1. MỞ ĐẦU
1.1 Tính cấp thiết của đề tài
Hệ thống định vị toàn cầu GPS là hệ thống định vị, dẫn đường sử dụng
các vệ tinh nhân tạo được Bộ Quốc phòng Mỹ triển khai từ những năm đầu
thập kỷ 70. Ban đầu, hệ thống này được dùng cho mục đích quân sự nhưng
sau đó đã được thương mại hóa, được ứng dụng rất rộng rãi trong các hoạt
động kinh tế, xã hội. Ngày nay, trong rất nhiều lĩnh vực của đời sống xã hội
đã và đang áp dụng công nghệ GPS. Trong trắc địa cũng vậy, công nghệ GPS
đã mở ra thời kỳ mới, đã thay thế công nghệ truyền thống trong việc thành lập
và xây dựng mạng lưới tọa độ 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 toàn cầu GPS đã được công 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 định tọa độ của các điểm từ điểm gốc khác mà không cần
thông hướng; độ chính xác đo đạc ít phụ thuộc vào điều kiện thời tiết (có thể
đo trong mọi điều kiện thời tiết); việc đo đạc tọa độ các điểm rất nhanh
chóng, tính chính xác cao, ở vị trí bất kỳ trên trái đất; kết quả đo đạc có thể
tính trong hệ tọa độ toàn cầu hoặc hệ tọa độ địa phương bất kỳ. [1]
Cùng với thời gian, công nghệ GPS ngày càng phát triển hoàn thiện
theo chiều hướng chính xác, hiệu quả, thuận tiện hơn và được sử dụng rộng
rãi. Người ta đã sử dụng công nghệ GPS để xây dựng lưới tọa độ nhà nước
thay thế cho các phương pháp truyền thống, đạt được độ chính xác cao.
Huyện Ea Kar tỉnh Đắk Lắk những năm qua có tốc độ phát triển kinh tế
tương đối nhanh kéo theo nhu cầu sử dụng đất ngày càng tăng. Chính vì thế
1
nhu cầu bức thiết trong quản lý đất đai của huyện là phải thành lập được bản
đồ địa chính (BĐĐC) có độ chính xác cao. Muốn có được điều đó cần phải
xây dựng hệ thống lưới địa chính trên địa bàn huyện.
Để mở rộng khả năng sử dụng công nghệ GPS, góp phần đưa công
nghệ mới vào sản xuất, xây dựng hệ thống lưới địa chính huyện Ea Kar tỉnh

đã có 29 vệ tinh bay xung quanh Trái đất ở quỹ đạo gần tròn, với độ cao
3
khoảng 20.200km, góc nghiêng 55
0
, nằm trên 6 mặt phẳng quỹ đạo.
- Chức năng chính của các vệ tinh là:
+ Nhận và lưu trữ dữ liệu được gửi lên từ các trạm điều khiển.
+ Duy trì thời gian chính xác bởi đồng hồ nguyên tử gắn trên vệ tinh.
+ Truyền thông tin và dữ liệu cho người sử dụng theo hai tần số là L1 và L2.
Hình 2.2: Cấu trúc tín hiệu GPS
4
• Mảng điều khiển
Có 5 trạm điều khiển trên mặt đất: Hawaii, Colorado Springs,
Ascension Is., Diego Garcia và Kwajalein, có chức năng như sau:
- Cả 5 trạm đều là trạm giám sát, theo dõi vệ tinh và truyền dữ liệu đến
trạm điều khiển chính.
- Trạm đặt tại Colorado Springs là trạm điều khiển chính (MSC). Tại đó dữ
liệu theo dõi được xử lý nhằm tính tọa độ và số hiệu chỉnh đồng hồ vệ tinh.
- Ba trạm tại Ascension, Diego Garcia và Kwajalein là các trạm nạp dữ
liệu lên vệ tinh. Dữ liệu bao gồm các bảng lịch và thông tin số hiệu chỉnh
đồng hồ vệ tinh trong thông báo hàng hải.
Hình 2.3: Các trạm điều khiển GPS
• Mảng người sử dụng
Gồm các máy thu đặt trên mặt đất, bao gồm phần cứng và phần mềm.
- Phần cứng là các máy đo có nhiệm vụ thu tín hiệu vệ tinh để rút ra trị
đo khoảng cách từ máy thu đến vệ tinh và tọa độ vệ tinh ở thời điểm đo.
5
- Phần mềm có nhiệm vụ xử lý các thông tin để cung cấp tọa độ máy thu.
Hình 2.4: Các thành phần chính của GPS
2.1.3 Nguyên lý định vị GPS [9]

