Bài giảng Hệ thống định vị toàn cầu GPS

MỤC LỤC
MỞ ĐẦU
Công nghệ ứng dụng hệ thống định vị toàn cầu GPS đã được đưa vào sản xuất ở Việt Nam từ năm 1991. Trên cơ sở sử dụng 3 máy thu GPS của hãng TRIMBLE loại 1 tần số 4000-ST, Liên hiệp KHSX Trắc địa bản đồ thuộc Cục Đo đạc và bản đồ Nhà nước lúc đó đã gấp rút thử nghiệm để đưa vào sản xuất, nhằm đáp ứng yêu cầu xây dựng các mạng lưới toạ độ nhà nước ở những khu vực khó khăn nhất của đất nước, mà bằng công nghệ truyền thống (phương pháp tam giác, đường chuyền) không có khả năng thực hiện, hoặc phải chi phí rất lớn và trong thời gian dài mới thực hiện được. Trong những năm 1991 đến 1994, theo kế hoạch nhiệm vụ do Cục Đo đạc và bản đồ Nhà nước giao, Liên hiệp KHSX Trắc địa bản đồ đã xây dựng thành công các mạng lưới toạ độ nhà nước hạng II ở khu vực Minh Hải, Sông Bé và Tây Nguyên, đồng thời đã xây dựng thành công mạng lưới trắc địa biển nối các đảo và quần đảo xa ( kể cả Trường Sa ) với mạng lưới toạ độ nhà nước trên đất liền.
Từ đó đến nay, việc ứng dụng công nghệ GPS đã có những bước phát triển rất lớn. Từ chỗ chỉ có 3 máy thu GPS 1 tần số của hãng TRIMBLE, đến nay ở Việt Nam đã có trên 82 máy thu GPS các loại của các hãng khác nhau, từ máy thu đặt trên máy bay, máy thu 2 tần số, máy đo động đến máy có độ chính xác trung bình ( GEO EXPLORER ) để đo khống chế ảnh. Các lĩnh vực ứng dụng công nghệ GPS hiện nay cũng rất đa dạng, từ ứng dụng để xây dựng các mạng lưới toạ độ nhà nước, độ chính xác cao, khoảng cách lớn; ứng dụng trong dẫn đường và xác định toạ độ tâm chính ảnh khi bay chụp ảnh bằng máy bay; xây dựng các mạng lưới toạ độ, độ cao địa chính cấp 1; dẫn đường và xác định toạ độ đo vẽ bản đồ địa hình đáy biển; đo toạ độ, độ cao các điểm khống chế ảnh ngoại nghiệp; đo toạ độ độ cao các mốc quốc giới; xây dựng các mạng lưới công trình v.v... Các phần mềm để xử lý tính toán bình sai các trị đo GPS cũng đa dạng, chủ yếu là các phần mềm kèm theo máy thu, như TRIMVEC, TRIMVEC PLUS, TRIMNET, TRIMNET PLUS, GPSURVEY, PHASE PROCESSOR, GEOMATIC OFFICE (hãng TRIMBLE); GPPS (ASHTECH), v.v... và 1 phần mềm bình sai lưới GPS do Liên hiệp KHSX Trắc địa bản đồ xây dựng.
Qua kết quả nghiên cứu và trực tiếp tham gia đo và xử lý, tính toán kết quả đo GPS chúng tôi biên soạn tập tài liệu này để đồng nghiệp tham khảo. Tập tài liệu gồm 3 chương sau đây: 
Chương 1: Giới thiệu hệ thống định vị toàn cầu GPS.
Chương 2: Cơ sở lý thuyết kỹ thuật đo và xử lý tính toán bình sai kết quả đo GPS.
Chương 3: Quy trình công nghệ đo và xử lý tính toán bình sai kết quả đo GPS để thành lập các mạng lưới trắc địa (thiết bị công nghệ GPS của Hãng Trimble Navigation)
CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ TOÀN CẦU GPS
I.1 GIỚI THIỆU CHUNG:
Hệ thống GPS là một hệ thống định vị vệ tinh tiếp theo sau hệ thống DOPPLER. GPS là từ viết tắt của GLOBAL POSITIONING SYSTEM. Hệ thống này bắt đầu được nghiên cứu từ những năm 70 do quân đội Mỹ chủ trì. Trong những năm đầu của thập kỷ 80 quân đội Mỹ đã chính thức cho phép dùng trong dân sự. Từ đó các nhà khoa học của nhiều nước phát triển đã lao vào cuộc chạy đua để đạt được những thành quả cao nhất trong lĩnh vực sử dụng hệ thống vệ tinh chuyên dụng GPS. Những thành tựu này cho kết quả trong hai hướng chủ đạo là chế tạo các máy thu tín hiệu và thiết lập các phần mềm để chế biến tín hiệu cho các mục đích khác nhau.
