Lựa chọn máy thu GPS ứng dụng đo đạc khảo sát công trình giao thông

Từ năm 1990 đến 1992 quá trình nghiên cứu và thử nghiệm để ứng dụng công nghệ GPS vào đo đạc bản đồ ở nước ta đã rút ra kết luận quan trọng về những đặc điểm chủ yếu của công nghệ định v

Từ năm 1990 đến 1992 quá trình nghiên cứu và thử nghiệm để ứng dụng công nghệ GPS vào đo đạc bản đồ ở nước ta đã rút ra kết luận quan trọng về những đặc điểm chủ yếu của công nghệ định vị GPS là: Tự động hóa cao quá trình đo đạc ngoại nghiệp và xử lý tính toán kết quả đo; độ chính xác cao hơn từ hai đến ba lần so với công nghệ truyền thống; mở rộng khả năng kỹ thuật: đo đạc trên vài nghìn km, xây dựng lưới tọa độ trên biển; định vị những đối tượng chuyển động, đo đạc thành lập bản đồ, dẫn đường trong giao thông vận tải Nhờ việc ứng dụng công nghệ GPS

mà quá trình đo đạc hầu như không chịu ảnh hưởng của thời tiết, khí hậu; tiết kiệm thời gian đo nhiều lần so với công nghệ truyền thống, không phải dựng cột tiêu, phát cây thông hướng; kinh phí xây dựng lưới giảm từ hai đến ba lần so với công nghệ truyền thống; tạo điều kiện đáp ứng nhanh, đầy đủ, chính xác thông tin, phục vụ kịp thời yêu cầu quản lý Nhà nước và phát triển kinh tế - xã hội, quốc phòng, anh ninh

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 rất nhiều 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 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 tim tuyến, đo vẽ mặt cắt, tính khối lượng; xây dựng các mạng lưới toạ độ, độ cao đường chuyền cấp 1, 2; dẫn đường và xác định toạ

độ đo vẽ bản đồ địa hình đáy biển; đo toạ độ độ cao các mốc quốc giới; xây dựng, định vị các mạng lưới công trình v.v

2.1 Giới thiệu hệ thống định vị toàn cầu GPS

Nguyên lý định vị GPS

Định vị tuyệt đối

•Đo GPS tuyệt đối được thực hiện trên

cơ sở sử dụng đại lượng đo là khoảng

cách giả từ vệ tinh đến máy thu theo

nguyên tắc giao hội không gian từ các

vệ tinh đã biết toạ độ Từ đó xác định

ngay ra toạ độ của điểm quan sát trong

hệ toạ độ WGS 84 quốc tế, có thể là các

thành phần toạ độ vuông góc không

gian (X, Y, Z) hoặc các thành phần toạ

độ trắc địa (B, L, H)

Định vị tương đối

• Đo GPS tương đối được thực hiện trên

cơ sở sử dụng đại lượng đo là pha sóng tải Trong phương pháp này sử dụng ít nhất là hai máy thu GPS đặt ở hai điểm quan sát khác nhau để xác định

ra hiệu tọa độ vuông góc không gian (X, Y, Z) hay hiệu tọa độ trắc địa (B, L, H) giữa chúng trong hệ WGS 84 quốc tế

