Luận văn thạc sĩ ứng dụng công nghệ GPS xây dựng lưới địa chính phục vụ công tác thành lập bản đồ địa chính cho cụm 07 xã miền núi thuộc huyện thanh sơn tỉnh phú thọ

...

BỘ GIÁO DỤC VÀ ðÀO TẠO
TRƯỜNG ðẠI HỌC NÔNG NGHIỆP HÀ NỘI
---------

---------

NGUYỄN XUÂN NGẠN

ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ GPS
XÂY DỰNG LƯỚI ðỊA CHÍNH PHỤC VỤ CƠNG TÁC
THÀNH LẬP BẢN ðỒ ðỊA CHÍNH CHO CỤM 07 XÃ
MIỀN NÚI THUỘC HUYỆN THANH SƠN TỈNH PHÚ THỌ

LUẬN VĂN THẠC SĨ NÔNG NGHIỆP
Chuyên ngành: Quản lý ñất ñai
Mã số

: 606216

Người hướng dẫn khoa học: TS. LÊ MINH TÁ

HÀ NỘI - 2011


LỜI CAM ðOAN
Tơi xin cam đoan số liệu và kết quả nghiên cứu trong luận văn này là
trung thực và chưa ñược sử dụng ñể bảo vệ một học vị nào. Nội dung ñề
tài này là những kết quả nghiên cứu, những ý tưởng khoa học được tổng
hợp từ cơng trình nghiên cứu, các cơng tác thực nghiệm, các cơng trình

sản xuất do tơi trực tiếp tham gia thực hiện.
Tơi xin cam đoan, các thơng tin trích dẫn trong luận văn ñều ñã ñược
chỉ rõ nguồn gốc.
Tác giả luận văn

Nguyễn Xuân Ngạn

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội - Luận văn thạc sĩ khoa học nông nghiệp ………………………….

i


LỜI CẢM ƠN
ðể hồn thành được đề tài, tơi xin gửi lời cảm ơn chân thành ñến:
Ban giám hiệu Trường ðại học Nơng nghiệp Hà Nội, lãnh đạo Viện Sau
ðại học, Khoa Tài nguyên và Môi trường, cùng các Thầy Cơ giáo đã giảng
dạy, truyền đạt kiến thức cho tơi trong suốt thời gian tơi tham gia khóa học của
Trường.
TS. Lê Minh Tá đã hết lịng quan tâm, trực tiếp hướng dẫn tơi trong
q trình thực hiện đề tài.
Tơi cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành đến gia đình, bạn bè đã giúp
đỡ, động viên và đóng góp ý kiến cho tơi trong suốt q trình học tập và hồn
thành đề tài.

Tác giả luận văn

Nguyễn Xn Ngạn

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội - Luận văn thạc sĩ khoa học nông nghiệp ………………………….

ii


MỤC LỤC
Lời cam ñoan

i

Lời cảm ơn

ii

Mục lục

iii

Danh mục các từ viết tắt

v

Danh mục các bảng

vi

Danh mục các hình

vii

1

MỞ ðẦU

i

1.1

Tính cấp thiết của đề tài

1

1.2

Mục đích của đề tài

2

1.3

u cầu của ñề tài

2

1.4

Tính khoa học và thực tiễn của ñề tài

2

2

TỔNG QUAN CÁC VẤN ðỀ NGHIÊN CỨU

3

2.1

Khái quát về hệ thống ñịnh vị toàn cầu GPS

3

2.2

Vài nét về lịch sử phát triển công nghệ GPS và ứng dụng công
nghệ GPS xây dựng lưới khống chế trắc ñịa mặt bằng

19

2.3

Lưới GPS

24

2.4

Tổng quan về huyện Thanh Sơn, tỉnh Phú Thọ

29

2.5

Cơ sở pháp lý của luận văn

34

3

ðỐI TƯỢNG, PHẠM VI, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP
NGHIÊN CỨU

36

3.1

ðối tượng nghiên cứu

36

3.2

Phạm vi nghiên cứu

36

3.3

Nội dung nghiên cứu

36

3.4

Phương pháp nghiên cứu

36

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội - Luận văn thạc sĩ khoa học nông nghiệp ………………………….

iii


4

KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THÀNH QUẢ LƯỚI

37

4.1

Quy trình xây dựng lưới địa chính

37

4.2

Lập lưới địa chính cho cụm 7 xã miền núi thuộc huyện Thanh
Sơn tỉnh Phú Thọ

38

4.2.1

Thiết kế lưới

38

4.2.2

ðúc mốc xây tường vây, lập ghi chú ñiểm

46

4.2.3

Lập lịch đo

48

4.2.4

ðo đạc thực địa

51

4.2.5

Xử lý tính tốn bình sai

53

4.2.6

Sơ đồ lưới GPS và đánh giá độ chính xác kết quả ño lưới GPS

67

4.3

ðo kiểm tra

69

4.3.1

So sánh kết quả ño kiểm tra với kết quả ñã thực hiện

70

4.3.2

So sánh kết quả ño kiểm tra vị trí ñiểm

70

5

KẾT LUẬN VÀ ðỀ NGHỊ

71

5.1

Kết luận

71

5.2

Kiến nghị

72

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội - Luận văn thạc sĩ khoa học nông nghiệp ………………………….

