơn và gởi lời chúc sức khỏe đến toàn thể thầy cô, chú Minh,
các anh chị trong công ty và các bạn.
Tp. Hồ Chí Minh, tháng 07 năm 2009
Sinh viên Phạm Duy

Trang 3


Ngành: Công nghệ Địa chính

SVTH: Phạm Duy

TÓM TẮT
Sinh viên thực hiện: Phạm Duy, Khoa Quản lý Đất đai & Bất động sản,
Trường Đại Học Nông Lâm TP. Hồ Chí Minh.

Đề tài: Nghiên cứu ứng dụng máy định vị GPS Leica SR20 trong đo đạc

xây dựng lưới địa chính khu đo xã Thành Lợi, huyện Bình Tân, tỉnh Vĩnh
Long.
Giáo viên hướng dẫn: Thầy Đặng Quang Thịnh, Trưởng bộ môn công nghệ
địa chính, Khoa Quản lý Đất đai & Bất động sản, Trường Đại Học Nông Lâm TP.Hồ
Chí Minh.
Các thiết bị máy móc đo đạc, cũng như những thiết bị máy định vị yêu cầu độ
chính xác cao. Cần phải có những kiến thức và hiểu biết về nguyên lý, kỹ thuật định vị
để nắm được quy trình kiểm nghiệm, hiệu chuẩn máy định vị. Vì vậy luận văn của em
giải quyết những nội dung chủ yếu sau:
1. Nghiên cứu các nguyên lý và kỹ thuật định vị của Hệ thống định vị toàn cầu
GPS. Đặc biệt là áp dụng phương pháp đo tĩnh và nguyên lý định vị tương đối trong
công tác xây dựng lưới địa chính.
2. Nghiên cứu và khảo sát tính năng của máy định vị GPS Leica SR20.
3. Tìm hiểu qui trình kiểm định – hiệu chuẩn máy định vị GPS.
4. Qui trình thực hiện công tác đo đạc xây dựng lưới địa chính trên cơ sở ứng dụng
công nghệ định vị GPS tĩnh:
¾ Khảo sát thực địa, thiết kế lưới, chọn mốc.
¾ Định vị các điểm GPS trên thực địa (công tác ngoại nghiệp).
¾ Xử lý số liệu đo bằng chương trình phần mềm GPSurvey (công tác nội
nghiệp).
¾ Biên tập thành quả.
5. Nghiên cứu ứng dụng Hệ thống định vị toàn cầu GPS trên cơ sở sử dụng máy
định vị GPS SR20 trong đo đạc xây dựng lưới địa chính khu vực xã Thành Lợi, huyện
Bình Tân, tỉnh Vĩnh Long. Nhằm mục đích phục vụ công tác xây dựng lưới cấp thấp
và đo đạc bản đồ địa chính, bản đồ địa hình,..
Tất cả các nội dung trên đ ược thực hiện đầy đủ trong phần báo cáo thuyết minh tốt
nghiệp.

Trang 4


Ngành: Công nghệ Địa chính

SVTH: Phạm Duy

MỤC LỤC
Trang
ĐẶT VẤN ĐỀ................................................................................................................ 1
Tính cấp thiết của đề tài .............................................................................................1
Mục tiêu và yêu cầu của đề tài nghiên cứu................................................................1
Đối tượng nghiên cứu ................................................................................................2
Phạm vi nghiên cứu ...................................................................................................2
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài nghiên cứu ................................................2
PHẦN I TỔNG QUAN.................................................................................................3
I.1 Cơ sở lý luận của vấn đề nghiên cứu......................................................................3
I.1.1. Cơ sở khoa học .................................................................................................3
1. Giới thiệu công nghệ GPS ...................................................................................3
2. Hệ qui chiếu .......................................................................................................19
3. Lưới khống chế trắc địa .....................................................................................20
I.1.2. Cơ sở pháp lý..................................................................................................21
I.1.3. Cơ sở thực tiễn................................................................................................21
I.2 Khái quát Trung tâm kiểm định máy thiết bị đo đạc Nam Sông Tiền .............21
I.3 Nội dung nghiên cứu, phương pháp và qui trình thực hiện ..............................22
I.3.1. Nội dung nghiên cứu ......................................................................................22
I.3.2. Phương pháp nghiên cứu ................................................................................22
I.3.3. Phương tiện nghiên cứu..................................................................................23
I.3.4. Quy trình thực hiện.........................................................................................24
PHẦN II KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU........................................................................25

II.1. Đặc tính kỹ thuật máy định vị GPS Leica SR-20 .............................................25
II.1.1. Thông số kỹ thuật máy định vị GPS Leica SR-20 ...........................................25
1. Cách Cài đặt thiết bị..............................................................................................27
2. Cài đặt cấu hình đo................................................................................................28
II.1.2. Tính năng ứng dụng của máy định vị GPS Leica SR-20.................................31
1. Đo khảo sát............................................................................................................31
2. Bố trí điểm.............................................................................................................34
3. Một số ứng dụng khác...........................................................................................34
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
II.2. Qui trình hiệu chuẩn, kiểm định máy định vị toàn cầu GPS ..........................41
II.2.1. Một khái niệm .................................................................................................. 41
II.2.2. Qui trình kiểm định hiệu chuẩn máy định vị GPS........................................... 42
II.2.3. Đo đạc khảo sát máy trực tiếp trên bãi kiểm nghiệm ...................................... 44
II.3 Ứng dụng máy định vị toàn cầu GPS một tần số thiết kế xây dựng lưới
địa chính bằng phương pháp đo tĩnh......................................................................... 48
II.3.1. Giới thiệu khu đo .............................................................................................48
II.3.3. Các bước của quá trình thi công ......................................................................51
II.3.4. Kết quả thi công ...............................................................................................66
II.3.5. Đánh giá độ chính xác lưới địa chính ..............................................................68
Trang 5


Ngành: Công nghệ Địa chính

SVTH: Phạm Duy

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ....................................................................................69
Tài liệu tham khảo
Phụ lục

GPS

DANH SÁCH TỪ VIẾT TẮT
: Hệ thống định vị toàn cầu.

Glonass
: Global Navigation Satellite System.
NAVSTAR : Navigation Satellite Providing Timing and Ranging.
GPS RTK : GPS động thời gian thực.
PPK
: GPS động xử lý sau.
DOP
: Hệ số phân tán độ chính xác (Delution of Precision).
PDOP
: Chỉ số phân tán độ chính xác về vị trí (Positional DOP).
TDOP
: Chỉ số phân tán độ chính xác về thời gian (Teme DOP).
HDOP
: Chỉ số phân tán độ chính xác về mặt phẳng (Horizontal DOP).
VDOP
: Chỉ số phân tán độ chính xác về độ cao (Vertical DOP).
GDOP
: Chỉ số phân tán độ chính xác về hình học (Geometric DOP).
Mã C/A
: Coarse/Acquisite-code.
Mã P
: Precise – code.
Mã PRN
: Mã nhiễu tựa ngẫu.

MCS
: Trạm điều khiển trung tâm (Marter Control Station).
IGS
: Dịch vụ địa động học GPS Quốc tế (The International GPS
Servece for Geodynamicr).

