Nghiên cứu ảnh hưởng của mô hình geoid tới độ chính xác tăng dày khối tam giác ảnh có toạ độ tâm chụp được xác định gps

trờng đại học mỏ - địa chất

Nguyễn hồng nguyên

nghiên cứu ảnh hởng của mô hình geoid tới độ
chính xác tăng dy khối tam giác ảnh có tọa độ
tâm chụp đợc xác định gps

luận văn thạc sĩ kỹ thuật

h nội - 2010


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - A CHT

Nguyễn hồng nguyên

nghiên cứu ảnh hởng của mô hình geoid
tới độ chính xác tăng dy khối tam giác
ảnh có tọa độ tâm chụp đợc xác định gps
Chuyờn ngnh: K thuật Trắc địa
Mã số: 60.52.85

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
PGS.TS Nguyễn Trường Xuân

Hà Nội – 2010

1

Lời cam đoan
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi.
Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và cha từng đợc ai
công bố trong bất kì công trình nào khác.

Tác giả luận văn


2

LỜI CẢM ƠN
Luận văn được hoàn thành tại Trường Đại học Mỏ Địa Chất, dưới sự
hướng dẫn của PGS.TS Nguyễn Trường Xuân, Phó Hiệu trưởng Trường Đại học
Mỏ Địa chất, Hà Nội.
Tơi xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc tới thầy hướng dẫn, người đã hướng dẫn
và giúp đỡ tơi hồn thành luận văn này. Trong q trình nghiên cứu và viết luận
văn, tôi đã nhận được nhiều sự giúp đỡ của các thầy trong Bộ môn Trắc địa ảnh,
Xí nghiệp Chụp ảnh Hàng không, Cục Bản đồ Quân đội và của các bạn đồng
nghiệp; Sự quan tâm, tạo điều kiện thuận lợi của Ban giám hiệu, lãnh đạo khoa
Trắc địa.
Do thời gian hạn chế, kinh nghiệm và kiến thức có hạn, nên bản luận văn
khơng tránh khỏi thiếu sót. Tơi rất mong nhận được những ý kiến đóng góp quý
báu để cho những kết quả nghiên cứu của luận văn được hồn thiện và ứng dụng
có hiệu quả hơn.


3

MỤC LỤC
Trang
Lời cam đoan

2

Lời cảm ơn

3

Mục lục

4

Danh mục các bảng biểu

6

Danh mục các hình vẽ, đồ thị

7

MỞ ĐẦU

9

Chương 1
CƠNG NGHỆ ĐỊNH VỊ VỆ TINH GPS VÀ HỆ THỐNG GPS
TRONG TRẮC ĐỊA ẢNH HÀNG KHƠNG

1.1. Cơng nghệ định vị vệ tinh

12
12

1.1.1. Sự ra đời của hệ thống GPS

12

1.1.2. Tổ chức của hệ thống GPS

13

1.1.3. Tín hiệu GPS và các đại lượng đo

17

1.1.4. Độ chính xác định vị GPS

21

1.1.5. Một sớ phương pháp định vị GPS

25

1.2. Ứng dụng GPS trong xác định tọa độ tâm ảnh và xây dựng
lưới tam giác ảnh không gian

29

1.2.1. Dẫn đường bay chụp ảnh với GPS

29

1.2.2. Phương pháp tam giác ảnh GPS

30

Chương 2
MƠ HÌNH GEOID VÀ MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP XÂY DỰNG
MÔ HÌNH GEOID
2.1. Lý thuyết đo cao GPS

39
39

2.2. Dị thường độ cao

42


4

2.2.1. Các nguyên tắc xác định dị thường độ cao

42

2.2.2. Các phương pháp nội suy dị thường độ cao

43

2.2.3. Các thuật toán nội suy dị thường độ cao

44

2.3. Một số phương pháp xây dựng mơ hình Geoid

46

2.3.1. Phương pháp ghép nối dị thường độ cao GPS – thủy chuẩn
và dị thường độ cao trọng lực

49

2.3.2. Phương pháp nội suy dị thường độ cao GPS – thủy chuẩn
thông qua dị thường độ cao trọng lực

50

Chương 3
TĂNG DÀY KHỐI TAM GIÁC ẢNH CÓ TỌA ĐỘ TÂM CHỤP
ĐƯỢC XÁC ĐỊNH GPS
3.1. Sơ lược về sự phát triển của các phương pháp tăng dày khống
chế ảnh

57
57

3.2. Các phương pháp tăng dày khống chế ảnh

59

3.3. Các nguồn sai số trong tăng dày và các phương pháp loại trừ

62

3.3.1. Các nguồn sai số trong lưới tam giác ảnh không gian

63

3.3.2. Quy luật ảnh hưởng của các sai số trong lưới tam giác ảnh
không gian

66

3.3.3. Các biện pháp xử lý ảnh hưởng của các loại sai số trong
lưới tam giác ảnh khơng gian
3.4. Độ chính xác của lưới tam giác ảnh khơng gian

67
68

3.4.1 Độ chính xác của các điểm khống chế ngoại nghiệp

68

3.4.2 Độ chính xác của lưới tam giác ảnh khơng gian giải tích

73

3.4.3 Độ chính xác của lưới tam giác ảnh không gian khối

75

3.4.4 Độ chính xác thực tế của lưới tam giác ảnh khơng gian giải
tích

79


5

3.5. Tăng dày khối tam giác ảnh có tọa độ tâm chụp được xác
định GPS
3.5.1 Đặc điểm của số liệu tọa độ tâm chụp GPS trong bay chụp
ảnh

