Nghiên cứu một số giải pháp nâng cao độ chính xác và hiệu quả của công nghệ đo gps động trong trắc địa công trình

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

BÙI VĂN SANG

NGHIÊN CỨU MỘT SỐ GIẢI PHÁP NÂNG CAO ĐỘ
CHÍNH XÁC VÀ HIỆU QUẢ CỦA CƠNG NGHỆ ĐO
GPS ĐỘNG TRONG TRẮC ĐỊA CƠNG TRÌNH

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

HÀ NỘI - 2013


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

BÙI VĂN SANG

NGHIÊN CỨU MỘT SỐ GIẢI PHÁP NÂNG CAO ĐỘ
CHÍNH XÁC VÀ HIỆU QUẢ CỦA CƠNG NGHỆ ĐO
GPS ĐỘNG TRONG TRẮC ĐỊA CƠNG TRÌNH

Ngành: Kỹ thuật trắc địa - Bản đồ
Mã số: 60520503

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
TS Trần Viết Tuấn

HÀ NỘI - 2013


LỜI CAM ĐOAN
Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu,
kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai cơng bố trong
bất kỳ cơng trình nào khác.
Hà Nội, ngày 18 tháng 10 năm 2013
Tác giả

Bùi Văn Sang


MỤC LỤC
Trang phụ bìa
Lời cam đoan
Mục lục
Danh mục các chữ viết tắt
Danh mục các bảng biểu
Danh mục các hình vẽ
MỞ ĐẦU .....................................................................................................................1 
Chương 1: CÔNG NGHỆ GPS ĐỘNG VÀ ỨNG DỤNG TRONG TRẮC ĐỊA
CƠNG TRÌNH ............................................................................................................4 
1.1. Khái niệm chung về cơng nghệ GPS ................................................................4 
1.1.1. Lịch sử ra đời..............................................................................................4 
1.1.2. Cấu trúc của hệ thống GPS ........................................................................4 
1.1.3. Nguyên lý định vị GPS...............................................................................8 
1.2. Yêu cầu độ chính xác cần thiết của một số dạng cơng tác trắc địa cơng trình
...............................................................................................................................15 
1.2.1. Độ chính xác cần thiết thành lập bản đồ địa hình cơng trình ...................15 

1.2.2. u cầu độ chính xác trong cơng tác bố trí cơng trình ............................17 
1.3. Ứng dụng cơng nghệ GPS động (PPK) trong trắc địa cơng trình...................18 
1.3.1. Ứng dụng cơng nghệ GPS động để đo vẽ bản đồ địa hình, địa chính tỉ lệ
lớn và trung bình ................................................................................................18 
1.3.2. Ứng dụng cơng nghệ GPS động RTK để bố trí các cơng trình dạng tuyến
............................................................................................................................19 
1.3.3. Ứng dụng công nghệ GPS động để đo vẽ bản đồ thành lập bản đồ và mặt
cắt địa hình, đo tính khối lượng..........................................................................20 
1.3.4. Ưu, nhược điểm của đo GPS động ...........................................................21 
Chương 2: NGHIÊN CỨU MỘT SỐ GIẢI PHÁP KỸ THUẬT NÂNG CAO ĐỘ
CHÍNH XÁC ĐO GPS ĐỘNG TRONG TRẮC ĐỊA CƠNG TRÌNH .....................23 
2.1. Quy trình ứng dụng cơng nghệ GPS động ......................................................23 


2.1.1. Quy trình đo đạc .......................................................................................23 
2.1.2. Xử lý số liệu .............................................................................................26 
2.2. Các nguồn sai số ảnh hưởng đến kết quả đo GPS ..........................................29 
2.3. Nghiên cứu một số giải pháp kỹ thuật nâng cao độ chính xác đo GPS động
trong trắc địa cơng trình .........................................................................................32 
2.3.1. Khảo sát ảnh hưởng của sự dao động sào đo và thời gian thu tín hiệu đến
kết quả đo GPS động ..........................................................................................32 
2.3.2. Nghiên cứu nâng cao độ chính xác xác định độ cao bằng cơng nghệ GPS
động (PPK) .........................................................................................................43 
2.3.3. Nghiên cứu nâng cao độ chính xác kết quả đo GPS động bằng giải pháp
xử lý kết quả đo GPS động .................................................................................49 
Chương 3: NGHIÊN CỨU NÂNG CAO KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG VÀ HIỆU
QUẢ CỦA CÔNG NGHỆ ĐO GPS ĐỘNG TRONG MỘT SỐ DẠNG CÔNG TÁC
TRẮC ĐỊA CÔNG TRÌNH ......................................................................................59 
3.1. Ứng dụng cơng nghệ GPS động “Stop and Go” để thành lập lưới khống chế
đo vẽ .......................................................................................................................59 

