Hệ thống định vị toàn cầu GPS 2

MỤC LỤC
MỤC LỤC..............................................................................................................................................1
MỞ ĐẦU

3

CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ TOÀN CẦU GPS.........................................................5
I.1 GIỚI THIỆU CHUNG:....................................................................................................................5
I.1.1 Phần điều khiển (Control Segment): ................................................................................6
I.1.2. Phần khơng gian (Space Segment): ..................................................................................6
I.1.2.1 Chịm vệ tinh GPS: ....................................................................................................6
I.1.2.2 Cấu trúc tín hiệu GPS................................................................................................6
I.1.3. Phần sử dụng (User Segment): .........................................................................................7
I.1.3.1 Các bộ phận của một thiết bị GPS trong phần sử dụng. ........................................7
I.1.3.2 Những bộ phận chính của máy thu GPS..................................................................8
I.2 NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG GPS:.................................................................9
I.3 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐỊNH VỊ BẰNG HỆ THỐNG GPS........................................................11
I.3.1 Phép định vị tĩnh và định vị động.....................................................................................11
I.3.2 Phép định vị tương đối.....................................................................................................11
I.3.3 Phép định vị nhiều máy thu..............................................................................................12
I.3.4 Phép định vị động tương đối............................................................................................12
I.3.5 Cấu hình hình học GPS và độ chính xác.........................................................................13
I.3.6 Độ suy giảm chính xác.....................................................................................................14
I.4. CÁC NGUỒN SAI SỐ TRONG KẾT QUẢ ĐO GPS.................................................................14
I.4.1 Sai số do đồng hồ..............................................................................................................14
I.4.2 Sai số do quĩ đạo vệ tinh..................................................................................................14
I.4.3 Sai số do tầng điện ly và tầng đối lưu............................................................................15
I.4.4 Sai số do nhiễu tín hiệu:...................................................................................................15
I.5 CÁC ỨNG DỤNG CỦA HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ TOÀN CẦU GPS............................................16
1.5.1 Các ứng dụng trong trắc địa và bản đồ mặt đất............................................................16
I.5.2 Các ứng dụng trong giao thông và thông tin trên mặt đất..............................................17

I.5.3 Các ứng dụng trong trắc địa và bản đồ trên biển:..........................................................17
I.5.4 Các ứng dụng trong giao thông và hải dương học trên biển.........................................17
I.5.5 Các ứng dụng trong trắc địa và bản đồ hàng không.......................................................18
I.5.6 Ứng dụng trong giao thông hàng không...........................................................................18
I.5.7 Các ứng dụng trong thám hiểm không gian....................................................................18
I.5.8 Các ứng dụng trong việc nghỉ ngơi giải trí. ....................................................................19
I.5.9 Các ứng dụng trong quân đội...........................................................................................19
I.6 SỰ PHÁT TRIỂN CỦA CÔNG NGHỆ GPS ĐO TĨNH TRONG GIAI ĐOẠN 1990 ĐẾN NAY
.....................................................................................................................................................19
I.6.1 Nâng cao độ chính xác đo tĩnh thông qua các biện pháp hạn chế sai số đo:.................20
I.6.2 Nâng cao độ chính xác tính tốn nhờ các thuật tốn mới:.............................................21
I.6.3 Nâng cao khả năng cơng nghệ của GPS:........................................................................22
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT KỸ THUẬT ĐO .................................................................................23
VÀ XỬ LÝ TÍNH TỐN BÌNH SAI KẾT QUẢ ĐO GPS................................................................23
II.1 ĐỒ HÌNH VỆ TINH VÀ ẢNH HƯỞNG CỦA MƠI TRƯỜNG.....................................23
II.2 ĐỒ HÌNH LƯỚI TRẮC ĐỊA ĐO BẰNG CƠNG NGHỆ GPS.........................................24
II.3 ĐO GPS........................................................................................................................................26
II.4 XỬ LÝ KHÁI LƯỢC CÁC TRỊ ĐO GPS (TÍNH BASELINES).............................................28
II.4.1 Nguyên lý tính cạnh (tính baselines)...............................................................................28
II.4.2 Phần mềm tính khái lược (tính cạnh)............................................................................29
1 / 43


II.5 BÌNH SAI LƯỚI TRẮC ĐỊA ĐO BẰNG CƠNG NGHỆ GPS..................................................33
II.6 VẤN ĐỀ XÁC ĐỊNH ĐỘ CAO ĐO BẰNG CÔNG NGHỆ GPS...............................................35
CHƯƠNG 3: QUY TRÌNH CƠNG NGHỆ ĐO VÀ XỬ LÝ TÍNH TỐN BÌNH SAI KẾT QUẢ ĐO
GPS ĐỂ THÀNH LẬP CÁC MẠNG LƯỚI TRẮC ĐỊA ...................................................36
(Theo công nghệ GPS của hãng Trimble Navigation)..................................................................................36
TÀI LIỆU THAM KHẢO.................................................................................................................................42
43

-2-


MỞ ĐẦU

Cơng nghệ ứng dụng hệ thống định vị tồn cầu GPS đã được đưa vào sản xuất ở
Việt Nam từ năm 1991. Trên cơ sở sử dụng 3 máy thu GPS của hãng TRIMBLE loại 1
tần số 4000-ST, Liên hiệp KHSX Trắc địa bản đồ thuộc Cục Đo đạc và bản đồ Nhà
nước lúc đó đã gấp rút thử nghiệm để đưa vào sản xuất, nhằm đáp ứng yêu cầu xây
dựng các mạng lưới toạ độ nhà nước ở những khu vực khó khăn nhất của đất nước, mà
bằng công nghệ truyền thống (phương pháp tam giác, đường chuyền) khơng có khả năng
thực hiện, hoặc phải chi phí rất lớn và trong thời gian dài mới thực hiện được. Trong
những năm 1991 đến 1994, theo kế hoạch nhiệm vụ do Cục Đo đạc và bản đồ Nhà nước
giao, Liên hiệp KHSX Trắc địa bản đồ đã xây dựng thành công các mạng lưới toạ độ nhà
nước hạng II ở khu vực Minh Hải, Sông Bé và Tây Nguyên, đồng thời đã xây dựng thành
công mạng lưới trắc địa biển nối các đảo và quần đảo xa ( kể cả Trường Sa ) với mạng
lưới toạ độ nhà nước trên đất liền.
Từ đó đến nay, việc ứng dụng cơng nghệ GPS đã có những bước phát triển rất
lớn. Từ chỗ chỉ có 3 máy thu GPS 1 tần số của hãng TRIMBLE, đến nay ở Việt Nam đã
có trên 82 máy thu GPS các loại của các hãng khác nhau, từ máy thu đặt trên máy bay,
máy thu 2 tần số, máy đo động đến máy có độ chính xác trung bình ( GEO EXPLORER )
để đo khống chế ảnh. Các lĩnh vực ứng dụng công nghệ GPS hiện nay cũng rất đa dạng,
từ ứng dụng để xây dựng các mạng lưới toạ độ nhà nước, độ chính xác cao, khoảng cách
lớn; ứng dụng trong dẫn đường và xác định toạ độ tâm chính ảnh khi bay chụp ảnh bằng
máy bay; xây dựng các mạng lưới toạ độ, độ cao địa chính cấp 1; dẫn đường và xác định
toạ độ đo vẽ bản đồ địa hình đáy biển; đo toạ độ, độ cao các điểm khống chế ảnh ngoại
nghiệp; đo toạ độ độ cao các mốc quốc giới; xây dựng các mạng lưới cơng trình v.v...
Các phần mềm để xử lý tính tốn bình sai các trị đo GPS cũng đa dạng, chủ yếu là các
phần mềm kèm theo máy thu, như TRIMVEC, TRIMVEC PLUS, TRIMNET, TRIMNET

PLUS, GPSURVEY, PHASE PROCESSOR, GEOMATIC OFFICE (hãng TRIMBLE);
GPPS (ASHTECH), v.v... và 1 phần mềm bình sai lưới GPS do Liên hiệp KHSX Trắc địa
bản đồ xây dựng.
Qua kết quả nghiên cứu và trực tiếp tham gia đo và xử lý, tính tốn kết quả đo
GPS chúng tôi biên soạn tập tài liệu này để đồng nghiệp tham khảo. Tập tài liệu gồm 3
chương sau đây:
Chương 1: Giới thiệu hệ thống định vị toàn cầu GPS.
Chương 2: Cơ sở lý thuyết kỹ thuật đo và xử lý tính tốn bình sai kết quả đo GPS.