80

3.5.2 Yêu cầu về độ chính xác tọa độ tâm chụp được xác định
GPS

84

3.5.3 Sử dụng tọa độ tâm chụp GPS trong bài tốn bình sai lưới
tam giác ảnh khơng gian

86

3.6. Sử dụng mơ hình Geoid để nâng cao độ chính xác tăng dày

khối tam giác ảnh có tọa độ tâm chụp được xác định GPS
bằng phần mềm PATB, MATCH-AT

88

Chương 4
THỰC NGHIỆM

93

4.1. Qui trình tính tốn, xử lý số liệu

93

4.2. Giới thiệu khu vực thực nghiệm

94

80

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

108

TÀI LIỆU THAM KHẢO

110

PHỤ LỤC

112


6

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1

Các đặc tính kỹ thuật chủ yếu của GPS và IMU

36

Bảng 3.1

Bảng sai số trung bình cho phép của toạ độ và độ cao điểm

68

khống chế ảnh
Bảng 3.2

Kích thước của các dấu mốc cho các loại bản đồ lớn

71

Bảng 3.3

Độ chính xác thực tế của các lưới tăng dày thực nghiệm

79

Bảng 3.4

Yêu cầu độ chính xác xác định toạ độ tâm chụp bằng GPS

84

Bảng 3.5

Độ chính xác toạ độ tâm chụp xác định bằng GPS

85

Bảng 4.1

Khối 1 :Trường hợp tăng dầy không sử dụng mô hình Geoid

97

Bảng 4.2

Khối 1: Trường hợp tăng dầy dùng mô hình Geoid EGM96

97

Bảng 4.3

Khối 1 : Trường hợp tăng dầy dùng mô hình Geoid

98

EGM2008
Bảng 4.4

Khối 1 : Trường hợp tăng dầy dùng mơ hình cục bộ

98

Bảng 4.5

Khối 2 :Trường hợp tăng dầy không sử dụng mô hình Geoid

99

Bảng 4.6

Khối 2: Trường hợp tăng dầy dùng mô hình Geoid EGM96

100

Bảng 4.7

Khối 2 : Trường hợp tăng dầy dùng mô hình Geoid

102

EGM2008
Bảng 4.8

Khối 2 : Trường hợp tăng dầy dùng mơ hình cục bộ

104

Bảng 4.9

Khối 1 :Trường hợp tăng dầy không sử dụng mô hình Geoid

106


7

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 1.1.

Cấu trúc của hệ thống GPS

12

Hình 1.2.

Quỹ đạo vệ tinh hệ

13

Hình 1.3.

Hình dáng vệ tinh

13

Hình 1.4.

Sơ đồ vị trí các trạm điều khiển mặt đất

14

Hình 1.5.

Sơ đồ khối máy thu GPS

16

Hình 1.6.

Đo cạnh theo mã

18

Hình 1.7

Quy chuẩn về hệ giờ GPS

18

Hình 1.8.

Đo cạnh bằng sóng radio

19

Hình 1.9.

Trị đo pha sóng tải trong máy thu GPS

20

Hình 1.10

Sơ đồ lấy các hiệu pha

26

Hình 1.11

Tổ hợp cách hiệu trị đo.

27

Hình 1.12.

Thời điểm mở cửa chớp máy ảnh ta, đóng cửa chớp tb

30

Hình 1.13.

Đánh dấu thời điểm lộ quang vào thang thời gian GPS

31

Hình 1.13.

Độ lệch tâm của an- ten máy thu GPS.

32

Hình 2.1.

Các khái niệm cơ bản về độ cao

39

Hình 2.2

Dạng đồ thị hàm hiệp phương sai thực nghiệm

51

Hình 2.2

Dạng đồ thị hàm Markov bậc 3

52

Hình 3.1

Sơ đồ nguyên lý xây dựng lưới tam giác ảnh khơng gian

59

Hình 3.2

Các phương án bố trí điểm khống chế ngoại nghiệp

69

Hình 3.3

Các dạng dấu mốc trong việc đánh dấu

71

Hình 3.4

Phương pháp chuẩn bố trí điểm khống chế ảnh ngoại nghiệp

73

Hình 3.5

Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của các sai số toạ độ điểm tăng

74

dày với độ lớn của lưới TGAKG
Hình 3.6

Các phương án bố trí điểm KCNN trong lưới TGAKG

75

Hình 3.7

Sơ đồ bố trí điểm KCNN trong lưới TGAKG khối

78

Hình 3.8

Tuyến bay chính và tuyến chặn

81

Hình 3.9

Thay hai tuyến chặn bằng hai dãy điểm độ cao

81

Hình 3.10

Quan hệ véc tơ

84


8

Hỡnh 4.1

Sơ đồ quy trình tính toán, xử lý số liƯu

93

Phụ lục1

Đồ thị biến thiên trọng lực tuyến tính khối 1

111

Phụ lục 2

Đồ thị biến thiên trọng lực tuyến tính khối 2

114

Phụ lục 3

Bản đồ tâm ảnh khối 1 và khối 2

124


9

MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Bay chụp có xác định tọa độ tâm chụp bằng công nghệ GPS (viết tắt là tọa
độ tâm chụp GPS) đã được áp dụng thành công vào sản xuất ở nước ta từ năm

