Luận văn: Đo GPS động xử lý sau với nhiều trạm cố định trong đo đạc địa chính

Luận văn thạc sĩ phân tích phương pháp đo GPS động xử lý sau trong đo đạc địa chính, ứng dụng nhiều trạm cố định để tăng độ chính xác và hiệu quả.

• Tác giả: Lê Văn Quang
• Người hướng dẫn: PGS. Trần Quốc Bình
• Trường học: Trường Đại học Khoa học Tự nhiên
• Chuyên ngành: Quản lý đất đai
• Đề tài: Nghiên Cứu Phương Pháp Đo Gps Động Xử Lý Sau Bằng Máy Thu Một Tần Số Với Nhiều Trạm Cố Định Trong Đo Đạc Địa Chính
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sỹ khoa học
• Năm xuất bản: 2014
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Khám phá phương pháp đo GPS động xử lý sau PPK là gì

Phương pháp đo GPS động xử lý sau, hay còn gọi là phương pháp đo PPK (Post Processing Kinematic), là một kỹ thuật định vị vệ tinh tương đối sử dụng công nghệ GNSS để xác định tọa độ điểm với độ chính xác cao. Nguyên tắc cơ bản của phương pháp này là sử dụng ít nhất hai máy thu GPS: một máy đặt tại vị trí cố định đã biết tọa độ (gọi là trạm Base) và một hoặc nhiều máy di động (gọi là trạm Rover) di chuyển đến các điểm cần đo. Khác với phương pháp đo RTK (Real Time Kinematic), PPK không yêu cầu liên kết dữ liệu thời gian thực (Radio Link) giữa trạm Base và Rover. Thay vào đó, toàn bộ dữ liệu thô từ các vệ tinh sẽ được ghi lại và lưu trữ trong bộ nhớ của cả hai máy. Sau khi kết thúc ca đo ngoại nghiệp, dữ liệu này sẽ được trút vào máy tính và xử lý bằng các phần mềm xử lý GPS chuyên dụng như Trimble Business Center (TBC). Phần mềm sẽ kết hợp dữ liệu từ trạm Base và Rover để tính toán, hiệu chỉnh và loại trừ các sai số, từ đó xác định tọa độ chính xác cho các điểm đo của Rover. Kỹ thuật này kế thừa độ chính xác cao của phép đo tương đối, đồng thời mang lại năng suất vượt trội so với đo tĩnh (Static), trở thành giải pháp tối ưu cho nhiều ứng dụng trong đo đạc địa chính.

1.1. Nguyên lý cơ bản và cấu trúc của công nghệ GNSS

Hệ thống vệ tinh dẫn đường toàn cầu (GNSS) là thuật ngữ chung cho các hệ thống định vị vệ tinh như GPS (Mỹ), GLONASS (Nga), Galileo (Châu Âu). Theo tài liệu nghiên cứu của Lê Văn Quang (2014), một hệ thống GNSS điển hình bao gồm ba phân đoạn chính: phân đoạn không gian, phân đoạn điều khiển và phân đoạn người sử dụng. Phân đoạn không gian gồm một chòm vệ tinh bay trên quỹ đạo xác định quanh Trái Đất, liên tục phát tín hiệu. Phân đoạn điều khiển gồm các trạm mặt đất có nhiệm vụ theo dõi, giám sát và hiệu chỉnh quỹ đạo cũng như đồng hồ của vệ tinh. Phân đoạn người sử dụng chính là các máy thu GNSS (ví dụ máy GPS 2 tần số) thu nhận tín hiệu để xác định vị trí. Nguyên lý cốt lõi của công nghệ GNSS trong đo đạc chính xác là đo tương đối, tức là xác định vector cạnh đáy (baseline) giữa hai máy thu hoạt động đồng thời, giúp loại bỏ phần lớn sai số hệ thống.

