Nghiên cứu giải pháp nâng cao hiệu quả thành lập lưới khống chế mặt bằng thi công bằng công nghệ GPS

Ngoài những yêu cầu chung về lập lưới khống chế tọa độ, các mạng lưới này còn đòi hỏi phải có những yêu cầu kỹ thuật riêng trong thiết kế, đo đạc và xử lý số liệu, sao cho phù hợp với mụ

Hµ néi - 2018

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu, kết quả trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất

kỳ công trình nào khác

Hà Nội, ngày tháng năm 2018

Người cam đoan:

Nguyễn Văn Tiến

MỤC LỤC

Trang

Lời cam đoan 1

Mục lục 2

Danh mục các bảng 4

Danh mục các hình vẽ 5

MỞ ĐẦU 6

Chương 1 – KIẾN THỨC CHUNG VỀ LƯỚI KHỐNG CHẾ TRẮC ĐỊA

CÔNG TRÌNH 9

1.1 Mục đích và đặc điểm của lưới khống chế thi công 9

1.2 Yêu cầu và độ chính xác của lưới thi công công trình 15

1.3 Phương pháp thành lập lưới khống chế thi công 18

Chương 2 – TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ GPS 25

2.1 Hệ thống định vị toàn cầu GPS và hoạt động của nó 25

2.2 Các trị đo GPS 29

2.3 Các phương pháp định vị GPS 30

2.4 Các loại sai số trong kết quả đo GPS 35

2.5 Một số hệ tọa độ dùng trong trắc địa vệ tinh 38

Chương 3 – MỘT SỐ GIẢI PHÁP NÂNG CAO HIỆU QUẢ ỨNG DỤNG GPS TRONG THÀNH LẬP LUỚI THI CÔNG 43

3.1 Giải pháp kỹ thuật thiết kế và thành lập lưới GPS 43

3.2 Giải pháp ước tính độ chính xác lưới GPS 52

3.3 Giải pháp tính chuyển tọa độ lưới GPS về hệ tọa độ công trình 58

Chương 4 – THỰC NGHIỆM 64

4.1 Thực nghiệm ước tính độ chính xác lưới GPS 64

4.2 Thực nghiệm tính chuyển tọa độ lưới GPS 67

KẾT LUẬN 71 TÀI LIỆU THAM KHẢO 72 PHỤ LỤC 73

DANH MỤC CÁC BẢNG

1 Bảng 1.1 Một số máy toàn đạc điện tử chính xác 19

2 Bảng 1.2 Yêu cầu kỹ thuật cơ bản khi đo GPS các cấp 23

3 Bảng 2.1 Các thành phần của tín hiệu vệ tinh 26

4 Bảng 3.1 Quy định về số lượng cạnh trong vòng đo độc

lập hoặc tuyến phù hợp đối với các cấp lưới GPS 43

6 Bảng 3.3 Thông số kỹ thuật của một số máy GPS chính

7 Bảng 4.1 Tọa độ phẳng gần đúng các điểm 65

8 Bảng 4.2 Tọa độ không gian gần đúng các điểm 65

9 Bảng 4.3 So sánh kết quả thực nghiệm 66

10 Bảng 4.4 Tọa độ các điểm trên mặt phẳng chiếu hình bản đồ 68

11 Bảng 4.5 So sánh chiều dài cạnh trước khi tính chuyển 69

12 Bảng 4.5 So sánh chiều dài cạnh sau khi tính chuyển 70

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

1 Hình 1.1 Sơ đồ xác lập yêu cầu độ chính xác bố trí công trình 16

2 Hình 2.1 Sự phân bố các vệ tinh trên quý đạo và vệ tinh GPS 25

3 Hình 2.2 Vị trí các trạm trong đoạn điều khiển của hệ thống

5 Hình 2.4 Phương pháp định vị tuyệt đối 31

6 Hình 2.5 Phương pháp định vị tương đối 35

7 Hình 2.6 Hệ tọa độ vuông góc không gian WGS -84 38

9 Hình 2.8 Hệ tọa độ địa diện xích đạo 41

10 Hình 2.9 Hệ tọa độ địa diện chân trời 42

18 Hình 3.3 Cấu tạo của dấu mốc có định tâm bắt buộc 49

19 Hình 3.4 Quan hệ giữa hai tọa độ vuông góc không gian 60

20 Hình 3.5 Thuật toán biến đổi đồng dạng theo độ cao mặt chiếu 63

21 Hình 4.1 Sơ đồ lưới và địa hình khu vực nhìn trên Google Earth 64

24 Hình 4.4 Toàn đạc điện tử Geomax ZTS600 68

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Các mạng lưới tọa độ trong Trắc địa công trình là những mạng lưới trắc địa chuyên dùng Ngoài những yêu cầu chung về lập lưới khống chế tọa độ, các mạng lưới này còn đòi hỏi phải có những yêu cầu kỹ thuật riêng trong thiết

kế, đo đạc và xử lý số liệu, sao cho phù hợp với mục đích sử dụng của chuyên ngành Trắc địa công trình

Hiện nay, công nghệ GPS (Global Positioning System) đã được ứng dụng

rộng rãi trong nhiều lĩnh vực của Trắc địa, trong đó có trắc địa công trình Một trong những ứng dụng quan trọng của nó là xây dựng các mạng lưới khống chế tọa độ nhờ kỹ thuật đo tương đối-tĩnh

Nghiên cứu ứng dụng công nghệ GPS trong lập lưới tọa độ công trình nhằm nâng cao hơn nữa hiệu quả của GPS trong các lĩnh vực của trắc địa chuyên ngành là một yêu cầu thực tế, có ý nghĩa khoa học và thực tiễn

2 Mục đích của đề tài

- Nghiên cứu đặc điểm thành lập lưới khống chế mặt bằng thi công công trình khi đo bằng công nghệ GPS

- Nghiên cứu khả năng ứng dụng thực tế của công nghệ GPS trong thành lập

lưới khống chế mặt bằng thi công

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài

Đối tượng: Nghiên cứu các giải pháp thiết kế và thành lập mạng lưới

khống chế thi công, khả năng ứng dụng công nghệ GPS và một số vấn đề về thiết kế và thành lập mạng lưới khống chế thi công bằng công nghệ GPS

Phạm vi: Nghiên cứu giải pháp nâng cao hiệu quả thành lập lưới khống

chế thi công bằng công nghệ GPS

4 Nội dung nghiên cứu của đề tài

- Nghiên cứu mục đích, đặc điểm thành lập và yêu cầu độ chính xác các mạng lưới khống chế mặt bằng trong trắc địa công trình

- Nghiên cứu phương pháp đo đạc, xử lý số liệu và giải pháp nâng cao hiệu quả của công nghệ GPS trong thành lập các mạng lưới khống chế mặt bằng của trắc địa công trình

- Tính toán thực nghiệm

5 Phương pháp nghiên cứu

- Phương pháp thống kê: Tìm kiếm, thu thập tài liệu và cập nhật các

thông tin trên mạng Internet và các thư viện

- Phương pháp phân tích: Nghiên cứu lý thuyết quan trắc biến dạng

công trình, phân tích và so sánh các phương pháp được áp dụng trong thực tế

- Phương pháp thực nghiệm: Tiến hành các thực nghiệm để kiểm chứng

lý thuyết và khẳng định các kết luận của đề tài

6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

- Ý nghĩa khoa học: Góp phần làm sáng tỏ một số vấn đề lý luận về thành lập lưới khống chế thi công bằng công nghệ GPS

- Ý nghĩa thực tiễn: Các kết quả nghiên cứu của đề tài có thể làm tài liệu tham khảo cho các tổ chức và cá nhân có quan tâm đến công tác thành lập lưới khống chế thi công bằng công nghệ GPS ở nước ta

7 Cấu trúc của luận văn

Ngoài phần Mở đầu, Kết luận và Tài liệu tham khảo, Luận văn bao gồm 4 chương:

Chương 1 - Kiến thức chung về lưới khống chế trắc địa công trình

Chương 2 – Tổng quan về công nghệ GPS

Chương 3 - Một số giải pháp nâng cao hiệu quả ứng dụng GPS trong

thành lập lưới thi công

Chương 4 - Thực nghiệm

Luận văn được thực hiện dưới sự hướng dẫn của PGS.TS Nguyễn Quang Phúc, bộ môn Trắc địa công trình, khoa Trắc địa-Bản đồ và QLĐĐ, trường Đại học Mỏ - Địa chất, Hà Nội

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến Người hướng dẫn khoa học đã tận tình hướng dẫn, xin cảm ơn các thầy, cô trong Bộ môn Trắc địa công trình khoa Trắc địa-Bản đồ và QLĐĐ đã tận tình chỉ bảo, giúp đỡ để tôi hoàn thành luận văn này

Tôi xin chân thành cảm ơn !

