Nghiên cứu giải pháp công nghệ nâng cấp các trạm dgps đáp ứng mục đích và yêu cầu kỹ thuật trong quy hoạch mạng lưới trạm cors trên lãnh thổ việt nam

LÊ XUÂN LONG

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

LÊ XUÂN LONG

*
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP CÔNG NGHỆ NÂNG CẤP
CÁC TRẠM DGPS ĐÁP ỨNG MỤC ĐÍCH VÀ YÊU CẦU KỸ
THUẬT TRONG QUI HOẠCH MẠNG LƯỚI TRẠM CORS TRÊN
LÃNH THỔ VIỆT NAM

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
*
HÀ NỘI - 2014

HÀ NỘI - 2014


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

LÊ XUÂN LONG

NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP CÔNG NGHỆ NÂNG CẤP
CÁC TRẠM DGPS ĐÁP ỨNG MỤC ĐÍCH VÀ YÊU CẦU KỸ

THUẬT TRONG QUI HOẠCH MẠNG LƯỚI TRẠM CORS
TRÊN LÃNH THỔ VIỆT NAM
NGÀNH : KỸ THUẬT TRẮC ĐỊA - BẢN ĐỒ
MÃ SỐ : 60520503

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
TS. TRẦN HỒNG QUANG

HÀ NỘI - 2014


-1-

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đề tài “ Nghiên cứu giải pháp công nghệ nâng cấp
các trạm DGPS đáp ứng mục đích và yêu cầu kỹ thuật trong qui hoạch mạng
lưới trạm CORS trên lãnh thổ Việt Nam” là cơng trình nghiên cứu của riêng
tơi. Kết quả trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong
bất cứ cơng trình nào khác.

Hà nội, ngày 12 tháng 05 năm 2014
Tác giả luận văn

Lê Xuân Long


-2-

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ............................................................................................................1
MỤC LỤC .......................................................................................................................2
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT..............................................................................4
DANH MỤC CÁC HÌNH................................................................................................6
MỞ ĐẦU..........................................................................................................................7
CHƯƠNG 1: KHÁI QUÁT VỀ HỆ THỐNG VỆ TINH DẪN ĐƯỜNG TOÀN CẦU GNSS..............................................................................................................................11
1.1. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG GNSS ..................................................................11
1.1.1. Khái niệm chung về GNSS ...................................................................................11
1.1.2. Hệ thống vệ tinh cơ bản........................................................................................11
1.2. CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐỊNH VỊ GNSS VÀ CÁC NGUỒN SAI SỐ ...................17
CHƯƠNG 2: ĐỊNH VỊ GPS VI PHÂN - DGPS...........................................................21
2.1. CƠ SỞ LÝ THUYẾT CHUNG ..............................................................................21
2.2. GIẢI PHÁP KỸ THUẬT TRONG ĐỊNH VỊ VI PHÂN ....................................... 21
2.2.1. Giải pháp trạm tham chiếu đơn ............................................................................ 21
2.2.2. Giải pháp DGPS diện rộng WADGPS ..................................................................25
2.3. HỆ THỐNG TRẠM DGPS (BEACON) ................................................................ 26
CHƯƠNG 3: ỨNG DỤNG VÀ HIỆN TRẠNG HỆ THỐNG DGPS Ở VIỆT NAM ..31
3.1. KHÁI QUÁT ỨNG DỤNG GNSS Ở VIỆT NAM .................................................31
3.1.1. Công nghệ GNSS với chế độ đo tĩnh phục vụ công tác đo đạc - bản đồ ...............31
3.1.2. Công nghệ định vị tồn cầu với độ chính xác siêu cao......................................... 31
3.1.3. Định vị tồn cầu cải chính phân sai DGPS (DGNSS) .......................................... 31
3.1.4. Công nghệ GNSS-RTK (GNSS Real-Time Kinematic) ......................................... 32
3.1.5. Công nghệ đo cao bằng GNSS..............................................................................32
3.1.6. Lưới GNSS trong nghiên cứu địa động lực ..........................................................34
3.1.7. Giải pháp LODG (Locally Optimized Differential GPS)....................................... 34
3.1.8. Công nghệ đo động tuyệt đối trong dẫn đường.....................................................36
3.1.9. Nghiên cứu tầng điện ly và tầng đối lưu............................................................... 36
3.1.10. Ứng dụng công nghệ GPS trong quản lý các tàu cá ........................................... 36
3.1.11. Cảnh báo, giám sát tốc độ tàu hỏa...................................................................... 37

3.2. HIỆN TRẠNG HỆ THỐNG TRẠM DGPS Ở VIỆT NAM ..................................37
3.2.1. Hệ thống trạm DGPS của Bộ Tài nguyên và Môi trường.....................................38
3.2.2. Hệ thống trạm DGPS của Bộ Quốc phòng ...........................................................46
3.3. ĐÁNH GIÁ HỆ THỐNG DGPS Ở VIỆT NAM ....................................................49
CHƯƠNG 4: YÊU CẦU NÂNG CẤP CÁC TRẠM DGPS Ở VIỆT NAM.................55
4.1. XU THẾ TRÊN THẾ GIỚI....................................................................................55
4.2. XÂY DỰNG MẠNG LƯỚI GNSS CỐ ĐỊNH Ở VIỆT NAM............................... 57
4.2.1. Khái niệm, cấu trúc và hoạt động của các trạm GNSS cố định ở Việt Nam......... 58


-3-

4.2.2. Yêu cầu kỹ thuật đối với hệ thống trạm CORS .....................................................63
CHƯƠNG 5: GIẢI PHÁP CÔNG NGHỆ NÂNG CẤP TRẠM DGPS THÀNH TRẠM
CORS .............................................................................................................................70
5.1. YÊU CẦU PHẢI NÂNG CẤP................................................................................70
5.2. KINH NGHIỆM THẾ GIỚI ..................................................................................72
5.3. GIẢI PHÁP CHO VIỆT NAM...............................................................................76
5.3.1. Hiện trạng và yêu cầu...........................................................................................76
5.3.1. Giải pháp chung cho việc nâng cấp các trạm DGPS ............................................ 80
5.3.2. Giải pháp nâng cấp cụ thể ....................................................................................81
5.4. CÁC ỨNG DỤNG TIỀM NĂNG CỦA CÁC HỆ THỐNG TRẠM DGPS SAU
KHI ĐƯỢC NÂNG CẤP............................................................................................... 96
5.4.1. Các ứng dụng thực tế từ chức năng trạm CORS .....................................................96
5.4.2. Các ứng dụng thực tế từ chức năng trạm phát DGPS (DGNSS)...................................... 97
TÀI LIỆU THAM KHẢO........................................................................................... 100
PHỤ LỤC..................................................................................................................... 101


