Ứng dụng công nghệ GPS xây dựng lưới địa chính phục vụ công tác thành lập bản đồ địa chính cho cụm 03 xã miền núi thuộc huyện thạch thất thành phố hà nội

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT

HỌC VIỆN NÔNG NGHIỆP VIỆT NAM
--------------------

BÙI ĐỨC TUỆ

ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ GPS XÂY DỰNG LƯỚI ĐỊA CHÍNH
PHỤC VỤ CÔNG TÁC THÀNH LẬP BẢN ĐỒ ĐỊA CHÍNH
CHO CỤM 03 XÃ MIỀN NÚI THUỘC HUYỆN THẠCH THẤT
THÀNH PHỐ HÀ NỘI

LUẬN VĂN THẠC SĨ

HÀ NỘI – 2015


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT

HỌC VIỆN NÔNG NGHIỆP VIỆT NAM
--------------------

BÙI ĐỨC TUỆ

ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ GPS XÂY DỰNG LƯỚI ĐỊA CHÍNH
PHỤC VỤ CÔNG TÁC THÀNH LẬP BẢN ĐỒ ĐỊA CHÍNH
CHO CỤM 03 XÃ MIỀN NÚI THUỘC HUYỆN THẠCH THẤT

THÀNH PHỐ HÀ NỘI

CHUYÊN NGÀNH
MÃ SỐ

: QUẢN LÝ ĐẤT ĐAI
: 60.85.01.03

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
TS. LÊ MINH TÁ

HÀ NỘI – 2015


LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan số liệu và kết quả nghiên cứu trong luận văn này là
trung thực và chưa được sử dụng để bảo vệ một học vị nào. Nội dung đề tài này
là những kết quả nghiên cứu, những ý tưởng khoa học được tổng hợp từ công
trình nghiên cứu, các công tác thực nghiệm, các công trình sản xuất do tôi trực
tiếp tham gia thực hiện.
Tôi xin cam đoan, các thông tin trích dẫn trong luận văn đều đã được chỉ
rõ nguồn gốc.
Hà Nội, ngày.... tháng.... năm 2015
TÁC GIẢ LUẬN VĂN

Bùi Đức Tuệ

Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Nông nghiệp

Page i


LỜI CẢM ƠN
Để hoàn thành được đề tài, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến:
Ban Giám đốc Học viện Nông nghiệp Việt Nam cùng quý Thầy Cô giáo đã
giảng dạy, truyền đạt kiến thức cho tôi trong suốt thời gian tôi tham gia khóa học của
Học viện.
TS. Lê Minh Tá đã hết lòng quan tâm, trực tiếp hướng dẫn tôi trong quá trình
thực hiện đề tài.
Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành đến gia đình, bạn bè đã giúp đỡ,
động viên và đóng góp ý kiến cho tôi trong suốt quá trình học tập và hoàn thành
đề tài.
Do thời gian thực hiện có hạn, kinh nghiệm thực tiễn của bản thân chưa
nhiều, luận văn khó tránh khỏi những thiếu sót, kính mong nhận được sự đóng góp
ý kiến của quý Thầy Cô để đề tài hoàn thiện hơn.
Hà Nội, ngày.... tháng.... năm 2015
TÁC GIẢ LUẬN VĂN

Bùi Đức Tuệ

Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Nông nghiệp

Page ii


MỤC LỤC

Lời cam đoan

i

Lời cảm ơn

ii

Mục lục

iii

Danh mục các từ viết tắt

vi

Danh mục các bảng

vii

Danh mục các hình

viii

MỞ ĐẦU

1

1

Tính cấp thiết của đề tài

1

2

Mục đích của đề tài

2

3

Yêu cầu của đề tài

2

4

Tính khoa học và thực tiễn của đề tài

2

Chương I. TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

3

1. K 3
1
1. hK 3
1.
1. hC 6
1.

1.
1.
1.

áC 9
áL 13
1.
1. ịc
G 21
1.
1. iớ
C 24
2
1.
2.
1.

áS 24
ai
S 24
2.
1. ai
S 25
2.
1. ai
S 26
2.
1.
2.
1.

ai
S 26
ai
Ư 26
3
1. uƯ 26
3.
1. uN 27
3.

h

Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Nông nghiệp

Page 3


1.4
Lưới
1.4.1

2
7
2

Khái
1.4.2
Cơ
1.5 sở

7
2
9
3

Ứng
Chươ 3
ng II. N3
2. Đ G6
3
1
2. ối
P 6
3
2
2. hN 6
3
3
2.
4
2.

