Giáo Trình Định Vị Vệ Tinh: Cung Cấp Kiến Thức và Ứng Dụng

Khám phá giáo trình định vị vệ tinh, cung cấp kiến thức cơ bản và ứng dụng trong công nghệ hiện đại, phục vụ cho nghiên cứu và phát triển.

• Tác giả: TS. Bùi Ngọc Hùng
• Trường học: Trường Đại Học Công Nghiệp Quảng Ninh
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Trắc Địa Bản Đồ
• Đề tài: Giáo Trình Định Vị Vệ Tinh
• Loại tài liệu: Giáo Trình
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: Quảng Ninh

Mục lục chi tiết

• LỜI NÓI ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: MỘT SỐ VẤN ĐỀ CƠ SỞ CỦA TRẮC ĐỊA VỆ TINH
• 1.1. Lịch sử phát triển và nhiệm vụ của trắc địa vệ tinh
• 1.2. Các bài toán và các nguyên lý định vị vệ tinh
• 1.3. Khái niệm về các hệ tọa độ
• 1.4. Các hệ thống thời gian
• 1.5. Chuyển động và quỹ đạo của vệ tinh
• 2. CHƯƠNG 2: HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ TOÀN CẦU GPS
• 2.1. Cấu trúc hệ thống GPS
• 2.2. Tín hiệu vệ tinh GPS
• 2.3. Định vị tuyệt đối
• 2.4. Định vị tương đối
• 2.5. Các nguồn sai số trong đo GPS
• 2.6. Nguyên lý cấu tạo của máy thu GPS
• 2.7. Chọn điểm và thiết kế đo GPS
• 3. CHƯƠNG 3: MỘT SỐ HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ TOÀN CẦU KHÁC
• 3.1. Hệ thống Glonass
• 3.2. Hệ thống Galileo
• 3.3. Hệ thống Compass
• 4. CHƯƠNG 4: ỨNG DỤNG CỦA GPS TRONG TRẮC ĐỊA
• 4.1. Ứng dụng GPS trong xây dựng các mạng lưới trắc địa
• 4.2. Đo GPS động và các ứng dụng trong trắc địa bản đồ
• 4.3. Ứng dụng GPS trong trắc địa công trình
• 4.4. Ứng dụng GPS trong nghiên cứu địa động
• 5. CHƯƠNG 5: XỬ LÝ SỐ LIỆU ĐO GPS
• 5.1. Quy trình xử lý số liệu lưới GPS
• 5.2. Trút số liệu
• 5.3. Bình sai lưới GPS
• 5.4. Chuyển đổi hệ tọa độ
• 5.5. Phần mềm xử lý số liệu lưới GPS

Tóm tắt

I. Tổng quan về Giáo Trình Định Vị Vệ Tinh và Ứng Dụng

Giáo trình Định vị vệ tinh cung cấp kiến thức cơ bản về các hệ thống định vị toàn cầu, bao gồm công nghệ GPS và các hệ thống khác. Nội dung giáo trình không chỉ giúp sinh viên hiểu rõ về lý thuyết mà còn áp dụng vào thực tiễn trong các lĩnh vực như trắc địa, xây dựng và giao thông. Việc nắm vững kiến thức này là rất cần thiết trong bối cảnh công nghệ ngày càng phát triển.

1.1. Khái niệm và Lịch sử Phát triển Định Vị Vệ Tinh

Định vị vệ tinh là quá trình xác định vị trí của một điểm trên mặt đất thông qua việc quan sát vệ tinh. Lịch sử phát triển của lĩnh vực này bắt đầu từ những năm 1950 với sự ra đời của vệ tinh nhân tạo đầu tiên, mở ra kỷ nguyên mới cho trắc địa.

1.2. Vai trò của Định Vị Vệ Tinh trong Khoa Học và Công Nghệ

Định vị vệ tinh đóng vai trò quan trọng trong nhiều lĩnh vực như quân sự, kinh tế và xã hội. Công nghệ GPS đã giúp cải thiện độ chính xác trong đo đạc và dẫn đường, từ đó nâng cao hiệu quả công việc.

II. Thách Thức trong Ứng Dụng Định Vị Vệ Tinh Hiện Nay

Mặc dù công nghệ định vị vệ tinh đã phát triển mạnh mẽ, nhưng vẫn tồn tại nhiều thách thức cần giải quyết. Các vấn đề như độ chính xác, độ tin cậy và khả năng hoạt động trong điều kiện thời tiết xấu là những yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến hiệu quả của hệ thống.

2.1. Độ Chính Xác và Sai Số trong Đo Đạc

Độ chính xác của hệ thống định vị vệ tinh phụ thuộc vào nhiều yếu tố, bao gồm vị trí vệ tinh, điều kiện khí quyển và thiết bị thu tín hiệu. Việc hiểu rõ các nguồn sai số này là cần thiết để cải thiện kết quả đo đạc.

2.2. Ảnh Hưởng của Điều Kiện Môi Trường

Điều kiện môi trường như mây, mưa và địa hình có thể làm giảm độ chính xác của tín hiệu vệ tinh. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc cải thiện công nghệ thu tín hiệu có thể giúp giảm thiểu ảnh hưởng này.

III. Phương Pháp Định Vị Vệ Tinh Kỹ Thuật và Công Nghệ

Các phương pháp định vị vệ tinh hiện nay chủ yếu dựa trên công nghệ GPS và các hệ thống tương tự. Việc áp dụng các kỹ thuật mới như định vị vi phân và sử dụng mạng lưới trạm tham chiếu đã giúp nâng cao độ chính xác trong đo đạc.

3.1. Công Nghệ GPS và Nguyên Lý Hoạt Động

GPS hoạt động dựa trên nguyên lý đo khoảng cách từ vệ tinh đến thiết bị thu. Tín hiệu từ nhiều vệ tinh được sử dụng để xác định vị trí chính xác của điểm quan sát.

3.2. Các Hệ Thống Định Vị Khác GLONASS và GALILEO

Ngoài GPS, các hệ thống như GLONASS và GALILEO cũng đang được phát triển và ứng dụng rộng rãi. Mỗi hệ thống có những ưu điểm riêng, giúp cải thiện độ chính xác và độ tin cậy trong định vị.