-4-

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
CORS
Continously Operating Reference
Station

Trạm tham chiếu GNSS hoạt động liên tục

COMPASS - Beidou

Hệ thống dẫn đường bằng vệ tinh của
Trung Quốc

CORS RTN
Continously Operating Reference
Station Real Time Network

Mạng lưới các trạm tham chiếu GNSS hoạt
động liên tục phục vụ cải chính thời gian
thực

Geodetic CORS
Geodetic Continously Operating
Reference Station

Trạm tham chiếu trắc địa hoạt động liên tục

DGNSS
Differential GNSS

GNSS được cải chính phân sai

DGPS
Differential Global Positioning System

GPS được cải chính phân sai

EGNOS
European Geostationary Navigation
Overlay Service

Dịch vụ cung cấp số liệu cải chính phân sai
bằng vệ tinh địa tĩnh của Châu Âu

Galileo

Hệ thống dẫn đường bằng vệ tinh của Cộng
đồng Châu Âu

GLONASS
GLObal NAvigation Satellite System

Hệ thống dẫn đường bằng vệ tinh của Liên
bang Nga

GPS
Global Positioning System

Hệ thống định vị toàn cầu của Hoa Kỳ

IALA
International Association of Marine
Aids to Navigation and Lighthouse
Authorities

Hiệp hội hỗ trợ đạo hàng hàng hải và hải
đăng Quốc tế

IGS
International GNSS Service

Tổ chức cung cấp dịch vụ GNSS Quốc tế

IRNSS
Indian Regional Navigational Satellite
System

Hệ thống dẫn đường bằng vệ tinh của Ấn
Độ

IMO
International Maritime Organization

Tổ chức Hàng hải Quốc tế

GSM
Global System for Mobile
Communication

Hệ thống tồn cầu cho truyền thơng do

động

MTSAS
Multi-Function Transport Satellite

Vệ tinh giao thông đa chức năng


-5-

MSK DGPS
Minimum Ship Keying Differential
Global Positioning System

GPS được cải chính phân sai bằng giải
pháp điều tần dịch pha tối thiểu

MSK DGNSS
Minimum Ship Keying Differential
Global Navigation Satellite System

GNSS được cải chính phân sai bằng giải
pháp điều tần dịch pha tối thiểu

Ntrip
Network Transport of RTCM via
Internet Protocol

Chuẩn truyền số liệu cải chính RTCM
thông qua giao thức Internet

OmniStar

Hệ thống cung cấp dữ liệu cải chính
DGNSS tồn cầu của OmniStar

PCGIAP
Permanent Committee on the GIS
Infrastructure for Asia-Pacific

Ủy ban thường trực cơ sở hạ tầng GIS khu
vực Châu Á - Thái Bình Dương

QZSS
Quasi-Zenith Satellite System

Hệ thống dẫn đường bằng vệ tinh của Nhật
Bản

RTN
Real Time Network

Mạng thời gian thực

RTK
Real Time Kinematic

Phương pháp đo động thời gian thực (chính
xác tới cm)

RTCM-104
Radio Technical Commission for
Maritime Services

Giao thức sử dụng cho việc phát truyền số
số liệu cải chính GNSS phục vụ cho các
dịch vụ hàng hải

VRS
Virtual Reference Station

Trạm tham chiếu ảo

WAAS
Wide Area Augmentation System

Hệ thống cung cấp số liệu cải chính
diện rộng của Hoa Kỳ

WADGPS
Wide Area Differential Global
Positioning System

GPS được cải chính phân sai diện rộng

RS
Reference Station

Trạm tham chiếu

IM
Integrity Monitor

Kiểm tra tính nguyên trạng

TRS Terrestrial Reference System

Hệ qui chiếu mặt đất

MSK
Minimum-shift keying

Giải pháp điều tần dịch pha tối thiểu

MF Radio Frequency

Trung tần

TCC
Trimble Coastal Center

Trung tâm vùng ven biển của Trimble


-6-

DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 1.1. Sơ đồ các thành phần GNSS ......................................................... 11
Hình 1.2. Các quốc gia và vùng lãnh thổ đã xây dựng hệ thống trạm CORS
phục vụ đo GNSS động độ chính xác cao tính đến năm 2010 ....................... 16

Hình 2.1. Kỹ thuật đo DGPS ........................................................................ 22
Hình 2.2. Thiết bị trạm Beacon .................................................................... 27
Hình 2.3. Cấu trúc trạm Beacon – RSIM ...................................................... 27
Hình 2.4. Máy phát sóng .............................................................................. 28
Hình 2.5. Mơ hình hệ thống dẫn đường Beacon ........................................... 29
Hình 3.1. Quan hệ giữa độ cao geoid và độ cao ellipsoid............................. 33
Hình 3.2. Sơ đồ giải pháp LODG ................................................................. 35
Hình 3.3. Một số thiết bị máy móc và trang thiết bị trạm DGPS Đồ Sơn ...... 40
Hình 3.4. Một số thiết bị máy móc và trang thiết bị trạm DGPS Quảng Nam41
Hình 3.5. Một số thiết bị máy móc và trang thiết bị trạm DGPS Vũng Tàu... 42
Hình 3.6. Một số thiết bị máy móc và trang thiết bị trạm DGPS Cao Bằng .. 43
Hình 3.7. Một số thiết bị máy móc và trang thiết bị trạm DGPS Điện Biên .. 44
Hình 5.1. Sơ đồ cấu trúc hệ thống trạm DGNSS - CORS.............................. 82
Hình 5.2. Ăngten Trimble Geodetic Zephy 2................................................. 83
Hình 5.3. Máy thu NetR5.............................................................................. 85
Hình 5.4. Cấu trúc mới của trạm RS và trạm IM .......................................... 86
Hình 5.5. Kết cấu mốc CORS ....................................................................... 89
Hình 5.6. Máy phát Vector D Series ............................................................. 91
Hình 5.7. Bộ phối trở Vector ATU................................................................ 92
Hình 5.8. Ăngten phát................................................................................... 93