độ điểm, số bậc, đồ hình và phương pháp xây dựng lưới Thành lập lưới khống chế thi công là một trong những nội dung cơ bản, quan trọng của công tác trắc địa trong xây dựng công trình

Lưới khống chế mặt bằng được thành lập ở khu vực thành phố, khu công nghiệp, khu năng lượng, sân bay, bến cảng, Nhà máy thuỷ điện, cầu cống, đường hầm là cơ sở trắc địa phục vụ cho việc khảo sát, thiết kế và thi công xây dựng các công trình

Trong trắc địa công trình, tuỳ thuộc vào quy mô, yêu cầu độ chính xác

và đặc điểm riêng của mỗi loại công trình mà người ta lập các dạng lưới khống chế khác nhau cho phù hợp với yêu cầu riêng đó.Tuy nhiên đối với lưới khống chế TĐCT thì chúng đều có những mục đích chung Việc thành lập lưới khống chế trắc địa nhằm đảm bảo sự thống nhất về tọa độ trên toàn

bộ công trình và nhằm đảm bảo những yêu cầu đặt ra theo từng giai đoạn của công trình như sau [3]:

- Trong giai đoạn khảo sát thiết kế, lưới TĐCT là cơ sở trắc địa mặt bằng để đo vẽ bản đồ địa hình tỷ lệ lớn phục vụ cho công tác khảo sát và thiết

kế công trình

- Trong giai đoạn thi công xây dựng công trình, lưới khống chế là cơ sở

để thành lập lưới thi công phục vụ thi công xây dựng, bố trí và đo vẽ hoàn công công trình

- Trong giai đoạn sử dụng công trình thì lưới khống chế là cơ sở để tiến hành quan trắc chuyển dịch và đánh giá mức độ ổn định của công trình

1.1.2 Đặc điểm chung của lưới khống chế thi công

Lưới thi công công trình được thành lập trong thời kỳ thi công, là cơ sở trắc địa để chuyển bản thiết kế ra thực địa, để bố trí chi tiết công trình và cũng

là cơ sở để đo vẽ hoàn công công trình Nó có một số đặc diểm sau:

a Lưới khống chế thi công được xây dựng theo một số bậc

Lưới thi công công trình được xây dựng một số bậc, bậc sau có độ chính xác cao hơn bậc trước (ngược lại với lưới Khảo sát địa hình) nhưng tất

cả các điểm trong lưới phải được định vị trong hệ tọa độ thống nhất đã chọn trong thời kì khảo sát địa hình Tuy nhiên, số bậc của lưới được tính sao cho càng ít càng tốt và phổ biến ở hai bậc lưới [3]:

- Lưới khống chế cơ sở: bao gồm các điểm đặt ở ngoài công trình và là các điểm có độ ổn định cao

- Lưới bố trí: bao gồm những điểm ở gần và chạy bám theo công trình

để phục vụ trực tiếp công tác bố trí công trình Những điểm này dễ bị phá huỷ trong thời gian thi công công trình nên cần có kế hoạch bảo quản trong thời gian dài

Với những công trình có độ phức tạp thì mới phát triển đến bậc lưới thứ

ba, riêng đối với lưới thi công cầu thì chỉ có một bậc lưới

b Lưới khống chế thi công công trình có phạm vi khống chế hẹp, mật

độ điểm dày, yêu cầu độ chính xác cao

Các công trình xây dựng thường có diện tích không lớn lại phải bố trí

nhiều hạng mục công trình nên các điểm khống chế phải đảm bảo yêu cầu về mật độ điểm và độ chính xác cần thiết (vị trí và mật độ các điểm của lưới tuỳ thuộc vào đặc điểm kĩ thuật của từng loại công trình) thì mới có thể bố trí được các hạng mục công trình có yêu cầu độ chính xác từ thấp đến cao

c Lưới khống chế thi công công trình được sử dụng nhiều lần

Một đặc điểm là các công trình được xây dựng trong thời gian dài và việc thi công các công trình xây dựng được tiến hành theo một trình tự xây dựng nhất định, theo từng giai đoạn thi công công trình Công trình xây dựng phải được định vị trong một hệ thống tọa độ, đó là hệ tọa độ công trình.Chính

vì vậy các điểm của lưới khống chế thi công sẽ được sử dụng nhiều lần nhằm đảm bảo tính thống nhất của số liệu bố trí cũng như đảm bảo tính chính xác

của các hạng mục công trình

Quá trình thi công công trình diễn ra trong thời gian dài sẽ làm lưới thi công trình dễ bị phá huỷ.Vì vậy, phải đảm bảo tính ổn định của các điểm trong lưới và có kế hoạch bảo quản chúng trong thời gian dài

Độ chính xác của lưới thi công công trình tuỳ thuộc vào từng loại công trình, từng giai đoạn thi công công trình Việc ước tính độ chính xác của lưới được tiến hành theo phương pháp lưới trắc địa tự do do bản chất của lưới thi công có độ chính xác bậc sau cao hơn bậc trước

d Chịu ảnh hưởng của quá trình thi công

Trong thi công các công trình hiện đại (như công trình thủy điện, công trình siêu cao tầng…), độ cao thi công của các vật kiến trúc trên công trường

có thể chênh lệch rất lớn Điều đó làm cản trở tầm nhìn thông giữa các điểm khống chế Các máy móc thi công như cần cẩu, xe vận chuyển vật liệu xây dựng, máy trộn bê tông rải rác trên công trường đâu cũng có, lại thêm người thi công đi lại càng ảnh hưởng nghiêm trọng đến tầm nhìn thông Do đó vị trí

các điểm khống chế cần được phân bố thích hợp, mật độ điểm cũng phải dày

để có khả năng lựa chọn trong khi bố trí thi công

Căn cứ vào đặc điểm đã nêu trên, việc thiết lập lưới khống chế thi công phải là một bộ phận trong toàn bộ thiết kế thi công công trình Khi thành lập lưới phải xét đến trình tự, phương pháp thi công và tình trạng phân bố trên công trường Để tránh cho các mốc khống chế khỏi bị phá hoại, vị trí của tất

cả các điểm khống chế cần phải được vẽ trên tổng bình đồ thiết kế công trình

và giáo dục ý thức trách nhiệm bảo vệ cho tất cả mọi người trên công trường

Trên tổng bình đồ thiết kế, vị trí mặt phẳng của các vật kiến trúc được biểu thị trong hệ toạ độ thi công Hệ toạ độ thi công là hệ toạ độ cục bộ lấy trục chính của công trình làm trục toạ độ Ví dụ như đối với công trình đầu mối thuỷ lợi - thuỷ điện thường lấy trục đập làm trục toạ độ, đối với cầu vượt thì lấy trục cầu, đối với đường hầm cong thì lấy tiếp tuyến, đối với công trình công nghiệp thì lấy trục của xưởng chính hoặc là trục của thiết bị sản xuất chủ yếu làm trục toạ độ Do đó, khi thiết lập lưới khống chế thi công cố gắng đưa các trục chính đó vào một cạnh của lưới khống chế