-3-


Chương 3: Quy trình cơng nghệ đo và xử lý tính tốn bình sai kết quả đo GPS để
thành lập các mạng lưới trắc địa (thiết bị công nghệ GPS của Hãng Trimble Navigation)

-4-


CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ TOÀN CẦU GPS

I.1 GIỚI THIỆU CHUNG:
Hệ thống GPS là một hệ thống định vị vệ tinh tiếp theo sau hệ thống DOPPLER.
GPS là từ viết tắt của GLOBAL POSITIONING SYSTEM. Hệ thống này bắt đầu được
nghiên cứu từ những năm 70 do quân đội Mỹ chủ trì. Trong những năm đầu của thập kỷ
80 quân đội Mỹ đã chính thức cho phép dùng trong dân sự. Từ đó các nhà khoa học của
nhiều nước phát triển đã lao vào cuộc chạy đua để đạt được những thành quả cao nhất
trong lĩnh vực sử dụng hệ thống vệ tinh chuyên dụng GPS. Những thành tựu này cho kết
quả trong hai hướng chủ đạo là chế tạo các máy thu tín hiệu và thiết lập các phần mềm
để chế biến tín hiệu cho các mục đích khác nhau.
Cho tới năm 1988, các máy thu GPS do 10 hãng trên thế giới sản xuất đã đạt

được trình độ cạnh tranh trên thị trường. Vì lý do trên, giá máy đã giảm xuống tới mức
hợp lý mang tính phổ cập. Mười hãng trên thế giới sản xuất máy thu GPS bao gồm các
hãng chính như: TRIMBLE NAVIGATION (Mỹ), ASHTECH (Mỹ), WILD (Thụy sĩ),
SEGSEL (Pháp), MINI MAX (Tây Đức). Theo dư luận thị trường hiện nay máy thu của
hãng TRIMBLE NAVIGATION đang được đánh giá cao nhất.
Về phương diện phần mềm của hệ thống GPS, chúng ta sẽ thấy tính đa dạng
hơn của nó. Trị đo thu được chỉ có một loại, đó là tín hiệu vệ tinh phát ra. Chế biến các
tín hiệu này bằng các phương pháp khác nhau, thuật toán khác nhau chúng ta có được các
tham số hình học và vật lý khác nhau của trái đất. Chúng ta có thể nói khả năng phần
mềm là vơ tận. Với các tín hiệu thu được chúng ta có thể tính được tọa độ khơng gian
tuyệt đối (với độ chính xác 10 m và có thể tới 1 m nếu sử dụng lịch vệ tinh chính xác),
số gia tọa độ khơng gian (độ chính xác từ 1 cm tới 5 cm), số gia tọa độ địa lý (độ chính
xác từ 0.7 đến 4 cm), số gia độ cao (độ chính xác từ 0.4 cm đến 2 cm), và số gia trọng
lực (độ chính xác 0.2 mgl). Ngồi ra cịn có thể có những tham số khác đang được nghiên
cứu.
Toàn bộ phần cứng của hệ thống GPS có tên đầy đủ là NAVSTAR GPS
SYSTEM. NAVSTAR viết tắt chữ NAVIGATION SYSTEM WITH TIME AND
RANGING.
Phần cứng này gồm 3 phần: phần điều khiển (Control Segment), phần không gian
(Space Segment) và phần sử dụng (User Segment).

-5-


I.1.1 Phần điều khiển (Control Segment):
Phần điều khiển gồm 8 trạm mặt đất trong đó có 4 trạm theo dõi (Monitor
Station): Diego Garcia, Ascension, Kwajalein và Hawaii; một trạm điều khiển trung tâm
(Master Control Station) và 3 trạm hiệu chỉnh số liệu (Upload Station). Lưới trắc địa đặt
trên 4 trạm này được xác định bằng phương pháp giao thoa đường đáy dài (VLBI). Trạm
trung tâm làm nhiệm vụ tính tốn lại tọa độ của các vệ tinh theo số liệu của 4 trạm theo

dõi thu được từ vệ tinh. Sau tính tốn các số liệu được gửi từ trạm trung tâm tới 3 trạm
hiệu chỉnh số liệu và từ đó gửi tiếp tới các vệ tinh. Như vậy trong vòng 1 giờ các vệ tinh
đều có một số liệu đã được hiệu chỉnh để phát cho các máy thu.
I.1.2. Phần khơng gian (Space Segment):
I.1.2.1 Chịm vệ tinh GPS:
Bao gồm 24 vệ tinh bay trên quỹ đạo có độ cao đồng nhất 20 200 km, chu kỳ 12
giờ, phân phối đều trên 6 mặt phẳng quỹ đạo nghiêng với xích đạo một góc 55o. Việc bố
trí này nhằm mục đích để tại mỗi thời điểm và mỗi vị trí trên trái đất đều có thể quan sát
được 4 vệ tinh.
Mỗi vệ tinh phát 2 tần số sóng mang với tần số cao L1=1575.42 MHz và
L2=1227.60 MHz. Loại sóng này phát trên cơ sở dãy số tựa ngẫu nhiên bao gồm các số 0
và 1. Mã này được gọi tên là mã P (Precise). Bên cạnh mã P sóng cịn mang đi mã C/A
(Clear/Acquisition) trong sóng L1. Mã C/A được phát với 2 tần số 10.23 MHz và 1.023
MHz. Ngoài 2 mã trên vệ tinh cịn phát mã phụ có tần số 50 Hz chứa các thông tin về lịch
vệ tinh. Các vệ tinh đều được trang bị đồng hồ nguyên tử với độ chính xác cao.
Các vệ tinh NAVSTAR có 2 trạng thái: "hoạt động khỏe" ( Healthy) và "hoạt động
không khoẻ ( Unhealthy). Hai trạng thái của vệ tinh này được quyết định do 4 trạm điều
khiển mặt đất. Chúng ta có thể sử dụng tín hiệu của các vệ tinh ở cả hai trạng thái "hoạt
động khỏe" và "hoạt động khơng khỏe".
I.1.2.2 Cấu trúc tín hiệu GPS
Mỗi vệ tinh đều truyền hai tần số dùng cho công việc định vị là tần số 1575,42
MHz và tần số 1227,60 NHz. Hai sóng mang này gọi là L1 và L2, rất mạch lạc và được
điều chế bởi những tín hiệu khác nhau.
Mã nhiễu giải ngẫu nhiên (PRN) thứ nhất được biết dưới cái tên là mã C/A
(Coarse/Acquisite-code), bao gồm một chuỗi các số cộng một và trừ một, được phát đi ở
tần số fo/10= 1.023 MHz. Chuỗi này được lặp lại sau mỗi mili giây đồng hồ. Mã nhiễu
giải ngẫu nhiên (PRN) thứ hai, được biết dưới cái tên là mã P (Precise - code), bao gồm
một chuỗi các số cộng một và trừ một khác, được phát đi ở tần số fo = 10,23 MHz.

-6-

Chuỗi này chỉ lặp lại sau 267 ngày. Thời gian 267 ngày này được cắt ra làm 38 đoạn 7
ngày. Trong 38 đoạn này có một đoạn khơng dùng đến, 5 đoạn dùng cho các trạm mặt
đất , theo dõi các tàu thuyền sử dụng, gọi là trạm giả vệ tinh (Pseudolite), còn lại 32
đoạn 7 ngày dành cho những vệ tinh khác nhau. Mã Y (Y-code) là mã PRN tương tự như
mã P, có thể dùng thay cho mã P. Tuy nhiên phương trình tạo ra mã P thì được cơng bố
rộng rãi và khơng giữ bí mật, trong khi phương trình tạo ra mã Y thì giữ bí mật. Vì vậy,
nếu mã Y được sử dụng thì những người sử dụng GPS khơng có giấy phép (nói chung là
những người không thuộc quân đội Mỹ và đồng minh của họ) sẽ khơng thu được mã P
(hoặc mã Y).
Sóng mang L1 được điều chế bằng cả 2 mã ( Mã-C/A và Mã`-P hoặc mã Y), trong
khi sóng mang L2 chỉ bao gồm một Mã-P hoặc mã Y.
Các mã được điều chế trên sóng mang bằng cách giản đơn có ý thức. Nếu mã có
trị số -1 thì phase sóng mang đổi 1800, cịn nếu mã số có trị số +1 thì phase sóng mang giữ
ngun khơng thay đổi.
Cả hai sóng mang đều mang thơng báo vệ tinh (Satellite message) cần phát dưới
dạng một dòng dữ liệu được thiết kế ở tần số thấp (50Hz) để thông báo tới người sử
dụng tình trạng và vị trí của vệ tinh. Các dữ liệu này sẽ được các máy thu giải mã và
dùng vào việc xác định vị trí của máy theo thời gian thực.
I.1.3. Phần sử dụng (User Segment):
Phần sử dụng bao gồm các máy thu tín hiệu từ vệ tinh trên đất liền, máy bay và
tàu thủy. Các máy thu này phân làm 2 loại: máy thu 1 tần số và máy thu 2 tần số. Máy thu
1 tần số chỉ nhận được các mã phát đi với sóng mang L1. Các máy thu 2 tần số nhận
được cả 2 sóng mang L1 và L2. Các máy thu 1 tần số phát huy tác dụng trong đo tọa độ
tuyệt đối với độ chính xác 10 m và tọa độ tương đối với độ chính xác từ 1 đến 5 cm
trong khoảng cách nhỏ hơn 50 km. Với khoảng cách lớn hơn 50 km độ chính xác sẽ giảm
đi đáng kể (độ chính xác cỡ dm). Để đo được trên những khoảng cách dài đến vài nghìn
km chúng ta phải sử dụng máy 2 tần số để khử đi ảnh hưởng của tầng ion trong khí
quyển trái đất. Tồn bộ phần cứng GPS hoạt động trong hệ thống tọa độ WGS-84 với

kích thước elipsoid a=6378137.0 m và α=1:29825722.
I.1.3.1 Các bộ phận của một thiết bị GPS trong phần sử dụng.
Phần sử dụng GPS có thể được coi gồm 3 bộ phận chính:
* Phần cứng
* Phần mềm
* Phần triển khai cơng nghệ