ội
P
hP

6
3
7

3

4.
2.
4.
2.

hP
hP

7
3
7
3

4.
2.
4.
2.

hP
hP

7
3
7
3

4. h 7
Chương

III.
3. KẾT
Đ
1

iề
T 3
3. hĐ 8
3
1.
3. ặĐ 8
4
1.
3.
2

ặX 0
âT 4
3. hQ 1
4
2.
3. uT 1
4
2.
3.
2.
3.

hi
C

hT

2
4
4
4

2.
3.
3
3.

ổĐ
oX

8
5
2
5

4
3.
4.
3.

ử
T
ạX

3

5
5
5

4.

ử 9

Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Nông nghiệp

Page 4


3.
4.
3.

6
2
6

53.
6K

3
6
6
6

ẾT

1
Kế
2

8
6
8
6

Ki
9
T
7
ÀI
P 10
H

Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Nông nghiệp

Page 5


DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
BĐĐC

: Bản đồ địa chính

DOP

: Dilution of Precision

Độ mất chính xác

GPS

: Global Positioning System
Hệ thống định vị toàn cầu

HDOP

: Horizon Dilution of Precision
Độ mất chính xác theo phương ngang

PDOP

: Position Dilution of Precision
Độ mất chính xác vị trí vệ tinh theo 3D

Ratio

: Tỉ số phương sai

Reference Variance

: Độ chênh lệch tham khảo

Rms

: Sai số chiều dài cạnh

TBC

: Trimble Business Center

VDOP

: Vertiacal Dilution of Precision
Độ mất chính xác theo phương dọc

X, Y, h

: Tọa độ X, Y, Độ cao thủy chuẩn tạm thời

Mx, My, Mh

: Sai số theo phương x, y, h

Mp

: Sai số vị trí điểm

Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Nông nghiệp

Page 6


DANH MỤC CÁC BẢNG
ST
T

1.

3.
1
3.
2
3.
3
3.
4
3.
5
3.
6

ng
Tên
b
2
T

3
S 4
ốT 5
4
oS 5
6
ốK 3
6
ếS 5
oh 6
iS 6

6
o 7

Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Nông nghiệp

Page vii


DANH MỤC CÁC HÌNH

ST T T
T
1. Mh 3 g
1
1. ôC 5
2
1.
3
1.
4
1.
5
1.
6
1.
7
1.
8
1.
9

1.

ấC 6
áC 6
áX 7
áK 9
ỹK 10
ỹK 12
ỹM 22

áM 22
10
3. áQ 46
1
3. uẢ 47
2
3.
3
3.
4
3.
5
3.
6
3.
7
3.
8
3.
9

3.

nC 49
ử
C 50
ử
C 50
ử
C 51
ử
G 55
ia
N 56
hN 56

hN 57
10
3. hH 57
11
3. ộH 58
12
3.
13
3.

ộP 59
la
P 59

14

3.
15
3.

rP 60
rS 61
16
3. eS 63
17 ơ
Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Nông nghiệp

Page viii


MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Phát triển và ứng dụng khoa học công nghệ trong mọi lĩnh vực của cuộc
sống, xã hội được coi là con đường nhanh nhất để rút ngắn thời gian thực hiện sự
nghiệp công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước. Đây cũng chính là vấn đề đang
được toàn Đảng, toàn dân hết sức quan tâm, khi mà khoa học công nghệ đang từng
ngày mở rộng với sự phát triển của nền kinh tế tri thức trong thời đại mới, thời kỳ
hội nhập.
Hệ thống định vị toàn cầu GPS là hệ thống định vị, dẫn đường sử dụng các
vệ tinh nhân tạo được Bộ Quốc phòng Mỹ triển khai từ những năm đầu thập kỷ
70. Ban đầu, hệ thống này được dùng cho mục đích quân sự nhưng sau đó đã được
thương mại hóa, từ năm 1980 hệ thống định vị toàn cầu GPS đã được sử dụng vào
mục đích dân sự. Ngày nay, trong rất nhiều lĩnh vực của đời sống kinh tế, xã hội
đã và đang áp dụng công nghệ GPS. Trong ngành trắc địa, công nghệ GPS đã mở
ra thời kỳ mới, đã thay thế công nghệ truyền thống trong việc thành lập và xây
dựng mạng lưới tọa độ các cấp. Với ngành trắc địa bản đồ thì đây là cuộc cách