IV. Ứng Dụng Thực Tiễn của Định Vị Vệ Tinh trong Nhiều Lĩnh Vực

Định vị vệ tinh đã được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như nông nghiệp, giao thông và xây dựng. Những ứng dụng này không chỉ giúp nâng cao hiệu quả công việc mà còn tiết kiệm chi phí và thời gian.

4.1. Định Vị Vệ Tinh trong Nông Nghiệp Thông Minh

Công nghệ định vị vệ tinh giúp nông dân theo dõi và quản lý đất đai hiệu quả hơn. Việc sử dụng GPS trong nông nghiệp thông minh đã giúp tối ưu hóa quy trình sản xuất và giảm thiểu lãng phí.

4.2. Ứng Dụng trong Giao Thông và Vận Tải

Hệ thống định vị vệ tinh đóng vai trò quan trọng trong việc quản lý giao thông và vận tải. Các ứng dụng như dẫn đường và theo dõi phương tiện đã giúp cải thiện an toàn và hiệu quả trong giao thông.

V. Kết Luận và Tương Lai của Định Vị Vệ Tinh

Định vị vệ tinh đang ngày càng trở nên quan trọng trong cuộc sống hiện đại. Tương lai của công nghệ này hứa hẹn sẽ mang lại nhiều cải tiến và ứng dụng mới, từ đó đáp ứng tốt hơn nhu cầu của xã hội.

5.1. Xu Hướng Phát Triển Công Nghệ Định Vị

Công nghệ định vị vệ tinh sẽ tiếp tục phát triển với sự ra đời của các vệ tinh mới và cải tiến kỹ thuật. Điều này sẽ giúp nâng cao độ chính xác và khả năng hoạt động trong các điều kiện khắc nghiệt.

5.2. Tác Động của Định Vị Vệ Tinh đến Xã Hội

Định vị vệ tinh không chỉ ảnh hưởng đến các lĩnh vực kỹ thuật mà còn tác động đến đời sống hàng ngày của con người. Việc áp dụng công nghệ này trong các dịch vụ công cộng sẽ mang lại nhiều lợi ích cho xã hội.

Nội dung chính

TỔNG QUAN VỀ GIÁO TRÌNH ĐỊNH VỊ VỆ TINH

• Tên giáo trình: Giáo trình Định vị vệ tinh (Tài liệu lưu hành nội bộ)
• Chủ biên: TS. Bùi Ngọc Hùng
• Tham gia biên soạn: ThS. Nguyễn Thị Mai Anh
• Cơ quan ban hành: Bộ Công Thương – Trường Đại học Công nghiệp Quảng Ninh
• Năm xuất bản: 2021

---

1. Tổng quan về giáo trình

Vị trí môn học trong chương trình đào tạo

Giáo trình Định vị vệ tinh được biên soạn nhằm phục vụ công tác giảng dạy và học tập chuyên ngành Kỹ thuật Trắc địa – Bản đồ tại Trường Đại học Công nghiệp Quảng Ninh. Trong chương trình đào tạo kỹ sư trắc địa, môn học giữ vai trò cầu nối giữa khối kiến thức cơ sở chuyên ngành (Trắc địa cao cấp, Thiên văn trắc địa, Lý thuyết sai số và Bình sai trắc địa) với các ứng dụng công nghệ trắc địa không gian hiện đại.

+-------------------------------------------------------------------+
|               KHỐI KIẾN THỨC CƠ SỞ CHUYÊN NGÀNH                   |
| (Toán cao cấp, Vật lý đại cương, Trắc địa cao cấp, Lý thuyết sai số)|
+---------------------------------+---------------------------------+
                                  |
                                  v
+-------------------------------------------------------------------+
|               GIÁO TRÌNH: ĐỊNH VỊ VỆ TINH (5 CHƯƠNG)              |
|  Cơ sở lý thuyết -> Cấu trúc hệ thống -> Thuật toán -> Ứng dụng  |
+---------------------------------+---------------------------------+
                                  |
                                  v
+-------------------------------------------------------------------+
|                 CÁC PHÂN NGÀNH ỨNG DỤNG THỰC TẾ                   |
| (Trắc địa bản đồ, Trắc địa công trình, Địa động học, Trắc địa biển)|
+-------------------------------------------------------------------+

Mục tiêu học tập (Learning Outcomes)

Sau khi học xong chương trình dựa trên giáo trình, người học có thể:

• Về kiến thức: Nắm vững cơ sở vật lý và toán học của trắc địa vệ tinh; hiểu rõ bản chất chuyển động quỹ đạo vệ tinh Kepler, các hệ quy chiếu không gian (ITRF, WGS-84, PZ-90, GRS-80, CGS2000), cấu trúc tín hiệu vệ tinh và các thang đo thời gian.
• Về kỹ thuật: Phân tích và thiết lập các mô hình toán giải bài toán định vị tuyệt đối, định vị tương đối, tính toán sai phân pha và đánh giá độ suy giảm độ chính xác hình học qua các chỉ số DOP.
• Về ứng dụng: Lập phương án kỹ thuật đo đạc ngoại nghiệp (đo tĩnh, đo động RTK, trạm tham chiếu liên tục CORS) và thực hiện quy trình xử lý, bình sai số liệu lưới trắc địa vệ tinh chuyển đổi sang hệ quy chiếu VN-2000.

Cấu trúc và cách tiếp cận

Tài liệu được kết cấu chặt chẽ thành 5 chương theo trình tự logic từ lý thuyết nền tảng, nguyên lý vận hành hệ thống phần cứng, thuật toán định vị cho đến công tác thực hành ngoại nghiệp và xử lý số liệu nội nghiệp:

• Chương 1: Một số vấn đề cơ sở của trắc địa vệ tinh
• Chương 2: Hệ thống định vị toàn cầu GPS
• Chương 3: Một số hệ thống định vị toàn cầu khác
• Chương 4: Ứng dụng của GPS trong trắc địa
• Chương 5: Xử lý số liệu đo GPS

Điểm đặc sắc của giáo trình

Giáo trình kết hợp hệ thống công thức giải tích không gian với dữ liệu tính toán thực tế. Bên cạnh việc phân tích hệ thống NAVSTAR-GPS của Hoa Kỳ, tài liệu mở rộng khảo sát các hệ thống định vị đa vệ tinh (GLONASS, Galileo, Compass), gắn liền bài toán trắc địa vệ tinh với điều kiện áp dụng tại Việt Nam như hoàn thiện mạng lưới tọa độ quốc gia, thành lập hệ quy chiếu VN-2000 và quan trắc địa động lực.