-7-


Phần cứng bao gồm máy thu mạch điện tử , các bộ dao động tần số vô tuyến RF
(Radio Friquency), các ăngten và các thiết bị ngoại vi cần thiết để hoạt động máy thu.
Đặc điểm chính yếu của bộ phận này là tính chắc chắn, có thể xách tay, tin cậy khi làm
việc ngoài trời và dễ thao tác.
Phần mền bao gồm những chương trình tính dùng để xử lý dữ liệu cụ thể,
chuyển đổi những thông báo GPS thành những thông tin định vị hoặc dẫn đường đi hữu
ích. Những chương trình này cho phép người sử dụng tác động khi cần để có thể lợi
dụng được những ưu điểm của nhiều đặc tính định vị GPS. Những chương trình này có
thể sử dụng được trong điều kiện ngoại nghiệp và được thiết kế sao cho có thể cung
cấp những thơng báo hữu ích về trạng thái và sự tiến bộ của hệ thống tới người điều
hành. Ngoài ra trong phần mềm cịn bao gồm những chương trình phát triển tính độc lập
của máy thu GPS , có thể đánh giá được các nhân tố như tính sẵn sàng của vệ tinh và
mức độ tin cậy của độ chính xác.
Phần triển khai cơng nghệ hướng tới mọi lĩnh vực liên quan đến GPS như: cải
tiến thiết kế máy thu, phân tích và mơ hình hố hiệu ứng của ăngten khác nhau, hiệu ứng
truyền sóng và sự phối hợp của chúng trong phần mềm xử lý số liệu, phát triển các hệ
thống liên kết truyền thông một cách tin cậy cho các hoạt động định vị GPS cự ly dài và
ngắn khác nhau và theo dõi các xu thế phát triển trong lĩnh vực giá cả và hiệu suất thiết
bị.
I.1.3.2 Những bộ phận chính của máy thu GPS.

Các bộ phận cơ bản của một máy thu GPS bao gồm:
* Ăngten và bộ tiền khuếch đại
* Phần tần số vô tuyến (RF)
* Bộ vi xử lí
* Đầu thu hoặc bộ điều khiển và thể hiện
* Thiết bị ghi chép
* Nguồn năng lượng
Ăngten và bộ tiền khuếch đại : Các Ăngten dùng cho máy thu GPS thuộc loại
chùm sóng rộng , vì vậy khơng cần phải hướng tới nguồn tín hiệu giống như các đĩa
ăngten vệ tinh . Các ăngten này tương đối chắc chắn và có thể đặt trên ba chân hoặc lắp
trên các phương tiện giao thơng, vi trí thực sự được xác định là trung tâm Phase của
ăngten, sau đó được truyền lên mốc trắc địa.

-8-


Phần tần số vô tuyến : Bao gồm các vi mạch điện tử xử lí tín hiệu và kết hợp số
hóa và giải tích. Mỗi kiểu máy thu khác nhau dùng những kỹ thuật xử lí tín hiệu khác
nhau đơi chút, các phương pháp này là :
* Tương quan mã
* Phase và tần số mã
* Cầu phương tín hiệu sóng mang
Phần tần số vô tuyến bao gồm các kênh sử dụng một trong ba phương pháp nói
trên để truy cập các tín hiệu GPS nhận được, số lượng các kênh biến đổi trong khoảng
từ 1 đến 12 tuỳ theo nhũng máy thu khác nhau.
Bộ điều khiển: Cho phép người điều hành can thiệp vào bộ vi xử lí. Kíck thước
và kiểu dáng của bộ điều khiển ở các loại máy thu khác nhau cũng khác nhau.
Thiết bị ghi : Người ta dùng máy ghi băng từ hoặc các đĩa mềm để ghi các trị số
quan trắc và những thông tin hữu ích khác được tách ra từ những tin hiệu thu được
Nguồn năng lượng : Phần lớn các máy thu đều dùng nguồn điện một chiều điện

áp thấp, chỉ có một vài máy địi hỏi phải có nguồn điện xoay chiều.

I.2 NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG GPS:
Như chúng ta đã biết về nguyên lý hoạt động của hệ thống DOPPLER, đó là
nguyên lý của sự thay đổi tần số tín hiệu khi nơi phát tín hiệu chuyển động. Hệ thống
GPS hoạt động trên một nguyên lý hoàn toàn khác. Để xác định tọa độ tuyệt đối của một
điểm mặt đất chúng ta sử dụng kỹ thuật "tựa khoảng cách". Kỹ thuật này được mô tả
bằng công thức:
C .t + C . ∆t = (x s − x p ) 2 + (y s − y p ) 2 + (z s − z p ) 2

(1)

ở đây: s=[xs ys zs] - Tọa độ vệ tinh;
p=[xp yp zp] - Tọa độ điểm mặt đất;
c - Tọa độ sóng;
t - Thời gian sóng đi từ vệ tinh tới máy thu.
∆t - Số hiệu chỉnh thời gian.
Tập hợp các phương trình đo dạng (1) ta có hệ thống phương trình sai số có 4 ẩn
số là t, xp yp zp trong đó xs ys zs biết được từ mã lịch vệ tinh (tần số 50Hz), t được xác
định theo đồng hồ vệ tinh và máy thu theo mã C/A, c là hằng số tốc độ truyền sóng điện
từ. Theo kỹ thuật này chúng ta có thể xác định tọa độ với độ chính xác 10 m. Nếu kết
quả trên được gửi tới trạm điều khiển trung tâm, chúng ta có được tọa độ tuyệt đối mặt
đất với độ chính xác 1 m. Sở dĩ độ chính xác được tăng lên đáng kể vì máy thu chỉ thu
-9-


được lịch vệ tinh dự báo, còn ở trạm điều khiển trung tâm có lịch vệ tinh chính xác. Qua
đây chúng ta thấy tọa độ tuyệt đối các điểm mặt đất được xác định có độ chính xác kém
phương pháp DOPPLER. Sở dĩ như vậy vì vệ tinh của hệ thống GPS có độ cao gấp đơi
hệ thống DOPPLER. Tọa độ tuyệt đối với độ chính xác 10 m của hệ thống GPS chỉ dùng

để đáp ứng 2 mục đích:
- Đạo hàng ( định vị cho các đối tượng chuyển động như tàu biển, máy bay....)
- Cung cấp tọa độ gần đúng cho phương pháp đo tọa độ tương đối GPS.
Ngược lại với độ chính xác của tọa độ tuyệt đối, công nghệ GPS đã đạt được
thành tựu đáng kể trong việc xác định tọa độ tương đối. Nguyên lý đo tọa độ tương đối
là xác định pha của sóng mang L1 (với máy thu 1 tần số) hay L1 và L2 (với máy thu 2 tần
số).
Chúng ta có cơng thức:
S = Nλ + ϕλ

(2)

Trong đó: λ - Bước sóng (λ = c/f)
f: Tần số sóng;
N: Số nguyên lần bước sóng;
ϕ: Pha của sóng;
S: Khoảng cách vệ tinh - máy thu.
Từ cơng thức (2) chúng ta có:
ϕ = (f/c).S - N

(3)

Xét cơng thức (3) từ một phía khác chúng ta có thể viết:
ϕ(t) = φs(ts ) - φp(t) + Nsp

(4)

φs(ts ) - Pha của sóng tại thời điểm ts khi vệ tinh bắt đầu phát tín hiệu;
φp(t) - Pha của sóng tại thời điểm t khi máy thu nhận được tín hiệu;
Nsp - Số ngun lần bước sóng.

