ỨNG DỤNG HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ TOÀN CẦU GPS ĐO ĐẠC LƯỚI TỌA ĐỘ ĐỊA CHÍNH KHU VỰC THỊ TRẤN PHÚ LỘC, HUYỆN THẠNH TRỊ, TỈNH SÓC TRĂNG

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:

ỨNG DỤNG HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ TOÀN CẦU (GPS)
XÂY DỰNG LƯỚI TỌA ĐỘ ĐỊA CHÍNH KHU VỰC
THỊ TRẤN PHÚ LỘC, HUYỆN THẠNH TRỊ,
TỈNH SÓC TRĂNG

: HUỲNH NHẬT HUY
SVTH
: 06151009
MSSV
: DH06DC
LỚP
: 2006 – 2010
KHÓA
NGÀNH : Công Nghệ Địa Chính

- TP. Hồ Chí Minh, tháng 07 năm 2010 -


TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM TP. HỒ CHÍ MINH
KHOA QUẢN LÝ ĐẤT ĐAI & BẤT ĐỘNG SẢN
BỘ MÔN CÔNG NGHỆ ĐỊA CHÍNH

HUỲNH NHẬT HUY

ỨNG DỤNG HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ TOÀN CẦU GPS
ĐO ĐẠC LƯỚI TỌA ĐỘ ĐỊA CHÍNH KHU VỰC
THỊ TRẤN PHÚ LỘC, HUYỆN THẠNH TRỊ,
TỈNH SÓC TRĂNG

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

Ký tên

………………………………………………...………………………………

- TP. Hồ Chí Minh, tháng 07 năm 2010 -


LỜI CẢM ƠN 
Đầu tiên con xin ghi nhớ công ơn cha mẹ – người đã sinh 
thành, nuôi dưỡng và tạo mọi điều kiện cho con đến ngày hôm nay. 
Con cảm ơn những người thân trong gia đình đã động viên và giúp 
đỡ con trong suốt quá trình học tập. 
Em cảm ơn những thầy cô trường ĐH Nông Lâm TP.HCM 
đã truyền đạt cho em những kiến thức quý báu trong thời gian học 
tập  tại  trường.  Đặc  biệt  em  xin  chân  thành  cảm  ơn  thầy  Đặng 
Quang  Thịnh  cùng  các  thầy  cô  bộ  môn  Công  nghệ  Địa  chính  và 
khoa Quản lý Đất đai và Bất Động sản đã tận tình giúp đỡ, hướng 
dẫn, cung cấp tài liệu, hỗ trợ kiến thức,… tạo mọi điều kiện thuận 
lợi cho em hoàn thành báo cáo tốt nghiệp này. 
Em xin chân thành cảm ơn các cô chú, các anh chị làm việc 
tại Xí Nghiệp Trắc Địa Bản Đồ 305 – Công ty Đo đạc Địa chính và Công

trình đã nhiệt tình giúp đỡ và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho em trong 
suốt thời gian thực tập và thực hiện đề tài này. 
Cảm ơn sự giúp đỡ của bạn bè trong suốt quá trình học tập 
và thực hiện đề tài này. 
Do hiểu biết còn hạn chế và thời gian thực tập ngắn nên đề 
tài không thể tránh khỏi những sai sót rất kính mong được sự đóng 
góp ý kiến của quý thầy cô! 

Sinh viên:Huỳnh Nhật Huy


TÓM TẮT
Sinh viên thực hiện: Huỳnh Nhật Huy, ngành Công nghệ Địa chính, khoa
Quản lý Đất đai & Bất Động sản, trường Đại học Nông Lâm TP.Hồ Chí Minh.
Đề tài: ỨNG DỤNG HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ TOÀN CẦU (GPS) THÀNH LẬP
LƯỚI TỌA ĐỘ ĐỊA CHÍNH KHU VỰC THỊ TRẤN PHÚ LỘC, HUYỆN THẠNH
TRỊ, TỈNH SÓC TRĂNG.
Giáo viên hướng dẫn: Thầy Đặng Quang Thịnh, bộ môn Công nghệ Địa chính,
Khoa Quản lý Đất đai & Bất Động sản, trường Đại học Nông Lâm TP.Hồ Chí Minh.
Nội dung tóm tắt của báo cáo:
Tỉnh Sóc Trăng đang trong giai đoạn xây dựng và phát triển với các đòi hỏi về
việc xây dựng cơ sở hạ tầng, theo dõi quản lý các biến động đất đai, theo dõi giám sát
tài nguyên môi trường rất cần thiết phải có những giải pháp công nghệ mới cho phép
đo đạc, thu nhận dữ liệu không gian ngoài thực địa với thời gian nhanh chóng, độ
chính xác cao và triển khai nhất quán trên một không gian rộng lớn.
Để làm được điều này chúng ta cần nghiên cứu khai thác, ứng dụng những giải
pháp công nghệ mới về GPS. Đặc biệt, phải sử dụng một cách có hiệu quả và rộng rãi
kỹ thuật định vị GPS trong công tác trắc địa địa chính: xây dựng các mạng lưới địa
chính, làm cơ sở cho việc phát triển lưới cấp thấp hơn, phục vụ công tác đo đạc thành
lập bản đồ địa chính các tỷ lệ.

Bằng phương pháp nghiên cứu ứng dụng Hệ thống định vị toàn cầu GPS đo đạc
lưới địa chính, phục vụ phát triển lưới đường chuyền cấp thấp hơn để đo đạc thành lập
bản đồ địa chính khu vực thị trấn Phú Lộc, huyện Thạnh Trị, tỉnh Sóc Trăng. Đặc biệt
là nghiên cứu các nguyên lý và kỹ thuật đo tĩnh của hệ thống định vị toàn cầu GPS.
Nội dung đề tài thực hiện giải quyết các vấn đề sau:
 Định vị và đo các điểm GPS trên thực địa.
 Xử lý số liệu đo bằng phần mềm GPSurvey 2.35. Bình sai tính toán và đánh
giá độ chính xác của tọa độ và độ cao điểm lưới, trong hệ tọa độ VN2000 khu vực thị
trấn Phú Lộc, huyện Thạnh Trị, tỉnh Sóc Trăng.
Kết quả các nội dung được thể hiện đầy đủ trong phần báo cáo thuyết minh tốt
nghiệp.


MỤC LỤC
ĐẶT VẤN ĐỀ .................................................................................................. TRANG 1
PHẦN I. TỔNG QUAN .................................................................................................. 3
I.1 Cơ sở lý luận của vấn đề nghiên cứu ......................................................................... 3
I.1.1 Giới thiệu về công nghệ GPS và ứng dụng của nó ............................................. 3
1. Vài nét về lịch sử hệ thống GPS và các lĩnh vực ứng dụng ................................ 3
2. Cấu trúc hệ thống GPS ........................................................................................ 4
3. Các cơ sở của kỹ thuật GPS ................................................................................ 6
4. Các sai số và độ lệch GPS .................................................................................12
5. Cách thức định vị GPS ......................................................................................16
I.1.2 Hệ qui chiếu và hệ tọa độ trong công nghệ GPS ..............................................19
1. Hệ qui chiếu trong công nghệ GPS ...................................................................19
2. Hệ tọa độ WGS-84 ............................................................................................19
3. Hệ tọa độ quốc gia VN-2000 .............................................................................19
4. Tính chuyển giữa các hệ tọa độ .........................................................................20
I.1.3 Khái quát phần mềm GPSurvey 2.35 ................................................................20
I.1.4 Khái quát về lưới khống chế trắc địa ................................................................21

