Nghiên cứu ứng dụng công nghệ gnss thành lập lưới khống chế thi công công trình thủy điện có chiều cao cột nước lớn

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT

NGUYỄN VĂN ĐIỆP

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ GNSS THÀNH LẬP
LƯỚI KHỐNG CHẾ THI CƠNG CƠNG TRÌNH THỦY ĐIỆN
CĨ CHIỀU CAO CỘT NƯỚC LỚN

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Hà Nội-2018


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT

NGUYỄN VĂN ĐIỆP

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ GNSS THÀNH LẬP
LƯỚI KHỐNG CHẾ THI CƠNG CƠNG TRÌNH THỦY ĐIỆN
CĨ CHIỀU CAO CỘT NƯỚC LỚN

Ngành:

Kỹ thuật trắc địa - bản đồ

Mã số:

8520503

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

PGS.TS. LÊ ĐỨC TÌNH

Hà Nội-2018


1

LỜI CAM ĐOAN
Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết
quả trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai cơng bố trong bất kỳ cơng
trình nào khác.

Hà Nội, ngày tháng năm 2018
Tác giả luận văn

Nguyễn Văn Điệp


2

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU ............................................................................................................... 7
LỜI CẢM ƠN ...................................................................................................... 10
CHƯƠNG 1 ......................................................................................................... 11
TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ GNSS ............................................................. 11

1.1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ CÔNG NGHỆ GNSS .......................................... 11
1.1.1. Khái quát hệ thống định vị tồn cầu GNSS .......................................... 11
1.1.2. Tính năng nổi trội của công nghệ GNSS .............................................. 12
1.2. ỨNG DỤNG CỦA CÔNG NGHỆ GNSS.................................................... 12
1.3. CÁC HỆ THỐNG CỦA GNSS .................................................................... 13
1.3.1.Hệ thống định vị GPS ........................................................................... 14
1.3.2. Hệ thống Galileo.................................................................................. 17
1.3.3. Hệ thống GLONASS............................................................................. 19
CHƯƠNG 2
ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ GNSS TRONG THÀNH LẬP ................................ 26
LƯỚI KHỐNG CHẾ THI CƠNG CƠNG TRÌNH THỦY ĐIỆN ......................... 26
2.1. ĐẶC ĐIỂM CẤU TRÚC CỦA CƠNG TRÌNH THỦY ĐIỆN ...................... 26
2.1.1. Hồ chứa nước ...................................................................................... 27
2.1.2. Cơng trình chính .................................................................................. 28
2.1.3 Cơng trình phụ trợ ................................................................................ 29
2.2 YÊU CẦU ĐỘ CHÍNH XÁC BỐ TRÍ CÁC HẠNG MỤC CƠNG TRÌNH
THỦY ĐIỆN ...................................................................................................... 29
2.3. ỨNG DỤNG GNSS ĐỂ THÀNH LẬP LƯỚI THI CƠNG CƠNG TRÌNH
THỦY ĐIỆN ...................................................................................................... 31
2.3.1. Đặc điểm và phân cấp lưới khống chế thi công .................................... 31


3

2.3.2. Kết cấu và phân bố mốc lưới khống chế thi cơng ................................. 33
2.3.3. Liên kết đồ hình lưới GNSS .................................................................. 35
2.3.3. Ước tính gần đúng độ chính xác lưới GNSS ......................................... 38
2.4. MỘT SỐ CHỈ TIÊU KỸ THUẬT ĐO ĐẠC LƯỚI GNSS ............................ 43
2.5. MỘT SỐ GIẢI PHÁP NÂNG CAO HIỆU QỦA ĐO GNSS TRONG LƯỚI
TRẮC ĐỊA CÔNG TRÌNH ................................................................................ 44

2.5.1. Chọn điểm, thiết kế và ước tính độ chính xác của lưới ......................... 44
2.5.2. Tổ chức đo đạc..................................................................................... 46
2.5.3. Xử lý kết quả đo cạnh........................................................................... 47
2.5.4. Tính tốn và bình sai mạng lưới........................................................... 48
CHƯƠNG 3
TÍNH TỐN XỬ LÝ SỐ LIỆU LƯỚI THI CƠNG ................................................... 50
CƠNG TRÌNH THỦY ĐIỆN THÀNH LẬP BẰNG CƠNG NGHỆ GNSS.................. 50
3.1. QUY TRÌNH XỬ LÝ SỐ LIỆU BẰNG PHẦN MỀM TBC (TRIMBLE
BUSINESS CENTER) ....................................................................................... 50
3.1.1. Giới thiệu tổng quan phần mềm TBC ................................................... 50
3.1.2. Ứng dụng phần mềm TBC 2.70 trong xử lý lưới khống chế GNSS........ 53
3.2. CHỌN HỆ TỌA ĐỘ VÀ ĐỘ CAO MẶT CHIẾU ĐỐI VỚI CƠNG TRÌNH
THỦY ĐIỆN ...................................................................................................... 62
3.2.1. Nguyên tắc chọn hệ quy chiếu .............................................................. 62
3.2.2. Các số hiệu chỉnh chiều dài cho mạng lưới khống chế thi cơng ........... 63
3.3 TÍNH CHUYỂN TỌA ĐỘ GPS VỀ HỆ TỌA ĐỘ CƠNG TRÌNH ................ 67
3.3.1 Tính chuyển tọa độ phẳng giữa các múi chiếu ...................................... 68
3.3.2. Tính chuyển tọa độ phẳng đồng dạng (Helmert) .................................. 71
3.3.3. Quy trình tính chuyển tọa độ GPS về hệ tọa độ cơng trình ................... 74