1995 đem lại hiệu quả cao trong sản xuất. Đi kèm với công nghệ này là các phần
mềm tăng dày khống chế ảnh PATB-GPS, MATCH-AT...
Định vị bằng công nghệ GPS cho ta độ chính xác vị trí mặt phẳng rất cao.
Tuy nhiên độ chính xác xác định độ cao hình học lại thấp hơn nhiều và phụ thuộc
vào độ chính xác xác định dị thường độ cao từ mơ hình Geoid.
Độ chính xác tăng dày của khối ảnh có sử dụng tọa độ tâm chụp được xác
định GPS chịu ảnh hưởng của nhiều nguồn sai số. Với sự tiến bộ của công nghệ
chụp ảnh và đo ảnh, các sai số hầu như được các chương trình tăng dày có sử
dụng tọa độ tâm chụp được xác định GPS phát hiện và loại trừ, kể cả ảnh hưởng
của Geoid cũng được tính đến như là một nguồn sai số ảnh hưởng tuyến tính đến
độ cao hình học của tâm chụp trong phạm vi giới hạn.
Mặt Geoid là mặt vật lý quan hệ chặt chẽ với sự phân bố vật chất trong
lòng trái đất. Geoid khó có thể biểu diễn bằng một hàm toán học. Trên một phạm
vi hẹp cỡ vài chục kilômét, ở các vùng đồng bằng mặt Geoid biến đổi gần như
tuyến tính. Tuy nhiên, điều này khơng đúng đối với phạm vi rộng, độ cao tại các
vùng đồi núi là nguyên nhân ảnh hưởng đến độ chính xác tăng dày khối tam giác
ảnh sử dụng tọa độ tâm chụp được xác định GPS, đặc biệt với các yêu cầu thành
lập bản đồ tỷ lệ lớn bằng phương pháp đo vẽ ảnh lập thể.
Vì vậy, nghiên cứu ảnh hưởng của mặt Geoid tới độ chính xác tăng dày
khối ảnh có sử dụng tâm chụp được xác định GPS là rất cần thiết.
2. Mục đích của luận văn
Mục đích của luận văn là nghiên cứu ảnh hưởng của mặt Geoid tới độ
chính xác tăng dày khối ảnh để từ đó đưa ra các phương thức tính tốn tăng dày
khối ảnh có sử dụng tâm chụp được xác định GPS.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu


10

Luận văn tập trung nghiên cứu về công nghệ GPS. Nghiên cứu lý thuyết

xây dựng Geoid trên phạm vi toàn cầu, dịa phương. Ảnh hưởng của các nguồn sai
số đến kết quả tăng dày.
Sau khi nghiên cứu lý thuyết, luận văn triển khai thực nghiệm sử dụng số
liệu tại khu vực Đắk nơng, mơ hình geoid trên khu vực để tăng dày bằng chương
trình MATCH-AT, PATB-GPS.
4. Nội dung nghiên cứu
Để đạt được mục đích để ra, luận văn tập trung vào các nội dung chính
sau:
- Nghiên cứu lý thuyết GPS;
- Nghiên cứu công nghệ xác định tọa độ tâm chụp GPS;
- Tìm hiểu lý thuyết xây dựng geoid;
- Tìm hiểu ảnh hưởng của các nguồn sai số đến kết quả tăng dày;
- Tính tốn thực nghiệm ở khu vực Đắk nông
5. Phương pháp nghiên cứu
Luận văn sử dụng các phương pháp nghiên cứu sau:
- Phương pháp thống kê : Thu thập, tổng hợp và xử lý các thông tin, các
tài liệu liên quan.
- Phương pháp phân tích : Tổng hợp, xử lý các tài liệu, giải quyết các vấn
đề đặt ra.
- Phương pháp so sánh: Đối chiếu kết quả thu được với kết quả đã có để
đưa ra các kết luận xác thực.
6. Cơ sở tài liệu của luận văn
- Các tài liệu chuyên ngành trắc địa
- Các tài liệu về lý thuyết GPS
-

Các bài báo, báo cáo khoa học, đề tài nghiên cứu khoa học liên quan

đến nội dung luận văn;
- Các tài liệu liên quan khác thu thập từ sách chuyên ngành và Internet.

11

7. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
Luận văn đã so sánh, đánh giá được kết quả về công nghệ GPS cho thấy độ
chính xác về mặt phẳng rất tốt nhưng độ chính xác về độ cao thì khơng được
chính xác như vậy.
Luận văn đã đạt được mục đích nghiên cứu cơng nghệ xác định tọa độ tâm
chụp GPS, tìm hiểu lý thuyết xây dựng Geoid trên phạm vi toàn cầu, địa phương .
Luận văn chỉ ra được các nguồn sai số ảnh hưởng đến kết quả tăng dày nói
chung và nêu ra cách thức các chương trình như MATCH – AT, PATB – GPS sử
dụng để phát hiện và loại trừ các nguồn sai sso, đặc biệt là ảnh hưởng của mơ
hình geoid.
Luận văn đưa ra các kết luận về ảnh hưởng của mơ hình Geoid tới độ chính
xác tăng dày khối tam giác ảnh có tâm chụp được xác định GPS khu vực thực
nghiệm Đắk nông.
8. Cấu trúc của luận văn
Luận văn dài 125 trang đánh máy, 13 bảng biểu, 31 hình vẽ, 12 tài liệu
tham khảo, 2 địa chỉ trang Web. Ngoài phần mở đầu; kết luận, luận văn được bố
trí trong bốn chương:


12

CHƯƠNG 1
CÔNG NGHỆ ĐỊNH VỊ VỆ TINH GPS
VÀ HỆ THỐNG GPS TRONG TRẮC ĐỊA ẢNH HÀNG KHƠNG
1.1. Cơng nghệ định vị vệ tinh
1.1. 1 Sự ra đời của hệ thống GPS

Đã từ lâu cùng với sự phát triển của thiên văn học người ta lập được lịch
sao, tính được vị trí của từng ngơi sao ở mỗi thời điểm. Sao trở thành vật thể cố
định tương đối với mỗi vị trí mặt đất tại mỗi thời điểm. Từ điểm cần xác định
người ta đo góc hướng đến một số sao để định vị, đó là nguyên lý cơ bản của
phương pháp định vị thiên văn phát triển từ thế kỷ 18. Tiếp đến sự ra đời của tín
hiệu radio để định hướng, nâng cao độ chính xác và tăng tính tiện lợi trong việc
nghiên cứu, đã tạo ra bước ngoặt lớn trong kỹ thuật định vị .
Đến tháng 10 năm 1957 vệ tinh nhân tạo đầu tiên của thế giới được nước
Nga phóng lên quỹ đạo. Sử dụng vệ tinh nhân tạo bay quanh trái đất, thường
xuyên phát tín hiệu định vị về mặt đất, thay thế các vì sao, đã tạo ra sự chuyển
biến có tính cách mạng trong kỹ thuật định vị . Tháng 12 năm 1958 hệ thống dẫn
đường bằng vệ tinh Transit ra đời, gồm 8 vệ tinh chuyển động theo quỹ đạo hình
cực cách mặt đất 1000 km. Cho đến năm 1964, hệ thống này chỉ được dùng vào
mục đích quân sự rồi từ năm 1967 đến những năm 80 vào mục đích trắc địa. Tuy
nhiên hệ này chưa đáp ứng được yêu cầu dẫn đường hiện đại. Với số ít vệ tinh ở
quỹ đạo tương đối thấp, việc thu và xử lý tín hiệu kém chính xác và cần nhiều
thời gian , trong khi mức phát triển nhanh như vũ bão của thế giới hiện đại , yêu
cầu định vị cần được thực hiện nhanh chóng chính xác hơn , ở mọi nơi mọi lúc ,
trong bất kỳ điều kiện thời tiết nào. Tốc độ máy bay càng cao thì vị trí máy bay
trên khơng càng cần xác định nhanh chóng và chính xác .
Để thiết lập một hệ thống định vị hiện đại Bộ Quốc phịng Mỹ giao cho
Khơng lực và Hải qn Hoa kỳ nghiên cứu trong hai năm từ 1967 đến 1969. Hệ
thống này phải khắc phục được những nhược điểm của hệ Transit, cụ thể là phải
gồm nhiều vệ tinh hơn, hoạt động trên quỹ đạo cao hơn, tín hiệu phát ra phải
được thu và xử lý nhanh chóng chính xác hơn. Được như vậy yêu cầu định vị sẽ
được thực hiện nhanh chóng và chính xác bất kỳ lúc nào tại bất kỳ nơi nào trên
mặt đất. Chương trình thử nghiệm được phê chuẩn năm 1973. Sáu vệ tinh


13

NAVSTAR (NAVigation Satellite for Timing And Ranging) đầu tiên đã được
sản xuất và phóng lên quỹ đạo từ Kansas để phục vụ chương trình thử nghiệm.
Kết quả thử nghiệm tốt đẹp đã khiến chính phủ Mỹ yên tâm đầu tư 12 tỷ đô la để
xây dựng thành công hệ thống định vị toàn cầu hiện đại này năm 1986.
Hiện nay qua 24 năm khai thác trên toàn thế giới, hệ thống định vị
NAVSTAR đã trở nên quen thuộc với tên gọi hệ thống GPS và thực sự được
khẳng định về độ chính xác và tiện nghi sử dụng. GPS được ứng dụng trong
nhiều lĩnh vực như giao thông vận tải, khảo sát môi trường và tài nguyên thiên
nhiên, trắc địa bản đồ, quốc phòng và an ninh, đã tạo ra nhiều chuyển biến to lớn
về công nghệ và kỹ thuật. Kỹ thuật định vị GPS đã và sẽ càng được sử dụng như
một công cụ không thể thiếu được trong nhiều ngành kinh tế kỹ thuật rồi lan toả
sang nhiều hoạt động giao lưu quốc tế về chính trị, văn hoá, xã hội.
1.1. 2 Tổ chức của hệ thống GPS
Theo sự phân bố không gian người ta chia hệ thống GPS thành 3 phần gọi là
đoạn (Segment) bao gồm: Đoạn không gian (Space Segment), Đoạn điều khiển
(Control Segment) và Đoạn sử dụng (User Segment) xem hình 1.1.

Hình 1.1: Cấu trúc của hệ thống GPS
1.1.2.1 Đoạn không gian
Đoạn không gian gồm 24 vệ tinh, trong đó có 3 vệ tinh dự trữ, quay trên 6 mặt
phẳng quỹ đạo cách đều nhau và có góc nghiêng 550 so với mặt phẳng xích đạo của trái
đất. Quỹ đạo của các vệ tinh hầu như tròn, vệ tinh bay ở độ cao xấp xỉ 20.000 km so
với mặt đất (Hình 1.2).