I.2 Cơ sở pháp lý và văn bản pháp quy .........................................................................22
I.2.1Cơ sở pháp lý .....................................................................................................22
I.2.2 Văn bản pháp quy..............................................................................................23
I.3 Cơ sở thực tiễn .........................................................................................................23
I.4 Khái quát địa bàn nghiên cứu...................................................................................23
I.4.1 Điều kiện tự nhiên .............................................................................................23
1. Vị trí địa lý.........................................................................................................23
2. Địa hình, địa mạo: .............................................................................................24
I.4.2 Điều kiện kinh tế xã hội trong khu đo ...............................................................25
I.5 Nguồn tư liệu dùng để nghiên cứu ...........................................................................26
I.5.1 Tư liệu trắc địa ..................................................................................................26
I.5.2 Tư liệu bản đồ ...................................................................................................26
I.5.3 Tư liệu ảnh hàng không.....................................................................................27
I.6 Nội dung nghiên cứu, phương pháp nghiên cứu ......................................................27
I.6.1 Nội dung nghiên cứu .........................................................................................27
I.6.2 Phương pháp nghiên cứu ...................................................................................27
I.6.3 Phương tiện nghiên cứu ....................................................................................28
1. Các thiết bị thu thập số liệu đo. .........................................................................28
2. Hệ thống xử lý kết quả và tính toán số liệu. ......................................................29
I.7 Quy trình thực hiện đề tài nghiên cứu ......................................................................30
PHẦN II KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU ............................................................................31
II.1 Các luận chứng kinh tế kỹ thuật khi thành lập lưới địa chính: ...............................31
II.2 Thiết kế xây dựng hệ thống lưới địa chính .............................................................34
II.2.1 Đánh số hiệu điểm ...........................................................................................34
II.2.2 Khảo sát, Thiết kế, chọn điểm, chôn mốc lưới địa chính ................................34
II.2.3 Chọn điểm, đúc mốc, chôn mốc, vẽ ghi chú điểm, bàn giao mốc ...................34
1. Chọn điểm: ........................................................................................................34
2. Đúc mốc chôn mốc, làm tường vây:..................................................................35
3. Vẽ ghi chú điểm và bàn giao mốc: ....................................................................35

II.3 Đo GPS tại các điểm lưới địa chính........................................................................36
II.3.1 Lập lịch, thiết kế đồ hình lưới, bố trí ca đo .....................................................36
1. Lập lịch đo: ........................................................................................................36
2. Thiết kế đồ hình lưới, bố trí ca đo .....................................................................39
II.3.2 Trình tự đo GPS tại một điểm của lưới địa chính ............................................41
II.4 Xử lý tính toán bình sai, đánh giá độ chính xác của lưới địa chính .......................42
II.4.1 Trút số liệu từ máy GPS sang máy vi tính .......................................................42
1. Chuẩn bị .............................................................................................................42
2. Nối ráp phần cứng. ............................................................................................42
3. Trút số liệu từ máy thu GPS ..............................................................................42
II.4.2 Xử lý cạnh và bình sai số liệu đo GPS ............................................................44
1. Xử lý cạnh .........................................................................................................44
2. Bình sai lưới và biên tập thành quả theo quy định. ...........................................51
II.4.3 Đánh giá độ chính xác lưới GPS......................................................................60
II.5 Thành quả tính toán bình sai lưới toạ độ địa chính ................................................61
II.6 Kiểm tra, nghiệm thu, giao nộp thành quả..............................................................61
II.7 Đánh giá quy trình công nghệ GPS dùng đo lưới địa chính ...................................62
II.7.1 Độ chính xác: ...................................................................................................62
II.7.2 Đánh giá vị trí, mật độ các mốc: ......................................................................63
II.7.3 Đánh giá phương pháp bình sai: ......................................................................63
II.7.4 Đánh giá hiệu quả kinh tế kỹ thuật: .................................................................63
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .......................................................................................65


DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT
GPS

Global Positioning System – hệ thống định vị toàn cầu

BTNMT

Bộ Tài Nguyên & Môi Trường

GCNQSDĐ

Giấy chứng nhận quyền sử dụng đất

BĐĐC

Bản đồ địa chính

DOP

Dilution of Precision - hệ số suy giảm độ chính xác

GDOP

Geometric Dilution of Precision - hệ số suy giảm độ chính xác
hình học.

PDOP

Position Dilution of Precision - hệ số suy giảm độ chính xác vị trí
điểm.

HDOP

Horizontal position Dilution of Precision - hệ số suy giảm độ
chính xác mặt bằng.

VDOP

Vertical Dilution of Precision - hệ số suy giảm độ chính xác độ
cao.

TDOP

Time Dilution of Precision - hệ số suy giảm độ chính xác thời
gian.

RDOP

Relative Dilution of Precision - hệ số suy giảm độ chính xác tâm
pha ăng ten.

Ratio

Tỉ số phương sai.

Rms

Sai số trung phương khoảng cách.

Reference Variance Phương sai chuẩn


DANH SÁCH CÁC BẢNG BIỂU VÀ HÌNH ẢNH.
Danh sách các bảng:
Bảng II.1 Các chỉ tiêu kỹ thuật ......................................................................................31

Bảng II.2 Tổ chức ca đo trong mạng lưới .....................................................................40
Bảng II.3: Bảng thống kê các file có trong thư mục BS2000. ......................................58
Bảng II.4 Bảng thống kê tọa độ và độ cao các điểm sau bình sai .................................61
Danh sách các hình:
Hình I.1 Vệ tinh GPS...................................................................................................... 3
Hình I.2 Mô phỏng quỹ đạo vệ tinh GPS ........................................................................ 4
Hình I.3 Sơ đồ hoạt động của hệ thống GPS .................................................................. 5
Hình I.4 Mạng lưới trạm điều khiển GPS (1994) ............................................................ 5
Hình I.5 Sơ đồ về cấu trúc tín hiệu vệ tinh. ..................................................................... 6
Hình I.6 Nguyên lý trị đo giả khoảng cách. .................................................................... 8
Hình I.7 a) Sai phân bậc 1 máy thu; b) Sai phân bậc 1 vệ tinh .....................................10
Hình I.8 Sai phân bậc 2 .................................................................................................11
Hình I.9 Sai phân bậc 3 .................................................................................................12
Hình I.10 Minh họa sai số khúc xạ đa đường dẫn. ........................................................12
Hình I.11 Các tầng khí quyển ảnh hưởng trong quá trình đo GPS ...............................12
Hình I.12 Các đồ hình vệ tinh .......................................................................................16
Hình I.13 Nguyên lý định vị tương đối .........................................................................17
Hình I.14 Kỹ thuật đo tĩnh .............................................................................................17
Hình I.15 Kỹ thuật đo tĩnh nhanh ..................................................................................18
Hình I.16 Sơ đồ vị trí khu đo .........................................................................................24
Hình I.17. Máy thu Trimble 4800 .................................................................................29
Hình II.1Quy cách mốc, tường vây điểm địa chính ......................................................35
Hình II.2 Cửa sổ phần mềm Planning ...........................................................................35
Hình II.3 Lựa chọn Import file Almanac tùy từng loại máy thu. ..................................37
Hình II.4 Giao diện cửa sổ Station Editor .....................................................................37
Hình II.5 Cửa sổ mô tả trạm máy bị che chắn. ..............................................................38
Hình II.6 Cửa sổ Multistation Analysis và cửa sổ Station Selection ............................38
Hình II.7 Sơ đồ thiết kế mạng lưới và di chuyển ca đo. ................................................40
Hình II.8 Nối ráp phần cứng..........................................................................................42
Hình II.9 Chạy tiện ích Trimble Data Transfer .............................................................42

Hình II.10 Cửa sổ Device ..............................................................................................42
Hình II.11 Giao diện cửa sổ Data Transfer ...................................................................42
Hình II.12 Chọn ổ đĩa lưu số liệu ..................................................................................42
Hình II.13 Các file số liệu cần chuyển vào máy tính ....................................................42
Hình II.14 Chuyển số liệu vào máy tính .......................................................................42
Hình II.15 Hộp thoại Create a New Project ..................................................................44