4

CHƯƠNG 4
THỰC NGHIỆM THÀNH LẬP LƯỚI TAM GIÁC THỦY CÔNG CƠNG TRÌNH
THỦY ĐIỆN THƯỢNG KON TUM BẰNG CƠNG NGHỆ GNSS .................... 76
4.1. GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ CƠNG TRÌNH THỦY ĐIỆN THƯỢNG
KONTUM.......................................................................................................... 76
4.1.1 Giới thiệu chung ................................................................................... 76
4.1.2 Điều kiện địa lý tự nhiên ...................................................................... 76

4.1.3. Mục đích, yêu cầu và nhiệm vụ xây dựng hệ thống lưới thi công cơng trình
...................................................................................................................... 77
4.2. THIẾT KẾ LƯỚI THI CƠNG MẶT BẰNG ................................................ 78
4.2.1. Thiết kế sơ đồ mạng lưới ...................................................................... 78
4.2.2. Thiết kế kết cấu mốc............................................................................. 80
4.2.3. Thiết kế tổ chức ca đo .......................................................................... 80
4.3. TÍNH TỐN ƯỚC TÍNH ĐỘ CHÍNH XÁC LƯỚI ..................................... 82
4.3.1. Yêu cầu độ chính xác đối với mạng lưới............................................... 82
4.3.2. Ước tính độ chính xác lưới................................................................... 82
4.4. THỰC NGHIỆM XỬ LÝ SỐ LIỆU LƯỚI THỦY CÔNG ........................... 83
4.4.1. Kết quả đo và tính tốn bình sai lưới GPS ........................................... 83
4.4.2. Tính chuyển tọa độ GPS về tọa độ cơng trình ..................................... 85
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .............................................................................. 90
TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................................... 91
PHẦN PHỤ LỤC ................................................................................................. 93


5

DANH MỤC CÁC HÌNH
HÌNH 1.1: TỔNG QUAN VỀ CƠNG NGHỆ GNSS ................................................. 11
HÌNH 1.2: TÍN HIỆU CỦA GNSS .......................................................................... 13
HÌNH1.3: HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ TỒN CẦU GNSS ............................................... 14
HÌNH 1.4: HỆ THỐNG GLONASS ......................................................................... 20
HÌNH 1.5: NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA GLONASS ....................................... 21
HÌNH 1.6: ỨNG DỤNG CỦA GLONASS ............................................................... 24
HÌNH 2.1: TỒN CẢNH CƠNG TRÌNH THỦY ĐIỆN ............................................ 26
HÌNH 2.2: CƠNG TRÌNH ĐẦU MỐI THỦY ĐIỆN YALY GIA LAI ........................ 27
HÌNH 2.3: HỒ CHỨA THỦY ĐIỆN BẢN CHÁT .................................................... 28
HÌNH 2.4: CƠNG TRÌNH ĐẦU MỐI THỦY ĐIỆN A LƯỚI .................................... 29

HÌNH 2.5: BẢN VẼ THIẾT KẾ MỐC LƯỚI KHỐNG CHẾ THI CƠNG THỦY ĐIỆN34
HÌNH 2.6: ẢNH MỐC LƯỚI KHỐNG CHẾ THI CƠNG THỦY ĐIỆN ..................... 34
HÌNH2.7: LIÊN KẾT ĐIỂM...............................................................................35
HÌNH 2.8: LIÊN KẾT CẠNH ................................................................................ 36
HÌNH 2.9: LIÊN KẾT CẠNH - ĐIỂM ..................................................................... 37
HÌNH 3.1: CHƯƠNG TRÌNH TRIMBLE BUSINESS CENTER ............................... 50
HÌNH 3.2: FILE MENU......................................................................................... 51
HÌNH 3.3: SURVEY MENU .................................................................................. 52
HÌNH 3.4: REPORTS MENU ................................................................................. 53
HÌNH 3.5: SƠ ĐỒ QUY TRÌNH XỬ LÝ SỐ LIỆU BẰNG PHẦN MỀM TBC 2.70 .... 54
HÌNH 3.7: NHẬP DỮ LIỆU TỪ CHỨC NĂNG IMPORT ........................................ 55
HÌNH 3.8: HỘP THOẠI IMPORTING FILE ............................................................ 56
HÌNH 3.9: HỘP THOẠI RECEIVER RAW DATA IN .............................................. 56
HÌNH 3.10: HỘP THOẠI PROCESS BASELINES................................................... 57
HÌNH 3.11: MODUN ADJUST NETWORK ............................................................ 60
HÌNH 3.12: MODUN COORDINATE SYSTEM MANAGER .................................. 61
HÌNH 3.13: SỐ HIỆU CHỈNH CHIỀU DÀI ............................................................. 63
HÌNH 3.14: CHUYỂN ĐỔI TỌA ĐỘ VNG GĨC PHẲNG .................................. 72
HÌNH 4.1: SƠ ĐỒ MẠNG LƯỚI TAM GIÁC THỦY CÔNG ................................... 80