mạng thực sự về cả kỹ thuật, chất lượng cũng như hiệu quả kinh tế trên phạm vi
toàn thế giới nói chung và ở Việt Nam nói riêng.
Hệ thống định vị toàn cầu GPS đã được công nhận và sử dụng rộng rãi như
một công nghệ tin cậy, hiệu quả trong trắc địa bản đồ bởi các tính ưu việt sau: Có
thể xác định tọa độ của các điểm từ điểm gốc khác mà không cần thông hướng; độ
chính xác đo đạc ít phụ thuộc vào điều kiện thời tiết (có thể đo trong mọi điều kiện
thời tiết); việc xác định tọa độ các điểm rất nhanh chóng, tính chính xác cao, ở bất
kỳ vị trí nào trên trái đất; kết quả đo đạc có thể tính trong hệ tọa độ toàn cầu hoặc hệ
tọa độ địa phương bất kỳ.
Cùng với thời gian, công nghệ GPS ngày càng phát triển hoàn thiện theo
chiều hướng chính xác, hiệu quả, thuận tiện hơn và được sử dụng rộng rãi. Người ta
đã sử dụng công nghệ GPS để xây dựng lưới tọa độ nhà nước thay thế cho các
phương pháp truyền thống, đạt được độ chính xác cao.

Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Nông nghiệp

Page 1


Huyện Thạch Thất thành phố Hà Nội những năm qua có tốc độ phát triển
kinh tế tương đối nhanh cùng với việc thay đổi địa giới hành chính của huyện kéo
theo nhu cầu sử dụng đất ngày càng tăng. Chính vì thế nhu cầu bức thiết trong quản
lý đất đai của huyện là phải thành lập được bản đồ địa chính (BĐĐC) có độ chính
xác cao. Muốn có được điều đó cần phải xây dựng hệ thống lưới địa chính trên địa
bàn huyện.
Để mở rộng khả năng sử dụng công nghệ GPS, góp phần đưa công nghệ mới
vào sản xuất, xây dựng hệ thống lưới địa chính huyện Thạch Thất thành phố Hà
Nội, tôi tiến hành nghiên cứu đề tài:
“Ứng dụng công nghệ GPS xây dựng lưới địa chính phục vụ công tác
thành lập bản đồ địa chính cho cụm 03 xã miền núi thuộc huyện Thạch Thất

thành phố Hà Nội ”
2. Mục đích của đề tài
- Thiết kế, thi công lưới địa chính trên địa bàn khu đo thuộc huyện Thạch
Thất - Thành Phố Hà Nội bằng công nghệ GPS.
- Phân tích, đánh giá độ chính xác và khả năng ứng dụng công nghệ GPS xây
dựng lưới địa chính ở khu vực huyện Thạch Thất.
3. Yêu cầu của đề tài
- Xây dựng lưới địa chính cho cụm 03 xã miền núi Yên Trung, Yên Bình,
Tiến Xuân của huyện Thạch Thất thành phố Hà Nội bằng công nghệ GPS.
- Các yêu cầu kỹ thuật xây dựng lưới tuân theo quy phạm hiện hành của Bộ
Tài nguyên và Môi trường.
4. Tính khoa học và thực tiễn của đề tài
Dựa trên công nghệ GPS để xây dựng hệ thống lưới địa chính thay thế cho
phương pháp xây dựng lưới truyền thống, góp phần đưa công nghệ mới vào sản xuất
nhằm nâng cao độ chính xác, mang lại hiệu quả kinh tế - kỹ thuật trong thực tế sản
xuất khi xây dựng lưới khống chế trắc địa nói chung và lưới khống chế địa chính ở
vùng núi huyện Thạch Thất thành phố Hà Nội nói riêng.

Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Nông nghiệp

Page 2


Chương I. TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
1.1. Khái quát về hệ thống định vị toàn cầu GPS
1.1.1. Khái niệm về GPS
Tên tiếng Anh đầy đủ của GPS là Navigation Satellite Timing and Ranging
Global Positioning System. Đây là một hệ thống radio hàng hải dựa vào các vệ tinh
để cung cấp thông tin vị trí 3 chiều và thời gian chính xác. Hệ thống luôn sẵn sàng
trên phạm vi toàn cầu và hoạt động trong mọi điều kiện thời tiết. (Ahmed ElRabbany,2007)