14

Chu kỳ quay của vệ tinh là 718 phút và do vậy vệ tinh sẽ bay qua đúng điểm
cho trước trên mặt đất mỗi ngày một lần. Mỗi vệ tinh có trọng lượng 1830 kg khi

phóng và 930 kg khi bay trên quỹ đạo. Các máy móc thiết bị trên vệ tinh hoạt
động nhờ năng lượng do các tấm pin mặt trời với sải cánh dài 580 cm cung cấp.
Tuổi thọ của vệ tinh theo thiết kế là 7,5 năm (Hình 1.3).

Hình 1.2: Quỹ đạo vệ tinh hệ

Hình 1.3: Hình dáng vệ tinh
1.1.2.2

Đoạn điều khiển

Đoạn này gồm 4 trạm quan sát trên mặt đất trong đó có một trạm điều khiển
trung tâm đặt tại Colorado Springs và 4 trạm theo dõi đặt tại Hawai (Thái Bình
Dương), Ascension Island (Đại Tây Dương), Diego Garcia (ấn Độ Dương) và
Kwajalein (Tây Thái Bình Dương). Các trạm này tạo thành một vành đai bao quanh
Trái đất. (Hình 1.4)


15

Hình 1.4: Sơ đồ vị trí các trạm điều khiển mặt đất
Nhiệm vụ của đoạn điều khiển là điều khiển toàn bộ hoạt động và chức năng
của các vệ tinh trên cơ sở theo dõi chuyển động quỹ đạo của vệ tinh cũng như
hoạt động của đồng hồ trên đó. Tất cả các trạm đều có máy thu GPS, và chúng
tiến hành đo khoảng cách và sự thay đổi 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
được ở mỗi trạm đều được truyền về trạm trung tâm.
Trạm trung tâm xử lý các số liệu được truyền từ các trạm theo dõi về cùng
với các số liệu đo của chính nó. Kết quả xử lý cho ra các Ephemerit chính xác
hố 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 được 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 hố thơng tin như thế được tiến hành 3 lần trong một ngày. Cần nói thêm là
các thông tin cung cấp đại trà cho khách hàng chỉ đảm bảo độ chính xác đến cỡ 5
mét, chưa kể đến chúng còn bị cố ý làm nhiễu đi bởi chế độ SA (Selective
Availability) để hạn chế độ chính xác này ở mức 50 - 100 mét, tuy nhiên đến ngày
20/5/2000 Mỹ đã khơng cịn để chế độ gây nhiễu SA.
1.1.2.3

Đoạn sử dụng

Đoạn sử dụng bao gồm tất cả máy móc, thiết bị thu nhận thơng tin từ vệ tinh
để khai thác sử dụng cho các mục đích và yêu cầu khác nhau của khách hàng kể
cả trên trời, trên biển và trên đất liền. Đó có thể là một máy thu riêng biệt hoạt


16

động độc lập (trường hợp định vị tuyệt đối) hay một nhóm gồm từ hai máy thu
trở lên hoạt động đồng thời theo một lịch trình thời gian nhất định (trường hợp
định vị tương đối) hoặc hoạt động theo chế độ một máy thu đóng vai trị máy chủ
phát tín hiệu vô tuyến hiệu chỉnh cho các máy thu khác (trường hợp định vị vi
phân). Đó là cả một hệ thống dịch vụ đạo hàng GPS đa năng trên phạm vi toàn
cầu hoặc ở từng khu vực đang được thiết lập ở một số nước phát triển.
Máy thu GPS là phần cứng quan trọng trong đoạn sử dụng. Cấu hình của
một máy thu thơng thường có thể mơ tả theo sơ đồ khối (Hình 1.5) bao gồm các
khối sau:
- Ăng ten với bộ tiền khuếch đại để phóng to cường độ tín hiệu thu được từ

vệ tinh
- Bộ xử lý tín hiệu có chức năng giải mã tín hiệu vệ tinh, đo pha sóng tải, thu
nhận giao động nội bộ do bộ giao động của máy thu phát ra để dóng hàng với tín
hiệu thu được tính thời gian chuyền tín hiệu từ vệ tinh đến máy thu.
- Bộ giao động sản xuất các sóng tín hiệu tương tự như các sóng tín hiệu do
vệ tinh chuyền đến, mục đích để dóng hàng với tín hiệu này tính ra thời gian
truyền tín hiệu.
- Bộ vi xử lý để tính cạnh thô từ vệ tinh đến ăng ten máy thu theo mã, tính
toạ độ tức thời của tâm ăng ten máy thu, tính các loại số cải chính ban đầu và các
thông số dẫn đường.
- Bộ lưu trữ số liệu.
- Bộ cấp nguồn đảm bảo năng lượng điện cho máy hoạt động.

Hình 1.5 : Sơ đồ khối máy thu GPS
Nhờ tiến bộ khoa học và kỹ thuật trong lĩnh vực điện tử, viễn thơng và kỹ
thuật thơng tin tín hiệu số, các máy thu GPS ngày một hoàn hảo. Trên thế giới đã


17

có nhiều hãng chế tạo máy thu GPS như hãng Trimble Navigation, Ashtech
(Mỹ), MiniMax (CHLB Đức), Leica (Thụy Sĩ), Sokkia (Nhật Bản), Sercel
(Pháp).v.v.
Cùng với máy thu, người ta sản xuất các phần mềm phục vụ xử lý thông tin
như Trimvec, Trimnet plus, GPSurvey, Geomatic,... Các phần mềm ngày càng
hoàn thiện và nâng cao hiệu quả cũng như độ chính xác.
1.1. 3 Tín hiệu GPS và các đại lượng đo
1.1.3.1