---

2. Nội dung kiến thức cốt lõi

+-------------------------------------------------------------------------+
|                  CẤU TRÚC NỘI DUNG VÀ KHỐI KIẾN THỨC                   |
+------------------------------------+------------------------------------+
| CHƯƠNG 1: CƠ SỞ TRẮC ĐỊA VỆ TINH   | • Quỹ đạo Kepler, chuyển động nhiễu|
|                                    | • Hệ tọa độ: Sao, WGS-84, ITRF     |
|                                    | • Thang thời gian: ST, UT, AT, GPS |
|                                    | • Lịch vệ tinh: Dự báo, Quảng bá...|
+------------------------------------+------------------------------------+
| CHƯƠNG 2: HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ GPS     | • 3 đoạn: Không gian, ĐK, Sử dụng  |
|                                    | • Sóng tải L1, L2; Code C/A, P, Y  |
|                                    | • Trị đo: Code, Pha, Doppler       |
|                                    | • Bình phương nhỏ nhất & GDOP/PDOP |
+------------------------------------+------------------------------------+
| CHƯƠNG 3: CÁC HỆ THỐNG GNSS KHÁC   | • GLONASS (PZ-90)                  |
|                                    | • GALILEO (GRS-80)                 |
|                                    | • COMPASS / BeiDou (CGS2000)       |
+------------------------------------+------------------------------------+
| CHƯƠNG 4: ỨNG DỤNG TRONG TRẮC ĐỊA  | • Lưới GPS, Đo động RTK            |
|                                    | • Trắc địa công trình & Geoid      |
|                                    | • Nghiên cứu địa động vỏ Trái đất  |
+------------------------------------+------------------------------------+
| CHƯƠNG 5: XỬ LÝ SỐ LIỆU ĐO GPS     | • Trút số liệu, Bình sai lưới GPS  |
|                                    | • Chuyển đổi 7/9 tham số tọa độ    |
|                                    | • Phần mềm tính toán trắc địa      |
+------------------------------------+------------------------------------+

Các chương và chủ đề chính

• Chương 1: Một số vấn đề cơ sở của trắc địa vệ tinh

  • Nội dung chính: Phân loại các thời kỳ phát triển từ bài toán hình học (vệ tinh thụ động: ECHO, PAGEOS, LAGEOS) sang bài toán động học (vệ tinh chủ động: TRANSIT, GPS, GLONASS). Xây dựng hệ tọa độ sao (xích đạo I, II), hệ tọa độ địa tâm (WGS-84, ITRF), hệ tọa độ địa diện chân trời và các ma trận xoay tọa độ $R$.
  • Cơ học quỹ đạo: Ba định luật Kepler mô tả chuyển động elip không bị nhiễu qua 6 tham số quỹ đạo ($a, e, i, \Omega, \omega, \nu$) và phương trình chuyển động trong trường trọng trường có nhiễu.
  • Hệ thống thời gian: Định nghĩa Giờ sao (ST), Giờ thế giới (UT-0, UT-1, UT-2), Giờ nguyên tử (AT) và thang giờ GPS Time. Phân loại lịch vệ tinh dự báo, lịch quảng bá và lịch chính xác từ IGS.

• Chương 2: Hệ thống định vị toàn cầu GPS

  • Cấu trúc 3 đoạn: Đoạn không gian (24-32 vệ tinh trên 6 mặt phẳng quỹ đạo nghiêng $55^\circ$, độ cao $20.200\text{ km}$), Đoạn điều khiển (trạm MCS tại Colorado Springs và các trạm theo dõi OCS), Đoạn sử dụng (máy thu trắc địa).
  • Cấu trúc tín hiệu: Tần số chuẩn $f_0 = 10{,}23\text{ MHz}$; sóng tải $L_1$ ($1575{,}42\text{ MHz}$, $\lambda_1 = 19{,}03\text{ cm}$) và $L_2$ ($1227{,}60\text{ MHz}$, $\lambda_2 = 24{,}42\text{ cm}$); điều biến mã tựa ngẫu nhiên C/A-code ($1{,}023\text{ MHz}$), P-code ($10{,}23\text{ MHz}$), Y-code (kỹ thuật chống giả mạo AS), và cơ chế nhiễu cố ý SA.
  • Trị đo và thuật toán: Trị đo khoảng cách giả theo code, theo pha sóng tải và tần số Doppler. Phương pháp bình phương nhỏ nhất giải hệ phương trình số hiệu chỉnh: $$V = AX + L$$ để tìm tọa độ $(X_P, Y_P, Z_P)$ và sai số đồng hồ máy thu $dT$. Đánh giá chất lượng hình học thông qua ma trận nghịch đảo $Q = (A^T A)^{-1}$ xác định các hệ số: $$\text{GDOP}, \text{PDOP}, \text{TDOP}, \text{HDOP}, \text{VDOP}$$
  • Định vị tương đối & DGPS: Sai phân pha bậc hai (hiệu kép giữa 2 máy thu và 2 vệ tinh), sai phân bậc ba; kỹ thuật vi phân trạm đơn, diện hẹp, diện rộng (WADGPS) và mạng lưới trạm tham chiếu liên tục CORS.

• Chương 3: Một số hệ thống định vị toàn cầu khác

  • Hệ thống GLONASS (Nga): Phân tích cấu trúc đoạn không gian, góc nghiêng quỹ đạo $64{,}8^\circ$, độ cao $19.100\text{ km}$, sử dụng hệ quy chiếu PZ-90.
  • Hệ thống Galileo (Cộng đồng Châu Âu): Sử dụng elipxoid GRS-80, cấu trúc tín hiệu và phương pháp định vị thương mại độ chính xác cao.
  • Hệ thống Compass/Bắc Đẩu (Trung Quốc): Sử dụng elipxoid tham chiếu CGS2000, cấu trúc đoạn không gian và phân đoạn trạm mặt đất.