-7-

MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Từ khi cơng nghệ GPS được áp dụng, người ta đã nghiên cứu và đưa ra
giải pháp định vị GPS vi phân còn gọi là định vị GPS phân sai, viết tắt là
DGPS (Differential GPS) với mục đích giảm ảnh hưởng kết hợp các sai số
quỹ đạo, khí quyển và sai số đồng hồ vệ tinh (gồm cả các ảnh hưởng của

nhiễu cố ý SA), nhờ đó độ chính xác định vị DGPS cao hơn so với định vị
GPS tuyệt đối. Thời gian đầu những năm 1990, DGPS đã được áp dụng rộng
rãi trong các hệ thống dẫn đường hàng hải. Do sự phát triển nhanh chóng của
cơng nghệ truyền thống cũng như các hệ thống vệ tinh GPS, Glonass… luôn
được các nhà quản lý, vận hành hiện đại hóa nên các hệ thống DGPS lắp đặt
trước đây nay đã trở nên lạc hậu.
Để đáp ứng và khai thác được những ưu việt của các hệ thống vệ tinh
dẫn đường toàn cầu hiện nay mang lại, nhiều nước trên thế giới đã triển khai
hiện đại hóa (nâng cấp) các hệ thống DGPS dẫn đường trên biển trước đây,
phù hợp với các định hướng và khuyến cáo của Hiệp hội hỗ trợ đạo hàng hàng
hải và hải đăng Quốc tế IALA như thay thế phần cứng, phần mềm điều khiển
trạm RSIM, giải pháp trạm tham chiếu ảo VRS, giải pháp tích hợp với hệ
thống vệ tinh hỗ trợ SBAS ( EGOS, WAAS…)
Ở Việt Nam cho đến thời điểm hiện tại, công nghệ GPS được áp dụng
phổ biến trong lĩnh vực đo đạc bản đồ, và bước đầu được triển khai trong các
lĩnh vực khác của xã hội. Dẫn đường bằng công nghệ DGPS đã được áp dụng
trong cơng tác đo đạc địa hình đáy biển và phân giới cắm mốc. Một số trạm
DGPS cố định đã được xây dựng dựa trên công nghệ hệ thống Beacon DGPS
dẫn đường biển ở một số địa điểm phục vụ mục đích này.
Trong tương lai, với nhu cầu ứng dụng mới của hệ thống GNSS sẽ ngày
càng được mở rộng ở nhiều lĩnh vực. Chính vì vậy, hiện nay Cục Đo đạc và


-8-

Bản đồ Việt Nam đang triển khai xây dựng các dự án qui hoạch mạng lưới
trạm định vị toàn cầu trên lãnh thổ Việt Nam với mục tiêu cụ thể “Xây dựng
mạng lưới GNSS cố định trên lãnh thổ Việt Nam” trong “Chiến lược phát
triển ngành Đo đạc và Bản đồ Việt Nam đến năm 2020” được Thủ tướng
chinh phủ phê duyệt tại quyết định số 33/2008/QĐ-TTg ngày 27 tháng 02

năm 2008 đã khẳng định sự cần thiết phải hiện đại hóa cơng nghệ định vị vệ
tinh tồn cầu, phục vụ mục tiêu định vị và dẫn đường đáp ứng các nhu cầu
quản lý Nhà nước về lãnh thổ, quản lý các hoạt động kinh tế xã hội, bảo đảm
quốc phòng an ninh, phòng chống thiên tai, đáp ứng các nhu cầu sử dụng
thông tin của cộng đồng phục vụ quản lý sản xuất, dịch vụ, nghiên cứu khoa
học.
Việc nghiên cứu giải pháp công nghệ nâng cấp các trạm DGPS đáp ứng
các mục đích và yêu cầu kỹ thuật trong qui hoạch mạng lưới trạm CORS trên
lãnh thổ nước ta là rất cấp bách để giúp cho qui hoạch mạng lưới được triển
khai hiệu quả và mang tính chiến lược với việc sử dụng triệt để các cơ sở hạ
tầng sẵn có nhằm giảm tối đa kinh phí đầu tư.
2. Mục tiêu, nhiệm vụ của đề tài
Mục tiêu:
Nghiên cứu giải pháp công nghệ để nâng cấp các trạm DGPS sao cho
phù hợp với mục đích và yêu cầu trong qui hoạch mạng lưới trạm CORS trên
lãnh thổ Việt Nam.
Nhiệm vụ:
- Tổng quan về hệ thống vệ tinh dẫn đường toàn cầu GNSS.
- Nghiên cứu giải pháp định vị GPS vi phân – DGPS.
- Khảo sát, đánh giá ứng dụng và hiện trạng hệ thống trạm DGPS ở
Việt Nam.


-9-

- Nghiên cứu yêu cầu nâng cấp các trạm DGPS ở Việt Nam theo mục
đích yêu cầu trong các dự án qui hoạch tương lai.
- Đưa ra các giải pháp công nghệ phù hợp để nâng cấp các trạm DGPS
ở Việt Nam.
3. Giới hạn phạm vi nghiên cứu và phương pháp nghiên cứu