Hình 1.1: Mô hình hình ảnh trái đất và vệ tinh GPS
*Các thành phần của GPS:
GPS gồm 3 đoạn: đoạn không gian, đoạn điều khiển và đoạn người sử
dụng.
(Ahmed El-Rabbany,2007)

• Đoạn không gian ( Space Segment )
- Hệ thống ban đầu có 24 vệ tinh, trong đó có 3 vệ tinh dự trữ. Hiện nay đã
có 31 vệ tinh bay xung quanh Trái đất trên 6 quỹ đạo gần tròn cách đều nhau, với độ
Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Nông nghiệp

Page 3


0

cao khoảng 20.200km, góc nghiêng 55 so với mặt phẳng xích đạo của trái đất. Chu
kỳ quay của vệ tinh là 718 phút.
- Chức năng chính của các vệ tinh là:
+ Nhận và lưu trữ dữ liệu được gửi lên từ các trạm điều khiển.
+ Duy trì thời gian chính xác bởi đồng hồ nguyên tử gắn trên vệ tinh.
+ Truyền thông tin và dữ liệu cho người sử dụng theo hai tần số là L1 và L2.
- Mỗi vệ tinh được 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 và từ đây tạo ra

các sóng tải tần số L1=1575,42 MHz và L2=1227,60 MHz. Để giảm ảnh hưởng của
tầng điện ly người ta sử dụng hai tần số.
- Để phục vụ cho các mục đích và đối tượng khác nhau, các tín hiệu phát
đi được điều biến mang theo các code riêng biệt đó là: C/A- Code, P-Code và
Y- Code.
+ C/A-Code (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.
+ P-Code (Precision Code) là code chính xác được sử dụng cho các mục
đích quân sự của Mỹ và chỉ dùng cho các mục đích khác khi được phía Mỹ cho
phép. P-Code điều biến cả hai sóng tải L1, L2 và là code tựa ngẫu nhiên.
+ Y-Code là Code bí mật được phủ lên P-Code nhằm chống bắt chiếc, gọi là
kỹ thuật AS (Anti Spoosing), chỉ có vệ tinh thuộc các khối từ sau năm 1989 mới có
khả năng này.

Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Nông nghiệp

Page 4


Hình 1.2: Cấu trúc tín hiệu GPS
• Đoạn điều khiển (Control Segment)
Có 5 trạm điều khiển trên mặt đất: Hawaii (Thái Bình Dương), Colorado
Springs (Căn cứ không quân Mỹ), Ascension Island (Đại Tây Dương), Diego
Garcia (Ấn Độ Dương) và Kwajalein (Thái Bình Dương), trong đó có 1 trạm trung
tâm đặt tại Colorado Springs.
Nhiệm vụ của đoạn điều khiển là điều khiển toàn bộ hoạt động và chức
năng của các vệ tinh trên cơ sở theo dõi chuyển động quỹ đạo của các vệ tinh và hoạt
động của đồng hồ trên đó. Tất cả các số liệu đo khoảng cách, sự thay đổi khoảng cách,
các số liệu đo khí tượng ở mỗi trạm đều được truyền về trạm trung tâm. Trạm trung

tâm xử lý các số liệu được truyền từ các trạm theo dõi và số liệu đo của chính nó để
cho ra các ephemerit chính xác hoá của vệ tinh và số hiệu chỉnh cho các đồng hồ vệ
tinh. Các số liệu này được truyền trở lại cho các trạm theo dõi và từ đó truyền tiếp
lên cho các vệ tinh cùng các lệnh điều khiển khác.

Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Nông nghiệp

Page 5


Hình 1.3: Các trạm điều khiển GPS
• Đoạn sử dụng (User Segment)
Gồm các máy thu đặt trên mặt đất, bao gồm phần cứng và phần mềm.
- Phần cứng là các máy đo có nhiệm vụ thu tín hiệu vệ tinh để khai thác, sử
dụng cho các mục đích, yêu cầu khác nhau của khách hàng.
- Phần mềm có nhiệm vụ xử lý các thông tin để cung cấp tọa độ của máy thu.