1.2. So sánh ưu nhược điểm giữa đo PPK đo RTK và đo tĩnh

Việc lựa chọn phương pháp đo phụ thuộc vào yêu cầu độ chính xác, điều kiện khu vực và hiệu quả kinh tế. Đo tĩnh (Static) là phương pháp cho độ chính xác cao nhất (đạt tới milimet) nhưng đòi hỏi thời gian đo tại mỗi điểm rất lâu (từ 30 phút đến vài giờ), phù hợp cho việc xây dựng lưới khống chế đo đạc cấp cao. Đo RTK cung cấp tọa độ tức thời tại thực địa với độ chính xác centimet, rất hiệu quả cho công tác đo chi tiết và cắm mốc ranh giới, nhưng bị giới hạn bởi tầm hoạt động của Radio Link (thường dưới 10km) và dễ bị ảnh hưởng bởi vật cản tín hiệu. Phương pháp đo PPK là sự cân bằng giữa hai phương pháp trên. Nó cho độ chính xác đo PPK tương đương RTK nhưng không bị giới hạn bởi khoảng cách Radio Link, cho phép tầm hoạt động lên tới 50km. Nhược điểm chính là không có kết quả tức thời, đòi hỏi công đoạn xử lý số liệu GPS trong văn phòng.

II. Các sai số trong đo GNSS ảnh hưởng đo đạc địa chính

Mặc dù công nghệ GNSS mang lại độ chính xác vượt trội, kết quả đo vẫn bị ảnh hưởng bởi nhiều nguồn sai số. Việc hiểu rõ và có biện pháp khắc phục những sai số trong đo GNSS là yếu tố quyết định đến chất lượng của công tác đo đạc địa chính. Các nguồn sai số chính có thể kể đến bao gồm: sai số do quỹ đạo và đồng hồ vệ tinh, sai số do sự trễ tín hiệu khi đi qua tầng điện ly và tầng đối lưu, sai số do hiện tượng đa tuyến (multipath), và sai số do cấu trúc hình học của vệ tinh (DOP). Trong phương pháp đo tương đối như PPK, nhiều sai số hệ thống như sai số đồng hồ vệ tinh có thể được loại bỏ hoặc giảm thiểu đáng kể thông qua việc xử lý phân sai. Tuy nhiên, các sai số phụ thuộc vào khoảng cách như ảnh hưởng của tầng điện ly và đối lưu vẫn là thách thức lớn, đặc biệt khi cạnh đáy (khoảng cách từ Base đến Rover) kéo dài. Hiện tượng đa tuyến, xảy ra khi tín hiệu vệ tinh phản xạ từ các bề mặt gần anten trước khi đến máy thu, là một trong những nguồn sai số khó lường nhất, đặc biệt ở khu vực đô thị hoặc có nhiều vật cản. Việc kiểm soát và giảm thiểu các nguồn sai số này là bắt buộc để đạt được độ chính xác đo PPK theo yêu cầu của quy phạm.

2.1. Phân tích nguồn sai số từ tầng điện ly và hiện tượng đa tuyến

Tầng điện ly, lớp khí quyển chứa các hạt tích điện ở độ cao từ 50-1000km, gây ra sự trễ pha và trễ mã của tín hiệu GNSS. Mức độ ảnh hưởng này thay đổi theo thời gian trong ngày, hoạt động của mặt trời và vị trí địa lý. Đối với các cạnh đáy ngắn (dưới 10-15km), ảnh hưởng này gần như tương đồng tại trạm Base và Rover nên sẽ được triệt tiêu khi xử lý phân sai. Tuy nhiên, với cạnh đáy dài, việc sử dụng máy GPS 2 tần số là cần thiết để mô hình hóa và loại bỏ sai số này. Hiện tượng đa tuyến (multipath) xảy ra khi máy thu nhận cả tín hiệu trực tiếp từ vệ tinh và các tín hiệu phản xạ. Sai số này rất khó mô hình hóa và là nguyên nhân chính gây ra sai lệch lớn trong các phép đo có yêu cầu độ chính xác cao, đặc biệt là đo gần các tòa nhà cao tầng, mặt nước. Việc lựa chọn vị trí đặt máy thoáng đãng và sử dụng anten chuyên dụng có thể giúp giảm thiểu ảnh hưởng này.

