Khoa: Trắc địa – Bản đồ

Đồ án tốt nghiệp

MỤC LỤC

SV: Tống Mạnh Cường

Lớp: ĐH1TĐ2


Khoa: Trắc địa – Bản đồ

Đồ án tốt nghiệp

DANH MỤC BẢNG

SV: Tống Mạnh Cường

Lớp: ĐH1TĐ2


Khoa: Trắc địa – Bản đồ

Đồ án tốt nghiệp

DANH MỤC HÌNH

SV: Tống Mạnh Cường

Lớp: ĐH1TĐ2

xác định tọa độ, đặc biệt trong các trường hợp số lượng vệ tinh GPS quan trắc
được bị hạn chế. Chính vì vậy, em đã chọn đề tài: “Nghiên cứu phương

SV: Tống Mạnh Cường

4

Lớp: ĐH1TĐ2


Khoa: Trắc địa – Bản đồ

Đồ án tốt nghiệp

pháp xử lý số liệu GPS kết hợp GLONASS trong thành lập lưới trắc địa”
để thực hiện đồ án tốt nghiệp.
Kết cấu của đồ án, ngoài phần mở đầu và kết luận, gồm có 3 chương
chính:
Chương 1. Khái quát chung về công nghệ định vị vệ tinh GPS và
GLONASS;
Chương 2. Phương pháp xử lý dữ liệu đo GPS và GLONASS bằng phần
mềm TBC;
Chương 3. Tính toán thực nghiệm bằng phần mềm TBC.
Do trình độ chuyên môn có hạn và nguồn tài liệu còn hạn chế, nên cuốn
đồ án còn nhiều thiếu sót, rất mong được sự đóng góp ý kiến của các thầy cô
và các bạn đồng nghiệp để cuốn đồ án được hoàn thiện hơn.
Em xin chân thành cảm ơn sự hướng dẫn tận tình, chu đáo của các thầy
cô trong Khoa Trắc địa – Bản đồ và các cán bộ Cục Bản đồ/Bộ Tổng Tham
Mưu, đã giúp em hoàn thành cuốn đồ án này. Tôi xin chân thành cám ơn
những đóng góp ý kiến của các bạn bè đồng nghiệp trong quá trình làm đồ án.


này.
1.2 Hệ thống vệ tinh định vị GPS

1.2.1 Lịch sử phát triển
Bộ Quốc phòng Mỹ là cơ quan thiết kế và điều khiển hệ thống định vị
toàn cầu GPS. Trong nhóm những người tham gia điều hành dự án GPS của
Bộ Quốc phòng Mỹ cần kể tới sự đóng góp to lớn của TS. Ivan Getting, người
sáng lập The Aerospace Corporation và TS. Bradford Parkinson, chủ tịch hội
đồng quản trị của The Aerospace Corporation. Bảng 1.1 trình bày tóm tắt niên
biểu những sự kiện liên quan tới lịch sử phát triển GPS.

SV: Tống Mạnh Cường

6

Lớp: ĐH1TĐ2


Khoa: Trắc địa – Bản đồ

Thời gian
Thập niên
1920s

Đồ án tốt nghiệp

Bảng1.1 Niên biểu lịch sử phát triển GPS
Sự kiện
Ra đời hệ thống dẫn đường vô tuyến.

Hệ thống dẫn đường đo hiệu thời gian ba chiều (kinh độ, vị độ và độ
cao longitude, latitude and altitude) đầu tiên do Raytheon
Corporation đề xuất theo yêu cầu của Không lực Hoa Kì để làm hệ

1960

thống dẫn đường sẽ được sử dụng với (with a proposed ICBM) có
thể đạt tới độ lưu động bằng chạy trên một hệ thống đường ray. Hệ
thống dẫn đường được trình bày là MOSAIC (Mobile System for
Accurate ICBM Control). Ý tưởng này bị hỏng khi chương trình

1963

Mobile Minuteman bị hủy bỏ vào năm 1961.
Tổng công ty Aerospace Corporation thực hiện nghiên cứu về hệ

SV: Tống Mạnh Cường

7

Lớp: ĐH1TĐ2


Khoa: Trắc địa – Bản đồ

Đồ án tốt nghiệp

thống không gian làm cơ sở cho hệ thốn dẫn đường cho phương tiện
chuyển động nhanh theo ba chiều không gian. Việc nghiên cứu này
trực tiếp dẫn tới khái niệm về hệ thống định vị toàn cầu. Khái niệm