- Về mặt không gian: do hạn chế về mặt thời gian và kinh phí đề tài, tư
liệu hạn chế nên đề tài chỉ giới hạn nghiên cứu 12 trạm DGPS (DGNSS) ở
Việt Nam. Đặc biệt tập trung nghiên cứu 6 trạm DGPS do Bộ Tài nguyên và
Môi trường đang quản ý: Cao Bằng, Hà Giang, Điên Biên, Đồ Sơn, Quảng
Nam, Vũng Tàu.
- Về phương pháp nghiên cứu: Dựa vào tài liệu tham khảo về hiện
trạng thực tế để phân tích – tổng hợp; đối chiếu – so sánh; khảo sát thực tế
chiết tách thông tin chuyên đề. Ngồi ra cịn sử dụng thơng tin các thiết bị kỹ
thuật hiện đại được sưu tầm trên mạng Internet.
4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
- Kết quả nghiên cứu cho thấy lựa chọn giải pháp công nghệ thay thế
phần cứng, phần mềm phù hợp RSIM cho hệ thống trạm DGPS trong những
khuyến cáo của Tổ chức Hàng hải Quốc tế - IMO đáp ứng yêu cầu quốc tế và
đảm bảo độ tin cậy, an toàn (integrity). Giải pháp này tương đối linh hoạt,
phần cứng dễ thay thế và cài đặt cấu hình, phần mềm RSIM có thể sử dụng để
tiếp tục nâng cấp hệ thống bằng các modul phần mềm đang sử dụng rộng rãi,
đáp ứng các yêu cầu thay đổi. Đây là tùy chọn rẻ nhất so với thay thế thiết bị
đang có.
- Kết quả nghiên cứu là các báo cáo khảo sát hiện trạng cơ sở hạ tầng,
trang thiết bị kỹ thuật tại các trạm DGPS ở nước ta ở thời điểm hiện tại đã trở
nên lạc hậu và quá trình hoạt động mang lại hiệu quả chưa cao cũng như không
đáp ứng được yêu cầu trong sự phát triển ứng dụng GNSS. Trên cơ sở đưa ra


- 10 -

các giải pháp cụ thể trong việc lựa chọn các thiết bị phần cứng, phần mềm và
các thiết bị phụ trợ khác nhằm nâng cấp (hiện đại hoá) hệ thống trạm DGPS thế
hệ cũ của Bộ Tài nguyên và Môi trường sao cho đáp ứng được các mục đích và
yêu cầu trong qui hoạch mạng lưới các trạm CORS trên lãnh thổ Việt Nam và

lại có thể tiết kiệm, giảm chi phí đầu tư tới mức thấp nhất có thể.
5. Cấu trúc của luận văn
Luận văn được hồn thành trên trang đánh máy, khổ A4 với 22 hình và
có bố cục như sau:
Mở Đầu
Chương 1:Khái quát về hệ thống vệ tinh dẫn đường toàn cầu GNSS
Chương 2: Định vị GPS vi phân – DGPS
Chương 3: Ứng dụng và hiện trạng hệ thống DGPS ở Việt Nam
Chương 4: Yêu cầu nâng cấp các trạm DGPS ở Việt Nam
Chương 5: Giải pháp nâng cấp trạm DGPS thành trạm CORS
Kết luận và kiến nghị
Tài liệu tham khảo
Luận văn được thực hiện từ tháng 11 năm 2013 tại trường Đại học Mỏ Địa chất đến nay đã hồn thành. Để có được kết quả trên, ngồi sự cố gắng của
bản thân, tơi cịn nhận được sự giúp đỡ của gia đình, q thầy cô, đồng nghiệp
và bạn bè…
Tôi xin chân thành cảm ơn TS. Trần Hồng Quang – người đã trực tiếp
hướng dẫn tơi trong suốt q trình thực hiện luận văn.
Tơi xin chân thành cảm ơn quý thầy cô trong Bộ mơn Trắc địa Cao cấp,
Khoa Trắc địa, các phịng ban Trường Đại học Mỏ - Địa chất đã trang bị cho
tôi kiến thức và giúp đỡ, tạo điều kiện thuận lợi cho tơi trong suốt q trình
học tập tại Nhà trường.


- 11 -

CHƯƠNG 1: KHÁI QUÁT VỀ HỆ THỐNG
VỆ TINH DẪN ĐƯỜNG TOÀN CẦU - GNSS
1.1. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG GNSS
1.1.1. Khái niệm chung về GNSS
Với hiện trạng công nghệ định vị hiện nay trên thế giới hệ thống vệ tinh

dẫn đường toàn cầu (GNSS) được hiểu là một tổng thể bao gồm các thành
phần: các hệ thống định vị cơ bản GPS (Mỹ), GLONASS (Nga), GALILEO
(EU), Compass (Trung Quốc)...; Các hệ thống hỗ trợ và hệ thống người sử
dụng. Các hệ thống hỗ trợ được chia thành hệ thống vệ tinh hỗ trợ (SBAS và
hệ thống hỗ trợ mặt đất (GBAS) [5], hình 1.1
GNSS

Các hệ thống
cơ bản

Hệ thống
kiểm tra

Hệ thống
vệ tinh

Các hệ thống
hỗ trợ

SBAS

GBAS

Hệ thống
người sử dụng

Thiết bị

Phần mềm

GPS

WAAS

SAPOS

Cơng nghệ

GLONASS

EGNOS

GEONET

…….

GALILEO

MSAS

MyRTK

..……

……..

……..

……..

..……

Hình 1.1. Sơ đồ các thành phần GNSS
1.1.2. Hệ thống vệ tinh cơ bản
- Hệ thống GPS: tên gọi GPS (Global Positioning System) dùng để chỉ
hệ thống định vị tồn cầu do Bộ quốc phịng Mỹ thiết kế và điều hành, thường
gọi GPS hay NAVSTAR GPS (Navigation Signal Timing and Ranging
Global Positioning System). GPS bao gồm 28 vệ tinh chuyển động trong 6
mặt phẳng quỹ đạo.