Cho tới năm 1988, các máy thu GPS do 10 hãng trên thế giới sản xuất đã đạt được trình độ cạnh tranh trên thị trường. Vì lý do trên, giá máy đã giảm xuống tới mức hợp lý mang tính phổ cập. Mười hãng trên thế giới sản xuất máy thu GPS bao gồm các hãng chính như: TRIMBLE NAVIGATION (Mỹ), ASHTECH (Mỹ), WILD (Thụy sĩ), SEGSEL (Pháp), MINI MAX (Tây Đức). Theo dư luận thị trường hiện nay máy thu của hãng TRIMBLE NAVIGATION đang được đánh giá cao nhất.
Về phương diện phần mềm của hệ thống GPS, chúng ta sẽ thấy tính đa dạng hơn của nó. Trị đo thu được chỉ có một loại, đó là tín hiệu vệ tinh phát ra. Chế biến các tín hiệu này bằng các phương pháp khác nhau, thuật toán khác nhau chúng ta có được các tham số hình học và vật lý khác nhau của trái đất. Chúng ta có thể nói khả năng phần mềm là vô tận. Với các tín hiệu thu được chúng ta có thể tính được tọa độ không gian tuyệt đối (với độ chính xác 10 m và có thể tới 1 m nếu sử dụng lịch vệ tinh chính xác), số gia tọa độ không gian (độ chính xác từ 1 cm tới 5 cm), số gia tọa độ địa lý (độ chính xác từ 0.7 đến 4 cm), số gia độ cao (độ chính xác từ 0.4 cm đến 2 cm), và số gia trọng lực (độ chính xác 0.2 mgl). Ngoài ra còn có thể có những tham số khác đang được nghiên cứu.
Toàn bộ phần cứng của hệ thống GPS có tên đầy đủ là NAVSTAR GPS SYSTEM. NAVSTAR viết tắt chữ NAVIGATION SYSTEM WITH TIME AND RANGING.
Phần cứng này gồm 3 phần: phần điều khiển (Control Segment), phần không gian (Space Segment) và phần sử dụng (User Segment).
I.1.1 Phần điều khiển (Control Segment): 
Phần điều khiển gồm 8 trạm mặt đất trong đó có 4 trạm theo dõi (Monitor Station): Diego Garcia, Ascension, Kwajalein và Hawaii; một trạm điều khiển trung tâm (Master Control Station) và 3 trạm hiệu chỉnh số liệu (Upload Station). Lưới trắc địa đặt trên 4 trạm này được xác định bằng phương pháp giao thoa đường đáy dài (VLBI). Trạm trung tâm làm nhiệm vụ tính toán lại tọa độ của các vệ tinh theo số liệu của 4 trạm theo dõi thu được từ vệ tinh. Sau tính toán các số liệu được gửi từ trạm trung tâm tới 3 trạm hiệu chỉnh số liệu và từ đó gửi tiếp tới các vệ tinh. Như vậy trong vòng 1 giờ các vệ tinh đều có một số liệu đã được hiệu chỉnh để phát cho các máy thu.
I.1.2. Phần không gian (Space Segment): 
I.1.2.1 Chòm vệ tinh GPS: 
Bao gồm 24 vệ tinh bay trên quỹ đạo có độ cao đồng nhất 20 200 km, chu kỳ 12 giờ, phân phối đều trên 6 mặt phẳng quỹ đạo nghiêng với xích đạo một góc 55o. Việc bố trí này nhằm mục đích để tại mỗi thời điểm và mỗi vị trí trên trái đất đều có thể quan sát được 4 vệ tinh. 
Mỗi vệ tinh phát 2 tần số sóng mang với tần số cao L1=1575.42 MHz và L2=1227.60 MHz. Loại sóng này phát trên cơ sở dãy số tựa ngẫu nhiên bao gồm các số 0 và 1. Mã này được gọi tên là mã P (Precise). Bên cạnh mã P sóng còn mang đi mã C/A (Clear/Acquisition) trong sóng L1. Mã C/A được phát với 2 tần số 10.23 MHz và 1.023 MHz. Ngoài 2 mã trên vệ tinh còn phát mã phụ có tần số 50 Hz chứa các thông tin về lịch vệ tinh. Các vệ tinh đều được trang bị đồng hồ nguyên tử với độ chính xác cao.
Các vệ tinh NAVSTAR có 2 trạng thái: "hoạt động khỏe" ( Healthy) và "hoạt động không khoẻ ( Unhealthy). Hai trạng thái của vệ tinh này được quyết định do 4 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".
I.1.2.2 Cấu trúc tín hiệu GPS
Mỗi vệ tinh đều truyền hai tần số dùng cho công việc định vị là tần số 1575,42 MHz và tần số 1227,60 NHz. Hai sóng mang này gọi là L1 và L2, rất mạch lạc và được điều chế bởi những tín hiệu khác nhau.
Mã nhiễu giải 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= 1.023 MHz. Chuỗi này được lặp lại sau mỗi mili giây đồng hồ. Mã nhiễu giải ngẫu nhiên (PRN) thứ hai, được biết dưới cái 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 = 10,23 MHz. 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.
Các mã được điều chế trên sóng mang bằng cách giản đơn có ý thức. Nếu mã có trị số -1 thì phase sóng mang đổi 1800, còn nếu mã số có trị số +1 thì phase sóng mang giữ nguyên không thay đổi.
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.