Tín hiệu GPS

Theo nguyên lý định vị GPS, việc xác định khoảng cách đến tâm ăng ten
máy thu là vấn đề rất cơ bản . Do cách giải quyết vấn đề này mà sản sinh ra các
phương pháp định vị khác nhau, cơ cấu máy thu khác nhau, xử lý số liệu khác
nhau và giá thành định vị khác nhau.
Trên mỗi vệ tinh GPS có lắp 4 đồng hồ nguyên tử, tạo thành bộ giao động
sản xuất ra một giải sóng băng L, có tần số gốc f0=10,23MHz. Từ sóng cơ bản
này tạo ra hai song tải L1 với tần số fL1= 154f0 = 1575,42MHz và L2 với tần số
fL2= 120f0 = 1227,6MHz. Dùng hai sóng tải một mặt tăng độ tin cậy mặt khác để
giảm thiểu, nếu khơng muốn nói là triệt tiêu độ trễ chuyền sóng điện từ khi qua
tầng điện ly (ionospheric effect).
Hai sóng tải này được điều biến để chuyền đến ăng ten máy thu dữ kiện đo
cạnh, gồm có mã đo cạnh (ranging code) và thơng tri định vị (navigation
message)
Mã đo cạnh có hai loại : Mã C/A và mã P.
- Mã C/A (Coarse Acquisition) là một chuỗi nhị phân 1023 chíp được lặp
lại với tần số 1,023 MHz. Mỗi vệ tinh được điều biến một mã C/A riêng biệt. Mã
C/A chỉ được điều biến cho sóng tải L1.
- Mã P (Precise) cũng là một chuỗi nhị phân, phức tạp hơn, có chiều dài
267 ngày, với tần số 10,23 MHz, được chia thành 38 đoạn, mỗi đoạn điều biến
cho một vệ tinh, theo dự kiến có thể đủ điều biến cho 38 vệ tinh.Mã P được điều
biến cho cả hai sóng tải L1 và L2.
- Thơng tri định vị , bao gồm toạ độ quỹ đạo của vệ tinh, số cải chính giờ
đồng hồ vệ tinh, thơng số cải chính độ trễ chuyền sóng qua tầng điện ly, tầng đối
lưu và tình trạng hoạt động của mỗi vệ tinh.


18

Tọa độ quỹ đạo vệ tinh được tính theo lý thuyết và được trạm điều hành

mặt đất ở Colorado Springs thông báo trước cho mỗi vệ tinh. Do không dự kiến
hết những ảnh hưởng vận hành trong thực tế nên toạ độ này khơng hồn tồn
chuẩn xác. Bởi vậy khơng thể dùng toạ độ này để định vị tuyệt đối một cách
chính xác. Toạ độ chính xác của vệ tinh có thể được trạm điều hành mặt đất cung
cấp để xử lý hậu kỳ (post-processing).Giờ đồng hồ vệ tinh phải đồng bộ với giờ
đồng hồ thạch anh ở máy thu và quy chuẩn với giờ GPS. Trong thực tế giờ đồng
hồ vệ tinh không thống nhất nên phải phát số cải chính để xử lý kết quả đo.
Khi vệ tinh vận hành có trục trặc, tín hiệu do nó phát đi khơng cịn bảo
đảm độ tin cậy nên trạm điều hành mặt đất phải thường xuyên theo dõi hoạt động
của vệ tinh để thông báo cho người sử dụng không thu tín hiệu của những vệ tinh
có sự cố.
Dựa vào những dữ kiện trên đây, người sử dụng tùy độ chính xác cần có
mà lựa chọn máy thu GPS, cách thu và xử lý dữ kiện để thoả mãn yêu cầu định vị
của mình.
1.1.3.2

Đo cạnh theo mã

Mỗi máy thu GPS đều có một đồng hồ thạch anh, phát ra các sóng và mã
đo cạnh hệt như trên vệ tinh. Tại thời điểm thu được tín hiệu, mã vệ tinh được
dóng hàng với mã máy thu để xác định thời gian chuyền sóng dτ từ vệ tinh đến
tâm ăng ten. Tích của thời gian chuyền sóng dτ và tốc độ chuyền sóng c là
khoảng cách từ vệ tinh đến tâm ăng ten máy thu (Hình 1.6).
Tuy nhiên , giờ vệ tinh và giờ máy thu không đồng bộ với giờ GPS. Khi
quy thời gian chuyền sóng về giờ vệ tinh và giờ máy thu là những dữ kiện mà ta
thu được, cạnh từ vệ tinh đến tâm ăng ten máy thu được tính theo cơng thức sau :

Hình 1.6 : Đo cạnh theo mã

19

p = ρ + c.(dt-dT) + dion + dtrop

(1.2)

Trong đó: dt là độ trễ của đồng hồ vệ tinh và dT là độ trễ của đồng hồ máy
thu so với thời gian GPS, dion và dtrop lần lượt là số cải chính độ trễ chuyền sóng
qua tầng điện ly và tầng đối lưu (xem hình 1.7).

