Nghiên cứu phương pháp bình sai kết hợp lưới gps mặt đất, có tính đến tham số tính chuyển, áp dụng cho các mạng lưới trắc địa công trình

1

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ-ĐỊA CHẤT
---------- * * * ----------

VŨ THÁI HÀ

NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP BÌNH SAI KẾT HỢP
LƯỚI GPS - MẶT ĐẤT, CĨ TÍNH ĐẾN THAM SỐ TÍNH CHUYỂN,
ÁP DỤNG CHO CÁC MẠNG LƯỚI TRẮC ĐỊA CƠNG TRÌNH

Chun ngành:
Mã số:

Kỹ thuật trắc địa
60.52.85

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

GS.TSKH. HOÀNG NGỌC HÀ

Hà Nội – 2012


2
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 khác.

Tác giả luận văn

Vũ Thái Hà


3
MỤC LỤC
Trang
Lời cam đoan

2

Mục lục

3

Danh mục các bảng

7

Danh mục các hình vẽ

8

Mở đầu

9

Chương 1. MỘT SỐ VẤN ĐỀ CƠ BẢN VỀ LƯỚI TRẮC ĐỊA MẶT ĐẤT VÀ
GPS

12

1.1. Lưới trắc địa mặt đất

12

1.2. Các nguồn sai số đo và cách khắc phục trong lưới mặt đất

12

1.2.1. Sai số đo

13

1.2.2. Phân loại sai số dựa vào nguyên nhân gây ra sai số

13

1.2.3. Phân loại sai số dựa vào tính chất của các loại sai số

13

1.3. Lưới GPS

15

1.3.1. Khái niệm chung

15

1.3.2. Cấu trúc chung của hệ thống toàn định vị toàn cầu GPS

16

1.3.3. Các dạng đại lượng đo GPS

16

1.3.4. Các nguyên lý định vị bằng GPS

18

1.4. Các loại sai số trong đo GPS

26

Chương 2. CÁC DẠNG LƯỚI TRONG KHẢO SÁT, THI CÔNG XÂY DỰNG
CƠNG TRÌNH

31

2.1. Đặc điểm của lưới khống chế trắc địa cơng trình

30

2.2. u cầu độ chính xác của lưới khống chế trắc địa cơng trình

31

2.3. Một số dạng lưới khống chế thi cơng trong trắc địa cơng trình

33

2.3.1. Lưới trắc địa phục vụ xây dựng khu vực thành phố

33

2.3.2. Lưới khống chế trắc địa phục vụ xây dựng khu công nghiệp

33

2.3.3. Lưới khống chế trắc địa phục vụ xây dựng khu cầu

34


4
2.3.4. Lưới khống chế trắc địa phục vụ xây dựng các tuyến đường giao thông
2.3.5. Lưới khống chế trắc địa phục vụ xây dựng cơng trình thủy lợi – thủy
điện

35
35

2.3.6. Lưới khống chế trắc địa phục vụ xây dựng công trình đường hầm

36

2.3.7. Lưới khống chế trắc địa quan trắc chuyển dịch ngang cơng trình

37

2.3.8. Lưới khống chế trắc địa phục vụ cơng trình độ chính xác cao

38

2.4. Các phương pháp thành lập lưới khống chế thi công

38

2.4.1. Phương pháp đo truyền thống

38

2.4.2. Phương pháp đo bằng công nghệ GPS

40

Chương 3. BÌNH SAI LƯỚI HỖN HỢP MẶT ĐẤT - GPS, CĨ TÍNH ĐẾN
THAM SỐ TÍNH CHUYỂN VÀ LOẠI TRỪ SAI SỐ THƠ

43

3.1. Bình sai các mạng lưới trắc địa mặt đất

43

3.1.1. Tổng quan về các phương pháp bình sai lưới trắc địa

43

3.1.2. Nguyên lý của phương pháp bình sai gián tiếp

44

3.1.3. Các dạng phương trình số hiệu chỉnh của các loại trị đo trắc địa

48

3.2. Bình sai mạng lưới khơng gian được xây dựng bằng cơng nghệ GPS

51

3.3. Bình sai hỗn hợp lưới trắc địa mặt đất - GPS

54

3.3.1. Bình sai hỗn hợp lưới GPS và các trị đo mặt đất trong hệ tọa độ khơng
gian địa tâm
3.3.2. Bình sai hỗn hợp với các điểm trùng có toạ độ trong hệ mặt đất và
WGS - 84
3.3.3. Bình sai lưới hỗn hợp mặt đất - vệ tinh trong hệ toạ độ vng góc
phẳng
3.4. Ảnh hưởng của sự phụ thuộc phương vị và chiều dài cạnh GPS tới
kết quả bình sai lưới hỗn hợp mặt đất – GPS

54
55
57
60

3.5. Bình sai theo phương pháp truy hồi

62

3.5.1. Cơ sở toán học của phương pháp truy hồi

62

3.5.2. Ứng dụng phương pháp truy hồi trong việc phát hiện sai số thô

63


5
3.5.3. Bình sai lưới hỗn hợp mặt đất và GPS để đánh giá độ ổn định các mốc
quan trắc và phát hiện sai số thô của trị đo trong từng chu kì bằng cơng thức
truy hồi

64

Chương 4. TÍNH TỐN THỰC NGHIỆM
4.1. Bài tốn thực nghiệm bình sai hỗn hợp lưới mặt đất và GPS, ứng dụng

