Bài viết Tổng quan về hệ thống định vị toàn cầu GPS và ứng dụng trong quan trắc mái dốc, đập trình bày tổng quan về hệ thống định vị toàn cầu GPS, các nguồn sai số trong kết quả đo và ứng dụng trong quan trắc chuyển vị mái dốc, đập.
Trang 1TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ TOÀN CẦU GPS
VÀ ỨNG DỤNG TRONG QUAN TRẮC MÁI DỐC, ĐẬP
Nguyễn Trung Kiên
Bộ môn Địa kỹ thuật, Khoa Công trình, Trường Đại học Thủy lợi
Email: kiennt@tlu.edu.vn
1 GIỚI THIỆU CHUNG
Quan trắc đóng vai trò quan trọng trong
đánh giá ổn định, kiểm tra phương án thiết kế
trong quá trình xây dựng và vận hành của công
trình Công tác quan trắc nên được thực hiện tự
động, liên tục với độ chính xác cao Hơn nữa,
giá thành phải thấp và dễ dàng thực hiện
Hệ thống định vị toàn cầu (Global
Positioning System - GPS) được ứng dụng
rộng rãi trong quan trắc chuyển vị công trình
Nghiên cứu này trình bày tổng quan về hệ
thống định vị toàn cầu GPS, các nguồn sai số
trong kết quả đo và ứng dụng trong quan trắc
chuyển vị mái dốc, đập
2 HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ TOÀN CẦU
Hệ thống định vị toàn cầu (GPS) được
phát triển bởi Hoa Kỳ Hệ thống được thiết
lập như là một phương pháp chỉ đường và
khảo sát khu vực rộng lớn
Hình 1 Tính toán khoảng cách giữa vệ tinh
GPS và máy thu
Ban đầu, hệ thống có 24 vệ tinh quay
quanh quỹ đạo ở khoảng cách hơn 20.000 km
từ trái đất Máy thu tín hiệu tính toán vị trí tương đối giữa các vệ tinh và nó hình 1 GPS được ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống định vị như hàng không, giao thông, đường thủy
Định vị GPS được chia ra làm 2 loại hình
cơ bản là định vị tuyệt đối và định vị tương đối Định vị tuyệt đối dùng 1 máy thu GPS nhận tín hiệu cùng lúc từ tối thiểu 4 vệ tinh
để xác định tọa độ của nó hình 2a Do sai số đồng hồ và các yếu tố môi trường truyền sóng khác nên độ chính xác của định vị tuyệt đối đạt từ 30 - 100m
(a) Định vị tuyệt đối
(b) Định vị tương đối
Hình 2 Phương pháp định vị GPS
Trang 2Định vị tương đối dùng 2 máy thu GPS
nhận tín hiệu cùng lúc từ cùng các vệ tinh
hình 2b Một máy thu được đặt tại điểm biết
tọa độ, máy còn lại đặt tại điểm cần xác định
tọa độ Định vị tương đối cho phép xác định
các chuyển vị với độ chính xác cao và được
ứng dụng rộng rãi trong quan trắc công trình
như: mái dốc, đập, cầu, khu mỏ và các cơ sở
hạ tầng khác
Hiện nay, các thiết bị thu nhận tín hiệu GPS
được phát triển nhanh chóng với các tần số
tăng đến 50-100 Hz với các kỹ thuật đo đạc,
quan trắc có độ chính xác đến vài millimet
(Roberts và nnk, 2004; Shimizu và nnk, 2014)
Tuy nhiên, giá thành của thiết bị và phần mềm
trong một số trường hợp tương đối lớn, làm
hạn chế việc ứng dụng rộng rãi phương pháp
quan trắc này Do đó, các thiết bị GPS giá rẻ
hơn đang được nhiều nhà nghiên cứu thử
nghiệm (Nguyễn Trung Kiên, 2019)
3 CÁC NGUỒN SAI SỐ TRONG KẾT
QUẢ ĐO GPS
Việc định vị bằng hệ thống GPS chịu ảnh
hưởng của nhiều yếu tố sai số khác nhau:
- Sai số do đồng hồ;
- Sai số quỹ đạo vệ tinh;
- Sai số do ảnh hưởng của tầng Ion;
- Sai số do ảnh hưởng của tầng đối lưu;
- Sai số do tầm nhìn vệ tinh và sự trượt
chu kỳ;
- Sai số do hiện tượng đa tuyến;
- Sai số do sự suy giảm độ chính xác
(DOPs) do đồ hình các vệ tính;
- Tâm pha của Anten
Do các sai số ảnh hưởng đến độ chính xác
của phép đo, các phương pháp hiệu chỉnh sai
số cần được áp dụng để giảm thiểu sai số
(Shimizu và nnk, 2014)
4 MỘT SỐ HỆ THỐNG QUAN TRẮC
CHUYỂN VỊ DÙNG GPS
Nhiều hệ thống quan trắc công trình dùng
GPS được phát triển bởi các nhà sản xuất,