Hình 1.4: Các thành phần chính của GPS
1.1.2. Các đại lượng đo
Việc định vị bằng GPS thực hiện trên cơ sở sử dụng hai dạng đại lượng đo
cơ bản, đó là đo khoảng cách giả theo các code tựa ngẫu nhiên (C/A-code và P-

Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Nông nghiệp

Page 6


code) và đo pha của sóng tải L1, L2 và tổ hợp L1/L2. (Alfred Leick,1995)
• Đo khoảng cách giả theo C/A-code và P-code
Code tựa ngẫu nhiên được phát đi từ vệ tinh cùng với sóng tải. Máy thu GPS

cũng tạo ra code tựa ngẫu nhiên đúng như vậy. Bằng cách so sánh code thu từ vệ
tinh và code của chính máy thu tạo ra có thể xác định được khoảng thời gian lan
truyền của tín hiệu code, từ đó dễ dàng xác định được khoảng cách từ vệ tinh đến
máy thu (đến tâm anten của máy thu). Do có sự không đồng bộ giữa đồng hồ của vệ
tinh và máy thu, do có ảnh hưởng của môi trường lan truyền tín hiệu nên khoảng
cách tính theo khoảng thời gian đo được không phải là khoảng cách thực giữa vệ
tinh và máy thu, đó là khoảng cách giả.
1 1 0 0 0 1 1 1 1 0 1 0 0 0 1 1
Code chuyền từ vệ tinh
1 1 0 0 0 1 1 1 1 0 1 0 0 0 1 1
Code thu được
1 1 0 0 0 1 1 1 1 0 1 0 0 0 1 1
Code do máy thu tạo ra
∆δ
∆t

Hình 1.5: Xác định hiệu số giữa các thời điểm
Nếu ký hiệu tọa độ của vệ tinh là xs, ys, zs; tọa độ của điểm xét (máy thu) là
x,y,z; thời gian lan truyền tín hiệu từ vệ tinh đến điểm xét là t, sai số không đồng bộ
giữa đồng hồ trên vệ tinh và trong máy thu là ∆t, khoảng cách giả đo được là R, ta
có phương trình:

R = c(t + ∆t ) = ( x s − x)2 + ( y s − y)2 + ( z s −
z)

2

+ c∆t

(1.1)

Trong đó, c là tốc độ lan truyền tín hiệu.
Trong trường hợp sử dụng C/A-code, theo dự tính của các nhà thiết kế hệ
thống GPS, kỹ thuật đo khoảng thời gian lan truyền tín hiệu chỉ có thể đảm bảo độ
chính xác đo khoảng cách tương ứng khoảng 30m. Nếu tính đến ảnh hưởng của điều

Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Nông nghiệp

Page 7


kiện lan truyền tín hiệu, sai số đo khoảng cách theo C/A code sẽ ở mức 100 m là
mức có thể chấp nhận được để cho khách hàng dân sự được khai thác. Song kỹ
thuật xử lý tín hiệu code này đã được phát triển đến mức có thể đảm bảo độ chính
xác đo khoảng cách khoảng 3m, tức là hầu như không thua kém so với trường hợp
sử dụng P-code vốn không dành cho khách hàng đại trà. Chính vì lý do này mà
trước đây Chính phủ Mỹ đã đưa ra giải pháp SA để hạn chế khả năng thực tế của
C/A code. Nhưng ngày nay do kỹ thuật đo GPS có thể khắc phục được nhiễu SA,
Chính phủ Mỹ đã tuyên bố bỏ nhiễu SA trong trị đo GPS từ tháng 5 năm 2000.
• Đo pha sóng tải
Các sóng tải L1, L2 được sử dụng cho việc định vị với độ chính xác cao. Với
mục đích này người ta tiến hành đo hiệu số giữa pha của sóng tải do máy thu nhận
được từ vệ tinh và pha của tín hiệu do chính máy thu tạo ra. Hiệu số pha do máy thu
đo được ta ký hiệu là Φ (0<Φ<2π).
Khi đó ta có thể viết:
2π
Φ = λ ( R − N λ + c∆t
)
Trong đó: R là khoảng cách giữa vệ tinh và máy thu;

(1.2)

λ là bước sóng của sóng tải;
N là số nguyên lần bước sóng λ chứa trong R, N còn được gọi là số
nguyên đa trị, thường không biết trước mà cần phải xác định trong thời gian đo;

∆t là sai số đồng bộ giữa đồng hồ của vệ tinh và máy thu;
Trong trường hợp đo pha theo sóng tải L1 có thể xác định khoảng cách giữa
vệ tinh và máy thu với độ chính xác cỡ cm, thậm chí nhỏ hơn. Sóng tải L2 cho độ
chính xác thấp hơn, nhưng tác dụng của nó là cùng với L1 tạo ra khả năng làm giảm
đáng kể tầng điện ly và việc xác định số nguyên đa trị được đơn giản hơn.


