(Luận văn thạc sĩ) Ứng dụng Hệ thống định vị toàn cầu xây dựng lưới địa chính cụm 04 xã phía Tây Bắc thuộc huyện Hà Trung, tỉnh Thanh Hóa

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM

TỐNG ĐỨC TRÍ

ỨNG DỤNG HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ TOÀN
CẦU XÂY DỰNG LƯỚI ĐỊA CHÍNH CỤM 04
XÃ PHÍA TÂY BẮC THUỘC HUYỆN HÀ
TRUNG, TỈNH THANH HÓA

LUẬN VĂN THẠC SĨ QUẢN LÝ ĐẤT ĐAI

Thái Nguyên - 2018


ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM

TỐNG ĐỨC TRÍ

ỨNG DỤNG HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ TOÀN
CẦU XÂY DỰNG LƯỚI ĐỊA CHÍNH CỤM 04
XÃ PHÍA TÂY BẮC THUỘC HUYỆN
HÀ TRUNG, TỈNH THANH HÓA
Ngành: Quản lý đất đai
Mã số: 8.85.01.03

LUẬN VĂN THẠC SĨ QUẢN LÝ ĐẤT ĐAI
Người hướng dẫn khoa học: PGS. TS Đàm Xuân Vận

Thái Nguyên - 2018

i
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi, các kết quả
nghiên cứu được trình bày trong luận văn là trung thực, khách quan và chưa
từng dùng để bảo vệ lấy bất kỳ học vị nào.
Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện luận văn đã
được cám ơn, các thông tin trích dẫn trong luận văn này đều được chỉ rõ
nguồn gốc.
Thanh Hóa, ngày 20 tháng 9 năm 2018
Tác giả luận văn
Tống Đức Trí


ii
LỜI CẢM ƠN
Trong suốt thời gian học tập, nghiên cứu và hoàn thành luận văn, tôi đã
nhận được sự hướng dẫn, chỉ bảo tận tình của các thầy cô giáo, sự giúp đỡ,
động viên của bạn bè, đồng nghiệp và gia đình.
Nhân dịp hoàn thành luận văn, cho phép tôi được bày tỏ lòng kính
trọng và biết ơn sâu sắc PGS.TS Đàm Xuân Vận đã tận tình hướng dẫn, dành
nhiều công sức, thời gian và tạo điều kiện cho tôi trong suốt quá trình học tập
và thực hiện đề tài.
Tôi cũng xin cảm ơn sự góp ý chân thành của các thầy, cô giáo khoa
Quản lý Tài nguyên, Phòng Quản lý Đào tạo sau Đại học - trường Đại học
Nông Lâm, Đại học Thái Nguyên đã tạo điều kiện thuận lợi cho tôi thực hiện
đề tài và hoàn thành luận văn.
Tôi xin chân thành cảm ơn tập thể lãnh đạo, cán bộ, công chức Sở Tài
nguyên và Môi trường tỉnh Thanh Hóa đã giúp đỡ và tạo điều kiện cho tôi

trong suốt quá trình thực hiện đề tài.
Xin chân thành cảm ơn gia đình, người thân, bạn bè, đồng nghiệp đã tạo
mọi điều kiện thuận lợi và giúp đỡ tôi về mọi mặt, động viên khuyến khích tôi
hoàn thành luận văn./.

Thanh Hóa, ngày 20 tháng 9 năm 2018
Tác giả luận văn
Tống Đức Trí


iii
MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ................................................................................................. i
LỜI CẢM ƠN ..................................................................................................... ii
MỤC LỤC ......................................................................................................... iii
DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT ........................................................................... vi
DANH MỤC BẢNG ......................................................................................... vii
DANH MỤC HÌNH ......................................................................................... viii
MỞ ĐẦU............................................................................................................ 1

1. Tính cấp thiết của đề tài ............................................................................ 1
2. Mục tiêu nghiên cứu.................................................................................. 2
3. Ý nghĩa của đề tài...................................................................................... 2
Chương 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU ................................................................ 3