• Chương 4: Ứng dụng của GPS trong trắc địa

  • Xây dựng mạng lưới tọa độ khống chế trắc địa các cấp; quy trình công nghệ đo GPS động (RTK).
  • Trắc địa công trình: Lập lưới định vị công trình, quan trắc biến dạng và chuyển dịch công trình, chuyển thiết kế ra thực địa, đo mặt cắt tính toán khối lượng đào đắp.
  • Nghiên cứu địa động lực: Xác định dị thường độ cao geoid qua số liệu đo song trùng GPS - Thủy chuẩn và mô hình Geoid; đo đạc chuyển dịch vỏ Trái đất tại các đứt gãy Sông Hồng và Điện Biên - Lai Châu.

• Chương 5: Xử lý số liệu đo GPS

  • Quy trình công nghệ: Trút số liệu thô từ máy thu, tiền xử lý và phát hiện chu kỳ nhảy pha (cycle slip).
  • Bình sai lưới GPS: Bình sai tự do, bình sai ràng buộc trên phần mềm chuyên dụng.
  • Chuyển đổi hệ tọa độ: Tính toán các tham số dịch chuyển gốc tọa độ ($dX, dY, dZ$), góc xoay Euler ($e_X, e_Y, e_Z$), tỷ lệ chiều dài ($dm$) để chuyển số liệu WGS-84 sang hệ tọa độ quốc gia VN-2000.

Bảng so sánh tham số elipxoid của các hệ thống định vị toàn cầu

Hệ định vị toàn cầu	Chủ sở hữu	Elipxoid tham chiếu	Bán trục lớn $a$ (m)	Độ dẹt $f$
TRANSIT	Bộ Quốc phòng Mỹ	WGS-72	6.378.135	1/298,26
GPS	Bộ Quốc phòng Mỹ	WGS-84	6.378.137	1/298,257223563
GLONASS	Bộ Quốc phòng Nga	PZ-90	6.378.136	1/298,257
GALILEO	Cộng đồng EU	GRS-80	6.378.137	1/298,257222101
COMPASS	Trung Quốc	CGS2000	6.378.137	1/298,257222101

---

3. Phương pháp giảng dạy và học tập

+------------------------------------------------------------------------+
|                     MÔ HÌNH DẠY - HỌC VÀ ĐÁNH GIÁ                      |
+-----------------------------------+------------------------------------+
| LÝ THUYẾT & THUẬT TOÁN            | • Bài giảng đại số tuyến tính trắc |
| (Diễn dịch toán học)              |   địa, ma trận xoay R, elip Kepler |
|                                   | • Thiết lập hệ phương trình chuẩn  |
+-----------------------------------+------------------------------------+
| THỰC NGHIỆM TÍNH TOÁN             | • Giải bài toán số trị 5 vệ tinh   |
| (Case Study mẫu)                  | • Tính ma trận Q, giải lặp tọa độ  |
|                                   | • Đánh giá định lượng chỉ số DOP   |
+-----------------------------------+------------------------------------+
| NGOẠI NGHIỆP & PHẦN MỀM           | • Lập lưới khống chế, đo tĩnh, RTK |
| (Thực hành ứng dụng)              | • Trút số liệu, bình sai tự do     |
|                                   | • Chuyển đổi 7 tham số sang VN-2000|
+-----------------------------------+------------------------------------+

Phương pháp sư phạm (Pedagogical Approach)

Giáo trình triển khai phương pháp tiếp cận diễn dịch kết hợp giải thuật số trị. Các hiện tượng vật lý và chuyển động hình học không gian được chuyển hóa thành các mô hình vi phân, ma trận số hiệu chỉnh và đại số tuyến tính:

1. Thiết lập cơ sở giải tích: Đi từ mô hình trọng trường, định luật chuyển động Newton và phương trình Kepler để xây dựng 6 tham số quỹ đạo.
2. Hình thành phương trình trị đo: Mô hình hóa các sai số đồng hồ, tầng đối lưu, tầng điện ly vào trị đo code và trị đo pha.
3. Giải thuật bình sai tối ưu: Chuyển hệ phương trình phi tuyến về dạng tuyến tính quanh điểm gần đúng, giải lặp theo nguyên lý số bình phương nhỏ nhất.

Bài toán số trị và Case Study mẫu

Giáo trình cung cấp các bài toán tính toán cụ thể nhằm kiểm chứng lý thuyết. Điển hình là bài toán định vị tuyệt đối tại điểm quan sát có tọa độ địa lý $B = 21^\circ 10'$, $L = 105^\circ 52'$, $H = 10\text{ m}$ thu nhận tín hiệu từ 5 vệ tinh:

• Xác định các phần tử của ma trận xoay địa phương $R$ giữa hệ tọa độ địa tâm và hệ tọa độ chân trời.
• Tính toán khoảng cách hình học $\rho_i$ từ bán kính quỹ đạo $r = 26.560\text{ km}$ và bán kính Trái đất $R = 6.370\text{ km}$.
• Xác định tọa độ vệ tinh trong không gian địa diện $(x, y, z)$ và chuyển đổi sang không gian địa tâm $(X, Y, Z)$.
• Thành lập ma trận hệ số $A$, giải ma trận trọng số nghịch đảo $Q = (A^T A)^{-1}$ để tính chính xác các chỉ số GDOP, PDOP, TDOP, HDOP, VDOP và sai số trung phương vị trí điểm $M_P$.

Phương pháp đánh giá kết quả học tập

• Đánh giá lý thuyết: Khả năng chứng minh các phương trình sai phân pha, phân tích bản chất các nguồn sai số (đồng hồ, quỹ đạo, tầng điện ly, đa đường dẫn - multipath).
• Đánh giá kỹ năng tính toán: Thực hiện thuần thục các phép biến đổi ma trận xoay tọa độ, tính toán các chỉ số suy giảm độ chính xác hình học DOP.
• Đánh giá năng lực thực hành: Kỹ năng lập kế hoạch đo (dựa trên lịch vệ tinh), vận hành máy thu GPS đa tần số, xử lý số liệu bình sai lưới và chuyển đổi tọa độ trên máy tính.