Hình 1.6: Kỹ thuật giải đa trị tại các máy thu
1.1.3. Các phương pháp định vị
1.1.3.1. Định vị tuyệt đối (point positioning)
Đây là trường hợp sử dụng máy thu GPS để xác định ngay tọa độ của điểm
quan sát trong hệ tọa độ WGS-84. Đó có thể là các thành phần tọa độ vuông góc
không gian (X,Y,Z) hoặc các thành phần tọa độ trắc địa mặt cầu (B,L,H). Hệ thống
tọa độ WGS-84 là hệ thống tọa độ cơ sở của GPS, tọa độ của vệ tinh và điểm quan
sát đều lấy theo hệ thống tọa độ này.
Việc đo GPS tuyệt đối được thực hiện trên cơ sở sử dụng đại lượng đo là
khoảng cách giả từ vệ tinh đến máy thu theo nguyên tắc giao hội cạnh không gian từ
các điểm đã biết tọa độ là các vệ tinh. (Alfred Leick,1995)
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 và 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 trên vệ tinh và
đồng hồ trong máy thu đều có sai số, nên 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 vệ tinh thứ 4, ta có hệ phương trình:


2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

(XS1- X) +(YS1- Y) +(ZS1- Z) = (R1-c∆t)
(XS2- X) +(YS2- Y) +(ZS2- Z) = (R2-c∆t)
(XS3- X) +(YS3- Y) +(ZS3- Z) = (R3-c∆t)

(1.3)

2

(XS4- X) +(YS4- Y) +(ZS4- Z) = (R4-c∆t)

2

Với khoảng cách giả đo đồng thời từ 4 vệ tinh đến máy thu chúng ta sẽ
lập được hệ phương trình dạng (1.3) với 4 ẩn số (X, Y, Z, ∆t). Giải hệ phương trình
trên chúng ta tìm được tọa độ tuyệt đối của máy thu và số hiệu chỉnh đồng hồ của máy
thu.
Trên thực tế với hệ thống vệ tinh hoạt động đầy đủ như hiện nay, số lượng vệ
tinh mà các máy thu quan sát được thường từ 6-8 vệ tinh, khi đó số lượng phương
trình sẽ lớn 4 và nghiệm của phương trình sẽ tìm theo nguyên lý số bình phương
nhỏ nhất.

Hình 1.7: Kỹ thuật định vị tuyệt đối
1.1.3.2. Định vị tương đối (Relative Positioning)
Đo GPS tương đối là trường hợp sử dụng hai máy thu GPS đặt ở hai điểm
quan sát khác nhau để xác định ra hiệu tọa độ vuông góc không gian (∆X, ∆Y, ∆Z)
hay hiệu tọa độ trắc địa mặt cầu (∆B, ∆L, ∆H) giữa chúng trong hệ tọa độ WGS-84.
Nguyên tắc đo GPS tương đối được thực hiện trên cơ sở sử dụng đại lượng
Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Nông nghiệp

Page 10


đo là pha của sóng tải. Để đạt được độ chính xác cao và rất cao cho kết quả xác định

Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Nông nghiệp

Page 11


hiệu tọa độ giữa hai điểm xét, người ta đã tạo ra và sử dụng các sai phân khác nhau
cho pha sóng tải nhằm làm giảm ảnh hưởng đến các nguồn sai số khác nhau như:
Sai số của đồng hồ vệ tinh cũng như của máy thu, sai số tọa độ vệ tinh, sai số số
nguyên đa trị,...
j

Ta ký hiệu Φ r (t i) là hiệu pha của sóng tải từ vệ tinh j đo được tại trạm r vào
thời điểm ti, khi đó nếu hai trạm đo 1 và 2 ta quan sát đồng thời vệ tinh j vào thời
điểm ti, ta sẽ có sai phân bậc một được biểu diễn như sau:
1

j

∆ Φ (ti)= Φ2j(ti)- Φ1 j(ti)

(1.4)

Trong sai phân này hầu như không còn ảnh hưởng của sai số đồng hồ vệ tinh.
Nếu hai trạm cùng tiến hành quan sát đồng thời hai vệ tinh j và k vào thời

điểm ti, ta có phân sai bậc hai:
2

j,k

1

k

1

j

∆ Φ (ti)= ∆ Φ (ti)- ∆ Φ (ti)

(1.5)