6

DANH MỤC CÁC BẢNG
BẢNG 2.1: YÊU CẦU ĐỘ CHÍNH XÁC BỐ TRÍ CÁC HẠNG MỤC CƠNG
TRÌNH THỦY ĐIỆN ........................................................................................... 31
BẢNG 2.2: PHÂN CẤP LƯỚI KHỐNG CHẾ THI CÔNG ................................. 33
BẢNG 2.3: THÔNG SỐ KỸ THUẬT CỦA LƯỚI KHỐNG CHẾ THI CÔNG .. 33
BẢNG 2.4: THỜI GIAN TỐI THIỂU CA ĐO ..................................................... 43
BẢNG 2.5: YÊU CẦU KỸ THUẬT CƠ BẢN KHI ĐO GNSS ........................... 43

BẢNG 3.1: GIÁ TRỊ HIỆU ĐỘ CAO CỦA CẠNH ĐO VÀ ĐỘ CAO MẶT
CHIẾU ................................................................................................................. 64
BẢNG 3.2: GIÁ TRỊ KHOẢNG CÁCH TỪ KINH TUYẾN TRỤC ĐẾN CƠNG
TRÌNH ................................................................................................................. 66
BẢNG 4.1: CẤP HẠNG LƯỚI THI CÔNG CỦA THUỶ ĐIỆN THƯỢNG KON
TUM .................................................................................................................... 78
BẢNG 4.2: TỌA ĐỘ CÁC ĐIỂM THIẾT KẾ VÀ SAI SỐ VỊ TRÍ ĐIỂM .......... 83
BẢNG 4.3: BẢNG KẾT QUẢ TỌA ĐỘ PHẲNG BÌNH SAI ............................. 84
BẢNG 4.4: CÁC THAM SỐ CỦA MÚI CHIẾU ................................................. 86
BẢNG 4.5 : KẾT QUẢ TÍNH CHUYỂN TỌA ĐỘ QUA CÁC MÚI CHIẾU ..... 87
BẢNG 4.6: TỌA ĐỘ CÁC ĐIỂM SONG TRÙNG .............................................. 87
BẢNG 4.7: KẾT QUẢ TỌA ĐỘ TÍNH CHUYỂN VỀ TỌA ĐỘ CƠNG TRÌNH88
BẢNG 4.8: CÁC THAM SỐ CỦA MÚI CHIẾU ................................................. 88
BẢNG 4.9: KẾT QUẢ TÍNH CHUYỂN TỌA ĐỘ QUA CÁC MÚI CHIẾU ...... 89
BẢNG 4.10: TỌA ĐỘ CÁC ĐIỂM SONG TRÙNG ............................................ 89
BẢNG 4.11: KẾT QUẢ TỌA ĐỘ TÍNH CHUYỂN VỀ TỌA ĐỘ CƠNG TRÌNH89


7

MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Ngày nay nhu cầu về điện năng để phục vụ cho công cuộc phát triển kinh tế
xã hội của mỗi Quốc gia nói chung cũng như nhu cầu phục vụ cho sinh hoạt của
người dân nói riêng là hết sức quan trọng và cần thiết, vấn đề sản xuất điện luôn
được coi là vấn đề trọng điểm của Quốc gia đó. Đối với Việt Nam cũng vậy, là
một nước đang phát triển, khả năng cung cấp điện phục vụ sản xuất và sinh hoạt
đang rất thiếu so với nhu cầu thực tế. Sản xuất điện là một nhiệm vụ hết sức nặng
nề đối với ngành điện lực trong nhiều thập kỷ tới.
Với đặc điểm khí hậu của một nước nhiệt đới gió mùa: mưa nhiều, nguồn

nước của các sông suối dồi dào, tiềm năng thủy điện phong phú, nên hướng đầu tư
vào thủy điện đang được ưu tiên trong chiến dịch phát triển của ngành điện lực.
Các dự án thủy điện với nhiều quy mô lớn, vừa và nhỏ đã và đang được đầu tư xây
dựng mạnh mẽ ở các vùng như: vùng đông Nam bộ, khu vực Tây Nguyên, khu vực
miền Trung và các tỉnh miền núi phía Bắc. Nhưng cơng tác trắc địa phục vụ cho
khảo sát, thi cơng cịn đang gặp nhiều khó khăn do điều kiện địa hình vùng rừng
núi phức tạp.
Ngày nay, việc ứng dụng công nghệ GNSS vào lĩnh vực trắc địa nói chung
và trắc địa cơng trình nói riêng đã trở nên phổ biến, đặc biệt trong ứng dụng vào
mục đích thành lập các loại lưới khống chế thi cơng cơng trình. Sự phát triển nhanh
của khoa học công nghệ giúp cho khả năng ứng dụng công nghệ GNSS ngày càng
cao, các phần mềm xử lý số liệu ngày càng ưu việt và đáp ứng được các yêu cầu đa
dạng của thực tế sản xuất.
Ứng dụng công nghệ GNSS trong xây dựng thành lập các loại lưới khống
chế là hoàn toàn hợp lý và đạt hiệu quả cao hơn so với các phương pháp truyền
thống trước đây. Để xây dựng lưới khống chế thi công công trình thuỷ điện có ý
nghĩa khoa học và thực tiễn to lớn vì khi áp dụng cơng nghệ này chúng ta tiết kiệm


8

được thời gian sản xuất, giảm bớt chi phí, nhân cơng, khắc phục được những khó
khăn về địa hình.
Vì vậy, việc nghiên cứu đề tài: "Nghiên cứu ứng dụng công nghệ GNSS
thành lập lưới khống chế thi cơng cơng trình thuỷ điện có chiều cao cột nước
lớn" là rất cần thiết, góp phần giải quyết được những vấn đề khó khăn nêu trên.
2. Mục đích nghiên cứu của đề tài
- Nghiên cứu khả năng ứng dụng công nghệ GNSS, các phương pháp đo và
xử lý số liệu bảo đảm hiệu quả và độ chính xác trong q trình thành lập lưới
khống chế thi cơng các cơng trình thuỷ điện.

