ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
***



ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
***
HOÀNG ANH TUẤN

HOÀNG ANH TUẤN

ii

LỜI CẢM ƠN

Trong thời gian học tập, nghiên cứu và thực hiện luận văn này, tôi đã nhận
được sự giúp đỡ vô cùng to lớn của quý thầy cô, gia đình, bạn bè và đồng nghiệp.
Tôi xin tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến:
- Quý Thầy cô khoa Địa lý, trường Đại học Khoa học Tự Nhiên – Đại học
Quốc gia Hà Nội đã tận tình giảng dạy và giúp đỡ tôi trong thời gian học tập và thực
hiện đề tài.
- PGS.TS. Trần Quốc Bình đã tận tình hướng dẫn và giúp đỡ tôi trong quá
trình nghiên cứu và thực hiện đề tài.
- Phòng Quản lý Đào tạo Sau Đại học đã tạo điều kiện tốt cho tôi trong suốt
khóa học và thời gian thực hiện đề tài.
- Đặc biệt gia đình, bạn bè và các đồng nghiệp đã góp ý, khuyến khích động
viên, tạo điều kiện thuận lợi cho tôi nghiên cứu và thực hiện đề tài này.
Xin chân thành cảm ơn!

HOÀNG ANH TUẤN iii


Hình 2.10: Sơ đồ hoạt động với một trạm cố định 47
Hình 2.11: Sơ đồ truyền dữ liệu bằng internet 47
Hình 2.12: Bộ máy GPS V30 và bộ điều khiển Qmini 48
Hình 2.13: Màn hình cơ bản của bộ điều khiển Qmini. 49
Hình 2.14: Màn hình nhập địa chỉ IP và góc ngưỡng. 50
Hình 3.1: Kênh Nhiêu Lộc – Thị Nghè năm 2014 52
Hình 3.2: Địa giới hành chính xã Ninh Gia 53
Hình 3.3: Sơ đồ lưới thử nghiệm tại kênh Nhiêu Lộc –Thị Nghè. 55
Hình 3.4: Biểu đồ kết quả 3 phương án thử nghiệm 59
Hình 3.5: Sơ đồ lưới thử nghiệm tại Ninh Gia. 61
Hình 3.6: Biểu đồ kết quả 2 phương án thử nghiệm 65

v

DANH MỤC BẢNG

Bảng 2.1: Bảng thông số cài đặt trạm lặp radio. 36
Bảng 3.1: Tọa độ lưới thử nghiệm tại kênh Nhiêu Lộc – Thị Nghè 56
Bảng 3.2: Tọa độ điểm đo RTK sử dụng lặp sóng radio để truyền số cải chính 57
Bảng 3.3: Tọa độ điểm đo RTK sử dụng điện thoại di động truyền số cải chính 58
Bảng 3.4: Tọa độ điểm đo RTK sử dụng internet để truyền số cải chính 58
Bảng 3.5: Tọa độ điểm thử nghiệm tại xã Ninh Gia 62
Bảng 3.6: Tọa độ điểm đo RTK sử dụng điện thoại di động truyền số cải chính 63
Bảng 3.7: Tọa độ điểm đo RTK sử dụng internet để truyền số cải chính 64
Bảng 3.8: Bảng so sánh ba giải pháp truyền số cải chính 69 vi