I.1.3. Phần sử dụng (User Segment): 
Phần sử dụng bao gồm các máy thu tín hiệu từ vệ tinh trên đất liền, máy bay và tàu thủy. Các máy thu này phân làm 2 loại: máy thu 1 tần số và máy thu 2 tần số. Máy thu 1 tần số chỉ nhận được các mã phát đi với sóng mang L1. Các máy thu 2 tần số nhận được cả 2 sóng mang L1 và L2. Các máy thu 1 tần số phát huy tác dụng trong đo tọa độ tuyệt đối với độ chính xác 10 m và tọa độ tương đối với độ chính xác từ 1 đến 5 cm trong khoảng cách nhỏ hơn 50 km. Với khoảng cách lớn hơn 50 km độ chính xác sẽ giảm đi đáng kể (độ chính xác cỡ dm). Để đo được trên những khoảng cách dài đến vài nghìn km chúng ta phải sử dụng máy 2 tần số để khử đi ảnh hưởng của tầng ion trong khí quyển trái đất. Toàn bộ phần cứng GPS hoạt động trong hệ thống tọa độ WGS-84 với kích thước elipsoid a=6378137.0 m và a=1:29825722.
I.1.3.1 Các bộ phận của một thiết bị GPS trong phần sử dụng.
Phần sử dụng GPS có thể được coi gồm 3 bộ phận chính: 
* Phần cứng
* Phần mềm
* Phần triển khai công nghệ
Phần cứng bao gồm máy thu mạch điện tử , các bộ dao động tần số vô tuyến RF (Radio Friquency), các ăngten và các thiết bị ngoại vi cần thiết để hoạt động máy thu. Đặc điểm chính yếu của bộ phận này là tính chắc chắn, có thể xách tay, tin cậy khi làm việc ngoài trời và dễ thao tác.
Phần mền bao gồm những chương trình tính dùng để xử lý dữ liệu cụ thể, chuyển đổi những thông báo GPS thành những thông tin định vị hoặc dẫn đường đi hữu ích. Những chương trình này cho phép người sử dụng tác động khi cần để có thể lợi dụng được những ưu điểm của nhiều đặc tính định vị GPS. Những chương trình này có thể sử dụng được trong điều kiện ngoại nghiệp và được thiết kế sao cho có thể cung cấp những thông báo hữu ích về trạng thái và sự tiến bộ của hệ thống tới người điều hành. Ngoài ra trong phần mềm còn bao gồm những chương trình phát triển tính độc lập của máy thu GPS , có thể đánh giá được các nhân tố như tính sẵn sàng của vệ tinh và mức độ tin cậy của độ chính xác.
Phần triển khai công nghệ hướng tới mọi lĩnh vực liên quan đến GPS như: cải tiến thiết kế máy thu, phân tích và mô hình hoá hiệu ứng của ăngten khác nhau, hiệu ứng truyền sóng và sự phối hợp của chúng trong phần mềm xử lý số liệu, phát triển các hệ thống liên kết truyền thông một cách tin cậy cho các hoạt động định vị GPS cự ly dài và ngắn khác nhau và theo dõi các xu thế phát triển trong lĩnh vực giá cả và hiệu suất thiết bị.
I.1.3.2 Những bộ phận chính của máy thu GPS.
Các bộ phận cơ bản của một máy thu GPS bao gồm:
* Ăngten và bộ tiền khuếch đại
* Phần tần số vô tuyến (RF)
* Bộ vi xử lí
* Đầu thu hoặc bộ điều khiển và thể hiện
* Thiết bị ghi chép
* Nguồn năng lượng
 Ăngten và bộ tiền khuếch đại : Các Ăngten dùng cho máy thu GPS thuộc loại chùm sóng rộng , vì vậy không cần phải hướng tới nguồn tín hiệu giống như các đĩa ăngten vệ tinh . Các ăngten này tương đối chắc chắn và có thể đặt trên ba chân hoặc lắp trên các phương tiện giao thông, vi trí thực sự được xác định là trung tâm Phase của ăngten, sau đó được truyền lên mốc trắc địa.
Phần tần số vô tuyến : Bao gồm các vi mạch điện tử xử lí tín hiệu và kết hợp số hóa và giải tích. Mỗi kiểu máy thu khác nhau dùng những kỹ thuật xử lí tín hiệu khác nhau đôi chút, các phương pháp này là :
* Tương quan mã
* Phase và tần số mã
* Cầu phương tín hiệu sóng mang
Phần tần số vô tuyến bao gồm các kênh sử dụng một trong ba phương pháp nói trên để truy cập các tín hiệu GPS nhận được, số lượng các kênh biến đổi trong khoảng từ 1 đến 12 tuỳ theo nhũng máy thu khác nhau.
Bộ điều khiển: Cho phép người điều hành can thiệp vào bộ vi xử lí. Kíck thước và kiểu dáng của bộ điều khiển ở các loại máy thu khác nhau cũng khác nhau.