65

công thức truy hồi để phát hiện sai số thơ

65

4.1.1. Bài tốn bình sai theo phương pháp gián tiếp lưới mặt đất gồm trị đo
góc và cạnh

65

4.1.2. Bài tốn bình sai sử dụng cơng thức truy hồi lưới mặt đất gồm trị đo góc
và cạnh

66

4.1.3. Bài tốn bình sai gián tiếp lưới hỗn hợp mặt đất và GPS với trị đo GPS
là trị đo thêm

68

4.1.4. Bài tốn bình sai sử dụng cơng thức truy hồi lưới hỗn hợp mặt đất và
GPS với trị đo GPS là trị đo thêm

68

4.1.5. Phát hiện sai số thô của trị đo góc được đo thêm vào mạng lưới hỗn
hợp mặt đất - GPS

70

4.2. Bài tốn thực nghiệm bình sai lưới hỗn hợp mặt đất và GPS có tính đến

tham số tính chuyển

70

4.3. Bài tốn thực nghiệm bình sai lưới hỗn hợp mặt đất và GPS để đánh giá
độ ổn định các mốc quan trắc và phát hiện sai số thơ của trị đo trong từng chu
kì bằng cơng thức truy hồi

72

4.3.1. Bình sai số liệu đo của lưới đo dịch chuyển ở lần đo đầu tiên

73

4.3.2. Bình sai số liệu đo của lưới đo dịch chuyển ở chu kì 2

73

4.3.3. Bình sai số liệu đo của lưới đo dịch chuyển ở chu kì 2 có sử dụng cơng
thức truy hồi để loại bỏ trị đo có sai số thơ

74

4.4. Chương trình bình sai BS-2012

75

4.4.1. Cấu trúc chương trình BS-2012

75

4.4.2. Giao diện chính của chương trình BS-2012

75


6
4.4.3. Chức năng bình sai lưới và phát hiện sai số thơ

77

Kết luận và kiến nghị

78

Danh mục cơng trình cơng bố của tác giả

80

Tài liệu tham khảo

81

Phụ lục


7
DANH MỤC CÁC BẢNG
Trang
Bảng2.1. Phân cấp lưới GPS

41

Bảng 2.2 Yêu cầu kĩ thuật cơ bản khi đo GPS các cấp

41

Bảng 2.3 Yêu cầu độ chính xác máy thu GPS
Bảng 4.1 Tọa độ các điểm sau bình sai gián tiếp của lưới mặt đất

42
66

Bảng 4.2 Đánh giá sai số thô của các trị đo cạnh trong lưới

67

Bảng 4.3 Phát hiện sai số thô của các trị đo cạnh trong lưới

67

Bảng 4.4 Tọa độ các điểm sau bình sai gián tiếp của lưới hỗn hợp mặt đất
và GPS

68

Bảng 4.5 Đánh giá sai số thô của các trị đo GPS trong lưới

69

Bảng 4.6 Phát hiện sai số thô của các trị đo GPS trong lưới

69

Bảng 4.7 Tọa độ sau bình sai lưới hỗn hợp mặt đất GPS có tính đến tham
số tính chuyển

72

Bảng 4.8 Tọa độ các điểm sau bình sai lưới đo dịch chuyển chu kì 1

73

Bảng 4.9 Tọa độ các điểm sau bình sai lưới đo dịch chuyển chu kì 2 và sự
chuyển dịch giữa 2 chu kì

73

Bảng 4.10 Phát hiện sai số thơ khi bình sai lưới chu kì 2

74


8
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Trang
Hình 1.1 Cấu trúc của hệ thống GPS

16

Hình 1.2 Đo khoảng cách giả theo mã

17

Hình 1.3 Sai phân bậc một

21

Hình 1.4 Sai phân bậc hai

21

Hình 1.5 Sai phân bậc ba

22

Hình 3.1 Sơ đồ các bước tính tốn bình sai

48

Hình 3.2 Minh hoạ phương vị đo

49

Hình 3.3 Minh hoạ góc đo

50

Hình 3.4 Minh hoạ cạnh đo

51

Hình 3.5 Sơ đồ khối của thuật tốn bình sai hỗn hợp

60

Hình 4.1 Sơ đồ lưới thực nghiệm 1

66

Hình 4.2 Sơ đồ lưới thực nghiệm 2

72

Hình 4.3 Sơ đồ lưới thực nghiệm 3

73

Hình 4.4 Giao diện khởi động của chương trình

77

Hình 4.5. Giao diện sau khi tính của chương trình

77


9
MỞ ĐẦU

1. Tính cấp thiết của đề tài
Hiện nay cơng nghệ GPS (Global Position System) ngày càng được sử
dụng phổ biến trong công tác trắc địa bởi nhiều ưu điểm vượt trội mà nó mang
lại. Sự xuất hiện của trị đo GPS làm cho các dạng đồ hình lưới có nhiều điểm
khác biệt so với đo đạc bằng các thiết bị truyền thống. Điều này đặt ra cho công
tác xử lý số liệu trắc địa cần phải phát triển các thuật toán xử lý số liệu đối với
các mạng lưới trắc địa vệ tinh, cũng như các mạng lưới hỗn hợp trắc địa mặt đất
và vệ tinh. Từ đó đưa vào tự động hố việc tính tốn trên máy tính nhằm đáp
ứng nhu cầu của thực tế sản xuất.
Với lưới khống chế trắc địa, khoảng cách giữa các điểm khống chế so với
khoảng cách có thể đo được bằng GPS là nhỏ, nhất là trong trắc địa cơng trình,
các cạnh lưới khống chế chỉ cỡ trăm mét, do đó các lưới khống chế này có thể
coi là lưới GPS cạnh ngắn và như vậy vấn đề xử lý số liệu đo, bình sai lưới GPS
cạnh ngắn là bài tốn thường gặp.
Trong trường hợp mạng lưới GPS và mặt đất có các điểm trùng, để thống
nhất về toạ độ trên lý thuyết chúng ta phải tính chuyển theo cơng thức đã có.
Tuy nhiên do có sai số đo và bản thân việc tính chuyển đã có những sai số hệ
thống, nên nếu tính chuyển từ hệ toạ độ này sang hệ toạ độ kia thì các điểm
trùng sau khi đã thống nhất trong một hệ toạ độ vẫn không trùng nhau. Đây là
một mâu thuẫn mà chúng ta chỉ có thể giải quyết qua bài tốn bình sai hỗn hợp
các điểm trùng có toạ độ trong hệ mặt đất và WGS - 84.
Đề tài khơng chỉ sử dụng phương pháp bình sai truyền thống mà cịn
nghiên cứu thêm ứng dụng cơng thức truy hồi vào bài tốn bình sai để phát hiện
được các trị đo mang sai số thô nhằm loại bỏ chúng để nâng cao chất lượng của
lưới.
Xuất phát từ những yêu cầu trên, theo sự chỉ dẫn của GS. TSKH. Hồng
Ngọc Hà, chúng tơi đã tiến hành nghiên cứu và thực hiện đề tài “Nghiên cứu


