Đồ án tốt nghiệp

Trường đại học Mỏ-Địa Chất
MỤC LỤC

MỤC LỤC.....................................................................................................................i
TỔNG QUAN VỀ ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ HỆ THỐNG VỆ TINH DẪN
ĐƯỜNG TOÀN CẦU GNSS.......................................................................................3
Một số thông số vệ tinh thế hệ GPS IIR-M1 (thế hệ mới):.....................................10
Hình 1.11: Xác định hệ quy chiếu WGS- 84............................................................15
CHƯƠNG 2................................................................................................................ 27
THÀNH LẬP LƯỚI KHỐNG CHẾ CƠ SỞ BẰNG CÔNG NGHỆ GNSS..........27
CHƯƠNG 3................................................................................................................42
TÍNH TOÁN XỬ LÝ SỐ LIỆU LƯỚI GNSS..........................................................42

SV: Nguyễn Văn Hiến

i

Lớp trắc điạ mỏ-CT K55


Đồ án tốt nghiệp

Trường đại học Mỏ-Địa Chất

LỜI MỞ ĐẦU
Công nghệ định vị vệ tinh đã được bắt đầu ứng dụng ở Việt Nam gần 20
năm. Từ đó đến nay hầu hết người sử dụng Việt Nam đã quen với hệ thống định
vị toàn cầu GPS. Trong suốt thời gian qua GPS vẫn là lựa chọn chính yếu cho
tất cả mọi ứng dụng. Đến thời điểm này thế giới công nghệ định vị vệ tinh đã và


Lớp trắc điạ mỏ-CT K55


Đồ án tốt nghiệp

Trường đại học Mỏ-Địa Chất

cùng toàn thể ý kiến của bạn bè đồng nghiệp đã giúp em hoàn thành cuốn đồ án
này.
Em xin chân thành cảm ơn!
Hà Nội, ngày 15 tháng 6 năm 2015
Sinh viên thực hiện

Nguyễn Văn Hiến

SV: Nguyễn Văn Hiến

2

Lớp trắc điạ mỏ-CT K55


Đồ án tốt nghiệp

Trường đại học Mỏ-Địa Chất

CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ HỆ THỐNG VỆ TINH
DẪN ĐƯỜNG TOÀN CẦU GNSS

SV: Nguyễn Văn Hiến

4

Lớp trắc điạ mỏ-CT K55


Đồ án tốt nghiệp

Trường đại học Mỏ-Địa Chất

НАвигационная Спутниковая Система; Global'naya Navigatsionnaya
Sputnikovaya Sistema) do Liên bang Xô viết (cũ) thiết kế và điều hành. Ngày
nay hệ thống GLONASS vẫn được Cộng hoà Nga tiếp tục duy trì hoạt động. Hệ
thống GLONASS bao gồm 30 vệ tinh chuyển động trong ba mặt phẳng quỹ đạo
(nghiêng 64.8 độ so với mặt phẳng xích đạo) xung quanh trái đất với bán kính
25.510km (Yasuda, 2001).
1.2.3. GALILEO
Cả hai hệ thống GPS và GLONASS được sử dụng chính cho mục đích
quân sự. Đối với những người sử dụng dân sự có thể có sai số lớn nếu như cơ
quan điều hành GPS và GLONASS kích hoạt bộ phận gây sai số chủ định, ví dụ
như SA của GPS. Do vậy Liên hợp Âu Châu (EU) đã lên kế hoạch thiết kế và
điều hành một hệ thống định vị vệ tinh mới mang tên GALILEO, mang tên nhà
thiên văn học GALILEO, với mục đích sử dụng dân sự. Việc nghiên cứu dự án
hệ thống GALILEO được bắt đầu triển khai thực hiện từ năm 1999 do 4 quốc
gia Châu Âu Pháp, Đức, Italia và Anh Quốc. Giai đoạn đầu triển khai chương
trình GALILEO bắt đầu năm 2003 và theo dự kiến sẽ hoàn thành và đưa vào sử
dụng trong năm 2010 (chậm hơn so với thời gian dự định ban đầu 2 năm)
(Wikipedia, 2006). GALILEO được thiết kế gồm 30 vệ tinh chuyển động trong
3 mặt phẳng quỹ đạo (nghiêng 56 độ so với mặt phẳng xích đạo) xung quanh


30

Số mặt phẳng quỹ
đạo

6MEO

3MEO

3MEO

Độ nghiêng
MPQĐ

55o

64.8o

56o

Bán kính quỹ đạo

26.560 km

25.510 km

29.980 km

Chu kỳ


CDMA

FDMA

CDMA

Dạng mã số

??

