công nghệ và phương pháp xử lý số liệu trắc địa trong xây dựng

Trạm điều khiển trung tâm MCS có nhiệm vụ chủ yếu trong đoạn điều khiển, thu nhận toàn bộ số liệu giám sát vệ tinh từ các trạm theo dõi MS để tính toán quỹ đạo vệ tinh và các tham số đồn

CÔNG NGH VÀ PH NG PHÁP XỬ Lụ

S LI U TR C Đ A TRONG XÂY D NG

TS H TH LAN H NG

navigation satellite system – GPS (m ); Glonass(nga) Galileo ( châu âu); compass (trung qu c)

ĐO N KHỌNG GIAN ( Space Segment )

- Chu k ỳ 718 phót (12h)

ĐO N KHỌNG GIAN ( Space Segment )

Từ khi GPS được cho phép được sử d ng trong dân sự, các nhà khoa học

c a nhiều nước đã nghiên cứu ch yếu các lĩnh vực:

- Chế tạo máy thu tín hi u;

-Xây dựng phần mềm xử lý tín hi u đáp ứng cho nhiều m c đích

- Thiết l p và phát triển công ngh ứng d ng trong các chuyên ngành

Các v tinh GPS có trọng lượng

khoảng 1.600kg, khi phóng vào

khoảng 800kg trên qu đạo

Năng lượng cung cấp cho họa

động v tinh là năng lượng pin

- Tất cả các v tinh GPS đều có thiết b

tạo dao động tần s chuẩn cơ sở f0 =

Việc giám sát và hiệu chỉnh các tần số của đồng hồ vệ tinh là

chức năng của đoạn điều khiển

ĐO N ĐI U KHI N (Contronl Segment)

Gồm 1 trạm điều khiển trung tâm và một s trạm theo dõi và một s trạm

trên mặt đất

Trạm điều khiển trung tâm (MCS) có nhiệm vụ chủ yếu trong đoạn điều khiển, thu nhận toàn bộ số liệu giám sát vệ tinh từ các trạm theo dõi (MS) để tính toán quỹ đạo vệ tinh và các tham số đồng hồ vệ tinh dựa trên thuật toán lọc Kalman, kết quả sẽ được chuyển đến các trạm điều khiển mặt đất (GCS) và từ

đó chuyển lên vệ tinh

Các Trạm theo dõi MS được phân bố quanh trái đất Mỗi trạm theo dõi được trang bị đồng hồ nguyên tử tiêu chuẩn và máy thu GPS để liên tục đo khoảng cách giả đến các vệ tinh có thể quan sát được và số liệu này được chuyển về trạm trung tâm

Các trạm điều khiển mặt đất có nhiệm vụ kết nối thông tin tới các vệ tinh bằng các anten mặt đất và chuyển lịch vệ tinh và thông tin đồng hồ vệ tinh đã được

xử lý tại trạm điều khiển trung tâm lên các vệ tinh và từ đó phát đến các máy thu và đoạn sử dụng

ĐO N SỬ D NG ( User Segment )

Đoạn sử dụng bao gồm các máy thu GPS , thu tín hiệu để phục vụ cho các mục đích khác nhau như dẫn đường trên biển, trên không, trên đất liền, phục vụ công tác đo đạc

Máy thu GPS là phần cứng quan trọng trong đoạn sử dụng, ngành chế tạo máy thu là ngành kỹ thuật cao, có nhiều máy thu đa hệ có thể thu tín hiệu từ nhiều kênh khác nhau như GPS, GLONASS, GALILEO Các máy thu trước đây chỉ có

từ 8 đến 12 kênh, hiện tại có máy thu có đến hàng trăm kênh Khi máy thu làm việc , mỗi kênh sẽ độc lập theo dõi và thu tính hiệu từ một vệ tinh Kèm theo các máy thu này là các phần mềm xử lý số liệu

Quan hÖ gi ữa 3 bé phËn thÓ hiÖn :

Thông s kỹ thu t GPS GLONASS GALILEO COMPASS

THÔNG S K THU T C A CÁC H TH NG Đ NH V V TINH

2 Các đại lợng đo GPS

Cú 2 dạng đại lượng đo

+ Đo khoảng cỏch giả theo pha súng tải + Đo khoảng cỏch giả theo mó

mã tương tự Sau đó máy thu so sánh

và xác định thời gian lan truyền của tín hiệu vệ tinh

) (

Khoảng c¸ch giữa v tinh và m¸y thu,

bước sãng của sãng tải,

số nguyªn lần bước sãng (chứa trong R), sai số khong đồng bộ của vệ tinh và của m¸y thu