System). NAVSEC ký hợp đồng một số nghiên cứu để làm sáng tỏ
khái niệm dẫn đường vệ tinh cơ bản. Những nghiên cứu này về một
số vấn đề chính xung quanh khái niệm như lựa chọn tần số sóng

SV: Tống Mạnh Cường

8

Lớp: ĐH1TĐ2


Khoa: Trắc địa – Bản đồ

Đồ án tốt nghiệp

mang (dải L đối lập với dải C), thiết kế cấu trúc tín hiệu, và lựa
chọn định hình quỹ đạo vệ tinh.
NAVSEC quản lý các thảo luận khái niệm giữa các nhóm dẫn
đường vệ tinh khác nhau. APL Hải quân ủng hộ nhóm Transit mở
1969-1972

rộng, trong khi NRL Hải quân ủng hộ cho Timation mở rộng, còn
Không lực Hoa Kì thì ủng hộ cho “chòm sao đồng bộ mở rộng”, tức
dự án ‘Hệ thống 621B’.
Thứ trưởng Bộ Quốc phòng quyết định thiết lập một chương trình
hợp tác ba dịch vụ để thống nhất những khái niệm khác nhau về
định vị và dẫn đường thành một hệ thống Bộ quốc phòng hỗn hợp
gọi là Hệ thống vệ tinh dẫn đường quốc phòng (Defense Navigation

Tháng 4


Lớp: ĐH1TĐ2


Khoa: Trắc địa – Bản đồ

Đồ án tốt nghiệp

thực hiện và cấp kinh phí là hệ thống NAVSTAR GPS, đánh dấu
khởi đầu công nhận khái niệm (ý tưởng) (Giai đoạn I của chương
trình GPS). Khái niệm mới thực sự là một hệ thống dàn xếp (thỏa
hiệp – compromise system) do Đại tá Parkinson thương lượng đã
kết hợp tốt nhất giữa tất cả những khái niệm và công nghệ dẫn
đường vệ tinh có sẵn. Cấu hình hệ thống được thông qua bao gồm
24 vệ tinh chuyển động trong những quỹ đạo nghiêng chu kỳ 12 giờ
Tháng 6
năm 1974

đồng hồ.
Hãng Rockwell International được chọn làm nhà cung cấp vệ tinh
cho chương trình GPS.
Vệ tinh NAVSTAR đầu tiên được phóng lên vũ trụ. Vệ tinh này
được chỉ định là Vệ tinh Công nghệ Dẫn đường (NTS) số 1, về cơ

Ngày 14

bản đây là vệ tịnh Timation tân trang lại do NRL đóng. Vệ tinh thứ

tháng 7 năm hai (là vệ tinh cuối cùng) của nhóm NTS được phóng vào năm
1974

10

Lớp: ĐH1TĐ2


Khoa: Trắc địa – Bản đồ

Đồ án tốt nghiệp

chính do Quyết định 1979 của Văn phòng Thư ký Bộ Quốc phòng
gây ra để cắt giảm kinh phí 500 triệu đô la (khoảng 30%) từ ngân

14/7/1983

16/9/1983

sách cho giai đoạn năm tài chính FY81-FY86.
Phóng vệ tinh GPS đầu tiên thực hiện hệ thống dò tìm tiếng nổ hạt
nhân (NDS) mới hơn.
Theo (the Soviet downing of Korean Air flight 007), tổng thống
Reagan hứa cho GPS được sử dụng cho các máy bay dân dụng hoàn
toàn miễn phí khi hệ thống đưa vào sử dụng. Sự kiện này đánh dấu
sự bắt đầu lan tỏa công nghệ GPS từ quân sự sang dân sự.
Hợp đồng thiết bị người sử dụng chính đầu tiên được giao cho JPO.