10

phương pháp bình sai kết hợp lưới GPS – mặt đất, có tính đến tham số tính
chuyển, áp dụng cho các mạng lưới trắc địa cơng trình” với hy vọng góp
phần giải quyết các vấn đề đang được đặt ra trong công tác xử lý số liệu trắc địa.
2. Mục đích nghiên cứu
- Tìm hiểu cơ sở lý thuyết của các phương pháp bình sai lưới trắc địa hỗn
hợp mặt đất và GPS có tính đến tham số tính chuyển.
- Tính tốn bình sai lưới trắc địa hỗn hợp mặt đất và GPS.
- Ứng dựng công thức truy hồi để phát hiện trị đo có mang sai số thơ.
- Xây dựng phần mềm xử lý số liệu.
Kết quả của đề tài sẽ được áp dụng vào thực tế sản xuất, góp phần nâng
cao chất lượng xây dựng, đảm bảo độ chính xác thi cơng và vận hành các cơng
trình ở Việt Nam.
Từ kết quả nghiên cứu, xây dựng các chương trình tính tốn bình sai lưới
GPS trong đó có bổ sung các trị đo mặt đất.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài
Luận văn tập trung nghiên cứu dạng lưới cơng trình gồm trị đo mặt đất và
trị đo GPS.
Sau khi nghiên cứu về lý thuyết, luận văn tiến hành làm thực nghiệm với
lưới đa giác trung tâm.
4. Nội dung nghiên cứu
- Phân tích quy trình và thuật toán phương pháp xử lý số liệu đối với các
dạng đồ hình lưới trắc địa.
- Xây dựng thuật tốn, hệ thống các bước tính tốn.
- Tiến hành tính tốn với một mạng lưới cụ thể để kiểm chứng tính đúng
đắn của kết quả nghiên cứu .
- Thiết kế, xây dựng phần mềm xử lý số liệu, bằng ngôn ngữ C# trong mơi
trường Windows
- Tính tốn thực nghiệm bằng phần mềm đã xây dựng.

11

5. Phương pháp nghiên cứu
Để thực hiện được những mục đích nghiên cứu, luận văn đã sử dụng các
phương pháp nghiên cứu sau:
- Phương pháp thống kê: Thu thập, tổng hợp các tài liệu liên quan đến đề
tài nghiên cứu.
- Phương pháp phân tích: Tổng hợp, xử lý các tài liệu, phân tích và giải
quyết các vấn đề mà đề tài đặt ra.
- Phương pháp so sánh: So sánh đối chiếu giữa kết quả của phương pháp
bình sai truyền thống với bình sai kết hợp sử dụng phương pháp truy hồi và đưa
ra kết luận.
6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
- Xây dựng bài tốn bình sai mạng lưới trắc địa mặt đất và vệ tinh ứng
dụng cơng thức truy hồi, có tính đến tham số tính chuyển và phát hiện sai số thơ,
từ đó xây dựng các phần mềm giúp cho việc tự động hoá việc tính tốn bình sai.
- Các kết quả của đề tài có thể ứng dụng trong các lĩnh vực giảng dạy,
nghiên cứu khoa học và phục vụ sản xuất.
7. Cấu trúc của luận văn
Luận văn hồn thành được trình bày trong 81 trang, gồm 4 chương với 14
bảng và 30 hình vẽ, và 13 phụ lục tính.


12
Chương 1
MỘT SỐ VẤN ĐỀ CƠ BẢN VỀ LƯỚI TRẮC ĐỊA MẶT ĐẤT VÀ GPS
1.1. Lưới trắc địa mặt đất
- Lưới trắc địa mặt đất là khái niệm chung để chỉ các mạng lưới trắc địa
mặt bằng hoặc hoặc lưới độ cao trong đó các thành phần toạ độ là 2 chiều (X,Y)
hoặc một chiều (H)