3.1.1. Độ chính xác của đo GPS động Stop and Go khi đo 1 trạm Base ...........59 
3.1.2. Độ chính xác của đo GPS động Stop and Go khi đo 2 trạm Base ...........60 
3.1.3. Độ chính xác của đo GPS động Stop and Go khi đo lặp..........................61 
3.2. Ứng dụng công nghệ GPS động trong đo vẽ bản đồ địa hình vùng nước nơng
ven sông, ven biển .................................................................................................62 
3.2.1. Các phương pháp dùng để đo vẽ bản đồ hình vùng ngập nước ven bờ ...63 
3.2.2. Nghiên cứu phương pháp nâng cao khả năng ứng dụng cơng nghệ GPS
động trong đo vẽ địa hình vùng ngập nước ven sông, ven biển .........................65 
Chương 4: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM .................................................................66 
4.1. Mục đích, phương pháp và các thiết bị dùng trong thực nghiệm ...................66 
4.1.1. Mục đích của thực nghiệm .......................................................................66 
4.1.2. Phương pháp thực hiện .............................................................................66 
4.1.3. Các thiết bị dùng trong thực nghiệm ........................................................66 


4.2. Kết quả đo thực nghiệm ..................................................................................69 
4.2.1. Thực nghiệm khảo sát độ chính xác khi đo vẽ bản đồ địa hình dưới nước
bằng cơng nghệ GPS động PPK .........................................................................69 
4.2.2. Kết quả thực nghiệm ................................................................................71 
4.2.3. Nhận xét khả năng ứng dụng của công nghệ ...........................................72 
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ...................................................................................74 
TÀI LIỆU THAM KHẢO .........................................................................................76 
PHỤ LỤC ..................................................................................................................77 


DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Chữ viết tắt

Chữ viết đầy đủ TA

Chữ viết đầy đủ TV

GPS

Global Positioning System

Hệ thống định vị toàn cầu

GPS PPK

Post Processing Kinematic GPS GPS đo động xử lý sau

GPS RTK

Real Time Kinematic GPS

GPS đo động xử lý tức thời

P-code

Precision code

Mã chính xác

C/A code

Coarse/Acquisition code

Mã thơ

WGS-84

World Geodetic System – 84

Hệ thống trắc địa thế giới – 84

TĐĐT

Toàn đạc điện tử

VN 2000

Hệ quy chiếu và hệ tọa độ quốc gia
hiện hành của Việt Nam, được
thống nhất trong cả nước theo quyết
định số 83/2000/QĐ/TTg ngày 12
tháng 7 năm 2000 của Thủ tướng
Chính phủ.


DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
STT

Tên bảng

Trang

Bảng 1.1. Sai số trung phương vị trí điểm khống chế ứng với từng cấp ........ 16
Bảng 2.1. Bảng thống kê sai số trung phương vị trí điểm khu đo Đơng Triều
....................................................................................................... 33

Bảng 2.2. Tọa độ điểm gốc DHM của lưới đường chuyền thực nghiệm........ 34
Bảng 2.3. Bảng tọa độ và độ chính xác sau bình sai của các điểm đường
chuyền ............................................................................................ 36
Bảng 2.4. Kết quả đo cho trường hợp thời gian thu tín hiệu của anten là 15”
khi không dùng kẹp bọt thủy ......................................................... 38
Bảng 2.5. Kết quả đo cho trường hợp thời gian thu tín hiệu của anten là 15”
khi dùng kẹp bọt thủy .................................................................... 39
Bảng 2.6. Bảng sai số trung phương vị trí điểm khi sào anten khơng dùng kẹp
bọt thủy .......................................................................................... 40
Bảng 2.7. Bảng sai số trung phương vị trí điểm khi sào anten dùng kẹp bọt
thủy ................................................................................................ 41
Bảng 2.8. Bảng so sánh m P trong trường hợp sào anten khi dùng kẹp bọt thủy
và không dùng kẹp bọt thủy .......................................................... 41
Bảng 2.9. Bảng kết quả độ cao đo bằng máy thủy chuẩn Ni004 .................... 46
Bảng 2.10. Bảng số liệu tọa độ và độ cao gốc ................................................ 47
Bảng 2.11. Bảng so sánh độ cao khi FIX độ cao ở điểm DHM...................... 48
Bảng 2.12. Bảng so sánh độ cao khi FIX độ cao ở điểm DC-1.. .................... 49
Bảng 2.13. Toạ độ và độ cao điểm B .............................................................. 54
Bảng 2.14. Kết quả đánh giá độ chính xác điểm chi tiết đo bằng cơng nghệ
GPS(PPK) ...................................................................................... 54


Bảng 2.15. Kết quả đánh giá độ chính xác điểm đo GPS(PPK) sau khi tính
chuyển toạ độ GPS về hệ tọa độ mặt đất của khu mỏ ................... 56
Bảng 2.16. So sánh toạ độ điểm đo chi tiết bằng GPS(PKK) và TC- 405 ..... 58
Bảng 3.1. Sai số vị trí mặt bằng khi sử dụng 1 trạm base............................... 60
Bảng 3.2. Sai số vị trí điểm mặt bằng khi sử dụng 2 trạm base...................... 61
Bảng 3.3. Sai số về vị trí điểm mặt bằng khi đo lặp ....................................... 62
Bảng 4.1. Bảng mô tả thông số kỹ thuật máy thu GPS Trimble R3. .............. 67
Bảng 4.2. Bảng mô tả các thông số kỹ thuật của máy Hondex PS-7FL. ........ 69

