MỤC LỤC
Trang
MỞ ĐẦU 1
Chương 1
TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ TOÀN CẦU GPS 4
1.1. Giới thiệu sơ lược về hệ thống GPS 4
1.1.1. Cấu trúc của hệ thống GPS 5
1.1.2. Đoạn không gian (Space Segment) 6
1.1.3. Đoạn điều khiển (Control Segment) 7
1.1.4. Đoạn sử dụng (User Segment) 9
1.2. Các phương pháp đo GPS 9
1.2.1. Đo tuyệt đối 10
1.2.2. Đo tương đối 14
1.3. Một số công nghệ đo hiện nay 21
1.3.1. Công nghệ RTK 21
1.3.2. bổ xung thêm bản tin số 3 và 32 dành cho giả khoảng cách GPS
và GLONASS. 22
1.3.3. Công nghệ VRS 23
1.4. Các yếu tố ảnh hưởng tới độ chính xác định vị GPS 25
1.4.1. Các nhiễu cố ý 26
1.4.2. Về thời gian đo 26
1.4.3. Các kỹ thuật đo 26
1.4.4. Phân loại sai số và các biện pháp khắc phục 27
1.5. Giới thiệu một số máy GPS cầm tay và chức năng của nó 32
Chương 2
TỔNG QUAN VỀ GIS 38
2.1. Giới thiệu chung về GIS 38
2.2. Các thành phần của hệ thống thông tin địa lý 39
2.3. Ứng dụng GIS trong Môi trường 42
2.4. Ứng dụng GIS trong Khí tượng thuỷ văn 43
2.5. Ứng dụng GIS trong Nông nghiệp, quản lý đất đai 43

vậy việc cập nhật, chỉnh lý bản đồ, thu thập thông tin địa lý cho các đối tượng là
cần thiết và phải làm thường xuyên vì nó mang lại tính thời sự của tờ bản đồ. Từ
trước đến nay người ta thường cập nhật chỉnh lý bản đồ theo một số phương
pháp sau:
Phương pháp cập nhật, chỉnh lý bản đồ bằng máy toàn đạc điện tử:
Dùng máy toàn đạc điện tử tiến hành đo vẽ bổ sung các đối tượng mới xuất hiện
ngoài thực địa mà trên bản đồ không có hoặc các đối tượng đã có trên bản đồ
nhưng ngoài thực địa đã bị thay đổi.
Phương pháp này đòi hỏi nhiều nhân lực, tốn nhiều kinh phí, thường mất
rất nhiều thời gian do phải làm các công tác ngoại nghiệp nhiều như: thành lập
lưới khống chế trắc địa, lưới khống chế đo vẽ và đo vẽ chi tiết. Công tác thu
thập thông tin thuộc tính của các đối tượng hầu như phải làm thủ công như: vẽ
sơ đồ, ghi chú các thuộc tính của đối tượng vào sổ đo, sau đó phải thêm công
đoạn nhập các thông tin thuộc tính đó vào cơ sở dữ liệu.
Phương pháp cập nhật, chỉnh lý bản đồ bằng công nghệ ảnh hàng không:
Từ những tư liệu địa hình đã có kết hợp với tư liệu ảnh hàng không, ảnh
viễn thám người ta tiến hành giải đoán các đối tượng cần chỉnh lý trên trạm ảnh
số và điều tra đối soát ngoài thực địa.
Phương pháp này vừa phải kết hợp giữa công tác giải đoán ảnh nội nghiệp
với công tác điều tra ngoại nghiệp, trong đó việc đối soát ngoại nghiệp chiếm
phần lớn thời gian. Hạn chế lớn nhất của phương pháp cập nhật, chỉnh lý bản đồ
bằng công nghệ ảnh hàng không đó là:
+ Tư liệu ảnh hàng không sử dụng cho chỉnh lý bản đồ đòi hỏi phải mới.
Việc tiếp cận nguồn tư liệu ảnh hiện nay còn hạn chế không phải lúc nào cũng
đáp ứng được yêu cầu vì phụ thuộc vào nhà cung cấp.
+ Quy trình chỉnh lý phức tạp do phải thực hiện hai công đoạn là: đo vẽ,
giải đoán nội nghiệp và đi thực địa để đối soát ngoại nghiệp.
1
+ Việc thu thập thông tin địa lý cho các đối tượng vẫn phải làm thủ công,
không cho phép tự động từ khâu đầu đến khâu cuối do vậy dễ nhầm lẫn không