- Phương pháp xây dựng các mạng lưới mặt đất hầu hết là phương pháp
đo đạc ngoài thực địa bằng các loại máy kinh vĩ, toàn đạc điện tử và máy thuỷ
chuẩn.
- Các trị đo trong lưới mặt đất:
+ Đối với lưới mặt bằng, gồm có các trị đo: trị đo góc bằng, trị đo cạnh,
trị đo hướng, trị đo phương vị.
+ Đối với lưới độ cao, trị đo hầu hết cho các mạng lưới là chênh cao,
trong đó việc đo chênh cao có thể theo phương pháp đo cao hình học, đo cao
lượng giác…
Các mạng lưới trắc địa mặt đất được phân loại một cách đa dạng theo cấp
hạng (độ chính xác) hay theo phương pháp xây dựng lưới.
Nguyên tắc chung để xây dựng các mạng lưới trắc địa là xây dựng từ tổng
thể đến cục bộ, từ độ chính xác cao đến độ chính xác thấp. Việc xây dựng một
mạng lưới phải đảm bảo độ chính xác theo yêu cầu và thuận tiện cho việc sử
dụng và xây dựng các cấp lưới tiếp theo.
1.2. Các nguồn sai số và cách khắc phục trong lưới mặt đất
Trong quá trình đo đạc xây dựng lưới, luôn tồn tại các sai số đo, do vậy
chúng ta cần phải có các biện pháp nhằm phát hiện và khắc phục các loại sai số
để thu được kết quả cuối cùng có độ tin cậy cao nhất.
1.2.1. Sai số đo
Sai số đo của trị đo thứ i là độ lệch giữa trị đo Li và trị thực X của nó
i = X - Li

(1.1)


13
Tuy nhiên trong thực tế rất ít trường hợp biết được giá trị thực của đại
lượng cần xác định mà chỉ có thể biết được kỳ vọng tốn học M(x) của nó, lúc
đó sai số đo là độ lệch ngẫu nhiên giữa trị đo và kỳ vọng toán học

i = M(X) - Li

(1.2)

Phân loại sai số đo: Chúng ta có 2 cách để phân loại, dựa vào nguyên
nhân gây ra sai số và dựa vào tính chất của sai số.
1.2.2. Phân loại sai số dựa vào nguyên nhân gây ra sai số
- Sai số do máy móc, dụng cụ đo:
Được sinh ra do sai sót khi chế tạo máy, do quá trình vận hành, do va
đập...
Để khắc phục loại sai số này cần kiểm tra, kiểm nghiệm và hiệu chỉnh
máy móc cẩn thận trước khi đưa máy vào sử dụng; vận hành máy đúng quy
trình, bảo quản máy cẩn thận.
- Sai số do người đo:
Được sinh ra do trong quá trình thao tác máy, các thao tác của người đo
khơng thể chính xác một cách tuyệt đối, như khi định tâm máy, ngắm mục
tiêu…
Cách khắc phục: Nâng cao tay nghề người đo, cẩn thận trong đo đạc và đo
đúng quy trình.
- Sai số do điều kiện mơi trường
Có nhiều các tác nhân gây ra sai số do ảnh hưởng của môi trường như
nhiệt độ làm co giãn, biến dạng các chi tiết máy hay dụng cụ đo, triết quang làm
cong các tia ngắm…
Để khắc phục loại sai số này, cần chọn phương án thiết kế lưới hợp lý, đo
vào các thời điểm thích hợp.
1.2.3. Phân loại sai số dựa vào tính chất của các loại sai số
* Sai số thơ:
- Nguyên nhân:

14
Sinh ra do có sự sai lầm của người đo hay sự hỏng hóc của máy móc.
- Tính chất của sai số thơ:
Thường có trị số lớn và khơng xuất hiện theo qui luật.
- Cách phát hiện:
+ Đối với dãy trị đo nhiều lần của cùng một đại lượng, có thể phát hiện
bằng phương pháp độ lệch cực đại hoặc theo phương pháp kiểm tra hiệu chênh,
hai phương pháp này đều dựa vào lý thuyết kiểm định giả thiết thống kê.
+ Đối với dãy trị đo nhiều lần của nhiều đại lượng có thể phát hiện sai số
thơ dựa vào các dạng phương trình điều kiện.
- Để khắc phục sai số thô cần tuân thủ một số nguyên tắc:
+ Cẩn thận trong đo đạc
+ Kiểm nghiệm kỹ máy móc trước khi đo
+ Đo dư các trị đo để kiểm tra.
* Sai số hệ thống
- Nguyên nhân:
Do các nguyên nhân hoàn tồn xác định và xuất hiện có quy luật rõ ràng.
Ví dụ như sử dụng máy móc và dụng cụ khơng chính xác...
- Các tính chất:
+Thường có giá trị là một hằng số hay một hàm số xác định.
+Thay đổi có tính quy luật
+ Thường cố định về dấu
- Cách phát hiện sai số hệ thống
+ Kiểm nghiệm kỹ máy móc dụng cụ.
+ Theo dõi quy luật biến đổi giá trị đo để tìm hiểu nguyên nhân và qui
luật xuất hiện của sai số hệ thống rồi dùng phương pháp kiểm định tìm được trị
số của nó để cải chính vào kết quả đo.
+ Phát hiện thông qua dãy kết quả đo dựa vào tiêu chuẩn ABBE.

15
- Cách khắc phục
+ Tìm trị số sai số và hiệu chỉnh vào trị đo
+ Sử dụng phương pháp đo và tính tốn thích hợp.
* Sai số ngẫu nhiên:
- Ngun nhân:
Được sinh ra do ảnh hưởng mang tính ngẫu nhiên của các điều kiện đo.
- Các tính chất của sai số ngẫu nhiên:
+ Giá trị tuyệt đối của sai số ngẫu nhiên được giới hạn bởi một giá trị nhất
định 
+ Những sai số ngẫu nhiên có trị tuyệt đối nhỏ sẽ xuất hiện nhiều hơn sai
số ngẫu nhiên có trị tuyệt đối lớn.
+ Những sai số ngẫu nhiên mang dấu (-) và (+) có khả năng xuất hiện như
nhau.
+ Khi số lượng trị đo rất lớn thì trị trung bình của sai số ngẫu nhiên dần
đến 0.