Bảng 4.3. Bảng so sánh kết quả đo GPS động và toàn đạc điện tử. ............... 72


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
STT

Tên hình vẽ

Trang

Hình 1.1. Sơ đồ hoạt động của hệ thống GPS................................................... 4 
Hình 1.2. Mơ hình 24 vệ tinh phân bố trên 6 quỹ đạo ...................................... 5 
Hình 1.3. Các trạm điều khiển của hệ thống GPS ............................................ 6 
Hình 1.4. Đạo hàng bằng cơng nghệ GPS......................................................... 7 
Hình 1.5. Đo khoảng cách giả trong định vị GPS ............................................. 9 
Hình 1.6. Hệ thống định vị tồn cầu ............................................................... 11 
Hình 1.7. Sơ đồ đo GPS động ......................................................................... 13 
Hình 2.1. Sơ đồ đo GPS động (PPK) .............................................................. 33 
Hình 2.2. Khu đê Liên Mạc ............................................................................. 34 
Hình 2.3. Điểm gốc DHM ............................................................................... 34 
Hình 2.4a. Máy tồn đạc điện tử TCR 705 ..................................................... 35 
Hình 2.4b. Bộ định tâm quang học ................................................................. 35 
Hình 2.5. Sơ đồ lưới đường chuyền tuyến đê Liên Mạc ................................. 36 
Hình 2.6. Sơ đồ đo GPS động khu đê Liên Mạc ............................................. 37 
Hình 2.7. Trường hợp sào anten giữ bằng tay ................................................ 38 
Hình 2.8. Trường hợp sào anten kẹp bọt thủy ................................................ 39 
Hình 2.9. Độ cao trắc địa và độ cao thủy chuẩn ............................................. 44 
Hình 2.10. Cánh đồng đo thực nghiệm ........................................................... 45 
Hình 2.11. Sơ đồ đo lưới độ cao ..................................................................... 46 
Hình 2.12. Sơ đồ đo GPS động (PPK) ........................................................... 47 

Hình 2.13.Trạm base ....................................................................................... 53
Hình 2.14. Trạm rover ..................................................................................... 53 
Hình 3.1. Trạm cơ sở và trạm động khi dùng 1 trạm base.............................. 60 


Hình 3.2. Hai trạm cơ sở với 1 trạm động ...................................................... 61 
Hình 3.3. Tàu đo sâu và cách bố trí thiết bị GPS động và đo sâu trên thuyền
đo .................................................................................................... 64 
Hình 4.1. Máy thu GPS Trimble R3 và các phụ kiện kèm theo. .................... 67 
Hình 4.2. Máy đo sâu hồi âm cầm tay Hondex PS-7FL. ................................ 68 
Hình 4.3. Ảnh chụp bến Bạc từ thuyền đo ...................................................... 69 
Hình 4.4. Đặt máy GPS tại điểm DHM .......................................................... 70 
Hình 4.5. Sơ đồ đo GPS động tại khu vực Bến Bạc ....................................... 70 
Hình 4.6. Sào anten sau khi được gắn vào thuyền đo. .................................... 71 
Hình 4.7. Thao tác đo thực nghiệm trên thuyền.............................................. 71 


1

MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Hệ thống định vị toàn cầu GPS (Global Positioning System) là hệ thống
định vị dẫn đường sử dụng vệ tinh nhân tạo được bộ quốc phòng Mĩ triển khai
từ những năm đầu thập kỷ 70. Ban đầu hệ thống này được sử dụng trong mục
đích qn sự nhưng sau đó được thương mại hóa và được sử dụng rộng rãi
trong các hoạt động kinh tế, xã hội. Đối với ngành trắc địa thì đây là một cuộc
cách mạng thực sự cả về kĩ thuật chất lượng cũng như hiệu quả kinh tế. Với
khả năng định vị chính xác đạt đến milimét, cùng với sự đo đạc về kĩ thuật xử
lý số liệu bằng các phần mềm chuyên dụng nên hiện nay công nghệ đo GPS
trong trắc địa đang phát triển mạnh mẽ tại nhiều quốc gia trên thế giới. Ở Việt