trình đo đạc chỉnh lý thu thập thông tin địa lý khoa học hơn, phù hợp với điều
kiện trang thiết bị hiện có trong Quân đội nhân dân Lào để giúp cho ngành Bản
đồ QĐND Lào tiết kiệm một lượnng đáng kể thời gian và kinh phí trong công
tác đo đạc và thu thập thông tin địa lý.
* Nội dung đồ án bao gồm:
Chương I : Tổng quan về hệ thống định vị toàn cầu GPS
Chương II: Tổng quan về GIS.
Chương III: Đo đạc chỉnh lý và xây dựng cơ sở dữ liệu địa lý tuyến đường
đại lộ Thăng Long .
Kết luận
Hà nội, ngày… tháng năm 2013
Học viên thực hiện
3
Chương 1
TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ TOÀN CẦU GPS
1.1. Giới thiệu sơ lược về hệ thống GPS
GPS là từ viết tắt của Global Positioning System, là hệ thống định vị toàn
cầu do Bộ Quốc phòng Hoa kỳ triển khai và đưa vào hoạt động từ những năm 80
của thế kỷ 20, nhằm cung cấp thong tin phục vụ mục tiêu định vị và dẫn đường
cho quân sự và dân sự. Tín hiệu định vị và dẫn đường bằng vệ tinh GPS được
phát lien tục 24 giờ một ngày, trong mọi điều kiện thời tiết, phủ trùm trên toàn
trái đất.
Hệ thống GPS được xây dựng trên cơ sở một hệ thống bao gồm 24 vệ tinh
NAVSTAR có độ cao bay 20200 km. Các vệ tinh này được coi là các điểm tham
chiếu trong không gian để từ đó các máy thu tín hiệu vệ tinh GPS đặt dưới bề
mặt trái đất xác định được vị trí hiện thời của chúng. Dưới đây là mô hình của
hệ thống định vị vệ tinh GPS.Hình 1.1: Sơ đồ quỹ đạo bay của các vệ tinh GPS

phân bố không gian người ta chia hệ thống GPS thành 3 phần, bao gồm:
• Đoạn không gian (Space segment)
• Đoạn điều khiển (Control segment)
• Đoạn sử dụng (User segment)
5
Hình 1.2: Các thành phần cấu tạo Hệ thống định vị toàn cầu GPS.
1.1.2. Đoạn không gian (Space Segment)
Đoạn không gian bao gồm 24 vệ tinh nhân tạo phát tín hiệu bay trên các
quỹ đạo xác định trên Trái Đất. Các quỹ đạo này đều nằm trên một trong 6 mặt
phẳng quỹ đạo cách đều nhau và có góc nghiêng 55
0
so với mặt phẳng xích đạo
của trái đất và cách nhau 60
0
, quỹ đạo của vệ tinh gần như tròn. Vệ tinh bay ở
độ cao 20200 km so với mặt đất, chu kỳ chuyển động của vệ tinh là 718 phút,
tức là khoảng gần 12 giờ. Với cách bố trí vệ tinh trong không gian như vậy đảm
bảo vào bất kỳ một thời điểm nào tại một vị trí bất kỳ trên trái đất đều thu được
tín hiệu của ít nhất 4 vệ tinh khác nhau.
Các vệ tinh được cung cấp bằng năng lượng Mặt Trời. Chúng có các
nguồn pin dự phòng để duy trì hoạt động khi chạy khuất vào vùng không có ánh
sáng Mặt Trời và gắn tên lửa nhỏ ở mỗi quả vệ tinh để giữ chúng bay đúng
quỹ đạo đã định.
Mỗi vệ tinh được 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 10,23Mhz, và từ đây tạo
6
ra các sóng tải tần số L1=1575,42Mhz và L2=1227,60Mhz. Người ta sử dụng 2
tần số song tải để làm giảm ảnh hưởng của tầng điện ly.