   0

lim n

(1.3)

n 

- Cách khắc phục sai số ngẫu nhiên:
Trong thực tế các phép đo luôn tồn tại sai số ngẫu nhiên. Có thể khắc
phục nó bằng các phương pháp xử lý số liệu như bình sai lưới, xây dựng quy
trình đo, tính tốn thích hợp.
1.3. Lưới GPS

1.3.1. Khái niệm chung
Lưới trắc địa vệ tinh là các mạng lưới được xây dựng dựa vào các phép
quan sát, đo đạc các hệ thống vệ tinh.
Ngày nay các mạng lưới trắc địa vệ tinh có thể được xây dựng một cách
phổ biến dựa vào các hệ thống định vị toàn cầu GPS của Mỹ, GLONASS của


16
Ngaa, liên minnh Châu Âu
 cũng bbắt đầu đư
ưa vào sử
ử dụng hệệ thống địn
nh vị đạoo
hàngg mới có tên
t là GAL
LILEO.
Các mạạng lưới trắc
t
địa đư
ược đo đạạc dựa vào các hệ tthống vệ tinh khácc
nhauu có các đặc
đ điểm khác
k
nhauu về hệ qu
uy chiếu, phương ppháp đo đạạc... Songg
nguyyên lý chuung cơ bản
n là giốngg nhau. Vìì vậy trong luận vănn này chú
úng tôi chỉỉ
chọnn hệ thốngg GPS để phân tích và tính to
ốn thực nghiệm trên

ên các mạn
ng lưới đoo
bằngg GPS.
1.3.22. Cấu trú
úc chung của hệ th
hống định
h vị toàn cầu
c GPS
Hệ thốnng định vị
v toàn cầuu GPS gồm
g
3 bộ phận cấuu thành, đó là đoạnn
khơnng gian (sspace segm
ment) gồm
m 24 vệ tin
nh chuyển
n động trêên 6 mặt phẳng
p
quỹỹ
đạo.. Đoạn điềều khiển (Control ssegment) có nhiệm
m vụ điều kkhiển toàn bộ hoạtt
độngg và chức năng củaa các vệ tinnh trên cơ
ơ sở theo dõi
d chuyểnn động qu
uỹ đạo củaa
vệ tiinh cũng như
n hoạt động
đ
của đồng hồ trên
t

đó, liên tục cậpp nhật để chính xácc
hóa các thơngg tin đạo hàng,
h
đảm
m bảo độ chính xác cho
c cơng ttác định vị
v bằng hệệ
thốnng GPS. Đoạn
Đ
sử dụ
ụng (Userr segment)) bao gồm
m tất cả cácc máy mó
óc, thiết bịị
thu nnhận thơnng tin từ vệ
v tinh để khai thác sử dụng cho
c các m
mục đích và
v yêu cầuu
khácc nhau củaa khách hààng kể cả ở trên khơ
ơng, trên biển
b và trêên đất liền.

Hình
H
1.1 C
Cấu trúc củ
ủa hệ thốn
ng GPS
1.3.33. Các dạạng đại lượ
ợng đo G

GPS
Việc địịnh vị bằn
ng GPS đư
ược thực hiện trên cơ sở sử dụng haii dạng đạii
lượnng đo cơ bản,
b
đó là đo khoảnng cách giiả theo cácc code tựaa ngẫu nh
hiên (C/A-codee và P-codde) và đo pha
p của sóóng tải (L1
1 và L2).
a, Đ
Đo khoảngg cách giả theo mã


17
Trong phương pháp này, mã tựa ngẫu nhiên được phát đi từ vệ tinh tới
máy thu GPS, máy thu thu tín hiệu vệ tinh và cũng phát ra mã tương tự. Sau đó
máy thu so sánh mã thu được từ vệ tinh với mã của máy thu tạo ra để xác định ra
thời gian lan truyền của tín hiệu vệ tinh (hình 1.4). Từ đó tính ra được khoảng
cách từ máy thu tới vệ tinh theo công thức:
R = c(t + t) =  + c. t

(1.4)
Tín hiệu vệ tinh
Tín hiệu máy thu

t
Hình 1.2 Đo khoảng cách giả theo
b, Đo khoảng cách giả theo tần số Doppler
Theo phương pháp này, khi vệ tinh phát đi tần số f0, máy thu thu được tần

số fr, hiệu tần số của chúng chính là tần số Doppler:
f = f0- fr

(1.5)

Đồng thời f lại được xác định theo công thức:
f   f 0


c

(1.6)

Với  - vận tốc khoảng cách tức thời:
 

d
dt

(1.7)
Ta có phương trình biểu thị tốc độ khoảng cách:
R    c.t

(1.8)

Từ đây ta xác định được khoảng cách giả từ máy thu tới vệ tinh.
c. Đo pha của sóng tải
Các sóng tải L1 và L2 được sử dụng cho việc định vị với độ chính xác
cao. Với mục đích này người ta tiến hành đo hiệu số giữa pha của sóng tải do

18
máy thu nhận được từ vệ tinh và pha của tín hiệu do chính máy thu tạo ra. Hiệu
số pha do máy thu đo được ký hiệu là  (0 <  <2).
Khi đó ta có thể viết:
=

2



( R  N  c.t )

(1.9)