Nam công nghệ đo GPS động cũng đang từng bước phát triển và được đưa
vào ứng dụng. Nó đã cho thấy tính ưu việt cũng như khả năng ứng dụng của
nó trong ngành trắc địa ở nước ta.
Hiện nay khi đo địa hình ở một số cơng trình có điều kiện khó khăn,
cơng nghệ truyền thống khơng đảm bảo được độ chính xác và tiến độ thi cơng
cơng trình. Trong khi đó thì cơng nghệ GPS động vừa đảm bảo được độ chính
xác lại vừa đáp ứng được yêu cầu công việc trong khoảng thời gian ngắn. Đặc
biệt, công nghệ đo GPS động (PPK) được ứng dụng có hiệu quả trong cơng
tác thành lập lưới đường chuyền đo vẽ, công nghệ đo GPS động (RTK) ứng
dụng có hiệu quả trong cơng tác bố trí tuyến đường.
Bên cạnh đó, do tiến bộ nhanh về kỹ thuật xử lý số liệu và công nghệ chế
tạo thiết bị ngày càng hoàn thiện nên kỹ thuật đo GPS động đã và đang được
ứng dụng rộng rãi hơn do phương pháp này có những ưu điểm đặc biệt. Việc
mở rộng nghiên cứu khả năng ứng dụng của công nghệ này trong các dạng
trắc địa cơng trình đang trở nên rất cần thiết. Với những lý do như trên, tôi đã
đề xuất và được chấp nhận thực hiện đề tài: “Nghiên cứu một số giải pháp


2

nâng cao độ chính xác và hiệu quả của cơng nghệ đo GPS động trong trắc
địa cơng trình”.
2. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu của luận văn là độ chính xác và khả năng ứng
dụng của công nghệ GPS động.
Phạm vi nghiên cứu của luận văn bao gồm các dạng cơng tác trắc địa
cơng trình.
3. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài
Nghiên cứu khả năng ứng dụng của cơng nghệ GPS động trong trắc địa
cơng trình, nghiên cứu một số biện pháp nhằm nâng cao độ chính xác và hiệu

quả của cơng nghệ đo GPS động trong một số dạng cơng tác trắc địa cơng trình.
4. Nội dung nghiên cứu của đề tài
Nghiên cứu cở sở lý thuyết từ đó đề xuất một số giải pháp để nâng cao
độ chính xác GPS động trong một số dạng cơng tác trắc địa cơng trình.
Nghiên cứu khả năng ứng dụng của công nghệ GPS động trong việc
thành lập lưới khống chế đo vẽ.
Khảo sát độ chính xác và khả năng ứng dụng cơng nghệ GPS động
trong đo tính khối lượng quặng khai thác trên các mỏ lộ thiên.
Khảo sát độ chính xác và khả năng ứng dụng cơng nghệ GPS động
trong việc đo vẽ địa hình vùng nước nông, ven bờ.
5. Phương pháp nghiên cứu
Nghiên cứu lý thuyết, tính tốn đo đạc thực nghiệm nhằm khẳng định
tính đúng đắn của cơ sở lý thuyết đã được nghiên cứu trong quá trình thực
hiện luận văn.
6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
Kết quả nghiên cứu khẳng định khả năng ứng dụng của GPS động
trong một số dạng cơng tác trắc địa cơng trình đồng thời bổ sung một số biện


3

pháp nhằm ứng dụng có hiệu quả khi áp dụng trong trắc địa cơng trình.
Kết quả nghiên cứu của đề tài là cơ sở khoa học để áp dụng vào thực tế
sản xuất giúp cho việc ứng dụng công nghệ này có hiệu quả hơn, góp phần
nâng cao năng suất lao động và hiệu quả kinh tế:
- Các giải pháp nâng cao độ chính xác được đề xuất sẽ giúp nâng cao
tính hiệu quả khi áp dụng cơng nghệ GPS động trong đo vẽ bản đồ địa hình
phục vụ giai đoạn khảo sát thiết kế cơng trình, đáp ứng u cầu độ chính xác
đồng thời nâng cao năng suất lao động.
- Nâng cao tính hiệu quả khi sử dụng cơng nghệ GPS động khi đo tính

khối lượng khai thác ở các mỏ lộ thiên hay đo vẽ bản đồ địa hình vùng ngập
nước ven sơng, ven biển.
7. Cấu trúc của luận văn
Luận văn này gồm 77 trang, được chia thành 4 chương. Để phục vụ cho
việc nghiên cứu đề tài, tơi đã sử dụng các giáo trình giảng dạy về Trắc địa
cơng trình và cơng nghệ GPS của trường Đại học Mỏ - Địa Chất, các quy
trình, quy phạm của các cơ quan quản lý nhà nước đã ban hành và các tài liệu,
tạp chí chun ngành có liên quan đến đề tài này.
Trong quá trình thực hiện luận văn, tơi đã nhận được sự giúp đỡ nhiệt
tình của các đơn vị, các thầy cô giáo và bạn bè, đồng nghiệp và sự hướng dẫn
chu đáo của thầy giáo TS. Trần Viết Tuấn.
Tôi xin được gửi lời cảm ơn sâu sắc đến Bộ mơn Trắc địa cơng trình trường Đại học Mỏ - Địa Chất và đặc biệt là thầy giáo hướng dẫn TS. Trần
Viết Tuấn.
Tôi xin chân thành cảm ơn!