Từ các cơng thức trên ta suy ra:
ϕ(t) = φs(t) - (f/c).Ssp - φp(t) + Nsp

(5)

Kết hợp các thành phần của vế phải của công thức (5) chúng ta biểu diễn dưới
dạng:
ϕ(t) = - (f/c).Ssp - αp(t) + βs(t) + γsp
Trong đó:

- 10 -

(6)


αp(t) - Thành phần ảnh hưởng hệ thống pha (t) do máy thu gây ra (chủ yếu là số
hiệu chỉnh đồng hồ máy thu)
βs(t) - Thành phần ảnh hưởng hệ thống pha (t) do vệ tinh gây ra (chủ yếu là số
hiệu chỉnh đồng hồ vệ tinh)
γsp(t) - Thành phần ảnh hưởng hệ thống pha (t) do cả vệ tinh và máy thu gây ra
không phụ thuộc thời gian (chủ yếu là φs(to) - φp(to) + Nsp , trong đó to là thời điểm bắt đầu
đo)
Cơng thức (6) chính là cơng thức cơ bản để lập phương trình đo trong kỹ thuật đo
tọa độ tương đối GPS. Điều quan trọng nhất là chúng ta phải tổ hợp các trị đo sao cho
khử được các thành phần hệ thống p(t), s(t) và p.

I.3 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐỊNH VỊ BẰNG HỆ THỐNG
GPS
I.3.1 Phép định vị tĩnh và định vị động.
Hệ GPS có thể được dùng để định vị các vật thể tĩnh tại hoặc các vật thể chuyển

động. Mặc dù trị quan trắc là như nhau, nhưng trên thực tế do ăngten tĩnh hoặc động khác
nhau nên dãn đến những khác nhau rất lớn.
Nếu ăngten cố định chúng ta có thể quan trắc nhiều cự li đến vệ tinh khác nhau,
việc làm này cho phép ta có những trị đo dư thừa, giải nghiệm từ nhiều trị đo và nhận
được độ chính xác cao của vị trí được xác định. Khi ăngten chuyển động chúng ta chỉ có
thể nhận được những chỉ định (Fix) tức thời, (thông thường từ 4 cự ly được quan trắc
đồng thời hoặc gần như đồng thời) không có số đo dư thừa.
Trong trường hơp định vị tĩnh, chúng ta có thể nhận được hoặc là một kết quả
theo thời gian thực, trong đó mơĩ trị quan trắc mới đều được sử lý sao cho có thể cải
thiện được trị toạ độ vị trí đã được xác định trước đó, hoặc là các trị quan trắc có thể
được xử lý sau khi kết thúc cơng tác ngồi trời.Chúng ta gọi là nghiệm xử lý sau
(postprocessed solution).
Trong phép định vị động, thường người ta cũng tìm kiếm nghiệm theo thời gian
thực, nhưng nghiệm này chỉ bao gồm một vị trí ( Fix ) tại một thời điểm. Một chuỗi các
kết quả tại những chỉ định này ( lộ trình rời rạc của phương tiện lưu thơng ) có thể được
xử lý bằng cách sử dụng một trong số những thủ thuật tiếp cận bằng đường cong trơn.
I.3.2 Phép định vị tương đối.
Khi địi hỏi trị đo có độ chính xác cao, cần phải sử dụng phép định vị tương đối.
Trong kiểu đo này, hai ăngten cùng hai máy thu tương ứng được đặt tại hai đầu của cạnh
- 11 -


cần quan trắc và phải làm việc đồng thời. Sở dĩ có thể đạt được độ chính xác cao trong
kiểu đo này là vì một số sai số tích luỹ trong các cự ly quan trắc thường đồng nhất với
nhau hoặc tối thiểu cũng tương tự nhau tại hai đầu của đường đáy. Các sai số này có thể
được loại trừ hoặc ít nhất cũng giảm một cách đáng kể khi xác định trị số định vị tương
đối.
Một kiểu định vị tương đối đặc biệt hấp dẫn, lần đầu tiên được Ben Remondi
thuộc Cục Đo đạc trắc địa Mỹ đề xuất, là kiểu định vị tương đối dạng bán động (relative
semi kinematic positioning). Ý tưởng của kiểu đo này là sử dụng một máy tĩnh vàmột máy

di động lang thang xung quanh. Nếu không xuất hiện trị số trượt chu kỳ trong các máy thu
thì có thể liên tục đảm bảo độ chính xác tốt hơn 1 chu kỳ (20 cm) của tín hiệu phase
phách sóng mang trong các trị số định vị tương đối giữa máy thu tĩnh và máy thu lang
thang. Kiến nghị này có hai ngụ ý:
* Các ứng dụng định vị động có thể lợi dụng độ chính xác cao hơn nhiều của số
đo sóng mang, thay vì bị hạn chế trong độ chính xác của số đo mã.
* Mở ra một phạm vi rộng hơn trong ứng dụng phép định vị GPS: lập tam giác
ảnh hàng không không dùng đến những điểm khống chế mặt đất.
I.3.3 Phép định vị nhiều máy thu.
Độ chính xác của các kết quả đo sẽ được cải thiện một cách đáng kể khi một số
máy thu được triển khai dưới dạng một mạng lưới định vị. Nói chung, một mạng lưới
ln có cấu hình mạnh hơn về mặt hình học so với một cạnh đo vì có số đo dư thừa các cạnh đo trong lưới cần phải thoả mãn những điều kiện được xác định bằng phương
pháp hình học. Các trị đo dư thừa được dùng để kiểm soát ảnh hưởng của những sai số
khác nhau, bao gồm sai số ngẫu nhiên và sai số hệ thống trong các trị quan trắc. Chúng ta
để ý thấy rằng ngay cả khi chỉ có 2 máy thu cũng nên liên kết các cạnh đáy thiết kế thành
các mạng lưới, có như thế mới cải thiện được độ chính xác của các trị số định vị.
Khi triển khai nhiều máy thu, người ta phải đối đầu với những qui luật khác
thường, liên quan đến phần lưới mà trên đó các máy thu đang hoạt động và liên quan đến
các giai đoạn quan trắc trên từng trạm riêng biệt. Trong hoàn cảnh như vậy, người ta cần
phải đặc biệt chú ý thực hiện tối ưu hố lịch đo để đạt độ chính xác tốt nhất bằng những
công cụ rẻ tiền nhất.
I.3.4 Phép định vị động tương đối
Nếu cần phải xác định vị trí chuyển động với độ chính xác cao thi các phép định vị
điểm mơ tả trước đây có thể khơng đủ sử dụng. Khi đó, cần phải dùng tới khái niệm
định vị phân sai (differential) tương đối. ý tưởng chính của phép đo này là dùng một
ăngten tĩnh tại làm điểm tham chiếu. Sau đó, máy thu các ăngten tĩnh tại truy cập những
- 12 -


vệ tinh giống như những vệ tinh đang được máy thu có ăngten chuyển động truy cập (tốt

nhất là truy cập tất cả các vệ tinh nhìn thấy được). Độ chính xác được coi là phụ thuộc
vào vị trí của máy tĩnh tại và sự hoạt động của đồng hồ. Sở dĩ có sự khác nhau (tức sai số
khép độ dài) giữa những cự li đo tới các vệ tinh và những cự li tính được từ vị trí "biết
trước" của máy thu tĩnh tại và đồng hồ và sở dĩ có sự biến đổi trơng thấy trong vị trí của
máy thu tĩnh tại là do có những biến động tức thời trong thông tin quỹ đạo trong giá trị
thời gian trễ do khí quyển và trong hoạt động của đồng hồ.
Người ta truyền khoảng lệch vị trí (Position offset) hoặc sai số khép độ dài tới
máy thu chuyển động thông qua việc nối thông tin liên lac trong thời gian thực . Kết quả
của các nghiên cứu cho tháy rằng người ta nhận được những kết quả tốt hơn và việc bổ
sung số liệu chỉnh cũng dễ dàng hơn khi dùng sai số khép độ dài thay cho khoảng lệch vị
trí. Số hiệu chỉnh thời gian thực này đã nâng cao độ chính xác và độ tin cậy của phép định
vị động.
Máy thu tĩnh tại có thể được coi là một vệ tinh giả đặt trên bờ để truyền tín hiệu
và thơng báo đã được mã hố bằng cùng một cách giống như những gì đã được truyền
qua vệ tinh.
I.3.5 Cấu hình hình học GPS và độ chính xác.
Độ chính xác định vị điểm bằng GPS phụ thuộc vào hai yếu tố: cấu hình hình học
vị trí vệ tinh và độ chính xác đo đạc. Thành phần thơng thường của độ chính xác đo đạc
GPS là sai số đo dài tương đương của người sử dụng (UERE - User Equivalent Range
Error) thể hiện ảnh hưởng tổng hợp của tính thiếu tin cậy của lịch thiên văn, sai số
truyền sóng, sai số đồng hồ đo thời gian và nhiễu trong máy thu.
Ảnh hưởng của cấu hình hình học vệ tinh được thể hiện bằng các suy giảm chính
xác DOP (Dilution of Precision) và được tính bằng tỉ số giữa độ chính xác định vị và độ
chính xác đo, hoặc: σ = DOP. σo
Trong đó σo là độ chính xác của trị số đo (độ tán xạ tiêu chuẩn)
σ là độ chính xác định vị (độ tán xạ tiêu chuẩn trong một trị số tọa độ)
DOP là một trị số vô hướng thể hiện tác động của cấu hình hình học đối với độ
chính xác của vị trí điểm. Có nhiều trị số DOP khác nhau, tùy thuộc chúng ta quan tâm độ
chính xác của một trị số tọa độ riêng biệt hay là tổng hợp của những tọa độ. Các trị số
DOP thường dùng nhất là:

VDOP. σo là độ chính xác tiêu chuẩn trong cao độ.
HDOP. σo là độ chính xác vị trí mặt phẳng 2D.