Tháng tư

Hợp đồng bao gồm việc nghiên cứu, phát triển cũng như lựa chọn

19985

SV: Tống Mạnh Cường

11

Lớp: ĐH1TĐ2


Khoa: Trắc địa – Bản đồ

Đồ án tốt nghiệp

các vệ tinh Block II được Rockwell Intenational đóng. Tiếp theo tai
nạn Challenger 1986, Văn phòng Chương trình Kết hợp (JPO) xem
xét lại và đã sử dụng Delta II làm bệ phóng vệ tinh GPS.
Hãng Martine Marietta (sau khi mua xong General Electric Astro
21/6/1989

Space Division vào năm 1992) được thắng hợp đồng xây dựng 20
vệ tinh bổ sung (Block IIR). Chiếc vệ tinh Block IIR đầu tiên sẵng
sàng để phóng vào cuối năm 1996.
Hãng Trimble Navigation, nhà sản xuất bán máy thu GPS hàng đầu

1990

thế giới được thành lập năm 1978 hoàn thành loạt sản phẩm ban
đầu.
Bộ Quốc phòng Hoa Kì (DoD) theo Kế hoạch Dẫn đường Vô tuyến

25/3/1990



12

Lớp: ĐH1TĐ2


Khoa: Trắc địa – Bản đồ

Đồ án tốt nghiệp

trong Hội nghị Dẫn đường Hàng không lần thứ 10 (the 10 th Air
Navigation Conference) của Tổ chức Hàng không Dân dụng Quốc
tế (ICAO, International Civil Aviation Organization).
Mỹ mở rộng lời đề nghị 1991 vào Hội nghị thường niên ICAO bằng
5/9/1991

cách cho phép thế giới sử dụng SPS trong tương lai, việc này phụ
thuộc vào việc có đủ vốn, cung cấp dịch vụ này tối thiểu 6 năm có
thông báo trước về việc chấm dứt hoạt động GPS hoặc xóa bỏ SPS.
Bộ Trưởng Bộ Quốc phòng Hoa Kì chính thức thông báo Khả năng
hoạt động đầu tiên của GPS, có nghĩa là 24 vệ tinh trên quỹ đạo hệ

8/12/1992

thống GPS không còn là hệ thống đang triển khai nữa mà GPS đã có
khả năng duy trì độ chính xác ở mức độ sai số 100 mét và có sẵn
trên toàn cầu liên tục cho người sử dụng SPS như đã hứa.
Người quản trị FAA David Hinson thông báo GPS là một hệ thống

17/2/1994

Lớp: ĐH1TĐ2


Khoa: Trắc địa – Bản đồ

Đồ án tốt nghiệp

Ủy ban hành động dẫn đường định vị Bộ Giao thông (the
11/10/1994

Department of Transportation Positioning / Navigation Executive
Committee) được thành lập để cung cấp diễn đàn qua đại lý nhằm
thực hiện chính sách GPS.
Người quản trị FAA David Hinson nhắc lại lời đề nghị (US’s offer)

14/10/1994

làm GPS-SPS có sẵn trong tương lai, dựa trên cơ sở liên tục và toàn
cầu miễn phí cho người sử dụng trực tiếp trong thư gửi cho ICAO.
Tổng thống Bil Clinton tái khẳng định rằng Mỹ cung cấp tín hiệu

16/3/1995

GPS cho cộng đồng người sử dụng dân dụng thế giới trong thư gửi

cho ICAO
Từ sau năm 1995 hệ thống GPS vẫn tiếp tục được duy trì và bảo dưỡng
cũng như thay thế những vệ tinh già tuổi. Những vệ tinh thế hệ GPS-IIR đã và
đang được phóng lên để thay thế những vệ tinh già tuổi.




Khoa: Trắc địa – Bản đồ

Đồ án tốt nghiệp

Hình 1.2. Chuyển động vệ tinh GPS xung quanh Trái đất
Từ khi phóng vệ tinh GPS đầu tiên được phóng vào năm 1978, đến nay
đã có bốn thế hệ vệ tinh khác nhau. Thế hệ đầu tiên là vệ tinh Block I, thế hệ
thứ hai là Block II, thế hệ thứ ba là Block IIA và thế hệ gần đây nhất là Block
IIR. Thế hệ cuối của vệ tinh Block IIR được gọi là Block IIR-M. Những vệ
tinh thế hệ sau được trang bị thiết bị hiện đại hơn, có độ tin cậy cao hơn, thời
gian hoạt động lâu hơn.
- Đoạn điều khiển. Đoạn điều khiển duy trì hoạt động của toàn bộ hệ thống GPS