1.1. Khái quát hệ thống định vị toàn cầu GPS .............................................. 3
1.1.1. Khái niệm về GPS ............................................................................... 3
1.1.2. Các thành phần của GPS ..................................................................... 3
1.1.3. Các đại lượng đo ................................................................................. 6
1.1.4. Nguyên lý định vị GPS ....................................................................... 9

1.1.5. Các nguồn sai số trong định vị GPS ................................................. 13
1.1.6. Ưu điểm của phương pháp định vị GPS ........................................... 16
1.1.7. Tọa độ và hệ quy chiếu ..................................................................... 16
1.2. Các phương pháp xây dựng lưới cơ bản .................................................. 17
1.2.1. Phương pháp đường chuyền.............................................................. 17
1.2.2. Phương pháp tam giác ....................................................................... 19
1.2.2. Phương pháp lưới GPS...................................................................... 21
1.3. Một số ứng dụng nghệ nghệ GPS ............................................................ 21
1.3.1. Ứng dụng công nghệ GPS trong trắc địa trên thế giới và Việt Nam ........ 21
1.3.2. Ứng dụng công nghệ GPS trong xây dựng ....................................... 24
1.3.3. Ứng dụng công nghệ GPS trong giao thông vận tải ......................... 24


iv
1.4. Thiết kế lưới địa chính bằng công nghệ GNSS (Global Navigation
Satellite System) .............................................................................................. 25
1.4.1. Nguyên tắc thiết kế lưới .................................................................... 25
1.4.2. Cơ sở toán học của lưới địa chính..................................................... 26
1.4.3. Mật độ điểm khống chế ..................................................................... 29
1.4.4. Lưới địa chính ................................................................................... 29
1.5. Cơ sở pháp lý của việc xây dựng lưới...................................................... 30
1.6. Đánh giá nhận xét chung .......................................................................... 31
Chương 2: ĐỐI TƯỢNG, THỜI GIAN, PHẠM VI VÀ PHƯƠNG PHÁP
NGHIÊN CỨU................................................................................................. 33

2.1. Đối tượng nghiên cứu............................................................................... 33
2.2. Thời gian nghiên cứu ............................................................................... 33
2.3. Phạm vi nghiên cứu .................................................................................. 33
2.4. Nội dung nghiên cứu ................................................................................ 33
2.5. Phương pháp nghiên cứu.......................................................................... 33

2.5.1. Phương pháp thu thập số liệu thứ cấp .............................................. 33
2.5.2. Phương pháp thiết kế lưới ................................................................. 34
2.5.3. Phương pháp xây dựng lưới địa chính .............................................. 34
2.5.4. Phương pháp xử lý số liệu đo ........................................................... 34
2.5.5. Phương pháp kiểm tra lưới................................................................ 34
2.5.6. Phương pháp phân tích, so sánh........................................................ 35
Chương 3: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN ............................... 36

3.1. Điều kiện tư nhiên, kinh tế - xã hội của cụm 04 xã phía Tây Bắc
thuộc huyện Hà Trung, tỉnh Thanh Hóa ......................................................... 36
3.1.1. Đặc điểm tự nhiên ............................................................................. 36
3.1.2. Đặc điểm kinh tế và xã hội................................................................ 39
3.2. Thực trạng công tác đo đạc bản đồ địa chính trên địa bàn tỉnh Thanh Hóa ....... 40
3.3. Xây dựng lưới địa chính cụm 04 xã phía Tây Bắc thuộc huyện Hà
Trung, tỉnh Thanh Hóa .................................................................................... 42


v
3.3.1. Quy trình xây dựng lưới địa chính .................................................... 42
3.3.2. Thiết kế lưới địa chính ...................................................................... 43
3.3.3. Chọn điểm, chôn mốc địa chính ....................................................... 45
3.3.4. Tổ chức đo GPS ................................................................................ 50
3.3.5. Đo đạc thực địa ................................................................................. 54
3.3.6. Xử lý tính toán bình sai ..................................................................... 57
3.3. Đo kiểm tra ............................................................................................... 74
3.3.1. So sánh kết quả đo kiểm tra với kết quả đã thực hiện ...................... 75
3.3.2. So sánh kết quả đo kiểm tra vị trí điểm ............................................ 75
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .......................................................................... 76
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................... 78
PHỤ LỤC ........................................................................................................ 80