- 13 -


PDOP. σo là độ chính xác vị trí khơng gian 3D.
TDOP. σo là độ chính xác tiêu chuẩn trong thời gian.
THDOP. σo là độ chính xác mặt phẳng và thời gian.
GDOP. σo là độ chính xác vị trí khơng gian 3D và thời gian.
Khoảng tin cậy đối với vị trí điểm xác định trên mặt phẳng chính là căn bậc hai
tổng bình phương hai trục của elip sai số. Đó chính là HDOP. Nói chung, mỗi DOP đều
tương đương với một căn bậc hai của tổng các bình phương của khoảng tin cậy trên các
trục tương ứng với những tham số chúng ta quan tâm.
I.3.6 Độ suy giảm chính xác.
Độ suy giảm chính xác DOP là số đo cường độ hình học của cấu hình phân bố vệ
tinh GPS. Bởi vì cấu hình vệ tinh phụ thuộc vào vị trí, cho nên cường độ cấu hình thay
đổi theo thời gian khi các vệ tinh chuyển động trên quỹ đạo của chúng từ vị trí này đến vị
trí kia.
Chúng ta mong muốn trị DOP càng nhỏ càng tốt. Giả thiết độ chính xác trị số đo là
10 m, trị DOP là 5 thì chúng ta có độ chính xác định vị là 50 m. Nếu trị DOP gần bằng
đơn vị thì độ chính xác định vị của chúng ta gần bằng độ chính xác trị số đo 10 m (một
tình huống may mắn nhất).

I.4. CÁC NGUỒN SAI SỐ TRONG KẾT QUẢ ĐO GPS
I.4.1 Sai số do đồng hồ.
Đây là sai số của đồng hồ trên vệ tinh, đồng hồ trên máy thu và sự không đồng
bộ của chúng.
Đồng hồ trên vệ tinh được trạm điều khiển trên mặt đất theo dõi và do đó nếu
phát hiện có sai lệch trạm này sẽ phát tín hiệu chỉ thị thơng báo số cải chính cho máy thu

GPS biết để sử lý. Để làm giảm ảnh hưởng sai số đồng hồ cả của vệ tinh và máy thu,
người ta sử dụng hiệu các trị đo giữa các vệ tinh cũng như giữa các trạm quan sát.
I.4.2 Sai số do quĩ đạo vệ tinh
Chuyển động của vệ tinh trên quĩ đạo không tuân thủ nghiêm ngặt định luật
Kepler do có nhiều tác động nhiễu như: Tính khơng đồng nhất của trọng trường trái đất,
ảnh hưởng của sức hút của mặt trăng, mặt trời và của các thiên thể khác, sức cản của
khí quyển, áp lực của bức xạ mặt trời,... Vị trí tức thời của vệ tinh chỉ có thể xác định
theo mơ hình chuyển động được xây dựng trên cơ sở các số liệu quan sát từ các trạm có
độ chính xác cao trên mặt đất thuộc phần điều khiển của hệ thống GPS và đương nhiên
có chứa sai số. Có hai loại ephemerit được xác định từ kết quả hậu sử lý số liệu quan sát
- 14 -


cho chính các thời điểm nằm trong khoảng thời gian quan sát và ephemerit được ngoại
suy từ các ephemerit nêu trên cho máy ngày tiếp theo, loại ephemerit thứ nhất có độ chính
xác ở mức 10 - 50 m, và chỉ được cung cấp khi được Chính phủ Mỹ cho phép, còn loại
thứ 2 ở mức 20 -100 m và cho phép khách hàng sử dụng. Sai số vị trí của vệ tinh ảnh
hưởng gần như trọn vẹn tới sai số xác định toạ độ của điểm quan trắc đơn riêng biệt,
nhưng lại được loại trừ đáng kể trong kết quả định vị tương đối giữa hai điểm.
I.4.3 Sai số do tầng điện ly và tầng đối lưu
Được phát đi từ vệ tinh ở độ cao 20 200 km xuống tới máy thu trên mặt đất, các
tín hiệu vơ tuyến phải xuyên qua tầng điện ly và tầng đối lưu. Tốc độ lan truyền tín hiệu
tăng tỉ lệ thuận với mật độ điện tử tự do trong tầng điện ly và tỉ lệ nghịch với bình
phương tần số của tín hiệu. Ảnh hưởng của tầng điện ly sẽ được loại trừ đáng kể bằng
cách sử dụng hai tần số tải khác nhau. Chính vì thế, để đảm bảo định vị với độ chính xác
cao người ta sử dụng các máy thu GPS 2 tần số. Xong khi 2 điểm quan sát ở gần nhau thì
ảnh hưởng nhiễu xạ do 2 tần số kết hợp sẽ lớn hơn so với 1 tần số và do vậy nên sử
dụng máy thu 1 tần số cho trường hợp định vị ở khoảng cách ngắn. Ảnh hưởng của tầng
điện ly vào ban đêm sẽ nhỏ hơn tới 5-6 lần so với ban ngày.
Ảnh hưởng của tầng đối lưu có thể được mơ hình hóa theo các yếu tố khí tượng

là nhiệt độ, áp suất và độ ẩm. Nó có thể được xem là gần như nhau đối với hai điểm
quan sát ở cách nhau khơng q vài chục km và vì thế sẽ được loại trừ đáng kể trong
hiệu trị đo giữa hai điểm quan sát.
Để làm giảm ảnh hưởng của tầng điện ly và tầng đối lưu người ta quy định chỉ
quan sát vệ tinh ở độ cao từ 15o trở lên so với mặt phẳng chân trời.
I.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 còn nhận cả
các tín hiệu phản xạ từ mặt đất và mơi trường xung quanh. Sai số do hiện tượng này gây
ra được gọi là sai số do nhiễu xạ của tín hiệu vệ tinh. Để làm giảm sai số này, các nhà
chế tạo máy thu khơng ngừng hồn thiện cấu tạo của cả máy thu và ăng ten.
Tổng hợp ảnh hưởng của các nguồn sai số chủ yếu nêu trên cùng với nguồn sai
số phụ khác, khoảng cách từ vệ tinh đến các điểm quan sát phụ khác sẽ có sai số 13 m
với xác suất 95%. Nếu xét đến ảnh hưởng của chế độ C\A thì sai số này sẽ là 50 m.
Song các giá trị này mới chỉ là sai số của khoảng cách từ mỗi vệ tinh đến điểm quan sát,
chứ không phải là sai số của bản thân vị trí điểm quan sát. Do vị trí điểm quan sát được
xác định bởi phép giao hội khoảng cách từ các vệ tinh nên độ chính xác của nó phụ thuộc
vào các góc giao hội, tức là phụ thuộc vào đồ hình phân bố vệ tinh so với điểm quan sát.
để có được sai số vị trí điểm quan sát ta phải đem sai số khoảng cách giao hội nhân với
- 15 -


một hệ số lớn hơn 1. Hệ số này đặc trưng cho đồ hình giao hội và được gọi là hệ số
phân tán độ chính xác (Dilution of Precision - DOP). Rõ ràng DOP càng nhỏ thì vị trí điểm
quan sát được xác định càng chính xác.
Hệ số DOP tổng hợp nhất là hệ số phân tán độ chính xác hình học - GDOP, vì nó
đặc trưng cho cả ba thành phần tọa độ không gian X, Y, Z và yếu tố thời gian t. Hệ số
GDOP từ 2 - 4 được coi là tốt.