Thiết bị ghi : Người ta dùng máy ghi băng từ hoặc các đĩa mềm để ghi các trị số quan trắc và những thông tin hữu ích khác được tách ra từ những tin hiệu thu được
Nguồn năng lượng : Phần lớn các máy thu đều dùng nguồn điện một chiều điện áp thấp, chỉ có một vài máy đòi hỏi phải có nguồn điện xoay chiều.
I.2 NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG GPS:
Như chúng ta đã biết về nguyên lý hoạt động của hệ thống DOPPLER, đó là nguyên lý của sự thay đổi tần số tín hiệu khi nơi phát tín hiệu chuyển động. Hệ thống GPS hoạt động trên một nguyên lý hoàn toàn khác. Để xác định tọa độ tuyệt đối của một điểm mặt đất chúng ta sử dụng kỹ thuật "tựa khoảng cách". Kỹ thuật này được mô tả bằng công thức:
 (1)
ở đây: s=[xs ys zs] - Tọa độ vệ tinh;
p=[xp yp zp] - Tọa độ điểm mặt đất;
c - Tọa độ sóng;
t - Thời gian sóng đi từ vệ tinh tới máy thu.
Dt - Số hiệu chỉnh thời gian.
Tập hợp các phương trình đo dạng (1) ta có hệ thống phương trình sai số có 4 ẩn số là t, xp yp zp trong đó xs ys zs biết được từ mã lịch vệ tinh (tần số 50Hz), t được xác định theo đồng hồ vệ tinh và máy thu theo mã C/A, c là hằng số tốc độ truyền sóng điện từ. Theo kỹ thuật này chúng ta có thể xác định tọa độ với độ chính xác 10 m. Nếu kết quả trên được gửi tới trạm điều khiển trung tâm, chúng ta có được tọa độ tuyệt đối mặt đất với độ chính xác 1 m. Sở dĩ độ chính xác được tăng lên đáng kể vì máy thu chỉ thu được lịch vệ tinh dự báo, còn ở trạm điều khiển trung tâm có lịch vệ tinh chính xác. Qua đây chúng ta thấy tọa độ tuyệt đối các điểm mặt đất được xác định có độ chính xác kém phương pháp DOPPLER. Sở dĩ như vậy vì vệ tinh của hệ thống GPS có độ cao gấp đôi hệ thống DOPPLER. Tọa độ tuyệt đối với độ chính xác 10 m của hệ thống GPS chỉ dùng để đáp ứng 2 mục đích:
- Đạo hàng ( định vị cho các đối tượng chuyển động như tàu biển, máy bay....)
- Cung cấp tọa độ gần đúng cho phương pháp đo tọa độ tương đối GPS.
Ngược lại với độ chính xác của tọa độ tuyệt đối, công nghệ GPS đã đạt được thành tựu đáng kể trong việc xác định tọa độ tương đối. Nguyên lý đo tọa độ tương đối là xác định pha của sóng mang L1 (với máy thu 1 tần số) hay L1 và L2 (với máy thu 2 tần số).
Chúng ta có công thức:
S = Nl + jl	(2)
Trong đó: l - Bước sóng (l = c/f)
f: Tần số sóng;
N: Số nguyên lần bước sóng;
j: Pha của sóng;
S: Khoảng cách vệ tinh - máy thu.
Từ công thức (2) chúng ta có:
j = (f/c).S - N	(3)
Xét công thức (3) từ một phía khác chúng ta có thể viết:
j(t) = fs(ts ) - fp(t) + Nsp	(4)
fs(ts ) - Pha của sóng tại thời điểm ts khi vệ tinh bắt đầu phát tín hiệu;
fp(t) - Pha của sóng tại thời điểm t khi máy thu nhận được tín hiệu;
Nsp - Số nguyên lần bước sóng.
Từ các công thức trên ta suy ra:
j(t) = fs(t) - (f/c).Ssp - fp(t) + Nsp	(5)
Kết hợp các thành phần của vế phải của công thức (5) chúng ta biểu diễn dưới dạng:
j(t) = - (f/c).Ssp - ap(t) + bs(t) + gsp	(6)
Trong đó: 
ap(t) - Thành phần ảnh hưởng hệ thống pha (t) do máy thu gây ra (chủ yếu l ... ATIO phải đạt hạn sai qui định.
2. Kết quả xử lý tất cả các cạnh trong mạng lưới đã được đưa vào bình sai không gian theo phần mềm TRIMNET trong hệ WGS-84.
3. Chuyển từ hệ WGS-84 về hệ tọa độ địa phương (về hệ tọa độ Nhà nước Việt nam).
Việc tính chuyển tọa độ giữa hệ WGS-84 về hệ tọa độ Nhà nước Việt nam tiến hành trên cơ sở coi hai hệ trục tọa độ không gian song song với nhau. 
Do đó các thông số tính chuyển được xác định như sau: 
	(14)
4. Sử dụng các điểm đã biết các giá trị tọa độ mặt phẳng và giá trị độ cao trắc địa đã được xác định trong bước tính chuyển H = h + N - N là độ cao Geoid, làm khởi tính tiến hành bình sai lưới theo phần mềm TRIMNET.