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 của vệ tinh và của máy thu
N được gọi là số nguyên đa trị, và thường không được biết trước mà cần
phải xác định trong quá trình đo. Trong trường hợp đo pha theo sóng tải L1 có
thể xác định khoảng cách giữa vệ tinh và máy thu với độ chính xác tới cỡ cm
thậm chí mm. Sóng tải L2 cho độ chính xác thấp hơn ít nhiều, nhưng tác dụng
chủ yếu của nó là cùng với sóng tải L1 tạo ra khả năng làm giảm ảnh hưởng
đáng kể của tầng điện ly, và thêm vào đó làm cho việc xác định số nguyên đa trị
được đơn giản hơn.
1.3.4. Các nguyên lý định vị bằng GPS
a, Đo GPS tuyệt đối
Đo GPS tuyệt đối là trường hợp sử dụng máy thu GPS để xác định ngay
ra toạ độ của điểm quan sát trong hệ thống toạ độ WGS-84. Đó có thể là toạ độ

vng góc khơng gian (X, Y, Z) hoặc toạ độ trắc địa (B, L, H). Hệ thống toạ độ
WGS - 84 là hệ thống toạ độ cơ sở của hệ thống GPS. Toạ độ của vệ tinh cũng
như của điểm quan sát đều được lấy theo hệ thống toạ độ này. Nó được thiết lập
gắn với ellipsoid trái đất có kích thước như sau:
Bán trục lớn: a = 6378137.0 m; độ dẹt:

1



=298,2572

Việc đo GPS tuyệt đối được thực hiện trên cơ sở sử dụng đại lượng đo là
khoảng cách giả từ vệ tinh đến máy thu theo nguyên tắc giao hội khơng gian từ
các điểm có toạ độ đã biết là các vệ tinh.


19
Nếu biết chính xác khoảng thời gian lan truyền tín hiệu code tựa ngẫu
nhiên từ vệ tinh đến máy thu, ta sẽ tính được khoảng cách chính xác giữa vệ tinh
và máy thu. Khi đó 3 khoảng cách được xác định đồng thời từ 3 vệ tinh đến máy
thu sẽ cho ta vị trí khơng gian đơn trị của máy thu. Song trên thực tế cả đồng hồ
trên vệ tinh và đồng hồ trong máy thu đều có sai số, nên các khoảng cách đo
được không phải là khoảng cách chính xác. Kết quả là chúng khơng thể cắt nhau
tại một điểm, nghĩa là không thể xác định được vị trí của máy thu. Để khắc phục
tình trạng này, cần sử dụng thêm một đại lượng đo nữa, đó là khoảng cách từ
một vệ tinh thứ tư. Ta có thể thấy rõ điều này khi viết một hệ gồm 4 phương
trình cho 4 vệ tinh:
(xs1-x)2 + (ys1-y)2 +(zs1-z)2 = (R1-c.t)2
(xs2-x)2 + (ys2-y)2 +(zs2-z)2 = (R2-c.t)2

(1.10)

(xs3-x)2 + (ys3-y)2 +(zs3-z)2 = (R3-c.t)2
(xs4-x)2 + (ys4-y)2 +(zs4-z)2 = (R4-c.t)2
Để xác định các thành phần toạ độ x, y, z của máy thu (điểm xét) chỉ cần
sử dụng 3 phương trình đầu. Do có sai số không đồng bộ của đồng hồ vốn không
được biết trước, nên cần đến phương trình thứ 4 để tìm.
Vậy là bằng cách đo khoảng cách giả đồng thời từ 4 vệ tinh đến máy thu
ta có thể xác định được toạ độ tuyệt đối của máy thu, ngoài ra còn xác định thêm
được số hiệu chỉnh cho đồng hồ của máy thu nữa.
Quan sát đồng thời 4 vệ tinh là yêu cầu cần thiết để xác định toạ độ không
gian tuyệt đối của điểm quan sát. Tuy vậy, nếu máy thu được trang bị đồng hồ
chính xác cao thì khi đó chỉ cịn 3 ẩn số là 3 thành phần toạ độ của điểm quan
sát. Để xác định chúng ta chỉ cần quan sát đồng thời 3 vệ tinh.
Nếu ta lại biết thêm độ cao của điểm quan sát so với bề mặt ellipxoid của
hệ toạ độ GWS-84, chẳng hạn như trong trường hợp ở trên mặt biển khi đó chỉ
cịn phải xác định 2 ẩn số là toạ độ mặt bằng của điểm quan sát. Trong trường
hợp này ta chỉ cần quan sát đồng thời hai vệ tinh là đủ.


20
Trên thực tế với hệ thống vệ tinh hoạt động đầy đủ như hiện nay, số lượng
vệ tinh có thể quan sát đồng thời thường là 6-8, có khi nhiều hơn 10. Khi đó lời
giải đơn trị sẽ được rút ra nhờ phương pháp xử lý số liệu đo theo nguyên tắc số
bình phương nhỏ nhất.
b, Đo GPS tương đối
Đo GPS tương đối là trường hợp sử dụng hai máy thu GPS đặt ở hai điểm
quan sát khác nhau để xác định ra hiệu toạ độ vng góc khơng gian (X, Y,
Z) hay hiệu toạ độ trắc địa (B, L, H) giữa chúng trong hệ toạ độ WGS-84.