I.5 CÁC ỨNG DỤNG CỦA HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ TOÀN
CẦU GPS

1.5.1 Các ứng dụng trong trắc địa và bản đồ mặt đất
Độ chính xác cao của các trị số đo Phase sóng mang GPS cùng với những thuật
tốn bình sai xấp xỉ dần cung cấp một cơng cụ thích hợp cho nhiều nhiệm vụ khác nhau
trong cơng tác trắc địa và bản đồ. Chúng ta có thể chia các ứng dụng này làm 4 loại:
- Đo đạc địa chính
- Lập lưới khống chế trắc địa.
- Theo dõi độ biến dạng cục bộ.
- Theo dõi độ biến dạng tồn bộ.
Đo đạc địa chính địi hỏi độ chính xác vị trí tương đối khoảng 10-4. Người ta có
thể đạt được độ chính xác này một cách dễ dàng bằng cách quan trắc GPS.
Lưới khống chế trắc địa là những lưới trắc địa có độ chính xác cao. Độ chính xác
yêu cầu về vị trí tương đối khoảng 5.10-6 đến 1.10-6 ứng với các cự ly 20 - 100 km. Độ
chính xác này có thể đạt được bằng cách xử lý sau các trị đo phase sóng mang GPS bằng
những phần mềm tiêu chuẩn. Các cấp hạng khống chế thấp hơn (ví dụ lưới đo vẽ bản
đồ) có thể cũng được thành lập bằng phương pháp GPS.
Việc theo dõi độ biến dạng cục bộ (lún do khai thác mỏ, biến dạng cơng trình)
địi hỏi độ chính xác 1 mm đến 1 cm trên cự ly tới một vài km. Đối với những ứng dụng
này, độ chính xác có thể đạt được nói trên bị hạn chế bởi sự thiếu chắc chắn trong sự
biến đổi của các tấm vi mạch trong ăng ten GPS và sự sai lệch về tín hiệu do môi trường
phản xạ nơi đặt ăng ten. Hơn thế nữa, khó khăn bị tăng lên do khả năng nhìn thấy vệ tinh
bị giới hạn vì hiện tượng bóng tối của tín hiệu trong mơi trường cơng nghiệp tiêu biểu.
Việc theo dõi độ biến dạng toàn bộ (hoạt động kiến tạo của địa tầng) địi hỏi độ
chính xác khoảng 10-7 - 10-8 trên cự ly liên lục địa. Sự khác nhau cơ bản giữa việc theo
dõi biến dạng toàn bộ so với những ứng dụng đã nói trên là ở chỗ trong trường hợp này

- 16 -


cần phải có một mơ hình phức tạp về các quỹ đạo vệ tinh GPS, các trị thời trễ khi
truyền tín hiệu qua tầng khí quyển và các độ lệch khác.

I.5.2 Các ứng dụng trong giao thông và thông tin trên mặt đất
Việc phổ biến rộng rãi phép định vị hàng hải bằng GPS trong giao thông dân dụng
hầu như tăng dần dần thay thế các phương pháp truyền thống. Trong việc xác định các
hành trình trên mặt đất, một màn hình tự động thể hiện vị trí của phương tiện (được xác
định bằng GPS) trên một sơ đồ điện tử có thể sẽ thay thế sự so sánh có tính thủ cơng các
vật thể xung quanh phương tiện với bản đồ truyền thống. Ứng dụng này thuộc loại cực
kỳ quan trọng đối với các phương tiện thi hành luật pháp, cơng tác tìm kiếm hoặc cứu
hộ....
Việc theo dõi vị trí và sự chuyển động của các phương tiện có thể đạt được nếu
các phương tiện này được trang bị những máy phát chuyển tiếp tự động để hỗ trợ máy
thu GPS. Vị trí được xác định bằng các thiết bị thu và xử lý GPS có thể được truyền đến
một địa điểm trung tâm được thể hiện trên màn hình.
I.5.3 Các ứng dụng trong trắc địa và bản đồ trên biển:
Nhờ độ chính xác cao và thời gian cần thiết để đo một vị trí chỉ định (Fix) ngắn,
hệ GPS đặc biệt phù hợp với công việc định vị ven bờ và ngồi khơi. Đối với cơng tác
trắc địa biển, yêu cầu độ chính xác về vị trí mặt phẳng thường thay đổi trong khoảng từ
một vài đềcimét đến một vài chục mét. Để đáp ứng các yêu cầu này cần phải sử dụng
những kỹ thuật quan sát và xử lý số liệu khác nhau bằng cách sử dụng các phép đo giả cự
ly hoặc phép đo phase sóng mang. Các ứng dụng trên biển bao gồm đo vẽ bản đồ, các
chướng ngại dẫn đường tàu thuyền (đo vẽ bãi cạn, đo vẽ phao nổi) và đo vẽ các cầu tàu
và bến cảng. Các yêu cầu định vị trong thám hiểm địa lý đáy biển (ví dụ đo địa chấn)
cũng như các yêu cầu về định vị hố khoan đều có thể được đáp ứng bằng GPS.
Trong trắc địa biển (địa hình đáy biển, trường trọng lực của trái đất...) đều có thể
dùng GPS làm cơng cụ định vị.
I.5.4 Các ứng dụng trong giao thông và hải dương học trên biển
Hệ thống địnhvị GPS đã trở thành một công cụ dẫn đường hàng hải trên biển lý
tưởng. Yêu cầu độ chính xác dẫn hướng đi trên biển thay đổi trong khoảng từ một vài
mét (trên bãi biển, bến tàu và dẫn hướng trên sông) đến một vài trăm mét (dẫn hướng
trên đường đi). Thủ tục định vị GPS chính xác sử dụng cả phép đo giả ngẫu nhiên và
phép đo phase sóng mang có thể đưa đến việc dẫn hướng đi của tàu thuyền trên sông và

ven biển không cần đến phao nổi, cơng tác tìm kiếm và cứu hộ ngồi khơi xa cũng sẽ có
hiệu quả hơn nhờ được nâng cao độ chính xác việc dẫn hướng đường đi.

- 17 -


Các nhu cầu định vị đối với công tác dã ngoại trong vật lý đại dương cũng có thể
được đáp ứng nhờ hệ GPS. Phép đo phase của sóng mang bổ túc cho ta tốc độ tàu thuyền
chính xác, là số liệu cần thiết trong nghiên cứu các dòng chảy của đại dương.
I.5.5 Các ứng dụng trong trắc địa và bản đồ hàng không
Trong ứng dụng đo đạc và đo vẽ bản đồ từ ảnh máy bay, hệ định vị GPS cung
cấp kỹ thuật dẫn đường bay, xác định tâm chính ảnh.
Trong đo vẽ ảnh hàng khơng, u cầu độ chính xác dẫn đường bay khoảng một
vài chục mét - có thể thực hiện được một cách dễ dàng nhờ hệ GPS. Phép xử lý sau với
độ chính xác cao bằng GPS có thể thay thế kỹ thuật tam giác ảnh khơng gian và do đó có
thể đóng vai trị của các điểm khống chế mặt đất một cách tuyệt hảo. Yêu cầu về độ
chính xác của phép định vị trong lĩnh vực ứng dụng này thay đổi trong khoảng từ 0.5 m
đến 26 m tuỳ theo từng loại tỉ lệ bản đồ khác nhau.
Phép lập mặt cắt địa hình bằng laze hàng khơng có thể được dùng để đo vẽ trực
tiếp bản đồ số của địa hình (mơ hình số mặt đất) nếu vị trí của bộ cảm biến (laze) được
biết với độ chính xác khoảng 0.5 - 1 m về độ cao và một vài mét về mặt phẳng. Người ta
trơng đợi hệ GPS sẽ cho độ chính xác định vị tốt hơn trong phép xử lý sau khi đo.
Phép đo trọng lực hàng khơng cũng địi hỏi một kiểu định vị tương tự như vậy.
Trong lĩnh vực ứng dụng này, các số đo GPS cho phép xác định thêm tốc độ của bộ cảm
biến cần thiết cho phép quy EOTVOS dữ liệu trọng lực.
Phép đo sâu laze hàng khơng và phép xạ ảnh rada địi hỏi độ chính xác định vị bộ
cảm biến khơng cao có thể thực hiện một cách dễ dàng bằng các số đo GPS.
I.5.6 Ứng dụng trong giao thông hàng không
Trong lĩnh vực hàng không dân dụng, hầu hết các hãng hàng không quốc tế đã sử
dụng hệ GPS làm hệ thống dẫn đường bay. ICAO - Tổ chức hàng không dân dụng quốc

tế đã quy định sử dụng hệ thống GPS trong dẫn đường và cất, hạ cánh. Ở Việt nam từ
1998 hãng hàng khơng quốc gia sẽ chính thức sử dụng GPS.
Trong các ứng dụng hàng không khác (lâm nghiệp và gieo trồng ngũ cốc...), những
lĩnh vực khơng địi hỏi tính an tồn của hàng khơng mà chỉ cần triển khai việc vận
chuyển hàng hóa, kỹ thuật GPS có thể đảm bảo dễ dàng những yêu cầu chính xác về
dẫn đường bay.
I.5.7 Các ứng dụng trong thám hiểm không gian
Ứng dụng chủ yếu của hệ GPS trong thám hiểm không gian bao gồm việc định vị
và định hướng bay của các phương tiện khơng gian khác có mang theo những máy thu
phát địa lý hoặc trắc địa. Thông thường các vệ tinh này có quỹ đạo thấp, vì vậy ngun

- 18 -


lý hình học của các phép đo cũng tươgn tự như đã ứng dụng cho mặt đất. Những ví dụ
điển hình trong lĩnh vực ứng dụng này là phép đo viễn thám bằng vệ tinh và phép đo độ
cao bằng rada. Các vị trí tọa độ của vệ tinh nhận được từ các số đo GPS có thể được
dùng để cải tiến hoặc đơn giản hóa những tính tốn quỹ đạo của các phương tiện khơng
gian này, thậm chí thay thế phép định vị liên tục bằng phép định vị rời rạc trong định vị
quỹ đạo bay.
I.5.8 Các ứng dụng trong việc nghỉ ngơi giải trí.
Người ta trơng đợi giá cả của các máy thu GPS sẽ liên tục giảm. Hiện nay ở mức
giá một vài trăm dola những người sử dụng khơng chun cũng đã có thể mua được máy
thu GPS đơn giản, có kích thước, trọng lượng rất nhỏ (như đồng hồ đeo tay). Trong
trường hợp này, các hoạt động nghỉ ngơi và điều dưỡng sẽ cung cấp một thị trường rộng
lớn cho những máy thu đeo tay, xách tay, giá rẻ dễ sử dụng.
I.5.9 Các ứng dụng trong quân đội
Hệ thống định vị toàn cầu được thiết kế chủ yếu để cho quân đội định vị điểm
theo thời gian thực. Các ứng dụng cho quân đội bao gồm dẫn hướng hàng không, hàng
hải và trên bộ. Hệ định vị GPS được coi là hệ độc lập và là một bộ phận của những hệ

thống dẫn đường tích hợp. Ngồi ra, các vệ tinh GPS cịn mang theo các bộ thu phát để
khám phá và hiển thị các vụ nổ hạt nhân.