4

CHƯƠNG 1
CÔNG NGHỆ GPS ĐỘNG VÀ ỨNG DỤNG TRONG
TRẮC ĐỊA CƠNG TRÌNH
1.1. Khái niệm chung về cơng nghệ GPS
1.1.1. Lịch sử ra đời
Hệ thống định vị toàn cầu GPS (Global Positioning System) có tên đầy
đủ là NAVSTAR-GPS (navigation satellite providing timing and ranging
global positioning system) là hệ định vị toàn cầu được Bộ Quốc Phòng Mỹ
triển khai và đưa vào hoạt động nhằm xác định vị trí điểm trên bề mặt trái đất
hoặc trên đại dương phục vụ cho việc dẫn đường tàu, thuyền và nhiều lĩnh vực
khác. Lúc đầu hệ thống GPS được thiết kế nhằm phục vụ cho mục đích quân
sự, từ những năm 1980 trở lại đây chính phủ Mỹ cho phép khai thác sử dụng hệ

thống GPS vào mục đích dân sự. Ngày nay cơng nghệ GPS được sử dụng rộng
rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau, đặc biệt trong lĩnh vực Trắc địa.
1.1.2. Cấu trúc của hệ thống GPS
Hệ thống định vị toàn cầu GPS bao gồm 3 bộ phận cấu tạo thành, đó là
đoạn không gian (Space Segment), đoạn điều khiển (Control Segment), đoạn
sử dụng (Use Segment).

Hình 1.1. Sơ đồ hoạt động của hệ thống GPS


5

1. Đoạn không gian (Space Segment)
Đoạn này gồm 24 vệ tinh (trong đó có 3 vệ tinh dự trữ), chuyển động
trên 6 mặt phẳng quỹ đạo cách đều nhau và có góc nghiêng 55º so với mặt
phẳng xích đạo của trái đất. Quỹ đạo của vệ tinh gần như tròn, vệ tinh bay ở
độ cao khoảng 20200 km so với mặt đất. Chu kỳ quay của vệ tinh là 718 phút
(xấp xỉ 12 giờ). Theo thiết kế hệ thống gồm có 24 vệ tinh, mỗi quỹ đạo có 4
vệ tinh.
Với sự phân bố vệ tinh trên quỹ đạo như vậy, trong bất kỳ thời gian nào
và ở bất kỳ vị trí quan trắc nào trên trái đất cũng có thể quan trắc được ít nhất
4 vệ tinh.

Hình 1.2. Mơ hình 24 vệ tinh phân bố trên 6 quỹ đạo
Trên mỗi vệ tinh GPS đều trang bị 4 đồng hồ nguyên tử cesium là đồng
hồ ngun tử có độ chính xác cao cỡ 10 12 .
Đồng hồ sản sinh ra dao động có tần số cơ sở f 0  10.23MHZ .
Có 2 mã đo là:
- Mã C/A có tần số 1.023 MHz = 1/10. f 0 và có chiều dài 1msec
- Mã P có tần số 10.23 MHz = f 0 và có chiều dài 266.4 ngày

Hai mã đo được điều biến bởi 2 sóng mang là:


6

- L1 = 154 f 0 = 1575.42 MHz (mã P và C/A)
- L2 = 120 f 0 = 1227.60 MHz (chỉ có mã P)
Cả hai sóng mang L1, L2 điều biến bằng các thông tin đạo hàng bao
gồm: Ephemeride của vệ tinh thời gian, số hiệu chỉnh cho đồng hồ vệ tinh và
tình trạng của hệ thống vệ tinh .v.v…
2. Đoạn điều khiển (Control Segment)
Đoạn này gồm 5 trạm quan sát trên mặt đất, trong đó có một trạm điều
khiển trung tâm (Master Control Station) đặt tại căn cứ không quân Mỹ gần
Colorado Spring và 4 trạm theo dõi (Monitor Tracking Station) đặt tại: Hawai
(Thái Bình Dương), Assension Island (Đại Tây Dương), Diego Garcia (Ấn Độ
Dương) và Kwajalein (Tây Thái Bình Dương). Các trạm này tạo thành một
vành đai quanh trái đất.

Hình 1.3. Các trạm điều khiển của hệ thống GPS
Nhiệm vụ của trạm 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 vệ tinh
cũng như hoạt động của đồng hồ trên đó. Tất cả các trạm đều có máy thu
GPS, chúng tiến hành đo khoảng cách tới tất cả các vệ tinh có thể quan sát
được, đồng thời đo các số liệu khí tượng. Tất cả các số liệu đo nhận đựơc ở


7

mỗi trạm đều truyền về trạm trung tâm, trạm trung tâm xử lý các số liệu được
truyền từ các trạm theo dõi về cùng với các số liệu đo của chính nó. Kết quả

xử lý cho ra các Ephemerit chính xác hoá của vệ tinh và số hiệu chỉnh cho các
đồng hồ trên vệ tinh. Từ trạm trung tâm các số liệu này được truyền trở lại
cho các trạm theo dõi để từ đó truyền tiếp lên cho các vệ tinh cùng các lệnh
điều khiển khác. Như vậy là các thông tin đạo hàng và thông tin thời gian trên
vệ tinh thường xun chính xác hố và chúng sẽ được cung cấp cho người sử
dụng thơng qua các sóng tải L1 và L2. Việc chính xác hóa thơng tin như thế
được tiến hành 3 lần trong ngày.
3. Đoạn sử dụng (User Segment)
Đoạn sử dụng gồm tất cả các máy móc thiết bị thu nhận thơng tin từ các
mục đích và yêu cầu khác nhau của khách hàng kể cả ở trên trời, trên biển và
trên đất liền. Tùy theo mục đích sử dụng và yêu cầu độ chính xác điểm mà
người sử dụng tiến hành định vị theo trường hợp nào đó.