iv


DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
BððC

: Bản đồ địa chính

DOP

: Dilution of Precision
ðộ mất chính xác

GPS

: Global Positioning System

Hệ thống định vị tồn cầu

HDOP

: Horizon Dilution of Precision
ðộ mất chính xác theo phương ngang

PDOP

: Position Dilution of Precision
ðộ mất chính xác vị trí vệ tinh theo 3D

Ratio

: Tỉ số phương sai

Reference Variance

: ðộ chênh lệch tham khảo

Rms

: Sai số chiều dài cạnh

VDOP

: Vertiacal Dilution of Precision
ðộ mất chính xác theo phương dọc

X, Y, h

: Tọa ñộ X, Y, ðộ cao thủy chuẩn tạm thời

Mx, My, Mh

: Sai số theo phương x, y h

Mp

: Sai số vị trí điểm

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội - Luận văn thạc sĩ khoa học nông nghiệp ………………………….

v


DANH MỤC CÁC BẢNG
STT

Tên bảng

Trang

4.1

Số ñiểm thiết kế ño trên ñịa bàn khu ño

44

4.2

Số liệu ñiểm gốc toạ ñộ và ñộ cao trên ñịa bàn khu ño

45

4.3

Các chỉ tiêu kỹ thuật trong xây dựng lưới GPS

63

4.4

Số lượng ñiểm GPS ñã ño

67

4.5

So sánh số liệu ñạt ñược với quy phạm ban hành

69

4.6

So sánh kết quả xử lý ñược với kết quả ño kiểm tra

70

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội - Luận văn thạc sĩ khoa học nông nghiệp ………………………….

vi


DANH MỤC CÁC HÌNH
STT

Tên hình

Trang

2.1

Mơ hình hình ảnh trái đất và vệ tinh GPS

3

2.2

Cấu trúc tín hiệu GPS

5

2.3

Các trạm điều khiển GPS

6

2.4

Các thành phần chính của GPS

6

2.5

Xác định hiệu số giữa các thời ñiểm

7

2.6

Kỹ thuật giải ña trị tại các máy thu

9

2.7

Kỹ thuật ñịnh vị tuyệt ñối

11

2.8

Kỹ thuật ñịnh vị tương đối

12

4.1

Quy cách mốc địa chính

47

4.2

Cửa sổ Select Date

49

4.3

Cửa sổ Add New Point

49

4.4

Cửa sổ Auto View Time Selection

50

4.5

Cửa sổ ListTimes

50

4.6

Máy ño GPS South NGS 9600

52

4.7

Cửa sổ Create a New Project

55

4.8

Cửa sổ GPSurvey Project: THANH SƠN

56

4.9

Cửa sổ Load from RINEX file: Interactive

56

4.10

Cửa sổ Receiver Detected

58

4.11

Cửa sổ Verify Station for Static Occupation 1

58

4.12

Cửa sổ Load

59

4.13

Cửa sổ Static Processing

60

4.14

Sơ đồ lưới đia chính THANH SƠN

60

4.15

Cửa sổ Closure 3 Baselines

61

4.16

Cửa sổ TRIMNET Plus Network Adjustment

64

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội - Luận văn thạc sĩ khoa học nông nghiệp ………………………….

vii


1. MỞ ðẦU
1.1

Tính cấp thiết của đề tài
Phát triển và ứng dụng khoa học công nghệ trong mọi lĩnh vực của

cuộc sống, xã hội ñược coi là con ñường nhanh nhất để rút ngắn thời gian
thực hiện sự nghiệp cơng nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước. ðây cũng chính
là vấn đề đang được tồn ðảng, tồn dân hết sức quan tâm, khi mà khoa học
cơng nghệ đang từng ngày mở rộng với sự phát triển của nền kinh tế tri thức
trong thời ñại mới, thời kỳ hội nhập.
Hệ thống ñịnh vị toàn cầu GPS là hệ thống ñịnh vị, dẫn ñường sử
dụng các vệ tinh nhân tạo ñược Bộ Quốc phịng Mỹ triển khai từ những năm
đầu thập kỷ 70. Ban ñầu, hệ thống này ñược dùng cho mục đích qn sự
nhưng sau đó đã được thương mại hóa, từ năm 1980 hệ thống định vị tồn
cầu GPS đã ñược sử dụng vào mục ñích dân sự. Ngày nay, trong rất nhiều
lĩnh vực của ñời sống kinh tế, xã hội đã và đang áp dụng cơng nghệ GPS.
Trong ngành trắc địa, cơng nghệ GPS đã mở ra thời kỳ mới, đã thay thế
cơng nghệ truyền thống trong việc thành lập và xây dựng mạng lưới tọa ñộ
các cấp. Với ngành trắc địa bản đồ thì đây là cuộc cách mạng thực sự về cả

kỹ thuật, chất lượng cũng như hiệu quả kinh tế trên phạm vi toàn thế giới nói
chung và ở Việt Nam nói riêng.
Hệ thống định vị tồn cầu GPS đã được cơng nhận và sử dụng rộng rãi
như một công nghệ tin cậy, hiệu quả trong trắc địa bản đồ bởi các tính ưu việt
sau: Có thể xác ñịnh tọa ñộ của các ñiểm từ ñiểm gốc khác mà khơng cần
thơng hướng; độ chính xác đo đạc ít phụ thuộc vào điều kiện thời tiết (có thể
ño trong mọi ñiều kiện thời tiết); việc xác ñịnh tọa độ các điểm rất nhanh
chóng, tính chính xác cao, ở bất kỳ vị trí nào trên trái đất; kết quả đo đạc có
thể tính trong hệ tọa độ tồn cầu hoặc hệ tọa ñộ ñịa phương bất kỳ.

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội - Luận văn thạc sĩ khoa học nông nghiệp ………………………….