I.6 SỰ PHÁT TRIỂN CỦA CÔNG NGHỆ GPS ĐO TĨNH
TRONG GIAI ĐOẠN 1990 ĐẾN NAY
Từ năm 1990 cho tới nay công nghệ GPS đã được cải tiến khá nhiều để đạt được
các thành tựu mới về độ chính xác và về mở rộng phạm vi kỹ thuật. Nói chung các thay
đổi chủ yếu về kỹ thuật GPS là:
• Số lượng vệ tinh đã nâng từ 18 lên 32 tạo nên số lượng trị đo nhiều hơn trên
mỗi điểm đo;
• Chất lượng tín hiệu vệ tinh tốt hơn nhiều lần, khơng gây các gián đoạn trong
thu tín hiệu như trước đây;
• Máy thu được cải tiến về đồng hồ để nâng cao độ chính xác về thời gian;

• Antenna được cải tiến để có độ nhậy cao hơn và khắc phục các sai số nhiễu tín
hiệu do mơi trường, đặc biệt là các nhiễu do tín hiệu phản xạ từ các vật đặt
quanh antenna;
• Phần mềm xử lý các base line được cải tiến để nâng cao việc hạn chế sai số do
quỹ đạo vệ tinh, sai số của tầng bình lưu.
- 19 -


Các thành quả chủ yếu của công nghệ GPS được nâng cao từ năm 1990 cho đến
nay như sau:
I.6.1 Nâng cao độ chính xác đo tĩnh thơng qua các biện pháp hạn chế sai số đo:
Trong cơng nghệ GPS có một số nguồn sai số chủ yếu và các biện pháp khắc
phục đã được áp dụng như sau:
Sai số do quỹ đạo vệ tinh: Đây là nguồn sai số khá lớn nhưng tác động chủ yếu
vào toạ độ tuyệt đối xử lý theo phương pháp PseudoRange. Vì vậy, thơng thường toạ độ
tuyệt đối trong hệ WGS-84 quốc tế chỉ có thể xác định được với độ chính xác khoảng từ

10 m tới100 m. Toạ độ này có vai trị rất quan trọng trong việc tính tốn gia số toạ độ
∆X, ∆Y, ∆Z của các base line. Nếu độ chính xác toạ độ tuyệt đối của một đầu base line
tăng được từ 100m tới 2m thì độ chính xác của ∆X, ∆Y, ∆Z có thể tăng thêm được 1 dm.
Chính vì vậy người ta cần có toạ độ gần đúng trong hệ WGS-84 tới cỡ 2 m để có được
các base line có độ chính xác cao. Để khắc phục các sai số này người ta đã sử dụng các
biện pháp sau:
Có được lịch vệ tinh chính xác tại thời điểm đo: Lịch vệ tinh chính xác có thể có
được nếu yêu cầu NASA hoặc IGS cung cấp, nhưng cách này khơng tiện dùng vì phải
chờ đợi trong thời gian khơng ngắn.
Quan trắc liên tục trong 24 giờ: tức là 2 vịng quỹ đạo của 32 vệ tính có thể hiệu
chỉnh được lịch vệ tinh thông qua các phần mềm xử lý PseudoRange mới, độ chính xác
đạt được tới 1 m. Độ chính xác này đã được thử nghiệm tại Việt nam và đã so sánh kết
quả đo toạ độ tuyệt đối với kết quả lan truyền toạ độ theo các base line từ 1 điểm gốc
toạ độ tuyệt đối cũng như với toạ độ đo nối với lưới IGS quốc tế.
Sử dụng hệ thống DGPS toàn cầu do OMNI STAR cung cấp theo công nghệ
RTCM với các số hiệu chỉnh toạ độ được cung cấp từ hệ thống các trạm định vị cố định
tồn cầu. Cơng nghệ này cũng đã được thử nghiệm tại Việt nam và cho độ chính xác đạt
tới 1 m như lý thuyết đã dự báo.
Sai số do mơi trường truyền sóng: Mơi trường chuyền sóng gây nên 3 loại sai số
chủ yếu trong quá trình sóng mang chuyển từ vệ tinh tới máy thu:
Sai số do tầng Ion gây ra: đây là sai số do hiện tượng khúc xạ tia sóng đi từ
khoảng khơng vũ trụ vào tầng đầu tiên của khí quyển. Sai số này không gây ảnh hưởng
lớn tới kết quả đo trong khoảng cách ngắn mà chỉ có ý nghĩa trên khoảng cách dài. Để
khắc phục người ta đã sử dụng tần số thứ hai khi đo đạc trên khoảng cách dài.
Sai số do tầng đối lưu gây ra: đây là hiện tượng khúc xạ tia sóng đi trong lớp khí
quyển gần mặt đất. Sai số này có tác động chủ yếu cho khoảng cách ngắn mà không

- 20 -

đáng kể trên khoảng cách dài. Trước đây người ta yêu cầu đo nhiệt độ, áp suất, độ ẩm
để tính số hiệu chỉnh. Đến nay các phần mềm đã sử dụng số hiệu chỉnh theo mơ hình
tầng đối lưu tạo độ chính xác cao hơn sử dụng các số hiệu chỉnh do nhiệt độ, áp suất, độ
ẩm.
Sai số nhiễu tín hiệu do mơi trường: sai số này có 2 nguồn gây ra: một là do các
nguồn phát sóng ngắn quanh máy thu gây ra như các đài truyền hình và hai là do sóng GPS
phản xạ từ các vật thể đặt quanh antenna. Để khắc phục sai số này người ta đã cải tiến
các antenna có độ nhậy cao hơn, có khả năng chống nhiễu và đặt thêm các bộ lọc trong
phần mềm (cả firmware và software).
Sai số do đồng hồ máy thu: Độ chính xác đồng hồ và đồng bộ thời gian giữa đồng
hồ vệ tinh và đồng hồ máy thu có ý nghĩa rất quan trọng trong việc nâng cao độ chính xác
kết quả đo GPS. Tất nhiên cải tiến đồng hồ máy thu là một việc có thể làm ngay được,
ví dụ như lắp đặt các đồng hồ nguyên tử như trên vệ tinh, nhưng như vậy không ai chấp
nhận được giá thành máy thu. Người ta chỉ có thể cải tiến các đồng hồ thạch anh trong
máy thu để có khả năng ổn định hơn trong giai đoạn đã đồng bộ với đồng hồ vệ tinh.
Đến nay các nguồn sai số nói trên đã được khắc phục đáng kể, tạo được các base
line có độ chính xác cao hơn nhiều so với giai đoạn 1990. Các trị đo GPS cạnh dài đã nâng
được độ chính xác từ cỡ 1/20.000.000 vào giai đoạn 1990 đến 1/200.000.000 như hiện
nay đạt được.
I.6.2 Nâng cao độ chính xác tính tốn nhờ các thuật toán mới:
Phương pháp xử lý số liệu góp phần rất quan trọng trong việc loại trừ các sai số
đo. Người ta tập trung vào 2 giải pháp sau đây:
Trong xử lý số liệu GPS người ta quan tâm tới hiệu các trị đo có thể có được để
loại trừ sai số, trong đó có hiệu bậc nhất là hiệu trị đo giữa các thời điểm thu tín hiệu
của 1 vệ tinh, hiệu bậc hai là hiệu trị đo giữa các vệ tinh và hiệu bậc 3 là hiệu trị đo giữa
các điểm mặt đất. Sử dụng hiệu bậc mấy để có một lời giải base line chứa sai số đo ít
nhất là một q trình đạt nhiều tiến bộ theo thời gian. Hãng GPS hàng đầu TRIMBLE đã
đưa ra phần mềm TRIMVEC+ cho xử lý các base line trong giai đoạn 1990 - 1994, đến
1995 họ đã thay thế bằng phần mềm Wave Processor có hiệu quả cao hơn nhiều.
Vấn đề lọc nhiễu là một kỹ thuật phức tạp trong xử lý số liệu vệ tinh, theo thời

gian người ta đã đưa ra các bộ lọc hoàn chỉnh hơn để sao cho trong trị đo chỉ còn nhiễu
ngẫu nhiên. Trong phần mềm mới GPSurvey của hãng TRIMBLE đã đưa được vào nhiều
bộ lọc mới tạo hiệu quả đáng kể trong xử lý các base line.