Reciver Satellite

Đinh v tuy t đối Đinh v tương đối

3 Nguyên lỦ và kỹ thu t đ nh v v tinh

Định vị là việc xác định vị trí điểm cần đo (Vị trí tâm pha anten) Có 2 loại hình định vị: Định vị tuyệt đối và định vị tương đối

Đ nh v tuy t đ i

Đặt máy ở điểm bất kỳ, thu tín hiệu

từ các vệ tinh, tính được khoảng

cách từ máy đến vệ tinh và tính tọa

độ của điểm đó trong hệ tọa độ vệ

tinh

Nguyên tắc định vị: giao hội nghịch

không gian, cần có tối thiểu 4 vệ tinh Trị đo trong phương pháp định vị tuyệt đối sử dụng trị đo code

a Định vị tuyệt đối định vị tuyệt đối tĩnh

Định vị tuyệt đối động

Với số liệu vệ tinh thường xuyờn lớn hơn 4, độ chớnh xỏc cú thể đạt 3m, nếu sử dụng lịch vệ tinh chớnh xỏc thỡ đcx cú thể đạt 1m

Đ nh v t ng đ i Là phương phỏp đ nh v cho độ chớnh xỏc

cao, sử d ng t i thiểu 2 mỏy thu tớn hi u v tinh đồng thời và kết quả là vector cạnh khụng gian (Base line) n i 2 điểm đặt mỏy thu Δx, Δy, Δz (hoặc ΔB, ΔL, ΔH) trong WGS

84

Đo tơng đối đợc thực hiện trên cơ sở sử dụng

đại lợng đo là pha của song tải

Để đạt được độ chớnh xỏc cao thỡ cần phải tạo ra

sai phõn Nguyờn tắc c a vi c này là tạo nờn sự đồng ảnh hưởng c a cỏc nguồn sai s đến tọa độ điểm trong đ nh v tuy t đ i, lấy hi u trớ đo trực tiếp để tạo ra cỏc tr đo mới và loại trừ hoặc giảm bớt cỏc sai s

Độ chớnh xỏc đạt cỡ cm

Đo GPS tĩnh (static) sóng tải, thời gian đo đ dài để đạt được Phương pháp này sử dung tr đo pha

sự thay đổi c a đồ hình v tinh, cung cấp tr đo thừa để giảm một s các sai s

Đo GPS tĩnh nhanh

(Fast static)

Về bản chất cúng gi ng như pp đo tĩnh nhưng thời gian đo nhanh hơn từ 8’ – 30’

ph thuộc vào s v tinh và đồ hình v

tinh

Đ nh v tương đối tĩnh

§o líi, quan tr¾c

Ví d v đo tương đối tĩnh

Đ nh v tương đối đ ng ( Kinematic GPS )

Là phương pháp đo động, ngoài các trạm base và rover còn có h th ng radio link và tọa độ c a điểm đo được xác đ nh tức thời, thời gian đo các điểm này rât ngắn ch cần 1 epoch (1’’ – 5’’), khoảng cách đo bi

Thành

l p lưới đường chuyền

TT Nhóm sai s Ngu n sai s

1 Sai s ph thuộc vào v

tinh

- Sai s đồng hồ v tinh

- Sai s qu đạo v tinh

2 Sai s ph thuộc vào sự

lan truyền tín hi u

- Sai s do tầng đi n ly

- Sai s do tầng đ i lưu

- Sai s do đa đường d n

3 Sai s liên quan tới máy

thu

- Sai s đồng hồ máy thu

- Sai s do l ch tâm pha anten

- Sai s do sự không ổn đ nh phần cứng c a máy thu

4 Nguồn sai số trong đ nh v v tinh đư c chia làm ba nhóm:

Sai số do tầng áp suất khí quyển

Ionosphere

Troposphere (Charged Particles)

Sai số do hiện tượng đa đường dẫn (Multipath)