1


Cùng với thời gian, công nghệ GPS ngày càng phát triển hồn thiện
theo chiều hướng chính xác, hiệu quả, thuận tiện hơn và ñược sử dụng rộng
rãi. Người ta ñã sử dụng cơng nghệ GPS để xây dựng lưới tọa ñộ nhà nước
thay thế cho các phương pháp truyền thống, ñạt ñược ñộ chính xác cao.
Huyện Thanh Sơn tỉnh Phú Thọ những năm qua có tốc độ phát triển
kinh tế tương ñối nhanh kéo theo nhu cầu sử dụng ñất ngày càng tăng. Chính
vì thế nhu cầu bức thiết trong quản lý ñất ñai của huyện là phải thành lập
ñược bản đồ địa chính (BððC) có độ chính xác cao. Muốn có được điều đó
cần phải xây dựng hệ thống lưới địa chính trên địa bàn huyện.
ðể mở rộng khả năng sử dụng cơng nghệ GPS, góp phần đưa cơng
nghệ mới vào sản xuất, xây dựng hệ thống lưới ñịa chính huyện Thanh Sơn
tỉnh Phú Thọ, chúng tơi tiến hành nghiên cứu đề tài:
“Ứng dụng cơng nghệ GPS xây dựng lưới địa chính phục vụ cơng
tác thành lập bản đồ ñịa chính cho cụm 07 xã miền núi thuộc huyện Thanh
Sơn tỉnh Phú Thọ”

1.2

Mục đích của đề tài
Thơng qua việc nghiên cứu nhằm tìm hiểu khả năng ứng dụng cơng

nghệ GPS vào xây dựng lưới địa chính khu vực đồi núi của tỉnh Phú Thọ.
1.3

Yêu cầu của ñề tài
Thiết kế, thi cơng lưới địa chính trên địa bàn khu đo thuộc huyện

Thanh Sơn tỉnh Phú Thọ. Phân tích, đánh giá độ chính xác và khả năng ứng
dụng cơng nghệ GPS xây dựng lưới địa chính ở khu vực huyện Thanh Sơn.
1.4

Tính khoa học và thực tiễn của đề tài
Dựa trên cơng nghệ GPS để xây dựng hệ thống lưới địa chính thay thế

cho phương pháp xây dựng lưới truyền thống, góp phần đưa cơng nghệ mới vào
sản xuất nhằm nâng cao độ chính xác, mang lại hiệu quả kinh tế - kỹ thuật trong
thực tế sản xuất khi xây dựng lưới khống chế trắc địa nói chung và lưới khống
chế ñịa chính ở vùng núi huyện Thanh Sơn tỉnh Phú Thọ nói riêng.

Trường ðại học Nơng nghiệp Hà Nội - Luận văn thạc sĩ khoa học nông nghiệp ………………………….

2


2. TỔNG QUAN CÁC VẤN ðỀ NGHIÊN CỨU
2.1

Khái quát về hệ thống định vị tồn cầu GPS

2.1.1 Khái niệm về GPS [10]
Tên tiếng Anh ñầy ñủ của GPS là Navigation Satellite Timing and
Ranging Global Positioning System. ðây là một hệ thống radio hàng hải dựa
vào các vệ tinh ñể cung cấp thơng tin vị trí 3 chiều và thời gian chính xác. Hệ
thống ln sẵn sàng trên phạm vi tồn cầu và hoạt động trong mọi điều kiện
thời tiết.

Hình 2.1: Mơ hình hình ảnh trái đất và vệ tinh GPS
(Theo tài Ahmed El-Rabbany (2007), Introduction to GPS)
2.1.2 Các thành phần của GPS
GPS gồm 3 đoạn: đoạn khơng gian, đoạn điều khiển và đoạn người sử dụng.
• ðoạn khơng gian ( Space Segment )
- Hệ thống ban đầu có 24 vệ tinh, trong đó có 3 vệ tinh dự trữ. Hiện nay
đã có 31 vệ tinh bay xung quanh Trái đất trên 6 quỹ đạo gần trịn cách đều

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội - Luận văn thạc sĩ khoa học nông nghiệp ………………………….

3


nhau, với độ cao khoảng 20.200km, góc nghiêng 550 so với mặt phẳng xích
đạo của trái đất. Chu kỳ quay của vệ tinh là 718 phút.
- Chức năng chính của các vệ tinh là:
+ Nhận và lưu trữ dữ liệu ñược gửi lên từ các trạm ñiều khiển.
+ Duy trì thời gian chính xác bởi đồng hồ ngun tử gắn trên vệ tinh.
+ Truyền thông tin và dữ liệu cho người sử dụng theo hai tần số là L1
và L2.

- Mỗi vệ tinh ñược trang bị máy phát tần số chuẩn nguyên tử chính xác
cao cỡ 10

-12

. Máy phát này tạo ra các tín hiệu tần số cơ sở 10,23 MHz và từ

đây tạo ra các sóng tải tần số L1=1575,42 MHz và L2=1227,60 MHz. ðể giảm
ảnh hưởng của tầng ñiện ly người ta sử dụng hai tần số.
- ðể phục vụ cho các mục đích và đối tượng khác nhau, các tín hiệu
phát đi được điều biến mang theo các code riêng biệt đó là: C/A- Code, PCode và Y- Code.
+ C/A-Code (Coarse/Acquisition Code) là code thơ được sử dụng rộng
rãi. C/A Code có tính chất code tựa ngẫu nhiên. Tín hiệu mang code này có
tần số thấp (1.023 MHz). C/A Code chỉ điều biến sóng tải L1.
+ P-Code (Precision Code) là code chính xác được sử dụng cho các
mục đích qn sự của Mỹ và chỉ dùng cho các mục đích khác khi được
phía Mỹ cho phép. P-Code ñiều biến cả hai sóng tải L1, L2 và là code tựa
ngẫu nhiên.
+ Y-Code là Code bí mật được phủ lên P-Code nhằm chống bắt chiếc,
gọi là kỹ thuật AS (Anti Spoosing), chỉ có vệ tinh thuộc các khối từ sau năm
1989 mới có khả năng này.