Trong trường hợp cần liên kết giữa lưới khống chế thi công và lưới khống chế đo vẽ bản đồ thì phải tính chuyển toạ độ để đưa chúng về một hệ toạ độ thống nhất

1.1.3 Đặc điểm thành lập lưới trong thi công một số loại công trình

a Khu vực thành phố

Ở khu vực thành phố, chúng ta không thành lập lưới trắc địa chuyên dùng mà sử dụng lưới khống chế Nhà nước làm cơ sở, nhưng chiều dài cạnh thường rút ngắn xuống 1,5–2 lần để đảm bảo mật độ 5 – 15 km2/1điểm Lưới

được tăng dày để bảo đảm cho việc đo vẽ bản đồ tỷ lệ 1:500, 1:200

Loại và hình dạng của lưới phụ thuộc vào hình dạng và kích thước của

thành phố Lưới cấp đầu tiên của thành phố có thể là lưới hạng II hoặc III của Nhà nước và được tăng dày bằng lưới hoặc điểm hạng IV và lưới đường chuyền cấp 1, 2 Trên khu vực thành phố, có thể sử dụng rộng rãi lưới đường

chuyền (đa giác) hạng IV và lưới đường chuyền cấp 1,2

Ở khu vực thành phố, lưới tam giác đo góc-cạnh kết hợp được xem là tốt nhất, loại lưới này có độ chính xác cao, đồ hình của lưới có thể vượt ra

ngoài những quy định thông thường mà vẫn bảo đảm độ chính xác

b Khu công nghiệp

Lưới khống chế trên khu vực được thành lập trong giai đoạn khảo sát là

cơ sở để đo vẽ bản đồ tỷ lệ lớn, đồng thời cũng dựa vào đó để thành lập lưới

c Công trình cầu vượt

Cơ sở để ước tính độ chính xác cần thiết của lưới là yêu cầu độ chính xác xác định chiều dài cầu và độ chính xác bố trí tâm trụ cầu, thường từ 1– 3

cm Đồ hình cơ bản của lưới thường là lưới tứ giác trắc địa đơn hoặc kép Trong lưới có đo hai cạnh đáy ở hai bờ với độ chính xác 1:200.000 đến 1:300.000, góc được đo với độ chính xác m= 1÷2” Ngày nay, máy toàn đạc điện tử đang được sử dụng khá rộng rãi, do vậy lưới trắc địa trong xây dựng

cầu thường đo góc – cạnh kết hợp Trong trường hợp này đồ hình lưới có thể đơn giản hơn mà độ chính xác vẫn đảm bảo yêu cầu

d Khu đầu mối thuỷ lợi – thuỷ điện

Trong giai đoạn khảo sát, thiết kế, lưới khống chế trắc địa công trình phục vụ cho đo vẽ bản đồ tỷ lệ lớn, đo nối các điểm khảo sát địa chất, thuỷ văn và bố trí các trục cơ bản của công trình Vì vậy có thể sử dụng lưới khống chế Nhà nước và phát triển theo phương pháp thông thường với độ chính xác

và mật độ điểm cần thiết

Trong giai đoạn thi công xây dựng công trình, cần phải thành lập lưới chuyên dùng nhằm bảo đảm độ chính xác bố trí công trình Đặc điểm của lưới tam giác khu vực đầu mối thuỷ lợi –thuỷ điện là cạnh ngắn (từ 0,5÷1,5km), đo góc và đo cạnh với độ chính xác cao: m = 11,5”;mS =1:200.000÷1: 250.000; Sai số vị trí điểm mP = 5mm.Hình dạng của lướiphụ thuộc vào chiều dài, hình dạng của đập, chiều rộng của sông và địa hình hai bên bờ sông

e Công trình đường hầm

Cơ sở để ước tính độ chính xác cần thiết của lưới là sai số hướng ngang của trục đường hầm đào đối hướng.Hình dạng lưới khống chế trắc địa đường hầm phụ thuộc vào hình dạng của tuyến hoặc hệ thống đường hầm

Đối với một tuyến đường hầm, thường thành lập chuỗi tam giác đo cạnh đáy ở hai đầu chuỗi hoặc chuỗi tam giác đo góc – cạnh kết hợp Để chuyền tọa độ và phương vị xuống hầm, cần phải có điểm của lưới khống chế

ở gần miệng giếng đứng và cửa hầm

f Công trình đòi hỏi có độ chính xác đặc biệt

Đối với công trình đòi hỏi có độ chính xác cao như Nhà máy gia tốc hạt, công trình cao, tháp vô tuyến nhưng phạm vi nhỏ thì thành lập lưới tam giác nhỏ đo cạnh (25÷50m) với độ chính xác rất cao (0,1÷0,5mm)

- Lưới khảo sát công trình cần phải được thiết lập trong hệ tọa độ đã chọn của công trình

1.2 YÊU CẦU ĐỘ CHÍNH XÁC CỦA LƯỚI THI CÔNG CÔNG TRÌNH

Trong giai đoạn thi công, nhiệm vụ của trắc địa là trực tiếp phục vụ thi công, độ chính xác của trắc địa thể hiện chủ yếu ở sai số vị trí tương hỗ giữa các điểm gần nhau Trong giai đoạn khảo sát, nhiệm vụ chủ yếu của trắc địa là cung cấp bản đồ địa hình công trình các loại tỷ lệ Lúc đó, lưới khống chế được thành lập chỉ để đo vẽ bản đồ ở tỷ lệ đã chọn, không đáp ứng được yêu cầu bố trí công trình trên các phương diện như mật độ, số lượng và đặc biệt là

độ chính xác vị trí điểm Vì vậy, cần phải lập lưới khống chế thi công

Đối với các loại công trình khác nhau hoặc đối với từng phần khác nhau trong cùng một công trình, yêu cầu độ chính xác bố trí cũng có thể khác nhau

và có khi khác biệt rất lớn Để xác định độ chính xác của lưới khống chế thi công phải dựa trên cơ sở bảo đảm độ chính xác cần thiết bố trí các loại và các hạng mục công trình

Xác định đúng yêu cầu độ chính xác bố trí công trình là một việc rất quan trọng Nếu yêu cầu thấp quá có thể gây ra sự cố về chất lượng, nếu yêu cầu cao quá sẽ gây nên khó khăn cho công tác bố trí, tăng khối lượng, kéo dài

thời gian bố trí, không thoả mãn yêu cầu hiện đại hoá thi công với tốc độ cao

Yêu cầu độ chính xác bố trí công trình được xác định trên cơ sở sai lệch cho phép của kích thước công trình khi xây dựng xong so với kích thước thiết

kế (tức hạn sai xây dựng Δ) và được mô tả như hình 1.1 Sai số thực tế của công trình tức sai số trung phương tổng hợp là do sai số thi công (bao gồm sai

số chế tạo cấu kiện, sai số lắp đặt ) và sai số đo đạc bố trí gây nên, sai số đo lưới khống chế chỉ một phần trong đó Để có thể dựa vào hạn sai xây dựng đưa ra qui định đúng đắn yêu cầu về độ chính xác bố trí công trình thì ngoài kiến thức trắc địa cần phải có kiến thức nhất định về xây dựng công trình