vi
DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT
Từ viết tắt

Nghĩa tiếng việt

BĐĐC

Bản đồ địa chính

ĐCCS

Địa chính cơ sở

DOP
GNSS
GPS
HDOP

Dilution of Precision
Độ mất chính xác
Global Navigation Satellite System
Hệ thống dẫn đường bằng vệ tinh toàn cầu
Global Positioning System
Hệ thống định vị toàn cầu
Horizon Dilution of Precision
Độ mất chính xác theo phương ngang

Mp

Sai số vị trí điểm

Mx, My, Mh

Sai số theo phương x, y, h

PDOP
Ratio

Position Dilution of Precision
Độ mất chính xác vị trí vệ tinh theo 3D
Tỉ số phương sai

Reference Variance Độ chênh lệch tham khảo
Rms
VDOP
X, Y, h

Sai số chiều dài cạnh
Vertiacal Dilution of Precision
Độ mất chính xác theo phương dọc
Tọa độ X, Y, Độ cao thủy chuẩn tạm thời


vii
DANH MỤC BẢNG
Bảng 3. 1. Tổng hợp diện tích các loại đất của khu vực nghiên cứu ........... 37
Bảng 3. 2: Bảng số lượng điểm địa chính thiết kế trong khu vực nghiên cứu...... 45

Bảng 3.3:

Số điểm địa chính đo vẽ trong khu vực nghiên cứu ................... 46

Bảng 3.4:

Tọa độ các điểm gốc ................................................................... 47

Bảng 3.5:

Thiết kế ca đo .............................................................................. 54

Bảng 3.6:

Chỉ tiêu kỹ thuật của máy đo GPS .............................................. 55

Bảng 3.7:

Số lượng điểm GPS đã đo........................................................... 69

Bảng 3.8:

Kết quả đánh giá độ chính xác sau bình sai................................ 71

Bảng 3.9:

So sánh kết quả đánh giá độ chính xác đạt được ........................ 72

Bảng 3.10: So sánh kết quả đo với chỉ tiêu kỹ thuật của lưới địa chính
được thành lập bằng công nghệ GNSS ....................................... 73

Bảng 3.11: So sánh kết quả xử lý được với kết quả đo kiểm tra .................. 75


viii
DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1:

Mô hình hình ảnh trái đất và vệ tinh GPS .................................... 3

Hình 1.2:

Cấu trúc tín hiệu GPS ................................................................... 5

Hình 1.3:

Các trạm điều khiển GPS .............................................................. 6

Hình 1.4:

Các thành phần chính của GPS ..................................................... 6

Hình 1.5:

Xác định hiệu số giữa các thời điểm............................................. 7

Hình 1.6:

Kỹ thuật giải đa trị tại các máy thu ............................................... 9

Hình 1.7:

Kỹ thuật định vị tuyệt đối ........................................................... 10

Hình 1.8:

Kỹ thuật định vị tương đối .......................................................... 12

Hình 1.9:

Đường truyền phù hợp ................................................................ 17

Hình 1.10: Đường chuyền dỗi thẳng ............................................................. 17
Hình 1.11: Đường truyền có một điểm nút ................................................... 18
Hình 1.12: Đường truyền nhiều điểm nút ..................................................... 18
Hình 1.13: Phương pháp tam giác đo góc..................................................... 19
Hình 1.14: Phương pháp tam giác đo toàn cạnh ........................................... 20
Hình 3.1:

Sơ đồ vị trí khu vực nghiên cứu.................................................. 36

Hình 3.2:

Sơ đồ quy trình xây dựng lưới địa chính .................................... 42

Hình 3.3:

Mặt mốc điểm tọa độ địa chính .................................................. 46

Hình 3.4:

Quy cách mốc địa chính.............................................................. 48

Hình 3.5:

Sơ đồ chọn điểm, chôn mốc........................................................ 49

Hình 3.6:

Cửa sổ chương trình Trimble Geomatics office ......................... 50

Hình 3.7:

Cửa sổ Planning .......................................................................... 51

Hình 3.8:

Cửa sổ Planning (Lists Intervals) ............................................... 52

Hình 3.9:

Cửa sổ Planning (Lists Elevation/Azimuth) ............................... 52

Hình 3.10: Cửa sổ Planning (Lists of DOP values) ...................................... 53
Hình 3.11: Máy GPS 1 tần Trimble 4600LS ................................................ 55
Hình 3.12: Cửa sổ Coordinate System Manager. ......................................... 58


ix
Hình 3.13: Cửa sổ Datum Transformation Properties . ................................ 58
Hình 3.14: Chọn hệ tọa độ Vuông góc UTM ............................................... 59

Hình 3.15: Chọn phép chiếu hình trụ ngang giữ góc .................................... 60
Hình 3.16: Tạo New Project. ........................................................................ 61
Hình 3.17: Nhập dữ liệu đo ........................................................................... 61
Hình 3.18: Hộp thoại Receiver Raw Data Check in ..................................... 62
Hình 3.19: Hộp thoại Project Setting ............................................................ 64
Hình 3.20: Hộp thoại Select Coordinate System .......................................... 64
Hình 3.21: Hộp thoại Select Coordinate System Type ................................. 65
Hình 3.22: Hộp thoại Select Coordinate System Zone ................................. 65
Hình 3.23: Hộp thoại Select Geoid Model ................................................... 66
Hình 3.24: Hộp thoại Processing Baselines .................................................. 66
Hình 3.25: Nhập tọa độ điểm gốc ................................................................. 67
Hình 3.26: Hộp thoại Adjust Network .......................................................... 68
Hình 3.27: Hộp thoại Adjust Network .......................................................... 68
Hình 3.28: Sơ đồ đo lưới địa chính ............................................................... 70


1
MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Trong số 15 nội dung quản lý nhà nước về đất đai được quy định tại
Điều 22 Luật đất đai 2013, nhiệm vụ: “Khảo sát, đo đạc, lập bản đồ địa chính,
bản đồ hiện trạng sử dụng đất và bản đồ quy hoạch sử dụng đất; điều tra, đánh
giá tài nguyên đất; điều tra xây dựng giá đất” được đặt ở vị trí thứ 3.
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 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, thay thế

công nghệ truyền thống trong việc thành lập và xây dựng dựng mạng lưới tọa
độ các cấp. Đối với ngành trắc địa bản đồ thì đây là cuộc cách mạng thực sự
cả về kỹ thuật, chất lượng cũng như hiệu quả kinh tế trên phạm vi toàn thế
giới nói chung và 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 tính ưu việt như: có thể xác định tọa độ của các điểm
từ điểm gốc khác mà không cần thông hướng; tính tự động hóa trong đo đạc
và xử lý kết quả đo; 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 nhanh
chóng, chính xác cao, ở bất kỳ vị trí nào trên trái đất; có thể thực hiện trong
mọi điều kiện địa hình mà không cần thông hướng giữa các điểm đo; tiết kiệm
thời gian, chi phí thấp; đáp ứng yêu cầu thay thế một số dạng công việc mà
phương pháp trắc địa truyền thống không thực hiện được như: đo hải đảo; đo
địa hình đáy biển; đo mặt cắt các sông lớn; đặc biệt là đo khoảng cách dài.


2
Công tác đo đạc bản đồ, đăng ký, câp giấy chứng nhận quyền sử dụng
đất, lập hồ sơ địa chính, xây dựng cơ sở dữ liệu địa chính là một nội dung
quan trọng trong công tác quản lý nhà nước về đất đai, phục vụ cho việc xây
dựng quy hoạch, kế hoạch sử dụng đất phát triển kinh tế - xã hội, an ninh,
quốc phòng của địa phương. Tuy nhiên, trên địa bàn huyện Hà Trung hệ
thống bản đồ giải thửa, bản đồ địa chính trước đây vừa thiếu, lại đo đạc đã
lâu, công nghệ cũ, không đồng bộ và chưa được chỉnh lý biến động nên thiếu
độ chính xác. Vì vậy, để quản lý đất đai một cách có hiệu quản, khoa học thì
cần thiết phải thành lập được hệ thống BĐĐC có độ chính xác cao, muốn có
được điều đó cần phải xây dựng lưới địa chính.
Để mở rộng khả năng sử dụng công nghệ GPS, góp phần đưa công nghệ
vào sản xuất, nâng cao hiệu quả kinh tế trong đo đạc, tôi tiến hành nghiên cứu
đề tài: “Ứng dụng Hệ thống định vị toàn cầu xây dựng lưới địa chính cụm