DANH SÁCH CÁC SƠ ĐỒ
Trang
Sơ đồ 1: Quy trình thực hiện đề tài .......................................................................... 24
Sơ đồ 2: Quy trình kiệm máy định vị GPS............................................................... 42
Sơ đồ 3: Quy trình các bước lập lịch đo GPS........................................................... 55
Sơ đồ 4: Quy trình xử lý số liệu đo GPS bằng phần mềm GPSurvey 2.35.............. 60

DANH SÁCH CÁC BẢNG
Trang
Bảng I.1: So sánh một số thông số kỹ thuật của 3 hệ thống vệ tinh......................... 06
Bảng I.2: Thành phần tín hiệu GPS.......................................................................... 09
Bảng I.3: Thống kê lỗi đo GPS và cách khắc phục.................................................. 19
Bảng II.1: Thông số kỹ thuật của Leica SR20 ......................................................... 25
Bảng II.2: Bảng tọa độ và độ cao điểm địa chính cơ sở khởi tính ........................... 50
Bảng II.3: Bảng chỉ tiêu đo cạnh.............................................................................. 51
Bảng II.4: Bảng kết quả tính cạnh............................................................................ 51
Bảng II.5: Bảng tham số đánh giá độ tin cậy ........................................................... 63
Trang 6


Ngành: Công nghệ Địa chính

SVTH: Phạm Duy

Bảng II.6: Bảng đánh giá độ chính xác sau bình sai ............................................... 68
Bảng II.7: Bảng đánh giá độ chính xác đo cạnh ...................................................... 68

DANH SÁCH CÁC HÌNH
Trang
Hình I.1: Sơ đồ hoạt động của hệ thống định vị toàn cầu GPS.................................. 5
Hình I.2: Hệ thống quỹ đạo vệ tinh ............................................................................ 5
Hình I.3: Vệ tinh Galileo ............................................................................................ 6
Hình I.4: Vệ tinh Glonass........................................................................................... 6
Hình I.5: Các trạm điều khiển .................................................................................... 7
Hình I.6: Cấu trúc tín hiệu GPS.................................................................................. 8
Hình I.7: Trị đo giả khoảng cách................................................................................ 9
Hình I.8: Trị đo pha sóng tải .................................................................................... 11
Hình I.9: Sai phân bậc 1(single differences) ............................................................ 12
Hình I.10: Sai phân bậc 2(doube differences) .......................................................... 13
Hình I.11: Sai phân bậc 3(Triple-differences).......................................................... 13
Hình I.12: Sai số quỹ đạo vệ tinh ............................................................................. 16
Hình I.13: Sai số do ảnh hưởng môi trường............................................................. 16
Hình I.14: Sai số đa đường dẫn................................................................................ 17
Hình I.15: Sai số đồ hình vệ tinh.............................................................................. 18
Hình I.16: Trung tâm kiểm định máy thiết bị đo đạc ............................................... 22
Hình II.1: Máy định vị GPS Leica SR20.................................................................. 25
Hình II.2: Cài đặt đo tĩnh.......................................................................................... 27
Hình II.3: Cài đặt đo động........................................................................................ 27
Hình II.4: Cài đặt khảo sát........................................................................................ 27
Hình II.5: Đồ hình vệ tinh ........................................................................................ 44
Hình II.6: Biểu đồ PDOP.......................................................................................... 45
Hình II.7: Sơ đồ bãi kiểm nghiệm máy .................................................................... 45
Hình II.8: Sơ đồ lưới các điểm đo ............................................................................ 48
Hình II.9: Lập lịch ca đo........................................................................................... 55

Hình II.10: Đồ hình vệ tinh và biểu đồ PDOP ......................................................... 56
Hình II.11: Tìm cổng truyền dữ liệu ........................................................................ 58
Hình II.12: Thiết lập cổng truyền dữ liệu................................................................. 58
Hình II.13: Chuyển dữ liệu sang dạng RINEX ........................................................ 60
Hình II.14: Tạo Project cho khu đo .......................................................................... 61
Hình II.15: Xử lý cạnh.............................................................................................. 62
Hình II.16: Sơ đồ lưới sau khi xử lý cạnh ................................................................ 63
Hình II.17: Khai báo mô hình Geoid........................................................................ 64
Hình II.18: Định nghĩa lưới chiếu và hệ tọa độ....................................................... 65
Hình II.19: Thiết lập trọng số ........................................ 65

Trang 7


Ngành: Công nghệ Địa chính

SVTH: Phạm Duy

ĐẶT VẤN ĐỀ
∗ Tính cấp thiết của đề tài
Trong xu thế hiện nay, đất nước đang đẩy mạnh phát triển kinh tế, xã hội, văn
hóa và hội nhập quốc tế, cùng với sự phát triển đó khoa học công nghệ cũng có sự tiến
bộ nhanh chóng. Sự xâm nhập sâu rộng của khoa học trong lĩnh vực sản xuất, kinh tế,
đời sống xã hội; khoa học đang góp phần tác động to lớn vào quá trình phát triển của
nền kinh tế đất nước. Hiện nay việc áp dụng khoa học công nghệ vào quá trình đo đạc
thành lập bản đồ là cơ sở cho việc quản lý đất đai hiệu quả và thiết thực. Công nghệ đo
đạc và bản đồ đã có những thay đổi mang tính chất bước ngoặt: công nghệ truyền
thống dựa trên các phương pháp đo góc, đo cạnh, xử lý ảnh chụp mặt đất bằng mô
hình quang học đã được thay thế bằng công nghệ số dựa trên nền tảng của công nghệ
vệ tinh và công nghệ thông tin. Công nghệ đo đạc và bản đồ hiện đại trước hết tạo

được những công cụ mới với tầm hoạt động rộng hơn, đầy đủ hơn, chi tiết hơn, chính
xác hơn, kịp thời hơn. Sau đó, công nghệ mới đã tạo được khả năng giảm giá thành sản
phẩm, giảm đáng kể thời gian thi công, không phụ thuộc yếu tố ngoại cảnh, cũng như
ít phụ thuộc vào chủ quan của con người. Thực tế là sự ra đời của những công nghệ
mới như các loại máy toàn đạc điên tử, máy định vị toàn cầu GPS và các phần mềm
chuyên dụng sẽ giúp cho quá trình thu thập, xử lý, tính toán một cách nhanh chóng,
đầy đủ, chính xác, kịp thời, lưu trữ và xuất nhập dữ liệu một cách an toàn, khoa học và
hiệu quả.
Tuy nhiên công tác đo đạc thành lập bản đồ còn nhiều khó khăn, tốn kém thời
gian, kinh phí và trở nên là vấn đề cấp bách của ngành Tài nguyên Môi trường, để thực
hiện tốt trong công tác quản lý Nhà nước về đất đai. Trong đo đạc thu thập số liệu
thành lập bản đồ, các thiết bị đo đạc luôn có vị trí quan trọng, bởi những tính năng và
khả năng sử dụng các trang thiết bị ấy có ảnh hưởng rất lớn đến thời gian, kinh phí và
độ chính xác bản đồ. Trước đây, việc xây dựng lưới toạ độ địa chính chủ yếu sử dụng
máy quang cơ với độ chính xác không cao, hiệu quả kinh tế thấp. Ngày nay, công nghệ
định vị vệ tinh toàn cầu GPS đã nhanh chóng thay thế các thiết bị đo đạc lưới toạ độ,
mở rộng tầm hoạt động tới vài nghìn km và tạo thêm khả năng định vị cả những đối
tượng động với ưu thế nhanh, chính xác, hiệu quả kinh tế. Từ những vấn đề mà thực tế
đặt ra tôi quyết định thực hiện đề tài: “Nghiên cứu ứng dụng máy định vị GPS Leica
SR20 trong đo đạc xây dựng địa chính khu đo xã Thành Lợi, huyện Bình Tân, tỉnh
Vĩnh Long ”.
∗ Mục tiêu và yêu cầu của đề tài nghiên cứu
¾ Mục tiêu nghiên cứu
- Nghiên cứu nguyên lý hoạt động của hệ thống định vị toàn cầu GPS.
- Tìm hiểu tính năng và cấu tạo của máy định vị toàn cầu GPS SR20 để khai thác
khả năng ứng dụng của máy trong đo đạc xây dựng lưới địa chính.
- Tìm hiểu qui trình kiểm nghiệm máy định vị toàn cầu GPS.
- Tìm hiểu qui trình xây dựng lưới địa chính phục vụ công tác đo đạc thành lập
bản đồ địa chính, bản đồ địa hình,…
- Ứng dụng máy định vị toàn cầu GPS Leica SR20 trong đo đạc thực địa để đánh