Hình 1.7 : Quy chuẩn về hệ giờ GPS
Cạnh từ vệ tinh đến tâm ăng ten máy thu tính từ dữ kiện trực tiếp thu được,
theo cơng thức (1.1) gọi là cạnh thơ vì chưa qua xử lý, thuật ngữ tiếng Anh
thường dùng là pseudo-range.
Trong mỗi máy thu đều có bộ xử lý để tính ngay ra cạnh thơ và tiếp đó tính
toạ độ địa tâm và toạ độ trắc địa của điểm đặt máy trong một vài phút để thực
hiện phép định vị tức thời. Kết quả thực nghiệm cho biết độ chính xác đo cạnh
thơ có thể đạt 1% độ dài bước sóng, tức 3 mét khi dùng mã C/A và 0,3 mét khi
dùng mã P và độ chính xác định vị tức thời đạt 30 - 50 mét với mã C/A và từ 3 5 mét với mã P. E ngại rằng độ chính xác định vị tức thời này có thể sử dụng hiệu
quả cho hoạt động quân sự, Bộ Quốc phòng Mỹ đã cho phủ lên mã C/A nhiễu A
(Selective Availability), hạ thấp độ chính xác định vị bằng mã này xuống 100
mét và dùng mã Y phủ lên mã P (thường gọi là nhiễu AS - Anti Spoofing). Chỉ
cơ quan được phép sử dụng mới được trao biện pháp khử nhiễu AS, từ tháng
5/2000 nhiễu SA đã được gỡ bỏ.
1.1.3.3

Đo cạnh bằng pha sóng tải

Pha sóng tải ở đây là tồn bộ các chu kỳ chuyền sóng từ vệ tinh đến tâm
ăng ten máy thu, gồm số chu kỳ nguyên và chu kỳ lẻ cuối cùng. Sử dụng pha

sóng tải để đo cạnh trước hết có thể nâng cao độ chính xác. Khi sai số đo cạnh có
thể hạn chế đến 1% độ dài bước sóng thì với sóng tải L1 có bước sóng bằng 19


20

cm, độ chính xác đo cạnh có thể bảo đảm 2mm, ngồi ra có thể loại trừ ảnh
hưởng của nhiễu SA. Tuy nhiên đây cũng là vấn đề tinh tế nhất trong kỹ thuật
định vị GPS, đặc biệt được giới chuyên môn quan tâm giải quyết.
Trước hết hãy xem xét quan hệ có tính ngun lý của kỹ thuật đo cạnh
bằng sóng radio sau đây :
S = Nλ + ϕλ

(1.3)

Trong đó S là chiều dài cạnh cần đo, N là số chu kỳ nguyên, ϕ là chu kỳ lẻ,
λ là độ dài bước sóng tải (hình 1.8).

Hình 1.8 : Đo cạnh bằng sóng radio
Trong phương pháp đo cạnh bằng sóng radio cổ truyền, là phép đo hai
chiều, có thể thiết kế máy đo và phương pháp đo để thu được trị N và góc ϕ để
tính cạnh, cịn phép đo cạnh trong kỹ thuật GPS là phép đo một chiều. Tại thời
điểm máy thu GPS bắt được tín hiệu thì việc chuyền sóng đã căn bản hồn thành.
Máy chỉ ghi được góc ϕ và một số chu kỳ nguyên mà khơng thể thu nhận được trị
N, tuy nhiên có thể đếm được số chu kỳ nguyên ΔN từ sau khi thu xong tín hiệu
đầu tiên. (hình 1.9)
Như vậy từ sau thời điểm t0, là thời điểm máy thu bắt được tín hiệu vệ tinh,
máy thu chỉ thu được một số chu kỳ nguyên (Int(ϕ;t0,t)) và phần chu kỳ lẻ (Fr(ϕ))
mà không thu được đại bộ phận số chu kỳ nguyên còn lại.

21

Hình 1.9 : Trị đo pha sóng tải trong máy thu GPS
Pha sóng tải, biểu thị cạnh từ vệ tinh đến tâm ăng ten máy thu được, được
thể hiện trong quan hệ dưới đây :
Φ = ρ + c.(dt-dT) + λ.N - dion - dtrop

(1.4)

Giải pháp tìm số chu kỳ ngun của sóng tải vì vậy trở thành vấn đề trung
tâm của cơng nghệ định vị GPS chính xác cao, đồng thời cũng là vấn đề rất phức
tạp. Ngoài ra trong q trình chuyền sóng, do bị nhiễu hoặc hiện tượng phản xạ
nhiều lần, không thể tránh khỏi trường hợp thất lạc một số chu kỳ sóng tải. Vì
thực trạng trên, trong tài liệu tiếng Anh dùng thuật ngữ “integer ambiguity” (tính
nhập nhằng của số nguyên) để chỉ số chu kỳ nguyên của sóng tải. Để ngắn gọn và
trực quan, trong tài liệu này dùng “trị N” để chỉ đại lượng này.
Đến nay đã có nhiều giải pháp xác định trị N. Mỗi giải pháp là hạt nhân để
thiết lập một phương pháp định vị, và kèm theo đó một cấu hình của máy thu,
một chương trình điện tốn xử lý số liệu.
1.1.4 Đợ chính xác định vị GPS
Độ chính xác định vị GPS tuỳ thuộc những nhân tố sau đây :
- Điều kiện ngoại cảnh khi thực hiện định vị.
- Sự phân bố của vệ tinh trên bầu trời.
- Độ chính xác của máy thu.
- Thiết kế lưới điểm định vị.
- Cách xử lý kết quả.