Chuỗi M

??

1023 bit

511 bit

2.35x1014

5110000

Tốc độ mã số
(C/A L1, P L1,
L2)

1.023 Mcps

0.511 Mcps

Ephemeris

Yếu tố quỹ đạo Vị trí, tốc độ và gia tốc

SV: Nguyễn Văn Hiến

6

-

Lớp trắc điạ mỏ-CT K55


Đồ án tốt nghiệp

Trường đại học Mỏ-Địa Chất

ba chiều
Almanac

Yếu tố quỹ đạo

Yếu tố quỹ đạo

L1: BPSK: 50 bps

QBSK

Tốc độ truyền dữ L2: BPSK: 25 bps


-

Dữ liệu hiệu chỉnh
điện từ
1.3. Cơ cấu của hệ thống định vị toàn cầu GNSS
Hệ thống định vị toàn cầu được cấu tạo thành ba phần ( Phần không gian
– space segment, phần điều khiển – control segment và phần người sử dụng –
user segment).

SV: Nguyễn Văn Hiến

7

Lớp trắc điạ mỏ-CT K55


Đồ án tốt nghiệp

Trường đại học Mỏ-Địa Chất

Hình1.3: Sơ đồ liên quan giữa ba phần của hệ thống định vị toàn cầu
1.3.1. Phần không gian (space segment)
Phần không gian của GNSS bao gồm 24 vệ tinh nhân tạo (được gọi là
satellite vehicle, tính đến thời điểm 1995). Quỹ đạo chuyển động của vệ tinh
nhân tạo xung quanh trái đất là quỹ đạo tròn, 24 vệ tinh nhân tạo chuyển động
trong 6 mặt phẳng quỹ đạo. Mặt phẳng quỹ đạo vệ tinh GNSS nghiêng so với
mặt phẳng xích đạo một góc 55 độ. Hình 1.4 minh họa chuyển động của vệ tinh
GNSS xung quanh trái đất.
Từ khi phóng vệ tinh GNSS 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

Đồ án tốt nghiệp

Trường đại học Mỏ-Địa Chất

Vệ tinh GPS chạy bằng năng lượng mặt trời. Vệ tinh được trang bị pin
mặt trời để chạy cả khi không có năng lượng mặt trời. Mỗi vệ tinh có bộ nâng
đỡ loại tên lửa để duy trì vệ tinh trong quỹ đạo chính xác. Mỗi vệ tinh được xây
dựng có thể tồn tại và hoạt động trong khoảng 10 năm. Việc thay thế và phóng
vệ tinh lên quỹ đạo được duy trì thường xuyên. Một vệ tinh GPS nặng khoảng
2000 pounds (909 kg) và cao 17 feet (khoảng 5 mét) có bảng nhận năng lượng
mặt trời trải rộng. Năng lượng phát sóng chỉ khoảng 50 watts hoặc nhỏ hơn.
Một số thông số vệ tinh thế hệ GPS IIR-M1 (thế hệ mới):
Vệ tinh thế hệ mới nhất GPS IIR-M1 có khối lượng 1132.75kg. Vệ tinh
GPS IIR-M1 có khả năng thực hiện tín hiệu quân sự mới (M-code trên L 1M và
L2M) và tín hiệu dân dụng thứ 2 (L2C). Vệ tinh GPS IIR-M1 trị giá 75 triệu đô la
Mỹ đã được phóng thành công vào 3giờ 36 phút sáng ngày 26/9/2005. Ảnh vệ
tinh GPS IIR-M1 cho trong Hình 1.6.