Hình II.16 Hộp thoại Load dữ liệu vào Project. ............................................................45
Hình II.17 Hộp thoại kiểm tra khi Load dữ liệu ............................................................45
Hình II.18 Kiểm tra các giá trị có trong file ..................................................................45
Hình II.19 Cho phép kiểm tra và thay đổi thông tin trạm máy ...................................45
Hình II.20 Kiểm tra, sửa đổi chiều cao và cách đo ăng ten tại điểm.............................46
Hình II.21 Cửa sổ Load dữ liệu vào chương trình WAVE ...........................................46
Hình II.22 Kết quả tính sơ bộ tọa độ điểm gốc .............................................................47
Hình II.23 Fix điểm gốc trước khi giải cạnh .................................................................47
Hình II.24 Cửa sổ lựa chọn, thay đổi thông số giải cạnh ..............................................47
Hình II.25 Mô tả không sử dụng số liệu khí tượng .......................................................48
Hình II.26 Tiến trình giải cạnh. .....................................................................................48
Hình II.27 Kết quả giải cạnh .........................................................................................48
Hình II.28 Bảng thể hiện các tín hiệu của vệ tinh. ........................................................49
Hình II.29 Cắt bỏ tín hiệu vệ tinh xấu. ..........................................................................49
Hình II.30 Sơ đồ lưới khu đo.........................................................................................50
Hình II.31 Cửa sổ xuất kết quả giải cạnh và sai số khép hình ......................................50
Hình II.32 Hộp thoại Text File ......................................................................................51
Hình II.33 Màn hình hiển thị cửa sổ GPS NETWORK MODULE ..............................51
Hình II.34 Màn hình chính của GPS NETWORK MODULE ......................................52
Hình II.35 Thông báo trước khi thoát khỏi GPS NETWORK MODULE ....................52
Hình II.36 Màn hình chính NETWORK ADJUSTMENT MODULE..........................52
Hình II.37 Hộp thoại ADJUSTMENT MENU .............................................................53

Hình II.38 Cửa sổ dùng để FIX điểm gốc .....................................................................53
Hình II.39 Hộp thoại VARIANCE COMPONENT STRATEGY ................................53
Hình II.40 Lựa chọn các thành phần trị đo (OBSERVATION CATEGORIES) ..........54
Hình II.41 Tạo các thành phần phương sai ...................................................................54
Hình II.42 Phương sai chiều dài ....................................................................................54
Hình II.43 Lựa chọn thành phần trị đo ..........................................................................55
Hình II.44 Lựa chọn thay đổi trọng số ..........................................................................55
Hình II.45 Lựa chọn cách tính trọng số .........................................................................55
Hình II.46 Thay đổi trọng số trạm .................................................................................56
Hình II.47 Khái quát kết quả bình sai............................................................................56
Hình II.48 Màn hình chính TERRESTRIAL OBSERVATIONS MOSULE ...............57
Hình II.49 Màn hình chính GEOID MODULE ............................................................57
Hình II.50 Màn hình chính của ESTIMATE GEIOD HEIGHTS .................................57
Hình II.51 Màn hình cho phép Load dữ liệu vào Network Adjustment Module ..........59
Hình II.52 Thay đổi hệ tọa độ .......................................................................................59
Hình II.53 FIX tọa độ, độ cao điểm gốc theo tọa độ trắc địa ........................................59
Hình II.54 Chọn điểm gốc để tính toán cho các điểm còn lại .......................................60


Ngành: Công nghệ Địa chính

SVTH: Huỳnh Nhật Huy

ĐẶT VẤN ĐỀ
Trắc địa là một khoa học phát triển từ rất lâu. Trong quá trình phát triển, con
người đã không ngừng ứng dụng những thành tựu khoa học kỹ thuật để hoàn thiện các
thiết bị đo đạc nhằm giảm bớt vất vả của công tác đo đạc và nâng cao độ chính xác của
phép đo. Đó là giai đoạn chuyển dần các thiết bị quang cơ sang thiết bị đo đạc điện tử.
Cũng trong thời gian này người ta đã ứng dụng khoa học vũ trụ vào lĩnh vực trắc địa.
Hệ thống GPS đã được thiết lập. Đó là một mạng lưới vệ tinh trong không gian

bao quanh trái đất, cung cấp thông tin về vị trí và thời gian ở mọi nơi trên trái đất
24/24 giờ hàng ngày. Sự phát triển của hệ thống GPS và công nghệ thông tin đã đổi
mới công nghệ đo đạc và thành lập bản đồ sang giai đoạn mới: hiện đại hơn, chính xác
hơn và có quy mô rộng lớn hơn.
Ngày nay các thiết bị thu tín hiệu GPS phát triển ngày càng hoàn thiện cả về phần
cứng lẫn phần mềm, cùng với sự phát triển kỹ thuật xử lý tín hiệu GPS đã đem lại kết
quả chính xác với độ tin cậy cao và phạm vi ứng dụng ngày càng rộng.
Các thiết bị thu tín hiệu GPS được chia làm 2 nhóm:
 Nhóm máy dùng cho các ứng dụng đo chính xác (GPS Suryying).
 Nhóm máy dùng cho các ứng dụng trong lĩnh vực kinh tế và thành lập bản
đồ từ trung bình đến nhỏ, xây dựng hệ thống thông tin địa lý (GPS
Mapping).
Trong những năm đầu của thập kỷ 90, Ngành đo đạc và thành lập bản đồ nước
ta đã nghiên cứu và ứng dụng thành công Hệ thống định vị toàn cầu GPS. Tuy nhiên,
việc triển khai ứng dụng thiết bị GPS để thành lập bản đồ là một kỹ thuật mới. Cần
phải nghiên cứu, thử nghiệm trong những trường hợp cụ thể ở nước ta.
Trước nhu cầu nghiên cứu ứng dụng công nghệ đo định vị GPS trong nhà
trường đối với sinh viên ngành công nghệ địa chính nói chung và việc tìm hiểu quy
trình công nghệ GPS trong việc thành lập lưới khống chế trắc địa nói riêng; được sự
phân công của Khoa Quản lý đất đai trường Đại học Nông Lâm Tp Hồ Chí Minh cùng
với sự giúp đở tạo điều kiện cơ sở vật chất, trang thiết bị của Xí Nghiệp Trắc Địa Bản
Đồ 305 thuộc Công ty Đo đạc Địa chính và Công trình, em xin thực hiện đề tài: ỨNG
DỤNG HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ TOÀN CẦU (GPS) THÀNH LẬP LƯỚI TỌA ĐỘ
ĐỊA CHÍNH KHU VỰC THỊ TRẤN PHÚ LỘC, HUYỆN THẠNH TRỊ, TỈNH SÓC
TRĂNG.

Trang 1


Ngành: Công nghệ Địa chính

SVTH: Huỳnh Nhật Huy

 Mục tiêu nghiên cứu
 Nghiên cứu, ứng dụng và khai thác hiệu quả công nghệ định vị GPS để thành
lập lưới tọa độ địa chính phục vụ đo vẽ Bản đồ Địa chính khu vực thị trấn Phú Lộc,
huyện Thạnh Trị, tỉnh Sóc Trăng.
 Ứng dụng phần mềm GPSurvey 2.35 trong xử lý tính toán số liệu đo GPS.
 Yêu cầu nghiên cứu
 Nghiên cứu ứng dụng phương pháp đo tĩnh, định vị tương đối bằng công nghệ
GPS phục vụ công tác đo đạc, thành lập lưới địa chính.
 Tuân thủ quy trình, quy phạm của Bộ Tài Nguyên và Môi Trường.
 Khai thác và sử dụng trang thiết bị, phần mềm mang lại hiệu quả cao, tiết kiệm
thời gian và tài chính.
 Phạm vi và đối tượng nghiên cứu
 Phạm vi nghiên cứu: Khu vực thị trấn Phú Lộc, huyện Thạnh Trị, tỉnh Sóc
Trăng.
 Thời gian nghiên cứu: Từ ngày 10/03/2010 đến ngày 30/06/2010.
 Đối tượng nghiên cứu: Đo GPS tương đối xác định toạ độ của các điểm khống
chế địa chính.
 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài nghiên cứu
Đề tài được thực hiện một cách có khoa học, đúng quy trình quy phạm và đáp
ứng được thực tiễn của địa phương. Phục vụ công tác đo đạc thành lập bản đồ địa
chính một cách chính xác, thống nhất trên toàn khu đo.