Hình 1.1- Sơ đồ xác lập yêu cầu độ chính xác bố trí công trình

Do yêu cầu độ chính xác khác nhau của công tác bố trí đối với các phần khác nhau của cùng một công trình nên vấn đề đầu tiên được đặt ra là căn cứ vào yêu cầu độ chính xác nào để xác định độ chính xác của lưới khống chế thi công Khi lựa chọn phải xem xét đến điều kiện thi công, phương pháp và trình

tự thi công, phân tích xem có cần phải bố trí trực tiếp từ các điểm khống chế hay không Đối với một số yếu tố nào đó của công trình, tuy yêu cầu độ chính xác rất cao về vị trí tương hỗ nhưng khi bố trí có thể lợi dụng quan hệ hình

học giữa chúng mà trực tiếp tiến hành, do đó khi xác định độ chính xác của lưới khống chế có thể không cần tính đến các yếu tố đó Ví dụ như trong công trình thuỷ lợi, yêu cầu bố trí khe của cửa đập với độ chính xác rất cao (0,5mm) nhưng không phải bố trí trực tiếp từ điểm khống chế mà bố trí từ trục của cửa đập Do đó khi xét yêu cầu của lưới khống chế không xét đến độ chính xác 0,5mm đó

Sau khi đã xác định yêu cầu độ chính xác của công tác bố trí, có thể dựa trên cơ sở đó để xác định độ chính xác của lưới khống chế thi công Lúc này, cần xem xét tỷ lệ giữa sai số của lưới khống chế và sai số bố trí chi tiết

để xác định hợp lý độ chính xác của lưới khống chế thi công

Đối với công trình cầu, điểm cần bố trí thường ở xa điểm khống chế, không thật thuận tiện cho việc bố trí nên sai số bố trí tương đối lớn Công tác

bố trí cần phải phối hợp chặt chẽ với thi công xây dựng, chịu ảnh hưởng của thi công, lại phải tiến hành bố trí nhanh để đáp ứng yêu cầu của thi công nên không thể dùng phương pháp đo nhiều lần để nâng cao độ chính xác Khi thành lập lưới khống chế thi công, cần thực hiện nguyên tắc ảnh hưởng sai số của điểm khống chế đến vị trí điểm bố trí so với ảnh hưởng của sai số bố trí là nhỏ, có thể bỏ qua để tạo điều kiện thuận lợi cho công tác bố trí

Theo nguyên tắc đó, yêu cầu độ chính xác của lưới khống chế thi công được phân tích như sau:

Giả thiết: M là sai số tổng hợp vị trí điểm bố trí

Khai triển (1.1) và bỏ đi các số hạng bậc cao, ta có:

𝑀 = 𝑚2(1 + 𝑚12

2𝑚2) (1.2) Nếu 𝑚1

2𝑚22 = 0,1 tức ảnh hưởng sai số của điểm khống chế chỉ chiếm 10%, ta được: m12

= 0,2m22 Kết hợp đẳng thức trên và (1.2) để giải, ta có:

m1 0,4M (1.3)

Từ đó có thể thấy khi m1=0,4M thì m1 làm cho sai số tổng hợp vị trí điểm

bố trí tăng lên 10%, tức ảnh hưởng sai số của điểm khống chế không lớn

Do lưới khống chế thi công thường thành lập với hai cấp, phương pháp tăng dày lưới cấp 2 cũng khác nhau (chêm điểm, chêm lưới, giao hội điểm ), ngoài ra phương pháp và đồ hình bố trí cũng khác nhau nên ảnh hưởng sai số của điểm khống chế cũng khác nhau Do đó sau khi đã xác định được sai số tổng hợp vị trí điểm bố trí M, sử dụng công thức (1.3) để xác định độ chính xác của lưới khống chế thi công thì vẫn cần phải dựa vào trường hợp cụ thể

để phân tích Đối với công trình công nghiệp, do mật độ điểm khống chế tương đối dày, khoảng cách bố trí tương đối ngắn, thao tác dễ dàng nên sai số

bố trí tương đối nhỏ Trong trường hợp này không cần thiết phải sử dụng

nguyên tắc "Ảnh hưởng sai số điểm khống chế đối với vị trí điểm bố trí là nhỏ, có thể bỏ qua" mà chọn tỷ lệ hợp lý giữa ảnh hưởng sai số của điểm

khống chế và sai số bố trí để xác định yêu cầu độ chính xác cần thiết của lưới khống chế thi công

1.3 PHƯƠNG PHÁP THÀNH LẬP LƯỚI KHỐNG CHẾ THI CÔNG

Lưới khống chế thi công có thể thành lập theo phương pháp đo mặt đất truyền thống, phương pháp định vị vệ tinh GPS hoặc là phương pháp kết hợp

đo mặt đất-vệ tinh

1.3.1 Phương pháp đo truyền thống

Đây là phương pháp sử dụng các thiết bị đo ngắm trực tiếp trên mặt đất

tự nhiên, lưới được thành lập chủ yếu dưới dạng: lưới tam giác (đo góc, đo cạnh, hoặc đo góc-cạnh) Đôi khi gặp địa hình khó khăn thì có thể áp dụng đồ hình lưới đa giác Một số máy toàn đạc điện tử chính xác được sử dụng trong phương pháp đo truyền thống được cho trong Bảng 1.1

Bảng 1.1–Một số máy toàn đạc điện tử chính xác (dùng để đo các lưới khống chế mặt bằng)

Tên

máy

Hãng và nước chế tạo

Độ phân giải bàn độ

SSTP đo góc ngang/đứng SSTP đo cạnh

Tầm hoạt động xa nhất

TC 303 Thụy Sỹ Leica 1" 3"/3"  (2mm  2ppm) 3000 m SET2B SOKKIA Nhật Bản 1" 2"/2"  (2mm  2ppm) 4200 m DTM

750

NIKON Nhật Bản 1" 2"/2"  (2mm  2ppm) 3500 m GTS-4 TOPCON Nhật Bản 1" 2"/2"  (2mm  2ppm) 3700 m

Độ chính xác cũng như đồ hình lưới phụ thuộc vào các đặc điểm tự nhiên và yêu cầu độ chính xác của từng hạng mục công trình

1.3.1.1 Lưới tam giác

Đây là một phương pháp phổ biến để thành lập lưới khống chế tọa độ mặt bằng Đồ hình của lưới khá đa dạng, tùy thuộc vào địa hình và đặc điểm của công trình

a Lưới tam giác đo góc: Dạng lưới này thường được thành lập trong những

trước đây, khi điều kiện đo dài còn hạn chế Trong lưới đo toàn bộ các góc, đo một số cạnh với độ chính xác cao để làm cạnh gốc Ưu điểm của phương pháp

này là sử dụng thiết bị máy móc có giá thành rẻ, dễ đo ngắm, dễ tính toán và

có nhiều trị đo thừa trong lưới Nhược điểm của phương pháp là phải chọn đồ hình tương đối đều nên khó bố trí điểm khi phải đảm bảo thông hướng giữa các đỉnh tam giác

b Lưới tam giác đo cạnh: Sự ra đời và phát triển của nhiều thế hệ máy toàn

đạc điện tử đã cho phép lập lưới theo phương pháp tam giác đo cạnh Trong phương pháp này, người ta đo chiều dài tất cả các cạnh trong lưới Từ đó, có thể tính được giá trị của tất cả các góc trong tam giác và toạ độ của tất cả các điểm lưới Ưu điểm của phương pháp là phù hợp với các thiết bị đo cạnh có