- Nghiên cứu đặc điểm, yêu cầu kỹ thuật đối với lưới thi cơng cơng trình
thuỷ điện, từ đó xác định phương pháp thiết kế, tổ chức đo đạc lưới thi công bằng
công nghệ GNSS.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
- Lưới khống chế mặt bằng đo bằng công nghệ GNSS thục vụ thi cơng cơng
trình thuỷ điện.
- Nghiên cứu ứng dụng phần mềm TBC2.7 để xử lý số liệu GNSS sau đó
tính chuyển lưới về hệ tọa độ cơng trình.
4. Nội dung nghiên cứu
- Thu thập, nghiên cứu các tài liệu liên quan đến ứng dụng công nghệ GNSS
trong trắc địa cơng trình, độ chính xác và các tiêu chuẩn trong xây dựng thủy điện.
Thu thập các số liệu thực tế từ việc xây dựng lưới khống chế thi công tại các cơng
trình thuỷ điện.
- Xây dựng quy trình thiết kế, tổ chức đo đạc và xử lý số liệu GNSS trong
thành lập lưới khống chế thi cơng cơng trình thuỷ điện.
- Thực nghiệm ứng dụng GNSS trong thành lập lưới khống chế thi cơng
cơng trình thuỷ điện.


9

5. Phương pháp nghiên cứu
- Phương pháp thống kê: thu thập, tổng hợp, xử lý các thông tin và tài liệu
liên quan, kế thừa có chọn lọc các thành quả có liên quan đến đề tài.
- Phương pháp phân tích: sử dụng các phương tiện và các công cụ tiện ích,
phân tích có lơgíc các tư liệu, số liệu hiện có làm cơ sở giải quyết các vấn đề đặt
ra.
- Phương pháp so sánh: tổng hợp các kết quả, so sánh đánh giá và đưa ra các
kết luận chính xác về vấn đề đặt ra.
6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

- Góp phần hồn thiện quy trình xây dựng lưới khống chế thi công đo bằng
công nghệ GNSS trong thi cơng xây dựng cơng trình thủy điện ở Việt nam.
- Ứng dụng công nghệ GNSS để xây dựng lưới khống chế thi cơng cơng
trình thuỷ điện có ý nghĩa thực tiễn to lớn vì khi áp dụng cơng nghệ này chúng ta
tiết kiệm được thời gian sản xuất, giảm bớt chi phí, nhân cơng, khắc phục được
những khó khăn về địa hình.
7. Cấu trúc luận văn
Luận văn bao gồm: Mở đầu, 4 Chương và phần kết luận được trình bày
trong 93 trang với 15 bảng và 27 hình.


10

LỜI CẢM ƠN
Luận văn này được hoàn thành dưới sự hướng dẫn của Thầy giáo PGS.
TS. Lê Đức Tình. Nhân đây, tơi xin được bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc đối với thầy
giáo hướng dẫn đã tận tình chỉ bảo, giúp đỡ tơi hồn thành luận văn này. Xin chân
thành cảm ơn các thầy cô giáo trong bộ môn Trắc địa cơng trình, các thầy cơ giáo
trong khoa Trắc địa - Bản đồ và Quản lý đất đai trường Đại học Mỏ - Địa chất đã
trang bị cho tôi những kiến thức bổ ích, giúp đỡ tơi trong q trình học tập và trong
thời gian thực hiện luận văn tốt nghiệp.
Tôi rất mong được các thầy cô giáo và các bạn đồng nghiệp nhận xét, góp ý
để kiến thức của tơi được hồn thiện hơn.
Tơi xin chân thành cảm ơn!


11

Chương 1
TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ GNSS

1.1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ CÔNG NGHỆ GNSS
1.1.1. Khái quát hệ thống định vị toàn cầu GNSS
Hệ thống định vị vệ tinh toàn cầu (GNSS) là tên dùng chung cho
các hệ thống định vị toàn cầu sử dụng vệ tinh như: GPS (Hoa Kỳ), hệ thống
định vị Galileo (Liên minh châu Âu), hệ thông GLONASS (Liên bang Nga)
và hệ thống định vị Bắc Đẩu (Trung Quốc) . Hệ thống định vị vệ tinh được phát
triển từ những năm 70 của thế kỷ XX.
Ban đầu chuyên dùng cho mục đích quân sự, từ những năm 80 của thể kỷ
XX bắt đầu Được mở rộng cho các mục đích dân sự như định vị điểm, đạo hàng
dẫn đường, ..

Hình 1.1: Tổng quan về cơng nghệ GNSS
Một hệ thống định vị vệ tinh cơ bản được cấu tạo bởi 3 phần chính:
+ Phần điều khiển, bao gồm trạm xử lý trung tâm, các trạm giám
sát, các trạm truyền số hiệu chỉnh vệ tinh phân bố đều trên vùng lãnh thổ hoặc
toàn thế giới để tiện cho việc điều khiển hệ thống.