Trang 2


Ngành: Công nghệ Địa chính

SVTH: Huỳnh Nhật Huy

PHẦN I. TỔNG QUAN
I.1 Cơ sở lý luận của vấn đề nghiên cứu
I.1.1 Giới thiệu về công nghệ GPS và ứng dụng của nó
1. Vài nét về lịch sử hệ thống GPS và các lĩnh vực ứng dụng
Hệ thống định vị toàn cầu GPS có tên đầy đủ là Navigation Satellite Timing
And Ranging Global Positioning System (Navstar GPS) được bắt đầu triển khai từ
những năm 1970 do quân đội Mỹ chủ trì. Nhiệm vụ chủ yếu của hệ thống là xác định
tọa độ không gian và tốc độ chuyển động của điểm xét trên tàu vũ trụ, máy bay, tàu
thủy và trên đất liền, phục vụ cho bộ quốc phòng Mỹ và các cơ quan dân sự.
Vào đầu thập kỷ 80, hệ thống GPS đã chính thức cho phép sử dụng trong dân
sự. Từ đó các nhà khoa học của nhiều nước đã ra sức phát triển công nghệ GPS để đạt
được những thành quả cao nhất trong việc phát huy nguồn tiềm năng to lớn này.
Song song với hệ thống GPS của Mỹ, Liên Xô (cũ) cũng có hệ thống định vị
toàn cầu GLONASS (Global Navigation Satellite System) được đưa vào sử dụng từ
năm 1982 nhưng do nhiều điều kiện khách quan nên ít được phổ biến hơn.
Năm 1973 hệ thống GPS được thiết kế, ngày 22 tháng 02 năm 1978 vệ tinh đầu
tiên của hệ thống định vị toàn cầu GPS đã được đưa lên quỹ đạo. Từ ngày 08 tháng 12
năm 1993, trên 6 quỹ đạo của hệ thống GPS đã đủ 24 vệ tinh trong đó có 21 vệ tinh
luôn luôn hoạt động và 3 vệ tinh dự trữ.

Hình I.1 Vệ tinh GPS
Ở nước ta đã đưa kỹ thật định vị toàn cầu GPS vào sử dụng một cách có hiệu
quả trong công tác trắc địa địa chính từ đầu những năm 1990. Thực tế cho thấy ngành
trắc địa nước ta đã làm chủ công nghệ này và đã giải quyết được nhiều nhiệm vụ quan
trọng trong công tác đo đạc như: Đo lưới khống chế cấp 0, xây dựng mạng lưới nhà
nước (hạng I, II, III, IV), xây dựng các mạng lưới địa chính cơ sở (tương đương hạng
III, IV nhà nước) và lưới địa chính cấp 1, 2, đo vẽ bản đồ địa hình, địa chính, đưa lưới
khống chế ra các đảo xa…

Trang 3


Ngành: Công nghệ Địa chính

SVTH: Huỳnh Nhật Huy

2. Cấu trúc hệ thống GPS
Hệ thống GPS gồm 3 thành phần chính cấu thành, được gọi là ba đoạn: đoạn không
gian, đoạn điều khiển và đoạn sử dụng.
a. Đoạn không gian: bao gồm 24 vệ tinh bay trên 6 quỹ đạo vòng quanh
Trái đất - cứ bốn vệ tinh quay trên mỗi quỹ đạo - cách mặt đất khoảng 20200 km và
mỗi vòng bay hết 11 giờ 58 phút. Các vệ tinh đã được phân bố sao cho tại bất cứ một
nơi nào trên Trái đất và vào mỗi thời điểm có thể nhận tín hiệu ít nhất từ 4 vệ tinh.
Mỗi vệ tinh truyền về Trái đất tín hiệu được mã hoá cùng với thông tin đạo
hàng mà máy thu có thể đọc được, được điều biến trên hai tần số sóng tải.
Tất cả các vệ tinh GPS đều có thiết bị tạo dao động với tần số chuẩn cơ sở là
f0 = 10,23 MHz. Tần số này còn là tần số chuẩn của đồng hồ nguyên tử, với độ ổn định
rất cao (10-12/ngày). Từ tần số cơ sở f0 thiết bị sẽ tạo ra hai tần sóng tải L1 và L2:
L1 = 154f0 = 1575,42 MHZ, có bước sóng λ = 19,032cm.
L2 = 120f0 = 1227,60 MHZ, có bước sóng λ = 24,420cm.
Sóng tải và mã dùng để xác định khoảng cách từ máy thu tới vệ tinh. Thông tin
đạo hàng chứa các tham số quỹ đạo theo từng thời điểm và thường được gọi là lịch vệ
tinh quảng bá.

Hình I.2 Mô phỏng quỹ đạo vệ tinh GPS
Theo định luật Kepler về quỹ đạo chuyển động, mỗi quỹ đạo vệ tinh có hình
dạng xấp xỉ hình elip với tâm trùng với tâm khối lượng của Trái đất. Đối với quỹ đạo
GPS, độ dẹt rất bé (0,02) nên dường như nó là hình tròn. Bán kính lớn của elip này
khoảng 26.600 km, gần gấp 4 lần bán kính Trái đất. Mỗi mặt phẳng quỹ đạo tạo với

mặt xích đạo một góc 550 . Quỹ đạo vệ tinh được xác định bởi 6 tham số (mô tả độ
lệch tâm, bán kính trục lớn, độ nghiêng mặt quỹ đạo...) được gọi là các tham số
Kepler. Biết các tham số này theo thời gian ta sẽ tính được toạ độ vệ tinh.
Vệ tinh GPS phóng lên quỹ đạo được phân ra các khối (Block), lần lượt là khối
I, khối II, khối II-A, II-R rồi II-F. Đến nay các vệ tinh hai khối đầu đã bị loại khỏi quỹ
đạo. Mỗi vệ tinh có kích thước chừng 5 m, trọng lượng 1 - 2 tấn, được trang bị 2 đồng
Trang 4


Ngành: Công nghệ Địa chính

SVTH: Huỳnh Nhật Huy

hồ nguyên tử loại rubidium và 2 đồng hồ nguyên tử loại celium. Tuổi thọ vệ tinh là 7,5
năm.
b. Đoạn điều khiển: gồm Trạm điều khiển trung tâm đặt tại Colorado
Springs, 5 trạm quan trắc tín hiệu từ vệ tinh, phân bố trải rộng trên toàn cầu và 3 trạm
kiểm soát mặt đất. Chức năng chính của Trạm điều khiển là tập hợp số liệu đo GPS từ
các trạm quan trắc để xác định và dự báo toạ độ của vệ tinh và các tham số của đồng
hồ vệ tinh, tiếp theo gửi các thông tin này đến một trong ba trạm kiểm soát mặt đất
để từ đây gửi lên vệ tinh. Nhiệm vụ của Trạm điều khiển còn là kiểm soát các vệ tinh
và hoạt động của toàn hệ thống.
Mạng lưới trạm quan trắc có chức năng xác định toạ độ vệ tinh quảng bá và các
tham số đồng hồ vệ tinh. Các trạm kiểm soát duy trì liên lạc tới các vệ tinh thông qua
ăng ten.
c. Đoạn sử dụng: gồm các sử dụng được trang bị máy thu tín hiệu GPS,
máy hoạt động để thu tín hiệu vệ tinh GPS phục vụ cho các mục đích khác nhau như
dẫn đường trên biển, trên không trung, trên đất liền và phục vụ cho công tác đo đạc ở
nhiều nơi trên thế giới.

Hình I.3 Sơ đồ hoạt động của hệ thống GPS

Hình I.4 Mạng lưới trạm điều khiển GPS (1994)
Trang 5


Ngành: Công nghệ Địa chính

SVTH: Huỳnh Nhật Huy

3. Các cơ sở của kỹ thuật GPS
a. Cấu trúc tín hiệu GPS:
Hoạt động của Trắc địa vệ tinh dựa trên các dữ liệu được truyền từ vệ tinh tới
máy thu trên sóng điện từ. Tất cả các vệ tinh GPS đều có thiết bị tạo dao động với tần
số chuẩn cơ sở là f0 = 10,23 MHz. Tần số này còn là tần số chuẩn của đồng hồ nguyên
tử celium, với độ ổn định rất cao (10-12/ngày). Từ tần số cơ sở f0 thiết bị sẽ tạo ra hai
tần sóng tải L1 và L2, được tạo ra bằng bội số nguyên tần số chuẩn, 154 đối với sóng
L1 (tần số 1575,42 Mhz, bước sóng 19,0 cm) và 120 đối với sóng L2 (tần số 1227,60
Mhz, bước sóng 24,4 cm). Tạo nên sóng L2 để xác định độ trễ tín hiệu trong tầng
điện ly. Các thông tin về thời gian theo đồng hồ vệ tinh và các tham số quỹ đạo (thành
phần toạ độ) vệ tinh được mã hoá dưới dạng các chuỗi (bit) nhị phân trên sóng tải
thông qua quá trình điều biến.