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
7
tczzyyxxttcR
sss
∆+−+−+−=∆+=
222
)()()()(
(1.1)
1 1 0 0 0 1 1 1 1 0 1 0 0 0 1 1
1 1 0 0 0 1 1 1 1 0 1 0 0 0 1 1
1 1 0 0 0 1 1 1 1 0 1 0 0 0 1 1
∆t
∆δ
Code do máy thu tạo ra
Code chuyền từ vệ tinh
Code thu được
hưởng của điều kiện lan truyền tín hiệu, sai số đo khoảng cách theo C/A code
sẽ ở mức 100m là mức có thể chấp nhận được để cho khách hàng dân sự được
khai thác. Song kỹ thuật xử lý tín hiệu code này đã được phát triển đến mức
có thể đảm bảo độ chính xác đo khoảng cách khoảng 3m, tức là hầu như
không thua kém so với trường hợp sử dụng P-code vốn không dành cho khách
hàng đại trà. Chính vì lý do này mà trước đây Chính phủ Mỹ đã đưa ra giải
pháp SA để hạn chế khả năng thực tế của C/A code. Nhưng ngày nay do kỹ
thuật đo GPS có thể khắc phục được nhiễu SA, Chính phủ Mỹ đã tuyên bố bỏ
nhiễu SA trong trị đo GPS từ tháng 5 năm 2000.
• Đo pha sóng tải
Các sóng tải L1, L2 được sử dụng cho việc định vị với độ chính xác
cao. Với mục đích này người ta tiến hành đo hiệu số giữa pha của sóng tải do
máy thu nhận được từ vệ tinh và pha của tín hiệu do chính máy thu tạo ra.

vuông góc không gian (X,Y,Z) hoặc các thành phần tọa độ mặt cầu (B,L,H).
Hệ thống tọa độ WGS-84 là hệ thống tọa độ cơ sở của GPS, tọa độ của vệ tinh
và điểm quan sát đều lấy theo hệ thống tọa độ này.
Việc đo GPS tuyệt đối được thực hiện trên cơ sở sử dụng đại lượng đo
là khoảng cách giả từ vệ tinh đến máy thu theo nguyên tắc giao hội cạnh
không gian từ các điểm đã biết tọa độ là các vệ tinh.
9
Nếu biết chính xác khoảng thời gian lan truyền tín hiệu code tựa ngẫu
nhiên từ vệ tinh đến máy thu, ta sẽ tính được khoảng cách chính xác giữa vệ
tinh và máy thu. Khi đó 3 khoảng cách được xác định đồng thời từ 3 vệ tinh
đến máy thu sẽ cho ta vị trí không gian đơn trị của máy thu. Song trên thực tế
cả đồng hồ trên vệ tinh và đồng hồ trong máy thu đều có sai số, nên khoảng
cách đo được không phải là khoảng cách chính xác. Kết quả là chúng không
thể cắt nhau tại một điểm, nghĩa là không thể xác định được vị trí của máy
thu. Để khắc phục tình trạng này cần sử dụng thêm một đại lượng đo nữa, đó
là khoảng cách từ vệ tinh thứ 4, ta có hệ phương trình:
(xs
1
- x)
2
+(ys
1
- y)
2
+(zs
1
- z)
2
= (R1-c∆t)
2