22

Phương pháp định vị là tổng hợp những quy định có mục đích hạn chế tối
đa những tác nhân ảnh hưởng đến độ chính xác định vị. Những quy định đó bao
gồm thiết kế lưới định vị, chọn lịch vệ tinh, chọn máy, thao tác máy và xử lý số
liệu, sẽ giải trình trong từng phương pháp định vị cụ thể. Tuy nhiên để có thể
nắm được xuất xứ của những quy định này, dưới đây sẽ trình bày những tác nhân
chung cần phải khắc phục để đáp ứng yêu cầu sử dụng. Những tác nhân cụ thể đó
là :
- Sự phân bố vệ tinh trên bầu trời
- Độ lệch của đồng hồ vệ tinh và đồng hồ máy thu
- Sai số của toạ độ quỹ đạo vệ tinh
- Độ trễ chuyền sóng trong khí quyển
- Phản xạ nhiều lần
- Nhiễu SA và nhiễu AS.
1.1.4.1

Sự phân bố vệ tinh trên bầu trời

Vấn đề được đặt ra giống như khi thực hành phép giao hội cổ truyền. Cạnh
từ ít nhất 4 vệ tinh đến điểm đặt máy phải giao nhau sao cho điểm này có thể
được xác định đáng tin cậy nhất. Đó là khi các vệ tinh được bố trí đều trên bầu
trời chung quanh điểm cần xác định. Vệ tinh tập trung ở vùng thiên đỉnh của máy
thu hoặc phân tán gần đường chân trời có thể dẫn đến khả năng điểm giao hội
nhập nhằng trên một đoạn thẳng. Đại lượng đặc trưng tình hình phân bố này được
gọi là độ suy giảm của độ chính xác DOP (Dillution Of Precision). DOP có giá trị
từ 1 đến 10, cũng có thể gọi là cường độ phân bố vệ tinh. Trị DOP càng cao, độ
suy giảm càng lớn, độ chính xác càng thấp. Ảnh hưởng của DOP đến độ chính
xác định vị được biễu diễn trong mối quan hệ dưới đây :
σ = σ0. DOP

(1.5)

Trong đó: σ là sai số định vị, σ0 là sai số của trị đo.
Trong phép định vị tĩnh cường độ phân bố vệ tinh DOP được quy định
không lớn hơn 4.
Sự phân bố vệ tinh ảnh hưởng khác nhau đến độ chính xác mặt phẳng, độ
cao và thời gian, bởi vậy có trị DOP cho vị trí khơng gian PDOP (Position
Dilution of Precision), cho vị trí mặt phẳng HDOP (Horizontal Dilution of
Precision), cho độ cao VDOP (Vertical Dilution of Precision) và cho thời gian


23

TDOP (Time Dilution of Precision). Trị DOP sẽ được máy thu tính cụ thể và
cơng bố cho từng điểm đo.
Để chọn được trị DOP tối ưu, khi lập kế hoạch định vị, có thể dựa vào lịch
vệ tinh để chọn vệ tinh cho từng điểm máy. Lịch này thường được cấp trong phần
mềm xử lý trị đo.
Tuy nhiên đến nay, khi trên bầu trời đã có 24 vệ tinh GPS, ở mỗi bán cầu
Đơng hoặc Tây có đến 11 vệ tinh xuất hiện, ở mỗi điểm máy thường xuyên thu
được tín hiệu của 7 hoặc 8 vệ tinh thì có thể dễ dàng chọn được 4 vệ tinh có độ
phân bố có lợi nhất để thu và xử lý số liệu.
1.1.4.2

Độ lệch của đồng hồ vệ tinh và đồng hồ máy thu

Theo lý thuyết đồng hồ vệ tinh và đồng hồ máy thu phải thống nhất quy
chuẩn về hệ giờ GPS. Trong thực tế có độ chênh giữa các loại đồng hồ này gây ra
sai số đo cạnh.
Để hạn chế sai số đồng hồ vệ tinh có thể sử dụng số cải chính trong thơng

tri định vị của tín hiệu vệ tinh. Cũng có thể dùng nhiều máy thu cùng thu tín hiệu
của một vệ tinh rồi dùng hiệu trị đo để xử lý số liệu. Tuy nhiên muốn khử sai số
đồng hồ vệ tinh chủ động và đáng tin cậy hơn phải lập lưới định vị tuyệt đối
chính xác cao, dùng trị đo thường xuyên ở những điểm này để tính số cải chính.
Sai số đồng hồ máy thu cũng có thể hạn chế bằng cách dùng một máy thu
tín hiệu của nhiều vệ tinh rồi lấy hiệu trị đo để tính kết quả.
1.1.4.3

Sai sớ tọa đợ quỹ đạo vệ tinh

Trong thơng tri định vị của tín hiệu mỗi vệ tinh có file toạ độ quỹ đạo của
vệ tinh đó ở mỗi thời điểm. Tọa độ này do trạm điều hành mặt đất tính, chưa dự
kiến đến tình hình vận hành cụ thể nên có sai số. Do sai số này có thể nhận thấy
toạ độ trắc địa và cao độ ellipsoid của một điểm xác định ở các nhóm đo khác
nhau thường chênh nhau, có khi đến hàng chục mét. Trường hợp xấu nhất sai số
này có thể đến 190 mét. Sai số này có thể khắc phục bằng nhiều biện pháp kỹ
thuật như sử dụng kỹ thuật định vị tương đối (relative positioning), định vị vi
phân (differential positioning), dùng chênh cao để tính cao độ hoặc lập lưới định
vị tuyệt đối chính xác cao để cải chính toạ độ quỹ đạo thu được như đã được thực
hiện ở Canada, Úc. Ngồi ra có thể liên hệ với trạm điều hành mặt đất Colorado