- 12 -

- Hệ thống GLONASS (Global Orbiting Navigation Satellite System):
là hệ thống vệ tinh dẫn đường toàn cầu, do Liên bang Xô Viết (cũ) thiết kế và
điều hành. Ngày nay hệ thống GLONASS vẫn được Cộng hòa liên bang Nga
tiếp tục duy trì hoạt động. Hệ thống GLONASS bao gồm 30 vệ tinh chuyển
động trong 3 mặt phẳng quỹ đạo.
- Hệ thống GALILEO: mang tên nhà thiên văn học GALILEO, với mục
đích sử dụng dân sự. Việc nghiên cứu dự án hệ thống GALILEO được bắt đầu
triển khai thực hiện từ năm 1999 do 4 quốc gia Pháp, Đức, Italia và Anh, đưa
vào sử dụng trong năm 2010 và bắt đầu được khai thác sử dụng vào năm
2013. GALILEO được thiết kế gồm 30 vệ tinh chuyển động trong 3 mặt
phẳng quỹ đạo. Các dịch vụ cơ bản với các mức chính xác khác nhau của hệ
thống Galileo bao gồm: dịch vụ mở, dịch vụ trả tiền, dịch vụ cứu hộ, dịch vụ
cơng cộng, dịch vụ tìm kiếm cứu hộ.
- Hệ thống COMPASS (Compass Navigation Satellite Syste - CNSS
hay BeiDou-2) có khả năng cung cấp dịch vị dẫn đường và xác định vị trí trên
tồn Trung Quốc và một số nước láng giềng vào năm 2008. Hệ thống bao
gồm 5 vệ tinh địa tĩnh (GEO) và 30 vệ tinh hoạt động ở quĩ đạo trung bình

trái đất cung cấp dịch vụ định vị dẫn đường cho toàn cầu.
* Cấu trúc chung của hệ thống GNSS bao gồm 3 thành phần:
- Hệ thống không gian: gồm các vệ tinh hoạt động bằng năng lượng
mặt trời, bay trên quỹ đạo. Quãng thời gian tồn tại của chúng vào khoảng 10
năm và chi phí cho mỗi lần thay thế lên đến hàng tỷ USD.
- Hệ thống điều khiển và kiểm tra mặt đất: để duy trì hoạt động của
tồn bộ hệ thống cũng như hiệu chỉnh tín hiệu thơng tin của vệ tinh. Có các
trạm quan sát trên mặt đất, chia thành trạm trung tâm và trạm con. Các trạm
con vận hành tự động, nhận thông tin từ vệ tinh, gửi tới cho trạm chủ. Sau đó
các trạm con gửi thơng tin đã được hiệu chỉnh trở lại, để các vệ tinh biết được


- 13 -

vị trí của chúng trên quỹ đạo và thời gian truyền tín hiệu. Nhờ vậy, các vệ tinh
mới có thể đảm bảo cung cấp thơng tin chính xác tuyệt đối vào bất kỳ thời
điểm nào.
- Hệ thống người sử dụng và thiết bị thu vệ tinh: là khu vực có phủ
sóng mà người sử dụng cần có ăng ten và máy thu thu tín hiệu từ vệ tinh và có
được thơng tin vị trí, thời gian và vận tốc di chuyển.
* Hệ thống vệ tinh hỗ trợ:
Tính sẵn sàng của hệ thống vệ tinh cơ bản hiện nay là 95%, có nghĩa là
trong tổng số 24 giờ trong ngày sẽ có 5% thời gian cung cấp dịch vụ ở mức có
thể khơng sẵn sàng. Bên cạnh đó, ba trở ngại khác khi khai thác sử dụng hệ
thống vệ tinh cơ bản là:
 Độ chính xác bị hạn chế do tác động của điều kiện ngoại cảnh;
 Không phải trong mọi trường hợp hệ thống đều sẵn sàng;
 Thông tin về tính ngun trạng (integrity) khơng có hoặc có nhưng
thông báo cho người sử dụng bị chậm.
Người ta gọi những hệ thống có khả năng giải quyết các trở ngại nêu

trên là các hệ thống vệ tinh hỗ trợ (SBAS – Satellite Based Augmentation
System). SBAS có đặc điểm chung là sử dụng vệ tinh địa tĩnh phát tín hiệu
được điều biến giống như WADGPS và thông báo kịp thời cho người sử dụng
khi hệ thống có vấn đề xảy ra để ứng phó đối với những ứng dụng nhạy cảm.
Trên thế giới hiện nay đã có một số hệ thống vệ tinh hỗ trợ đang hoạt động và
một số hệ thống đang trong q trình phát triển, hồn thiện. Ví dụ: hệ thống
WAAS của Mỹ, dịch vụ EGNOS của Châu Âu, hệ thống MTSAS của Nhật
Bản, OMNISTAR của hãng Trimble, STARFIRE của hãng NavCom (Hoa
Kỳ), EUPOS là tổ chức của các nhà trắc địa Châu Âu.[2]
* Hệ thống hỗ trợ mặt đất:


- 14 -

Hạ tầng cơ sở trắc địa truyền thống ở các nước trước đây không khai
thác được những khả năng tiềm năng của hệ thống vệ tinh định vị dẫn đường.
Vì vậy, ngay từ khi cơng nghệ GPS bắt đầu được áp dụng ở những lĩnh vực
khác nhau trong dân sự, người ta đã nghiên cứu làm thế nào để đảm bảo được
những yêu cầu cơ bản về hạ tầng kỹ thuật mặt đất nhằm khai thác có hiệu quả
những khả năng tiềm tàng có từ hệ thống vệ tinh dẫn đường toàn cầu GNSS.
- Hạ tầng cơ sở hỗ trợ mặt đất thế hệ một: Là mạng lưới GPS quốc gia
được thiết lập trong hệ qui chiếu quốc tế (WGS84, ITRF.xx), chủ yếu phục vụ
cho kỹ thuật đo tương đối, xử lý sau. Độ chính xác mạng lưới GPS quốc gia
thường phù hợp với các tiêu chuẩn về độ chính xác trắc địa và các qui định kỹ
thuật áp dụng kỹ thuật xác định vị trí tương đối GPS do Ủy ban kiểm tra trắc
địa Liên bang (Federal Geodetic Control Committe, FGCC) cung cấp hướng
dẫn công tác thiết kế và xây dựng các mạng lưới GPS các cấp hạng (1988).
- Hạ tầng cơ sở hỗ trợ mặt đất thế hệ hai: Hạn chế lớn nhất của mạng
lưới GPS thụ động quốc gia là người sử dụng phải có một cặp máy thu GPS
đê áp dụng phương pháp đo tương đối hay DGPS. Một máy thu GPS đặt trên

một trong những điểm lưới thụ động GPS quốc gia và một máy GPS di động.
Về nguyên lý, nếu xây dựng sẵn một số trạm qui chiếu, trên đó có máy GPS
đo liên tục để cung cấp dữ liệu cho các máy GPS khác thì có thể loại bỏ được
hạn chế thiết lập trạm qui chiếu riêng. Như vậy người sử dụng chỉ cần sử
dụng một máy GPS ra thực địa đo và yêu cầu dữ liệu từ các trạm qui chiếu đo
liên tục được thiết lập sẵn để tính tốn. Người ta gọi các trạm GPS qui chiếu
được thiết lập đo liên tục là các trạm thường trực (Permenent, PN) hay trạm
qui chiếu đo liên tục (Continuosly Operating Reference Station, CORS) và
mạng các trạm CORS cung cấp dịch vụ dữ liệu qui chiếu GPS là mạng các
trạm GPS tích cực (Active GPS Stations). Các trạm CORS có thể cung cấp
trực tiếp dữ liệu thô (dạng RINEX) cho người sử dụng (giải pháp trạm đơn-