Trường ðại học Nơng nghiệp Hà Nội - Luận văn thạc sĩ khoa học nông nghiệp ………………………….

4


Hình 2.2: Cấu trúc tín hiệu GPS
(Theo tài Ahmed El-Rabbany (2007), Introduction to GPS)
• ðoạn điều khiển (Control Segment)

Có 5 trạm điều khiển trên mặt đất: Hawaii (Thái Bình Dương),
Colorado Springs (Căn cứ không quân Mỹ), Ascension Island (ðại Tây
Dương), Diego Garcia (Ấn ðộ Dương) và Kwajalein (Thái Bình Dương).
Nhiệm vụ của đoạn điều khiển là điều khiển tồn bộ hoạt ñộng và chức
năng của các vệ tinh trên cơ sở theo dõi chuyển ñộng quỹ ñạo của các vệ tinh và
hoạt động của đồng hồ trên đó. Tất cả các số liệu ño khoảng cách, sự thay ñổi
khoảng cách, các số liệu đo khí tượng ở mỗi trạm đều ñược truyền về trạm trung
tâm. Trạm trung tâm xử lý các số liệu ñược truyền từ các trạm theo dõi và số liệu
đo của chính nó để cho ra các ephemerit chính xác hố của vệ tinh và số hiệu
chỉnh cho các ñồng hồ vệ tinh. Các số liệu này ñược truyền trở lại cho các trạm
theo dõi và từ ñó truyền tiếp lên cho các vệ tinh cùng các lệnh điều khiển khác.

Trường ðại học Nơng nghiệp Hà Nội - Luận văn thạc sĩ khoa học nông nghiệp ………………………….

5


Hình 2.3: Các trạm điều khiển GPS
(Theo tài Ahmed El-Rabbany (2007), Introduction to GPS)
• ðoạn sử dụng (User Segment)
Gồm các máy thu ñặt trên mặt ñất, bao gồm phần cứng và phần mềm.
- Phần cứng là các máy đo có nhiệm vụ thu tín hiệu vệ tinh để khai thác,
sử dụng cho các mục đích, u cầu khác nhau của khách hàng.
- Phần mềm có nhiệm vụ xử lý các thơng tin để cung cấp tọa độ của máy thu.

Hình 2.4: Các thành phần chính của GPS
(Theo tài Ahmed El-Rabbany (2007), Introduction to GPS)

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội - Luận văn thạc sĩ khoa học nông nghiệp ………………………….

6


2.1.3 Nguyên lý ñịnh vị GPS [11]
2.1.3.1 Các ñại lượng ño
Việc ñịnh vị bằng GPS thực hiện trên cơ sở sử dụng hai dạng đại lượng
đo cơ bản, đó là ño khoảng cách giả theo các code tựa ngẫu nhiên (C/A-code
và P-code) và đo pha của sóng tải L1, L2 và tổ hợp L1/L2.
• ðo khoảng cách giả theo C/A-code và P-code
Code tựa ngẫu nhiên ñược phát ñi từ vệ tinh cùng với sóng tải. Máy thu
GPS cũng tạo ra code tựa ngẫu nhiên ñúng như vậy. Bằng cách so sánh code
thu từ vệ tinh và code của chính máy thu tạo ra có thể xác định được khoảng
thời gian lan truyền của tín hiệu code, từ đó dễ dàng xác ñịnh ñược khoảng
cách từ vệ tinh ñến máy thu (đến tâm anten của máy thu). Do có sự khơng
đồng bộ giữa ñồng hồ của vệ tinh và máy thu, do có ảnh hưởng của mơi
trường lan truyền tín hiệu nên khoảng cách tính theo khoảng thời gian đo
được khơng phải là khoảng cách thực giữa vệ tinh và máy thu, đó là khoảng
cách giả.
1 1 0 0 0 1 1 1 1 0 1 0 0 0 1 1
Code chuyền từ vệ tinh
1 1 0 0 0 1 1 1 1 0 1 0 0 0 1 1
Code thu ñược
1 1 0 0 0 1 1 1 1 0 1 0 0 0 1 1
Code do máy thu tạo ra
∆δ
∆t

Hình 2.5: Xác định hiệu số giữa các thời điểm
(Theo tài liệu Alfred Leick (1995), GPS Satellite Surveying)
Nếu ký hiệu tọa ñộ của vệ tinh là xs, ys, zs; tọa ñộ của ñiểm xét (máy

thu) là x,y,z; thời gian lan truyền tín hiệu từ vệ tinh đến điểm xét là t, sai số

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội - Luận văn thạc sĩ khoa học nông nghiệp ………………………….

7


khơng đồng bộ giữa đồng hồ trên vệ tinh và trong máy thu là ∆t, khoảng cách
giả ño ñược là R, ta có phương trình:

R = c(t + ∆t ) = ( x s − x) 2 + ( y s − y ) 2 + ( z s − z ) 2 + c∆t
Trong đó, c là tốc độ lan truyền tín hiệu.