sử dụng công nghệ GPS. Mỗi phương pháp thu nhận số liệu khác nhau rất
nhiều về độ chính xác, thời gian đo, hiệu suất công việc nói chung như:
Phương pháp đo GPS tuyệt đối, đo GPS tương đối, đo vi phân (DGPS). Trong
những phương pháp đo cơ bản này lại gồm có nhiều kiểu cách đo khác nhau:
9
Bảng 1.1: Các phương pháp đo GPS.
Phương
pháp đo
Lợi ích Yêu cầu
Đo GPS tuyệt
đối (Absolute)
Chỉ cần một máy thu.
Độ chính xác tương đương từ một
đến vài mét.
Quan sát đồng thời 4 vệ là yêu
cầu tối thiếu để xác định tọa độ
không gian tuyệt đối của điểm
quan sát
Đo GPS tương
đối (Relative)
Cho kết quả cao và rất cao.
Độ chính xác khoảng cm, thậm
chí có thể là mm.
Yêu cầu ít nhất cần có 2 máy
thutrở lên.
Phải quan trắc đồng thời.
Đo tĩnh
(Static)
Độ chính xác cao nhất (nhỏ hơn
centimet): Dùng cho đo khống

máy thu phải có khả năng khởi đo
(Initialization)
Đo thời gian
thực
(Real-time
Surveying)
Phương pháp đo nhanh nhất; kết
quả phép đo thu được ngay trên
thực địa. Độ chính xác nằm trong
khoảng 1cm ± 2ppm.
Mỗi điểm đo cần ít nhất 1 hay 2
lần ghi số liệu (epochs).
Đòi hỏi máy thu phải hội đủ các
điều kiện sau:
Khả năng khởi đo, và khởi đo lại
nếu mất tín hiệu.
Cần ít nhất là 5 vệ tinh cho việc tự
động khởi đo.
Phải có bộ liên kết sóng radio giữa
máy trạm tĩnh và trạm di động.
1.2.1. Đo tuyệt đối
10
a. Nguyên lý định vị tuyệt đối
Đo GPS tuyệt đối là trường hợp sử dụng máy thu GPS để xác định
khoảng cách tương ứng từ máy thu đến các vệ tinh, từ đó tính ra toạ độ của
điểm quan sát trong hệ thống toạ độ WGS-84. Đó có thể là các thành phần
toạ độ vuông góc không gian (X,Y,Z) hoặc các thành phần toạ độ mặt cầu
(B, L, H).
Hệ thống toạ độ WGS84 là hệ thống toạ độ cơ sở của hệ thống GPS, toạ
độ của vệ tinh cũng như của điểm quan sát đều được lấy theo hệ thống toạ độ

s1
-z)
2
= (R
1
-c.∆t)
2
(x
s2
-x)
2
+ (y
s2
-y)
2
+ (z
s2
-z)
2
= (R
2
-c.∆t)
2
(x
s3
-x)
2
+ (y
s3
-y)