giá độ chính xác của máy trong việc xây dựng lưới địa chính.
Trang 8


Ngành: Cơng nghệ Địa chính

SVTH: Phạm Duy

¾ u cầu của đề tài nghiên cứu
+ Nắm được ngun lý, kỹ thuật định vị GPS, hiểu rõ tính năng và sử dụng thành
thạo máy định vị GPS Leica SR20.
+ Kiểm nghiệm và hiệu chuẩn máy định vị theo qui trình và qui định.
+ Xây dựng lưới địa chính tn thủ quy trình, qui định của Bộ Tài Ngun và Mơi
Trường.
+ Lưới địa chính đảm bảo các u cầu cho việc phát triển lưới cấp thấp và đo đạc
thành lập bản đồ địa chính, bản đồ địa hình.
+ Khai thác và sử dụng trang thiết bị, phần mềm mang lại hiệu quả kinh tế cao.
∗ Đối tượng nghiên cứu
- Hệ thống định vị tồn cầu GPS
- Máy định vị GPS Leica SR20
- Quy trình kiểm nghiệm máy định vị GPS và đo kiểm nghiệm máy trên bãi
chuẩn.
- Quy trình xây dựng lưới địa chính và đo đạc thực tế tại xã Thành Lợi, huyện
Bình Tân, tỉnh Vĩnh Long.
∗ Phạm vi nghiên cứu
- Phạm vi không gian:
+ Đo GPS kiểm nghiệm máy định vị GPS Leica SR20 ngồi bãi chuẩn
sân vận động Qn Khu 7.
+ Đo đạc xây dựng lưới đ ường chuyền địa chính tại xã Thành Lợi,
huyện Bình Tân, tỉnh Vĩnh Long.

- Thời gian thực hiện đề tài: 3 tháng (từ tháng 03 đến tháng 05 năm 2009)
∗ Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài nghiên cứu
- Ý nghĩa khoa học: Góp phần khẳng định vai trò đo định vị GPS trong cơng tác
trắc địa chính xác, cụ thể là xây dựng lưới địa chính.
- Ý nghĩa thực tiễn: Đề tài giúp cho những người làm cơng tác đo đạc hiểu rõ hơn
về hệ thống định vị GPS, nắm rõ qui trình kiểm nghiệm, hiệu chuẩn máy định vị, qui
trình thành lập lưới địa chính và sử dụng thành thạo máy định vị GPS.

Trang 9


Ngành: Công nghệ Địa chính

SVTH: Phạm Duy

PHẦN I
TỔNG QUAN
I.1 Cơ sở lý luận của vấn đề nghiên cứu
I.1.1 Cơ sở khoa học
1. Giới thiệu công nghệ GPS:
a. Lịch sử ra đời của hệ thống GPS:
Tháng 10 năm 1957, Liên Xô phóng thành công vệ tinh nhân tạo đầu tiên - Vệ
tinh Sputnhic-1, lên quỹ đạo quanh trái đất đã đánh dấu thời kỳ phát triển của nền khoa
học vũ trụ thời kỳ sử dụng vệ tinh thay thế các vì sao.
Với mục đích dẫn đường trên biển phục vụ cho mục đích quân sự, vào khoảng
những năm 60 các nhà khoa học Mĩ và Liên Xô đã chạy đua nghiên cứu về vệ tinh
nhân tạo và đã đạt được những thành tựu to lớn trong việc sử dụng vệ tinh của mình để
xác định vị trí điểm trên bề mặt trái đất và trên đại dương phục vụ cho việc dẫn đường
cho tàu, thuyền và nhiều lĩnh vực khác.
Trong những năm đó, các nhà khoa học của Liên Xô đã phóng thành công hệ

thống định vị toàn cầu mang tên Glonass (Global - Navigation - Satellite - System).
Cùng với thời gian này, bộ quốc phòng Mỹ cũng đã xây dựng được một hệ thống đạo
hàng vô tuyến vệ tinh mang tên: NAVSTAR GPS (Navigation Satellite Providing
Timing and Ranging Global Positioning System) trên cơ sở các kết quả của chương
trình TRANSIT và đề án Timation, chương trình mang mã số 621B. Hệ thống này
gồm 6 vệ tinh, sử dụng trong thương mại năm 1967. Tiếp sau thành công của hệ thống
TRANSIT là sự ra đời của “Hệ thống định vị toàn cầu – NAVSTAR GPS”
( Navigation Satellite Timing and Ranging Global Positioning System) phục vụ song
song hai mục đích dân sự và quân sự.
Giai đoạn thử nghiệm vận hành hệ thống GPS bắt đầu với việc phóng vệ tinh
GPS mẫu “Block I”. Từ năm 1978 đến 1985 có 11 vệ tinh Block I đã được phóng lên
quỹ đạo. Hiện nay hầu hết số vệ tinh Block I đã hết thời hạn sử dụng. Việc phóng vệ
tinh thế hệ thứ II (Block II) bắt đầu năm 1989. Loại vệ tinh bổ sung thế hệ III (Block
III) được thiết kế thay thế những vệ tinh Block II bắt đầu phóng vào năm 1995. Hiện
nay có 31 vệ tinh triển khai quỹ đạo trái đất với chu kỳ 12h ở độ cao xấp xỉ 20.200 km.
Những năm tiếp theo, còn có sự xuất hiện của hệ thống Galileo của Châu Âu hay
Compass của Trung Quốc. Mỗi hệ thống lại có những đặc điểm những quyền năng
riêng. Các máy thu trong tương lai sẽ có khả năng khai thác và sử dụng tín hiệu từ tất
cả những vệ tinh này, có nghĩa rằng chúng ta sẽ có được tín hiệu tốt hơn rất nhiều, số
vệ tinh thu được tại mọi thời điểm trong ngày có tới hàng chục, tốc độ tốt hơn, độ ổn
định và tính tin cậy cũng tăng theo vượt xa rất nhiều với từng hệ thống đơn lẻ.
Từ đó chúng ta có thể thấy sự hiện diện của GPS trong hầu hết các lĩnh vực của
đời sống hàng ngày từ đo đạc bản đồ, dẫn đường, tìm kiếm cứu nạn, điều khiển giao
thông, hỗ trợ hàng không ... và thực tế GPS đã trở thành một phần trong cơ sở hạ tầng
của thế giới hiên đại.
Cho tới năm 1988, các máy thu GPS do các hãng trên thế giới sản xuất đã đạt
được trình độ cạnh tranh trên thị trường. Vì lý do trên, giá máy đã giảm xuống tới mức
hợp lý mang tính phổ cập. Các hãng trên thế giới sản xuất máy thu GPS bao gồm các
Trang 10

Ngành: Công nghệ Địa chính

SVTH: Phạm Duy

hãng chính như: TRIMBLE NAVIGATION (Mỹ), ASHTECH (Mỹ), LEICA (Thuỵ
sĩ), WILD (Thụy sĩ), SEGSEL (Pháp), MINI MAX (Tây Đức), SOKIA (Nhật)...
Ở nước ta, công nghệ GPS đã được đưa vào từ những năm 1990, sau một thời gian
ngắn, chúng ta đã sử dụng GPS để hoàn chỉnh mạng lưới thiên văn trắc địa quốc gia.
Xây dựng lưới trắc địa biển cạnh dài, liên kết đất liền với các hòn đảo, góp phần xây
dựng cơ sở dữ liệu để hình thành hệ quy chiếu VN-2000.
b. Một số thuật ngữ:
- Ca đo: (Observation session) - Quãng thời gian thu tín hiệu liên tục trên trạm đo từ lúc
bật máy đến lúc tắt máy.
- Đo đồng bộ (Simultaneous observation) - Trị số đo của 2 máy thu trở lên thu tín hiệu
của cùng một vệ tinh.
- Vòng đo đồng bộ (Simultaneous observation loop) - Vòng khép của các véc tơ do 3
máy đo cùng ca trở lên hợp thành.
- Vòng khép độc lập: (Independent observation loop) - Vòng khép của các vectơ cạnh
độc lập hợp thành.
- Độ cao ăngten: ( Antenna hetght) - Độ cao tính từ tâm trung bình của pha ăng ten thu
đến tâm mốc.
- Lịch vệ tinh: (Ephemeris) - Giá trị tọa độ trên quỹ đạo của vệ tinh ở các thời điểm khác
nhau. Lịch vệ tinh được phát dưới hai loại: lịch vệ tinh quảng bá và lịch vệ tinh chính xác.
- Lịch vệ tinh quảng bá: (Broadeast Ephemeris) - Tín hiệu vô tuyến do vệ tinh phát ra
chứa thông tin dự báo tham số quỹ đạo của vệ tinh ở thời gian nào đó.
- Lịch vệ tinh chính xác: (Precise Ephemeris) - Tham số quỹ đạo vệ tinh do một vài
trạm theo dõi xác định qua xử lý tổng hợp dùng vào định vị vệ tinh chính xác.
- Véc tơ cạnh đơn: (Single baseline)-Véc tơ cạnh tính từ một cặp ăng ten thu ở 2 điểm
bất kỳ cùng ca đo.