(1.1)

Trong trường hợp sử dụng C/A-code, theo dự tính của các nhà thiết kế
hệ thống GPS, kỹ thuật đo khoảng thời gian lan truyền tín hiệu chỉ có thể đảm
bảo độ chính xác đo khoảng cách tương ứng khoảng 30m. Nếu tính đến ảnh
hưởng của điều kiện lan truyền tín hiệu, sai số đo khoảng cách theo C/A code
sẽ ở mức 100 m là mức có thể chấp nhận ñược ñể cho khách hàng dân sự
ñược khai thác. Song kỹ thuật xử lý tín hiệu code này ñã ñược phát triển ñến
mức có thể ñảm bảo ñộ chính xác đo khoảng cách khoảng 3m, tức là hầu như
không thua kém so với trường hợp sử dụng P-code vốn khơng dành cho khách
hàng đại trà. Chính vì lý do này mà trước đây Chính phủ Mỹ đã đưa ra giải
pháp SA ñể hạn chế khả năng thực tế của C/A code. Nhưng ngày nay do kỹ
thuật ño GPS có thể khắc phục được nhiễu SA, Chính phủ Mỹ ñã tuyên bố bỏ
nhiễu SA trong trị ño GPS từ tháng 5 năm 2000.
• ðo pha sóng tải
Các sóng tải L1, L2 ñược sử dụng cho việc ñịnh vị với ñộ chính xác
cao. Với mục ñích này người ta tiến hành đo hiệu số giữa pha của sóng tải do

máy thu nhận được từ vệ tinh và pha của tín hiệu do chính máy thu tạo ra.
Hiệu số pha do máy thu ño ñược ta ký hiệu là Φ (0<Φ<2π).
Khi ñó ta có thể viết:
2π

( R − N λ + c∆ t )
λ
Trong đó: R là khoảng cách giữa vệ tinh và máy thu;
Φ=

(1.2)

λ là bước sóng của sóng tải;

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội - Luận văn thạc sĩ khoa học nông nghiệp ………………………….

8


N là số nguyên lần bước sóng λ chứa trong R, N cịn được gọi là số
ngun đa trị, thường khơng biết trước mà cần phải xác định trong thời
gian ño;

∆t là sai số ñồng bộ giữa ñồng hồ của vệ tinh và máy thu;
Trong trường hợp ño pha theo sóng tải L1 có thể xác định khoảng cách
giữa vệ tinh và máy thu với độ chính xác cỡ cm, thậm chí nhỏ hơn. Sóng tải
L2 cho độ chính xác thấp hơn, nhưng tác dụng của nó là cùng với L1 tạo ra
khả năng làm giảm ñáng kể tầng ñiện ly và việc xác ñịnh số nguyên ña trị
ñược ñơn giản hơn.

Hình 2.6: Kỹ thuật giải đa trị tại các máy thu
(Theo tài liệu Alfred Leick (1995), GPS Satellite Surveying)
2.1.3.2 ðịnh vị tuyệt ñối (point positioning)
ðây là trường hợp sử dụng máy thu GPS ñể xác ñịnh ngay tọa ñộ của
điểm quan sát trong hệ tọa độ WGS-84. ðó có thể là các thành phần tọa độ
vng góc khơng gian (X,Y,Z) hoặc các thành phần tọa ñộ trắc ñịa mặt cầu
(B,L,H). Hệ thống tọa ñộ WGS-84 là hệ thống tọa ñộ cơ sở của GPS, tọa ñộ

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội - Luận văn thạc sĩ khoa học nông nghiệp ………………………….

9


của vệ tinh và ñiểm quan sát ñều lấy theo hệ thống tọa ñộ này.
Việc ño GPS tuyệt ñối ñược thực hiện trên cơ sở sử dụng ñại lượng ño
là khoảng cách giả từ vệ tinh ñến máy thu theo ngun tắc giao hội cạnh
khơng gian từ các điểm đã biết tọa độ là các vệ tinh.
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 ñó 3 khoảng cách ñược xác ñịnh ñồng 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 ñồng hồ trên vệ tinh và ñồng hồ trong máy thu đều có sai số, nên khoảng
cách đo được khơng phải là khoảng cách chính xác. Kết quả là chúng khơng
thể cắt nhau tại một điểm, nghĩa là khơng thể xác định được vị trí của máy
thu. ðể khắc phục tình trạng này cần sử dụng thêm một đại lượng đo nữa, đó
là khoảng cách từ vệ tinh thứ 4, ta có hệ phương trình:
(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

(1.3)

(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
Với khoảng cách giả ño ñồng thời từ 4 vệ tinh ñến máy thu chúng ta sẽ
lập ñược hệ phương trình dạng (1.3) với 4 ẩn số (X, Y, Z, ∆t). Giải hệ phương
trình trên chúng ta tìm ñược tọa ñộ tuyệt ñối của máy thu và số hiệu chỉnh
ñồng hồ của máy thu.
Trên thực tế với hệ thống vệ tinh hoạt ñộng ñầy ñủ như hiện nay, số
lượng vệ tinh mà các máy thu quan sát ñược thường từ 6-8 vệ tinh, khi đó số
lượng phương trình sẽ lớn 4 và nghiệm của phương trình sẽ tìm theo ngun
lý số bình phương nhỏ nhất.

Trường ðại học Nơng nghiệp Hà Nội - Luận văn thạc sĩ khoa học nông nghiệp ………………………….