Các phương pháp đo GPS

Đo GPS tuyệt đối

Là kỹ thuật xác định toạ độ của điểm đặt

máy thu tín hiệu vệ tinh trong hệ toạ độ

toàn cầu WGS – 84 Kỹ thuật định vị này

là việc tính toạ độ của điểm đo nhờ việc

giải bài toán giao hội nghịch không gian

trên cơ sở khoảng cách đo được từ các vệ

tinh đến máy thu và toạ độ của các vệ tinh

tại thời điểm đo Do nhiều nguồn sai số

nên độ chính xác vị trí điểm thấp, không

dùng được cho việc xác định chính xác,

dùng chủ yếu cho việc dẫn đường, và các

mục đích đo đạc có yêu cầu độ chính xác

không cao Đối với phương pháp này sử

dụng một máy thu tín hiệu vệ tinh

Đo GPS tương đối

Thực chất của phương pháp đo là xác định hiệu toạ độ không gian của hai điểm đo đồng thời đặt trên hai đầu của khoảng cách cần đo (Baseline) Độ chính xác của phương pháp này rất cao do loại trừ được nhiều nguồn sai số nên được sử dụng trong đo đạc xây dựng lưới khống chế trắc địa và công tác đo đạc bản đồ các loại tỷ lệ Do bản chất của phương pháp nên cần tối thiểu 2 máy thu vệ tinh trong một thời điểm đo Phụ thuộc vào quan hệ của các trạm đo trong thời gian đo mà người ta chia thành các loại

đo tương đối sau:

Đo GPS tương đối

- Đo GPS tĩnh (Static)

Đây là phương pháp chính xác nhất vì nó sử dụng cả hai trị đo code và phase sóng tải Hai hoặc nhiều máy thu đặt cố định thu tín hiệu GPS tại các điểm cần

đo toạ độ trong khoảng thời gian thông thường từ 1 giờ trở lên

Thời gian đó kéo dài để đạt được sự thay đổi đồ hình vệ tinh, cung cấp trị

đo dư và giảm được nhiều sai số khác nhằm mục đích đạt độ chính xác cao nhất Đo GPS tĩnh tương đối đạt độ chính xác cỡ centimet dùng cho các ứng dụng có độ chính xác cao nhất, như thành lập lưới khống chế trắc địa, quan trắc biến dạng công trình

- Đo GPS tĩnh nhanh (Fast static)

Phương pháp này bản chất giống như đo GPS tĩnh nhưng thời gian đo ngắn hơn Gọi là đo nhanh – tăng tốc độ là do giải nhanh được số nguyên đa trị Phương pháp đòi hỏi dữ liệu trị đo pha sóng tải và trị đo code Phương pháp đo tĩnh nhanh với máy thu GPS 2 tần số chỉ có hiệu quả trên cạnh ngắn Thời gian đo tĩnh nhanh thay đổi từ 8’ 30’ phụ thuộc vào số vệ tinh và đồ hình vệ tinh Số nhiều hơn đảm bảo trị

đo dư với đồ hình vệ tinh phân bố đều sẽ hỗ trợ việc tìm nhanh số nguyên đa trị và giảm thời gian định vị

Hiện nay các hãng sản xuất đã có loại máy thu đo tĩnh nhanh với tần số L1 – C/A Code Hãng Trimble đã phát triển kỹ thuật đo tĩnh nhanh với máy thu 4600 LS (tần số L1) 4800 (tần số L1, L2) và đặc biệt với máy thu GPSR7 GNSS thu được cả 3 tần số L1, L2, L2C

Đo GPS tương đối

Đo GPS động tức thời (Kinematic).

Phương pháp được tiến hành với một

máy đặt tại trạm cố định (Base

station) và một hoặc nhiều các máy

khác (Rover stations) di động đến

các điểm cần đo toạ độ thu tín hiệu

vệ tinh đồng thời Đo GPS động tức

thời là giải pháp nhằm giảm tối thiểu

thời gian đo so với phương pháp

GPS tĩnh nhưng vẫn đạt độ chính xác

cỡ cm.

Tuỳ thuộc vào thời điểm xử lý số liệu

đo – xử lý ngay tại thực địa hay trong

phòng sau khi đo, người ta chia thành

2 dạng đo GPS động:

- Đo GPS động thời gian thực (GPS

RTK – Real Time Kinematic GPS).

- Đo GPS động xử lý sau (GPS PPK

– Post Processing Kinematic GPS).

Phương pháp đo GPS giả động.

Phương pháp đo giả động cũng cho phép xác định

vị trí tương đối của hàng loạt điểm so với điểm đã biết trong khoảng thời gian đo khá nhanh nhưng

độ chính xác định vị không cao bằng phương pháp đo động Trong phương pháp này không cần làm thủ tục khởi đo tức là không cần sử dụng cạnh đáy đã biết Máy cố định cũng phải tiến hành thu tín hiệu vệ tinh liên tục trong suốt chu kỳ đo, tại mỗi điểm thu tín hiệu trong 5 – 10 phút.