2.2. Thách thức khi triển khai PPK trong thành lập bản đồ địa chính

Thách thức lớn nhất khi áp dụng phương pháp đo PPK trong thành lập bản đồ địa chính là hiện tượng mất tín hiệu (loss of lock) hoặc trượt chu kỳ (cycle slip). Điều này xảy ra khi trạm Rover di chuyển qua khu vực bị che khuất như dưới tán cây rậm rạp, gần nhà cao tầng, hoặc gầm cầu. Khi mất tín hiệu, số nguyên đa trị (integer ambiguity) sẽ bị mất và cần phải được khởi tạo lại, gây tốn thời gian và có thể làm giảm độ tin cậy của kết quả đo. Vì PPK không cung cấp kết quả thời gian thực, người đo tại hiện trường không thể biết được khi nào xảy ra trượt chu kỳ. Luận văn của Lê Văn Quang (2014) nhấn mạnh rằng để khắc phục, cần phải thực hiện khởi tạo lại (re-initialization) ở cuối mỗi ca đo để kiểm tra. Hơn nữa, việc đảm bảo chất lượng dữ liệu thô, như định dạng file RINEX, và kỹ năng xử lý số liệu GPS của kỹ thuật viên cũng là một yếu tố quan trọng quyết định sự thành công của phương pháp.

III. Hướng dẫn quy trình đo GPS động xử lý sau PPK chuẩn xác

Để đạt được kết quả tối ưu, quy trình thực hiện phương pháp đo PPK cần được tuân thủ một cách nghiêm ngặt, từ khâu chuẩn bị đến xử lý cuối cùng. Một quy trình chuẩn bao gồm ba giai đoạn chính: công tác chuẩn bị, đo đạc ngoại nghiệp và xử lý nội nghiệp. Giai đoạn chuẩn bị đóng vai trò nền tảng, bao gồm việc kiểm tra thiết bị, khảo sát thực địa và lập kế hoạch đo. Giai đoạn đo đạc ngoại nghiệp yêu cầu thao tác chính xác và tuân thủ các nguyên tắc kỹ thuật để đảm bảo dữ liệu thu thập có chất lượng cao nhất. Cuối cùng, giai đoạn xử lý nội nghiệp sử dụng các thuật toán và phần mềm xử lý GPS để biến dữ liệu thô thành tọa độ chính xác trong hệ tọa độ VN2000. Việc nắm vững và thực hiện đúng quy trình không chỉ đảm bảo độ chính xác đo PPK mà còn giúp tối ưu hóa năng suất lao động, giảm thiểu sai sót và chi phí thực hiện các dự án đo đạc địa chính. Mỗi bước trong quy trình đều có vai trò quan trọng và liên quan mật thiết đến các bước khác, tạo thành một chuỗi công việc khép kín và khoa học.

3.1. Công tác chuẩn bị Thiết lập trạm Base và Rover lập lịch đo

Trước khi ra thực địa, cần kiểm tra toàn bộ thiết bị, bao gồm máy GPS 2 tần số (hoặc 1 tần số), sào đo, pin và bộ điều khiển. Vị trí đặt trạm Base là cực kỳ quan trọng, phải được đặt tại một điểm gốc có tọa độ chính xác (như điểm địa chính cơ sở), ở nơi thông thoáng, không có vật cản trong bán kính quan sát và phải đảm bảo an toàn trong suốt ca đo. Trạm Rover được lắp trên sào đo và cần được kiểm tra chiều cao anten cẩn thận. Việc lập lịch đo (mission planning) cũng rất cần thiết, giúp xác định khoảng thời gian trong ngày có số lượng vệ tinh nhiều và cấu trúc hình học tốt nhất (chỉ số DOP thấp), từ đó nâng cao chất lượng tín hiệu và độ chính xác của kết quả đo.