Sai số đồ hình vệ tinh do góc

ngưỡng gây ra

150

150

1.5 ỨNG D NG CỌNG NGH GPS TRONG TR C Đ A CỌNG TRỊNH

u điểm

c a GPS

- Đo với độ chính xác cao

- Có thể đo được với khoảng cách lớn

- Không cần thông hướng

- Đo được trong mọi điều kiện thời gian và thời tiết

Nh c

điểm

-Tính toán phức tạp

- Đầu tư thiết bị đắt tiền

- Chỉ đo được khi góc mở lên bầu trời 150 độ

- Đo l i:

x

y wb101

wb116

wb115 wb107

wb113a

wb130 wb108 yard - no.03

north - pylon south - pylon

yard - no.04 Lưới cầu Cần Thơ đo bằng GPS

- Thường áp d ng phương pháp đ nh v tương đ i tĩnh

điểm này phân bố đều xung quanh khu vực đo

- B2: Thiết kế ca đo và công tác chuẩn bị đo:

Ca đo là khoảng thời gian ấn định liên tục mà các máy thu thu đồng thời tín hiệu GPS Số lượng ca đo tối thiểu được tính theo công thức:

n=m.s/r Trong đó: s là số điểm trong lưới, r là số lượng máy thu, m là

số lần đặt máy lặp trung bình tại điểm lưới (n nguyên)

Các ca đo trong lưới GPS

( Các mạng lưới đều được đặt máy 2 lần – không nhỏ hơn 1,6 lần)

Thời gian đo: Thời gian đo được quyết định căn cứ vào: Độ dài cạnh đo,

độ chính xác yêu cầu, số lượng vệ tinh và cấu hình vệ tinh, tỷ số nhieeuc của tín hiệu vệ tinh, tình trạng che chắn các điểm đo, máy thu 1 tần hay 2 tần

Thời gian đo hợp lý được kiến nghị như bảng sau:

Chi u dài c nh (km) Đ dài ca đo ( phút)

-B3: Định tâm, cân máy đo chiều cao anten

Đô cao anten có nhiệm vụ tính chuyển các trị

đo về tâm mốc từ tâm pha anten nên cần đo chính xác đên mm

Phải ghi đầy đủ các thông tin: Dự án và tên trạm, ngày tháng và số hiệu ca đo, thời gian bắt đầu và kết thúc, tên người đo, số hiệu máy thu và và loại anten,

số liệu khí tượng,…

- B4, Bình sai và tính toán lưới, tính chuyển về tọa độ công trình nếu cần

PS04

Lưới Câu M Thu n

C¸c trô kh«ng th«ng híng ®o b»ng GPS RTK Th«ng híng bè trÝ b»ng T §§T

- B trí công trình

Sơ đồ chuyển trục lên tầng cao với phương pháp hoàn nguyên,

độ chính xác 5mm, nên dùng định tâm bắt buộc

Với phương pháp RTK - GPS kết quả đo không

lấy giá trị trung bình theo thời gian, và với tôc độ lấy

mẫu cao (khoảng 20Hz) có thể quan trắc biến dạng

nhanh của các cấu trúc mềm dẻo (cầu dây, tháp cầu

hoặc các tòa nhà cao tầng) nơi mà ảnh hưởng c a

phương ti n giao thông hoặc gió là nguyên nhân gây

ra các chuyển v có thể nh n biết được (>1cm) và tần

s xuất hi n < 10Hz [Robert et al.,2000]

- Quan tr c đ nh kỳ và quan tr c tr c quan công trình

c«ng nghÖ GPS

M T S PH NG PHÁP XỬ Lụ S LI U

M T S KHÁI NI M

- Thế nào là bình sai, m c đích c a bình sai, kết quả c a

bình sai

- Đo không cùng độ chính xác c a một đại lượng

- Đo cùng độ chính xác c a một đại lượng

- Trọng s

- Sai s , S hi u ch nh, sai s khép

- Sai s trung phương

- Độ chính xác và sai sô

PH NG PHAP BINH PH NG Nhá nhÊt vµ

BINH SAI TR C tiÕp

A C S̉ CỦA PH NG PHAP BINH PH NG NHỎ NHÊT

Trong trăc địa, ngoai lượng đo cân thiêt người ta con tiên hanh đo thừa Cac đại lường đo thừa nay được liên hệ trực tiêp với cac đại lượng đo cân thiêt băng cac ham toan học Cac đại lượng đo thừa sẽ lam tăng độ chinh xac của những đại lượng cân xac định va cho phep đanh gia độ chinh xac của chung với độ tin cậy cao, trên cơ sở môi liên hệ toan học giữa cac gia trị đo