Việc bình sai mạng lưới được tiến hành theo thuật toán tóm tắt sau đây:
	Trị đo GPS
	Ax + 1 = V	Hệ phương trình sai số với trọng số P
	N = ATPA	Hệ phương trình chuẩn
	Nghiệm
	Sai số chuẩn.
Sử dụng phần mềm TRIMNET+ ta có thể bình sai lưới trắc địa theo các phương án sau đây:
Bình sai trong hệ toạ độ vuông góc không gian, sau đó tính chuyển kết quả về hệ toạ độ phẳng (thông qua hệ toạ độ trắc địa);
Bình sai trong hệ toạ độ trắc địa, sau đó tính chuyển kết quả về hệ toạ độ phẳng;
Bình sai trực tiếp trong hệ toạ độ phẳng.
Theo các phương án trên có thể bình sai chung cả mặt phẳng và độ cao hoặc bình sai mặt phẳng và độ cao riêng biệt. Về độ cao có thể bình sai trong hệ độ cao trắc địa hoặc trong hệ độ cao thuỷ chuẩn, hoặc bình sai cả trong 2 hệ độ cao. Trong quá trình bình sai phần mềm TRIMNET+ cho phép đặt trọng số chung cho tất cả các trị đo hoặc cho từng trị đo riêng biệt. Bình sai theo phương án 1 và phương án 2 là như nhau.
II.6 VẤN ĐỀ XÁC ĐỊNH ĐỘ CAO ĐO BẰNG CÔNG NGHỆ GPS.
Vấn đề xác định độ cao đo bằng công nghệ GPS được nghiên cứu chi tiết trong đề tài “Nghiên cứu thực nghiệm ứng dụng công nghệ GPS trong đo độ cao”, do đó ở đây không trình bày kết quả nghiên cứu mà sử dụng các kết luận của đề tài nói trên trong việc biên soạn quy định kỹ thuật, các kết luận đó là:
Sử dụng mô hình geoid toàn cầu OSU91a, tốt hơn là EGM96 kết hợp với các điểm thuỷ chuẩn có thể xác định độ cao thuỷ chuẩn với độ chính xác thuỷ chuẩn hạng IV nhà nước ở vùng đồng bằng và thuỷ chuẩn kỹ thuật ở vùng núi.
Để đạt được độ chính xác nêu trên trong lưới tối thiểu phải có 1 điểm thuỷ chuẩn với độ chính xác thuỷ chuẩn hạng III nhà nước trên khoảng cách 25 đến 30 km.
Để xác định độ cao với độ chính xác nêu trên cần tiến hành bình sai độ cao trong hệ toạ độ WGS-84.
Kết quả xác định độ cao sẽ tốt hơn khi áp dụng mô hình geoid địa phương được xây dựng dựa trên mô hình EGM96 và các điểm thuỷ chuẩn có trong lưới.
CHƯƠNG 3: QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ ĐO VÀ XỬ LÝ TÍNH TOÁN BÌNH SAI KẾT QUẢ ĐO GPS ĐỂ THÀNH LẬP CÁC MẠNG LƯỚI TRẮC ĐỊA 
(Theo công nghệ GPS của hãng Trimble Navigation)
I. ĐỘ CHÍNH XÁC LƯỚI GPS VÀ THIẾT KẾ ĐỒ HÌNH LƯỚI.
1. Độ chính xác lưới GPS
Trị đo GPS đạt độ chính xác các yếu tố theo bảng sau:
Khoảng cách
ms/s
ma
mDh
30 km
1/700 000
0"2
4.3 cm
20 km
1/500 000
0"4
4.0 cm
10 km
1/300 000
0"7
3.3 cm
5 km
1/250 000
0"8
2.0 cm
2 km
1/200 000
1"0
1.0 cm
1 km
1/100 000
2"0
1.0 cm
Khi các trị đo GPS kết cấu thành lưới độ chính xác các yếu tố sau bình sai có thể tăng lên hơn nữa tùy theo kiểu đồ hình.
2. Đồ hình lưới GPS.
Nhìn vào bảng liệt kê độ chính xác ở trên, chúng ta có thể thấy sơ bộ là độ chính xác của trị đo GPS cao hơn độ chính xác của các yếu tố lưới thực hiện theo công nghệ cổ truyền. Vì vậy về nguyên tắc chúng ta có thể đơn giản hóa dạng đồ hình của lưới.
Để đảm bảo an toàn, chúng ta vẫn chấp nhận dạng lưới tam giác hoặc đa giác cho các lưới hạng I, II, III, IV Nhà nước. Đối với các lưới hạng thấp hơn chúng ta căn cứ vào yêu cầu độ chính xác đặt ra để thiết kế cho phù hợp. Để xác định độ chính xác dự báo của lưới chúng ta dùng chương trình máy tính tính độ chính xác của lưới.
3. Thiết kế lưới GPS.
Để thiết kế lưới GPS chúng ta thực hiện theo các bước sau:
- Thiết kế sơ bộ trên bản đồ theo độ chính xác yêu cầu.
- Chọn điểm ngoài thực địa phải bảo đảm các yêu cầu sau:
+ Điểm không được đặt gần các trạm phát sóng vô tuyến mạnh (nằm ngoài bán kính 500 m).
