BÀN VỀ VẤN ĐỀ THỜI GIAN THU TÍN HIỆU GPS TRONG
XÂY DỰNG MẠNG LƯỚI KHỐNG CHẾ TRẮC ĐỊA CẠNH NGẮN

KS. ĐOÀN VĂN CHINH
Đại học Whuhan, Trung Quốc
KS. NGÔ XUÂN THẾ
Viện Khoa học Công nghệ Xây dựng
ThS. BÙI THỊ KIÊN TRINH
Trường đại học Thủy Lợi

Tóm tắt:

Ứng dụng công GPS trong xây dựng mạng lưới khống chế trắc địa đã thực sự mang lại
hiệu quả kinh tế do không còn phụ thuộc nhiều vào mùa, thời tiết, đồng thời giảm đáng kể nhân lực
Tuy nhiên, xây dựng mạng lưới khống chế trắc địa GPS cạnh ngắn hiện nay ở nước ta còn có những
quy định chưa được phù hợp về thời gian thu tín hiệu tại hiện trường [5]. Trên cơ sở phân tích lý
thuyết và kết quả thực nghiệm chúng tôi thấy đối với mạng lưới có chiều dài cạnh khoảng 200-300m,
thời gian thu tín hiệu của một ca đo (Occupation Time) chỉ khoảng 10-15 phút là có thể đảm bảo độ
chính xác yêu cầu. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong thực tiễn sản xuất, góp phần nâng
cao hiệu quả kinh tế khi áp dụng công nghệ GPS xây dựng mạng lưới khống chế như đường chuyền 1,
đường chuyền 2 và đặc biệt là khi xây dựng mạng lưới khống chế trên các khu vực quy hoạch độc lập
có quy mô khoảng vài trăm hecta.
1. Phân tích lý thuyết xây dựng mạng lưới khống chế trắc địa bằng công nghệ GPS
Thực tế tại các cơ sở sản xuất ở nước ta hiện nay hầu hết sử dụng máy GPS thu tín hiệu của hệ
GPS NAVSTAR. Hệ NAVSTAR bao gồm 24 vệ tinh hoạt động trên 6 quỹ đạo [2], mỗi vệ tinh đều
liên tục gửi đi 1 tín hiệu riêng biệt trên 2 tần số sóng tải. Sóng tải được truyền trên băng tần sóng siêu
âm L, trong đó sóng L
1
và L
2
có tần số tương ứng là 1575.42MHz và 1227.60MHz. Những tần số này

Nguyên lý định vị bằng GPS có thể hiểu đơn giản là bài toán giao hội cạnh không gian, có nghĩa
là để xác định được tọa độ không gian của điểm quan sát cần đo khoảng cách từ điểm quan sát đến
các vệ tinh. Có 2 phương pháp cơ bản trong đo khoảng cách đến vệ tinh là đo chuỗi tín hiệu mã và đo
hiệu pha sóng tải.
Phương pháp đo chuỗi tín hiệu mã thường áp dụng trong định vị tuyệt đối đơn điểm. Hiện nay độ
chính xác định vị tuyệt đối đơn điểm này có thể đạt được 1-2cm nếu thời gian đo kéo dài liên tục hơn
10h và sử dụng các phần mềm tính toán độ chính xác cao như GAMIT, BERNESE, TRIP[1]. Thông
thường độ chính xác này chỉ đạt được 1-3m, chính vì vậy không thể áp dụng cho công tác xây dựng
lưới khống chế trắc địa.
Phương pháp đo hiệu pha sóng tải thường áp dụng trong định vị sai phân và định vị tương đối.
Hiện nay, độ chính xác của định vị GPS tương đối về mặt bằng đạt được 3mm đến 5mm [1],[2],[3].
Với công tác xây dựng mạng lưới khống chế trắc địa thường áp dụng phương pháp định vị GPS
tương đối. Nội dung bài báo chỉ đề cập đến phương pháp đo hiệu pha sóng tải và định vị GPS tương
đối.
1.1. Đo hiệu pha sóng tải
Phương pháp đo hiệu pha sóng tải của tín hiệu GPS đạt được độ chính xác cao khi đo khoảng cách
tới vệ tinh. Phương pháp này áp dụng trong đo GPS hậu xử lý (Post processing), bằng việc so sánh
hiệu pha của tín hiệu phát đi từ vệ tinh và tín hiệu thu được từ máy thu GPS trên mặt đất. Mô hình
toán học của đo hiệu pha sóng tải được mô tả như sau:
       
 
ttfNt
1
t
i
jj
i
j
i
j

i
N
là số nguyên đa trị của tín
hiệu từ vệ tinh j đến máy thu i;