Hình I.5 Sơ đồ về cấu trúc tín hiệu vệ tinh.
Có 3 loại mã trên sóng tải là mã C/A (C/A-Code), mã P (P-Code) và Thông tin
đạo hàng.
Hai mã C/A và P được sử dụng đều thuộc loại mã tựa ngẫu (PRN) nhị phân,
gồm một chuỗi các giá trị 0 và 1 hoặc +1 và -1, trông như có tính ngẫu nhiên nhưng lại
dễ nhận dạng do được tạo nên bằng một thuật toán.
Mã C/A thường được hiểu là mã thông dụng gồm dãy 1023 kí tự 0 và 1, được

lặp lại sau mỗi phần triệu giây, tương đương chiều dài bước sóng 300 m. Mã C/A chỉ
được truyền có trên sóng tải L1.
Mã P - mã chính xác là chuỗi rất dài kí tự 0 và 1, được lặp lại sau 38 tuần lễ,
chiều dài bước sóng là 29,30 m. Nó được truyền trên cả hai loại sóng tải. Tuy nhiên, vì
mục đích an ninh, cơ quan quản lý GPS là Bộ Quốc phòng Hoa Kỳ đã sử dụng mã W
để che phủ lên P-Code tạo nên mã Y. Chỉ có Quân đội Hoa Kỳ và đồng minh mới
được tiếp cận mã P.
Thông tin đạo hàng là chuỗi số liệu được bổ sung trên hai sóng tải L1
và L2 và điều biến lưỡng pha với tốc độ chậm 50 bit/giây và lặp lại sau 30
giây. Thông tin đạo hàng chứa toạ độ vệ tinh theo thời gian, tình trạng sức
khoẻ của vệ tinh, các trị hiệu chỉnh đồng hồ vệ tinh, số liệu almanac của vệ
tinh, số liệu khí tượng. Mỗi vệ tinh truyền thông tin đạo hàng của riêng mình

Trang 6


Ngành: Công nghệ Địa chính

SVTH: Huỳnh Nhật Huy

cùng với các thông tin trên các vệ tinh khác như là toạ độ gần đúng, tình trạng
sức khoẻ.
b. Các loại máy thu GPS: Có thể phân ra hai loại máy thu GPS: máy thu
một tần số và máy thu hai tần số. Máy thu một tần số chỉ nhận được tín hiệu sóng tải
L1. Máy thu 1 tần cũng có các cấu hình khác nhau và do đó chức năng cũng khác
nhau, thông dụng hơn cả là loại máy thu 1 tần thu được cả code lẫn sóng tải. Máy
thu 2 tần nhận được tín hiệu trên cả sóng tải L1 và L2. Tuy mã P bị che phủ, nhưng
máy thu hai tần hiện nay có thể khôi phục được đầy đủ sóng tải L2 ở mức độ yếu hơn.
Ăng ten cũng là một bộ phận không thể thiếu của thiết bị đo GPS. Để giảm ảnh
hưởng của sai số khúc xạ đa đường dẫn (multipath), cần lựa chọn loại ăng ten giảm

thiểu được ảnh hưởng này, chẳng hạn như ăng ten Choke Ring, ăng ten có vành chống
phản xạ.
Máy thu tín hiệu GPS là phần cứng quan trọng trong đoạn sử dụng. Nhờ các tiến
bộ kỹ thuật trong lĩnh vực điện tử, viễn thông và kỹ thuật thông tin tín hiệu số các máy
thu GPS đã ngày một hoàn hảo. Ngành chế tạo máy thu GPS là ngành “kỹ thuật cao”.
Các máy thu hiện nay có thể làm việc được với đầy đủ các bước sóng tải L1, L2; với
khoảng cách giả C/A-Code và cả khoảng cách thật P(Y)-Code, một số hãng chế tạo
còn cho các máy thu có thể đồng thời thu tín hiệu từ các vệ tinh GPS và cả vệ tinh
GLONASS. Hiện đã có nhiều loại máy thu có khả năng đo ở chế độ thời gian thực
(Real time). Dạng máy thu phổ biến hiện nay là dạng máy thu đa kênh (Multichannel)
máy thu GPS có thể có số lượng kênh khác nhau, từ 1 đến 12 kênh. Ở loại máy thu
này, mỗi kênh sẽ theo dõi và thu tín hiệu từ một vệ tinh. Hiện nay, các máy thu chủ
yếu có từ 9 đến 12 kênh.
Trên thế giới đã có nhiều hãng chế tạo máy thu tín hiệu GPS như hãng Trimble
Navigation, Ashtech (Mỹ), Minimax (CHLB Đức), Sersel (Pháp), Leica (Thụy sĩ),
Sokkia (Nhật Bản)… Tùy vào mục đích sử dụng và yêu cầu độ chính xác người ta đã
chế tạo ra nhiều loại máy thu GPS khác. Có loại chuyên để trang bị lắp trên tàu biển,
trên máy bay hoặc trên các loại phương tiện chuyển động khác. Có loại chế tạo gọn
nhẹ (cầm tay), chuyên dùng để xác định gần đúng vị trí điểm, và cũng có loại chuyên
phục vụ cho nghành trắc địa.
Cùng với các loại máy thu, người ta còn sản xuất các phần mềm phục vụ xử lý
thông tin mà máy thu đã nhận được từ vệ tinh. Công việc xử lý thông tin nhằm giải
quyết bài toán trắc địa một cách nhanh chóng và chính xác. Chúng ta đã biết một số
phần mềm của hãng Trimble như: Trimvec, Trimnet plus GPSurvey, Trimble
Geomatics Office….các phần mềm này cũng ngày được hoàn thiện, về mặt hình thức
và độ chính xác của kết quả tính toán.
c. Các hệ thời gian:
Thời gian đóng một vai trò rất quan trọng trong hệ thống định vị toàn cầu, là
tham số cơ bản để tính khoảng cách từ máy thu đến vệ tinh. Thời gian trong GPS được
kiểm soát bằng đồng hồ nguyên tử đặt trên vệ tinh.

Hệ giờ thế giới UT (Universal Time) liên quan tới chuyển động quay của Trái đất
quanh trục của nó mà dạng cơ bản là giờ UT1 (về giá trị bằng GMT).
Hệ giờ động lực Trái đất TDT (Terestrial Dynamic Time) dùng để tính quỹ
đạo vệ tinh bay quanh Trái đất trong trường trọng lực của Trái đất.
Trang 7