độ chính xác cao, ít chịu ảnh hưởng do điều kiện thời tiết như phương pháp

đo góc và thời gian đo đạc ngoài thực địa nhanh hơn Nhược điểm của dạng lưới này là trong một tam giác không có trị đo thừa nên không có điều kiện kiểm tra ngay tại thực địa, khi đo ở những khu vực có trạm phát sóng, đường điện cao thế… có thể ảnh hưởng đến độ chính xác đo dài do nhiễu tín hiệu, độ chính xác định hướng kém nên gây ra dịch vị ngang của lưới lớn

c Lưới tam giác đo góc- cạnh: Dạng lưới này là sự kết là sự kết hợp của 2

đồ hình đo góc và đo cạnh Hiện nay trong trắc địa công trình sử dụng rộng

rãi các máy toàn đạc điện tử, do vậy lưới tam giác đo góc-cạnh được áp dụng phổ biến Trong lưới đo góc cạnh có thể đo tất cả hoặc một phần các góc và cạnh của lưới So với các lưới tam giác đo góc và đo cạnh thì lưới tam giác đo góc-cạnh ít phụ thuộc hơn vào kết cấu đồ hình, giảm đáng kể sự phụ thuộc giữa dịch vị dọc và dịch vị ngang, đảm bảo kiểm tra chặt chẽ các trị đo góc và cạnh Lưới đo góc-cạnh cho phép tính tọa độ các điểm chính xác hơn (khoảng 1,5 lần) so với lưới tam giác đo góc hoặc tam giác đo cạnh cùng kết cấu

1.3.1.2 Lưới đa giác

Là hệ thống các điểm được liên kết với nhau tạo thành đường gấp khúc dưới dạng tuyến đường chuyền đơn hoặc lưới có các điểm nút Do chỉ cần

liên kết trị đo giữa 2 điểm kề nhau nên có thể bố trí chọn điểm lưới một cách linh hoạt, phù hợp với những khu vực có độ che phủ lớn, địa hình phức tạp, công trình có dạng tuyến (công trình giao thông, đường hầm…) Tuy nhiên,

đồ hình lưới thường không vững do có số lượng ít các trị đo thừa Vì vậy, để

có thể đảm bảo yêu cầu cao về sai số vị trí điểm lưới, thường phải đo góc và

đo dài với độ chính xác rất cao

1.3.2 Phương pháp đo bằng công nghệ GPS

Từ những năm 90 của thế kỉ trước, công nghệ GPS bắt đầu có mặt tại nước ta Với những ưu điểm nổi bật, công nghệ GPS đã được nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi để thành lập các mạng lưới khống chế toạ độ Hiện tại và trong tương lai, GPS sẽ là công cụ chủ yếu để thành lập lưới khống chế cơ sở trong thi công các công trình xây dựng

1.3.2.1 Thiết kế lưới GPS

a Thiết kế gốc của lưới GPS:

Kết quả nhận được khi đo GPS là vector đường đáy (số gia toạ độ không gian 3 chiều trong hệ toạ độ WGS-84) Còn thực tế cần thiết là toạ độ trong hệ toạ độ Nhà nước hoặc trong hệ toạ độ độc lập, địa phương Do đó khi thiết kế lưới GPS cần phải xác định rõ kết quả đo GPS đã dùng hệ toạ độ và

số liệu gốc nào, tức phải thiết kế gốc của lưới GPS

Gốc của lưới GPS bao gồm vị trí gốc, phương vị gốc và kích thước (chiều dài) gốc Phương vị gốc thường lấy là phương vị khởi tính đã cho hoặc cũng có thể là phương vị của vector đường đáy GPS Kích thước gốc thường được lấy là cạnh đo bằng máy đo dài ở mặt đất hoặc khoảng cách giữa các điểm khởi tính hoặc có thể lấy luôn chiều dài vector đường đáy GPS Vị trí gốc của lưới GPS thường được xác định từ toạ độ của điểm khởi tính đã cho

Do đó, thiết kế gốc của lưới GPS chủ yếu là xác định vị trí gốc của lưới GPS

Khi thiết kế gốc của lưới GPS cần phải xem xét các vấn đề sau đây [5]:

- Để xác định toạ độ điểm GPS trong hệ toạ độ mặt đất thì cần chọn số liệu khởi tính trong hệ toạ độ mặt đất và đo nối với một số điểm khống chế mặt đất đã có để chuyển đổi toạ độ Khi chọn điểm đo nối cần sử dụng tư liệu cũ nhưng không để lưới GPS mới thành lập có độ chính xác cao phải chịu ảnh hưởng của tư liệu cũ có độ chính xác thấp Do đó lưới GPS ở thành phố lớn cần được đo nối với ít nhất 3 điểm của lưới Nhà nước; lưới GPS ở thành phố nhỏ hoặc khu vực xây dựng công trình có thể đo nối với 2 - 3 điểm

- Để đảm bảo đồng đều về độ chính xác của toạ độ lưới GPS sau bình sai ràng buộc và giảm ảnh hưởng sai số tỷ lệ kích thước, các điểm cấp cao trùng hợp trong lưới GPS cũng cần phải tạo thành từ hình có cạnh dài

- Sau tính toán bình sai lưới GPS, nhận được độ cao trắc địa của các điểm GPS Để có độ cao thường của các điểm GPS, có thể đo nối điểm độ cao Các điểm độ cao đo nối cần được phân bố đều trong lưới Đối với khu vực đồi núi, điểm độ cao đo nối cần được phân bố phù hợp độ cao mặt cong địa hình Để

đo nối phải dùng thuỷ chuẩn có độ chính xác không thấp hơn hạng IV

- Hệ toạ độ của lưới GPS mới thành lập cần cố gắng thống nhất với hệ toạ độ

đã được sử dụng trước đó của khu đo Nếu đã sử dụng hệ toạ độ độc lập địa phương hoặc của công trình thì cần tìm hiểu các tham số sau đây:

+ Elipsoid tham khảo đã sử dụng;

+ Độ kinh của kinh tuyến trục của hệ toạ độ;

nhìn thông hướng giữa các điểm, nhưng xét đến việc tăng dày lưới thì nên thiết kế để mỗi điểm của lưới phải nhìn thông đến ít nhất một điểm khác Căn

cứ vào mục đích sử dụng, có thể có một số phương thức cơ bản để thành lập lưới như: liên kết điểm, liên kết cạnh, liên kết cạnh-điểm, liên kết lưới

Khi đo lưới khống chế thi công nên sử dụng ít nhất 3 máy thu GPS loại

1 tần số có tham số độ chính xác a  5mm, b 2ppm và có định tâm quang học Định tâm quang học của máy thu GPS cần được kiểm nghiệm trước khi

sử dụng, bảo đảm sai số định tâm  1mm

Bảng 1.2- Yêu cầu kĩ thuật cơ bản khi đo GPS các cấp

Hạng mục

Cấp hạng

Phương pháp đo

Hạng

II

Hạng III

trắc: Độ dài thời

gian thu tín hiệu

ngắn nhất (phút)

Đo tĩnh tĩnh nhanh

1.3.3 Phương pháp kết hợp GPS và Mặt đất

Như đã biết, phương pháp đo mặt đất và phương pháp đo GPS có những ưu nhược điểm nhất định trong việc thành lập các mạng lưới khống chế Nếu như trong phương pháp đo mặt đất truyền thống, giữa các điểm khống chế gần nhau cần có độ thông hướng mặt đất thì trong phương pháp đo GPS, giữa các điểm khống chế không cần nhìn thấy nhau, mà chỉ cần sự thông hướng bầu trời tại các điểm Trong thực tế thành lập lưới thi công công trình, không phải lúc nào cũng có đủ điều kiện để sử dụng duy nhất một loại phương pháp lập lưới Khi đó, kết hợp đo mặt đất và GPS là giải pháp thích hợp, cho phép tận dụng các ưu điểm và khắc phục những nhược điểm của mỗi phương pháp

Chương 2

TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ GPS

2.1 HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ TOÀN CẦU GPS VÀ HOẠT ĐỘNG CỦA NÓ

Hệ thống định vị toàn cầu GPS (Global Positioning System) bao gồm 3

bộ phận cấu thành: Đoạn không gian, đoạn điều khiển và đoạn sử dụng

2.1.1 Đoạn không gian (Space Segment)