Hình1.6: GPS IIR-M1 launchedinSep2005
1.3.2. Phần điều khiển (control segment)

SV: Nguyễn Văn Hiến

10

Lớp trắc điạ mỏ-CT K55


Đồ án tốt nghiệp



di chuyển. Để có thể thu được vị trí, ở phần người sử dụng cần có ăng ten và
máy thu GPS (GPS receivers). Nguyên lý thu ở phần người sử dụng được minh
họa trong các Hình 1.8.a và 1.8.b.
Máy thu GNSS: Nhằm có vị trí, vận tốc và thông tin thời gian thì chúng ta
cần có máy thu GNSS (GPS). Hình 1.8.a minh họa một máy thu GPS tổng quát.
Các chức năng của từng phần như sau Rizos 1999.
Antenna
và bộ tiền
khuếch đại:
Antennas
được dùng
cho máy thu
GPS có đặc
tính tia vì
vậy chúng
không phải
được hướng
về
phía
nguồn
tín
hiệu như đĩa
thu TV vệ
tinh.
Antennas
gọn nhẹ và
có
nhiều
loại thiết kế

LCD gắn trong hộp máy thu.
Bộ lưu dữ liệu: Trong trường hợp máy thu GPS định dùng cho mục đích
chuyên môn như đo đạc dữ liệu, đo được phải được lưu theo cách nào đó để xử
lý dữ liệu sau. Trong trường hợp ứng dụng ITS như đo chuyển động của phương
tiện thì chỉ cần ghi lại tọa độ và vận tốc đo được từ GPS. Nhiều thiết bị lưu trữ
dữ liệu được dùng trong quá khứ bao gồm cả máy thu băng từ, đĩa mềm và băng
máy tính v.v.... Nhưng ngày nay hầu hết các máy thu đều có sử dụng bộ nhớ
cứng (RAM) hoặc các thẻ nhớ tháo rời được.
Bộ cấp nguồn: Ngày nay các máy thu GPS di chuyển được cần nguồn
điện thấp. Xu hướng áp dụng sử dụng nhiều nguồn điện khác nhau có hiệu quả
hơn là một xu hướng mạnh và hầu hết các máy thu GPS hoạt động bằng một số
nguồn bao gồm pin NiCad hoặc Lithium gắn trong, ác quy bên ngoài như ác quy
xe ô tô hoặc nguồn điện chính.
Có nhiều loại máy thu GPS trên thị thường từ loại cầm tay cho tới loại
máy thu GPS dùng cho hệ thống hàng hải, ví dụ như máy thu GPS của hãng
Garmin Ltd trong Hình 1.9 hoặc máy thu GPS cầm tay của Hãng InterWorld
Electronics trong Hình 1.10.

SV: Nguyễn Văn Hiến

13

Lớp trắc điạ mỏ-CT K55


Đồ án tốt nghiệp

Trường đại học Mỏ-Địa Chất

Hình 1.9: Máy thu GPS StreePilotIII (Courtesy of Garmin Ltd)

collccation có độ chính xác từ 1m đến 2m.
Bảng 1.2: Các tham số của hệ thống quy chiếu WGS-84
Kính thước Ellipsoid quy chiếu
WGS-184

a= 6378137m
α=1/298, 257223563

Tốc độ quay của trái đất

ω=7292115,8553X ‾¹¹ rad/s

Hằng số trọng lực trái đất

GM=3986004,418X108 m3/s2

Các điểm tọa độ quy chiếu

12 điểm Air-Force và NIMA Tracking
Station
Chuỗi điều hòa cầu tới bậc
n=m-360 với 130.676 hệ số
Mô hình với lưới 15’ x 15’ độ chính xác độ
cao Geoid tại nút lưới là 0.5 đến 1.0 m

Mô hình trường trọng lực trái đất
EGM-96
Mô hình Geoid EGM-96

Đẳng thức sau là biểu thức biến đổi đơn giản độ cao từ hệ tọa độ ellipsoid

Bán trục lớn: a=6378137m,
Bán trục bé: b=6356752,3m
Độ dẹt:

α=1/298,2572

Việc đo GNSS tuyệt đối được thực hiện trên cơ sở sử dụng đại lượng đo
là khoảng cách giả 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 về 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 cách đo
được không phải là khoảng cách chính xác mà là khoảng cách giả được tính theo
công thức ( ). Từ ba khoảng cách giả ta lập được hệ 3 phương trình mà 4 ẩn số
SV: Nguyễn Văn Hiến

16

Lớp trắc điạ mỏ-CT K55


Đồ án tốt nghiệp

Trường đại học Mỏ-Địa Chất

(tọa độ vuông góc XYZ hoặc tọa độ mặt cầu BLH của điểm quan sát và sai số
do đồng bộ đồng hồ vệ tinh và đồng hồ máy thu ∆t) do đó không xác định được
vị trí không gian điểm quan sát. Để khắc phục tình trạng này cần phải thu tín