Sau khi đo hết lượt máy di động quay trở về điểm xuất phát (điểm đo đầu tiên) và đo lặp lại tất cả các điểm theo đúng trình tự trước đó, nhưng phải đảm bảo sao cho khoảng thời gian dãn cách giữa hai lần đo tại mỗi điểm là từ một giờ đồng hồ trở lên Điều đáng chú ý là máy di động không nhất thiết phải thu tín hiệu từ vệ tinh liên tục trong suốt chu kỳ đo mà chỉ cần thu trong vòng 5 – 10 phút tại mỗi điểm đo, nghĩa là có thể tắt máy trong lúc vận chuyển từ điểm nọ sang điểm kia Điều này cho phép áp dụng phương pháp cả ở khu vực có nhiều vật che khuất

Cấu hình hình học GPS và Độ chính xác

Ảnh hưởng của cấu hình hình học vệ tinh được thể hiện bằng các suy giảm chính xác DOP (Dilution of Precision) và được tính bằng tỉ số giữa độ chính xác định vị và độ chính xác đo, hoặc:  = DOP o

Trong đó o là độ chính xác của trị số đo (độ tán xạ tiêu chuẩn)

 là độ chính xác định vị (độ tán xạ tiêu chuẩn trong một trị số tọa độ)

Các trị số DOP thường dùng nhất là:

VDOP o là độ chính xác tiêu chuẩn trong cao độ.

HDOP o là độ chính xác vị trí mặt phẳng 2D.

PDOP o là độ chính xác vị trí không gian 3D.

TDOP o là độ chính xác tiêu chuẩn trong thời gian.

THDOP o là độ chính xác mặt phẳng và thời gian.

GDOP o là độ chính xác vị trí không gian 3D và thời gian.

Các loại sai số trong đo GPS

 Sai số do vệ tinh

 Sai số do môi trường

 Sai số do máy thu

 Sai số do đồng hồ

 Sai số do quĩ đạo vệ tinh

 Sai số do tầng điện ly và tầng đối lưu

 Sai số do nhiễu tín hiệu

 Sai số do người đo

2.2 Giới thiệu máy thu GPS

 Hiện nay trên thị trường Việt Nam có rất nhiều loại máy thu GPS như: Trimble(Mỹ); Leica(Thụy Sĩ); Topcon(Nhật); South(Trung Quốc)… Các hãng máy này đều có các loại máy đo 1 tần, 2 tần… Nhưng thông dụng

và phổ biến, phần mềm dễ sử dụng, quen thuộc với người làm trắc địa tại Việt Nam là hãng Trimble(Mỹ) Đây là loại máy đã được ứng dụng đầu tiên tại Việt Nam để thành lập mạng lưới tọa độ cấp hạng cao nhà nước với độ chính xác rất cao.

 Các loại máy thu GPS của Trimble phục vụ công tác trắc địa hiện có bán trên thị trường Việt Nam như: Trimble R3 System; Trimble R4 System; Trimble R5 System; Trimble R6 System; Trimble R7 System; Trimble R8 System (có catalog và báo giá kèm theo)

2.3 Yêu cầu kỹ thuật khảo sát công trình giao thông

 Lưới đường chuyền cấp 2 (ĐC2) với các chỉ tiêu kỹ thuật ghi trong được

đo đạc bằng máy toàn đạc điện tử (Total Station) và gương phản chiếu có chân cố định

- độ chính xác đo góc :  5".

- độ chính xác đo dài :  ( 5mm+3ppm x D).

- chiều dài cạnh của lưới không nhỏ hơn 80 m và không lớn hơn 350 m Tốt nhất là từ 150m đến 250m.

- độ chính xác đo góc : m   10".

- độ chính xác đo cạnh : ms/s   1: 5000.

- sai số khép tương đối đường chuyền: :  S  1: 5000.

fx : sai số khép gia số toạ độ theo trục x.

fy : sai số khép gia số toạ độ theo trục y.