i
(t) là sai số đồng hồ máy thu.
1.2. Định vị GPS tương đối
Định vị tương đối là việc sử dụng 2 hoặc nhiều máy thu đồng thời thu tín hiệu GPS xác định hiệu
pha sóng tải để tính các cạnh GPS (GPS Baseline). Việc quan trắc đồng thời đảm bảo rằng các máy
thu nhận được tín hiệu trong cùng một khoảng thời gian đo (Occupation Time) của mỗi SESION và
cùng 1 thời đoạn (time interval) của mỗi EPOCH. Thời gian đo và thời đoạn đo rất quan trọng trong
định vị GPS tuyệt đối, hai yếu tố này quyết định trị đo thừa trong khi tính toán của lời giải cạnh GPS.
Chọn thời gian đo và thời đoạn đo phụ thuộc mục đích của công tác đo đạc và độ chính xác yêu cầu
và đặc biệt phụ thuộc vào từng loại máy thu GPS. Đối với các thế hệ máy GPS mới thời đoạn đo có
thể đặt là 1-2-5-10-15-30 giây. Số liệu quan trắc đồng thời giữa các vệ tinh thông qua xử lý sai phân
để tính các cạnh GPS sẽ giảm ảnh hưởng của một số loại sai số. Hình 1 mô tả các kỹ thuật sai phân
trong đo GPS.







Sai phân bậc 1 sẽ hiệu của 2 phương trình trên, cụ thể là:

     
tfNt
1
t
AB
jj
AB
j
AB
j
AB



(2)
trong công thức sai phân bậc 1, các thành phần hiệu số riêng rẽ là:







AB
NNN  ;






ttt
j
A
j
B
j
AB


Dễ dàng nhận thấy trong công thức sai phân bậc 1, sai số khóa vệ tinh f
j

j
(t) đã bị triệt tiêu.
b. Sai phân bậc 2 (a) Sai phân bậc 1
(b) Sai phân bậc 2

k
AB
k
AB
j
AB
jj
AB
j
AB
j
AB







Vì sai số đồng hồ vệ tinh sẽ là như nhau trên cả 2 vệ tinh j cũng như k. Nếu lấy hiệu số của 2 sai
phân bậc 1 này sẽ có công thức sai phân bậc 2, trong đó sai số của khóa vệ tinh sẽ triệt tiêu lẫn nhau:

   
jk
AB
jk
AB
jk
AB
Nt

k
AB
jk
AB
 ;
j
AB
k
AB
jk
AB
NNN 
Trong sai phân bậc 2 đã triệt tiêu được sai số đồng hồ máy thu.

c. Sai phân bậc 3
Trong hình 1(c), Sai phân bậc 3 là việc lấy hiệu số giữa 2 sai phân bậc 2 ứng với 2 thời đoạn đo
khác nhau. Theo công thức (3), có hai công thức sai phân bậc 2 như sau:

   
   
jk
AB21
jk
AB2
jk
AB
jk
AB1
jk
AB1







1
jk
AB2
jk
AB12
jk
AB
ttt 
;






1
jk
AB2
jk
AB12
jk
AB
ttt 


Bảng 1.
Kết quả và các chỉ tiêu độ chính xác cạnh GPS (BASELINE)
TT

Điểm
đầu
Điểm cuối DX(m)

DY(m)

DZ(m)

S(m)