17

Lớp trắc điạ mỏ-CT K55


Đồ án tốt nghiệp

Trường đại học Mỏ-Địa Chất

Hình1.12: Đo GNSS tương đối
Nguyên tắc đo GNSS: Được thực hiện trên cơ sơ sử dụng đại lượng đo là
pha sóng tải. Để đạt được độ chính xác cao và rất cao cho kết quả xác định hiệu
tọa độ (hay vị trí tương hỗ) giữa hai điểm xét cần thực hiện quan trắc đồng thời
tại hai điểm. Người ta đã tạo và sử dụng các sai phân khác nhau cho pha tải
nhằm làm giảm ảnh hưởng của các nguồn sai số khác nhau như: sai số đồng hồ
trên vệ tinh cũng như trên máy thu, sai số tọa độ vệ tinh, sai số nguyên đa trị.
1.5.3. Đo GNSS vi phân DGNSS (Differential- GNSS)
Theo phương pháp này cần có một máy thu GNSS có khả năng phát tín
hiệu vô tuyến được đặt tại điểm có tọa độ đã biết (thường gọi là máy cố định),
đồng thời có một máy khác (máy di động) đặt ở vị trí cần xác định tọa độ, có thể
là điểm cố định trên bề mặt đất hay điểm di động như máy bay, oto, tàu
thủy...Cả máy cố định và máy di động cần thiết thu tín hiệu đồng thời từ các vệ
tinh như nhau. Nếu thông tin từ vệ tinh bị nhiễu thì kết quả xác định tọa độ của
máy cố định và máy di động đều bị sai lệch. Độ sai lệch này được xác định dựa
trên cơ sở so sánh tọa độ tính được theo tín hiệu đã thu và tọa độ sẵn có của máy
cố định và từ đó có thể coi là độ sai lệch tọa độ với máy di động. Nó được máy
cố định phát đi qua sóng vô tuyến để máy di động thu nhận và hiệu chỉnh kết
quả xác định tọa độ của máy.
Ngoài cách hiệu chỉnh cho tọa độ người ta còn tiến hành hiệu chỉnh cho

Kỹ thuật định vị vi phân GNSS về cơ bản có thể chia làm 2 loại là GNSS
vi phân cục bộ (diện hẹp) và GNSS vi phân diện rộng. Đặc điểm của kỹ thuật
GNSS vi phân diện hẹp là cung cấp cho người dử dụng GNSS vi phân tổng hợp
số cải chính cho trị đo chứ không cung cấp số cải chính cho từng nguồn sai số.
Phạm vi tác dụng của nó khá hẹp trong vòng 150km. Còn đặc điểm của kỹ thuật
GNSS vi phân diện rộng là tính riêng từng nguồn sai số chủ yếu trong định vi
GNSS và phát tín hiệu vi phân cho người sử dụng, phạm vi tác dụng của nó
tương đối lớn, thường trên 1000m.
+ Định vị vi phân được phân thành 3 kiểu:
+ Định vị GNSS vi phân diện hẹp.
+ Định vị GNSS vi phân diện rộng.
+ Định vị GNSS vi phân tăng cường.
1.6. Các nguồn sai số trong kết quả đo GNSS
Cũng như bất kỳ một phương pháp đo đạc khác, việc định vị bằng hệ
thống GNSS chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố khác nhau.

SV: Nguyễn Văn Hiến

19

Lớp trắc điạ mỏ-CT K55


Đồ án tốt nghiệp

Trường đại học Mỏ-Địa Chất

1.6.1. Sai số do đồng hồ
Đây là sai số của đồng hồ trên vệ tinh, đồng hồ trên máy thu và sự không
đồng bộ của chúng. Đồng hồ trên vệ tinh được trạm điều khiển trên mặt đất theo