12

+ Phần không gian, bao gồm các vệ tinh bay theo các quỹ đạo đã được
định trước và đảm bảo ở vị trí, thời điểm bất kỳ nào trên bề mặt Trái Đất cũng
có thể quan sát cùng một lúc được ít nhất 4 vệ tinh.
+ Phần sử dụng, bao gồm các thiết bị thu tín hiệu từ các vệ tinh nhân tạo,
nó được đặt trên các đối tượng cần theo dõi vị trí như: máy bay, tàu thủy, tàu hỏa,
xe bt, các cơng trình có khả năng chuyển dịch,.....
1.1.2. Tính năng nổi trội của cơng nghệ GNSS
+ Đo đạc đơn giản, không cần thông hướng giữa các điểm đo;
+ Độ chính xác cao
+ Tự động quan trắc, hiệu chỉnh sai số trực tiếp thông qua radio link;

+ Hoạt động tốt kể cả trong mơi trường khắc nghiệt (-400C ÷ 800C);
+ Tốc độ thu tín hiệu nhanh;
+ Thu và xử lý đa tín hiệu từ nhiều hệ thống vệ tinh khác nhau;
+ Điều khiển thông qua bộ điều khiển cầm tay;
+ Tiện ích khác: Có radio link để thu hoặc phát tín hiệu hiệu chỉnh. Kết nối
với máy tính thơng qua mạng Internet, 3G, Wifi.... Kết hợp với RTS trong cùng
một khối thống nhất.
1.2. ỨNG DỤNG CỦA CƠNG NGHỆ GNSS
Thơng dụng:
– Dẫn đường cho phương tiện giao thông
– Giám sát hành trình
– Lưu vết đối tượng
– Dịch vụ hướng vị trí (Location Based Services - LBS)
Chuyên sâu:
– Trắc địa, bản đồ
– Giám sát mơi trường
– Nghiên cứu về tầng khí quyển


13

– Phương tiện tự hành
– Đồng bộ thời gian trong các hệ thống viễn thơng, giao dịch điện tử

Hình 1.2: Tín hiệu của GNSS
1.3. CÁC HỆ THỐNG CỦA GNSS
Hệ thống vệ tinh định vị toàn cầu ( Global Navigation Satellite System GNSS) là tên dùng chung cho các hệ thống định vị toàn cầu sử dụng vệ tinh như
GPS (Hoa Kỳ), Hệ thống định vị Galileo (Liên minh châu Âu) và GLONASS
(Liên bang Nga) và Hệ thống định vị Bắc Đẩu (Trung Quốc)

14

Hình1.3: Hệ thống định vị tồn cầu GNSS
1.3.1.Hệ thống định vị GPS
Hệ thống định vị toàn cầu của Mỹ là hệ dẫn đường dựa trên một mạng lưới
24 quả vệ tinh được Bộ Quốc phòng Hoa Kỳ đặt trên quỹ đạo không gian.Các hệ
thống dẫn đường truyền thống hoạt động dựa trên các trạm phát tín hiệu vơ tuyến
điện. Được biết đến nhiều nhất là các hệ thống sau: LORAN – (LOng RAnge
Navigation) – hoạt động ở giải tần 90-100 kHz chủ yếu dùng cho hàng hải, hay
TACAN – (TACtical Air Navigation) – dùng cho quân đội Mỹ và biến thể với độ
chính xác thấp VOR/DME – VHF (Omnidirectional Range/Distance Measuring
Equipment) – dùng cho hàng không dân dụng.
Gần như đồng thời với lúc Mỹ phát triển GPS, Liên Xô cũng phát triển một
hệ thống tương tự với tên gọi GLONASS. Hiện nay Liên minh Châu Âu đang phát
triển hệ dẫn đường vệ tinh của mình mang tên Galileo. Trung Quốc thì phát triển
hệ thống định vị tồn cầu của mình mang tên Bắc Đẩu bao gồm 35 vệ tinh.
Ban đầu, GPS và GLONASS đều được phát triển cho mục đích quân sự, nên
mặc dù chúng dùng được cho dân sự nhưng không hệ nào đưa ra sự đảm bảo tồn


15

tại liên tục và độ chính xác. Vì thế chúng khơng thỏa mãn được những u cầu an
tồn cho dẫn đường dân sự hàng không và hàng hải, đặc biệt là tại những vùng và
tại những thời điểm có hoạt động quân sự của những quốc gia sở hữu các hệ thống
đó. Chỉ có hệ thống dẫn đường vệ tinh châu Âu Galileo (đang được xây dựng)
ngay từ đầu đã đặt mục tiêu đáp ứng các yêu cầu nghiêm ngặt của dẫn đường và
định vị dân sự.
GPS ban đầu chỉ dành cho các mục đích quân sự, nhưng từ năm 1980 chính

phủ Mỹ cho phép sử dụng trong dân sự. GPS hoạt động trong mọi điều kiện thời
tiết, mọi nơi trên Trái Đất, 24 giờ một ngày. Khơng mất phí thuê bao hoặc mất tiền
trả cho việc thiết lập sử dụng GPS nhưng phải tốn tiền không rẻ để mua thiết bị thu
tín hiệu và phần mềm nhúng hỗ trợ.
• Hoạt động của GPS
Các vệ tinh GPS bay vòng quanh Trái Đất hai lần trong một ngày theo một
quỹ đạo rất chính xác và phát tín hiệu có thơng tin xuống Trái Đất. Các máy thu
GPS nhận thông tin này và bằng phép tính lượng giác tính được chính xác vị trí
của người dùng. Về bản chất máy thu GPS so sánh thời gian tín hiệu được phát đi
từ vệ tinh với thời gian nhận được chúng. Sai lệch về thời gian cho biết máy thu
GPS ở cách vệ tinh bao xa. Rồi với nhiều quãng cách đo được tới nhiều vệ tinh
máy thu có thể tính được vị trí của người dùng và hiển thị lên bản đồ điện tử của
máy.
Máy thu phải nhận được tín hiệu của ít nhất ba vệ tinh để tính ra vị trí hai
chiều (kinh độ và vĩ độ) và để theo dõi được chuyển động. Khi nhận được tín hiệu
của ít nhất 4 vệ tinh thì máy thu có thể tính được vị trí ba chiều (kinh độ, vĩ độ và
độ cao). Một khi vị trí người dùng đã tính được thì máy thu GPS có thể tính các
thơng tin khác, như tốc độ, hướng chuyển động, bám sát di chuyển, khoảng hành
trình, quãng cách tới điểm đến, thời gian Mặt Trời mọc, lặn và nhiều thứ khác nữa.