0

1 2 3 180

l    l l  w

Ví d

Vì các giá tr đo có sai s , nên vế phải c a biểu thức khác không

Để làm mất w hay nói cách khác là đem w hi u ch nh vào các góc đo theo một phương pháp toán học đ̃ chọn người ta gọi là bình sai

a Điều ki n để tiến hành bình sai là: tồn tại những đại lượng đo thừa và những sai s nh̉ không thể tránh c a các giá tr đo

b M c đích c a bình sai là: tri t tiêu sai s khép và nâng cao độ chính xác c a tất cả các đại lượng cần xác đ nh

Phương pháp được chọn để giải bài toán trên phải th̉a m̃n hai yêu cầu :

- Kh̉ sai ś kh́p w

- Ś hịu ch̉nh vi t̀m đực phải xấp x̉ sai ś tḥc của gí trị đo

( t́c l̀ ćc sai ś ngẫu nhiên) Hai điểm quan tṛng trong b̀i tón b̀nh sai l̀

Dựa trên cơ sở lỦ thuyÕt xác suất, người ta đ̃ chứng minh được rằng, để nh n được các giá tr sau bình sai ( có độ tin c y lớn nhất là xấp x với giá tr thực thì: tổng các bình phương vi phải th̉a m̃n đi u

2 2

Cac điêu kiện trên gọi la nguyên tăc bình phương nhỏ nhât

Như đ̃ nêu ở trên, ta thấy rằng vi c bình sai đồng thời nhiều đại lượng theo phương pháp bình phương nh̉ nhất thực chất là giải bài toán cực tr , có nghĩa tìm cực tiểu c a hàm   pvv  min

Có nhiều phương pháp bình sai: bình sai gián tiếp, bình sai điều

ki n, bình sai tự do…

1

i i

m c

Để tính toán thuận lợi, ta nhân cả tử số và mẫu số vế phải công thức

Trong trờng hợp các giá trị đo li cùng độ chính xác,

tức là pi = p cụng thức có dạng:

   

p l l x

b Xác định trọng số trong đo cao hỡnh học

s



3 Tính sai số trung phơng khi đo không cùng độ chính xác c a 1 đ i l ng

a Sai số trung phơng của giá trị trung bỡnh cộng có mang trọng số và sai số trung phơng của giá trị đo

Sai số trung phơng của giá trị trung bỡnh cộng có mang trọng số

Sai số trung phơng của giá trị đo i

  



TuyÕn

®o

§é cao

®iÓm H(m)

ChiÒu dµi tuyÕn (km)

2 1

pvv

mm n

8

2.69.67

Chơng VI phơng pháp Bènh sai gián tiếp

Khỏi ni m

Trong thực tế chúng ta thờng gặp nh ững đại lợng cần tỡm không phải là giá trị đo trực tiếp, mà là hàm của một số giá trị đo trực tiếp Nh ững

đại lợng đợc xác định nh vậy gọi là giá trị đo gián tiếp

Ví dụ: Trong mặt phẳng chúng ta đã biết tọa độ của 3 điểm A, B,

C lần lợt là: (xA, yA ), (xB, yB); (xC, yC ), cần xác định toạ độ điểm P (xP, yP Muốn vậy chỉ cần đo hai cạnh SAP và SBP

Nếu tiến hành đo thêm SCP thỡ sẽ thành lập đợc 1 phơng trỡnh n ữa là:

Để giải quyết mâu thuẫn trên cần thiết phải tiến hành binh sai

để tim ra toạ độ xác suất nhất của điểm P

Phơng pháp binh sai để tim ra một số các ẩn số nh vậy ngời ta gọi là binh sai gián tiếp

a C ăn cứ vào quan hệ giữa giá trị đo và ẩn số để thành lập hệ phơng trỡnh số hiệu chỉnh, chú ý rằng trong bỡnh sai gián tiếp số lợng các phơng tr ỡ nh số hiệu chỉnh đúng bằng tổng các giá trị đo n.

c Giải hệ phơng trỡnh chuẩn để tỡm ra các ẩn số

d Thay các ẩn số tỡm đợc vào phơng trỡnh số hiệu chỉnh để tỡm

các vi và giá trị xác suất của đại lợng đo Hi = li + vi (i=1  n)

a Thay các ẩn số vào phong trình số hiệu chỉnh sẽ tìm đợc vi

bình phơng vi sau đó nhân với Pi tơng ứng và lấy tổng ta nhận đợc

Trong lới độ cao này số điểm cần phải xác định độ cao là 2, chính là độ cao xác suất nhất của điểm E và F Đặt x = HE ; y = HF