Hình 1.4. Đạo hàng bằng cơng nghệ GPS
Các loại máy thu GPS được phân làm hai loại cơ bản: máy thu một tần
số và máy thu hai tần số. Các máy thu hai tần số có thể làm việc cả với hai tần
số phát ra từ vệ tinh (Tần số L1 = 1575.42MHZ và L2 = 1227.60MHZ). Để
phục vụ cho mục đích xác định vị trí điểm với yêu cầu độ chính xác thấp,


8

người ta chế tạo ra các máy thu GPS loại nhỏ (cầm tay) với giá rẻ hơn. Các
loại máy này thường được sử dụng trong khảo sát địa chất, dẫn đường du lịch,
dẫn đường tàu, thuyền....
1.1.3. Nguyên lý định vị GPS
1.Các đại lượng đo
Việc định vị GPS được thực hiện trên cơ sở phương pháp giao hội cạnh
trong không gian. Từ những vệ tinh trong khơng gian (đã có tọa độ) và
khoảng cách từ máy thu đến các vệ tinh này ta có thể xác định được vị trí

khơng gian của máy thu. Trong đó các thơng số vệ tinh đã được cung cấp còn
khoảng cách từ máy thu đến các vệ tinh sẽ được xác định dựa trên cơ sở hai
đại lượng đo, đó là đo khoảng cách giả theo các code tự ngẫu nhiên (C/Acode và P-code) và đo pha sóng tải (L1 và L2).
a. Đo khoảng cách giả theo C/A- code và P- code
Phép đo khoảng cách giả là phép đo dựa trên nguyên tắc đo khoảng
cách từ máy thu đến vệ tinh. Trị đo khoảng cách giả chính bằng tích của tốc
độ ánh sáng (c) và trị biến đổi thời gian (t) cần thiết so với mã C/A hoặc mã
P. Về mặt lý thuyết, trị biến đổi thời gian là trị chênh lệch giữa thời gian nhận
tín hiệu (được đo bằng hệ thời gian của máy thu) và thời gian phát tín hiệu
(được đo bằng hệ thời gian của vệ tinh). Tuy nhiên trong thực tế hai hệ thời
gian này không đồng bộ với nhau (do các máy thu được trang bị đồng hồ
thạch anh nên không thể đồng bộ về mặt thời gian so với các đồng hồ nguyên
tử có độ ổn định cao trên các vệ tinh). Sự chênh lệch về thời gian giữa hai hệ
này sẽ gây nên một sai số trong trị đo khoảng cách.
Khoảng cách giả được xác định bằng cách: Máy thu GPS thu code tựa
ngẫu nhiên được phát từ vệ tinh cùng với sóng tải và đem so sánh với code
tựa ngẫu nhiên do chính máy thu GPS tạo ra có thể xác định được khoảng thời
gian lan truyền tín hiệu code, và từ đây tính được khoảng cách từ vệ tinh đến
máy thu (đúng hơn là đến anten máy thu).


9

Máy thu

Vệ tinh

GPS
Do sai số của đồng
hồ trên vệ tinh

Do sai số đồng hồ trong máy thu
và sai số lan truyền sóng

Tín hiệu máy thu
Tín hiệu vệ tinh
Thời gian lan truyền sóng
cộng sai số đồng hồ
Hình 1.5. Đo khoảng cách giả trong định vị GPS
Do khơng có sự đồng bộ giữa đồng hồ của vệ tinh và của máy thu, do
có ảnh hưởng của mơi trường lan truyền tín hiệu nên khoảng cách tính theo
khoảng thời gian đo được khơng phải là khoảng cách thực giữa vệ tinh và
máy thu. Do đó người ta gọi đó là khoảng cách giả.
Khoảng cách giả (R) được tính theo cơng thức:
R  C (t  t ) 

X S

 X   YS  Y   Z S  Z   C  t
2

2

2

(1.1)

Trong đó:
(C) là tốc độ lan truyền tín hiệu;
(t) là thời gian lan truyền tín hiệu từ vệ tinh đến điểm xét;

(t) là sai số không đồng bộ giữa đồng hồ trên vệ tinh và trong
máy thu;
( Xs, Ys, Zs ) là tọa độ không gian vệ tinh S;
(X, Y, Z) là tọa độ không gian điểm quan sát.
b. Đo pha sóng tải
Người ta tiến hành đo hiệu số pha của sóng tải do máy thu nhận được


10

từ vệ tinh với pha của tín hiệu do chính máy thu tạo ra. Hiệu số pha do máy
thu đo  (0<<2) được tính theo cơng thức:


2



R  N  C.t 

(1.2)

Trong đó: (R) là khoảng cách giữa vệ tinh và máy thu;
() là bước sóng của sóng tải;
(N) là số nguyên lần bước sóng  chứa trong R;
(t) là sai số không đồng bộ giữa đồng hồ trên vệ tinh và trong
máy thu.
N: còn gọi là số nguyên đa trị, chính là số ngun lần bước sóng lan
truyền từ vệ tinh đến máy thu. Số nguyên đa trị thường không được biết trước
mà chúng ta cần phải xác định trong q trình đo.