10


Hình 2.7: Kỹ thuật định vị tuyệt đối
(Theo tài liệu Alfred Leick (1995), GPS Satellite Surveying)
2.1.3.3 ðịnh vị tương ñối (Relative Positioning)
ðo GPS tương ñối là trường hợp sử dụng hai máy thu GPS ñặt ở hai
ñiểm quan sát khác nhau để xác định ra hiệu tọa độ vng góc khơng gian
(∆X, ∆Y, ∆Z) hay hiệu tọa độ trắc địa mặt cầu (∆B, ∆L, ∆H) giữa chúng
trong hệ tọa ñộ WGS-84.
Nguyên tắc ño GPS tương ñối ñược thực hiện trên cơ sở sử dụng đại
lượng đo là pha của sóng tải. ðể đạt được độ chính xác cao và rất cao cho kết
quả xác ñịnh hiệu tọa ñộ giữa hai ñiểm xét, người ta ñã tạo ra và sử dụng các
sai phân khác nhau cho pha sóng tải nhằm làm giảm ảnh hưởng ñến các
nguồn sai số khác nhau như: Sai số của ñồng hồ vệ tinh cũng như của máy
thu, sai số tọa ñộ vệ tinh, sai số số nguyên ña trị,...

Ta ký hiệu Φrj(ti) là hiệu pha của sóng tải từ vệ tinh j đo được tại trạm r
vào thời điểm ti, khi đó nếu hai trạm đo 1 và 2 ta quan sát ñồng thời vệ tinh j
vào thời điểm ti, ta sẽ có sai phân bậc một ñược biểu diễn như sau:
∆1Φj(ti)= Φ2j(ti)- Φ1j(ti)

(1.4)

Trong sai phân này hầu như khơng cịn ảnh hưởng của sai số ñồng hồ vệ tinh.
Nếu hai trạm cùng tiến hành quan sát ñồng thời hai vệ tinh j và k vào

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội - Luận văn thạc sĩ khoa học nông nghiệp ………………………….

11


thời điểm ti, ta có phân sai bậc hai:
∆2Φj,k(ti)= ∆1Φk(ti)- ∆1Φj(ti)

(1.5)

Qua cơng thức này ta thấy khơng cịn ảnh hưởng của sai số ñồng hồ vệ
tinh và máy thu.
Nếu xét hai trạm cùng tiến hành quan sát ñồng thời hai vệ tinh j và k
vào thời ñiểm ti và ti+1, ta sẽ có phân sai bậc ba:
∆3Φj,k = ∆2Φj,k(ti+1)- ∆2Φj,k(ti)

(1.6)

Sai phân này cho phép loại trừ sai số số nguyên ña trị.
Hiện nay hệ thống GPS có khoảng 32 vệ tinh hoạt động. Do vậy, tại

mỗi thời điểm ta có thể quan sát ñược số vệ tinh nhiều hơn 4. Bằng cách tổng
hợp theo từng cặp vệ tinh sẽ có rất nhiều trị đo, mặt khác thời gian thu tín
hiệu trong đo tương đối thường khá dài vì vậy số lượng trị ño ñể xác ñịnh ra
hiệu tọa ñộ giữa hai điểm là rất lớn, khi đó bài tốn sẽ giải theo phương pháp
số bình phương nhỏ nhất.

Hình 2.8: Kỹ thuật ñịnh vị tương ñối
(Theo tài liệu Alfred Leick (1995), GPS Satellite Surveying)
- Phương pháp ño tĩnh: Phương pháp ño tĩnh được sử dụng để xác định

Trường ðại học Nơng nghiệp Hà Nội - Luận văn thạc sĩ khoa học nông nghiệp ………………………….

12


hiệu tọa độ (hay vị trí tương hỗ) giữa hai ñiểm xét với ñộ chính xác cao, nhằm
ñáp ứng yêu cầu của cơng tác Trắc địa địa hình. Trong trường hợp này cần có
hai máy thu, một máy đặt ở ñiểm ñã biết tọa ñộ còn máy kia ñặt tại ñiểm cần
xác ñịnh. Cả hai máy thu ñồng thời thu tín hiệu từ một số vệ tinh chung trong
một khoảng thời gian nhất ñịnh, thường từ một ñến hai ba giờ ñồng hồ. Số vệ
tinh tối thiểu cho hai trạm quan sát là 4. Khoảng thời gian quan sát kéo dài là
để cho đồ hình phân bố vệ tinh thay ñổi từ ñó ta có thể xác ñịnh ñược số
nguyên ña trị của sóng tải và ñồng thời là ñể có nhiều trị đo nhằm đạt độ
chính xác cao và ổn ñịnh kết quả quan sát.
ðây là phương pháp ñạt ñược ñộ chính xác cao nhất trong việc ñịnh vị
tương đối bằng GPS, có thể cỡ centimet, thậm chí là milimet ở khoảng cách
giữa hai ñiểm xét tới hàng chục và hàng trăm kilomet. Nhược ñiểm của
phương pháp là thời gian ño phải kéo dài hàng giờ, do vậy năng xuất đo
thường khơng cao.
- Phương pháp đo động: Phương pháp ño ñộng cho phép xác ñịnh vị trí

tương ñối của hàng loạt ñiểm so với ñiểm ñã biết. Phương pháp này cần có ít
nhất hai máy thu để xác định số ngun đa trị của tín hiệu vệ tinh, cần phải có
một cạnh đáy đã biết được gối lên điểm ñã có tọa ñộ. Sau khi ñã xác ñịnh số
nguyên ña trị ñược giữ nguyên ñể tính khoảng cách từ vệ tinh ñến máy thu
cho các ñiểm ñi tiếp sau trong suốt cả chu kỳ ño. Nhờ vậy, thời gian thu tín
hiệu tại điểm đo khơng phải là một giờ ñồng hồ như trong phương pháp ño
tĩnh nữa mà chỉ còn một phút trong phương pháp này.
2.1.3.4 ðịnh vị vi phân (Differential GPS) [7]
Phương pháp này dùng một máy thu ñặt cố ñịnh tại ñiểm ñã biết tọa ñộ
và máy thu này có khả năng phát ra tín hiệu vơ tuyến, đồng thời có máy di
động khác đặt ở vị trí cần xác định tọa độ. Cả máy cố định và máy di động
cần đồng thời tiến hành thu tín hiệu từ các vệ tinh như nhau. Nếu thông tin từ

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội - Luận văn thạc sĩ khoa học nông nghiệp ………………………….