- Tổ hợp véc tơ cạnh độc lập: (Multiple baseline) - m-1 véc tơ cạnh độc lập được giải từ
m-1 phương trình trị đo bất kỳ khi đo đồng bộ với m máy thu.
- Hiệu pha bậc một (sai phân bậc 1): (Single differential) - Hiệu trị đo pha đến cùng một
vệ tinh của 2 trạm đo GPS cùng ca đo.
- Hiệu pha bậc hai (sai phân bậc 2): (Double differential) - Hiệu của 2 pha bậc một của
hai vệ tinh đo được từ 2 trạm đo GPS cùng ca đo.
- Hiệu pha bậc 3 (sai phân bậc 3): ((Tripel differential) - Hiệu của hai hiệu pha bậc hai
của hai trạm đo đến một cặp vệ tinh ở hai thời điểm khác nhau.
- Tỷ lệ loại bỏ số liệu: (Percentage of data rejection) - Tỷ lệ giữa số lượng trị đo loại bỏ
và số lượng trị đo cần có.

Trang 11


Ngành: Công nghệ Địa chính

SVTH: Phạm Duy

c. Cấu trúc hệ thống và cấu trúc tín hiệu GPS
∗ Cấu trúc hệ thống GPS

Theo sự phân bố không gian người ta chia hệ thống GPS thành 3 phần gọi là
đoạn (Seg ment):

Hình I.1 Sơ đồ hoạt động của hệ thống định vị toàn cầu GPS

- Đoạn không gian (Space Segment): gồm 31 vệ tinh bay trên quỹ đạo có độ cao
đồng nhất 20 200 km, chu kỳ 12 giờ, phân phối đều trên 6 mặt phẳng quỹ đạo nghiêng
với xích đạo một góc 55o. Việc bố trí này nhằm mục đích để tại mỗi thời điểm và mỗi
vị trí trên trái đất đều có thể quan sát được 4 vệ tinh. Mỗi vệ tinh cần 11h 58 phút để

bay hết 1 vòng quanh trái đất. Nhờ vậy mỗi ngày (trừ đi 4 phút) vệ tinh lại xuất hiện
đúng vị trí địa lý trên trái đất.

Hình I.2. Hệ thống quỹ đạo vệ tinh
Trang 12


Ngành: Công nghệ Địa chính

SVTH: Phạm Duy

Mỗi vệ tinh phát 2 tần số sóng mang với tần số cao L1=1575,42 MHz và
L2=1227,60 MHz. Loại sóng này phát trên cơ sở dãy số tựa ngẫu nhiên bao gồm các
số 0 và 1. Mã này được gọi tên là mã P (Precise). Bên cạnh mã P sóng còn mang đi mã
C/A (Clear/Acquisition) trong sóng L1. Ngoài 2 mã trên vệ tinh còn phát mã phụ có
tần số 50 Hz chứa các thông tin về lịch vệ tinh. Các vệ tinh đều được trang bị đồng hồ
nguyên tử với độ chính xác cao.
Các vệ tinh NAVSTAR có 2 trạng thái: "hoạt động khỏe" ( Healthy) và "hoạt
động không khoẻ ( Unhealthy). Hai trạng thái của vệ tinh này được quyết định do 4
trạm điều khiển mặt đất. Chúng ta có thể sử dụng tín hiệu của các vệ tinh ở cả hai
trạng thái "hoạt động khỏe" và "hoạt động không khỏe".

Hình I.4. Vệ tinh Glonass

Hình I.3. Vệ tinh Galileo

Bảng I.1: So sánh một số thông số kỹ thuật của 3 hệ thống vệ tinh

- Đoạn điều khiển (Control Seg ment): gồm 5 trạm mặt đất phân bố đều quanh
trái đất chúng được thiết lập để duy trì hoạt động của toàn bộ hệ thống. Trạm điều

khiển trung tâm (Marter Control Station - viết tắt là MCS) được đặt tại Colorado
Springs, bang colorado USA. Trạm điều khiển trung tâm có nhiệm vụ chủ yếu trong
Trang 13


Ngành: Công nghệ Địa chính

SVTH: Phạm Duy

đoạn điều khiển cập nhật thông tin đạo hàm truyền đi từ vệ tinh. Cùng phối hợp hoạt
động với trạm điều khiển trung tâm là hệ thống hoạt động kiểm tra (Operational
Control System - Viết tắt là OCS) bao gồm các trạm theo dõi (Monitoring Stations)
được đặt tại Hawaii, Assension, Diego Garcia, Kwajalein.

Hinh I.5. Các trạm điều khiển

Các trạm này theo dõi liên tục tất cả các vệ tinh có thể quan sát được. Các dữ
liệu quan sát được ở các trạm này được chuyển về trạm điều khiển trung tâm MCS, tại
đây việc tính toán số liệu chung được thực hiện và cuối cùng các thông tin đạo hàng
(Ephemeris) của người sử dụng cập nhật chuyển lên các vệ tinh, để sau đó từ vệ tinh
đến các máy thu.
- Đoạn người sử dụng (Ures Segmat) : bao gồm các máy thu tín hiệu vệ tinh và
phần mềm xử lý tính toán số liệu, máy tính thu tín hiệu GPS, có thể đặt cố định trên
mặt đất hay gắn trên các phương tiện chuyển động như ô tô, máy bay, tàu biển, tên lửa.
vệ tinh nhân tạo... tuỳ theo mục đích của các ứng dụng mà các máy thu GPS có thiết
kế cấu tạo khác nhau cùng với phần mềm xử lý và quy trình thao tác thu thập số liệu ở
thực địa.
∗ Cấu trúc tín hiệu GPS
Một thành phần quan trọng của hệ thống GPS là tín hiệu phát từ vệ tinh đến các
máy thu. Việc phát và thu tín hiệu là cơ sở cho việc đo đạc với hệ thống GPS. Tín hiệu

vệ tinh là sóng điện từ, trắc địa vệ tinh thực hiện dựa trên cơ sở số liệu được lan truyền
từ vệ tinh có các thông số cơ bản đó là: tần số, bước sóng, pha, chu kỳ, tốc độ ánh sáng
và các mã đều điều biến trên sóng tải.
Mỗi vệ tinh truyền về trái đất tín hiệu trên hai tần số sóng tải L1 và L2 dùng
cho công việc định vị là tần số 1575,42 MHz và tần số 1227,60 NHz.
9 Các loại mã sóng tải:
- Mã nhiễu tựa ngẫu (PRN) thứ nhất được biết dưới cái tên là mã C/A
(Coarse/Acquisite-code). Là mã thông dụng gồm dãy 1023 kí tự 0 và 1, được phát đi ở
tần số fo/10= 1,023 MHz. Chuỗi này được lặp lại sau mỗi phần triệu giây, chiều dài
bước sóng 300m. Mã C/A chỉ được truyền trên sóng tải L1
Trang 14


Ngành: Công nghệ Địa chính

SVTH: Phạm Duy

- Mã nhiễu tựa ngẫu (PRN) thứ hai, được biết dưới cái tên là mã P (Precise code). Là mã chính xác gồm chuỗi kí tự 0 và 1, được phát đi ở tần số fo = 10,23 MHz,
được lặp lại sau 38 tuần lễ, chiều dài bước sóng là 29.30m. Nó được truyền trên cả hai
loại sóng tải.
- Mã Y (Y-code) là mã do Cơ quan quản lý GPS là Bộ Quốc phòng Hoa Kỳ sử
dụng mã W để che phủ lên P tạo ra.