---

4. Điểm nổi bật và cập nhật

+------------------------------------------------------------------------+
|                  CÁC NỘI DUNG NÂNG CAO VÀ CẬP NHẬT                     |
+-----------------------------------+------------------------------------+
| CÔNG NGHỆ KHÔNG GIAN TOÀN CẦU     | • Mở rộng đa hệ thống: GLONASS,    |
| (Đa hệ thống GNSS)                |   Galileo, Compass                 |
|                                   | • Nâng cấp khối vệ tinh IIR, IIF   |
|                                   | • Dỡ bỏ chính sách làm nhiễu SA    |
+-----------------------------------+------------------------------------+
| PHƯƠNG PHÁP ĐỊNH VỊ HIỆN ĐẠI      | • Kỹ thuật đo động thời gian thực  |
| (Thời gian thực & Tham chiếu)     |   (RTK)                            |
|                                   | • Hệ thống trạm tham chiếu CORS    |
|                                   | • Vi phân diện rộng WADGPS         |
+-----------------------------------+------------------------------------+
| ỨNG DỤNG THỰC TẾ TẠI VIỆT NAM     | • Xây dựng hệ quy chiếu VN-2000    |
| (Địa phương & Quốc gia)           | • Định vị hải đảo xa bờ            |
|                                   | • Quan trắc đứt gãy địa chấn       |
|                                   |   (Sông Hồng, Điện Biên - Lai Châu)|
+-----------------------------------+------------------------------------+

Cập nhật đa hệ thống vệ tinh (Multi-GNSS)

Giáo trình không giới hạn trong phạm vi GPS mà cập nhật cấu trúc của các hệ thống vệ tinh quốc tế khác:

• Hệ thống GLONASS với các thế hệ vệ tinh GLONASS-M, GLONASS-K.
• Hệ thống vệ tinh thử nghiệm Galileo và Compass.
• Các vệ tinh nghiên cứu trường trọng lực Trái đất độ phân giải cao như CHAMP, GRACE, GOCE và công nghệ radar khẩu độ tổng hợp SAR.
• Cập nhật sự kiện Chính phủ Hoa Kỳ dỡ bỏ chính sách làm nhiễu tín hiệu SA (Selective Availability) từ ngày 20/05/2000, nâng cao độ chính xác định vị tuyệt đối dân sự.

Tích hợp công nghệ định vị tiên tiến

• Giới thiệu nguyên lý vận hành của mạng lưới các trạm tham chiếu hoạt động liên tục (CORS) như hệ thống CORS (Hoa Kỳ), CACS (Canada), SAPOS (Đức).
• Kỹ thuật đo vi phân diện rộng WADGPS kết hợp truyền số cải chính qua vệ tinh viễn thông thương mại.
• Đo động thời gian thực (RTK) giải quyết bài toán xác định tọa độ tức thời với độ chính xác cỡ centimet trong trắc địa công trình.

Ứng dụng thực tiễn trong mạng lưới trắc địa quốc gia

Tài liệu liên hệ trực tiếp với các đề án kỹ thuật trắc địa tại Việt Nam:

• Ứng dụng công nghệ GPS từ những năm 1990 để xây dựng và hoàn thiện mạng lưới thiên văn - trắc địa hạng cao quốc gia.
• Thành lập mạng lưới tọa độ liên kết đất liền với các hải đảo xa bờ.
• Cung cấp cơ sở dữ liệu tọa độ không gian phục vụ xây dựng Hệ quy chiếu và Hệ tọa độ quốc gia VN-2000.
• Khảo sát địa động lực phục vụ nghiên cứu chuyển dịch vỏ Trái đất tại khu vực đới đứt gãy Sông Hồng và đứt gãy Điện Biên – Lai Châu trong khuôn khổ hợp tác khu vực Đông Nam Á.

---

5. Đối tượng sử dụng giáo trình

+------------------------------------------------------------------------+
|                          ĐỐI TƯỢNG SỬ DỤNG                             |
+-----------------------------------+------------------------------------+
| SINH VIÊN ĐẠI HỌC / HỌC VIÊN      | • Ngành Kỹ thuật Trắc địa - Bản đồ |
| (Học tập & Nghiên cứu)            | • Ngành Kỹ thuật Mỏ, Địa chất      |
|                                   | • Kỹ thuật Xây dựng công trình     |
+-----------------------------------+------------------------------------+
| GIẢNG VIÊN & NGHIÊN CỨU VIÊN      | • Giáo trình giảng dạy chính thức  |
| (Giảng dạy & Học thuật)           | • Biên soạn bài tập tính toán mẫu  |
|                                   | • Chuẩn hóa bài thực hành nội/ngoại|
+-----------------------------------+------------------------------------+
| KỸ SƯ & CÁN BỘ KỸ THUẬT           | • Kỹ sư trắc địa công trình        |
| (Tra cứu & Ứng dụng)              | • Đo đạc địa chính và bản đồ       |
|                                   | • Cán bộ xử lý số liệu bình sai    |
+-----------------------------------+------------------------------------+

Sinh viên chuyên ngành

• Sinh viên bậc đại học và học viên cao học ngành Kỹ thuật Trắc địa – Bản đồ, Địa chính, Trắc địa mỏ, Địa chất công trình và Xây dựng hạ tầng giao thông.
• Kiến thức tiên quyết cần chuẩn bị:
  • Toán học: Đại số tuyến tính (phép tính ma trận, ma trận nghịch đảo, giải hệ phương trình chuẩn), Hình học giải tích không gian, Giải tích hàm nhiều biến.
  • Vật lý: Cơ học Newton, lý thuyết lan truyền sóng điện từ.
  • Chuyên ngành: Trắc địa đại cương, Trắc địa cao cấp, Lý thuyết sai số và phương pháp bình sai trắc địa.

Giảng viên và cơ sở đào tạo

• Sử dụng làm giáo trình giảng dạy cốt lõi cho học phần Định vị vệ tinh / Trắc địa vệ tinh.
• Khai thác nguồn số liệu mẫu, hệ thống bài tập tính ma trận xoay tọa độ và thuật toán bình sai để xây dựng ngân hàng đề thi và giáo án thực hành phần mềm trắc địa.