(xs
4
- x)
2
+(ys
4
- y)
2
+(zs
4
- z)
2
= (R4-c∆t)
2

Với 4 phương trình 4 ẩn số (x, y, z,
∆
t) ta sẽ tìm được nghiệm là tọa độ
tuyệt đối của máy thu, ngoài ra còn xác định thêm được số hiệu chỉnh của
đồng hồ (thạch anh) của máy thu.
Trên thực tế với hệ thống vệ tinh hoạt động đầy đủ như hiện nay, số
lượng vệ tinh mà các máy thu quan sát được thường từ 6-8 vệ tinh, khi đó
nghiệm của phương trình sẽ tìm theo nguyên lý số bình phương nhỏ nhất.
10
(1.3)
Hình 2.7: Kỹ thuật định vị tuyệt đối
2.1.3.3 Định vị tương đối (Relative Positioning)
Đo GPS tương đối là trường hợp sử dụng hai máy thu GPS đặt ở hai
điểm quan sát khác nhau để xác định ra hiệu tọa độ vuông góc không gian

Φ
j,k
(ti)= ∆
1
Φ
k
(ti)- ∆
1
Φ
j
(ti) (1.5)
Qua công thức này ta thấy không còn ảnh hưởng của sai số đồng hộ vệ
tinh và máy thu.
Nếu xét hai trạm cùng tiến hành quan sát đồng thời hai vệ tinh j và k
vào thời điểm ti và t
i+1
, ta sẽ có phân sai bậc ba:
∆
3
Φ
j,k
(ti)= ∆
2
Φ
j,k
(t
i+1
)- ∆
2
Φ

-7
s thì khoảng cách sai 30m.
Với ảnh hưởng như trên, người ta đã sử dụng nguyên tắc định vị tương
13
đối để loại trừ ảnh hưởng của sai số đồng hồ.
2.1.4.2 Sai số quỹ đạo vệ tinh
Chúng ta đã biết vệ tinh chuyển động trên quỹ đạo xung quanh trái đất
chịu nhiều sự tác động như ảnh hưởng của sự thay đổi trọng trường trái đất,
ảnh hưởng của sức hút mặt Trăng, mặt Trời, Các ảnh hưởng trên sẽ tác động
tới quỹ đạo của vệ tinh, khi đó vệ tinh sẽ không chuyển động hoàn toàn tuân
theo đúng 3 định luật Kepler. Sai số quỹ đạo vệ tinh ảnh hưởng gần như trọn
vẹn đến kết quả định vị tuyệt đối, song được khắc phục về cơ bản trong định
vị tương đối hoặc vi phân.
Để 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 thông tin, lịch vệ
tinh được chia làm 3 loại là:
- Lịch vệ tinh dự báo (Almanac): Phục vụ cho lập lịch và xác định
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): Được tạo lập dựa trên
5 trạm quan sát thuộc đoạn điều khiển của hệ thống GPS, hiện nay khi chế độ
nhiễu SA đã được bỏ thì lịch vệ tinh quảng bá có sai số khoảng từ 2-5 m.
- Lịch vệ tinh chính xác: Được lập dựa trên cơ sở các số liệu quan trắc
trong mạng lưới giám sát và được tính toán 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 đến máy thu đi qua một quãng đường lớn hơn
20.000km, trong đó có tầng điện ly từ độ cao 50km tới độ cao 500km và tầng
đối lưu từ độ cao 50km đến mặt đất. Khi tín hiệu đi qua các tầng này có thể bị
14