- 21 -


I.6.3 Nâng cao khả năng công nghệ của GPS:
Trong việc thành lập các lưới trắc địa chúng ta chỉ quan tâm tới phương pháp đo
tĩnh. Như trên giới thiệu, phương pháp này đã cho chúng ta một độ chính xác GPS hiện
nay cao hơn tới 10 lần cho đo tương đối và 100 lần cho đo tuyệt đối so với độ chính xác
đạt được trong khoảng 5 năm trước đây. Ngồi ra cơng nghệ GPS đã được phát triển cho
nhiều loại hình đo đạc khác nữa để áp dụng cho nhiêù mục tiêu khác nhau như:
• RTK cho đo động với thời gian thực giữa trạm tĩnh và trạm động đạt được độ
chính xác tới 1 cm cho mục tiêu lập bản đồ tỷ lệ lớn;
• RTCM cho đo động với số hiệu chỉnh toạ độ được gửi từ trạm tĩnh tới trạm
động đạt được độ chính xác cỡ 1 m cho mục tiêu lập bản đồ tỷ lệ trung bình;
• MSK cho đo động tương tự như RTK cho khoảng cách dài (tới 5000 km) đạt
độ chính xác cỡ 1 m;
• Một số phương pháp Postprocessing Kinematic cho độ chính xác cỡ 1 dm .

- 22 -


CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT KỸ THUẬT ĐO
VÀ XỬ LÝ TÍNH TỐN BÌNH SAI KẾT QUẢ ĐO GPS
II.1 ĐỒ HÌNH VỆ TINH VÀ ẢNH HƯỞNG CỦA MƠI TRƯỜNG.
Máy thu GPS nhận tín hiệu trực tiếp từ vệ tinh, vậy tại điểm đo cần có một
khoảng trống với khoảng thiên đỉnh phù hợp với việc xuất hiện 4 vệ tinh đồng thời
thông hướng tới máy thu trong thời gian đo. Nếu khoảng trống trên khơng có vật gì che

khuất thì chất lượng tín hiệu hồn tồn sạch. Tín hiệu có thể bị đứt quãng hoặc nhiễu
nếu trong khoảng trống bị tán cây bao phủ hoặc mây che khuất. Nếu mây che khuất là
loại mây khơng mang mưa thì tín hiệu nhận được vẫn đảm bảo chất lượng tốt. Các tán
cây bao phủ cần dọn dẹp để có một độ quang tối đa. Nếu các điểm đo không phải là
những điểm cũ thì ta có thể xê dịch điểm đến một vị trí quang đãng hơn.
Một nhược điểm nữa của việc bố trí điểm GPS trên mặt đất là khơng được bố trí
gần các trung tâm phát sóng mạnh, khoảng cách phải lớn hơn 500 m. Nếu cần thiết phải
bố trí điểm tại đó chúng ta phải đo vào lúc đài phát khơng làm việc.
Để đạt được độ chính xác cao khi đo GPS phải chọn thu tín hiệu các vệ tinh có đồ
hình phân bố đều trên bầu trời xung quanh điểm đặt máy thu.
Đồ hình vệ tinh tốt là đồ hình trình bày ở hình 1. Đồ hình ở hình 2 là đồ hình xấu.
Hình 2

Hình 1
Mơi trường rộng hơn xung quanh điểm đo phải nói tới tồn bộ bầu khí quyển.
Như ta đã biết, bầu khí quyển được chia thành 3 lớp: tầng đối lưu, tầng bình lưu và tầng
ion. Tầng bình lưu khơng gây ảnh hưởng tới việc truyền tín hiệu trong khí quyển. Tầng
đối lưu và tầng ion có ảnh hưởng trực tiếp làm cong tia tín hiệu trong khí quyển. Tầng
ion gây nên độ cong tia tín hiệu do khúc xạ khi tia truyền từ trên khơng vào bầu khí
quyển. Nếu khoảng cách đo trên mặt đất khơng xa nhau thì các tia bị khúc xạ đều và
không gây ảnh hưởng tới gia số tọa độ các điểm mặt đất. Vì vậy để đo giữa các điểm
mặt đất có khoảng cách dài, chúng ta phải sử dụng máy thu 2 tần số. Việc thu song song
2 tần số L1 và L2 cho phép ta loại được độ chiết quang không đồng nhất giữa các tia xa
nhau.
Tầng đối lưu cũng gây cho ta trở ngại lớn trong việc đo đạc với độ chính xác cao.
Quy luật của tầng đối lưu được mô tả trong các mô hình khí quyển. Mơ hình được sử
23 / 43


dụng trong cơng nghệ GPS là mơ hình của Hopfield. Trong mơ hình này, chúng ta phải

tiến hành đo nhiệt độ, áp suất, độ ẩm tại các điểm đặt máy thu. Sau khi tính các số hiệu
chỉnh chúng ta đạt được độ chính xác cỡ 0.5cm. Để loại trừ cao nhất ảnh hưởng của
tầng đối lưu chúng ta có thể chọn thời gian đo thích hợp theo từng mùa. Tại các thời
điểm này Gradient các tham số của tầng đối lưu bằng 0. Vấn đề tác động của môi
trường tới các trị đo vệ tinh được thể hiện ở các loại nhiễu khác nhau trong trị đo. Các
loại nhiễu này có 2 dạng:
1. Máy thu được trị đo bị gián đoạn
2. Máy thu nhận sai các tham số của trị đo.
Để loại nhiễu loại 1 chúng ta có thể dùng phương pháp nội suy để liên tục hóa
dãy trị đo. Riêng những nhiễu loại 2 chúng ta phải dùng các cơng cụ tính tốn thống kê để
loại bỏ. Hiện nay người ta vẫn dùng công thức lọc của Kalmann. Điều này có nghĩa là
nhiễu loại 2 phải được loại bỏ, nhưng loại bỏ như thế nào cho hợp lý lại là toàn bộ vấn
đề của phần mềm phục vụ chỉnh lý số liệu.
II.2 ĐỒ HÌNH LƯỚI TRẮC ĐỊA ĐO BẰNG CƠNG NGHỆ GPS.
Khi xây dựng lưới trắc địa, cơng nghệ GPS được ứng dụng như một phương pháp
đo có ưu thế hơn hẳn các phương pháp truyền thống. Tuy nhiên đồ hình lưới trắc địa về
cơ bản vẫn áp dụng các đồ hình truyền thống. Do những ưu việt của phương pháp công
nghệ GPS một số tiêu chuẩn của đồ hình lưới có thể đơn giản hơn. Dưới đây là các
dạng đồ hình thơng dụng:

a. Đồ hình lưới tam giác dày đặc
-

Đồ hình lưới tam giác dày đặc đo nối tất cả các cạnh có thể (hình 3),

-

Đồ hình lưới tam giác dày đặc chỉ đo nối các cạnh tam giác (hình 4),

b. Đồ hình lưới tứ giác (hình 5),

c. Đồ hình lưới đường chuyền
-

Đồ hình lưới đường chuyền dạng chuỗi tam giác đo nối tất cả các cạnh có

thể (hình 6),

-

Đồ hình lưới đường chuyền dạng tam giác nối nhau tại 1 đỉnh (hình 7),

-

Đồ hình lưới đường chuyền dạng chuỗi tứ giác (hình 8),

- 24 -


-

Đồ hình lưới đường chuyền dạng cạnh đơn (hình 9),

Hình 3

Hình 6

Hình 4

Hình 7

Hình 5

Hình 8

Hình 9

Qua thực tế áp dụng các dạng đồ hình trên có thể nhận xét như sau:
1. Lưới trắc địa đo bằng công nghệ GPS có thể thiết kế dưới dạng lưới tam
giác, tứ giác hoặc đường chuyền.
2. Đồ hình lưới tốt nhất là đồ hình tam giác và đường chuyền chuỗi tam giác đo
tất cả các cạnh.
3. Thứ tự các loại đồ hình theo mức độ giảm dần độ chính xác như sau:
-

Đồ hình lưới tam giác dày đặc đo nối tất cả các cạnh có thể;

-

Đồ hình lưới đường chuyền dạng chuỗi tam giác đo nối tất cả các cạnh có

-

Đồ hình lưới tam giác dày đặc chỉ đo nối các cạnh tam giác;

-

Đồ hình lưới tứ giác;

-

Đồ hình lưới đường chuyền dạng chuỗi tam giác chỉ đo nối các cạnh tam

thể;

giác;

- 25 -