3.2. Quy trình đo đạc ngoại nghiệp và thu thập dữ liệu thô

Tại thực địa, trạm Base được khởi động trước và bắt đầu ghi dữ liệu liên tục. Trạm Rover sau khi khởi động sẽ thực hiện thủ tục khởi tạo (initialization) để xác định số nguyên đa trị ban đầu. Thủ tục này có thể thực hiện bằng cách đo tĩnh nhanh tại một điểm chưa biết trong vài phút hoặc đo tại một điểm đã biết tọa độ. Sau khi khởi tạo thành công (đạt trạng thái "Fixed"), Rover bắt đầu di chuyển đến các điểm cần đo chi tiết theo phương pháp "Dừng và đi" (Stop and Go). Tại mỗi điểm, Rover chỉ cần dừng lại và ghi dữ liệu trong vài epoch (vài giây). Điều quan trọng là phải đảm bảo Rover luôn duy trì việc thu tín hiệu từ ít nhất 4-5 vệ tinh chung với trạm Base để tránh bị trượt chu kỳ. Toàn bộ dữ liệu quan sát thô sẽ được lưu vào bộ nhớ máy dưới dạng tệp tin gốc hoặc định dạng file RINEX.

3.3. Các bước xử lý số liệu GPS bằng phần mềm Trimble Business Center

Sau khi hoàn thành công tác ngoại nghiệp, dữ liệu từ trạm Base và Rover được trút vào máy tính. Quá trình xử lý số liệu GPS thường được thực hiện bằng các phần mềm chuyên dụng như Trimble Business Center (TBC). Các bước cơ bản bao gồm: (1) Tạo một dự án mới và thiết lập hệ quy chiếu, ví dụ hệ tọa độ VN2000. (2) Nhập dữ liệu thô từ các máy thu. (3) Nhập tọa độ chính xác của trạm Base. (4) Chạy lệnh xử lý cạnh đáy (Process Baselines). Phần mềm sẽ tự động xử lý và tính toán vector cạnh đáy cho từng điểm đo của Rover. Kết quả lý tưởng là đạt được lời giải "Fixed Solution", cho thấy số nguyên đa trị đã được giải quyết thành công và đảm bảo độ chính xác cao nhất. Cuối cùng, tiến hành xuất báo cáo và bảng tọa độ các điểm đã đo.

IV. Bí quyết tối ưu độ chính xác đo PPK với nhiều trạm Base

Một trong những hạn chế của phương pháp đo PPK truyền thống với một trạm Base là thiếu sự kiểm tra và độ tin cậy thấp, đặc biệt khi có sai sót xảy ra mà không được phát hiện tại thực địa. Nghiên cứu của Lê Văn Quang (2014) đã đề xuất một giải pháp đột phá: sử dụng nhiều trạm cố định (multi-base stations) để nâng cao chất lượng đo đạc. Thay vì chỉ dựa vào một vector cạnh đáy duy nhất, mỗi điểm Rover sẽ được xác định bởi nhiều vector từ các trạm Base khác nhau. Điều này không chỉ tạo ra các trị đo dư thừa, cho phép thực hiện bình sai lưới để tăng cường độ chính xác đo PPK, mà còn tăng đáng kể độ tin cậy. Nếu một cạnh đáy từ một trạm Base bị lỗi (ví dụ cho kết quả "Float Solution"), kết quả từ các trạm Base còn lại vẫn có thể được sử dụng để xác định tọa độ điểm một cách chính xác mà không cần phải đo lại. Phương pháp này đặc biệt hữu ích khi kết hợp với mạng lưới trạm CORS (Continuously Operating Reference Stations) có sẵn, giúp tối ưu hóa quy trình và mang lại hiệu quả cao trong các dự án đo đạc địa chính quy mô lớn.

4.1. Lợi thế về độ chính xác và độ tin cậy khi dùng trạm CORS

Việc sử dụng nhiều trạm cố định, đặc biệt là tận dụng mạng lưới trạm CORS, mang lại nhiều lợi thế vượt trội. Thứ nhất, nó giúp giảm thiểu các sai số phụ thuộc vào khoảng cách. Bằng cách sử dụng trạm Base gần nhất hoặc nội suy dữ liệu hiệu chỉnh từ nhiều trạm xung quanh, ảnh hưởng của tầng điện ly và đối lưu được mô hình hóa tốt hơn, giúp cải thiện độ chính xác trên các cạnh đáy dài. Thứ hai, nó tăng cường độ tin cậy một cách rõ rệt. Như đã đề cập trong nghiên cứu thử nghiệm, khi một điểm Rover được tính toán từ hai hoặc ba trạm Base, nó tạo thành một mạng lưới nhỏ có điều kiện khép hình. Điều này cho phép thực hiện bình sai lưới, phát hiện và loại bỏ các sai số thô, đảm bảo kết quả cuối cùng đồng nhất và đáng tin cậy hơn so với phương pháp một Base.