Kỹ sư và cán bộ kỹ thuật thực địa

• Dùng làm tài liệu tham khảo kỹ thuật cho cán bộ đo đạc bản đồ, kỹ sư trắc địa công trình thực hiện các dự án:
  • Thiết kế đồ hình mạng lưới đo GPS tĩnh.
  • Thiết lập và vận hành trạm đo RTK, trạm CORS phục vụ giải phóng mặt bằng, đo vẽ bản đồ địa hình.
  • Xử lý số liệu quan trắc lún, nghiêng và biến dạng công trình cao tầng, thủy điện, cầu hầm.

---

6. Câu hỏi thường gặp

+------------------------------------------------------------------------+
|                         CÂU HỎI THƯỜNG GẶP                             |
+------------------------------------------------------------------------+
| [1] Giáo trình này phù hợp với đối tượng nào?                          |
|     -> Sinh viên, giảng viên và kỹ sư chuyên ngành Kỹ thuật Trắc địa.  |
+------------------------------------------------------------------------+
| [2] Cần trang bị kiến thức nền tảng nào trước khi học?                 |
|     -> Trắc địa cao cấp, Bình sai trắc địa, Ma trận và Sóng điện từ.   |
+------------------------------------------------------------------------+
| [3] Điểm khác biệt so với các tài liệu trắc địa truyền thống là gì?    |
|     -> Thay đổi từ quan sát mặt đất sang hệ quy chiếu không gian vệ    |
|        tinh, xử lý tín hiệu sóng vô tuyến và chuyển đổi WGS-84/VN-2000.|
+------------------------------------------------------------------------+
| [4] Phương pháp tự học giáo trình như thế nào để đạt hiệu quả cao?     |
|     -> Bám sát 5 chương, tự giải bài tập số trị DOP và thực hành phần  |
|        mềm bình sai lưới.                                              |
+------------------------------------------------------------------------+
| [5] Giáo trình đề cập đến những nguồn tài liệu bổ trợ quốc tế nào?     |
|     -> Dữ liệu từ IGS, IERS, NGS và các trung tâm lịch vệ tinh.       |
+------------------------------------------------------------------------+

1. Giáo trình này phù hợp với ai?

Tài liệu được biên soạn phục vụ trực tiếp cho sinh viên, học viên cao học chuyên ngành Kỹ thuật Trắc địa – Bản đồ, đồng thời là tài liệu tra cứu kỹ thuật cho các kỹ sư trắc địa công trình và cán bộ xử lý dữ liệu đo đạc không gian.

2. Cần kiến thức nền nào để học?

Người học cần hoàn thành các học phần Toán cao cấp (đặc biệt là ma trận và hệ phương trình tuyến tính), Vật lý sóng vô tuyến, Trắc địa cơ sở, Trắc địa cao cấp và Lý thuyết bình sai sai số.

3. Điểm khác biệt với giáo trình khác?

Khác với các tài liệu đo đạc quang cơ truyền thống (lưới tam giác đo góc, đo cạnh mặt đất bị giới hạn tầm nhìn $25\text{ km}$), giáo trình định vị vệ tinh giải quyết bài toán không gian 3 chiều không phụ thuộc điều kiện thời tiết, phân tích bản chất truyền tín hiệu vệ tinh, giải quyết đa hệ quy chiếu (WGS-84, PZ-90, ITRF) và phương pháp bình sai chuyển đổi tham số sang hệ tọa độ quốc gia VN-2000.

4. Làm sao để tự học hiệu quả?

Người học nên tiếp cận tuần tự theo 5 chương: Nắm vững hệ tọa độ và thang thời gian ở Chương 1; thực hành giải thuật toán bình sai khoảng cách giả và hệ số DOP ở Chương 2; tìm hiểu cấu trúc đa hệ thống ở Chương 3; nghiên cứu các quy trình ngoại nghiệp ở Chương 4; và ứng dụng phần mềm máy tính để bình sai lưới trắc địa ở Chương 5.

5. Có tài liệu bổ trợ nào kèm theo?

Giáo trình cung cấp các thông tin liên kết dữ liệu quốc tế như nguồn tải lịch vệ tinh chính xác và tham số định hướng Trái đất từ Dịch vụ GNSS Quốc tế (IGS) qua các cổng thông tin:

• http://igs.de/root-ftp/IGS/products/orbits
• http://igscb.gov/components/prods_cb cùng các tiêu chuẩn số liệu từ Cục Đo đạc Quốc gia Hoa Kỳ (NGS) và Cơ quan Vòng quay Trái đất Quốc tế (IERS).

---

7. Kết luận

+------------------------------------------------------------------------+
|                   LỘ TRÌNH TIẾP CẬN KIẾN THỨC TOÀN DIỆN                |
+------------------------------------------------------------------------+
|  BƯỚC 1: NẮM VỮNG LÝ THUYẾT NỀN TẢNG (Chương 1)                        |
|  • Chuyển động Kepler, Hệ tọa độ không gian, Thang thời gian, Lịch VT   |
|                                                                        |
|  BƯỚC 2: THỰC THI THUẬT TOÁN ĐỊNH VỊ (Chương 2, 3)                     |
|  • Cấu trúc tín hiệu, Trị đo pha/code, Bình phương nhỏ nhất, Chỉ số DOP|
|                                                                        |
|  BƯỚC 3: ỨNG DỤNG VÀ XỬ LÝ SỐ LIỆU THỰC TẾ (Chương 4, 5)               |
|  • Khảo sát lưới, Đo động RTK, Bình sai lưới GPS, Chuyển đổi VN-2000   |
+------------------------------------------------------------------------+

Giáo trình Định vị vệ tinh của TS. Bùi Ngọc Hùng và ThS. Nguyễn Thị Mai Anh (Trường Đại học Công nghiệp Quảng Ninh, 2021) là tài liệu học thuật chuẩn mực, hệ thống hóa đầy đủ cơ sở lý thuyết toán - vật lý và quy trình kỹ thuật công nghệ định vị vệ tinh hiện đại.

Tài liệu cung cấp nền tảng giải tích chặt chẽ từ bài toán quỹ đạo không gian, cấu trúc mã tín hiệu số, thuật toán bình sai ma trận cho đến quy trình khảo sát thực địa và chuyển đổi tọa độ thực tế tại Việt Nam. Đây là tài liệu phục vụ đắc lực cho công tác đào tạo kỹ sư trắc địa bản đồ và chuẩn hóa quy trình xử lý dữ liệu đo đạc vệ tinh trong giai đoạn hiện nay.