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

23. WGS-84 (World Geodetic System 1984): Hệ tọa độ WGS-84.
MỤC LỤC

Lời cam đoan i
Lời cảm ơn ii
Danh mục hình iii
Danh mục bảng v
Danh mục các chữ viết tắt vi
MỞ ĐẦU 1
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ ĐO GPS ĐỘNG THỜI GIAN
THỰC TRONG ĐO ĐẠC ĐỊA CHÍNH 4
1.1 Khái quát về hệ thống định vị vệ tinh toàn cầu GPS 4
1.1.1 Lịch sử phát triển 4
1.1.2 Cấu trúc hệ thống GPS 6
1.1.3 Các trị đo GPS 9
1.1.4 Nguyên lý hoạt động của hệ thống GPS. 13
1.1.5 Các nguồn sai số trong đo GPS 17
1.1.6 Các kỹ thuật đo pha GPS 22
1.2 Công nghệ đo động thời gian thực 24
1.2.1 Cài đặt trạm base 25
1.2.2 Cài đặt máy rover 26
1.2.3 Khởi đo RTK 28
1.2.4 Truyền tín hiệu giữa máy base và rover 29
1.2.5 Các chế độ đo RTK 30
1.2.6 Độ chính xác đo đạc RTK 31
1.3 Tình hình ứng dụng RTK trong đo đạc địa chính 31
1.4. Một số vấn đề cần khắc phục trong đo đạc địa chính bằng RTK 34


MỞ ĐẦU

1. Tính cấp thiết của đề tài nghiên cứu
Những năm gần đây, việc thành lập bản đồ điạ chính tỷ lệ lớn bằng công
nghệ đo động thời gian thực RTK, một ứng dụng của hệ thống định vị toàn cầu GPS,
đã trở lên phổ biến bởi các tính ưu việt như: có thể xác định tọa độ của các điểm từ
các điểm gốc mà không cần thông hướng, việc đo đạc nhanh, ít phụ thuộc vào điều
kiện thời tiết, cho kết quả ngay ngoài thực địa, có thể tính trong hệ tọa độ toàn cầu
hoặc hệ tọa độ địa phương và được ghi dưới dạng file số nên dễ dàng nhập vào các
phần mềm đo vẽ bản đồ hoặc các hệ thống cơ sở dữ liệu. Ngoài ra, khi lập bản đồ
bằng công nghệ RTK, người đo dễ dàng kiểm soát được chất lượng đo đạc ngoài
thực địa.
RTK là một công nghệ đo đạc bản đồ mới, có độ chính xác cao đạt tới một
vài cm. Để có được điều này trước khi tiến hành đo đạc ngoài thực địa, người ta
phải xem xét tính toán đến các yếu tố như: loại máy thu, các nguồn sai số và biện
pháp khắc phục, và một yếu tố có thể coi là chìa khóa thành công khi đo RTK là
phương án truyền số cải chính RTK từ trạm base đến các máy rover.
Hiện nay, tại Việt Nam việc truyền số cải chính RTK thường sử dụng bộ phát
sóng radio. Sử dụng radio có ưu điểm là tính ổn định cao, chi phí thấp nhưng hạn chế
lớn nhất của nó là phạm vi hoạt động hạn chế, và chỉ có thể hoạt động tốt ở những khu
vực có địa hình đơn giản hoặc những nơi có độ dốc địa hình thấp, khoảng 3 – 5%. Do
vậy, để khắc phục các nhược điểm này và làm tăng hiệu quả đo RTK, việc nghiên cứu
các giải pháp khác truyền số cải chính RTK là rất cần thiết, làm cơ sở khoa học triển
khai ứng dụng ở những khu vực, địa hình khác nhau của nước ta.
2. Mục tiêu nghiên cứu
- Đề xuất một số giải pháp truyền số cải chính nhằm nâng cao hiệu quả đo
RTK trên cơ sở phân tích kết quả thử nghiệm tại khu vực Thành phố Hồ Chí Minh
và tỉnh Lâm Đồng.


3

- Các kết quả của đề tài là sở khoa học giúp cho các đơn vị sản xuất lựa chọn
phương án truyền số cải chính RTK khi đo đạc lập bản đồ bằng công nghệ RTK.
- Góp phần nâng cao và hoàn thiện trong công tác đo đạc lập bản đồ bằng
công nghệ RTK
7. Cấu trúc của luận văn
Ngoài phần mở đầu và kết luận, luận văn được cấu trúc gồm 3 chương:
Chương 1: Tổng quan về công nghệ đo GPS động thời gian thực trong đo
đạc địa chính.
Chương 2: Đề xuất một số giải pháp truyền số cải chính trong đo đạc địa
chính bằng RTK.
Chương 3: Thử nghiệm thực tế và đánh giá khả năng ứng của các giải pháp
truyền số cải chính.