Hình I.6. Cấu trúc tín hiệu GPS
- Thông tin đạo hàng (Navigation Message) về thực chất chứa các thông tin
chung về đồng hồ vệ tinh, quỹ đạo vệ tinh, tình trạng sức khoẻ của vệ tinh và số liệu
hiệu chỉnh khác nhau. Được bổ sung trên hai sóng tải L1 và L2 và điều biến lưỡng pha
với tốc độ chậm 50bit/giây và lập lại sau 30 giây.
Cấu trúc của thông tin đạo hàng chia thành 5 đoạn (Subframe):
+ Đoạn đầu tiên chứa số liệu tuần lẻ PGS, dự báo độ chính xác khoảng cách sử

dụng URA (User. Range Accuracy) chỉ số về tình trạng sức khoẻ vệ tinh và tuổi của số
hiệu ước lượng về độ phân nhóm tín hiệu và 3 tham số của đa thức bậc hai dùng để
hiệu chỉnh đồng hồ vệ tinh.
+ Đoạn thứ hai và đoạn thứ ba được sử dụng để truyền lịch quảng báo của vệ
tinh.
+Đoạn thứ tư phục vụ cho mục đích quân sự
+ Đoạn thứ năm là các thông tin về tầng ion, về giờ UTC, các ký hiệu khác và
số hiệu almanac của tất cả các vệ tinh có thể sử dụng, các trang của đoạn này chứa các
đặc điểm chính của số liệu almanac và tình trạng sức khoẻ của 24 vệ tinh đầu tiên trên
quỹ đạo.

Trang 15


Ngành: Công nghệ Địa chính

SVTH: Phạm Duy

Bảng I.2: Thành phần tín hiệu GPS
Thành phần

Tần số (MHz)

Tần số chuẩn

f0

= 10.23

Sóng tải L1

154.f0

= 1575,42 (≈ 19,0cm)

Sóng tải L2

120.f0

= 1227,60 (≈ 24,4 cm)

Mã chính xác (P – Code)

f0

= 1,023

Mã thông dụng (C/A Code)

f0/10

= 1,023

W – Code

f0/20

= 0,5115

Thông tin đạo hàng

f0/204600

= 50.10-6

d. Trị đo GPS và các tổ hợp tuyến tính của trị đo GPS:
∗ Trị đo GPS:
¾ Trị đo giả khoảng cách:
Giả thiết rằng đồng hồ vệ tinh và đồng hồ máy thu đều tuyệt đối chính xác và
đồng bộ hoàn hảo với nhau. Ta biết rằng mã tín hiệu PRN được truyền từ vệ tinh, máy
thu nhận được và tạo nên bản sao của nó trong máy thu. Như vậy, khi mã PRN được
phát ra tới khi có được bản sao trong máy thu cần một khoảng thời gian, được gọi là
thời gian lan truyền tín hiệu trong không gian. Bằng cách so sánh mã truyền tới và bản
sao của nó, máy thu sẽ xác định được thời gian lan truyền này. Ta đã biết tốc độ lan
truyền bằng tốc độ ánh sáng, như vậy để tính khoảng cách ta chỉ cần nhân vận tốc ánh
sáng với thời gian lan truyền.

Hình I.7. Trị đo giả khoảng cách
Tuy nhiên, đồng hồ vệ tinh và đồng hồ máy thu chưa thật sự chính xác nên sự
đồng bộ giữa chúng chưa hoàn hảo, nên trị đo khoảng cách này chứa các sai số và độ
lệch nói trên. Vì vậy, ta gọi là giả khoảng cách.
Khoảng cách giả theo mã tại thời điểm t được mô hình hoá như sau:
Trong đó:

Rji (t) = ρji (t) + c.Δδ ji (t) (1)
Rji (t) : khoảng cách giả đo được từ máy thu i tới vệ tinh j
ρji (t) : khoảng cách hình học từ vệ tinh j tới máy thu i
c
: tốc độ ánh sáng ( = 299 792 458 m/giây)
Δδ ji (t): độ lệch đồng hồ

Trang 16


Ngành: Công nghệ Địa chính

SVTH: Phạm Duy

Ta ký hiệu tạo độ của vệ tinh j và của máy thu i tại thời điểm t tương ứng là ( Xj (t),
Yj(t), Zj(t) ) và ( Xi (t), Yi (t), Zi (t) ), có thể biểu diễn khoảng cách hình học vệ tinh, máy
thu như sau :

ρji (t) = √ [ (Xj (t) - Xi (t))2 + (Yj(t) - Yi (t))2 + (Zj(t) - Zi (t))2 ]
Δδ ji (t) = δ j (t) - δ i (t)

(2)
(3)

Về sai số vệ tinh j: δ j ta nhận được các trị hiệu chỉnh đồng hồ theo thời gian t
trong thông điệp đạo hàng quảng bá dưới dạng các tham số a0 a1 a2 của đa thức bậc
hai sau ứng với thời gian quy chiếu t0 :

δ j (t) = a0 + a1 (t – t0) + a2 (t – t0)

(4)

nhờ đó ta có thể loại bỏ dáng kể độ lệch đồng hồ vệ tinh.
Khi đó khoảng cách giả sẽ được tính như sau:

Rji (t) =

ρji (t) + c.δ j (t) - c.δ i (t)

(5)

Từ phương trình (2) và (4) ta thấy phương trình (5) chỉ còn lại 4 ẩn số, là 3 ẩn số
toạ độ điểm đo và ẩn số đồng hồ máy thu. Như vậy khi nhận tín hiệu đồng thời từ 4 vệ
tinh, ta sẽ tính được các ẩn số và xác định được toạ độ điểm máy thu.
Hệ thống GPS đã được thiết kế sao cho khoảng cách xác định bằng mã thông dụng
C/A code dành cho dân sự đạt độ chính xác vừa phải (khoảng 300m), nghĩa là chỉ bằng
1/10 mã chính xác P-code. Tuy nhiên, do những tiến bộ trong kỹ thuật chế tạo máy thu
mà ngày nay độ chính xác định vị của mã thông dụng cũng đạt được tương tự như mã
chính xác
¾ Trị đo pha sóng tải:
Trị đo pha là hiệu số giữa pha sóng tải nhận từ vệ tinh qua ăng ten máy thu và
pha sóng tạo ra trong máy thu nhờ bộ tạo dao động.
Có thể đo được khoảng cách từ vệ tinh tới máy thu bằng pha sóng tải. Khoảng
cách này sẽ bằng tích của hai thừa số, một là độ dài bước sóng tải và thừa số thứ hai là
pha (gồm số bước sóng (chu kỳ đầy đủ) dao động sóng tải cộng với phần lẻ chu kỳ đo
được giữa máy thu và vệ tinh). Độ chính xác đo khoảng cách này cao hơn nhiều so với
đo theo code, bởi vì độ dài bước sóng tải (cũng có thể hiểu là độ phân giải) chỉ có 19
cm trong L1 nhỏ hơn nhiều so với độ dài code.