4.2. Nguyên tắc bố trí đồ hình trạm Base và Rover hiệu quả

Để tối đa hóa lợi ích của việc sử dụng nhiều trạm Base, việc bố trí đồ hình đo đạc là rất quan trọng. Nghiên cứu thực nghiệm tại Nam Từ Liêm cho thấy, đồ hình tối ưu là khi các trạm Base được bố trí bao quanh hoặc đối xứng qua khu vực đo. Điều này đảm bảo rằng các vector cạnh đáy từ Base đến Rover có độ dài và phương vị đa dạng, tạo ra một cấu trúc hình học mạnh mẽ cho việc bình sai lưới. Cụ thể, nếu sử dụng ba trạm Base, chúng nên tạo thành một tam giác tương đối đều và bao trùm toàn bộ khu vực cần đo chi tiết. Khoảng cách giữa các trạm Base và giữa Base với Rover cũng cần được cân nhắc để tránh các cạnh đáy quá dài, có thể làm giảm khả năng giải quyết số nguyên đa trị. Việc tuân thủ các nguyên tắc này sẽ giúp giảm thiểu ảnh hưởng của các sai số trong đo GNSS và đạt được độ chính xác đo PPK cao nhất.

V. Ứng dụng PPK thực tiễn trong thành lập bản đồ địa chính

Khả năng ứng dụng của phương pháp đo PPK trong đo đạc địa chính đã được chứng minh qua nhiều nghiên cứu và dự án thực tế. Nhờ sự kết hợp giữa năng suất cao và độ chính xác đạt cấp độ centimet, PPK là công cụ lý tưởng cho cả hai công đoạn chính: thành lập lưới khống chế đo đạc và đo chi tiết địa vật, ranh giới thửa đất để thành lập bản đồ địa chính. Đặc biệt ở những khu vực thông thoáng như đất nông nghiệp, đất quy hoạch, mặt nước, PPK phát huy tối đa ưu điểm của mình, cho phép hoàn thành khối lượng công việc lớn trong thời gian ngắn so với các phương pháp truyền thống. Các kết quả thử nghiệm được trình bày trong luận văn của Lê Văn Quang (2014) tại quận Nam Từ Liêm, Hà Nội, đã cung cấp những bằng chứng khoa học cụ thể về hiệu quả và độ chính xác đo PPK. So sánh kết quả đo PPK với phương pháp đo tĩnh (Static) cho thấy sai số vị trí điểm hoàn toàn đáp ứng yêu cầu của quy phạm đo vẽ bản đồ địa chính tỷ lệ lớn, khẳng định tiềm năng ứng dụng rộng rãi của công nghệ này tại Việt Nam.

5.1. Kết quả thử nghiệm thành lập lưới khống chế đo đạc

Trong thử nghiệm, một lưới khống chế đo đạc gồm các điểm đã được xác định tọa độ chính xác bằng phương pháp đo tĩnh (Static) được sử dụng làm cơ sở để so sánh. Sau đó, các điểm này được đo lại bằng phương pháp đo PPK với các cấu hình một, hai và ba trạm Base. Kết quả xử lý số liệu GPS bằng phần mềm Trimble Business Center (TBC) cho thấy sai số trung bình vị trí mặt phẳng giữa hai phương pháp là rất nhỏ, chỉ ở mức centimet. Cụ thể, sai số này hoàn toàn thỏa mãn yêu cầu của Quy phạm đo vẽ bản đồ địa chính năm 2008 đối với tỷ lệ 1:500 và 1:1000 ở khu vực đồng bằng (sai số cho phép là 5cm và 10cm). Điều này chứng tỏ PPK hoàn toàn đủ khả năng để thành lập lưới khống chế đo vẽ, đặc biệt khi sử dụng nhiều trạm Base để tăng độ tin cậy và thực hiện bình sai lưới.