các trạm phát sóng, các đường dây cao thế, Không bố trí máy thu dưới các
rặng cây.
2.1.4.5 Sai số do người đo
Người đo có thể phạm các sai lầm như: trong đo chiều cao anten, dọi
điểm định tâm không tốt, đôi khi ghi nhầm chế độ đo cao anten. Để tránh các
sai số này thì người đo GPS cần thận trọng trong định tâm và đo chiều cao
anten.
Cần chú ý là sai số do đo chiều cao anten không những ảnh hưởng tới
độ cao của điểm đo mà còn ảnh hưởng tới vị trí mặt bằng.
Trong khi thu tín hiệu không nên đứng vây quanh máy thu, không che ô
cho máy.
2.1.5 Ưu điểm của phương pháp định vị GPS
- 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 định vị truyền thống
chỉ khống chế ở một khu vực nhỏ hẹp.
- Không đòi hỏi thông hướng ở các trạm đo.
- Có thể định vị ở thời gian thực và ở thời điểm bất kỳ: trên mặt đất,
trên biển và trong không gian cho đối tượng đứng yên hay di động.
- Có thể đo 24h/ngày trong mọi điều kiện thời tiết.
- Độ chính xác ngày càng cao và càng được cải thiện.
- Người sử dụng không cần quan tâm đến việc vận hành hệ thống.
2.1.6 Tọa độ và hệ qui chiếu
Hình dạng trái đất theo quan niệm của thuyết đẳng tĩnh thì trái đất là
16
một khối vật chất lỏng, do vậy dạng tự nhiên của trái đất quay sẽ có dạng
Ellipsoid và thế trọng trường trên mặt Ellipsoid trái đất sẽ bằng nhau. Điều
này thể hiện sự cân bằng giữa lực trọng trường của khối vật chất lỏng của trái
đất và lực ly tâm do chuyển động quay của nó.
Một Ellipsoid có hình dạng phù hợp với Geoid trái đất phải là Ellipsoid
phù hợp theo nghĩa trên phạm vi toàn cầu. Ellipsoid được chọn làm hệ tọa độ

biển trung bình - một bề mặt không mô tả được bằng phương trình toán học.
Đẳng thức sau là biểu thức biến đổi đơn giản độ cao Ellipsoid WGS-84
về độ cao địa phương bằng cộng thêm độ chênh Geoid-Ellipsoid tại điểm đó:
H = h +N
Trong công thức trên, H là độ cao tính đến mặt Ellipsoid - là độ cao có
thể đo được chính xác bằng công nghệ GPS; h là độ cao thủy chuẩn, được sử
dụng thực tế; N là độ chênh lệch 2 bề mặt Geoid và Ellipsoid tại điểm đó. Dựa
vào số liệu đo trọng lực toàn thế giới người ta đã lập ra mô hình Geoid toàn
cầu dùng cho việc nội suy giá trị chênh Geoid-Ellipsoid phục vụ cho việc tính
độ cao bằng công nghệ GPS. Song do bề mặt Geoid biến đổi phức tạp, số liệu
đo trọng lực thưa nên thực tế phương pháp xác định độ cao trong đo GPS còn
đang được hoàn thiện thêm để kết quả đạt yêu cầu sử dụng.
Nếu có các điểm có độ cao thủy chuẩn bao quanh khu đo, có thể áp
dụng phép nội suy độ chênh Geoid-Ellipsoid. Để thực hiện điều này tại các
điểm mốc độ cao cũng tiến hành thu dữ liệu GPS, độ chênh giữa trị số độ cao
thủy chuẩn và độ cao Ellipsoid WGS-84 cho quy luật về độ chênh Geoid-
Ellipsoid khu đo và được dùng để thay thế hoặc kết hợp với mô hình Geoid
18
chung để nội suy, tính độ cao thủy chuẩn từ số liệu GPS.
2.2 Vài nét về lịch sử phát triển
2.2.1 Trên thế giới [3]
Từ những năm 60 của thế kỷ 20, Cơ quan Hàng không và Vũ trụ
(NASA) cùng với Quân đội Hoa Kỳ đã tiến hành chương trình nghiên cứu,
phát triển hệ thống dẫn đường và định vị chính xác bằng vệ tinh nhân tạo. Hệ
thống định vị dẫn đường bằng vệ tinh thế hệ đầu tiên là hệ thống TRANSIT.
Hệ thống này có 6 vệ tinh, hoạt động theo nguyên lý Doppler. Hệ TRANSIT
được sử dụng trong thương mại vào năm 1967. Một thời gian ngắn sau đó
TRANSIT bắt đầu ứng dụng trong trắc địa. Việc thiết lập mạng lưới điểm
định vị khống chế toàn cầu là những ứng dụng sớm nhất và giá trị nhất của hệ
TRANSIT.