+ Điểm không đặt quá sát các nhà cao tầng.
+ Điểm không được nằm dưới các tán lá cây quá rậm.
+ Điểm phải thỏa mãn các yêu cầu sử dụng của lưới.
- Lên điểm lại trong thiết kế chính thức.
- Chôn mốc ngoài thực địa với quy cách mốc theo yêu cầu của từng loại công trình.
Qua những quy định trên của thiết kế lưới GPS, chúng ta thấy loại lưới này không cần thông hướng giữa các điểm nên có thể bỏ qua bước phát hướng và dựng tiêu.
II. ĐO GPS.
Máy thu 4000-ST SURVEYOR là loại máy thu GPS 1 tần số. Khi sử dụng máy chúng ta phải đảm bảo các yêu cầu sau đây:
1. Xem xét bộ phận chống ẩm phía sau máy, nếu chỉ số quá 60 thì phải tháo túi bột hút ẩm để rang lại bột hoặc thay bột mới.
2. Người sử dụng máy phải thuộc kỹ bảng quy trình sử dụng máy thu GPS TRIMBLE NAVIGATION 4000-ST (xem phụ lục kèm theo).
3. Lắp đặt máy lên giá 3 chân sau khi đã cân bằng đế máy thu, lắp ắc quy vào máy, bật máy và theo dõi sự kiểm định 8 kênh thu, kiểm tra sự hoạt động của các phím cứng trên máy.
4. Theo lịch đo đã lập ở phần trên, chúng ta đưa kế hoạch đo vào máy thu bằng phím cứng SECTION trên máy. Sử dụng phím cứng Control để xóa đi các tập hợp trị đo không cần thiết (xem quy trình sử dụng máy thu).
5. Tại mỗi điểm đo chúng ta đặt giá 3 chân, định tâm và cân bằng đế máy, đặt máy lên đế máy, khởi động máy, kiểm tra lại kế hoạch đo đã ghi vào máy, sử dụng phím cứng Control để đặt các chế độ thu vệ tinh thích hợp (xem quy trình sử dụng máy thu).
6. Đặt máy thu theo chế độ đo tĩnh có chương trình ở loại chương trình điều khiển hay chương trình tự động tùy theo thói quen của người sử dụng (xem quy trình sử dụng máy thu).
7. Trong quá trình máy thu ghi số liệu người điều khiển máy phải làm 3 nhiệm vụ:
- Theo dõi sự hoạt động của máy thu, đặc biệt lưu ý tới độ liên tục ghi tín hiệu và khả năng dòng điện bị ngắt do chạm tay vào đầu cắm (xử lý theo quy trình sử dụng máy thu).
- Tại đầu, giữa và cuối thời gian đo phải ghi số liệu nhiệt độ, áp suất, độ ẩm tại điểm đo trên độ cao khoảng 2 m (mẫu sổ đo theo phụ lục 2).
- Ghi chép lại sơ đồ ghi chú điểm, tình trạng thời tiết, tình trạng mốc, địa hình, địa vật quanh điểm đo.
8. Khi kết thúc đo máy thu được đưa về trụ sở trung tâm và làm ngay các công việc sau:
- Sử dụng chương trình DOWNLOAD-DATA để trút số liệu vào máy tính.
- Nạp ngay ắc quy đến tình trạng đầy.
- Tính toán khái lược trị đo GPS.
III. TÍNH TOÁN KHÁI LƯỢC.
Sau khi các máy thu GPS thu đồng thời các tín hiệu vệ tinh chúng ta phải tính toán khái lược để thu được gia số tọa độ DX, DY, DZ giữa các điểm đặt máy thu và ma trận phương sai tương ứng. Quá trình tính toán khái lược phải tuân theo các quy định sau:
Bước 1: Chuẩn bị số liệu tính gia số toạ độ giữa 2 điểm đo đồng thời.
Trong bước này chúng ta phải đưa vào các tham số sau:
- Tên điểm đo thứ nhất, độ cao ăngten máy thu, nhiệt độ, áp suất, độ ẩm tại điểm.
Tên điểm đo thứ hai, độ cao ăngten máy thu, nhiệt độ, áp suất, độ ẩm tại điểm.
Toạ độ B, L, H của điểm chọn làm điểm đầu cạnh trong hệ toạ độ WGS-84.
Bước 2: Tính các lời giải TRIPLE, FLOAT và FIXED theo chế độ tự động, đặt chế độ tính độc lập từng cạnh.
Khởi động chương trình tính cạnh (TRIMMBP, WAVE) với các số liệu vào là tập hợp trị đo là hai điểm đo và các tham số phụ như độ cao anten máy thu, nhệt độ, áp suất, độ ẩm tại hai điểm đo, số liệu ra là các lời giải TRIPLE, FLOAD và FIXED chứa kết quả gia số toạ độ, ma trận phương sai và các chỉ số đánh giá sai số RDOP, RMS, riêng lời giải FIXED có thêm chỉ số F. Các lời giải này được ghi vào tập hợp có dạng " TEN.TRP ", " TEN.FLT ", " TEN.FIX" theo mã ASCII và có thể in ra dưới dạng văn bản.