cũng như hiệu chỉnh tín hiệu thông tin của vệ tinh hệ thống GPS và gồm có 5
trạm quan sát có nhiệm vụ như sau:
+ Giám sát và điều khiển hệ thống vệ tinh liên tục;
+ Quy định thời gian hệ thống GPS;
+ Dự đoán dữ liệu lịch thiên văn và hoạt động của đồng hồ trên vệ tinh;
+ Cập nhật định kỳ thông tin dẫn đường cho từng vệ tinh cụ thể;
+ Có một trạm điều khiển chính (Master Control Station) ở Colorado Springs
bang Colarado của Mỹ và 4 trạm giám sát (monitor stations) và ba trạm ăng
ten mặt đất dùng để cung cấp dữ liệu cho các vệ tinh GPS.
Bản đồ trong hình 1.3 cho biết vị trí các trạm điều khiển và giám sát hệ
thống GPS. Gần đây có thêm một trạm phụ ở Cape Cañaveral (bang Florida,
Mỹ) và một mạng quân sự phụ (NIMA) được sử dụng để đánh giá đặc tính và
dữ liệu thời gian thực.

SV: Tống Mạnh Cường

SV: Tống Mạnh Cường

17

Lớp: ĐH1TĐ2


Khoa: Trắc địa – Bản đồ

Đồ án tốt nghiệp

xác định bởi bán trục lớn a = 6378137.0 m và nghịch đảo độ dẹt 1/f =
298.257223563.
Hệ quy chiếu WGS-84 còn xác định mô hình độ cao Geoid. Mô hình độ
cao Geoid EGM-96 được thiết lập trên cơ sỏ mô hình trường trọng lực Trái
đất, các điểm cần tinh được nội suy theo các giá trị tại nút lưới theo phương
pháp collocation có độ chính xác từ 1m đến 2m.
- Kích thước Ellipsoid quy chiếu
+ Bán trục lớn:
+ Độ dẹt

a = 6378137m;
f = 1/298,257223563;
-11
Ω = 7292115,8553.10
rad/s
8 3 2
GM = 3986004,418.10 m /s .

- Tốc độ quay Trái đất:

Đồ án tốt nghiệp

lượng của vệ tinh xấp xỉ 1400kg. Hai cánh vệ tinh là pin mặt trời, có diện tích
trên 23 m2. Thời kỳ đầu, tuổi thọ của các vệ tinh được thiết kế khoảng 3 năm.
Mỗi lần phóng bằng tên lửa đẩy có thể đưa lên quỹ đạo từ 2 đến 3 vệ tinh. Hiện
nay tuổi thọ của các vệ tinh GLONASS thế hệ mới kéo dài khoảng 7-10 năm.
Trên hình 1.4 là vệ tinh GLONASS-M và trên hình 1.5 là vệ tinh GLONASS-K.

Hình 1.4 Vệ tinh GLONASS-M

Hình 1.5 Vệ tinh GLONASS-K
Dựa trên tần số chuẩn của đồng hồ nguyên tử, các vệ tinh GLONASS
phát tín hiệu L1 và L2 có tần số khác nhau được xác định theo công thức:
fk L1 = 1602MHz + k .0,5625MHz,
fk L2 = 1246MHz + k .0,4375MHz,
trong đó k là số hiệu vệ tinh (k=1,2...24).
Tín hiệu GLONASS cũng được điều biến theo code tựa ngẫu nhiên để
làm cơ sở cho đo khoảng cách giả .Hệ thống GLONASS cũng sử dụng C/A
code có tần số 0.511 MHz và sử dụng P-code có tần số 5,11 MHHz .

SV: Tống Mạnh Cường

19

Lớp: ĐH1TĐ2


Khoa: Trắc địa – Bản đồ

Đồ án tốt nghiệp


Khoa: Trắc địa – Bản đồ

-

Đồ án tốt nghiệp

hiệu chỉnh liwwn tục các tham số quỹ đạo vệ tinh;
tạo ra và chuyển lên vệ tinh các chương trình được gián nhãn thời gian (timetagged), các lệnh điều khiển và các thông tin chuyên dụng.
Từ các năm 1998-1999 đã có 60 trạm quan sát GLONASS và 30 trạm đo
khoảng cách bằng laser (SLR) trên 25 nước tham gia.Nhờ đó lịch vệ tinh chính
xá của GLONASS đã đạt độ chính xác vị trí vệ tinh cỡ 25-50cm và có thể đạt
cỡ 10 cm.