Đoạn không gian bao gồm các vệ tinh chuyển động trên 6 mặt phẳng quỹ đạo gần tròn với chu kỳ là 718 phút, ở độ cao cách mặt đất khoảng 20200km Các mặt phẳng quỹ đạo nghiêng với mặt phẳng xích đạo của Trái đất một góc 550 Theo thiết kế, hệ thống gồm có 24 vệ tinh, nhưng hiện nay

có tới 32 vệ tinh phân bố trên 6 mặt phẳng quỹ đạo

Với sự phân bố vệ tinh trên quỹ đạo như vậy, trong bất kỳ thời gian nào

và ở bất kỳ vị trí quan trắc nào trên Trái đất cũng có thể quan trắc được ít nhất

4 vệ tinh GPS

Hình 2.1 – Sự phân bố các vệ tinh trên quỹ đạo và vệ tinh GPS

Các vệ tinh GPS có trọng lượng khoảng 1.600kg khi phóng và 800kg khi bay trên quỹ đạo Tuổi thọ theo thiết kế là 7,5 năm Trên vệ tinh có các tấm pin mặt trời gắn ở cánh để cung cấp năng lượng cho vệ tinh hoạt động Mỗi vệ tinh được trang bị 4 đồng hồ nguyên tử có thể đo thời gian với độ

chính xác 10–12 giây

Tất cả các vệ tinh GPS đều có thiết bị dao động với tần số chuẩn cơ sở

là f0 = 10,23MHz Tần số này là tần số chuẩn của đồng hồ nguyên tử, với độ chính xác cỡ 10–12 Từ tần số cơ sở f0 thiết bị sẽ tạo ra các tần số sóng tải L1

có tần số f1=154.f0=1575,42 MHz tương ứng bước sóng λ1 = 19,032cm Sóng tải L2 có tần số f2=120f0=227,60 MHz tương ứng với bước sóng λ2 = 24,42cm Từ năm 2008, các vệ tinh khối II–F có thêm sóng tải L5, có tần sốf-

5=115.f0=1176,45 MHz tương ứng với bước sóng λ5 = 25,5cm

Bảng 2.1- Các thành phần của tín hiệu vệ tinh

Các máy thu GPS tiếp nhận tín hiệu theo kỹ thuật đa truy cập phân chia code CDMA Để phục vụ cho các mục đích khác nhau các vệ tinh GPS sử dụng C/A code, P–code, Y–code và M–code phục vụ cho các mục đích khác nhau

– C/A–code(Coarse / Acquisition code) là code thô, cho phép dùng rộng rãi C/A code chỉ điều biến sóng tải L1, song nếu có sự can thiệp của trạm điều khiển trên mặt đất có thể chuyển cả sang L2 Chu kỳ của C/A code

là 1m/s, trong đó chứa 1023 bite (1023 chip), mỗi một vệ tinh phát đi C/A code khác nhau Từ năm 2005, C/A–code đó được điều biến sóng tải L2 và gọi là tín hiệu L2C

– P-code (Precision code) là code chính xác, điều biến cả sóng tải L1 và L2, mỗi vệ tinh sử dụng một đoạn code này, do đó P–code rất khó bị giải mã

để sử dụng nếu không được phép và được dùng cho mục đích quân sự (của Mỹ) và chỉ được dùng cho mục đích khác khi phía Mỹ cho phép

– Y–codelà code được hình thành dựa trên P–code được phủ bởi W–codelà code bí mật để thực hiện kỹ thuật chống bắt chước hay chống đánh lừa

AS (Anti–Spoofing), vì thế cũng được gọi là P(Y)–code Chỉ có các vệ tinh thuộc khối II (sau năm 1989) mới có khả năng này

– M–code(Military code) là code phục vụ quân sự, điều biến sóng tải L1 và L2, có khả năng chống gây nhiễu tốt hơn Y–code Từ năm 2005, các vệ tinh thuộc khối IIR–M có khả năng phát tín hiệu M–code.Theo kế hoạch M–code sẽ được khai thác sử dụng đầy đủ vào năm 2015

2.1.2 Đoạn điều khiển (Control Segment)

Đoạn điều khiển là một hệ thống điều khiển hoạt động (Operational Control System) bao gồm 1 trạm điều khiển trung tâm (Master Control Station) đặt tại căn cứ không quân của Mỹ gần Colorado Spring, một số trạm theo dõi (Monitoring Stations) và một số trạm điều khiển mặt đất (Ground Control Stations)

Hình 2.2– Vị trí các trạm trong đoạn điều khiển của hệ thống GPS

Trạm điều khiển trung tâm MCS có nhiệm vụ thu nhận tất cả các 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 học Kalman Kết quả xử lý tại trạm trung tâm được chuyển tới các trạm điều khiển mặt đất GCS để chuyển lên vệ tinh

Các trạm theo dõi MS được phân bố quanh Trái đất, đó là các trạm Colorado Springs, Hawaii, Assension Islands, Diego Garcia và Kwajalein Mỗi một 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 Các số liệu quan sát được ở trạm theo dõi được chuyền ngay về trạm điều khiển trung tâm MCS

Các trạm điều khiển mặt đất GCS, được bố trí tại Assension Islands, Diego Garcia và Kwajalein có nhiệm vụ kết nối thông tin tới các vệ tinh bằng các anten mặt đất, sử dụng dải sóng S, có tần số trong khoảng 2.4GHz Các trạm điều khiển mặt đất GCS có nhiệm vụ chuyển lịch vệ tinh và thông tin đồng hồ vệ tinh đó được xử lý tại trạm điều khiển trung tâm lên các vệ tinh GPS, để từ đó phát tới các máy thu của đoạn sử dụng

2.1.3 Đoạn sử dụng (Use Segment)

Đoạn sử dụng bao gồm các máy thu GPS đang hoạt động với các mục đích khác nhau và các phần mềm xử lý Máy thu hoạt động để thu tín hiệu vệ tinh GPS phục vụ cho các mục đích khác nhau như dẫn đường trên biển, trên không, trên đất liền, và phục vụ cho công tác đo đạc ở nhiều nơi trên thế giới Các máy thu GPS chia ra làm 2 loại: Máy thu một tần số và máy thu đa tần số

Theo độ chính xác, có thể chia làm ba loại:

–Độ chính xác cao: là loại máy thu hai tần số đắt tiền nhất hiện nay

đượcdùng trong trắc địa Thiết bị phần cứng phức tạp nên việc sử dụng khó khăn Ví dụ: Trimble 4800, Topcon Legacy, Topcon Hiper Series, Topcon GB–500, Topcon GB–1000, Leica system 500, v.v…

–Độ chính xác trung bình: là loại máy thu một tần số, có cấu tạo đơn

giản, dễ mang vác và dễ sử dụng cho thu thập dữ liệu phục vụ bản đồ và GIS

Ví dụ: Trimble Geo–explorer XT, Ashtech Reliance

–Độ chính xác thấp: là loại máy thu một tần số nhưng có cấu tạo gọn

nhẹnhất (thường là máy thu cầm tay) và rẻ tiền nhất, thường được dùng cho các mục đích như định vị hàng hải, du lịch…Ví dụ: Lowrance 200, Garmin III+, Magenlan

Hình 2.3– Một số kiểu máy thu GPS

Đoạn không gian và đoạn điều khiển có quan hệ hai chiều với nhau.Đoạn sử dụng và đoạn không gian quan hệ với nhau một chiều.Đoạn điều khiển và đoạn sử dụng không có quan hệ gì với nhau

2.2 CÁC TRỊ ĐO GPS

Trị đo GPS là những số liệu mà máy thu GPS nhận được từ tín hiệu của

vệ tinh chuyền tới Mỗi vệ tinh GPS phát 4 thông số cơ bản sử dụng cho việc

đo đạc và chia thành 2 nhóm:

+ Nhóm trị đo code: C/A–code, P–code

từ vệ tinh đến máy thu và từ đó khoảng cách từ máy thu đến vệ tinh

Hiện nay, độ chính xác định vị với trị đo code có thể đạt tới 30m Với

độ chính xác đó, trị đo code được sử dụng trong định vị đạo hàng và trong đo đạc độ chính xác thấp

2.2.2 Trị đo pha sóng tải

Sóng tải được phát đi từ vệ tinh có chiều dài bước sóng không đổi Trị đo pha chính là phần lẻ bước sóng thể hiện qua độ di pha giữa sóng tải thu được từ vệ tinh và sóng tải do máy thu tạo ra Phần lẻ này có thể đo được với độ chính xác cỡ 1% bước sóng, tức là vài mm

Định vị với trị đo pha sóng tải có độ chính xác cao hơn định vị với trị

đo code Vấn đề chính trong trường hợp này là xác định số nguyên lần bước sóng (số nguyên đa trị N) giữa ăng ten máy thu và vệ tinh

2.3 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐỊNH VỊ GPS

Nguyên lý của định vị GPS là sử dụng các vệ tinh GPS như các điểm chuẩn di động có tọa độ đã biết để xác định vị trí của các điểm trên mặt đất, mặt biển hoặc trên không bằng phương pháp giao hội cạnh không gian Về nguyên tắc, chỉ cần biết 3 cạnh không gian từ máy thu tới 3 vệ tinh là đủ

Trong công nghệ GPS đặt ra yêu cầu phải thu tín hiệu từ 4 vệ tinh, điều này liên quan đến việc tính số hiệu chỉnh đồng hồ

Tùy theo trạng thái của máy thu tín hiệu trong quá trình định vị, người

ta chia ra trạng thái đo tĩnh và trạng thái đo động

Đo tĩnh là đo trong trường hợp máy thu ở trạng thái tĩnh trong khoảng

thời gian tương đối dài, thường từ 1 – 3 giờ, có khi còn dài hơn Nếu máy ở trạng thái tĩnh trong khoảng thời gian ngắn hơn thì gọi là đo tĩnh nhanh Ví dụ: với máy TRIMBLE 4600LS, thời gian thu tín hiệu khi đo tĩnh nhanh được hướng dẫn là 30 phút, 20 phút tương ứng với số vệ tinh đo được là 4, 5 hoặc 6 trở lên

Đo động là đo trong trường hợp máy thu ở trạng thái chuyển động

Trong trường hợp này máy thu được đặt trên vật thể đang chuyển động như tàu thuyền, ôtô, máy bay hoặc máy thu được người đo mang và di chuyển Vì

vậy, trạng thái động còn được chia thành chuyển động liên tục (Continuous motion) và dừng và đi (Stop and Go)

Có hai phương pháp cơ bản trong định vị GPS là định vị tuyệt đối và định vị tương đối

Có 3 trường hợp định vị GPS tuyệt đối là: Định vị tuyệt đối theo khoảng cách giả, định vị tuyệt đối bằng pha sóng tải, định vị tuyệt đối bằng tần số Doppler, ở đây chúng ta xét trường hợp phổ biến nhất là định vị theo khoảng cách giả

Khi thu tín hiệu vệ tinh thì máy thu đó thu được khoảng cách giả từ vệ tinh j đến máy thu i tại thời điểm t như sau:

𝑅𝑖𝑗(t) = 𝜌𝑖𝑗(t) + c 𝛿𝑖(𝑡)– c.𝛿𝑗(t) (2.1) Trong đó:

𝑅𝑖𝑗(t) – khoảng cách giả đo được giữa vị trí quan trắc i và vệ tinh j;

𝜌𝑖𝑗(t)– khoảng cách hình học giữa vệ tinh và điểm quan sát;

c là vận tốc truyền sóng (ánh sáng) = 299792458 m/s;

𝛿𝑖(𝑡), 𝛿𝑗(t) – sai số đồng hồ vệ tinh và đồng hồ máy thu

Nhiệm vụ của bài toán là xác định ra tọa độ của điểm đặt máy thu

Khoảng cách hình học 𝜌𝑖𝑗(t) từ vệ tinh đến anten máy thu tại điểm t như sau:

𝜌𝑖𝑗(t) = √(𝑋𝑗(𝑡) − 𝑋𝑖)2+ (𝑌𝑗(𝑡) − 𝑌𝑖)2+ (𝑍𝑗(𝑡) − 𝑍𝑖)2 (2.2) Trong đó:

𝑋𝑗(𝑡), 𝑌𝑗(𝑡), 𝑍𝑗(𝑡)là các thành phần của vectơ vị trí địa tâm của vệ tinh

j tại thời điểm t;

Xi, Yi, Zi là tọa độ cần xác định của điểm quan sát trong hệ tọa độ Trái đất

Như vậy phương trình trị đo khoảng cách giả theo code:

𝑅̅𝑖𝑗(t) = √(𝑋𝑗(𝑡) − 𝑋𝑖)2+ (𝑌𝑗(𝑡) − 𝑌𝑖)2+ (𝑍𝑗(𝑡) − 𝑍𝑖)2 + c 𝛿𝑖(𝑡) (2.3) Trong đó:

𝑅̅𝑖𝑗(t) = 𝑅𝑖𝑗(t)+c 𝛿𝑖(𝑡) là khoảng cách giả đó hiệu chỉnh sai số đồng hồ vệ tinh

Công thức (2.3) có 4 ẩn số đó là Xi, Yi, Zivà 𝛿𝑖(𝑡) Nếu quan sát đồng thời 4

vệ tinh sẽ giải được 4 ẩn số nói trên, còn nếu quan sát nhiều hơn 4 vệ tinh, khi

đó 4 ẩn số trên sẽ được giải theo nguyên lý số bình phương nhỏ nhất Lúc đó, các phương trình (2.3) được viết dưới dạng hệ phương trình hiệu chỉnh:

Độ chính xác tương ứng được biểu thị:

không gian 3 chiều tương ứng:

2.3.2 Định vị tương đối

Định vị tương đối là trường hợp dùng hai máy thu GPS đặt ở hai điểm khác nhau (hai điểm mút của một đường đáy) quan trắc đồng bộ cùng các vệ tinh để xác định vị trí tương đối (∆𝑋, ∆𝑌, ∆𝑍 hoặc ∆𝐵, ∆𝐿, ∆𝐻) giữa 2 điểm mút của đường đáy hoặc vector đường đáy trong hệ tọa độ WGS–84 Nếu ta biết tọa độ của một điểm thì có thể dùng vector đường đáy để tính tọa độ của điểm kia

Tương tự, nhiều máy thu được đặt ở các điểm mút của một số đường đáy, quan trắc đồng bộ cùng các vệ tinh GPS thì có thể xác định được một số vector đường đáy đó Nếu đã biết tọa độ của một điểm thì có thể dùng vector đường đáy để tính tọa độ của điểm kia Trong định vị tương đối, trị đo thường được sử dụng là pha sóng tải

Hình 2.5 – Phương pháp định vị tương đối

Trường hợp 1: Giả thiết tại trạm đo A và B đo trị đo pha sóng tải từ vệ tinh j đến máy thu A và B tại thời điểm t ta sẽ có trị đo pha sóng tải từ vệ tinh j lần lượt là 𝜙𝐴𝑗, 𝜙𝐵𝑗 thì sai phân bậc nhất:

∆𝜙𝐴𝐵𝑗 (𝑡) = 𝜙𝐴𝑗(𝑡)–𝜙𝐵𝑗(t) (2.18) Trường hợp 2 : Máy thu đặt tại A và B đồng thời quan sát hai vệ tinh j, k và loại trừ sai số đồng hồ vệ tinh thì ta có sai phân bậc hai:

∇𝜙𝐴𝐵𝑗,𝑘(𝑡) = ∆𝜙𝐴𝐵𝑘 (𝑡) − ∆𝜙𝐴𝐵𝑗 (𝑡) (2.19) Trường hợp 3: Loại bỏ các số nguyên đa trị độc lập thời gian và sử dụng hiệu

số của sai phân bậc hai, ta có sai phân bậc 3:

∆∇𝜙𝐴𝐵𝑗,𝑘(t12) = ∇𝜙𝐴𝐵𝑗,𝑘(t2) –∇𝜙𝐴𝐵𝑗,𝑘(t1) (2.20) 2.4 CÁC LOẠI SAI SỐ TRONG KẾT QUẢ ĐO GPS

2.4.1 Sai số liên quan đến vệ tinh

2.4.1.1 Sai số đồng hồ vệ tinh

Sai số đồng hồ gồm sai số đồng hồ vệ tinh, đồng hồ máy thu và sự không đồng bộ giữa chúng Đồng hồ vệ tinh là đồng hồ nguyên tử, độ chính xác cao nhưng không phải hoàn toàn không có sai số Trong đó sai số hệ thống lớn

hơn sai số ngẫu nhiên rất nhiều, nhưng có thể dựng mô hình để cải chính sai

số hệ thống, do đó sai số ngẫu nhiên trở thành chỉ tiêu quan trọng để đánh giá

độ chính xác của đồng hồ Khi hai trạm đo tiến hành quan trắc đồng bộ đối với vệ tinh thì ảnh hưởng sai số đồng hồ vệ tinh đối với trị đo của 2 trạm là

như nhau

Đồng hồ máy thu là đồng hồ thạch anh Cùng một máy thu, khi quan trắc đồng thời nhiều vệ tinh thì sai số đồng hồ máy thu có ảnh hưởng như nhau đối với các trị đo tương ứng và các sai số đồng hồ của các máy thu có thể được coi là độc lập với nhau

Trong định vị GPS tương đối, sử dụng các sai phân bậc 1, 2, 3, có thể loại bỏ hoặc giảm thiểu ảnh hưởng sai số đồng hồ vệ tinh trong kết quả đo

2.4.1.2 Sai số quỹ đạo vệ tinh

Do sự thay đổi của trọng trường Trái đất, sức hút Mặt trăng, Mặt trời và các thiên thể khác…tác động lên vệ tinh, nên chuyển động của vệ tinh trên quỹ đạo không hoàn toàn tuân theo định luật Kepler Đó là nguyên nhân gây nên sai số quỹ đạo vệ tinh hay còn gọi là sai số vị trí của vệ tinh Các trạm điều khiển quan trắc liên tục để xác định quỹ đạo chuyển động của vệ tinh và đưa ra lịch dự báo, gọi là lịch vệ tinh quảng bá, cung cấp cho người sử dụng bằng cách thu trực tiếp nhờ máy thu GPS Lịch vệ tinh quảng bá cho phép xác định vị trí tức thời của vệ tinh với độ chính xác cỡ 20÷100m

Ngoài lịch vệ tinh quảng bá chúng ta còn có lịch vệ tinh chính xác.Lịch

vệ tinh chính xác được thành lập từ kết quả hậu xử lý số liệu quan trắc ở các thời điểm trong khoảng thời gian quan trắc, độ chính xác tọa độ vệ tinh có thể đạt được cỡ 10÷50m

Sai số vị trí của vệ tinh chịu ảnh hưởng gần như trọn vẹn đến độ chính xác tọa độ điểm định vị tuyệt đối (định vị điểm đơn), nhưng lại được loại trừ

về cơ bản trong kết quả định vị tương đối

2.4.2 Sai số liên quan đến truyền tín hiệu

2.4.2.1 Sai số do tầng điện ly

Tầng điện ly được tính từ mặt đất tới độ cao từ 50km đến 1000km Tín hiệu truyền vệ tinh qua tầng điện ly đến máy thu, bị khúc xạ và thay đổi tốc

độ lan truyền Tầng điện ly, giá trị sai số tăng tỷ lệ thuận với mật độ điện tử tự

do và tỷ lệ nghịch với bình phương của tần số tín hiệu Đề giảm thiểu sai số

do tầng điện ly thường dựng máy thu 2 tần số, dựng mô hình hiệu chỉnh hoặc dựng hiệu các trị đo đồng bộ

2.4.2.2 Sai số do tầng đối lưu

Tầng đối lưu được tính từ mặt đất tới độ cao từ 50km Tín hiệu truyền

vệ tinh qua tầng đối lưu đến máy thu, bị khúc xạ và thay đổi tốc độ lan truyền Tầng đối lưu, sự khúc xạ của đường truyền tín hiệu càng phức tạp hơn, phụ thuộc vào sự biến đổi của khí hậu mặt đất, áp lực không khí, nhiệt độ và độ ẩm.Ảnh hưởng của khúc xạ trong tầng đối lưu phụ thuộc vào góc cao của đường truyền tín hiệu Để giảm thiểu sai số do tầng đối lưu có thể dựng mô hình hiệu chỉnh đưa thêm tham số phụ ước tính ảnh hưởng của tầng đối lưu

vào quá trình xử lý số liệu để tính hoặc dựng hiệu các trị đo đồng bộ

2.4.2.3 Sai số do nhiễu tín hiệu

Tín hiệu từ vệ tinh đến máy thu GPS có thể bị nhiễm do một số nguyên nhân như: Tín hiệu phản xạ từ các vật khác (kim loại, bê tông, mặt nước…)… Các tín hiệu bị nhiễu núi trên chập với tín hiệu truyền trực tiếp từ vệ tinh đến

máy thu gây ra sai số đối với trị đo

Để khắc phục sai số do nhiễu tín hiệu, cần phải đặt máy thu cách xa các vật dễ phản xạ tín hiệu hoặc các đối tượng gây nhiễu tín hiệu; không thu tín hiệu khi trời đầy mây, đang mưa, không đặt máy thu ở dưới các rặng cây

2.4.3 Sai số liên quan đến máy thu

2.4.3.1 Sai số đồng hồ máy thu

Đồng hồ sử dụng trong máy thu là đồng hồ thạch anh có độ chính xác thấp (10–4) nên gây ra sai số đồng hồ máy thu

Độ lớn của sai số này phụ thuộc vào chất lượng đồng hồ và môi trường

sử dụng Sai số ảnh hưởng như nhau đến kết quả đo khoảng cách giả và pha sóng tải Các máy thu khác nhau thì sai số này khác nhau, một máy thu quan sát nhiều vệ tinh thì sai số đồng hồ máy thu ảnh hưởng tới các kết quả quan sát được là như nhau

2.4.3.2 Sai số do định tâm, cân bằng và đo cao anten

Khi đo đạc ta phải định tâm, cân bằng và đo cao anten, nếu việc làm này sai cũng ảnh hưởng khỏ nhiều đến kết quả đo Sai số định tâm ảnh hưởng chủ

yếu đến tọa độ mặt bằng, sai số đo cao anten ảnh hưởng chủ yếu đến độ cao

2.5 MỘT SỐ HỆ TỌA ĐỘ DÙNG TRONG TRẮC ĐỊA VỆ TINH

2.5.1 Hệ tọa độ vuông góc không gian WGS–84

Hệ tọa độ vuông góc không gianWGS–84 được sử dụng làm hệ quy chiếu của hệ thống định vị GPS Vị trí điểm trong định vị tuyệt đối cũng như trong các vector cạnh đều được xác định trong hệ tọa độ này

Hình 2.6– Hệ tọa độ vuông góc không gian WGS–84

X