Thay (b) vào (a) và biến đổi ta

32 0

12

x x

y y

V V V V V

Chúng ta thành lập đợc các hệ số và số hạng tự do của hệ phơng trỡ nh chuẩn:

Thay x và y vào các phơng trỡnh số hiệu chỉnh sẽ tính đợc:

Cỏch chọn ẩn s , cỏch kiểm tra cỏc h s và s hạng tự do c a phương trỡnh chuẩn thảm khảo giỏo trỡnh

Chơng VII Phơng pháp bènh sai điều kiện

Đ ể có điều kiện kiểm tra kết quả đo và nâng cao độ chính xác các yếu

tố cần xác định, ngời ta tiến hành đo thừa

a

c b

l1

a

c b

l1

Ví dụ: Muốn xác định hỡnh dạng của

một tam giác, ngoài yếu tố về chiều

dài cạnh đã biết, chỉ cần đo 2 góc,

nhng trong thực tế ngời ta đo cả 3

góc Nh vậy là có một đại lợng đo thừa

Do có một đại lợng đo thừa, nên có một

điều kiện hinh học cần phải đợc thoả

mãn là tổng 3 góc trong một tam giác

W= (l1+ l2+l3) – 1800

Ta đó cú:

Nh vậy phơng trỡnh điều kiện sẽ có dạng: v1+ v2+ v3+ W= 0

Tổng quát hoá cho trờng hợp có n đại lợng đo, trong đó có r đại lợng thừa th ỡ sẽ có r phơng tr ỡ nh điều kiện

Vấn đề đặt ra là phải giải bài toán để t ỡ m ra các số hiệu chỉnh vi theo

sai điều kiện

Lý thuyết bènh sai điều kiện

Giả thiết bài toán có n đại lợng là l1, l2, l3 ln với các trọng số tơng ứng là

P1,P2,P1 Pn

Số các đại lợng đo cần thiết tối thiểu là t, số các đại lợng đo thừa là r

= n - t Nh vậy sẽ có r phơng trỡnh điều kiện độc lập

Nếu ký hiệu giá trị bỡnh sai của các đại lợng đo là x1, x2, x3 xn thỡ

Fj(x1,x2, x3 xn) = 0

Theo Lagrang, bài toán này tơng đơng với bài toán tim cực trị binh ờng của hàm

th-[ PVV ] 2 K Fa. a 2 K Fb. b 2 K Fr. r min

Trong đó Kj (j=a,b, ,r) là các hệ số nhân cần tim, đợc gọi là các hệ số

Lagrange và trong trắc địa gọi là các số liên hệ Để giải hàm trờn th̉a m̃n cỏc điều ki n c a bài toỏn đặt ra theo phương phỏp bỡnh sai điều ki n ta làm cỏc bước sau:

CÁC B C BèNH SAI ĐI U KI N

1 Lập phơng trinh điều kiện số hiệu chỉnh

- S phương trỡnh điều ki n:

Tổng số phơng trinh điều kiện độc lập luôn luôn bằng số lợng

đo thừa và đợc xác định theo công thức:

a Lới độ cao tự do: r = n - (p-1)

b Lới độ cao phụ thuộc: r = n - (p-k)

c Lới mặt bằng tự do: r = n - 2(p-2)

d Lới mặt bằng phụ thuộc: r = n - 2(p-k)

P - tổng số điểm trong lới; K - số điểm đã biết; n – số đại lượng đo;

i

F a

i

F b

i

F r

- Sau khi tính đợc các giá trị của ẩn s Kj tính số hiệu chỉnh theo công thức:

- Kiểm tra các số hiệu chỉnh tính đợc theo công thức:

- Tính giá trị binh sai của các đại lợng đo theo công thức:

Ví dụ: Bỡnh sai điều kiện:

Cho một lới độ cao nh hỡnh vẽ

Hai điểm A và B cú: HA = 35.000m;

HB = 36.000m hiệu độ cao đo đợc và

chiều dài các tuyến ghi trong bảng sau:

Hãy tính độ cao xác suất nhất của các điểm P1, P2, P3

Tuyến đo Hiệu độ cao đo