13


vệ tinh bị nhiễu thì kết quả xác định tọa ñộ của cả máy cố ñịnh và máy di
ñộng cũng ñều bị sai lệch, ñộ sai lệch này ñược xác ñịnh trên cơ sở so sánh
tọa ñộ tính ra theo tín hiệu thu được từ vệ tinh và tọa độ ñã biết trước của máy
cố ñịnh và có thể xem là như nhau cho cả máy cố ñịnh 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 tọa độ của mình.
2.1.4 Các nguồn sai số trong ñịnh vị GPS [6]
2.1.4.1 Sai số của ñồng hồ
Sai số ñồng hồ gồm ñồng hồ trên vệ tinh, đồng hồ trong máy thu và sự
khơng đồng bộ giữa chúng gây ra sai số của ñồng hồ trong kết quả ño GPS.
ðặc biệt là trong ñịnh vị tuyệt đối sai số này có giá trị tương đối lớn.
Các vệ tinh ñược trang bị ñồng hồ nguyên tử có độ chính xác cao, tính

đồng bộ về thời gian giữa các ñồng hồ vệ tinh ñược giữ trong khoảng 20 nano
giây. Cịn các máy thu GPS được trang bị ñồng hồ thạch anh chất lượng cao
(1 phần 104) ñặt bên trong.
Chúng ta biết rằng vận tốc truyền tín hiệu khoảng 3.108m/s, nếu sai số
ñồng hồ thạch anh là 10-4s thì sai số khoảng cách tương ứng là 30 m, nếu
đồng hồ ngun tử sai 10-7s thì khoảng cách sai 3 m.
Với ảnh hưởng như trên, người ta ñã sử dụng nguyên tắc ñịnh vị tương
ñối ñể loại trừ ảnh hưởng của sai số ñồng hồ.
2.1.4.2 Sai số quỹ ñạo vệ tinh
Chúng ta ñã biết vệ tinh chuyển ñộng trên quỹ ñạo xung quanh trái ñất
chịu nhiều sự tác ñộng như ảnh hưởng của sự thay ñổi trọng trường trái ñất,
ảnh hưởng của sức hút mặt Trăng, mặt Trời,... Các ảnh hưởng trên sẽ tác ñộng
tới quỹ ñạo của vệ tinh, khi đó vệ tinh sẽ khơng chuyển động hồn tồn tn
theo đúng 3 định luật Kepler. Sai số quỹ ñạo vệ tinh ảnh hưởng gần như trọn
vẹn ñến kết quả ñịnh vị tuyệt ñối, song ñược khắc phục về cơ bản trong định

Trường ðại học Nơng nghiệp Hà Nội - Luận văn thạc sĩ khoa học nông nghiệp ………………………….

14


vị tương đối hoặc vi phân.
ðể biết được vị trí của vệ tinh trên quỹ đạo thì người sử dụng có thể
căn cứ vào lịch vệ tinh. Tùy thuộc vào mức độ chính xác của thơng tin, lịch
vệ tinh được chia làm 3 loại là:
- Lịch vệ tinh dự báo (Almanac): Phục vụ cho lập lịch và xác ñịnh
quang cảnh nhìn thấy của vệ tinh tại thời điểm quan sát, lịch vệ tinh này có sai
số khoảng vài km.
- Lịch vệ tinh quảng bá (Broadcast ephemeris): ðược tạo lập dựa trên
5 trạm quan sát thuộc ñoạn ñiều khiển của hệ thống GPS, hiện nay khi chế ñộ

nhiễu SA ñã ñược bỏ thì lịch vệ tinh quảng bá có sai số khoảng từ 2-5 m.
- Lịch vệ tinh chính xác: ðược lập dựa trên cơ sở các số liệu quan trắc
trong mạng lưới giám sát và được tính tốn nhờ một số tổ chức khoa học, loại
lịch này cho sai số nhỏ hơn 0.5m.
2.1.4.3 Ảnh hưởng điều kiện khí tượng
Tín hiệu vệ tinh ñến máy thu ñi qua một quãng ñường lớn hơn
20.000km, trong đó có tầng điện ly từ độ cao 50km tới ñộ cao 500km và tầng
ñối lưu từ ñộ cao 50km ñến mặt ñất. Khi tín hiệu ñi qua các tầng này có thể bị
thay đổi (tán xạ) phụ thuộc vào mật ñộ ñiện tử tự do trong tầng điện ly và tình
trạng hơi nước, nhiệt độ và các bụi khí quyển trong tầng đối lưu.
Người ta ước tính rằng, do ảnh hưởng của tầng điện ly, khi ñịnh vị
tuyệt ñối có thể bị sai số khoảng 12m, cịn ảnh hưởng của tầng đối lưu có thể
gây sai số khoảng 3m.
Các vệ tinh GPS phát tín hiệu ở tần số cao (sóng cực ngắn) do đó ảnh
hưởng của tầng ñiện ly ñã ñược giảm nhiều, tuy vậy cần lưu ý tới đặc tính của
sóng cực ngắn là truyền thẳng và dễ bị che chắn.
Ảnh hưởng của tầng ñiện ly tỷ lệ với bình phương tần số, vì thế khi sử
dụng máy thu 2 tần sẽ khắc phục ñược ảnh hưởng này.