4

Chương 1:
TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ ĐO GPS ĐỘNG
THỜI GIAN THỰC TRONG ĐO ĐẠC ĐỊA CHÍNH

1.1 Khái quát về hệ thống định vị vệ tinh toàn cầu GPS
1.1.1 Lịch sử phát triển
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 từ 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

thập kỷ 90. Với 5 máy thu vệ tinh loại 4000ST, 4000SST ban đầu, sau một thời gian
ngắn đã lập xong lưới khống chế ở những vùng đặc biệt khó khăn mà từ trước đến
nay chưa có như Tây Nguyên, thượng nguồn Sông Bé, Cà Mau. Những năm sau đó,
công nghệ GPS đã đóng vai trò quyết định trong việc đo lưới cấp "0", thành lập hệ
quy chiếu Quốc gia VN-2000 cũng như việc lập lưới khống chế hạng III phủ trùm lãnh
thổ (gần 30.000 điểm) và nhiều lưới khống chế cho các công trình dân dụng khác [3].

Hình 1.1: Sơ đồ phân bố vệ tinh trong không gian.

6

1.1.2 Cấu trúc hệ thống GPS
GPS là một hệ thống kỹ thuật phức tạp, song theo sự phân bố không gian
người ta chia hệ thống GPS làm 3 phần:
- Phần điều khiển.
- Phần không gian.
- Phần người sử dụng.

Hình 1.2: Sơ đồ hoạt động, điều khiển của hệ thống GPS.
1.1.2.1 Phần điều khiển).
Phần điều khiển bao gồm các thiết bị điều khiển vệ tinh, theo dõi trạng thái
(sức khỏe) vệ tinh, theo dõi quỹ đạo vệ tinh, tính toán lịch vệ tinh, tải dữ liệu này
lên vệ tinh. Phần điều khiển gồm 4 trạm mặt đất nằm ở: Diego Garcia, Ascension,
Kwajalein và Hawaii. Cả 4 trạm đều là các trạm theo dõi có nhiệm vụ theo dõi trạng
thái hoạt động và quỹ đạo vệ tinh, chuyển các thông tin thu thập được về trạm điều
khiển chính nằm ở Colorado Spring [1].
Trạm điều khiển chính có nhiệm vụ xử lý số liệu thu được từ các trạm khác
để tính toán lịch vệ tinh và các số hiệu chỉnh đồng hồ vệ tinh. Đây cũng là trạm ra
lệnh điều khiển toàn hệ thống.


Các vệ tinh NAVSTAR có 2 trạng thái: "hoạt động khỏe" và "hoạt động
không khoẻ". Hai trạng thái của vệ tinh này được xác định bởi các 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 không khỏe".
b. Cấu trúc tín hiệu GPS:
Mỗi vệ tinh đều truyền hai tần số dùng cho công việc định vị là tần số
1575,42MHz và tần số 1227,60MHz. Hai sóng mang này gọi là L1 và L2, được
điều chế bởi những tín hiệu khác nhau. Mã nhiễu giả 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 = 1,023MHz. Chuỗi này được
lặp lại sau mỗi mini giây đồng hồ. Mã nhiễu giải ngẫu nhiên (PRN) thứ hai, được
biết dưới 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 = 10,23MHz. 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 không 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 công bố rộng rãi và không
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 không có giấy phép (nói chung là
những người không thuộc quân đội Mỹ và đồng minh của họ) sẽ không 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. Cả hai sóng mang đều
mang thông 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 [5].
1.1.2.3 Phần người sử dụng


+ Nhóm trị đo Code:

10

- C/A Code.
- P Code.
+ Nhóm trị đo pha:
- L1 - Carrier.
- L2 - Carrier.
- Tổ hợp L1/L2.
Các trị đo này có thể sử dụng riêng biệt hoặc kết hợp để xác định khoảng cách
từ máy thu đến từng vệ tinh.
1.1.3.1 Trị đo Code (C/A Code và P.Code)
Trong trường hợp này, máy thu nhận mã được phát đi từ vệ tinh, so sánh với
tín hiệu tương tự mà máy thu tạo ra nhằm xác định được thời gian tín hiệu truyền từ
vệ tinh tới máy thu và từ đó, khoảng cách D từ máy thu đến các vệ tinh được xác
định bằng công thức [2]:
D