16

• Cấu trúc của GPS
GPS hiện tại gồm 3 phần chính: phần khơng gian, kiểm sốt và sử dụng.
Khơng qn Hoa Kỳ phát triển, bảo trì và vận hành các phần khơng gian và kiểm
sốt. Các vệ tinh GPS truyền tín hiệu từ khơng gian, và các máy thu GPS sử dụng
các tín hiệu này để tính tốn vị trí trong không gian 3 chiều (kinh độ, vĩ độ và độ
cao) và thời gian hiện tại.
• Phần khơng gian

Phần khơng gian gồm 27 vệ tinh (24 vệ tinh hoạt động và 3 vệ tinh dự
phòng) nằm trên các quỹ đạo xoay quanh trái đất. Chúng cách mặt đất 20.200 km,
bán kính quỹ đạo 26.600 km. Chúng chuyển động ổn định vá quay hai vòng quỹ
đạo trong khoảng thời gian gần 24 giờ với vận tốc 7 nghìn dặm một giờ. Các vệ
tinh trên quỹ đạo được bố trí sao cho các máy thu GPS trên mặt đất có thể nhìn
thấy tối thiểu 4 vệ tinh vào bất kỳ thời điểm nào.
Các vệ tinh được cung cấp bằng năng lượng Mặt Trời. Chúng có các nguồn
pin dự phịng để duy trì hoạt động khi chạy khuất vào vùng khơng có ánh sáng Mặt
Trời. Các tên lửa nhỏ gắn ở mỗi quả vệ tinh giữ chúng bay đúng quỹ đạo đã định.
• Phần kiểm sốt
Mục đích trong phần này là kiểm sốt vệ tinh đi đúng hướng theo quỹ đạo
và thông tin thời gian chính xác. Có 5 trạm kiểm sốt đặt rải rác trên trái đất. Bốn
trạm kiểm soát hoạt động một cách tự động, và một trạm kiểm soát là trung tâm.
Bốn trạm này nhận tín hiệu liên tục từ những vệ tinh và gửi các thông tin này đến
trạm kiểm soát trung tâm. Tại trạm kiểm soát trung tâm, nó sẽ sửa lại dữ liệu cho
đúng và kết hợp với hai an-ten khác để gửi lại thông tin cho các vệ tinh. Ngồi ra,
cịn một trạm kiểm sốt trung tâm dự phòng và sáu trạm quan sát chuyên biệt.
Trạm trung tâm cũng có thể truy cập từ các ăng-ten mặt đất của U.S. Air
Force Satellite Control.


17

Việc cập nhật được tạo ra bở bộ lọc Kalman sử dụng các tín hiệu/thơng tin
từ các trạm quan sát trên mặt đất, thông tin thời tiết không gian, và các dữ liệu
khác.
• Phần sử dụng
Phần sử dụng là thiết bị nhận tín hiệu vệ tinh GPS và người sử dụng thiết bị
này.
Dưới đây là một số thông tin đáng chú ý về các vệ tinh GPS (còn gọi là

NAVSTAR, tên gọi chính thức của Bộ Quốc phịng Mỹ cho GPS):
+ Vệ tinh GPS đầu tiên được phóng năm 1978.
+ Hoàn chỉnh đầy đủ 24 vệ tinh vào năm 1994.
+ Mỗi vệ tinh được làm để hoạt động tối đa là 15 năm.
+ Vệ tinh GPS có trọng lượng khoảng 1500 kg và dài khoảng 17 feet (5 m)
với các tấm năng lượng Mặt Trời mở (có độ rộng 7 m²).
+ Cơng suất phát bằng hoặc dưới 50 watts.
• Tín hiệu của GPS
GPS hiện tại gồm 3 phần chính: phần khơng gian, kiểm sốt và sử dụng
Khơng qn Hoa Kỳ phát triển, bảo trì và vận hành các phần khơng gian và kiểm
sốt. Các vệ tinh GPS truyền tín hiệu từ không gian, và các máy thu GPS sử dụng
các tín hiệu này để tính tốn vị trí trong khơng gian 3 chiều (kinh độ, vĩ độ và độ
cao) và thời gian hiện tại.
Các vệ tinh được cung cấp bằng năng lượng Mặt Trời. Chúng có các nguồn
pin dự phịng để duy trì hoạt động khi chạy khuất vào vùng khơng có ánh sáng Mặt
Trời. Các tên lửa nhỏ gắn ở mỗi quả vệ tinh giữ chúng bay đúng quỹ đạo đã định.
1.3.2. Hệ thống Galileo
Hệ thống định vị Galileo là một hệ thống vệ tinh định vị toàn cầu (GNSS)
được xây dựng bởi Liên minh châu Âu. Galileo khác với GPS của Hoa Kỳ và
GLONASS của Liên bang Nga ở chỗ nó là một hệ thống định vị được điều hành và