04 xã phía Tây Bắc thuộc huyện Hà Trung, tỉnh Thanh Hóa”.
2. Mục tiêu nghiên cứu
Ứng dụng hệ thống định vị toàn cầu để xây dựng lưới địa chính phục vụ
công tác đo vẽ, thành lập bản đồ địa chính.
3. Ý nghĩa của đề tài
Dựa trên công nghệ GNSS để xây dựng lưới địa chính cụm 04 xã phía Tây
Bắc thuộc huyện Hà Trung 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 đo vẽ và là tiền đề xây dựng lưới không chế đo vẽ toàn huyện.


3
Chương 1
TỔNG QUAN TÀI LIỆU
1.1. Khái quát 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.

Hình 1.1: Mô hình hình ảnh trái đất và vệ tinh GPS
Nguồn: Ahmed El-Rabbany (2007), Introduction to GPS [15]
1.1.2. Các thành phần của GPS
GPS gồm 3 đoạn: đoạn không gian, đoạn điều khiển và đoạn người sử dụng.
1.1.2.1. 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 cao khoảng 20.200 km, góc nghiêng 550 so với mặt phẳng xích
đạo của trái đất. Chu kỳ quay của vệ tinh là 718 phút. [15]
- Chức năng chính của các vệ tinh là:


4
+ 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, PCode 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.


5

Hình 1.2: Cấu trúc tín hiệu GPS
Nguồn: Ahmed El-Rabbany (2007), Introduction to GPS [15]

1.1.2.2. 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. [15]


6

Hình 1.3: Các trạm điều khiển GPS
Nguồn: Ahmed El-Rabbany (2007), Introduction to GPS [15]
1.1.2.3. 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
Nguồn: Ahmed El-Rabbany (2007), Introduction to GPS [15]
1.1.3. 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-code) và đo pha của sóng tải L1, L2 và tổ hợp L1/L2. [16]


7
1.1.3.1. 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 xác định được khoảng cách từ vệ
tinh đến máy thu (đến tâm ăng ten của máy thu). Do có sự không đồng bộ
giữa đồng hồ của vệ tinh và máy thu, do 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. [16]

Hình 1.5: Xác định hiệu số giữa các thời điểm
Nguồn: Alfred Leick (1995), GPS Satellite Surveying) [16]
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 kiện lan truyền tín hiệu, sai số đo khoảng cách theo C/A code


8
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. [9]
1.1.3.2. 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:
Φ=

2π

λ

( R − N λ + c∆ t )

(1.2)

Trong đó:

R là khoảng cách giữa vệ tinh và máy thu;

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. [16]


9

Hình 1.6: Kỹ thuật giải đa trị tại các máy thu
Nguồn: Alfred Leick (1995), GPS Satellite Surveying) [16]
1.1.4. Nguyên lý định vị GPS
1.1.4.1. 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.
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:


10
(XS1- X)2 +(YS1- Y)2 +(ZS1- Z)2 = (R1-c∆t)2
(XS2- X)2 +(YS2- Y)2 +(ZS2- Z)2 = (R2-c∆t)2
2

2

2

(XS3- X) +(YS3- Y) +(ZS3- Z) = (R3-c∆t)

(1.3)

2

(XS4- X)2 +(YS4- Y)2 +(ZS4- Z)2 = (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. [16]
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
Nguồn: Alfred Leick (1995), GPS Satellite Surveying) [16]
1.1.4.2. 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.