Ngành: Công nghệ Địa chính

SVTH: Huỳnh Nhật Huy

Hệ giờ nguyên tử quốc tế IAT (International Atomic Time) được hình thành trên
cơ sở tích hợp thời gian nguyên tử của nhiều trung tâm trên thế giới và là hệ thời gian
cơ bản trên Trái đất, đơn vị cơ bản của IAT là SI giây. Vì IAT là thang thời gian liên
tục nên xảy ra một vấn đề cơ bản cho người sử dụng, liên quan tới hiện tượng quay
chậm dần 1 giây/1 năm của Trái đất xung quanh Mặt trời. Khó khăn này được giải quyết
nhờ đưa vào hệ thời gian phối hợp quốc tế UTC (Universal Time Coordinated), có
cùng vận tốc như IAT nhưng được hiệu chỉnh tăng thêm cái gọi là bước nhảy 1
giây.
Các tín hiệu thời gian được truyền từ các vệ tinh GPS được đồng bộ với thời gian
của các đồng hồ nguyên tử đặt tại Trung tâm điều khiển; các đồng hồ nguyên tử này
lại được đồng bộ với UTC.
Hệ thời gian GPS (GPST) đã được liên kết với UTC vào 0h ngày 6/1/1980 và từ đó
không được hiệu chỉnh thêm bước nhảy 1 giây, nên giữa GPST và UTC tồn tại độ
lệch thời gian. Tuy nhiên, độ lệch này được cung cấp cho người sử dụng trong thông
điệp đạo hàng. Ngoài ra tồn tại quan hệ: GPST + 19 giây = IAT.
d. Trị đo giả khoảng cách: giả khoảng cách là số đo khoảng cách từ vệ tinh
GPS tới ăng ten máy thu, nó cần thiết để định vị điểm. Khoảng cách giả có thể được
đo bằng mã hay bằng pha.
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 giả khoảng cách ta chỉ việc nhân vận tốc ánh sáng với
thời gian lan truyền.
Tuy nhiên trong thực tế, lại phức tạp hơn nhiều vì bản thân đồng hồ vệ tinh chưa
thật chính xác và đồng hồ máy thu lại còn kém hơn, sự đồng bộ giữa chúng cũng chưa
hoàn hảo, nên trị đo giả khoảng cách này chứa các sai số và độ lệch nói trên. Đấy là lý
do mà ta gọi là giả khoảng cách mà không gọi là khoảng cách.

Hình I.6 Nguyên lý trị đo giả khoảng cách.
Trang 8


Ngành: Công nghệ Địa chính

SVTH: Huỳnh Nhật Huy

Khoảng cách giả theo mã tại thời điểm t được mô hình hoá như sau:
Ri j (t )   i j (t )  c i j (t )
ở đây:

(3.1)

Ri j (t ) là khoảng cách giả đo được từ máy thu i tới vệ tinh j.

 i j (t ) là khoảng cách hình học từ vệ tinh j tới máy thu i.

c là tốc độ của ánh sáng.
 i j (t ) là độ lệch đồng hồ.
Ta ký hiệu toạ độ của vệ tinh j và của máy thu i tại thời điểm t tương ứng là
( X j (t ), Y j (t ), Z j (t )) và ( X i (t ), Yi (t ), Z i (t )) , có thể biểu diễn khoảng cách hình học vệ
tinh đến máy thu như sau:
 i j (t )  ( X j (t )  X i (t )) 2  (Y j (t )  Yi (t )) 2  ( Z j (t )  Z i (t )) 2

(3.2)

Ta có thể tách độ lệch đồng hồ  i j (t ) thành hai thành phần sai số đồng hồ vệ
tinh j và sai số đồng hồ máy thu i như sau:  i j (t )   j (t )   i (t )
(3.3)
Về sai số đồng hồ vệ tinh j:  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 a 0 , a1 , a 2 của đa
thức bậc hai sau ứng với thời gian quy chiếu t0:
 j (t )  a 0  a1 (t  t 0 )  a 2 (t  t 0 ) 2
(3.4)
nhờ thế ta có thể loại bỏ đáng kể độ lệch này.
Ta viết lại phương trình (3.1) như sau:
Ri j (t )   i j (t )  c j (t )  c i (t )

(3.5)

Liên hệ (3.2) và (3.4), ta thấy, trong phương trình (3.5) 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 và do đó xác định được toạ độ điểm máy thu.
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 sóng tín hiệu chỉ có thể đảm bảo
độ chính xác đo khoảng cách tương ứng cỡ 30 m. Nếu tính đến ảnh hưởng của điều
kiện môi trường lan truyền tín hiệu, sai số đo khoảng cách theo C/A - Code sẽ ở mức

100 m là mức có thể chấp nhận để cho khách hàng dân sự 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 tới cỡ 3 m tức là hầu như không thua kém so với trường hợp sử dụng P
- code chỉ để dùng với mục đích quân sự. Chính vì lí do này Mĩ đã phải đưa ra giải
pháp SA để hạn chế khả năng thực tế của C/A-Code. Đây là hệ thống làm nhiễu
(Selective Availability) dựa trên cơ sở tạo ra nhiều biến thiên trong tần số cơ sở của
đồng hồ vệ tinh. Khi bị làm nhiễu bởi SA toạ độ vệ tinh có độ chính xác cỡ từ 2 - 50
m, tọa độ mặt bằng đạt cỡ 100 m (với mức SA cỡ 95%). Nhưng từ ngày 20-05-2000
Mỹ đã bỏ chế độ nhiễu SA.
e. 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
Trang 9


Ngành: Công nghệ Địa chính

SVTH: Huỳnh Nhật Huy

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 là 19
cm trong L1, nhỏ hơn nhiều so với độ dài code.
Trị đo giả khoảng cách theo pha được biểu diễn bằng mô hình toán sau:
i j (t ) 

Trong đó:

1

 i j (t )  N i j  f j  i j (t )

i j (t ) là số đo pha sóng tải.
λ là độ dài bước sóng.
N i j - số nguyên lần bước sóng, hay số nguyên đa trị.

(3.6)

f j là tần số tín hiệu vệ tinh j.

Thay (3.3) vào (3.6) ta có:
i j (t ) 

1

(3.7)
 i j (t )  N i j  f j  j (t )  f j  i (t )

f. Các tổ hợp tuyến tính của trị đo: 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 đương nhiên giới hạn độ
chính xác định vị bằng một máy thu. Nhưng khi ta đo đồng thời từ hai đến nhiều
máy thu đặt không xa nhau, do những máy thu này cùng chia sẻ 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.
 Sai phân bậc 1:
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 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.

a

b

Hình I.7 a) Sai phân bậc 1 máy thu; b) Sai phân bậc 1 vệ tinh

Trang 10


Ngành: Công nghệ Địa chính

SVTH: Huỳnh Nhật Huy

Giả sử 2 máy thu A, B cùng quan sát một vệ tinh j, theo phương trình pha sóng tải
(3.7) ta có:
 Aj (t ) 
 Bj (t ) 

1


1



 Aj (t )  N Aj  f j  j (t )  f j  A (t )
 Bj (t )  N Bj  f j  j (t )  f j  B (t )

Lấy hiệu 2 phương trình trên ta được:
 Bj (t )   Aj (t ) 

1



 Bj (t ) 

1



 Aj (t )  N Bj  N Aj  f j  B (t )  f j  A (t )

Phương trình trên được gọi là phương trình sai phân bậc 1 máy thu, được viết gọn lại
như sau:  ABj (t ) 
Với:

1



j
j
 AB

(t )  N AB
 f j  AB (t )

j
 AB
(t )   Bj (t )   Aj (t )

j
 AB
(t )   Bj (t )   Aj (t )
j
N AB
 N Bj  N Aj

 AB (t )   B (t )   A (t )

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 loại bỏ một cách hiệu quả sai số đồng hồ máy thu. Sai
phân này được gọi là sai phân bậc 1 vệ tinh.
 Sai phân bậc 2:
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 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.
Phương trình sai phân bậc 2:  ABj ,k (t ) 

1



j ,k
j ,k
 AB
(t )  N AB

Hình I.8 Sai phân bậc 2
 Sai phân bậc 3:
Xét máy thu đặt tại 2 điểm A, B đồng thời quan sát hai vệ tinh j và k; tại 2 thời
điểm quan sát t1, t2.
Trang 11


Ngành: Công nghệ Địa chính

SVTH: Huỳnh Nhật Huy

Hình I.9 Sai phân bậc 3
Ứng với hai thời điểm t1và t2, ta có phương trình hai sai phân bậc hai tương ứng:
j ,k
 AB
(t1 ) 
j ,k
 AB
(t 2 ) 

1



j ,k

j ,k
 AB
(t1 )  N AB

1

j ,k
j ,k
 AB
(t 2 )  N AB

Bởi vì việc quan trắc được thực hiện trong một khoảng thời gian dài nhất
định, bao gồm các thời khắc đo (epoch) khác nhau, nên ta sẽ tạo được sai phân bậc 3
từ hai sai phân bậc 2, trong đó ẩn số 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.