18

quản lý bởi các tổ chức dân dụng, phi quân sự. Galileo theo kế hoạch sẽ chính thức
hoạt động vào năm 2011-12, muộn 3-4 năm so với kế hoạch ban đầu.
Thơng số của hệ thống
• Vệ tinh
- 30 vệ tinh (27 vệ tinh hoạt động chính và 3 vệ tinh dự phòng)
- Độ cao quỹ đạo: 23.222 km (quỹ đạo tầm trung)

- Phân bố trên 3 mặt chính, góc nghiêng 56 độ
- Tuổi thọ thiết kế của vệ tinh: > 12 năm
- Trọng lượng vệ tinh: 675 kg
- Kích thước vệ tinh: 2,7 m × 1,2 m × 1,1 m
- Năng lượng từ pin mặt trời: 1500 W (tại thời điểm tuổi thọ thiết kế)
• Dịch vụ cung cấp
Bốn dịch vụ về định vị sẽ được cung cấp bởi Galileo:
- Dịch vụ mở (open service): miễn phí với mọi đối tượng. Người dùng có thể
sử dụng 2 tần số L1 và E5A. Độ chính xác đối với máy thu 2 tần số là 4 m cho
phương ngang và 8 m cho chiều thẳng đứng. Đối với máy thu 1 tần số (L1), độ
chính xác là 15 m và 35 m, tương đương với GPS hiện thời.
- Dịch vụ trả tiền (commercial service): dành cho các đối tượng cần có độ
chính xác < 1 m với một khoản phí nhất định. Dịch vụ này sẽ được cung cấp thông
qua tần số thứ 3 (E6).
- Dịch vụ cứu hộ (safety of life service): dành riêng cho cứu hộ, độ bảo mật
cao, chống gây nhiễu sóng.
- Dịch vụ cơng cộng (public regulated service): dành riêng cho chính phủ và
quân đội của các nước Liên minh châu Âu. Đặc biệt bảo mật, độ tin cậy cao.
- Cơng suất: 943 W
- Kích cỡ: 0,955 m × 0,955 m × 2,4 m
- Ngày phóng: cuối năm 2007


19

- Tên lửa phóng: Soyus
• Trạm thu thử nghiệm
- Kí hiệu: GSTB-V1
Mốc thời gian:
- 2003: Chương trình Galileo được EU thông qua, dự kiến hệ thống hoạt động

2010
- 2004: Kết thúc đàm phán cấu trúc tín hiệu với Mỹ
- 2004: Phóng 2 vệ tinh thử nghiệm GioveA & B
- 2009: Quyết định giảm sốvệ tinh từ xuống 22. Giá thành: 22 tỷ EUR so với
dự kiến 7.7 ban đầu. Hệ thống dự kiến hoạt động 2014
1.3.3. Hệ thống GLONASS
GLONASS :( Global'naya Navigatsionnaya Sputnikovaya Sistema) là hệ
thống vệ tinh định vị toàn cầu của Liên bang Nga, tương tự như GPS (NAVSTAR)
của Hoa Kỳ hay Galileo của Liên minh châu Âu. Số vệ tinh đang hoạt động là 24
vệ tinh, chuyển động trên bề mặt Quả Đất theo 3 mặt quỹ đạo với góc nghiêng
64,8°, và độ cao 19100 km.
Vệ tinh đầu tiên của GLONASS được Liên Xô đưa lên quỹ đạo ngày 12
tháng 10 năm 1982, vào ngày 24 tháng 9 năm 1993 hệ chính thức được đưa vào sử
dụng.


20

Hình 1.4: Hệ thống GLONASS
Cũng giống như GPS, chức năng chính của GLONASS là hệ thống điều
hướng cho xe hơi và hàng khơng. Tuy nhiên, ban đầu nó được ngành quốc phòng
của Nga dùng làm hệ thống dẫn đường trong các mơi trường địi hỏi tốc độ cao
như trong máy bay phản lực và tên lửa đạn đạo.
GLONASS bắt đầu ra mắt vào cuối thập kỷ 70 của thế kỷ trước. Ban đầu, nó
được sử dụng chủ yếu cho việc định vị thời tiết và đo vận tốc. Tuy nhiên sau sự
sụp đổ của Liên Xô, đầu tư cho GLONASS bị cắt giảm khiến dự án bị đình trệ. Kết
hợp với tuổi đời của vệ tinh ngắn (khoảng 3 năm), nên rất ít người tin tưởng vào
thành cơng của chương trình GLONASS. Thế nhưng mọi sự thay đổi vào năm
2011 khi Thủ tướng Nga Vladimir Putin tuyên bố coi việc hồn thành chương trình
GLONASS là một ưu tiên quốc gia và đầu tư ồ ạt cho dự án này, biến nó trở thành

tổ hợp cơng nghệ tối quan trọng.
Vào năm 2007, ông Putin ban hành sắc lệnh liên bang mở GLONASS cho
sử dụng dân sự không giới hạn, đưa hệ thống này trở thành thách thức với hệ thống


21

GPS của Mỹ. Vào năm 2010, GLONASS đã phủ khắp lãnh thổ của Nga. Một năm
sau đó, nhờ vào chịm sao vệ tinh quay theo quỹ đạo mà nó đã phủ khắp tồn cầu.
• Ngun lý hoạt động của GLONASS.