Nguyên tắc đo GPS tương đối được thực hiện trên cơ sở sử dụng đại
lượng đo là pha của sóng tải. Để đạt được độ chính xác cao và rất cao cho kết
quả xác định hiệu toạ độ (hay vị trí tương hỗ) giữa hai điểm xét người ta đã tạo
ra và sử dụng các sai phân khác nhau cho pha sóng tải nhằm làm giảm ảnh
hưởng của các nguồn sai số khác nhau như: sai số của đồng hồ trên vệ tinh cũng
như trong máy thu, sai số của toạ độ vệ tinh, số nguyên đa trị…
Bây giờ ta hãy ký hiệu pha (đúng hơn là hiệu pha) của sóng tải từ vệ tinh j
được đo tại trạm quan sát r vào thời điểm ti là ir (ti). Khi đó nếu xét hai trạm 1
và 2 tiến hành quan sát đồng thời vệ tinh j vào thời điểm ti, ta sẽ có sai phân bậc
một được lập như sau:
 ir (ti) = i2 (t2) - i1 (t1)

(1.11)

Trong sai phân này hầu như khơng cịn ảnh hưởng của sai số đồng hồ trên
vệ tinh.
Nếu xét hai trạm tiến hành quan sát đồng thời hai vệ tinh k,j vào thời điểm
ti, ta sẽ có sai phân bậc hai.
2 j,k (ti) = k (ti) - j (ti)

(1.12)


21
j

1

2

Hình 1.3 Sai phân bậc một
Trong sai phân này hầu như khơng cịn ảnh hưởng của sai số đồng hồ trên
vệ tinh cũng như sai số của đồng hồ trong máy thu.
j
k

1

2

Hình 1.4 Sai phân bậc hai
Nếu xét hai trạm tiến hành quan sát đồng thời hai vệ tinh j, k vào các thời
điểm ti và ti+1, ta sẽ có sai phân bậc ba:
3 j,k = 2 j,k (ti+1) - 2 j,k (ti)
Sai phân này cho phép loại trừ các số nguyên đa trị.

(1.13)


22
j
ti

t i+1

k
ti
t i+1

1

2

Hình 1.5 Sai phân bậc ba
Như đã nói ở các phần trước, số vệ tinh GPS xuất hiện trên bầu trời
thường nhiều hơn 4, có khi tới trên 10 vệ tinh. Bằng cách tổ hợp theo từng cặp
vệ tinh ta sẽ có rất nhiều trị đo. Khơng những thế khi đo tương đối các vệ tinh lại
được quan sát trong cả một khoảng thời gian tương đối dài, thường từ nửa giờ
đến vài ba giờ. Do vậy, trên thực tế số lượng trị đo để xác định ra hiệu toạ độ
giữa hai điểm quan sát sẽ rất lớn, và khi đó số liệu đo sẽ được xử lý theo nguyên
tắc số bình phương nhỏ nhất.
Trong định vị tương đối, có các phương pháp đo: đo tĩnh, đo động và đo
giả động.
Đo tĩnh
Phương pháp đo tĩnh được sử dụng để xác định hiệu toạ độ (hay vị trí
tương hỗ) giữa hai điểm xét với độ chính xác cao, thường là nhằm đáp ứng các
yêu cầu của công tác trắc địa - địa hình. Trong trường hợp này cần có hai máy
thu, một máy đặt ở điểm đã biết toạ độ, còn máy kia đặt ở điểm cần xác định. Cả
hai máy phải đồng thời thu tín hiệu từ một số vệ tinh chung liên tục trong một
khoảng thời gian nhất định, thường là từ một tiếng đến hai, ba tiếng đồng hồ. Số
vệ tinh chung tối thiểu cho cả hai trạm quan sát là 3, nhưng thường được lấy là 4
để đề phịng trường hợp thu tín hiệu vệ tinh bị gián đoạn. Khoảng thời gian quan
sát phải kéo dài là để đủ cho đồ hình phân bố vệ tinh thay đổi mà từ đó ta có thể


23
xác định được số nguyên đa trị của sóng tải và đồng thời là để có nhiều trị đo
nhằm đạt được độ chính xác cao và ổn định cho kết quả quan sát.
Đây là phương pháp cho phép đạt được độ chính xác cao nhất trong việc
định vị tương đối bằng GPS, có thể cỡ cm, thậm chí mm ở khoảng cách giữa hai

điểm xét tới hàng chục và hàng trăm kilômét. Nhược điểm chủ yếu của phương
pháp là thời gian đo phải kéo dài hàng giờ, do vậy năng suất đo thường không
cao.
Đo động
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 vài phút. Theo phương pháp này cần có ít nhất hai máy thu. Để xác định số
nguyên đa trị của tín hiệu vệ tinh cần phải có một cạnh đáy đã biết được gối lên
điểm đã có toạ độ. Sau khi đã xác định, số nguyên đa trị được giữ nguyên để
tính khoảng cách từ vệ tinh đến máy thu cho các điểm đo tiếp sau trong suốt cả
hai chu kỳ đo. Nhờ vậy, thời gian thu tín hiệu tại điểm đo khơng phải là một
tiếng đồng hồ như trong phương pháp đo tĩnh nữa mà chỉ còn là một vài phút
trong phương pháp này.
Với cạnh đáy đã biết, ta đặt một máy thu cố định ở điểm đầu cạnh đáy và
cho tiến hành thu liên tục tín hiệu vệ tinh trong suốt chu kỳ đo. Máy này được
gọi là máy cố định. Ở điểm cuối cạnh đáy ta đặt máy thu thứ hai, cho nó thu tín
hiệu vệ tinh đồng thời với máy cố định trong một phút. Việc làm này gọi là khởi
đo (initialization). Tiếp đó cho máy di động lần lượt chuyển đến các điểm đo cần
xác định, tại mỗi điểm dừng lại để thu tín hiệu trong một vài phút, và cuối cùng
quay trở về điểm xuất phát là điểm cuối cạnh đáy để khép tuyến đo bằng lần thu
tín hiệu thứ hai cũng kéo dài trong một phút tại điểm này.
Yêu cầu nhất thiết của phương pháp đo động là cả máy cố định và máy di
động phải đồng thời thu tín hiệu liên tục từ ít nhất 4 vệ tinh chung trong suốt kỳ
đo. Vì vậy tuyến đo phải bố trí ở khu vực thống đãng để khơng xảy ra tình