năm đầu thập kỷ 90. Với 5 máy thu vệ tinh loại 4000ST, 4000SST ban đầu,
sau một thời gian ngắn lưới khống chế đã được lập xong ở những vùng đặc
biệt khó khăn mà từ trước đến nay chưa có lưới khống chế như Tây Nguyên,
Thượng Nguồn Sông Bé, Cà Mau. Những năm sau đó công nghệ GPS đóng
vai trò quyết định trong việc đo lưới cấp "0" lập hệ quy chiếu Quốc gia mới
cũng như việc lập lưới khống chế hạng III phủ trùm lãnh thổ và nhiều lưới
khống chế cho các công trình dân dụng khác.
Những ứng dụng sớm nhất của GPS trong trắc địa bản đồ là trong công
tác đo lưới khống chế. Hiện nay hệ thống GPS vẫn đang phát triển ngày càng
hoàn thiện về phần cứng (thiết bị đo) và phần mềm (chương trình xử lý số
liệu), được ứng dụng rộng rãi vào mọi dạng công tác trắc địa bản đồ, trắc địa
công trình dân dụng và các công tác định vị khác theo chiều hướng ngày càng
đơn giản, hiệu quả. [5]
20
• Hiện trạng lưới tọa độ Nhà nước [11]
Lưới tọa độ Nhà nước được xây dựng theo tuần tự 4 hạng I, II, III, IV.
Mật độ điểm hạng IV yêu cầu 15km
2
có một điểm. Đến nay, lưới tọa độ hạng
I, II Nhà nước đã phủ trùm toàn bộ lãnh thổ. Việc xây dựng lưới hạng I, II
được thực hiện qua nhiều giai đoạn, sử dụng nhiều phương pháp đo đạc khác
nhau. Lưới hạng III, IV Nhà nước cũng đã được phủ trùm ở một số vùng lãnh
thổ nhất định.
Từ Vĩ tuyến 17 ở phía Bắc đã được xây dựng lưới tam giác đo góc hạng
I, dưới dạng lưới dày đặc, sau đó chêm dày điểm hạng II. Tổng số điểm hạng
I là 307 điểm, số điểm hạng II là 540 điểm, cạnh tam giác hạng I trung bình là
25km.
Khu vực ven biển miền Trung từ Vĩnh Linh đến thành phố Hồ Chí
Minh đã xây dựng lưới tam giác đo góc hạng II với độ chính xác cũng rất cao.
Các khu vực đo gặp khó khăn như: Tây Nguyên, Đồng Nai, Bình