- Đoạn sử dụng. Các máy thu của GLONASS được chia ra các máy thu đạo hàng

sử dụng L1, C/A code, P-code, pha sóng tải và L2:P code và pha sóng tải. Máy
thu GLONASS chưa có trên thị trường,song một số hãng chế tạo thiết bị định vị
đã chế tạo máy thu GPS kết hợp GLONASS như AshtechZ-18 (Mỹ), GB-1000
của hãng topcon (Nhật Bản) OEMV-1G, OEMV-2, OEMV-3 là máy thu tích
hợp công nghệ GPS và GLONASS. Trên hình 1.7 là máy thu GLONASS/GPS
kiểu cầm tay.

Hình 1.7. Máy thu GLONASS/GPS
1.3.3 Hệ tọa độ sử dụng trong hệ thống định vị GLONASS ( PZ-90)

SV: Tống Mạnh Cường

21



Bao gồm 2 nguyên lý cơ bản:
+ Nguyên lý định vị tuyệt đối;
+ Nguyên lý định vị tương đối.
1.4.1 Định vị tuyệt đối (Absolute Positioning)
Định vị tuyệt đối là trường hợp sử dụng một máy thu GPS/GLONASS
để xác định tọa độ của điểm quan sát trong hệ thống tọa độ WGS-84/PZ-90,
là các thành phần tọa độ vuông góc không gian (X,Y,Z) hoặc các thành phần
tọa độ mặt cầu (B, L, H).

SV: Tống Mạnh Cường

22

Lớp: ĐH1TĐ2


Khoa: Trắc địa – Bản đồ

Đồ án tốt nghiệp

Hình 1.8 Định vị tuyệt đối
Việc định vị tuyệt đối được thực hiện trên cơ sở sử dụng đại lượng đo là
khoảng cách giả từ vệ tinh đến anten máy thu theo nguyên tắc giao hội không
gian từ các điểm đã biết tọa độ là các vệ tinh.
Về nguyên tắc, 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 máy thu chỉ cần thu tín hiệu của 3 vệ tinh
thì ta có thể xác định được tọa độ không gian của máy thu. Song trên thực tế
cả đồng hồ vệ tinh và đồng hồ trong máy thu đều có sai số nên các khoảng

Bằng cách đo khoảng cách giả đồng thời từ máy thu đến bốn vệ tinh ta
có thể xác định được tọa độ tuyệt đối của máy thu, ngoài ra còn có thể xác
định được số hiệu chỉnh vào đồng hồ máy thu. Thực tế với hệ thống vệ tinh
hoạt động đầy đủ như hiện nay, số lượng vệ tinh quan sát được thường là từ 6
đến 8 vệ tinh GPS, có khi lên tới 10 vệ tinh và một số lượng tương tự vệ tinh
GLONASS.

SV: Tống Mạnh Cường

24

Lớp: ĐH1TĐ2


Khoa: Trắc địa – Bản đồ

Đồ án tốt nghiệp

1.4.2 Định vị tương đối (Relative Positioning)
Định vị tương đối là trường hợp sử dụng hai máy thu GPS/GLONASS
đặt ở 2 điểm quan sát khác nhau để xác định hiệu tọa độ vuông góc không
gian (X, hay hiệu tọa độ mặt cầu ( giữa chúng trong hệ tọa độ WGS-84/PZ-90.

Hình 1.9 Định vị tương đối
Nguyên tắc định vị tương đối được thực hiện trên cơ sở sử dụng đại
lượng đo pha sóng tải kết hợp khoảng cách giả và cũng có khi sử dụng cả trị
đo Doppler để hỗ trợ giả nhanh số nguyên đa trị.. Để đạt được độ chính xác
cao cho kết quả xác định hiệu tọa độ (hay vị trí tương hỗ) giữa 2 điểm xét cần
thực hiện quan trắc đồng thời tại hai điểm. Người ta đã tạo ra và sử dụng các
sai phân khác nhau cho pha sóng tải làm giảm ảnh hưởng của các nguồn sai