- 15 -

Single Station). Giải pháp trạm đơn rất ít khi được áp dụng mà người ta liên
kết các trạm CORS với một Trung tâm xử lý dữ liệu. Dữ liệu từ các trạm
CORS được truyền về Trung tâm, sau khi được kiểm tra chất lượng, dữ liệu
sẽ được cung cấp cho người sử dụng dạng RINEX (xử lý sau) và dữ liệu hiệu
chỉnh DGPS (thời gian thực). Các trạm CORS được Trung tâm giám sát, quản
lý từ xa, hoạt động hoàn toàn tự động. Hiệu quả lớn nhất của việc vận hành
Trung tâm là các trạm CORS cung cấp dịch vụ hệ qui chiếu và các dữ liệu đo
chính thức được kiểm định.
Hạ tầng cơ sở hỗ trợ mặt đất thế hệ hai có tầm quan trọng đặc biệt về
mặt khoa học vì duy trì hệ qui chiếu thống nhất quốc gia, khu vực và có quan
hệ chặt chẽ với hệ qui chiếu toàn cầu; giám sát địa động lực trái đất; khảo sát
tầng điện ly, tầng đối lưu và khảo sát chuyển dịch kiến tạo.
- Hạ tầng cơ sở hỗ trợ mặt đất thế hệ ba: Chức năng cơ bản của mạng
các trạm CORS là cung cấp dữ liệu xử lý sau (RINEX) và dữ liệu hiệu chỉnh
DGPS. Hạn chế cơ bản của mạng các trạm CORS là độ chính xác xác định vị

trí DGPS phụ thuộc khoảng cách. Càng xa trạm CORS thì sai số xác định vị
trí càng cao. Để loại bỏ hạn chế này, người ta liên kết các trạm CORS lại và
dữ liệu đo của các trạm được Trung tâm xử lý chung, mô hình hóa các sai số
ảnh hưởng đến độ chính xác đo GPS, tính dữ liệu hiệu chỉnh và cung cấp cho
hệ thống người sử dụng thời gian thực. Mơ hình mạng các trạm CORS Trung
tâm xử lý và cung cấp dữ liệu hiệu chỉnh thời gian thực, có khả năng hỗ trợ
xác định vị trí thời gian thực với độ chính xác cm (cịn gọi là mạng các trạm
DGPS/RTK hay là hạ tầng cơ sở hỗ trợ mặt đất thế hệ ba). Hiện nay trên thế
giới nhiều nước đã phát triển xây dựng và đưa vào sử dụng mạng CORS ở
mức kỹ thuật cao nhất về công nghệ ở thời điểm hiện tại.
Tính đến thời điểm hiện tại, số lượng các quốc gia trên thế giới đã xây
dựng hệ thống trạm CORS GNSS phục vụ việc đo đạc độ chính xác cao tăng


- 16 -

lên rất nhanh. Theo thống kê, trên thế giới có hàng nghìn hệ thống CORS
GNSS đang hoạt động. Quanh khu vực châu Á cũng có vài chục hệ thống
trạm này ở các quốc gia như Nhật Bản, Trung Quốc, Hàn Quốc, Đài Loan,
Thái Lan, Malaysia, Singapore, Brunei....Trong đó Nhật Bản có 1.550 trạm,
Trung Quốc có 295 trạm hoạt động liên tục và 2.000 trạm khác tham gia đo
theo chu kỳ, Thái Lan hiện có 5 trạm nhưng đang có kế hoạch mở rộng tới
250 trạm, Malaysia hiện có 78 trạm và vẫn đang tiếp tục mở rộng thêm. Theo
xu hướng phát triển khoa học công nghệ, ngoại trừ Châu Phi, công nghệ này
đã và đang phát triển mạnh ở hầu hết các khu vực trên thế giới.

Hình 1.2. Các quốc gia và vùng lãnh thổ đã xây dựng hệ thống trạm CORS
phục vụ đo GNSS động độ chính xác cao tính đến năm 2010
* Hệ thống người sử dụng
Người sử dụng ở đây được hiểu là hệ thống thiết bị phần cứng (máy

thu) và phần mềm ứng dụng. Hiện nay các thiết bị GPS cũng luôn được phát
triển để sẵn sàng thu nhận tín hiệu từ các hệ thống vệ tinh cơ bản và hệ


- 17 -

thống hỗ trợ. Tùy chọn hỗ trợ các ứng dụng đo của thiết bị đa dạng hơn và
được tích hợp trực tiếp vào máy. Phần mềm xử lý dữ liệu cũng được tăng
cường nhiều tiện ích, tính tự động cao, tạo điều kiện rất thuận lợi cho
người sử dụng.
1.2. CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐỊNH VỊ GNSS VÀ CÁC NGUỒN SAI SỐ
* Các phương pháp định vị GNSS:
- Định vị tuyệt đối: là kỹ thuật xác định toạ độ của điểm đặt máy thu
tín hiệu vệ tinh trong hệ toạ độ toàn cầu WGS-84 bằng cách chỉ sử dụng một
máy thu tín hiệu vệ tinh duy nhất. Do nhiều nguồn sai số nên độ chính xác vị
trí điểm thấp (cỡ 10m), chủ yếu cho việc dẫn đường, và các mục đích đạc có
u cầu độ chính xác khơng cao.
- Định vị tương đối: Thực chất của phương pháp đo là xác định hiệu
toạ độ không gian của 2 điểm đo đồng thời đặt trên 2 đầu của khoảng cách
cần đo (Baseline) sử dụng nguyên lý định vị tương đối. Do bản chất của
phương pháp, cần tối thiểu 2 máy thu vệ tinh trong 1 thời điểm đo. Phụ thuộc
vào quan hệ của các trạm đo trong thời gian đo mà người ta chia thành các
dạng đo tương đối sau:
Đo tĩnh (Static Relative Positioning) là phương pháp chính xác nhất sử
dụng 2 hoặc nhiều máy thu đặt cố định thu tín hiệu GPS tại các điểm cần đo
toạ độ trong khoảng thời gian thông thường từ 1 giờ trở lên.
Đo động (Kinematic Relative Positioning) là phương pháp dựa trên
nguyên lý định vị tương đối, được tiến hành với 1 máy đặt cố định (Base
Station) và một hoặc nhiều các máy khác (Rover Stations) di động đến các
điểm cần đo với thời gian rất ngắn, độ chính xác cỡ cm.