5.2. Kinh nghiệm đo chi tiết và cắm mốc ranh giới bằng PPK

Trong công tác đo chi tiết để thành lập bản đồ địa chính, phương pháp PPK tỏ ra cực kỳ hiệu quả. Kỹ thuật viên mang máy Rover di chuyển đến từng góc ranh giới, điểm địa vật và thực hiện đo theo kiểu "Dừng và đi". Thời gian thu tín hiệu tại mỗi điểm rất ngắn (chỉ cần 2-3 epoch, tương đương 2-3 giây) giúp đẩy nhanh tiến độ công việc. Một kinh nghiệm quan trọng là cần duy trì sự liên tục của tín hiệu vệ tinh, tránh di chuyển qua các khu vực bị che khuất hoàn toàn. Nếu mất tín hiệu, cần thực hiện lại thủ tục khởi tạo. Đối với công tác cắm mốc ranh giới, quy trình được thực hiện ngược lại. Tọa độ thiết kế của mốc được nạp vào bộ điều khiển, máy Rover sẽ dẫn đường người đo đến vị trí cần cắm mốc. Mặc dù PPK không cung cấp vị trí tức thời như RTK, nó vẫn có thể được sử dụng hiệu quả bằng cách đo một loạt điểm gần vị trí thiết kế, sau đó xử lý và nội suy ra vị trí chính xác để cắm mốc.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1. Tổng quan về công nghệ GPS Chương 2. Cơ sở khoa học của kỹ thuật đo GPS động xử lý sau Chương 3. Thử nghiệm đo đạc địa chính bằng phương pháp GPS động xử lý sau bằng máy thu một tần số với nhiều trạm cố định trên địa bàn quận Nam Từ Liêm, thành phố Hà Nội.

TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ GPS 1. Sự hình thành của hệ thống GPS Từ những năm 60 của thế kỷ XX, 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 thống TRANSIT được sử dụng trong thương mại vào năm 1967. Một thời gian ngắn sau đó thì 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 thống TRANSIT. Định vị bằng hệ thống TRANSIT cần thời gian quan trắc rất lâu mà độ chính xác chỉ đạt cỡ 1m.

Do vậy, trong trắc địa thì hệ thống TRANSIT chỉ phù hợp với công tác xây dựng các mạng lưới khống chế cạnh dài. Nó không thoả mãn được các ứng dụng trong đo đạc thông dụng như đo đạc bản đồ, các công trình dân dụng [6]. Tiếp theo thành công của hệ thống TRANSIT, hệ thống định vị vệ tinh thế hệ thứ hai ra đời có tên là NAVSTAR-GPS (Navigation Satellite Timing And Ranging – Global Poisitioning System) gọi tắt là GPS. Hệ thống này bao gồm 24 vệ tinh phát tín hiệu, bay quanh Trái đất theo những quỹ đạo xác định.

Độ chính xác định vị bằng hệ thống này được nâng cao về chất so với hệ thống TRANSIT. Nhược điểm về thời gian quan trắc đã được khắc phục. Một năm sau khi phóng vệ tinh thử nghiệm NTS-2 (Navigation Technology Sattellite 2), giai đoạn thử nghiệm vận hành hệ thống GPS bắt đầu với việc phóng vệ tinh GPS mẫu "Block I" [4]. Từ năm 1978 đến 1985 có 11 vệ tinh Block I đã được phóng lên quỹ đạo.

Hiện nay một số vệ tinh thuộc khối I đã hết thời hạn sử dụng. Việc phóng vệ tinh thế hệ thứ II (Block II) bắt đầu vào năm 1989. Sau giai đoạn này, 24 vệ tinh đã triển khai trên 6 quĩ đạo nghiêng 550 so với mặt phẳng xích đạo Trái đất với chu kỳ gần 12 giờ ở độ cao xấp xỉ 20. Loại vệ tinh bổ sung thế hệ III (Block III) được thiết kế thay thế những vệ tinh Block II đầu tiên bắt đầu phóng vào năm 1955.