các trường Đại học và các nhóm nghiên cứu
trên thế giới
3D TRACKER: Hệ thống là một sản phẩm
của sự hợp tác giữa Trimble và Condor Earth
Technologies, Inc Đây là một hệ thống trạm GPS quan trắc theo thời gian thực 3D Tracker cung cấp kết quả quan trắc liên tục và tự động đưa cảnh báo khi chuyển vị vượt các ngưỡng cảnh báo (wwww.condorearth.com)
CODMS: Hệ thống được phát triển ở Đại
học kỹ thuật Graz, Áo Hệ thống cung cấp kết quả quan trắc gần thời gian thực và được ứng dụng trong quan trắc nhiều khối trượt tại Áo (Hartinger và Brunner, 2000)
GeoMoS: Leica GeoMoS là một hệ thống
quan trắc chuyển vị dựa trên GPS Hệ thống được ứng dụng cho quan trắc kết cấu, mái dốc, núi lửa, sụt lún (www.leica-geosystems.com)
Shamen-net: Hệ thống được phát triển bởi
sự hợp tác giữa Đại học Yamaguchi và Tập đoàn Kokusai Kogyo, Nhật Bản Hệ thống cung cấp kết quả quan trắc theo thời gian thực qua website
Hình 3 Hệ thống Shamen-net quan trắc
chuyển vị dùng GPS (Shimizu và nnk, 2014)
5 ỨNG DỤNG GPS TRONG QUAN TRẮC MÁI DỐC, ĐẬP
5.1 Mái dốc
Hình 4 Ứng dụng GPS trong quan trắc
chuyển vị mái dốc
Trang 3(Hình 4) chỉ ra ứng dụng GPS trong quan
trắc chuyển vị mái dốc Quan trắc chuyển vị
liên tục được thực hiện từ 11/3/2013 dùng hệ
thống Shamen-net Việc thu nhận dữ liệu, phân
tích kết quả, hiệu chỉnh sai số và cung cấp kết
quả chuyển vị được thực hiện tự động
Hệ thống cho phép quan trắc liên tục
chuyển vị theo 3 phương với độ chính xác
cao Hệ thống có thể ghi nhận được kết quả
chuyển vị từ vài mm/tháng trong mùa khô từ
tháng 3 - 6/2013 đến vài chục mm/tháng (44
mm/tháng) trong mùa mưa từ giữa tháng
6-9/2013 (Nguyễn Trung Kiên, 2019) (hình 5)
Hình 5 Kết quả chuyển vị theo 3 phương
(Nguyễn Trung Kiên, 2019)
5.2 Đập đá đổ
Hình 6 Kết quả chuyển vị của điểm G-4, G-9
và G-14 (Kobori và nnk, 2014)
Hệ thống GPS được ứng dụng để quan trắc chuyển vị của đập Ishibuchi, Nhật Bản Chuyển vị liên tục được quan trắc và hệ thống ghi nhận được những chuyển vị do động đất mạnh xảy ra
Kết quả chỉ ra chấn động chính gây ra chuyển vị khoảng 10 mm theo hướng hạ lưu,
3 mm theo hướng vai phải và 10 mm độ lún tại G-9 Dư chấn lớn nhất gây ra chuyển vị khoảng 2 mm về phía hạ lưu và khoảng 2
mm độ lún (Kobori và nnk, 2014)
6 KẾT LUẬN
Hệ thống định vị toàn cầu GPS được ứng dụng rộng rãi trong quan trắc công trình Độ chính xác của phép đo chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố, độ chính xác cao đến millimet thu được khi áp dụng các phép hiệu chỉnh sai số Nghiên cứu này trình bày ví dụ về ứng dụng của hệ thống quan trắc chuyển vị dùng GPS ở mái dốc và đập đá đổ Kết quả chỉ ra
hệ thống cho phép ghi nhận các chuyển vị
từ vài mm/tháng đến vài chục mm/tháng Hơn nữa, hệ thống cũng ghi nhận được các chuyển vị do ảnh hưởng của động đất mạnh gây ra
7 TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Hartiger, H và Brunner, F.K 2000 Phát triển hệ thống quan trắc trượt lở dùng GPS
Kỷ yếu Hội nghị lần thứ 9 về quan trắc biến dạng, FIG, 29-38
[2] Kobori, T., Yamaguchi, Y., Nakashima, S., Shimizu, N 2014 Quan trắc chuyển vị của đập đá đổ trước, trong và sau khi động đất mạnh tại Nhật Bản dùng GPS Kỷ yếu Hội nghị Hội Cơ học đá thế giới 2014 – Hội nghị Cơ học đá châu Á lần thứ 8 (ARMS8), 930-938
[3] Nguyễn Trung Kiên 2019 Quan trắc chuyển vị liên tục dùng GPS và ứng dụng cho mái dốc lớn Luận án tiến sĩ Đại học Yamaguchi, Nhật Bản
[4] Roberts, G W., Meng, X., Dodson, A H
2004 Tích hợp hệ thống định vị toàn cầu và máy đo gia tốc để quan trắc độ võng của cầu Tạp chí Kỹ thuật khảo sát, 130(2), 65-72