Bước 3: Chọn lựa lời giải theo các chỉ tiêu đánh giá sai số.
Theo các chỉ tiêu đánh giá sai số trên ta so sánh với mức chuẩn
RDOP 0.1 cho cả 3 lời giải
RMS <K cho cả 3 lời giải
F > 3 - 0,02 D cho lời giải FIXED 
trong đó D là khoảng cách giữa 2 điểm đo tính bằng km và K là giá trị cho trong bảng sau đây:
D (km)
1
5
10
15
20
25
30
35
40
50
60
K
0.020
0.040
0.060
0.075
0.090
0.102
0.115
0.127
0.140
0.155
0.170
Để lựa chọn lời giải chúng ta ưu tiên lời giải FIXED tức là nếu đạt cả 3 tiêu chuẩn F, RDOP, RMS thì chọn lời giải này. Nếu lời giải FIXED không đạt yêu cầu thì phải tính lại theo qui trình bán tự động sẽ trình bày trong bước 5. Nếu lời giải FIXED của qui trình bán tự động cũng không đạt tiêu chuẩn thì ta phải chọn lời giải FLOAT hoặc TRIPLE . Với khoảng cách nhỏ hơn 50 km ta xem xét tới lời giải FLOAT, nếu đạt tiêu chuẩn RMS và RDOP thì tiếp nhận, nếu không đạt tiêu chuẩn thì phải đo lại. Với khoảng cách lớn hơn 50 km ta xem xét tới lời giải TRIPLE với tiêu chuẩn RMS và RDOP giống như lời giải FLOAT.
Bước 4: Tính toán theo qui trình bán tự động
Nếu lời giải FIXED trong qui trình tính toán tự động không đạt tiêu chuẩn F, RDOP,RMS thì chúng ta phải tính toán lại theo qui trình bán tự động. Qui trình này có các bước sau:
a. Khử trị đo bị gián đoạn (CYCLE SLIPS)
Một trong những nguyên nhân làm trị đo GPS không đạt tiêu chuẩn là do nhiễu khi thu tín hiệu. Nhiễu quan trọng nhất là nhiễu do môi trường ngoại cảnh gây sự gián đoạn tín hiệu. Tình trạng gián đoạn này cũng được khắc phục trong qui trình tính toán tự động nhưng không triệt để. Khi quá trình đo bị gián đoạn nhiều chúng ta có thể khắc phục triệt để bằng phương pháp đồ thị trên màn hình và các quyết định cụ thể của người điều khiển máy tính. Khi đã khắc phục hết gián đoạn thì đồ thị sẽ báo cho người điều khiển biết.
b. Đặt các tham số lọc thích hợp.
Ngoài nhiễu gián đoạn tín hiệu, môi trường còn làm tín hiệu bị méo. Tình trạng méo tín hiệu cũng được khắc phục trong qui trình tính toán tự động. Khi tín hiệu bị méo quá lớn chúng ta cũng có thể khắc phục bằng qui trình tính toán bán tự động. Lúc này đòi hỏi người điều khiển máy phải có kinh nghiệm nhiều để xác định các tham só lọc thích hợp.
Sau khi tính xong cạnh thứ nhất, sử dụng kết quả tính toạ độ của điểm cuối cạnh làm toạ độ khởi tính cho cạnh thứ 2, cứ như thế tính lan truyền tất cả các cạnh của lưới.
Kết quả của quy trình tính toán bán tự động cũng là các tập hợp lời giải FIXED, FLOAT và TRIPLE. Để xác định lời giải chấp nhận được hay không cũng phải căn cứ vào các chỉ tiêu đánh giá sai số F, RDOP, RMS đã nói ở trên.
Quy trình tính toán bán tự động đòi hỏi kinh nghiệm nhiều hơn quy tắc. Nếu chúng ta chưa có người sử dụng phần mềm GPS có kinh nghiệm thì chúng ta có thể quyết định đo lại.
IV. BÌNH SAI LƯỚI GPS.
Sau khi tính toán khái lược xong toàn bộ trị đo trong lưới chúng ta tiến hành bình sai toàn lưới. Tùy theo yêu cầu của hệ quy chiếu chúng ta quyết định phương án bình sai thích hợp. Sau đây sẽ giới thiệu các bước chính của quy trình công nghệ theo phần mềm bình sai của hãng Trimble Navigation.
Bình sai mặt phẳng. 
Để tiến hành bình sai lưới GPS chúng ta thực hiện các bước sau:
Bước 1: xây dựng lưới (GPSNET):
Đưa toàn bộ các tập tin tính cạnh (tập tin *.ssf) vào thư mục tương ứng và chạy thực đơn xây dựng lưới;
Kiểm tra toàn bộ thông tin về lưới đã được lập, đặc biệt là kiểm tra sai số khép.