Quan sát đồng thời 4 vệ tinh là yêu cầu tối thiểu cần thiết để xác định toạ
độ không gian tuyệt đối của điểm quan sát. Trên thực tế với hệ thống vệ tinh
hoạt động đầy đủ như hiện nay, số lượng vệ tinh có thể quan sát đồng thời
thường là 6 đến 8, có khi nhiều hơn. Khi đó lời giải đơn trị sẽ được rút ra nhờ
phương pháp xử lý số liệu đo theo nguyên tắc bình phương nhỏ nhất.
Nếu ta biết thêm độ cao điểm quan sát so với bề mặt ellipsoid của hệ toạ
độ WGS-84, chẳng hạn trong trường hợp ở trên mặt biển, khi đó chỉ còn phải
xác định 2 ẩn số là toạ độ mặt bằng của điểm quan sát. Trong trường hợp này
cần quan sát ít nhất 3 vệ tinh.
b. Đo tuyệt đối
Đây là kỹ thuật xác định toạ độ của điểm đặt máy thu tín hiệu vệ tinh sử
dụng nguyên lý định vị tuyệt đối. Trị đo cơ bản của kỹ thuật đo này là trị đo
Code và chỉ sử dụng một máy thu tín hiệu vệ tinh. Do kỹ thuật đo này còn bị ảnh
12
hưởng của nhiều nguồn sai số chưa đựơc khắc phục nên độ chính xác vị trí điểm
thấp, cỡ 10m thậm chí kém hơn. Vì vậy kỹ thuật đo này chỉ chủ yếu dùng cho
việc dẫn đường và các mục đích có yêu cầu độ chính xác không cao. Ngoài ra
việc sử lý dữ liệu đo code còn có tác dụng hiệu chỉnh đồng hồ máy thu.
c. Đo vi phân
Theo phương pháp này cần có một máy thu GPS có khả năng phát tín hiệu
vô tuyến được đặt tại điểm có toạ độ đã biết (được gọi là máy cố định), đồng
thời có máy khác (được gọi là máy di động) đặt ở vị trí cần được xác định toạ
độ, có thể là điểm cố định hoặc điểm di động như tàu thuỷ, ô tô, máy bay. Cả
máy cố định và máy di động cần tiến hành đồng thời thu tín hiệu từ các vệ tinh
như nhau.
Nếu thông tin từ vệ tinh bị nhiễu thì kết quả xác định toạ độ của cả máy
cố định và máy di động cũng đều bị sai lệch. Độ sai lệch này được xác định trên
cơ sở so sánh toạ độ tính ra theo tín hiệu thu được và toạ độ đã biết trước của
máy cố định và có thể được xem như nhau cho cả máy cố định và máy di động.
Nó được máy cố định phát đi qua sóng vô tuyến để máy di động thu nhận mà

và
B
X
là các vecto vị trí của hai điểm
A và B, khi đó:
ABAB
DXX
+=
,
Trong đó:
TT
ABABAB
ZYXZZYYXXD ),,(),,( ∆∆∆=−−−=
(2.1)
Tọa độ của trạm tham chiếu A phải ở trong hệ tọa độ WGS-84.
14
Phương pháp định vị tương đối có thể được thực hiện cả với trị đo code
và trị đo pha nhưng thông thường người ta quan tâm chủ yếu đến các trị đo pha.
Các trị đo code được sử dụng như là bổ trợ. Phương pháp định vị tương đối đòi
hỏi quan sát liên tục cả trên trạm tham chiếu và trên trạm cần xác định mới. Khi
đó có thể tạo ra các hiệu giữa các trị đo mà trong đó các nguồn sai số đã được
loại trừ. Dựa vào các hiệu người ta tính các thành phần của vecto cạnh
D
.
Khoảng cách từ máy thu đến các vệ tinh được xác định bằng phương pháp
đo pha sóng tải. Tuy nhiên máy thu không đo được toàn bộ khoảng cách này.
Mô hình toán học của khoảng cách pha có dạng sau:
AiatmASiAiAiAi
RtctcN
,,

Ai
φ
đo được có chứa số nguyên đa trị
Ai
N
và rất nhiều sai số tương
quan, không tương quan và cả sai số hệ thống. Do đó trong khi xử lý người ta sử
dụng hiệu của các giá trị
Ai
φ
đo được trên trạm tham chiếu và trạm di động (hiệu
pha). Tùy theo thuật toán, từ kết quả đo được các hiệu đơn, hiệu kép và hiệu ba
được tạo ra. Các hiệu pha này chứa ít hoặc hầu như không còn sai số từ đó thuận
tiện cho bước tiếp theo – giải trị nguyên đa trị. Thậm chí có thể loại trừ được cả
số nguyên đa trị
Ai
N
.
15
Giả sử vào thời gian t quan sát trên hai trạm A và B thu được kết quả đo:

AatmASAAA
RtctcN
,1,1111

δδδλρλφ
++−+=
BatmBSBBB
RtctcN
,1,1111

không chỉ quan sát được vệ tinh
1
S
mà còn quan
sát được vệ tinh
2
S
. Từ kết quả đo được các hiệu đơn được tạo ra:
16
Hình 1.9: Hiệu pha giữa các
trạm (hiệu đơn)
A
B
1B
ρ
1A
ρ
S
1
A
B
1B
ρ
1A
ρ
S
1
2A
ρ
2B

)()(
221112 BABAAB
NNNNN
−−−=

)()(
,2,,2,,1,,1,12, BatmAatmBatmAatmABatm
RRRRR
δδδδδ
−−−=
Hiệu kép hoàn toàn không
còn bị ảnh hưởng bởi các nguồn
sai số trên vệ tinh cũng như trên
các trạm đo và phần lớn ảnh hưởng
của các nguồn sai số khác. Số
nguyên đa trị
12AB
N
nhỏ hơn rất
nhiều so với
1A
N
và
1B
N
do đó rất
thuận tiện cho việc giải trị nguyên
đa trị. Chính vì các lý do trên mà
hiệu kép là dữ liệu cơ bản để xử lý.
Trong thực tế không chỉ

- Thời điểm
2
t
.
Các hiệu ba (Triple Difference – TD) được tạo ra như sau:
)()()(
2121122112
tttt
ABABAB
φφφ
∆−∆=−∆
.
[ ] [ ]
1
2211
2
22112112
)()()()()(
t
BABA
t
BABAAB
tt
ρρρρρρρρφ
−+−−−+−=−∆
. (2.6)
17
A
B
2

ρ
2
2
t
A
ρ
1
1
t
B
ρ
1
2
t
B
ρ
2
2
t
B
ρ
Hình 1.11: Hiệu pha giữa các thời điểm đo
Như vậy trong hiệu ba không còn chứa số nguyên đa trị. Có thể dùng hiệu
này để tìm được các thành phần của vecto cạnh AB (gia số toạ độ). Tuy nhiên
thực tế hiệu ba lại không cho kết quả định vị có độ chính xác như mong đợi. Do
trong quá trình tạo ra hiệu trị đo, sai số bị tăng lên đáng kể làm giảm độ tin cậy
của hiệu ba. Hiệu kép mới thực sự là phương án tối ưu và được dùng làm kết
quả chính trong các phần mềm xử lý.
b. Phương pháp đo tĩnh
Phương pháp đo tĩnh là phương pháp được duy trì kể từ khi có các thiết bị