Trích đoạn nội dung tài liệu

mở đầu kỷ nguyên mới của trắc địa: ra đời chuyên ngành khoa học Trắc địa vệ 6 tinh (TĐVT). Lúc đầu vệ tinh (VT) được đưa lên quỹ đạo và đóng vai trò như là mục tiêu cao, dùng các phương pháp quan sát mặt đất để xây dựng lưới tam giác vệ tinh. Đã có các lưới trắc địa vệ tinh đầu tiên để tính ra các tham số hình học và vật lý đầu tiên của Trái đất trên phạm vi toàn cầu. Các giai đoạn của trắc địa vệ tinh được phân chia như sau: 1.

Từ năm 1958 đến năm 1970 Phát triển các phương pháp cơ bản trong quan trắc vệ tinh, tính toán và phân tích quỹ đạo vệ tinh. Trong thời kỳ này, phương pháp quang học và chụp ảnh là phương pháp được áp dụng chủ yếu để đo hướng đến vệ tinh. Kết quả quan sát vệ tinh đã xác định được các hệ số của hàm điều hòa thế trọng trường Trái đất, nhờ đó đã công bố được mô hình Trái đất đầu tiên. Từ năm 1970 đến năm 1980 Đây là giai đoạn thực hiện các dự án khoa học.

Người ta đã đưa ra các kỹ thuật mới để quan sát vệ tinh nhận tạo, trong đó có phương pháp đo khoảng cách bằng laser đến vệ tinh và đến Mặt trăng, phương pháp đo cao từ vệ tinh. Trong thời kỳ này, Mỹ đã xây dựng hệ thống định vị toàn cầu TRANSIT dựa trên nguyên lý định vị Doppler, còn Liên Xô có hệ thống tương tự mang tên TSIKADA. Đã công bố một số mô hình trọng trường Trái đất nâng cao như GEM 10, GRIM. Độ chính xác quan sát vệ tinh được nâng cao nhờ có xét đến hiện tượng địa động như chuyển động quay của Trái đất, chuyển dịch cực Trái đất, biến dạng vỏ Trái đất.

Trong thời kỳ này kỹ thuật quan sát Doppler được áp dụng rộng rãi trong trắc địa. Từ năm 1980 đến năm 1990 Đây là giai đoạn ứng dụng mạnh mẽ kỹ thuật vệ tinh trong Trắc địa cao cấp, trong địa động học và trong đo đạc. Trong thời gian này, sự phát triển của trắc địa vệ tinh đi theo hai hướng chủ yếu sau: - Hướng thứ nhất mở rộng các ứng dụng của quan trắc vệ tinh. Các phương pháp đo đạc bằng vệ tinh được ứng dụng rộng rãi để thay thế các phương pháp đo đạc truyền thống.

Cụ thể là các ứng dụng của công nghệ GPS trong thời gian này đã giải quyết có hiệu quả nhiều nhiệm vụ khác nhau của công tác trắc địa - bản đồ. - Hướng thứ hai là đi sâu nghiên cứu nâng cao độ chính xác định vị vệ tinh. Nhờ đó phương pháp trắc địa vệ tinh đã thay thế phương pháp thiên văn truyền 7 thống trong giám sát chuyển dịch cực Trái đất và chuyển động quay của Trái đất. Bằng quan trắc vệ tinh, người ta đã đo đạc xác định được biến dạng vỏ Trái đất trên quy mô toàn cầu.

Từ năm 1990 đến năm 2000 Đây là thời kỳ phát triển các dịch vụ trạm thường xuyên quốc gia và quốc tế. Trong thời gian này, các hoạt động của IERS và IGS dựa trên mạng lưới các trạm quan trắc thường trực bằng các kỹ thuật đo đạc không gian chính xác như VLBI, LLR, SLR, GPS đã cung cấp các thông số định hướng Trái đất với độ chính xác cao, nhờ đó đã xây dựng được khung quy chiếu sao quốc tế (ICRF) và khung quy chiếu Trái đất quốc tế (ITRF) với độ chính xác cao. Trong thời gian này, số trạm IGS thường trực trên toàn cầu đã nên đến 300. Cũng trong thời gian này, nhiều quốc gia đã xây dựng hệ thống trạm quan sát liên tục CORS như hệ thống CORS của Mỹ, CACS của Canada và SAPOS của CHLB Đức,.

Từ năm 2000 trở lại đây Sau hơn 40 năm phát triển của trắc địa vệ tinh, từ năm 2000 kỹ thuật này tiếp tục được phát triển. Độ chính xác của các dạng lời giải không gian, thời gian được nâng cao hơn. Trắc địa vệ tinh đã mở rộng ứng dụng khoa học và thực tiễn sang các lĩnh vực mới. Trong thời gian này phải kể đến một số thành tựu sau: - Đưa các vệ tinh CHAMP, GRACE và GOCE lên quỹ đạo phục vụ quan sát trường trọng lực Trái đất với độ phân giải cao.

- Tiếp tục nâng cấp hệ thống vệ tinh đạo hàng toàn cầu GNSS với các vệ tinh GPS thế hệ mới thuộc khối IIR, IIF, các vệ tinh GLONASS - M, GLONASS - K và các vệ tinh thử nghiệm của hệ thống GALILEO. - Nâng cao độ chính xác quan sát Trái đất nhờ công nghệ rada vệ tinh độ phân giải cao SAR. - Xây dựng các hệ thống giám sát thường trực về tai biến tự nhiên và quan trắc môi trường. - Phát triển tích hợp các công nghệ trắc địa không gian di chuyển được (TIGO) để xây dựng các hệ thống giám sát địa động lực.