Qua công thức này ta thấy không còn ảnh hưởng của sai số đồng hồ vệ tinh
và máy thu.
Nếu xét hai trạm cùng tiến hành quan sát đồng thời hai vệ tinh j và k vào thời
điểm ti và ti+1, ta sẽ có phân sai bậc ba:
3

j,k

2

j,k

2

j,k

∆ Φ = ∆ Φ (ti+1)- ∆ Φ (ti)

(1.6)

Sai phân này cho phép loại trừ sai số số nguyên đa trị.
Hiện nay hệ thống GPS có khoảng 32 vệ tinh hoạt động. Do vậy, tại mỗi thời
điểm ta có thể quan sát được số vệ tinh nhiều hơn 4. Bằng cách tổng hợp theo từng
cặp vệ tinh sẽ có rất nhiều trị đo, mặt khác thời gian thu tín hiệu trong đo tương đối
thường khá dài vì vậy số lượng trị đo để xác định ra hiệu tọa độ giữa hai điểm là rất
lớn, khi đó bài toán sẽ giải theo phương pháp số bình phương nhỏ nhất.


Hình 1.8: Kỹ thuật định vị tương đối
Định vị tương đối có các phương pháp đo cơ bản sau đây:
- Phương pháp đo tĩnh: Phương pháp đo tĩnh được sử dụng để xác định hiệu
tọa độ (hay vị trí tương hỗ) giữa hai điểm xét với độ chính xác cao, nhằm đáp ứng
yêu cầu của công tác trắc địa. Trong trường hợp này cần có ít nhất hai máy thu, một
máy đặt ở điểm đã biết tọa độ còn máy kia đặt tại điểm cần xác định. Cả hai máy
thu đồng thời thu tín hiệu từ một số vệ tinh chung trong một khoảng thời gian nhất
định, thường từ một đến hai ba giờ đồng hồ. Số vệ tinh tối thiểu cho hai trạm quan
sát là 5. Khoảng thời gian quan sát kéo dài là để cho đồ hình phân bố vệ tinh thay
đổi từ đó ta có thể xác định được số nguyên đa trị của sóng tải và đồng thời là để có
nhiều trị đo nhằm đạt độ chính xác cao và ổn định kết quả quan sát.
Đây là phương pháp đạt được độ chính xác cao nhất trong việc định vị
tương đối bằng GPS, có thể cỡ centimet, thậm chí là milimet ở khoảng cách giữa
hai điểm xét tới hàng chục và hàng trăm kilomet. Nhược điểm của phương pháp là
thời gian đo phải kéo dài hàng giờ, do vậy năng xuất đo thường không cao. (Alfred

Leick,1995)

- Phương pháp đo động: Phương pháp đo động cho phép xác định vị trí
tương đối của hàng loạt điểm so với điểm đã biết. Phương pháp này cần có ít nhất
hai máy thu để xác định số nguyên đa trị của tín hiệu vệ tinh, cần phải có một cạnh


đáy đã biết được gối lên điểm đã có tọa độ. Sau khi đã xác định số nguyên đa trị
được giữ nguyên để tính khoảng cách từ vệ tinh đến máy thu cho các điểm đi tiếp
sau trong suốt cả chu kỳ đo. Nhờ vậy, thời gian thu tín hiệu tại điểm đo không phải
là một giờ đồng hồ như trong phương pháp đo tĩnh nữa mà chỉ còn một phút trong
phương pháp này. (Alfred Leick,1995)
1.1.3.3. Định vị vi phân (Differential GPS) (Alfred Leick,1995)
Phương pháp này dùng một máy thu đặt cố định tại điểm đã biết tọa độ và
máy thu này có khả năng phát ra tín hiệu vô tuyến, đồng thời có máy di động khác
đặt ở vị trí cần xác định tọa độ. Cả máy cố định và máy di động cần đồng thời tiến
hành thu tín hiệu từ các vệ tinh như nhau. Nếu thông tin từ vệ tinh bị nhiễu thì kết
quả xác định tọa độ của cả máy cố định và máy di động cũng đều bị sai lệch, độ sai
lệch này được xác định trên cơ sở so sánh tọa độ tính ra theo tín hiệu thu được từ vệ
tinh và tọa độ đã biết trước của máy cố định và có thể xem là như nhau cho cả máy
cố định và máy di động. Nó được máy cố định phát đi qua sóng vô tuyến để máy di
động thu nhận mà hiệu chỉnh cho kết quả xác định tọa độ của mình.
1.1.4. Lịch sử phát triển công nghệ GPS
1.1.4.1. Trên thế giới
Từ những năm 60 của thế kỷ 20, Cơ quan Hàng không và Vũ trụ (NASA)
cùng với Quân đội Hoa Kỳ đã tiến hành chương trình nghiên cứu, phát triển hệ
thống dẫn đường và định vị chính xác bằng vệ tinh nhân tạo. Hệ thống định vị dẫn
đường bằng vệ tinh thế hệ đầu tiên là hệ thống TRANSIT. Hệ thống này có 6 vệ
tinh, hoạt động theo nguyên lý Doppler. Hệ TRANSIT được sử dụng trong thương
mại vào năm 1967. Một thời gian ngắn sau đó TRANSIT bắt đầu ứng dụng trong