Trang 17


Ngành: Công nghệ Địa chính

SVTH: Phạm Duy

Hình I.8. Trị đo pha sóng tải

Để xác định được số nguyên lần bước sóng là vấn đề trở ngại lớn nhất vì sóng
tải có đồ thị dao động hình sin và đều giống nhau, nên máy thu không thể phân biệt
được bước sóng này với bước sóng khác. Nói cách khác, máy thu không đếm được
tổng số bước sóng dao động giữa vệ tinh và máy thu, số lượng này được coi là ẩn số
hay còn gọi là số nguyên đa trị. Máy thu có khả năng đo được phần lẻ của bước sóng
một cách chính xác (dưới 2mm), và máy thu cho phép duy trì quan trắc liên tục sự thay
đổi của pha, nên số lượng bước sóng dao động sẽ tồn tại không đổi, cho đến khi máy
thu không nhận được tín hiệu từ vệ tinh. Đây là một cơ sở quan trọng để tìm lời giải
cho số nguyên đa trị.
Trị đo giả khoảng cách theo pha được biểu diễn bằng mô hình toán sau:

φji(t) = (1/λ)ρji(t) + Nji + fj Δδji(t)
Trong đó:

φji(t)
λ
Nji
fj

(6)

: số đo pha tải
: độ dài bước sóng
: số nguyên lần bước sóng (hay số nguyên đa trị)
: tần số tín hiệu vệ tinh j

Thay (4) và (6) ta được:

φji(t) = (1/λ)ρji(t) + Nji + fj δj(t) - fj δi(t)

(7)

Sai số đồng hồ vệ tinh có thể hiệu chỉnh được nên không còn là ẩn số nữa. Tuy
nhiên so với trị đo mã, phương trình (7) còn chứa thêm ẩn số nguyên đa trị với số
lượng bằng số vệ tinh máy thu nhận tín hiệu. Xét tại một thời điểm (nt = 1), ta chỉ nhận
được lời giải cho (7) khi nj ẩn số đa trị bị loại bỏ; lúc này nó tương ứng với trị đo mã.
Điều này có nghĩa là, để định vị được bằng pha, ta phải xác định được các ẩn số
nguyên đa trị và do đó nó đòi hỏi máy thu phải nhận được tối thiểu 5 trị đo pha từ mỗi
vệ tinh.
Trang 18


Ngành: Công nghệ Địa chính

SVTH: Phạm Duy

∗ Các tổ hợp tuyến tính của trị đo GPS:

Các trị đo GPS chứa hàng loạt sai số mà việc mô hình hoá chúng để giảm thiểu
hay loại bỏ trong quá trình xử lý, dù rất cố gắng, vẫn mới chỉ đạt ở mức độ xấp xỉ gần
đúng. Các sai số không được đưa vào mô hình cũng như các độ lệch do mô hình hoá
chưa hoàn thiện đối với định vị bằng một máy thu. Nhưng khi ta đo đồng thời từ hai
hay nhiều máy thu đặt không xa nhau, do những máy thu này cùng chia sẽ những sai
số tương tự nhau về chủng loại cũng như độ lệch, nên một phần lớn sai số này sẽ bị
loại khi ta tạo ra các tổ hợp tuyến tính của các trị đo GPS.
Các sai số và độ lệch GPS được chia làm ba nhóm: nhóm sai số liên quan đến
vệ tinh, nhóm sai số liên quan đến máy thu và nhóm sai số liên quan đến khí quyển.
Các trị đo của hai máy thu GPS quan trắc đồng thời một vệ tinh sẽ chứa những
sai số liên quan tới vệ tinh và các sai số liên quan đến khí quyển tương tự nhau. Khi
khoảng cách giữa hai máy thu càng nhỏ thì sự tương đồng càng lớn. Do đó, khi ta tính

hiệu (sai phân) các trị đo tại hai máy thu đồng thời thì nhóm sai số liên quan vệ tinh và
nhóm sai số liên quan khí quyển trong các sai phân này sẽ được giảm nhỏ. Sai phân
này được gọi là sai phân bậc 1 máy thu (hay trạm đo). Sai số đồng hồ vệ tinh được loại
bỏ một cách hiệu quả trong sai phân này.

Hình I.9. Sai phân bậc 1(single differences)
Tương tự như trên, do hai trị đo nhận tại một máy thu đồng thời từ hai vệ tinh
sẽ cùng chứa sai số đồng hồ máy thu giống nhau, nên khi ta lấy hiệu giữa hai trị đo này
thì sai phân nhận được đã được loại bỏ một cách hiệu quả sai số đồng hồ máy thu. Sai
phân này được gọi là sai phân bậc 1 vệ tinh.
Khi hai máy thu đồng thời quan trắc hai vệ tinh, ta sẽ tính được hai sai phân bậc
1 máy thu. Trừ đi cho nhau hai sai phân này, ta sẽ nhận được cái gọi là sai phân bậc 2
loại bỏ sai số đồng hồ cả máy thu lẫn vệ tinh và giảm thiểu đáng kể các loại sai số
khác.

Trang 19


Ngành: Công nghệ Địa chính

SVTH: Phạm Duy

Hình I.10. Sai phân bậc 2(doube differences)
Bởi vì việc quan trắc được thực hiện trong một khoảng thời gian dài nhất định,
bao gồm các thời khắc đo khác nhau, nên ta sẽ tạo đươc sai phân bậc 3 từ hai sai phân
bậc 2, trong đó ẩn số nguyên đa trị sẽ được loại bỏ, tạo điều kiện tìm được lời giải định
vị nhanh tuy có kém chính xác. Nó cũng là công cụ hữu hiệu để phát hiện đoạn trị đo
chứa trượt chu kỳ để ta tìm cách khắc phục.

Hình I.11. Sai phân bậc 3(Triple-differences)

Tất cả ba loại sai phân này đều có thể tạo ra đối với trị đo pha hay trị đo giả
khoảng cách bằng máy thu một tần hay máy thu hai tần. Ngoài ra, từ số liệu đo của
máy hai tần, ta có thể tạo ra các tổ hợp tuyến tính khác, trong đó tổ hợp tuyến tính L3
được tạo ra từ trị đo trên L1 và trị đo tương ứng trên L2 loại bỏ đáng kể ảnh hưởng của
độ trễ ion nên thường được gọi là tổ hợp tuyến tính phi ion (ionosphere-free linear
combination); các trị đo trên sóng tải L1 và L2 còn cho phép tạo ra trị đo cổng rộng
(Wide-land) với bước sóng dài 86 cm và trị đo cổng hẹp (Narow-lane) có chiều dài
bước sóng 11 cm, rất có ích cho việc tìm số nguyên đa trị.
∗ Môi trường chuyền tín hiệu vệ tinh
- Tầng ion: là lớp chứa các hạt tích điện trong bầu khí quyển ở độ cao từ 501000km, tầng ion có tính chất tán sắc đối với sóng điện từ, chiết suất của tầng ion tỷ lệ
Trang 20


Ngành: Công nghệ Địa chính

SVTH: Phạm Duy

với tần số sóng điện từ truyền qua nó. Do vậy trị đo của máy thu 2 tần số cho phép
giảm ảnh hưởng tầng ion.
Hiệu chỉnh tầng ion đối với trị đo của máy thu 1 tần số phải dựa vào các tham
số mô hình phát đi trong thông báo vệ tinh, tuy nhiên chỉ giảm được khoảng 50% ảnh
hưởng tầng ion.
- Tầng đối lưu: có độ cao đến 8km so với mặt đất và ảnh hưởng khúc xạ của
tầng đối lưu không bị tán sắc đối với tín hiệu GPS. Do vậy số cải chính mô hình khí
quyển phải được áp dụng đối với trị đo của máy 1 tần số và cả máy 2 tần số. Chiết suất
của tầng đối lưu sinh ra chậm pha tín hiệu.
e. Nguyên lý và kỹ thuật định vị vệ tinh
∗ Nguyên lý định vị vệ tinh
Có 2 cách định vị bằng GPS, đó là định vị tuyệt đối và định vị tương đối:
¾