Vào tháng 4 năm 2007, có tổng số 30 vệ tinh của hệ thống GPS đang được hoạt động trên quỹ đạo [1]. Cùng có tính năng tương tự với hệ thống GPS đang hoạt động còn có hệ thống GLONASS của CHLB Nga nhưng không được thương mại hoá rộng rãi và một hệ 5 thống tương lai sẽ cạnh tranh thị trường với hệ thống GPS là hệ thống GALIEO của Cộng đồng Châu Âu. Những ứng dụng sớm nhất của GPS trong trắc địa bản đồ là trong công tác đo lưới khống chế. Ở Việt Nam, phương pháp định vị vệ tinh đã được ứng dụng từ những năm đầu thập kỷ 1990.

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 lưới khống chế như Tây Nguyên, thượng nguồn sông Bé, Cà Mau [6]. Những năm sau đó công nghệ GPS đóng vai trò quyết định trong việc đo lưới cấp "0" lập hệ qui chiếu Quốc gia cũng như việc lập lưới khống chế hạng III phủ trùm lãnh thổ (gần 30000 điểm) [16] và nhiều lưới khống chế cho các công trình dân dụng khác. 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 và hiệu quả. Cấu trúc của hệ thống GPS GPS là một hệ thống kỹ thuật phức tạp và theo chức năng được chia thành 3 phần (còn gọi là đoạn – segment): - Đoạn không gian (Space Segment); - Đoạn điều khiển (Control Segment); - Đoạn sử dụng (User Segment).

Cấu trúc của hệ thống GPS [1] 6 1. Đoạn không gian Đoạn không gian gồm tối thiểu 24 vệ tinh nhân tạo bay trên 6 mặt phẳng quỹ đạo cách đều nhau và nghiêng 550 so với mặt phẳng xích đạo của Trái đất. Quỹ đạo của vệ tinh gần như hình tròn, vệ tinh bay ở độ cao xấp xỉ 20.200 km so với mặt đất, bán kính quỹ đạo 26. Vệ tinh GPS chuyển động trên quỹ đạo với chu kỳ là 718 phút, mỗi một quỹ đạo có ít nhất 4 vệ tinh.

Do đó, ở bất kỳ thời gian nào và bất kỳ vị trí nào trên Trái đất trong điều kiện địa hình thông thoáng cũng có thể quan trắc được ít nhất 4 vệ tinh GPS – điều kiện tối thiểu để có thể định vị được không gian 3 chiều. Sơ đồ quỹ đạo vệ tinh hệ thống GPS Hình 1. Vệ tinh GPS đang bay trên quĩ đạo quanh Trái đất Một thành phần quan trọng của đoạn không gian là tín hiệu phát từ vệ tinh đến các máy thu. Việc phát và thu tín hiệu vệ tinh là cơ sở để đo đạc với hệ thống GPS.

7 Tín hiệu phát ra từ vệ tinh bao gồm 3 thành phần cơ bản sau [1]: - Hai sóng tải (hay sóng mang – carrier wave) trong dải tần số L (L band) là L1 và L2; - Mã giả ngẫu nhiên sử dụng để đo khoảng cách, bao gồm C/A-code và P-code (hay Y-code); - Thông báo định vị (navigation message). Mỗi vệ tinh GPS có 1 đồng hồ nguyên tử rất chính xác. Các đồng hồ này xung nhịp với tần số f0 = 10.23MHz là tần số cơ bản để tạo ra tín hiệu phát đi từ vệ tinh. Các sóng tải có nhiệm vụ chuyển tải mã đo khoảng cách và các thông báo định vị.

Vệ tinh GPS phát ra sóng tải ở 2 tần số ký hiệu là L1 và L2, các tần số này được tính từ tần số cơ bản như sau: fL1 = 154  f0 = 1575.60Mhz; Từ các tần số trên, có thể tính được bước sóng của L1 và L2 như sau: c c  L1 =  19 cm L2 =  24 cm f L1 f L2 Các mã giả ngẫu nhiên được sử dụng để đo khoảng cách từ vệ tinh tới máy thu. Các mã này được gọi là giả ngẫu nhiên vì chúng có tính chất gần giống như một mã ngẫu nhiên, nhưng trong thực tế được phát sinh ra theo một thuật toán phức tạp mà ta có thể biểu diễn một cách đơn giản dưới dạng hàm số G = G(PRN) với PRN là số nguyên có giá trị từ 1 đến 36. Với mỗi một giá trị của PRN sẽ có một giả ngẫu nhiên. Mỗi vệ tinh GPS được gán một giá trị PRN riêng và do đó nó có mã giả ngẫu nhiên riêng [1].