trắc địa. Việc thiết lập mạng lưới điểm định vị khống chế toàn cầu là những ứng
dụng sớm nhất và giá trị nhất của hệ TRANSIT.
Định vị bằng hệ TRANSIT cần thời gian quan trắc rất lâu mà độ chính xác
chỉ đạt khoảng 1m. Do vậy trong trắc địa hệ TRANSIT chỉ phù hợp với công tác
xây dựng các mạng lưới khống chế cạnh dài. Hệ này không thoả mãn được các
ứng dụng đo đạc thông dụng như đo đạc bản đồ, các công trình dân dụng. (Bùi
Hồng Thắm, 2014)


Tiếp sau thành công của hệ TRANSIT. Hệ thống định vị vệ tinh thế hệ thứ
hai ra đời có tên là NAVSTAR-GPS (Navigtion Satellite Timing And Ranging Global Positioning System), được gọi tắt là GPS. Hệ thống này bao gồm 24 vệ tinh
phát tín hiệu, bay quanh trái đất theo những quỹ đạo xác định. Độ chính xác định vị
bằng hệ thống này được nâng cao về chất so với hệ TRANSIT. Nhược điểm về thời
gian quan trắc đã được khắc phục. Một năm sau khi phóng vệ tinh thử nghiệm NTS2 (Navigation Technology Sattellite 2 ), giai đoạn thử nghiệm vận hành hệ thống
GPS bắt đầu với việc phóng vệ tinh GPS mẫu "Block I". Từ năm 1978 đến năm
1985 có 11 vệ tinh Block I đã được phóng lên quỹ đạo. Hiện nay hầu hết số vệ tinh
thuộc Block I đã hết thời hạn sử dụng. Vệ tinh thế hệ thứ II (Block II) bắt đầu được
phóng vào năm 1989. Sau giai đoạn này 24 vệ tinh này đã triển khai trên 6 quỹ đạo
0

nghiêng 55 so với mặt phẳng xích đạo trái đất với chu kỳ gần 12 giờ ở độ cao xấp
xỉ 12.600 dặm (20.200km). Loại vệ tinh bổ sung thế hệ III được thiết kế thay thế
những vệ tinh Block II được phóng lần đầu vào năm 1995. Cho đến nay đã có 27 vệ
tinh của hệ thống GPS đang hoạt động trên quỹ đạo.
Cùng có tính năng tương tự với hệ thống GPS đang hoạt động còn có hệ
thống GLONASS của Nga (nhưng không thương mại hóa rộng rãi) và một hệ thống
tương lai sẽ cạnh tranh thị trường với hệ thống GPS là hệ thống GALILEO của
Cộng đồng Châu Âu.
Có thể nói, ứng dụng đầu tiên của công nghệ GPS trong trắc địa là đo đạc
các mạng lưới khống chế trắc địa mặt bằng. Bởi vì, ưu điểm chủ yếu và quan trọng

nhất của công nghệ GPS là có thể xác định được véc tơ cạnh giữa các điểm khống
chế trắc địa với độ chính xác cao mà không cần tầm thông hướng giữa các điểm.
Phương pháp đo tương đối tĩnh là phương pháp được sử dụng chủ yếu để đo các
mạng lưới khống chế trắc địa.
Hiện nay, việc ứng dụng công nghệ GPS để xây dựng các mạng lưới khống
chế trắc địa đã được ứng dụng phổ biến, đại trà trong sản xuất, ở Việt Nam cũng
như các nước trên thế giới, bằng kỹ thuật đo tương đối tĩnh, người ta có thể xây
dựng được các mạng lưới có cạnh dài đến hàng ngàn mét. Các mạng lưới của từng
quốc gia, của các quốc gia trong khu vực hay trên toàn thế giới.