Phương trình sai phân bậc 3:  ABj ,k (t12 ) 

1

j ,k
 AB
(t12 )

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 nên 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 cái gọi là trị
đo cổng rộng (Wide-land) với bước sóng dài 86 cm và trị đo cổng hẹp (Narow-land)
có chiều dài bước sóng 11 cm, rất có ích cho việc giải tìm số nguyên đa trị.
4. Các sai số và độ lệch GPS
a. Sai số tọa độ vệ tinh
Như ta được biết, đoạn điều khiển mặt đất có nhiệm vụ thu tín hiệu từ các vệ
tinh, xử lý và dự báo toạ độ của vệ tinh theo thời gian rồi gửi lên các vệ tinh, để rồi vệ
tinh lại gửi toạ độ vệ tinh theo thời gian này xuống máy thu trong gói Thông tin đạo
hàng thông dụng (broadcast satellite navigation message). Trong thực tế, số liệu đo
GPS trong vòng 4 giờ một tại các trạm theo dõi mặt đất của đoạn điều khiển được sử
dụng để dự báo toạ độ vệ tinh cho từng giờ theo mô hình toán mô tả quỹ đạo của vệ
tinh. Do các mô hình quỹ đạo này không thật chính xác như thực tế, nên toạ độ vệ tinh
dự báo trước chứa sai số, gọi là sai số quỹ đạo. Sai số quỹ đạo thông thường đạt danh
nghĩa trong khoảng 2 - 5m và khi chịu ảnh hưởng của kỹ thuật S/A đạt chừng 50 m.
Sai số quỹ đạo của một vệ tinh sẽ giống nhau cho tất cả các trạm đo trên toàn
cầu. Song, các trạm đo khác nhau lại nhìn tới vệ tinh dưới những góc khác nhau, nên

Trang 12


Ngành: Công nghệ Địa chính

SVTH: Huỳnh Nhật Huy

ảnh hưởng của sai số quỹ đạo vệ tinh đối với trị đo cạnh và do đó đến định vị điểm
cũng khác nhau. Có nghĩa là việc tính sai phân bậc 1 máy thu nhìn chung không thể
loại bỏ hoàn toàn sai số quỹ đạo vệ tinh, trừ trường hợp hai máy thu đặt gần nhau
(cạnh ngắn). Trong định vị tương đối, đã xác định được mối quan hệ giữa sai số đo
cạnh và sai số quỹ đạo vệ tinh như sau:
Sai số đo cạnh / chiều dài cạnh = sai số quỹ đạo vệ tinh / khoảng cách tới vệ

tinh.
Có nghĩa là, khi sai số quỹ đạo là 5 m và chiều dài cạnh đo là 10 km thì sai số đo cạnh
do sai số quỹ đạo gây nên sẽ là 2,5 mm.
b. Sai số đồng hồ vệ tinh và máy thu
Cứ mỗi khối (Block) vệ tinh thế hệ II và IIA được trang bị 4 đồng hồ nguyên tử
gồm 2 đồng hồ cesium và hai đồng hồ rubidium. Các khối vệ tinh sau IIR chỉ mang
đồng hồ rubidium. Các đồng hồ này để tạo tần số và thời gian.
Các đồng hồ vệ tinh rất chính xác nhưng vẫn chưa hoàn hảo tuyệt đối. Độ ổn
định của nó đạt khoảng (1 - 2).10-13 trong vòng 1 ngày. Nghĩa là, sai số đồng hồ vệ
tinh khoảng 8,64 - 17,28 nano giây/ngày, gây nên sai số đo cạnh từ 2,59 m đến 5,18 m.
Các trạm kiểm soát mặt đất theo dõi hoạt động của đồng hồ vệ tinh, tính độ lệch và cấp
lên vệ tinh để gửi lại về máy thu trong Thông điệp đạo hàng dưới dạng các hệ số của
đa thức bậc hai.
Các sai số đồng hồ vệ tinh dĩ nhiên gây nên sai số trong trị đo GPS. Tuy nhiên
sai số này chung cho tất cả các máy thu cùng quan trắc tới một vệ tinh và do đó có thể
loại bỏ nó trong sai phân bậc 1 máy thu. Ngoài ra, khi sử dụng các trị hiệu chỉnh đồng
hồ vệ tinh chứa trong Thông điệp đạo hàng, ta cũng giảm nhỏ được ảnh hưởng của sai
số này trong định vị xuống còn vài nano giây, gây nên sai số đo cạnh vài mét.
Ngược lại, đồng hồ máy thu chỉ là loại đồng hồ thạch anh rẻ tiền, có độ chính
xác kém xa đồng hồ vệ tinh. Tuy nhiên ta có thể loại bỏ sai số đồng hồ máy thu bằng
sai phân bậc 1 vệ tinh hoặc bằng cách coi nó là ẩn số bổ sung trong quá trình xử lý.
c. Sai số khúc xạ đa đường dẫn
Sai số khúc xạ đa đường dẫn là nguồn sai số đáng quan tâm đối với cả trị đo pha
sóng tải lẫn trị đo giả khoảng cách. Nguyên nhân do sóng tín hiệu từ vệ tinh đến ăng
ten máy thu bằng nhiều đường khác nhau: trực tiếp từ vệ tinh và từ các vật cản chung
quanh điểm đo phản xạ tới.

Hình I.10 Minh họa sai số khúc xạ đa đường dẫn.
Trang 13

Ngành: Công nghệ Địa chính

SVTH: Huỳnh Nhật Huy

Sai số đa đường dẫn làm biến dạng tín hiệu gốc do giao thoa với tín hiệu phản
xạ tại ăng ten máy thu. Nó ảnh hưởng tới trị đo giả khoảng cách lớn hơn so với trị đo
pha sóng tải. Đối với trị đo sóng tải, sai số này đạt tối đa là 1/4 chu kỳ bước sóng
(khoảng 4,8 cm đối với sóng L1), còn đối với trị đo giả khoảng cách sai số cực đại lên
tới mấy chục mét đối với mã thông dụng C/A. Ảnh hưởng này không như nhau tại mỗi
điểm đo và thông thường nó không có tính tương quan giữa các điểm đo. Cho nên nó
không bị loại bỏ hay giảm thiểu thông qua việc sử dụng các sai phân như các loại sai
số kể trên; nó cũng rất khó mô hình hoá. Tuy nhiên có thể giảm sai số này thông qua
các giải pháp công nghệ nâng cao chất lượng ăng ten (công nghệ Choke ring hay giải
pháp lắp thêm vành chống nhiễu xạ) và nâng cao chất lượng máy thu. Thiết thực nhất
đối người sử dụng là thông qua việc chọn điểm đo có độ thông thoáng tốt ngoài thực
địa với góc ngưỡng cao thích hợp (thông thường dưới 15°). Trong quá trình xử lý số
liệu đo, phải tiếp tục giảm thiểu ảnh hưởng này.
d. Sai số tâm pha ăng ten
Như đã biết, ăng ten nhận tín hiệu GPS từ vệ tinh đến và chuyển đổi năng lượng
thành dòng điện để chuyển vào máy thu. Điểm mà tín hiệu GPS được tiếp nhận gọi là
tâm pha ăng ten. Nhìn chung, tâm pha ăng ten không trùng với tâm vật lý (hình học)
của ăng ten. Đối với mỗi điểm đo, độ lệch này thay đổi tuỳ thuộc góc ngưỡng nhận tín
hiệu, phương vị của vệ tinh phát tín hiệu xuống cũng như cường độ của tín hiệu. Mức
độ sai số này tuỳ thuộc vào loại ăng ten. Cũng giống như đối với sai số khúc xạ đa
đường dẫn, ta rất khó mô hình hoá sự thay đổi tâm pha ăng ten và do đó không thể loại
bỏ trong quá trình xử lý số liệu đo.
Tuy nhiên, ta có thể giảm ảnh hưởng của sai số này bằng nhiều cách, chẳng hạn
lựa chọn loại ăng ten được đánh giá là có sai số tâm pha bé, sử dụng ăng ten cùng loại
và định hướng chúng giống nhau (chẳng hạn cùng về hướng bắc như vẫn làm) khi tiến

hành đo GPS trên các cạnh ngắn. Đã có những công bố kết quả khảo sát sai số tâm pha
ăng ten cho từng loại và có thể cập nhật chúng vào phần mềm để hiệu chỉnh ảnh hưởng
này một cách triệt để. Tuy nhiên ảnh hưởng của sai số này tới định vị không lớn nên
thường được bỏ qua trong các ứng dụng thông thường.
e. Độ trễ tầng điện li, tầng đối lưu
Được phát từ độ cao hơn 20.200 km xuống máy thu đặt trên Trái đất, các tín
hiệu vô tuyến phải xuyên qua tầng điện ly và tầng đối lưu. Ảnh hưởng của tầng điện ly
và tầng đối lưu gây nên cái gọi là độ trễ (tầng điện ly hay tầng đối lưu). Cả hai đều gây
nên sai số hệ thống.