RATIO

RDOP

RMS

Thời gian thu tín hiệu thực địa 60 phút
1 GPS06 GPS07 160.653

28.734

45.864

169.524

11.3


0.001

4 GPS06 GPS10 273.893

67.729

30.136

283.748

10.1

6.085

0.001

5 GPS07 GPS08 35.13

-52.754

159.503

171.634

10.6

6.715

0.001

140.137

-62.25

57.585

163.797

8.5

9.663

0.001

9 GPS10 GPS08 -78.112

-91.743

175.236

212.664

12

7.783

0.001

10 GPS10 GPS09 62.025


-52.754

159.505

171.636

7.6

6.483

0.001

3 GPS08 GPS06 -
195.781

24.02

-205.368

284.751

11.7

4.79

0.001

4 GPS09 GPS06 -
335.918


-62.252

57.582

163.796

4.5

12.819

0.0017 GPS09 GPS10 -62.027

29.496

-117.649

136.230

8.8

5.916

0.001

8 GPS10 GPS06 -
273.892



175.233

212.663

6.1

7.026

0.001

Thời gian thu tín hiệu thực địa 30 phút
1 GPS07 GPS06 -
160.653

-28.732

-45.863

169.524

5.1

5.146

0.001

2 GPS08 GPS06 -
195.782


-57.579

163.795

1.7

15.34

0.001

5 GPS08 GPS10 78.111

91.748

-175.232

212.662

2.4

7.528

0.001

6 GPS09 GPS06 -
335.917

-38.235

-147.787

136.229

4.4

5.728

0.001

9 GPS10 GPS06 -
273.892

-67.726

-30.136

283.746

5.4

5.041

0.001

10 GPS10 GPS07 -
113.239

-38.994

15.727


284.752

3.3

6.215

0.001

3 GPS08 GPS07 -35.128 52.75 -159.507 171.636 3.7 5.609 0.001
4 GPS08 GPS09 140.14

62.237

-57.591

163.797

4

5.311

0.001

5 GPS08 GPS10 78.11

91.744

-175.235

212.663

5.2

3.92

0.001

8 GPS09 GPS10 -62.03

29.507

-117.644

136.230

4.1

5.412

0.001

9 GPS10 GPS06 -
273.889

-67.737

-30.137

283.746

3.2


3.462

0.001

2 GPS06 GPS08 195.78

-23.999

205.376

284.754

1.8

5.871

0.001

3 GPS06 GPS09 335.922

38.229

147.78

368.977

3.8

3.873


6 GPS07 GPS09 175.27

9.485

101.915

202.968

4.5

3.631

0.001

7 GPS07 GPS10 113.241

38.999

-15.727

120.796

2

7.223

0.002

8 GPS09 GPS08 -

-29.514

117.641

136.228

2.4

6.075

0.0012.3. Tọa độ và độ cao sau bình sai
Sử dụng module TrimnetPlus trong bộ phần mềm GPSuvey 2.35a để tiến hành bình sai lưới GPS.
Điểm khởi tính thống nhất giữa các ca đo (GPS06), thành quả tọa độ sau bình sai trong hệ tọa độ
phẳng UTM, L
0
=106
0
00’00. K
0
=0.9999, độ cao các điểm so với mực nước Biển Hòn dấu – Đồ Sơn
Hải Phòng, kết quả trong bảng 2.

Bảng 2.
Kết quả tính sai lệch và độ lệch chuẩn tọa độ, độ cao giữa các ca đo
TT Tên điểm x(m) y(m) h(m) mx(m) my(m) mh(m)
Thời gian thu tín hiệu thực địa 60 phút
1 GPS06 2313532.271 516030.136 2.493 FIXED FIXED FIXED

Căn cứ vào tọa độ và độ cao sau bình sai trong bảng 2, sử dụng phần mềm Excel trong bộ phần
mềm Microsorft office để tiến hành tính toán, thống kê sai số và độ lệch chuẩn (Standard deviation –
STDEV) tọa độ và độ cao giữa các ca đo, kết quả trong bảng 3.
Bảng 3.
So sánh sai lệch, độ lệch chuẩn tọa độ và độ cao giữa các ca đo
1. So sánh giữa 2 ca đo 60 phút và 45 phút 6. So sánh giữa 2 ca đo 45 phút và 15 phút
Tên điểm Dx(m) Dy(m) Dh(m) Tên điểm Dx(m) Dy(m) Dh(m)
GPS06 0.000 0.000 0.000 GPS06 0.000 0.000 0.000
GPS07 0.000 0.001 0.001 GPS07 0.002 0.001 -0.008
GPS08 0.001 -0.001 0.002 GPS08 0.001 0.002 -0.012
GPS09 -0.001 0.000 -0.002 GPS09 0.003 0.001 0.005
GPS10 -0.001 -0.001 -0.001 GPS10 0.002 -0.001 -0.008
STDEV 0.001 0.001 0.002

STDEV 0.002 0.001 -0.005
2. So sánh giữa 2 ca đo 60 phút và 30 phút 7. So sánh giữa 2 ca đo 45 phút và 10 phút
Tên điểm Dx(m) Dy(m) Dh(m) Tên điểm Dx(m) Dy(m) Dh(m)
GPS06 0.000 0.000 0.000 GPS06 0.000 0.000 0.000
GPS07 0.000 0.001 0.003 GPS07 0.002 0.002 -0.010
GPS08 0.000 -0.001 0.005 GPS08 0.000 0.004 -0.022

GPS09 -0.002 -0.001 -0.003 GPS09 0.003 0.003 0.007
GPS10 -0.002 -0.002 0.002 GPS10 0.002 0.004 -0.014
STDEV 0.001 0.001 0.003

STDEV 0.001 0.002 0.011
3. So sánh giữa 2 ca đo 60 phút và 15 phút 8. So sánh giữa 2 ca đo 30 phút và 15 phút
Tên điểm Dx(m) Dy(m) Dh(m) Tên điểm Dx(m) Dy(m) Dh(m)
GPS06 0.000 0.000 0.000 GPS06 0.000 0.000 0.000
GPS07 0.002 0.002 -0.007 GPS07 0.002 0.001 -0.010

có hiệu quả đối với công tác xây dựng mạng lưới đo vẽ địa chính khi yếu độ chính xác về độ cao
không yêu cầu khắt khe và các công trình khảo sát quy hoạch độc lập với quy mô vài trăm hecta khi
lưới khống chế độ cao đã dùng phương pháp đo thủy chuẩn.

Tài liệu tham khảo
1.
李征航
,
张小红
.
卫星导航定位新技术及高精度数据处理方法
,
武汉大学出版社
,
2009.
2.
李征航
,
黄劲松
. GPS
测量与数据处理
,
武汉大学出版社
,
2005.
3.
黄声享
,
郭英起等
. GPS