11
Nguyên tắc đo GPS tương đối được thực hiện trên cơ sở sử dụng đại
lượng đo là pha của sóng tải. Để đạt được độ chính xác cao và rất cao cho kết
quả xác định 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,...
Ta ký hiệu Φrj(ti) 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:
∆1Φj(ti)= Φ2j(ti)- Φ1j(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:

∆2Φj,k(ti)= ∆1Φk(ti)- ∆1Φj(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:
∆3Φj,k = ∆2Φj,k(ti+1)- ∆2Φj,k(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. [16]


12

Hình 1.8: Kỹ thuật định vị tương đối
Nguồn: Alfred Leick (1995), GPS Satellite Surveying) [16]
Định vị tương đối có các phương pháp đo cơ bản sau đây:
a. 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.


13
b. 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.
1.1.4.3. Định vị vi phân (Differential GPS)
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. [16]
1.1.5. Các nguồn sai số trong định vị GPS
1.1.5.1. Sai số của đồng hồ
Sai số đồng hồ gồm đồng hồ trên vệ tinh, đồng hồ trong máy thu và sự
không đồng bộ giữa chúng gây ra sai số của đồng hồ trong kết quả đo GPS.
Đặc biệt là trong định vị tuyệt đối sai số này có giá trị tương đối lớn.
Các vệ tinh được trang bị đồng hồ nguyên tử có độ chính xác cao, tính
đồng bộ về thời gian giữa các đồng hồ vệ tinh được giữ trong khoảng 20 nano
giây. Còn các máy thu GPS được trang bị đồng hồ thạch anh chất lượng cao
(10-4s) đặt bên trong.


14
Chúng ta biết rằng vận tốc truyền tín hiệu khoảng 3x108m/s, nếu sai số
đồng hồ thạch anh là 10-4s thì sai số khoảng cách tương ứng là 30 m, nếu
đồng hồ nguyên tử sai 10-7s thì khoảng cách sai 3 m.
Với ảnh hưởng như trên, người ta đã sử dụng nguyên tắc định vị tương
đối để loại trừ ảnh hưởng của sai số đồng hồ. [3]
1.1.5.2. Sai số quỹ đạo vệ tinh
Chúng ta đã biết vệ tinh chuyển động trên quỹ đạo xung quanh trái đất
chịu nhiều sự tác động như ảnh hưởng của sự thay đổi trọng trường trái đất,
ảnh hưởng của sức hút mặt Trăng, mặt Trời,... Các ảnh hưởng trên sẽ tác động
tới quỹ đạo của vệ tinh, khi đó vệ tinh sẽ không chuyển động hoàn toàn tuân
theo đúng 3 định luật Kepler. Sai số quỹ đạo vệ tinh ảnh hưởng gần như trọn
vẹn đến kết quả định vị tuyệt đối, song được khắc phục về cơ bản trong định
vị tương đối hoặc vi phân.

Để biết được vị trí của vệ tinh trên quỹ đạo thì người sử dụng có thể căn
cứ vào lịch vệ tinh. Tùy thuộc vào mức độ chính xác của thông tin, lịch vệ
tinh được chia làm 3 loại là:
- Lịch vệ tinh dự báo (Almanac): Phục vụ cho lập lịch và xác định quang
cảnh nhìn thấy của vệ tinh tại thời điểm quan sát, lịch vệ tinh này có sai số
khoảng vài km.
- Lịch vệ tinh quảng bá (Broadcast ephemeris): Được tạo lập dựa trên 5
trạm quan sát thuộc đoạn điều khiển của hệ thống GPS, hiện nay khi chế độ
nhiễu SA đã được bỏ thì lịch vệ tinh quảng bá có sai số khoảng từ 2-5 m.
- Lịch vệ tinh chính xác: Được lập dựa trên cơ sở các số liệu quan trắc
trong mạng lưới giám sát và được tính toán nhờ một số tổ chức khoa học, loại
lịch này cho sai số nhỏ hơn 0.5m. [3]
1.1.5.3. Sai số ảnh hưởng của điều kiện khí tượng
Tín hiệu vệ tinh đến máy thu đi qua một quãng đường lớn hơn 20.000
km, trong đó có tầng điện ly từ độ cao 50 km tới độ cao 500 km và tầng đối