Phương pháp đo động là phương pháp đo mang lại hiệu quả công việc cao
nhất. Trong chế độ đo động, một máy thu đặt tại điểm đã biết chính xác tọa độ
(được gọi là máy cố định) và máy thứ hai (được gọi là máy di động), máy này sẽ
di chuyển quanh khu vực và thực hiện đo tại các điểm đo cần thiết.
Phụ thuộc vào một vài yếu tố, người ta chia phương pháp đo động ra:
+ Đo động xử lý sau hoặc thời gian thực
+ Một tần số hoặc hai tần số
+ Đo Stop and Go hoặc đo lien tục (Continuous)
Tất cả các máy thu sử dụng trong đo động đều có khả năng khởi đo và rất
nhiều máy thu còn doi hỏi phải có khả năng khởi đo lại trong trường hợp bị mất
tín hiệu từ một số các vệ tinh đang quan sát.
Các máy thu một tần số buộc phải khởi đo bằng cách sử dụng cạnh đo đã
biết là cạnh đo đã được tiến hành đo trước bằng phương pháp đo tĩnh nhanh
19
hoặc phương pháp đo tĩnh trước khi tiến hành đo động, nhưng cũng có thể là các
cạnh đo đã được xác định lúc trước cũng bằng phương pháp đo động hoặc các
điểm khống chế đã được tính chuyển tọa độ về hệ WGS-84. Hiện nay đã xuất
hiện rất nhiều loại máy thu có khả năng khởi đo tự động, thậm chí khởi đo tự
động ngay khi đang di chuyển.
Hình 1.13: Nguyên lý đo tương đối động
d. Phương pháp đo giả động
Phương pháp đo giả động cũng cho phép xác định vị trí tương đối của
hàng loạt điểm so với điểm đã biết trong khoảng thời gian đo khá nhanh, nhưng
độ chính xác định vị không cao bằng phương pháp đo động. Trong phương pháp
này không cần làm thủ tục khởi đo, tức là không cần sử dụng cạnh đáy đã biết.
Máy cố định cũng phải tiến hành thu tín hiệu vệ tinh liên tục trong suốt chu kỳ
đo, còn máy di động được chuyển đến từng điểm đo, tại mỗi điểm thu tín hiệu
trong 5-10 phút.
Sau khi đo hết lượt, máy di động trở về điểm xuất phát và đo lặp lại tất cả
các điểm theo đúng trình tự trước đó, nhưng phải đảm bảo sao cho khoảng thời

thường sử dụng sóng ở dải tần VHF và UHF với công suất phát từ 2 đến 35 Wat.
Hình 1.15: Nguyên lý xác định tọa độ trong kỹ thuật đo RTK.
Do dữ liệu được truyền đi trong dải tần UHF và VHF nên có một số hạn
chế trong việc sử dụng. Trong đa số trường hợp, khoảng cách phát tối đa (km)
có thể tính theo công thức:
(2.7)
Trong đó:
t
h
và
r
h
: Độ cao angten phát và angten thu (m).
k
: Yếu tố phụ thuộc vào điều kiện khí hậu, thông thường
k
=1,33.
Tuy nhiên
k
có thể thay đổi trong khoảng 1,2 1,6. Ví dụ, nếu độ cao
angten phát
30
t
h m
=
, độ cao angten thu
2
r
h m
=

MHz và
10d km
=
cường độ tín hiệu bị suy giảm
146 dB.
Vấn đề mấu chốt của RTK là khả năng giải trị nguyên đa trị trong thời
gian máy thu di chuyển. Để giải quyết vấn đề này kỹ thuật OTF được áp dụng
với tổ hợp dữ liệu đo pha sóng mang trên cả L1 và L2. Phương pháp OTF bao
gồm phép hạn chế vùng tìm kiếm và công nghệ tính toán trị nguyên đa trị theo
phương pháp bình phương nhỏ nhất. Tốc độ giải trị nguyên đa trị phụ thuộc vào
hàng loạt các yếu tố như: Số lượng vệ tinh quan sát, đồ hình vệ tinh, các nguồn
nhiễu. Trong điều kiện thuận lợi kỹ thuật OTF cho phép giải trị nguyên đa trị
trong khoảng thời gian 10 giây.
Sai số định vị của phương pháp đo động được ước tính theo công thức:
).2)2010((
km
D+−
mm
, trong đó
km
D
là khoảng cách giữa trạm tham chiếu và trạm
di động tính bằng km.
Trong những năm gần đây công nghệ RTK đã được phát triển mạnh mẽ
và được áp dụng rộng rãi trên toàn thế giới. Tại nhiều quốc gia đã xây dựng cơ
sở hạ tầng GPS phủ trùm một khu vực lớn hoặc toàn quốc để phục vụ các mục
đích khác nhau trong đó trọng tâm là kỹ thuật định vị thời gian thực RTK với
trạm tham chiếu ảo (VRS).
1.3.3. Công nghệ VRS
Theo giải pháp này, mạng lưới bao gồm nhiều trạm cố định đo thường