dày và có độ chính xác cao hơn lưới hiện thời. Việc đo vẽ bản đồ địa chính tỷ
lệ lớn hơn 1/500, 1/200 ở các đô thị rất phổ biến. Loại bản đồ này được đo vẽ
trong phạm vi diện tích rộng lớn hơn nhiều hơn so với loại bản đồ địa hình
cùng tỷ lệ. Mặt khác, bản đồ địa chính lại có những yêu cầu riêng về độ chính
xác vị trí, kích thước, nên nhìn chung lưới tọa độ Nhà nước hạng III, IV
không đáp ứng được yêu cầu về mật độ và độ chính xác làm cơ sở cho đo vẽ
bản đồ địa chính tỷ lệ 1/500 và 1/200. [6]
• Quá trình phát triển lưới tọa độ địa chính
Mặt bằng và độ cao Nhà nước của Việt Nam được xây dựng qua nhiều
giai đoạn, sử dụng nhiều phương pháp đo khác nhau.
Giai đoạn đo đạc lưới tam giác hạng I, hạng II ở miền Bắc được tiến
22
hành từ năm 1956 đến năm 1963, tính toán bình sai xong năm 1966. Lưới
tam giác đo góc hạng I được xây dựng dưới dạng tam giác dày đặc, lưới tam
giác hạng II được xây dựng chủ yếu bằng phương pháp chêm điểm vào lưới
tam giác hạng I.
Giai đoạn đo đạc lưới tam giác đo góc hạng I, khu vực Bình-Trị-Thiên
(nay là khu vực tỉnh Quảng Bình, Quảng Trị và Thừa Thiên Huế) được tiến
hành từ năm 1977 đến năm 1983.
Giai đoạn đo đạc lưới tam giác đo góc hạng II miền Trung, phương án
xây dựng là lưới tam giác hạng II dày đặc thay thế cho việc xây dựng lưới tam
giác hạng I và chêm lưới hạng II. Được xây dựng từ năm 1983 đến năm 1992
gồm 8 khu đo.
Giai đoạn đo đạc lưới đường chuyền hạng II khu vực Nam bộ được đo
đạc từ năm 1988 đến năm 1990.
Giai đoạn đo lưới GPS cạnh ngắn khu vực Minh Hải, Sông Bé, Tây
Nguyên được đo từ năm 1991 đế năm 1993. Đây là khu vực đo có nhiều
khó khăn.
Lưới mặt bằng Nhà nước hạng I, hạng II đã phủ trùm cả nước. Một số
nơi đã xây dựng được lưới mặt bằng hạng III, hạng IV. Nhưng cho đến nay số

24
2.3.2 Cơ sở toán học của lưới địa chính
2.3.2.1 Lựa chọn mặt chiếu [12]
Việc thể hiện bề mặt trái đất lên mặt phẳng cần phải có một cơ sở toán
học nhằm thể hiện chính xác và ít bị biến dạng khi khai triển.
-Mặt Geoid trái đất có kích thước và hình dạng phức tạp không thể
hiện nó bằng một mặt toán học được nên ta phải có một bề mặt chuẩn nào đó
để so sánh mà cơ sở đặt ra là phải có tính ổn định.
-Trái đất chia làm hai phần: lục địa và hải đảo. Trong đó phần lục địa
chiếm 1/3 diện tích trái đất, là nơi con người sinh sống; là phần có địa hình,
địa vật và cấu tạo vật chất phức tạp cho nên không thể làm cơ sở để so sánh.
-Vì thế có nhiều ý tưởng chọn mặt đại dương là mặt cơ sở để so sánh,
vì bề mặt đại dương trơn láng, chiếm đại đa số diện tích Trái đất. Tuy nhiên
mặt nước biển không ổn định mà có biến động rất nhiều. Nhằm khắc phục
tính không ổn định của mực nước biển người ta xây dựng các trạm nghiệm
triều để đo mực nước biển, rồi lấy giá trị trung bình từng ngày so sánh người
ta thấy giá trị sai lệch cao, sau đó lấy giá trị trung bình theo tháng nhưng vẫn
chưa đạt yêu cầu, người ta tiếp tục so sánh giá trị trung bình theo từng năm.
Người ta nhận thấy nếu lấy theo chu kì 17,67 năm thì chỉ số sai lệch chỉ từ vài
mm đến vài cm, thoả mãn được yêu cầu đặt ra.
Khác mặt Geoid, một bề mặt khác đơn giản thể hiện được dưới dạng
phương trình toán học để thể hiện một cách gần đúng bề mặt trái đất dùng làm
cơ sở so sánh mặt bằng đó là mặt Ellipsoid.
-Ellipsoid tròn xoay có phương trình toán học:
1
2
2
2
2
2