Có hai loại mã giả ngẫu nhiên là: - C/A-code (viết tắt của từ “clear/access code” hay “coare/acquisition code”), được phát đi ở tần số 1.023Mhz và có chu kỳ lặp lại là 1ms (cứ 1ms thì mã C/A-code lại lặp lại). Chỉ có sóng tải L1 là được điều biến bởi C/A-code, tức là mã này chỉ có trong sóng L1. - P-code (viết tắt của từ “private code” hay “precide code”), được phát đi ở tần số 10.23Mhz và có chu kỳ lặp lại là 266.4 ngày này được chia thành các khoảng 7 ngày (1 tuần) và mỗi khoảng được gán với 1 vệ tinh. Như vậy, P-code của mỗi vệ tinh sẽ lặp lại sau 1 tuần.

P-code được truyền bởi cả 2 sóng tải L1 và L2. 8 Khi chế độ A/S (Anti Spoofing) được bật thì P-code mã hoá thành Y-code và người dùng dân sự không sử dụng được. - Các thông báo định vị (Navigation message) chứa các thông tin dự báo về: + Lịch vệ tinh; + Các hệ số của mô hình dùng để hiệu chỉnh sai số đồng hồ của vệ tinh; + Trạng thái của vệ tinh (đang hoạt động, ngừng hoạt động, sửa chữa,…); + Các thông số của mô hình mô tả ảnh hưởng của tầng điện ly. Các thông tin dự báo trên được các trạm điều khiển cung cấp lên vệ tinh rồi truyền xuống các máy thu của người sử dụng trong các thông báo định vị.

Các thông báo định vị được phát đi từng bít một (0 hay 1) cứ sau 20 chu kỳ lặp lại của mã C/A- code. Toàn bộ một thông báo định vị dài 1500bit và để truyền tải một thông báo như vậy cần 30s [10]. Cấu trúc tín hiệu GPS [1] 9 1. Đoạn điều khiển Đoạn điều khiển bao gồm các thiết bị để điều khiển vệ tinh, theo dõi trạng thái (sức khoẻ) của vệ tinh, theo dõi quỹ đạo, tính toán lịch vệ tinh, tải các dữ liệu lên vệ tinh.

Đoạn điều khiển gồm 5 trạm mặt đất nằm ở Hawaii, Colorado Springs, đảo Ascension, Diego Garcia và Kwajalein. Các trạm này có chức năng như sau [1]: - Cả 5 trạm đều là các trạm theo dõi (monitoring station) có nhiệm vụ theo dõi trạng thái hoạt động và quỹ đạo của vệ tinh, chuyển các thông tin thu thập được về trạm điều khiển chính (master control station). - Trạm điều khiển chính đặt ở căn cứ không quân Schriever AFB (Air Force Base) ở Colorado Springs, có nhiệm vụ xử lý dữ liệu thu nhận 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 các lệnh điều khiển hệ thống như thay đổi đường bay của vệ tinh, tắt / bật các chế độ mã hoá,… - Ba trạm ở đảo Ascension, Diego Garcia và Kwajalein có chức năng tải dữ liệu lên các vệ tinh (bao gồm lịch vệ tinh, số liệu hiệu chỉnh đồng hồ để đưa vào thông báo định vị Navigation message và các lệnh từ trạm điều khiển chính).

Mỗi trạm tải dữ liệu có thể quan sát được mọi vệ tinh ít nhất một lần trong ngày. Do đó, mỗi một vệ tinh sẽ được nhìn thấy và truyền dữ liệu từ 3 trạm tải dữ liệu 3 lần trong ngày, các thông báo định vị được cập nhật 3 lần trong 1 ngày (mặc dù hiện nay người ta mới chỉ cập nhật 1 hoặc 2 lần / ngày). - Một chức năng nữa của phần điều khiển ít được nhắc tới là chức năng xác định hệ quy chiếu cho các kết quả đo GPS.