24
trạng tín hiệu thu bị giãn đoạn (cycle slip). Nếu xảy ra trường hợp này thì phải
tiến hành khởi đo lại tại cạnh đáy xuất phát hoặc sử dụng một cạnh đáy khác
được thiết lập dự phòng trên tuyến đo. Cạnh đáy có thể dài từ 2m đến 5km và độ

chính xác cỡ cm là đủ.
Phương pháp đo động cho phép đạt độ chính xác định vị tương đối khơng
thua kém so với phương pháp đo tĩnh. Song nó lại đòi hỏi khá ngặt nghèo về
thiết bị và tổ chức đo để đảm bảo yêu cầu về đồ hình phân bố cũng như tín hiệu
của vệ tinh.
Đo giả động
Phương pháp đo giả động cũng cho phép xác định vị trí tương đối của
hàng loạt điểm so với điểm đã biết trong khoảng thời gian đo khá nhanh, nhưng
độ chính xác định vị không cao bằng phương pháp đo động. Trong phương pháp
này không cần làm thủ tục khởi đo, tức là không cần sử dụng cạnh đáy đã biết.
Máy cố định cũng phải tiến hành thu tín hiệu vệ tinh liên tục trong suốt chu kỳ
đo, còn máy di động được chuyển đến từng điểm đo, tại mỗi điểm thu tín hiệu
trong 5-10 phút.
Sau khi đo hết lượt, máy đo động quay trở về điểm xuất phát (điểm đo
đầu tiên) và đo lặp lại tại tất cả các điểm theo đúng trình tự trước đó, nhưng phải
bảo đảm sao cho khoảng thời gian giãn cách giữa hai lần đo tại mỗi điểm khơng
ít hơn một tiếng đồng hồ. Chính trong khoảng thời gian này đồ hình phân bố vệ
tinh thay đổi đủ để xác định số nguyên đa trị, còn hai lần đo, mỗi lần kéo dài 510 phút và giãn cách nhau một tiếng đồng hồ có tác dụng tương đương như phép
đo tĩnh kéo dài trong một tiếng. Yêu cầu nhất thiết trong phương pháp này là
phải có được ít nhất 3 vệ tinh chung cho cả hai lần đo tại mỗi điểm quan sát.
Điều đáng chú ý là máy di động khơng nhất thiết phải thu tín hiệu vệ tinh
liên tục trong suốt chu kỳ đo mà chỉ cần thu trong vòng 5-10 phút tại mỗi điểm
đo thơi, nghĩa là có thể tắt máy trong lúc vận chuyển từ điểm nọ sang điểm kia.
Điều này cho phép áp dụng phương pháp cả ở khu vực có nhiều vật che khuất.


25
Về mặt thiết kế, tổ chức đo thì chỉ nên bố trí khu vực đo tương đối nhỏ với số
lượng điểm vừa phải để có thể kịp đo lặp tại mỗi điểm sau một tiếng đồng hồ và
bảo đảm số lượng vệ tinh chung cho cả hai lần đo như đã nêu ở phần trên.

c, Định vị vi phân
Phần lớn khách hàng sử dụng máy thu GPS thường có nhu cầu định vị với
độ chính xác từ cỡ dm đến một vài chục mét. Nhưng với chế độ can thiệp SA thì
hệ thống GPS chỉ cho độ chính xác định vị hạn chế cỡ 100m. Để tháo gỡ sự
khống chế này, giới kỹ thuật và các nhà sản xuất máy thu GPS đã đưa ra một
phương pháp đo được gọi là GPS vi phân.
Theo phương pháp này cần có một máy thu GPS có khả năng phát tín hiệu
vơ tuyến được đặt tại điểm có toạ độ đã biết (nó thường được gọi là máy cố
định) đồng thời có máy khác (được gọi là máy di động) đặt ở vị trí cần xác định
toạ độ, đó có thể là điểm cố định hoặc điểm di động. Cả máy cố định và máy di
động cần tiến hành đồng thời thu tín hiệu từ các vệ tinh như nhau. Nếu thông tin
từ vệ tinh bị nhiễu thì kết quả xác định toạ độ của cả máy cố định và máy di
động cũng đều bị sai lệch. Độ sai lệch này được xác định trên cơ sở so sánh toạ
độ tính ra theo tín hiệu thu được và toạ độ đã biết trước của máy cố định và có
thể được xem là như nhau cho cả máy cố định và máy di động. Nó được máy cố
định phát đi qua sóng vơ tuyến để máy di động thu nhận mà hiệu chỉnh cho kết
quả xác định toạ độ của mình.
Ngồi cách hiệu chỉnh cho toạ độ, người ta còn tiến hành hiệu chỉnh cho
khoảng cách từ vệ tinh đến máy thu. Cách hiệu chỉnh thứ hai địi hỏi máy thu cố
định có cấu tạo phức tạp và tốn kém hơn, nhưng lại cho phép người sử dụng xử
lý chủ động, linh hoạt hơn.
Để đảm bảo độ chính xác cần thiết, các số hiệu chỉnh cần được xác định
và phát chuyển nhanh với tần suất cao. Chẳng hạn, để cho khoảng cách từ vệ
tinh đến máy thu được hiệu chỉnh đạt độ chính xác cỡ 5m, số hiệu chỉnh phải
được phát chuyển với tần suất 15 giây một lần. Cũng với lý do này phạm vi hoạt