Định vị tuyệt đối: Là kỹ thuật xác định toạ độ của điểm đặt máy thu tín
hiệu vệ tinh trong hệ toạ độ toàn cầu WGS-84. Kỹ thuật định vị này là việc tính toạ độ
của điểm đo nhờ việc giải bài toán giao hội nghịch không gian dựa trên cơ sở khoảng
cách đo được từ các vệ tinh tại thời điểm đo. Do nhiều nguồn sai số nên độ chính xác
vị trí điểm thấp, không dùng được cho việc đo đạc chính xác, dùng chủ yếu cho việc
dẫn đường, và các mục đích đo đạc có yêu cầu độ chính xác không cao. Đối với
phương pháp này chỉ sử dụng 1 máy thu tín hiệu vệ tinh.
¾
Định vị tương đối: Thực chất của phương pháp đo là xác định hiệu toạ
độ không gian của 2 điểm đo đồng thời đặt trên 2 đầu của khoảng cách cần đo
(Baseline). Độ chính xác của phương pháp rất cao do loại trừ được nhiều nguồn sai số
nên được sử dụng trong đo đạc xây dựng lưới khống chế trắc địa và các công tác đo
đạc bản đồ các tỷ lệ. Do bản chất của phương pháp nên cần tối thiểu 2 máy thu vệ tinh
trong một thời điểm đo.
∗ Các kỹ thuật định vị vệ tinh
¾ Đo GPS tĩnh (static): Đây là phương pháp chính xác nhất vì nó sử dụng
cả hai trị đo code và phase sóng tải. Hai hoặc nhiều máy thu đặt cố định thu tín hiệu
GPS tại các điểm cần đo tọa độ trong khoảng thời gian thông thường từ một giờ trở
lên.
Thời gian đo kéo dài để đạt được sự thay đổi đồ hình vệ tinh, cung cấp trị đo dư và
giảm được nhiều sai số khác nhằm mục đích đạt độ chính xác cao nhất. Đo GPS tĩnh
tương đối đạt độ chính xác cỡ 1cm dùng cho các ứng dụng có độ chính xác cao, như
thành lập lưới khống chế trắc địa.
¾ Đo GPS tĩnh nhanh (Fast Static): Phương pháp này về bản chất giống
như đo GPS tĩnh nhưng thời gian đo ngắn hơn. Gọi là đo nhanh - tăng tốc độ đo là do
giải nhanh được số đa trị nguyên. Phương pháp đòi hỏi dữ liệu trị đo pha sóng tải và trị
đo code. Phương pháp đo tĩnh nhanh với máy thu GPS 2 tần số chỉ có hiệu quả trên
cạnh ngắn. Thời gian đo tĩnh nhanh thay đổi từ 8' đến 30' phụ thuộc vào số vệ tinh và
đồ hình vệ tinh. Số vệ tinh nhiều hơn bảo đảm trị đo dư với đồ hình vệ tinh phân bố
đều sẽ hỗ trợ việc tìm nhanh số đa trị nguyên và giảm thời gian định vị.

¾ Đo GPS động (Kinematic): Phương pháp được tiến hành với 1 máy đặt
tại trạm cố định (base station) và một hoặc nhiều các máy khác (rover stations) di động
đến các điểm cần đo tạo độ thu tín hiệu vệ tinh đồng thời. Đo GPS động là giải pháp
Trang 21


Ngành: Công nghệ Địa chính

SVTH: Phạm Duy

nhằm giảm tối thiểu thời gian đo so với phương pháp GPS tĩnh những vẫn đạt độ chính
xác đo toạ độ cỡ cm.
Tuỳ thuộc vào thời điểm xử lý số liệu đo - xử lý ngay tại thực địa hay trong
phòng sau khi đo, người ta chia thành 2 dạng:
9 Đo GPS động thời gian thực (GPS RTK - Real Time Kinematic GPS)
Cách đo này ngoài các máy thu vệ tinh còn cần thêm hệ thống Radio Link
truyền số liệu liên tục từ trạm cố định đến trạm di động và thiết bị xử lý số liệu gọn
nhẹ. Số nguyên đa trị (số nguyên lần bước sóng từ vệ tinh đến máy thu) được xác định
nhanh nhờ giải pháp khởi đo (Initialization) và được duy trì bằng cách thu tín hiệu liên
tục từ tối thiểu với 4 vệ tinh trong khi di chuyển máy thu đến điểm đo tiếp theo và thời
gian đo tại các điểm này rất ít chỉ cần 1 trị đo (1 epoch tương đương với 1" tuỳ thuộc
theo chế độ lựa chọn). Nếu việc theo dõi vệ tinh bị gián đoạn, ví dụ như đi qua dưới
vật cản - số nguyên đa trị sẽ bị mất, phải xác định lại. Do phải dùng đến Radio Link
truyền số liệu nên tầm hoạt động đo của máy di động bị hạn chế (khoảng 5km). Ngoài
việc đo toạ độ điểm, khống chế, chi tiết thực địa phương pháp này còn có tính năng
cắm điểm có toạ độ thiết kế trước ra thực địa và dẫn đường có độ chính xác cao.
9 Đo GPS động xử lý sau (PPK - Post Processing Kinematic GPS)
Đây là phương pháp đo sử dụng máy đo giống như phương pháp GPS RTK để
đo một loạt điểm định vị so với trạm tĩnh bằng cách di chuyển máy thu đến các điểm
cần xác định toạ độ. Toạ độ của các điểm đo có được sau khi xử lý số liệu trong phòng

do vậy không sử dụng thiết bị truyền số liệu Radio Link. Để có thể đo theo phương
pháp này cần phải tiến hành việc khởi đo xác định số nguyên đa trị bằng cách đo tĩnh
trên 1 đoạn thẳng sau đó mới đến đo tại các điểm cần xác định toạ độ với thời gian
ngắn - tối thiểu đo 2 trị đo (2 epoch). Trong quá trình di chuyển đến điểm cần đo máy
đo di động cần phải thu tín hiệu liên tục đến tối thiểu 4 vệ tinh.
Nếu trong quá trình di chuyển đến điểm cần đo tín hiệu của một trong 4 vệ tinh bị mất
có nghĩa là số nguyên đa trị giải được qua phép khởi đo bị mất. Do đó phải khởi đo lại
bằng cách mới. Tầm hoạt động của máy di động có thể đạt đến 50 km.
Với kỹ thuật này máy thu di động có năng suất lao động cao hơn nhiều rất phù hợp cho
việc phát triển lưới khống chế cấp đường chuyền, các điểm khống chế ảnh, đo chi tiết
bản đồ địa hình.
f. Các nguồn sai số trong đo GPS
Cũng như bất kỳ phương pháp đo đạc khác, việc định vị vị trí điểm bằng hệ
thống PGS cũng chịu ảnh hưởng của nhiều sai số khác nhau, trong đó phải kể đến là:
1) Sai số quỹ đạo vệ tinh
Tọa độ điểm đo GPS được tính dựa vào vị trí đã biết của vệ tinh. Người sử
dụng phải dựa vào lịch thông báo toạ độ vệ tinh, mà theo lịch này có thể bị sai số vài
chục mét. Do vậy nếu sử dụng quỹ đạo vệ tinh chính xác có thể đạt kết quả định vị tốt
hơn. Có hai phương pháp nhằm hoàn thiện thông tin quỹ đạo vệ tinh.
+ Sử dụng những trạm mặt đất có vị trí chính xác làm những điểm chuẩn để tích
chỉnh quỹ đạo vệ tinh dành cho công tác đo đạc đặc biệt.
+ Thu nhận lịch vệ tinh chính xác (Psecise eptemeris) từ dịch vụ địa động học
GPS Quốc tế (The International GPS Servece for Geodynamicr - IGS)
Trang 22


Ngành: Công nghệ Địa chính

SVTH: Phạm Duy

Cơ quan IGS sử dụng một mạng lưới gồm 70 trạm theo dõi tính chỉnh quỹ đạo vệ tinh.
Hệ thống này cho thông tin quỹ đạo ưu việt hơn so với lịch vệ tinh thông báo
(broadcast ephemaris) của hệ thống GPS chỉ có 5 trạm theo dõi vệ tinh.