Lịch sử phát triển của trắc địa vệ tinh đã trải qua hai thời kỳ công nghệ, đó là thời kỳ sử dụng các vệ tinh thụ động để giải quyết bài toán định vị theo phương 8 pháp hình học và thời kỳ sử dụng các vệ tinh chủ động để giải quyết bài toán định vị theo phương pháp động học. Ở Việt Nam, các ứng dụng của công nghệ GPS trong trắc địa mới chỉ bắt đầu từ những năm 1990, song chúng ta đã khai thác có hiệu quả trong công tác xây dựng và hoàn thiện mạng lưới thiên văn - trắc địa quốc gia. Xây dựng lưới trắc địa biển, liên kết đất liền với các hải đảo nằm xa đất liền. Công nghệ GPS đã góp phần xây dựng cơ sở dữ liệu để hình thành hệ quy chiếu VN-2000.

Bên cạnh đó chúng ta đã ứng dụng GPS để đo đạc một số mạng lưới nghiên cứu địa động trên các khu vực đứt gẫy Sông Hồng, đứt gẫy Điện Biên - Lai Châu và tham gia cùng các nước trong khu vực thực hiện đo đạc và nghiên cứu chuyển dịch vỏ Trái đất thuộc vùng Đông Nam Á. Nhiệm vụ của trắc địa vệ tinh Từ lịch sử phát triển của trắc địa vệ tinh, ta có thể thấy rằng nhiệm vụ của trắc địa vệ tinh là nhiệm vụ của trắc địa cao cấp được giải quyết bằng lý thuyết mới và công nghệ mới. Nhiệm vụ tổng quát của trắc địa vệ tinh là nghiên cứu quan hệ tương hỗ giữa các điểm trên bề mặt trái đất và thiết bị đặt trên VTNT chuyển động trong trường trọng lực của Trái đất và các đặc điểm của trường trọng lực này bằng các lý thuyết và thiết bị liên quan đến trị đo từ mặt đất đến vệ tinh. Nhiệm vụ này có thể diễn đạt cụ thể hơn như sau: - Xác định chính xác vị trí không gian của các điểm trên mặt đất, trong không gian quanh Trái đất trong phạm vị khu vực và toàn cầu.

- Xác định thế trọng trường Trái đất và những yếu tố liên quan như Ellipxoid trái đất, Geoid, địa hình mặt biển. - Đo đạc và mô hình hóa các hiện tượng địa động. Các bài toán và các nguyên lý định vị vệ tinh 1. Các bài toán định vị vệ tinh Trắc địa vệ tinh là môn khoa học nghiên cứu việc ứng dụng các kết quả quan sát vệ tinh nhân tạo hoặc vệ tinh tự nhiên của Trái đất và các vật thể vũ trụ khác để giải quyết các nhiệm vụ kỹ thuật của trắc địa.

9 Để giải quyết nhiệm vụ xác định vị trí điểm trên bề mặt Trái đất dựa vào quan sát vệ tinh, người ta đưa ra hai nguyên tắc đó là nguyên tắc hình học và nguyên tắc động học. Trước đây người ta đưa lên quỹ đạo một số vệ tinh nhân tạo đóng vai trò như những mục tiêu di động phát sáng hoặc được chiếu sáng, nhờ đó các trạm quan sát trên mặt đất có thể ghi nhận được vị trí bằng chụp ảnh vệ tinh trên nền sao. Bằng cách này người ta có thể tiến hành xác định được vị trí điểm quan sát trên mặt đất mà không cần biết vị trí chính xác của vệ tinh. Các vệ tinh này được gọi là các vệ tinh thụ động, và bài toán xác định trong trường hợp này được giải quyết theo nguyên tắc hình học còn gọi là bài toán hình học.

Trong bảng 1-1 thống kê một số vệ tinh thụ động. Một số vệ tinh thụ động Vệ tinh Năm sử dụng Độ cao vệ tinh (km) ECHO-1 1960 - 1968 1600 ECHO-2 1964 - 1969 1200 PAGEOS 1966 - 1972 2800 - 5600 EXPLORER-19 1963 1300 EXPLORER-39 1968 700 - 2500 STARLETTE 1975 810 - 1100 LAGEOS 1976 5900 Phương pháp tam giác vệ tinh được xây dựng dựa trên kết quả quan sát đồng thời các vệ tinh thụ động. Các trị đo có thể là các trị đo hướng, đo khoảng cách từ điểm quan sát đến vệ tinh. Thông qua các trị đo hướng, trị đo khoảng cách đến các vệ tinh, người ta xây dựng các mạng lưới tam giác không gian liên kết các điểm trên mặt đất.

Sau khi bình sai mạng lưới không gian, người ta sẽ tính chuyển tọa độ cho các điểm trong mạng, đồng thời cũng nhận được vị trí vệ tinh tại thời điểm quan sát. Trong trường hợp này vị trí vệ tinh đóng vai trò như các điểm ngắm phụ trợ để tạo nên mạng lưới không gian. Nhược điểm cơ bản của bài toán hình học là không thể thực hiện định vị tuyệt đối tức thời mà chỉ có thể thực hiện định vị tương đối xử lý sau. Trong bài 10 toán hình học, thiết bị quan sát cồng kềnh, việc tổ chức đo phức tạp, tốn nhiều thời gian, độ chính xác thấp.

Những thời gian sau này, nhờ sự phát triển của kỹ thuật điện tử, các vệ tinh được trang bị nguồn phát tín hiệu vô tuyến, gương phản chiếu laser, đồng hồ chính xác. Trong quá trình chuyển động trên quỹ đạo người ta xác định được vị trí chính xác của vệ tinh, từ đó xác định được vị trí của các trạm thu tín hiệu vệ tinh hoặc trạm đo khoảng cách tới vệ tinh bằng laser. Các vệ tinh như vậy gọi là các vệ tinh chủ động và bài toán định vị trong trường hợp được giải quyết theo nguyên tắc động học còn gọi là bài toán động học. Các vệ tinh của hệ thống TRANSIT, GPS và GLONASS, GALILEO thuộc nhóm vệ tinh chủ động.

Trong bảng 1-2 thống kê một số vệ tinh chủ động. Một số vệ tinh chủ động Vệ tinh Bắt đầu sử dụng Độ cao vệ tinh (km) Góc nghiêng quỹ đạo (i) ANNA-1B 1962 1100 510 GEOS-1 1965 1100 - 2300 29.5 GEOS-2 1968 1100 - 1600 106 TRANSIT 1962 1100 90 GPS 1978 20200 55 GLONASS 1992 19100 64.