Hình I.11 Các tầng khí quyển ảnh hưởng trong quá trình đo GPS
Trang 14


Ngành: Công nghệ Địa chính

SVTH: Huỳnh Nhật Huy

Các điện tử tự do trong tầng ion gây nên độ trễ nhóm phụ thuộc vào tần số tín
hiệu vệ tinh; độ trễ này là nguồn sai số tiềm năng trong trị đo theo thời gian. Mặt
khác, tốc độ lan truyền tín hiệu tăng tỷ lệ nghịch với bình phương tần số của tín hiệu,
và tỷ lệ thuận với mật độ điện tử trong tầng điện ly. Độ trễ trong L2 nhỏ hơn nhiều so
với độ trễ trong L1.
Các phân tích về ảnh hưởng của tầng điện ly đã cung cấp một số lựa chọn sau:

Việc bỏ qua ảnh hưởng sai số do độ trễ điện ly sẽ làm cho việc khắc phục
trượt chu kỳ khó khăn và do đó việc tìm lời giải cho tham số số nguyên đa trị khó
khăn hơn đối với chiều dài cạnh đo lớn;

Tiến hành đo vào ban đêm là lúc ảnh hưởng này tối thiểu;


Sử dụng mô hình dự báo độ trễ tầng điện ly trong thông điệp đạo hàng
quảng bá sẽ làm tăng gần 50% độ chính xác định vị;

Sử dụng máy đo hai tần số sẽ cho phép tạo nên lời giải loại bỏ được ảnh
hưởng điện ly;

Tạo nên các sai phân số liệu đo tại các điểm sẽ giảm nhỏ được ảnh hưởng
của sai số độ trễ điện ly khoảng 1 – 2 mm do sự tương quan giữa chúng trên chiều dài
cạnh ngắn và trung bình.
Ngày nay, bên cạnh việc hoàn thiện máy thu và ăng ten, người ta đặc biệt quan
tâm tới việc tính hiệu chỉnh ảnh hưởng của độ trễ ion không chỉ trong số liệu đo
bằng máy thu một tần mà cả đối với máy thu hai tần.
Ngay phía dưới tầng điện ly là tầng đối lưu. Ảnh hưởng của tầng đối lưu
(nằm cách mặt đất từ 0 – 70 km) - mà cụ thể là sự thay đổi nhiệt độ, áp suất và
độ ẩm không khí - gây nên sự thay đổi vận tốc truyền sóng tín hiệu radio khiến
cả mã (code) lẫn pha sóng tải đều chịu cùng một độ trễ. Độ trễ này phụ thuộc
vào góc ngưỡng của vệ tinh, nó cực tiểu (cỡ 2,3 m) khi vệ tinh ở thiên đỉnh, đạt
9,3 m khi vệ tinh ở góc ngưỡng 150 và 20 - 28 m ở góc ngưỡng cao 50.
Ảnh hưởng của độ trễ tầng đối lưu đã được mô hình hoá bằng các biểu thức toán
học, trong các phần mềm chuyên dụng, giúp tính được trị hiệu chỉnh thích hợp trong quá
trình xử lý nhằm làm giảm thiểu ảnh hưởng này.
f. Độ suy giảm độ chính xác do đồ hình vệ tinh
Độ chính xác kết quả đo GPS còn phụ thuộc vào đồ hình phân bố vệ tinh so
với điểm đo trên mặt đất, đặc trưng bởi hệ số suy giảm độ chính xác (viết tắt theo
tiếng Anh là DOP). DOP là tỷ số giữa sai số vị trí điểm đo và sai số trị đo. DOP càng
nhỏ thì vị trí điểm đo được xác định càng chính xác; DOP thông thường lớn hơn 1, trừ
phi có trị đo dư thừa hay nhận được tín hiệu từ trên 8 vệ tinh; DOP có thể được sử
dụng như là cơ sở để lập kế hoạch đo; khi DOP < 4 là tốt; DOP > 10 thì lời giải sẽ thiếu
tin cậy. Người ta phân ra:

GDOP - hệ số suy giảm độ chính xác hình học, là hệ số tổng hợp nhất.
PDOP - hệ số suy giảm độ chính xác vị trí điểm,
HDOP - hệ số suy giảm độ chính xác mặt bằng,
VDOP - hệ số suy giảm độ chính xác độ cao,
TDOP - hệ số suy giảm độ chính xác thời gian.
Khi các vệ tinh vừa ở thiên đỉnh vừa ở gần chân trời sẽ cho GDOP tốt.
Trang 15


Ngành: Công nghệ Địa chính

SVTH: Huỳnh Nhật Huy

GDOP kém

GDOP tốt
Hình I.12 Các đồ hình vệ tinh

Ngoài ra độ chính xác điểm đo GPS còn phụ thuộc vào độ dài ca đo, số lượng trị
đo dư và chất lượng xử lý (phần mềm sử dụng và cách thức xử lý số liệu đo).
5. Cách thức định vị GPS
a. Định vị tuyệt đối bằng GPS: (hay còn gọi là định vị điểm) sử dụng chỉ
một máy thu GPS đo giả khoảng cách bằng mã tới ít nhất 4 vệ tinh rồi tính toạ độ vị trí
điểm tức thời. Độ chính xác định vị mặt bằng ước đạt 22 m trong điều kiện hiện tại.
Máy thu nhận được toạ độ vệ tinh j(xj , yj, zj) trong thông điệp đạo hàng quảng
bá truyền trực tiếp từ vệ tinh, còn khoảng cách ρi từ máy thu tới vệ tinh được xác định
hoặc bằng mã thông dụng C/A (máy thu dân sự) hoặc mã P(Y) (máy thu quân sự Mỹ
và Đồng minh). Ta cũng đã biết, trị đo giả khoảng cách ρ từ máy thu tới vệ tinh chứa
đựng sai số đồng hồ vệ tinh, sai số đồng hồ máy thu và sự không đồng bộ giữa hai
đồng hồ. Đối với sai số đồng hồ vệ tinh, ta có thể hiệu chỉnh nhờ các tham số hiệu

chỉnh đồng hồ được cấp trong Thông điệp đạo hàng, nên ảnh hưởng của nó được
giảm nhỏ. Để hiệu chỉnh sai số đồng hồ máy thu, ta bổ sung vào mô hình tính toán các
ẩn số là ảnh hưởng của sai số này. Cho nên, ngoài ba ẩn số là ba thành phần toạ độ
của điểm đo là (xu, yu, zu), thêm ẩn thứ tư là độ lệch đồng hồ bu. Điều này giải thích tại
sao ta cần nhìn đồng thời tới ít nhất 4 vệ tinh.
b. Định vị tương đối bằng GPS:
Định vị tương đối sử dụng hai máy thu đồng thời cùng quan trắc một số vệ tinh
để xác định hiệu toạ độ giữa hai điểm và do đó tính được toạ độ điểm này so với điểm
khác đã biết toạ độ chính xác.
Định vị tương đối cũng đòi hỏi máy thu nhận tín hiệu đồng thời từ ít nhất 4 vệ
tinh, tuy nhiên, số lượng vệ tinh càng nhiều, độ chính xác định vị càng được nâng
cao hơn. Định vị tương đối có thể sử dụng trị đo pha sóng tải (thông dụng) và trị
đo giả khoảng cách bằng mã hay kết hợp cả hai.

Trang 16