= c x t + c x dt

+ d (1.1)

Trong đó:
- c: vận tốc lan truyền sóng (ánh sáng) = 299,792,458 m/s.
- t: thời gian truyền tín hiệu.
- dt: lượng hiệu chỉnh do sự không đồng bộ đồng hồ máy thu và vệ tinh.
- d: lượng hiệu chỉnh do môi trường truyền tín hiệu.
Việc xác định thời gian truyền tín hiệu theo trị đo code được mô tả như hình 1.4


) - f
p
(t) + N
s
p
(1.4)

Trong đó:

12

- f
s
(t
s
): pha của sóng tại thời điểm t
s
khi vệ tinh bắt đầu phát tín hiệu.
- f
p
(t): pha của sóng tại thời điểm t khi máy thu nhận được tín hiệu.
- N
s
p
: số nguyên lần bước sóng.
Từ các công thức trên ta suy ra:
j(t) = f
s
(t) - (f/c) x S
s

g
s
p
(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 f
s
(t
o
) - f
p
(t
o
) + N
s
p
, trong đó t
o
là thời điểm
bắt đầu đo).
Công thức (1.6) là công 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 [2].
Giải pháp đo pha cho kết quả định vị chính xác hơn giải pháp chỉ dùng trị đo
Code, nhưng cần phải bảo đảm thu tín hiệu vệ tinh trực tiếp, liên tục nhằm xác định
số nguyên lần bước sóng giữa anten máy thu và vệ tinh (hay còn gọi là số nguyên
đa trị N). Khi một máy thu bắt được tín hiệu của một vệ tinh nào đó, nó sẽ đếm số
bước sóng trôi qua sau thời điểm đó. Tuy nhiên nếu việc thu tín hiệu vệ tinh bị gián
đoạn do sự cố trượt chu kỳ (cycle slip) xảy ra, số nguyên đa trị bị thay đổi. Sự trượt
chu kỳ phát sinh do vật cản, do tín hiệu yếu, anten di động nhanh hoặc tác động
mạnh của tầng ion, Sự trượt chu kỳ phải được loại trừ để xác định số nguyên lần

Đây là bài toán giao hội cạnh trong không gian khi biết toạ độ của các vệ tinh
và khoảng cách tương ứng đến máy thu. Về mặt hình học, có thể mô tả phép định vị
tại một thời điểm như sau [1]:
- Nếu có 1 vệ tinh thì điểm cần đo sẽ nằm trên mặt cầu có tâm là vị trí vệ
tinh, có bán kính bằng khoảng cách đo được từ vệ tinh đó đến máy thu.
- Nếu có 2 vệ tinh thì điểm đo cũng nằm trên mặt cầu thứ 2 có tâm là vệ tinh
thứ 2, có bán kính là khoảng cách từ vệ tinh thứ 2 đến máy thu. Kết hợp trị đo đến 2
vệ tinh thì vị trí của điểm đo sẽ nằm trên giao tuyến của của 2 mặt cầu trong không
gian - đó là 1 đường tròn.
- Khi có vệ tinh thứ 3 thì cũng như trên, vị trí của điểm đo sẽ là giao của mặt
cầu thứ 3 và đường tròn nêu trên. Kết quả cho ta 2 nghiệm số là 2 vị trí trong không
gian.

Hình 1.7: Sơ đồ xác định tọa độ một điểm từ 3 vệ tinh.
- Nếu có vệ tinh thứ 4 thì kết quả tổng hợp sẽ cho 1 nghiệm duy nhất đó chính
là vị trí của điểm đo trong không gian.
Như vậy ít nhất cần thu tín hiệu 4 vệ tinh để xác định toạ độ điểm đo trong
không gian 3 chiều. Biểu thức toán học của việc định vị như sau:
D =
(X
s
- X
r
)
2
+ (Y
s
- Y
r
)