Tuỳ thuộc vào thời điểm xử lý số liệu đo – xử lý ngay tại thực địa hay
trong phòng sau khi đo, người ta chia thành 2 dạng:
 Đo động thời gian thực (RTK – Real Time Kinematic): Phương pháp


- 18 -

cho phép thu được toạ độ đúng tại thực địa trong hệ toạ độ điạ phương bất kỳ
với thời gian đo ngắn (1 trị đo – 1 giây).
 Đo động xử lý sau (Post Procesed Kinematic): Giống như phương
pháp GPS RTK, phương pháp này đo một loạt điểm với thời gian đo ngắn 2
(trị đo). Toạ độ của các điểm đo có được sau khi xử lý số liệu trong phòng.
- Định vị GPS vi phân - DGPS: là phương pháp đo GPS sử dụng
nguyên lý định vị tuyệt đối sử dụng trị đo code và cả trị đo pha có độ chính
xác đo toạ độ 1 – 3m, sử dụng 2 máy thu tín hiệu vệ tinh trong đó 1 tại trạm
gốc (Base Station) có toạ độ biết trước và 1 trạm đo tại các điểm cần đo toạ
độ (Rover Station). Trên cơ sở độ lệch về toạ độ đo được so với toạ độ của
trạm qui chiếu để hiệu chỉnh vào kết quả đo tại các trạm động theo nguyên tắc
đồng ảnh hưởng.
* Các nguồn sai số trong định vị:
- Sai số liên quan đến vệ tinh:
1. Sai số đồng hồ vệ tinh: Các vệ tinh được trang bị đồng hồ nguyên tử
chính xác, tuy vậy do sự không ổn định của bộ tạo dao động nguyên tử nên
các đồng hồ này vẫn có sai số. Sai số đồng hồ vệ tinh gây ra sai số trong xác
định thời gian. Trong đó khoảng cách bằng sóng ánh sang, sóng điện từ, sai số
thời gian có thể ảnh hưởng đáng kể đến độ chính xác khoảng cách đo [3].
2. Sai số quỹ đạo vệ tinh: Toạ độ điểm đo GPS được tính dựa vào vị trí
đã biết của vệ tinh. Người sử dụng phải dựa vào lịch thông báo toạ vệ tinh mà
theo lịch toạ độ vệ tinh có thể bị sai số. Do vậy nếu sử dụng quỹ đạo vệ tinh
chính xác có thể đạt kết quả định vị tốt hơn.

Để loại trừ nguồn sai số này người ta sử dụng phương pháp định vị
tương đối.


- 19 -

- Sai số phụ thuộc vào môi trường lan truyền tín hiệu:
1. Ảnh hưởng của tầng điện ly: Tầng điện ly là lớp chứa các hạt tích
điện phân bố bầu khí quiển ở độ cao từ 50km đến khoảng 1000 km. Tầng điện
ly làm trễ tín hiệu code tức là làm tín hiệu đến máy thu muộn hơn [3].
2. Ảnh hưởng của tầng đối lưu: Tầng đối lưu là tầng khí quiển tính từ
mặt đất đến độ cao khoảng 50 km. Trong tần đối lưu chứa nhiều hơi nước và
bụi khí quiển. Vì vậy tần đối lưu làm tín hiệu code và pha đến máy thu bị
chạm trễ, gây ra sai số trong khoảng cách cỡ 2,5 , theo hướng thiên đỉnh và
khoảng 30 m theo phương chân trời [3].
3. Hiện tượng đa đường dẫn: Đó là hiện tượng khi tín hiệu từ vệ tinh
khơng đến thẳng anten máy thu mà đập vào bề mặt phản xạ nào đó xung
quanh rồi mới đến anten máy thu. Cách tốt nhất để loại bỏ hoặc giảm thiểu
ảnh hưởng này là nguyên cứu chế tao anten máy thu có khả năng giảm thiểu
tín hiệu đa đường dẫn.
Để làm giảm ảnh hưởng của tầng điện ly và tầng đối lưu người ta quy
định chỉ quan sát vệ tinh ở độ cao từ 15o trở lên so với mặt phẳng chân trời và
sử dụng máy hai tần số để loại trừ ảnh hưởng tầng điện ly. Ngoài ra người ta
đã chế tạo ra các loại ăng ten thu kỹ thuật cao để loại bỏ ảnh hưởng của hiện
tượng đa đường dẫn.
- Sai số liên quan đến thiết bị thu tín hiệu vệ tinh:[3]
1. Sai số đồng hồ máy thu: Tinh thể thạch anh sử dụng để chế tạo ra bộ
tạo dao động của đồng hồ. Do đó, độ ổn định của đồng hồ máy thu thấp hơn
so với đồng hồ vệ tinh. Để loại trừ sai số đồng hồ máy thu, người ta coi sai số
này là ẩn để xác định trong quá trình bình sai các trị đo.

2. Sai số do lệch tâm pha anten: Khi chế tạo máy thu GPS, người ta cố
gắng chế tạo sao cho tâm điện tử của anten trùng với tâm hình học của nó,


- 20 -

nhưng trên thực tế hai tâm này không hoàn toàn trùng nhau gây ra sai số lệch
tâm pha anten.
3. Ngồi ra cịn có nguồn sai số do nhiễu tín hiệu do trong mơi trường
lan truyền tín hiệu ln có các nguồn sóng điện từ do các trạm phát sóng, do
thời tiết... sẽ tạo ra nhiễu tín hiệu.
Để làm giảm ảnh hưởng sai số đồng hồ của vệ tinh, người ta sử dụng
hiệu các trị đo giữa các vệ tinh cũng như giữa các trạm quan sát hay xác định
bằng phương pháp kiểm định.