Độ chính xác đạt được của phương pháp này thường rất cao. Trường
hợp đo pha sóng tải L1 có thể xác định khoảng cách giữa vệ tinh và máy thu
với độ chính xác cỡ centimét thậm chí tới milimét. Đo pha sóng tải L2 thường
cho độ chính xác thấp hơn ít nhiều nhưng tác dụng chủ yếu của nó là cùng với
sóng tải L1 làm giảm khả năng đáng kể của tầng điện ly, và thêm vào đó làm
cho việc xác định số nguyên đa trị được đơn giản hơn.
2. Định vị GPS tuyệt đối
Định vị GPS tuyệt đối là trường hợp sử dụng máy thu GPS để xác định
tọa độ của điểm quan sát trong hệ thống toạ độ WGS – 84. Việc định vị 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 không gian từ các điểm có tọa
độ đã biết là các vệ tinh.


11

Hình 1.6. Hệ thống định vị tồn cầu
Nếu biết chính xác khoảng thời gian lan truyền tín hiệu, code tựa ngẫu
nhiên từ vệ tinh tới máy thu, ta sẽ tính được khoảng cách chính xác giữa vệ tinh
và máy thu. Khi đó khoảng cách được xác định đồng thời từ 3 vệ tinh sẽ cho ta
vị trí khơng gian đơn trị của máy thu. Song thực tế, cả đồng hồ máy thu và đồng
hồ của vệ tinh đều có sai số nên khoảng cách định vị không phải là khoảng cách
chính xác. Để khắc phục tình trạng này, cần sử dụng thêm một đại lượng đo nữa
đó là khoảng cách từ một vệ tinh thứ tư. Từ đó, ta thiết lập hệ phương trình cho 4
vệ tinh sau:

X S1

 X   YS1  Y   Z S 1  Z   R1  c.t 

X S2

 X   YS 2  Y   Z S 2  Z   R 2  c.t 

2

2

2

2

2

2

2

2

(1.3)

X S3  X 2  YS 3  Y 2  Z S 3  Z 2  R3  c.t 2

X S4

 X   YS 4  Y   Z S 4  Z   R 4  c.t 
2

2

2

2

Trong đó :
Ri – khoảng cách giả từ vệ tinh i tới máy thu
Xsi, Ysi, Zsi – toạ độ vệ tinh i (tại cùng một thời điểm thu)
Trong hệ trên, chúng ta cần quan tâm đến ba ẩn là ba thành phần toạ độ
X, Y, Z của máy thu. Nhưng do có sai số khơng đồng bộ giữa đồng hồ vệ tinh
và đồng hồ máy thu là t chưa được biết, nên ta coi nó là ẩn số cần tìm. Chính
vì vậy, ta cần phải quan sát thêm một vệ tinh nữa.


12

3. Định vị GPS tương đối
a. Khái niệm về định vị GPS tương đối
Định vị GPS tương đối là nguyên lý định vị trong đó sử dụng ít nhất
hai máy thu đồng thời thu tín hiệu vệ tinh và xác định ra tọa độ tương đối
(X , Y , Z ) hoặc (B, L, H ) giữa 2 điểm đặt máy trong hệ tọa độ WGS-84.

Nguyên lý định vị tương đối được thực hiện trên cơ sở sử dụng trị đo pha
sóng tải.
b. Đo tĩnh (Static)
Đây là phương pháp chính xác nhất vì nó sử dụng cả hai trị đo code và
phase sóng tải. Hai hoặc nhiều máy thu đặt cố định thu tín hiệu GPS tại các
điểm cần đo tọa độ trong khoảng thời gian thông thường từ một tiếng trở lên.
Thời gian đo kéo dài để đạt được sự thay đổi của đồ hình vệ tinh, cung
cấp trị đo dư và giảm được nhiều nguồn sai số khác nhằm mục đích đạt được