S : chiều dài giữa 2 điểm GPS hạng IV.

- sai số khép góc :  20" (n là số góc đo)

- sai số vị trí điểm:  50mm

2.3 Yêu cầu kỹ thuật khảo sát công trình giao thông

Theo quy trình TCN-263-2000 khảo sát đường ô tô thì công tác đo đạc cần thực hiện:

 Đối với đường làm mới có cấp kỹ thuật 60 - 80 và đồng thời thuộc cấp quản lý I - II - III; cũng như các cấp của đường cao tốc theo TCVN 5729-1997 Đối với đường hiện hữu

do Cấp quyết định đầu tư quyết định có hoặc không khảo sát theo toạ độ Đường các cấp này chủ yếu là các trục lộ quan trọng của quốc gia, công trình đường có liên quan đến quy hoạch xây dựng cũng như các công trình dân dụng hiện hữu của nhiều ngành khác như thuỷ điện, thuỷ lợi v.v do vậy bình đồ cao độ tuyến đường phải gắn vào hệ toạ độ X,Y,

và độ cao quốc gia.

 Để đạt được yêu cầu này cần xây dựng hệ thống lưới khống chế mặt bằng trên toàn tuyến gồm:

- Lưới khống chế mặt bằng hạng IV.

- Lưới đường chuyền cấp 2.

- Lưới độ cao hạng IV.

- Lưới độ cao cấp kỹ thuật.

 Lưới khống chế mặt bằng hạng IV được thực hiện bằng công nghệ GPS hoặc công nghệ

đo đạc thông thường với các chỉ tiêu độ chính xác trong hệ quy chiếu Gauss quy định trong Quy phạm tạm thời của Tổng cục Địa chính ban hành năm 1996

2.3 Yêu cầu kỹ thuật khảo sát công trình giao thông

nước.

Các mốc cao độ này hoặc xây dựng độc lập hoặc sử dụng chung với các mốc của lưới khống chế mặt bằng hạng IV ở Điều 7-32 Các mốc độ cao hạng IV được tiến hành đo theo phương pháp đo cao hình học

( L là chiều dài đường đo tính bằng km)

cao hình học

Sai số khép cao độ phải thoả mãn yêu cầu:

( L là chiều dài đường đo tính bằng km).

Trong trường hợp địa hình quá dốc (1km phải đặt >25 trạm máy ) thì:

(trong đó n là số trạm máy trong đường đo).

 Với những tính năng của các máy thu GPS Trimble như R3; R4; R5;

R6; R7; R8 đã được đề cập trong catalog cũng như các thực nghiệm ta nhận thấy hoàn toàn đáp ứng được các yêu cầu kỹ thuật của công tác khảo sát công trình giao thông Độ chính xác cao, giảm chi phí thực địa, rút ngắn thời gian thi công, đem lại hiệu quả kinh tế rất cao

 Trong số các máy thu GPS trên thì R3 rất phù hợp cho công tác khảo

sát công trình giao thông bởi vì R3 có được những tính năng ứng dụng như:

- Đo đạc thành lập lưới khống chế tọa tọa từ hạng III trở xuống

- Đo đạc xác định độ cao với độ chính xác tương đương thủy chuẩn kỹ thuật (có thể đạt thủy chuẩn hạng III, IV nếu sử dụng thuật toán phù hợp)

- Đo đạc chi tiết thành lập bản đồ địa hình tỉ lệ lớn, khu vực ít bị che khuất bởi các công trình xây dựng và tán cây

- Đo đạc xác định mặt cắt địa hình, tính toán khối lượng đào đắp…

 Khi kết hợp máy thu GPS R3 với máy toàn đạc điện tử là sự kết hợp

hoàn thiện để ứng dụng vào đo đạc khảo sát công trình giao thông.

 Chi phí để mua máy R3 rẻ hơn rất nhiều so với R4; R5; R6; R7; R8 Ví

dụ như máy thu GPS R3 rẻ hơn máy thu GPS R4: 8,35 lần và rẻ hơn máy thu GPS R5: 10,97 lần