- 21 -

CHƯƠNG 2: ĐỊNH VỊ GPS VI PHÂN - DGPS
2.1. CƠ SỞ LÝ THUYẾT CHUNG
Sau khi hệ thống GPS được phép sử dụng cho các mục đích dân sự, Bộ
quốc phòng Mỹ đã gây nhiễu cố ý SA để hạn chế độ chính xác thực tế của hệ
thống GPS. Do nhiễu SA, độ chính xác định vị tuyệt đối bằng các máy thu
dân sự chỉ có thể đạt cỡ 100m.
Để gỡ bỏ ảnh hưởng của nhiễu cố ý SA, từ giữa thập kỷ 80 của thế kỷ
XX, người sử dụng đã đưa ra giải pháp định vị GPS vi phân còn gọi là định vị
GPS phân sai, viết tắt là DGPS (Differential GPS). Bản chất của giải pháp
này là hiệu chỉnh các kết quả định vị GPS tuyệt đối bằng cách sử dụng các số
cải chính. Các số cải chính này được xác định dựa trên một hay nhiều trạm
tham chiếu. Trạm tham chiếu là trạm đã biết tọa độ (Reference Station), cịn

gọi là trạm cơ sở, đóng vai trò như trạm giám sát sai số của hệ thống, xác định
số cải chính và chuyển số cải chính đến máy thu của người sử dụng thông qua
đường truyền vô tuyến.[3]
2.2. GIẢI PHÁP KỸ THUẬT TRONG ĐỊNH VỊ VI PHÂN
2.2.1. Giải pháp trạm tham chiếu đơn
Nếu có hai máy thu GPS và một hệ thống truyền phát thông tin là có
thể triển khai kỹ thuật DGPS. Theo phương pháp này, một máy thu đặt tại
trạm tham chiếu (trạm cố định) còn máy thu thứ hai di chuyển (trạm động) sẽ
được xác định tọa độ và nhận các số cải chính DGPS, với điều kiện tại cả hai
máy, số vệ tinh chung quan sát được khơng ít hơn bốn hình (Hình 2.1).


- 22 -

Hình 2.1. Kỹ thuật đo DGPS
Vị trí đã biết của trạm tham chiếu sẽ được sử dụng để tính các số cải
chỉnh DGPS dưới dạng các số cải chỉnh tọa độ, gọi là phương pháp vị trí
(Position Method) hoặc các số cải chính vào khoảng cách giả, gọi là phương
pháp hiệu chỉnh trị đo hay phương pháp trị đo (Measurement Method). Các
số cải chính này sẽ được chuyển ngay đến máy động bằng sóng vơ tuyến, nhờ
đó, tại trạm động sẽ lập tức tính tốn tọa độ của điểm.
Trong phương pháp vị trí điểm, tại trạm tham chiếu A vào thời điểm t
sẽ tính được số cải chính toạ độ theo công thức đơn giản:

 X (t )  X A  X A (t )
 Y (t )  YA  YA (t )

(2.1)

 Z (t )  Z A  Z A (t )

Trong đó:
XA, YA, ZA

- Toạ độ đã biết trong hệ toạ độ thực dụng của điểm A.

XA(t), YA(t), ZA(t) - Toạ độ định vị tuyệt đối bằng máy thu GPS đặt tại
A ở thời điểm t.
Hiệu toạ độ tính theo (2.1) được gọi là số cải chính vi phân, được phát
đi rộng rãi theo phương thức vô tuyến cho các trạm sử dụng DGPS để kịp
hiệu chỉnh vào kết quả định vị (coi như ở cùng thời điểm t). Ví dụ, trạm B là


- 23 -

trạm sử dụng DGPS, bằng định vị GPS tuyệt đối, xác định được toạ độ là
XB(t), YB(t), ZB(t), khi đó toạ độ sau cải chính vi phân sẽ là:
X B  X B (t )   X (t )

YB  YB (t )   Y (t )

(2.2)

Z B  Z B (t )   Z (t )

Có thể thấy rằng, phương pháp vị trí điểm khá đơn giàn nhưng lại
khơng linh hoạt vì nó địi hỏi số vệ tinh quan sát tại trạm tham chiếu và tại
trạm động phải như nhau. Chính vì thế, phương pháp này chỉ phù hợp với
phạm vi hẹp, khoảng cách giữa trạm tham chiếu và trạm động không quá lớn.
Trong phương pháp hiệu chỉnh trị đo, số cải chính cho khoảng cách giả
từ máy thu A đến vệ tinh j được tính:

 j (t )   j (t )  R j (t )

(2.3)

Trong đó:  j (t ) là khoảng cách từ máy thu đến vệ tinh j được tính ra từ
toạ độ vệ tinh X j (t ),Y j (t ), Z j (t ) thời điềm t và toạ độ đã biết XA, YA, ZA của
điểm tham chiếu A; còn R j (t ) là khoảng cách giả từ máy thu đến vệ tinh xác
định được tại thời điểm t ở trạm tham chiếu A.
Trong trường hợp này các số cải chính  j (t ) lập tức được phát đến
máy thu di động. Tại trạm động, máy thu sẽ đo được các khoảng cách giả, các
khoảng cách giả này được cộng thêm các sổ cải chính  j (t ) nói trên. Nhờ
đó, thiết bị và phần mềm tại trạm động sẽ thực hiện tính toán định vị tuyệt đối
theo khoảng cách giả đã được hiệu chỉnh. Phương pháp này linh hoạt và cho
kết quả tốt hơn phương pháp hiệu chỉnh toạ độ, song tại trạm máy của người
sử dụng cần có thiết bị tính toán để giải bài toán định vị.
Trong định vị DGPS, các sổ cải chính vi phân xác định được theo cơng
thức (2.1) hoặc (2.3) thường được chuyển sang dạng tín hiệu MSK và sử dụng