độ chính xác cao nhất. Đo GPS tĩnh tương đối đạt độ chính xác cỡ ± 3mm
dùng cho các ứng dụng có độ chính xác cao nhất, như thành lập lưới khống
chế trắc địa.
c. Đo tĩnh nhanh (Fash Static)
Phương pháp này về bản chất giống như đo GPS tĩnh nhưng thời gian
đo ngắn hơn gọi là đo nhanh. Tăng tốc độ đo là đo giải nhanh được số đa trị
nguyên. Phương pháp đo tĩnh nhanh với máy thu GPS hai tần số chỉ có hiệu
quả trên cạnh ngắn. Thời gian đo tĩnh nhanh thay đổi từ 8’ ÷ 30’ phụ thuộc
vào số vệ tinh và đồ hình vệ tinh. Số vệ tinh nhiều hơn 4 đảm bảo trị đo dư
với đồ hình vệ tinh phân bố đều sẽ hỗ trợ việc tìm nhanh số nguyên đa trị
nguyên và giảm thời gian định vị.
d. Đo động (Kinematic)
Đo động là đo trong trường hợp máy thu ở trạng thái động, trong
trường hợp này máy thu được đặt trên vật thể đang chuyển động như tàu,


13

thuyền, ôtô, máy bay hoặc máy thu được người đo mang đi và di chuyển.
Trong đo động có nhiều kỹ thuật đo khác nhau: đo dừng và đi (Stop and Go),
đo liên tục (Continuous), đo kiểu đánh dấu sự kiện (Events markers)..v.v.
Phương pháp đo động cho phép xác định vị trí tương đối của hàng loạt
điểm so với điểm đã biết, trong đó tại mỗi điểm đo chỉ cần thu tín hiệu trong
vịng một phút. Phương pháp này cần có ít nhất hai máy thu, một cạnh đáy đã
biết được gối lên một điểm đã biết toạ độ. Đặt một máy thu cố định ở điểm
đầu cạnh đáy (trạm Base), điểm cuối cạnh đáy ta đặt máy thứ hai. Cho nó thu
tín hiệu đồng thời với máy cố định trong vòng 20 phút, máy thứ hai được gọi
là máy di động (Rover).
Điểm 1
Điểm 2

Trạm Rover
Trạm Base
Điểm i

Điểm n

Hình 1.7. Sơ đồ đo GPS động
Dựa vào mục đích ứng dụng và yêu cầu độ chính xác mà phương pháp
đo GPS động cũng có cải biến, có nhiều phương pháp đo GPS động nhưng có
2 phương pháp được sử dụng chủ yếu là định vị động vi phân thời gian thực
(RTK) và định vị động sai phân xử lý sau (PPK).
- Định vị động sai phân thời gian thực RTK (Real Time Kinematic):
Phương pháp này cho phép giải được tọa độ điểm đặt máy trạm động ngay tại
thực địa nhờ việc xử lý tức thời số liệu vệ tinh thu được tại trạm cố định và
trạm di động thông qua bộ xử lý số liệu chuyên dụng đi kèm với trạm động tại
thực địa. Phương pháp này cần phải có hệ thống truyền tín hiệu vơ tuyến


14

(Radio Link) để truyền liên tục số liệu thu được tại trạm tĩnh đến thiết bị xử lý
số liệu tại trạm động. Máy thu GPS được đặt trên một vật thể chuyển động và
một máy thu GPS khác được đặt trên một điểm gốc, kết hợp đo vị trí tức thời
của vật thể chuyển động ấy, từ đó vẽ được quỹ tích chuyển động của vật thể.
Do đó định vị động sai phân thời gian thực còn được gọi là định vị tương đối
động. Ví dụ: máy bay hạ cánh, tàu thuyền vào cảng thường yêu cầu định vị vi
phân thời gian thực mới đáp ứng được yêu cầu độ chính xác cao của định vị.
- Định vị động sai phân xử lý sau PPK (Postprocessing Kinematic):
Phương pháp này cho phép thu nhận tọa độ điểm đo với độ chính xác cỡ

centimét trên cơ sở xử lý số liệu vệ tinh thu được tại trạm cố định và trạm động
sau khi đo thực địa bằng phần mềm xử lý số liệu chuyên dụng. Trong phương
pháp này, thời gian thu tín hiệu vệ tinh tương đối ngắn (tối thiểu 2 trị đo).
Phương pháp này khác với định vị động sai phân thời gian thực ở chỗ giữa vật
thể chuyển động với điểm trạm gốc không cần thiết phải lập hệ thống truyền số
liệu tức thời (Radio Link).
Phương pháp đo động cho phép đạt độ chính xác định vị khơng kém so
với phương pháp đo tĩnh, song lại đòi hỏi khá ngặt nghèo về thiết kế và tổ
chức đo để đạt yêu cầu về đồ hình phân bố cũng như tín hiệu của vệ tinh.
4. Ưu, nhược điểm của đo GPS động
a. Ưu điểm
- Xác định toạ độ một cách nhanh chóng.
- Độ chính xác cao, chỉ kém đo tĩnh cỡ hai lần.
- Trạm Base và trạm Rover có thể cách nhau tới 10 km mà không cần
thông hướng với nhau, giảm được các công tác lập lưới khống chế cấp thấp
khi đo vẽ mà sử dụng ngay điểm Địa chính cơ sở làm điểm trạm Base.
b. Nhược điểm
- Trong suốt quá trình đo máy thu phải liên tục thu tín hiệu vệ tinh nên
chỉ đo được ở những nơi thơng thống lên bầu trời.