1.6.3. Ảnh hưởng của tầng Ion
Tín hiệu vệ tinh trước khi đến máy thu phải xuyên qua môi trường không
gian gồm các tầng khác nhau. Tầng ion là lớp chứa các hạt tích điện trong bầu
khí quyển ở độ cao từ 50 – 1000 km, tầng ion có tính chất khúc xạ đối với song
điện từ, chiết suất của tầng ion tỷ lệ với tần số song điện từ truyền qua nó. Do
vậy trị đo của máy thu 2 tần số cho phép giảm ảnh hưởng tán sắc của tầng ion.
Hiệu chỉnh ảnh hưởng của tầng ion đối với trị đo của máy thu tần số L 1
phải dựa vào các tham số mô hình phát đi trong thông báo vệ tinh, tuy nhiên chỉ
giảm được khoảng 50% ảnh hưởng tầng ion.
Với máy thu 2 tần số ảnh hưởng tầng ion, trị đo giải trừ do đó việc định vị
có độ chính xác cao hơn, nhất là đối với việc đo cạnh dài.
1.6.4. Ảnh hưởng của tầng đối lưu

Hình 1.14: Sai số do tầng đối lưu và điện ly
Tầng đối lưu có độ cao đến 8km so với mặt đất là tầng làm khúc xạ đối
với tín hiệu GPS do chiết suất biến đổi. do vậy số cải chính mô hình khí quyển
phải được áp dụng đối với trị đo của máy một tần số và cả máy hai tần số, chiết
suất của tầng đối lưu sinh ra độ chậm pha tín hiệu, được chia thành hai loại ướt
và khô, ảnh hưởng của chiết suất khô được tạo thành mô hình loại trừ nhưng ảnh
hưởng của chiết suất ướt là nguồn sai số khó lập mô hình và loại bỏ trong trị đo
GNSS.
SV: Nguyễn Văn Hiến

21

Lớp trắc điạ mỏ-CT K55


Đồ án tốt nghiệp


22

Lớp trắc điạ mỏ-CT K55


Đồ án tốt nghiệp

Trường đại học Mỏ-Địa Chất

1.6.7. Sự suy giảm độ chính xác (DOPs) do đồ hình các vệ tinh
Việc định vị GNSS là việc giải bài toán giao hội nghịch không gian dựa
vào điểm gốc là vệ tinh và các khoảng cách tương ứng đến máy thu GNSS.
.

Hình1.16: Khoảng cách từ vệ đến máy thu GNSS
Trường hợp tối ưu khi thu tín hiệu vệ tinh GNSS là vệ tinh cần phải có sự
phân bố hình học cân đối trên bầu trời xung quanh điểm đo. Chỉ số mô tả đồ
hình vệ tinh gọi là hệ số phân tán độ chính xác- hệ số DOP (Delution of
Precision). Chỉ số DOP là số nghịch đảo thể tích của khối tỷ diện tạo thành giữa
các vệ tinh và máy thu. Chỉ số này chia ra thành các loại sau:
+ PDOP chỉ số phân tán độ chính xác về vị trí (Positional DOP)
+ TDOP là chỉ số phân tán độ chính xác về thời gian (Teme DOP)
+ HDOP là chỉ số phân tán độ chính xác về mặt phẳng (Horizontal DOP)
+ V DOP là chỉ số phân tán độ chính xác về độ cao (Vertical DOP)
+ G DOP là chỉ số phân tán độ chính xác về hình học (Geometric DOP)

SV: Nguyễn Văn Hiến

23


3. Phụ thuộc máy thu
Chiều cao angten
Cấu hình máy thu
Tâm pha angten
Nhiễu điện từ
Tọa độ quy chiếu
Chiều dài cạnh

BIỆN PHÁP XỬ LÝ
Ephemerts chính xác
Sai phân bậc một
Dùng máy hai tần số
Lập mô hình
Xác định đơn trị, sai phân bậc ba
Tránh vật cản, sai phân bậc ba
Tránh phản xạ, ngưỡng góc cao
Đo hai lần khi đo độ cao angten
Chú ý khi lắp đặt
Angten chuẩn đặt quay về một
hướng
Tránh bức xạ điện từ
Khống chế chính xác, tin cậy
Bố trí cạnh ngắn

1.7. Lựa chọn phương pháp đo GNSS xây dựng lưới khống chế mặt bằng
mỏ lộ thiên
1.7.1. Khái niệm về mạng lưới GNSS
Lưới khống chế GNSS là mạng lưới khống chế trắc địa không gian được
xây dựng trên hệ thống tọa độ WGS-84 (World Geodetic System -84), nói chung
không khác nhiều với mạng lưới truyền thống (tam giác, đa giác...). Lưới khống