Hình I.12. Sai số quỹ đạo vệ tinh
2) Ảnh hưởng của tầng Ion
Do tín hiệu vệ tinh trước khi đến máy thu phải xuyên qua môi trường không
gian gồm các tầng khác nhau. Tầng Ion là lớp chứa các hạt tích điện trong bầu khí
quyển ở độ cao từ 50-1000Km, tầng Ion có tính chất khúc xạ đối với sóng điện từ,
chiết suất của tầng Ion tỷ lệ với tần số sóng điện từ truyền qua nó. Do vậy trị đo của
máy thu 2 tần số cho phép giảm ảnh hưởng tán sắc của tầng Ion.
Hiệu chỉnh ảnh hưởng của tầng Ion đối với trị đo của máy thu tần số L1 phải
dựa vào các tham số mô hình phát đi trong thông báo vệ tinh, tuy nhiên chỉ giảm được
khoảng 50% ảnh hưởng đầy Ion.

Hình I.13. Sai số do ảnh hưởng môi trường
3) Ảnh hưởng của tầng đối lưu
Tầng đối lưu có độ cao đến 8Km so với mặt đất là tầng làm khúc xạ đối với tín
hiệu GPS do chiết suất biến đổi. Do vậy số cải chính mô hình khí quyển phải được áp
dụng đối với trị đo của máy một tần số và cả máy hai tần số. Chiết suất của tầng đối
lưu sinh ra sự chậm phát tín hiệu, được chia làm hai loại ướt và khô. Ảnh hưởng chiết
suất khô được tạo mô hình và loại trừ, nhưng ảnh hưởng của chiết suất ước là nguồn
Trang 23


Ngành: Công nghệ Địa chính

SVTH: Phạm Duy

sai số khó lập mô hình và loại bỏ trong trị đo GPS. Mô hình Hopfield là mô hình tầng

đối lưu của khí quyển được áp dụng phổ biến nhất khi xử lý trọng đo GPS.
4) Tầm nhìn vệ tinh và sự trượt chu kỳ (Cyde slips)
Điểm quan trọng nhất khi đo GPS là phải thu được tín hiệu ít nhất 4 vệ tinh tức
là phải có tầm nhìn thông đối với các vệ tinh đó.
Tín hiệu GPS là sóng cực ngắn trong phổ điện từ, nó có thể xuyên qua mây mù,
song không thể truyền qua được tán cây hoặc các vật che chắn. Do vậy tầm nhìn vệ
tinh thông thoáng có tầm quan trọng đặc biệt đối với công tác đo GPS.
Khi sử dụng trị đo pha cần phải bảo đảm thu tín hiệu vệ tinh trực tiếp liên tục
nhằm xác định số nguyên lần bước sóng khởi đầu. Tuy nhiên có trường hợp ngay cả
khi vệ tinh vẫn nhìn thấy nhưng máy thu vẫn bị gián đoạn thu tín hiệu, trường hợp đó
có một số chu kỳ không xác định đã trôi qua mà máy thu không đếm được khiến cho
số nguyên lần bước sóng thay đổi và làm sai kết quả định vị. Do đó cần phải phát hiện
và xác định sự trượt chu kỳ trong tín hiệu GPS. Một số máy thu có thể nhận biết sự
trượt chu kỳ và thêm vào số hiệu chỉnh tương ứng khi xử lý số liệu. Mặt khác khi tính
toán xử lý số liệu GPS có thể dùng sai phân ba để nhận biết và xử lý trượt chu kỳ.
5) Hiện tượng đa đường (Multipath)
Đó là những tín hiệu từ vệ tinh không đến thẳng anten máy thu mà đập vào bề
mặt phản xạ nào đó xung quanh rồi mới đến máy thu. Như vậy kết quả đo không đúng.
Để trách hiện tượng này anten phải có tầm nhìn vệ tinh thông thoáng với ngưỡng góc
cao trên 150. Việc chọn ngưỡng góc cao 150 này nhằm giảm ánh hưỡng bất lợi của
chiết quang khí quyển và hiệu tượng đa tuyến. Khi bố trí điểm đo cần cách xa các địa
vật có khả năng phản xạ gây hiện tượng đa tuyến như hồ nước, nhà cao tầng, xe cộ,
đường đường điện, mái nhà kim loại…Hầu hết Anten GPS gắn bản (mãm anten) dạng
phẳng, tròn che chắn tín hiệu phản xạ từ mặt đất lên.

Hình I.14. Sai số đa đường dẫn
6) Sự suy giảm độ chính xác (DOPS) do đồ hình các vệ tinh
Việc định vị GPS là việc giải bài toán giao hội nghịch không gian dựa vào điểm
gốc là vệ tinh và các khoảng cách tương ứng đến máy thu GPS. Trường hợp tối ưu khi
thu tín hiệu vệ tinh GPS là vệ tinh cần phải có sự phân bố hình học cân đối trên bầu

trời xung quanh điểm đo. Chỉ số mô tả đồ hình vệ tinh gọi là hệ số phân tán độ chính
xác - hệ số DOP (Delution of Precision). Chỉ số DOP là số nghịch đảo thể tích của
Trang 24


Ngành: Công nghệ Địa chính

SVTH: Phạm Duy

khối tỷ diện tạo thành giữa các vệ tinh và máy thu. Chỉ số này chia ra thành các loại
sau:
+ PDOP chỉ số phân tán độ chính xác về vị trí (Positional DOP)
+ TDOP là chỉ số phân tán độ chính xác về thời gian (Teme DOP)
+ HDOP là chỉ số phân tán độ chính xác về mặt phẳng (Horizontal DOP)
+ VDOP là chỉ số phân tán độ chính xác về độ cao (Vertical DOP)
+ GDOP là chỉ số phân tán độ chính xác về hình học (Geometric DOP)
Đồ hình phân bố vệ tinh được thiết kế sao cho chỉ số P DOP đạt xấp xỉ.
Với xác xuất 90% thời gian. Đồ hình vệ tinh đạt yêu cầu với chỉ số P DOP < 4.

Hình I.15. Sai số đồ hình vệ tinh
7) Các sai số do người đo
Khi đo GPS, tâm hình học của anten máy thu cần đặt chính xác trên tâm mốc
điểm đo theo đường dây dọi. Anten phải đặt cân bằng, chiều cao từ tâm mốc đến tâm
hình học của anten cần đo và ghi lại chính xác. Đo chiều cao, anten không đúng
thường là lỗi hay mắc phải của người đo GPS. Ngay cả khi xác định toạ độ phẳng đo
chiều cao quan trọng vì GPS là hệ thống định vị 3 chiều, sai số chiều cao sẽ lan truyền
sang vị trí mặt phẳng và ngược lại.
Một loại sai số đo khác nữa là chiều trong trị đo GPS. Nguyên nhân là do phần
mạch điệu tử và sự suy giảm độ chính xác của máy thu. Các thiết bị mới hiện đại hơn
sẽ cung cấp dữ liệu sạch hơn.

8) Tâm pha của anten
Tâm pha là một điểm nằm bên trong anten, là nơi tín hiệu GPS biến đổi thành
tín hiệu trong mạch điện. Các trị đo khoảng cách được tính vào điểm này. Điều này có
ý nghĩa quan trọng đối với công tác trắc địa. Ở nhà máy chế tạo, anten đã được kiểm
định cho tâm pha trùng với tâm hình học của nó. Tuy nhiên tâm pha thay đổi vị trí phụ
thuộc vào đồ hình vệ tinh. Ảnh hưởng này có thể kiểm định trước khi đo hoặc sử dụng
mô hình tâm pha ở giai đoạn tính xử lý. Quy định cần phải tuân theo là khi đặt anten
cần đóng theo cùng một hướng (thường là hướng Bắc) và tốt nhất sử dụng cùng một
loại anten cho cùng một ca đo. Các nguồn lối và biện pháp khắc phục được tổng hợp
trong bảng I.3

Trang 25