Bước 2: bình sai sơ bộ lưới:
Từ thực đơn xây dựng lưới (GPSNET) chuyển sang thực đơn bình sai lưới (Network adjustment);
Định nghĩa hệ quy chiếu (Datum Definition)
Định nghĩa hệ toạ độ trắc địa (geographic) hoặc hệ toạ độ phẳng;
Nhập toạ độ của một điểm khởi tính nằm ở trung tâm lưới;
Đặt chế độ trọng số chung cho toàn lưới (All GPS Solutions - Default), đặt chế độ chỉ bình sai mặt phẳng;
Tiến hành bình sai lưới;
Vào thực đơn hiển thị kết quả (Display) để kiểm tra, so sánh kết quả bình sai với toạ độ của các điểm khởi tính khác. Thông thường nếu độ lệch >0.3m thì xem xét để không sử dụng điểm đó làm điểm khởi tính.
Bước 3: bình sai lưới:
Nhập toạ độ của tất cả các điểm khởi tính;
Đặt chế độ tự xác định trọng số cho từng trị đo GPS (Each GPS Solutions - Alternative), đặt chế độ bình sai: bình sai mặt phẳng;
Tiến hành bình sai lưới cho đến lúc sai số trung phương trọng số đơn vị bằng 1 (Reference Factor = 1).
Bước 4: Biên tập kết quả đo theo mẫu.
2. Bình sai độ cao :
Bình sai độ cao tiến hành theo các bước sau đây:
Bước 1 và bước 2: thực hiện như bước 1 và bước 2 phần bình sai mặt phẳng. Lưu ý ở bước 2 phải nhập độ cao trắc địa của điểm khởi tính và sau khi bình sai sơ bộ tiến hành kiểm tra xem xét độ cao trắc địa của các điểm khởi tính khác. Thông thường nếu độ lệch H >0.5 m thì xem xét để không sử dụng điểm đó làm điểm khởi tính.
Bước 3: Từ thực đơn bình sai chuyển sang thực đơn lưới mặt đất (Terrestrial Network Module), vào thực đơn Geoid Module, vào tiếp “Load Geoid Model” để nhập mô hình geoid lựa chọn. Khi chọn mô hình EGM96 thì nhập tên WW15MGH, nếu chọn mô hình Geoid địa phương hoặc mô hình Geoid xây dựng riêng cho lưới trắc địa đang bình sai thì nhập tên mô hình đó. Tiếp theo vào thực đơn “Estimate Geoid Height” chọn “Creat DCO File” và “Create Network Point Listing”; quay trở lại thực đơn trước (Geoid Model) để chuyển sang thực đơn “Terrestrial Observations Module”. Vào thực đơn “Station Coordinates”, chọn “Modify Station Data”, nhập độ cao thuỷ chuẩn của 1 điểm trong lưới. Quay lại thực đơn “Terrestrial Observations Module”, chọn “Computation Utilities”, chọn tiếp “Compute Network”, qauy trở lại thực đơn “Terrestrial Observations Module” và chọn thực đơn “Network Adjustment Module”.
Bước 4: bình sai độ cao:
Nhập độ cao trắc địa H và độ cao thuỷ chuẩn h của tất cả các điểm khởi tính đã lựa chọn;
Đặt chế độ tự xác định trọng số cho từng trị đo GPS và Geoid Model (Each GPS Solutions - Alternative), đặt chế độ bình sai: bình sai độ cao;
Tiến hành bình sai lưới cho đến lúc sai số trung phương trọng số đơn vị bằng 1 (Reference Factor = 1).
Bước 5: Biên tập kết quả đo theo mẫu.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
Baran L. W., ...., National Control Network for Poland, FIG-XX Congress, 1994, 5 Commission.
Becker M., ..., Realization of the ITRF in Thailand and Malaysia by use of a combined network for geodinamics and national survey, PCGIAP-WG1 worshop, Canbera, 1998.
Brunner F. K., On the deformation of GPS network, FIG-XX Congress, 1994, 5 Commission.
David W., Guide to GPS positioning, Canadian GPS Associates, 5-1987, Bản dịch của Lê Văn Hưng, NXB KHKT, 1997.
Dodson A. H., The Status of GPS for Height Determination, FIG-XX Congress, 1994, 5 Commission.
Hirsch O., Bautsch P., Geodetic Measurements at the North-Anatolian Fault-Zone near Gerede (Turkey), FIG-XX Congress, 1994, 5 Commission.
Kinlyside D. A., The Geocentric Datum of Australia - Transform or Readjust?, FIG-XX Congress, 1994, 5 Commission.
Lindstrot W., The German Reference Frame DREF 91, FIG-XX Congress, 1994, 5 Commission.
Seeger H., The New European Refernce Datum and it’s Relationship to wgs84, FIG-XX Congress, 1994, 5 Commission.
Trimble Navigation, Use’s Manual Trimvec, Trimnet+, GPServey, Geomatic Office.
Đặng Hùng Võ (chủ biên), Trần Bạch Giang (thư ký) và những người khác, Báo cáo khoa học xây dựng Hệ quy chiếu và Hệ toạ độ quốc gia, Tổng cục Địa Chính, Hà Nội, 1999.
Trần Bạch Giang, báo cáo kết quả đề tài “Nghiên cứu thực nghiệm ứng dụng công nghệ GPS trong đo độ cao”, Hà Nội, 2000.