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội - Luận văn thạc sĩ khoa học nông nghiệp ………………………….

15


Tuy vậy, ở khoảng cách ngắn (<10km) tín hiệu tới 2 máy coi như đi
trong cùng mơi trường, sai số sẽ được loại trừ trong các cơng thức tính hiệu
tọa ñộ, do vậy ta nên sử dụng máy một tần, trong khi đó nếu sử dụng máy hai
tần có thể bị nhiễu, làm kết quả kém chính xác.
ðể khắc phục ảnh hưởng của tầng ñối lưu, người ta quy ñịnh chỉ sử
dụng tín hiệu vệ tinh có góc cao trên 15o (hoặc trên 10o).

Hiện nay người ta ñang sử dụng một số mơ hình khí quyển, trong đó có
mơ hình của Hopfield ñược dùng rộng rãi.
2.1.4.4 Sai số do nhiễu tín hiệu
Ăng ten của máy thu khơng chỉ thu tín hiệu đi thẳng từ vệ tinh tới mà
cịn nhận cả các tín hiệu phản xạ từ mặt đất và mơi trường xung quanh. Sai số
này gọi là sai số do nhiễu tín hiệu. Tín hiệu vệ tinh tới máy thu có thể bị nhiễu
do một số ngun nhân sau:
- Tín hiệu bị phản xạ từ các vật (kim loại, bê tơng) gần máy thu.
- Tín hiệu bị nhiễu do ảnh hưởng của các tín hiệu sóng điện từ khác.
- Máy thu GPS ñặt gần các ñường dây tải ñiện cao áp.
- Tín hiệu bị gián đoạn do các vật che chắn tín hiệu.
ðể khắc phục sai số nhiễu tín hiệu, khi thiết kế điểm đo cần bố trí xa
các trạm phát sóng, các đường dây cao thế,... Khơng bố trí máy thu dưới các
rặng cây.
2.1.4.5 Sai số do người ño
Người ño có thể phạm các sai lầm như: trong ño chiều cao anten, dọi
điểm định tâm khơng tốt, đơi khi ghi nhầm chế ñộ ño cao anten. ðể tránh các sai
số này thì người đo GPS cần thận trọng trong ñịnh tâm và ño chiều cao anten.
Cần chú ý là sai số do đo chiều cao anten khơng những ảnh hưởng tới
độ cao của điểm đo mà cịn ảnh hưởng tới vị trí mặt bằng.
Trong khi thu tín hiệu khơng nên đứng vây quanh máy thu, khơng che ơ

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội - Luận văn thạc sĩ khoa học nông nghiệp ………………………….

16


cho máy.
2.1.5 Ưu ñiểm của phương pháp ñịnh vị GPS [9]
- Các vệ tinh có thể được quan trắc trên cùng một vùng lãnh thổ rộng

lớn như quốc gia hay châu lục, trong khi phương pháp ñịnh vị truyền thống
chỉ khống chế ở một khu vực nhỏ hẹp.
- Khơng địi hỏi thơng hướng ở các trạm đo.
- Có thể định vị ở thời gian thực và ở thời ñiểm bất kỳ: trên mặt đất,
trên biển và trong khơng gian cho ñối tượng ñứng yên hay di ñộng.
- Có thể ño 24h/ngày trong mọi điều kiện thời tiết.
- ðộ chính xác ngày càng cao và càng ñược cải thiện.
2.1.6 Tọa ñộ và hệ qui chiếu [4]
Hình dạng trái đất theo quan niệm của thuyết đẳng tĩnh thì trái đất là
một khối vật chất lỏng, do vậy dạng tự nhiên của trái ñất quay sẽ có dạng
Ellipsoid và thế trọng trường trên mặt Ellipsoid trái ñất sẽ bằng nhau. ðiều
này thể hiện sự cân bằng giữa lực trọng trường của khối vật chất lỏng của trái
ñất và lực ly tâm do chuyển động quay của nó.
Một Ellipsoid có hình dạng phù hợp với Geoid trái ñất phải là Ellipsoid
phù hợp theo nghĩa trên phạm vi tồn cầu. Ellipsoid được chọn làm hệ tọa độ
định vị tồn cầu là GRS-80 (Geodetic Reference System 1980), mặt quy chiếu
này ñược hệ ñịnh vị GPS sử dụng gọi là Hệ trắc ñịa thế giới 1984 (WGS-84).
Hệ tọa ñộ này dùng Ellipsoid ñịa tâm xác ñịnh bởi bán trục lớn
a=6378137.0m và nghịch ñảo ñộ dẹt 1/f =298.257223563.
Ellipsoid trái đất biểu thị một mơ hình tốn học mơ tả bề mặt tự nhiên
của trái đất nhưng khơng chỉ rõ cách nhận biết một vị trí cụ thể trên trái ñất.
Mỗi hệ tọa ñộ ñịa phương ñều chỉ rõ mặt quy chiếu và phép chiếu bản ñồ, tức
là xác ñịnh một phương thức biểu thị một ñiểm trên mặt ñất tự nhiên so với
mặt quy chiếu ñó.
Hệ ñịnh vị GPS cho tọa độ vng góc khơng gian 3 chiều X, Y, Z hoặc

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội - Luận văn thạc sĩ khoa học nông nghiệp ………………………….

17