Hình 1.5: Nguyên lý hoạt động của GLONASS
Có 3 thành phần cấu tạo nên GLONASS. Đầu tiên là cơ sở hạ tầng khơng
gian gồm các chịm sao vệ tinh. Đây là nhóm các vệ tinh hoạt động trên cùng hệ
thống. Chúng thường được đặt trên các máy bay bay quanh quỹ đạo trái đất hay
còn được gọi là các quỹ đạo bay. Các vệ tinh này tương tác với các mạng định vị
dưới mặt đất (thành phần thứ hai), giúp tăng độ chính xác và tốc độ của các vệ tinh
qua việc thu thập các thông tin đo đạc.
Các mạng lưới định vị dưới mặt đất lý tưởng nhất là trải rộng đều trên khắp
thế giới để đảm bảo sự chính xác. Tuy nhiên với GLONASS, các mạng định vị
dưới mặt đất chủ yếu nằm ở Nga, Brazil, Cuba và châu Nam Cực. Nga cũng đã
đồng ý sẽ mở các mạng định vị dưới mặt đất ở Trung Quốc, quốc gia muốn đưa
GLONASS trở thành đối trọng với GPS. Ngoài ra, trong năm 2014 thì GLONASS
đã có thêm 7 mạng định vị dưới mặt đất nằm ở bên ngoài nước Nga. Các chòm sao
vệ tinh và mạng lưới định vị dưới mặt đất tạo thành lưới tam giác để xác định vị trí


22

của các thiết bị nhận, là thành phần thứ ba. Thành phần thứ ba là các thiết bị nhận

tương thích với GLONASS như smartphone hay các hệ thống dẫn đường trên xe
hơi. Lưới tam giác (để đo đạc vị trí) được thực hiện bởi một loạt tính tốn dựa trên
các nội dung tín hiệu gửi từ các vệ tinh. Các tín hiệu này được gửi ở các khoảng
thời gian chính xác. Các thiết bị nhận dùng GLONASS để định vị sẽ sử dụng các
tín hiệu gửi từ ít nhất 4 vệ tinh để tính tốn vị trí, vận tốc và thời gian.
GLONASS ban đầu sử dụng phương pháp truy cập đa tần FDMA
(Frequency Division Multiple Access Method) để liên lạc với các vệ tinh, với 25
kênh cho 24 vệ tinh. Đây là giao thức phổ biến trong liên lạc vệ tinh nhưng có hạn
chế là dễ bị can nhiễu và gián đoạn. Từ năm 2008, GLONASS đã sử dụng CDMA
(Code Division Multiple Access Technique) để mang đến khả năng tương thích với
các vệ tinh GPS. Bởi vì các thiết bị nhận GLONASS tương thích với cả FDMA và
CDMA nên chúng chúng có kích cỡ lớn hơn và đắt đỏ hơn GPS.
• Sự khác biệt giữa GLONASS và GPS .
Có một số khác biệt cơ bản giữa GLONASS và GPS.
Đầu tiên, GLONASS có ít vệ tinh hơn. GPS có 32 vệ tinh quay quanh trái
đất trong 6 quỹ đạo bay. Trong khi đó, GLONASS có 24 vệ tinh với 3 quỹ đạo
bay. Điều này có nghĩa là GONASS có nhiều vệ tinh đi theo cùng quỹ đạo hơn
GPS và như vậy nó làm giảm độ chính xác của việc định vị.
Tuy vậy, khác biệt lớn nhất giữa GPS và GLONASS là cách thức liên lạc
với thiết bị nhận. Với GPS, các vệ tinh sử dụng cùng tần số vô tuyến nhưng có các
mã khác nhau để liên lạc. Cịn với GLONASS, các vệ tinh có cùng mã nhưng lại sử
dụng các tần số khác nhau. Điều này cho phép các vệ tinh liên lạc với nhau mặc dù
đang ở cùng quỹ đạo bay.


23

• Độ chính xác GLONASS

Độ chính xác của GLONASS tương đương với GPS. Nhưng điều này không

phải lúc nào cũng như vậy. Đầu thế kỷ 21, GLONASS bị hỏng khiến hệ thống này
hoạt động khơng chính xác. Điều này khiến Roscosmos (Cơ quan vũ trụ Nga) đặt
mục tiêu đưa GLONASS tiệm cận với GPS về độ chính xác và tin cậy vào năm
2011.
Cuối năm 2011, GLONASS đã đạt được mục tiêu đề ra. Nó đã chứng tỏ đạt
được độ chính xác trong mơi trường tối ưu (khơng có mây, tịa nhà cao tầng hoặc
can nhiễu vô tuyến) tới 2,8 mét. Kết quả này chỉ kém GPS một chút nhưng là mức
hoàn toàn chấp nhận được cả với sử dụng thương mại lẫn quốc phịng.Tuy vậy, độ
chính xác của GLONASS cịn tùy thuộc vào nơi bạn sử dụng. Nó đưa ra kết quả
định vị chính xác hơn ở Bán cầu Bắc so với Bán cầu Nam do khu vực này tập
trung nhiều trạm mặt đất hơn.
• GLONASS ngày nay.
Mặc dù nhiều nhà sản xuất điện thoại đã tích hợp GLONASS vào thiết bị
của họ như Sony, Apple và HTC song hệ thống định vị này vẫn chưa thể phổ biến