Đo cao GPS và ứng dụng trên vùng mỏ Cẩm Phả- Quảng Ninh

Đo cao GPS và ứng dụng trên vùng mỏ Cẩm Phả- Quảng Ninh

Bộ giáo dục và đào tạo Trường đại học mỏ - địa chất

khoa trắc địa - bộ môn trắc địa cao cấp

Giáo viên hướng dẫn: Sinh viên thực hiện:

PGS TS Đặng Nam chinh Phùng Thế Tùng

Lớp: Trắc địa - K44 - SĐ

Hà Nội - 2005

Mở đầu

Công nghệ GPS đã được đưa vào ứng dụng trong công tác trắc địa ởnước ta từ những năm 1990 Trong gần 15 năm khai thác sử dụng công nghệGPS, cho thấy GPS là một công cụ hết sức tiện lợi trong công tác xây dựng cácmạng lưới khống chế mặt bằng, song về độ chính xác,xác định độ cao còn một

số hạn chế do những nguyên nhân khác nhau

Chúng ta biết rằng, độ cao hoặc hiệu độ cao xác định bằng công nghệGPS là độ cao và hiệu độ cao trắc địa, tính trên bề mặt Ellipxoid quy chiếuWGS-84 Trong thực tế chúng ta lại sử dụng độ cao và hiệu độ cao thủy chuẩn,xác định so với mặt Geoid hoặc Kvadigeoid Như vậy để chuyển độ cao hoặchiệu độ cao trắc địa về hiệu độ cao thủy chuẩn chúng ta cần phải biết được độcao Geoid (Undulation) hoặc hiệu độ cao Geoid, song đây không phải là vấn

đề đơn giản vì sự biến đổi uốn nếp của bề mặt Geoid lại phụ thuộc vào cấu trúcvật chất bên trong lòng trái đất Để nghiên cứu geoid đòi hỏi phải có nhiều sốliệu khác nhau như số liêu trọng lực, thiên văn, trắc địa v v

Có thể thấy rằng trên một phạm vi hẹp, sự biến đổi của bề mặt Geoid sovới bề mặt Ellipxoid có thể coi là biến đổi tuyến tính, do đó chúng ta có thểxây dựng các công thức đơn giản để tính toán hiệu chỉnh vào độ cao trắc địahay hiệu độ cao trắc địa để nhận được độ cao thủy chuẩn và hiệu độ cao thủychuẩn

Với phương pháp nêu trên, chúng tôi đã thực hiện đề tài tốt nghiệp "Đocao GPS và ứng dụng trên vùng mỏ Cẩm Phả - Quảng Ninh"

Đề tài trên sẽ góp phần đưa ứng dụng GPS vào vùng mỏ Cẩm Phả Quảng Ninh là vùng than quan trọng của cả nước Mặc dù vùng Cẩm Phả -Quảng Ninh có diện tích không lớn, song sản lượng than khai thác hàng năm

-Trong quá trình hoàn thành bản đồ án tốt nghiệp, em đã nhận được sựgiúp đỡ, sự chỉ bảo tận tình của PGS TS Đặng Nam Chinh, và sự chỉ bảo củacác thầy, cô giáo Tuy nhiên do thời gian và trình độ có hạn, nội dung của bản

đồ án tốt nghiệp của em không tránh khỏi những khiếm khuyết Em rất mongnhận được sự đóng góp ý kiến của các thầy, cô giáo và các bạn đồng nghiệp

Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo hướng dẫn, các thầy, cô giáo trong

bộ môn TĐCC và trong khoa trắc địa đã giúp đỡ và chỉ bảo em để được có kếtquả như ngày hôm nay

Hà Nội, ngày tháng năm 2005

Sinh viên

Phùng Thế Tùng

địa tĩnh.

Từ năm1967 - 1969 Mỹ đã bắt đầu nghiên cứu đề án TIMATION và đã

đưa lên các quỹ đạo đồng bộ 20 vệ tinh hoạt động ở các độ vĩ từ 60 độ vĩ bắc

đến 60 độ vĩ Nam Dưới sự chủ trì của bộ quốc phòng Mỹ cả hai đề án 621B vàTimation đã được phối hợp lại và hình thành nên hệ thống định vị toàn cầuGPS

Hệ thống định vị toàn cầu GPS được viết đầy đủ là NAVSTAR GPS(Navigation Satellite Timing and Ranging Global Positioning System) Ngày

22 tháng 02 năm 1978 vệ tinh đầu tiên của hệ thống định vị toàn cầu GPS đã

được đưa lên quỹ đạo Từ ngày 8/12/1993 trên 6 quỹ đạo của hệ thống GPS đã

đủ 24 vệ tinh Với hệ thống định vị GPS vấn đề về thời gian, tốc độ, vị trí đượcgiải quyết nhanh chóng, chính xác trên phạm vi toàn cầu trong bất kỳ thời

1 Phần không gian (Space Segment)

Đoạn không gian bao gồm các vệ tinh chuyển động trên 6 mặt phẳngquỹ đạo ở độ cao khoảng 20.200km Mặt phẳng quỹ đạo nghiêng với mặtphẳng xích đạo trái đất một góc 550 Vệ tinh GPS chuyển động trên quỹ đạogần như tròn với chu kỳ là 718 phút Theo thiết kế, hệ thống gồm có 24 vệ tinhmỗi quỹ đạo có 4 vệ tinh, với sự phân bố vệ tinh trên quỹ đạo như vậy, trongbất kỳ thời gian nào và ở bất kỳ vị trí quan trắc nào trên trái đất cũng có thểquan trắc được ít nhất 4 vệ tinh GPS

Chương trình đưa các vệ tinh GPS lên quỹ đạo đã được chia làm cáckhối (Block) như sau: Khối I, II, II-A, II-R và II-F Tính đến năm 1998 chỉ còn

3 vệ tinh của khối I cùng với các vệ tinh của khối II cùng II-A làm việc Nănglượng cung cấp cho hoạt động của các thiết bị trên vệ tinh là năng lượng pinmặt trời

Các vệ tinh GPS có trọng lượng khoảng 1600kg khi phóng và khoảng800kg trên quỹ đạo Theo thiết kế tuổi thọ của các vệ tinh khoảng 7,5 năm

Các vệ tinh của các khối sau có trọng lượng lớn hơn và có tuổi thọ cũngdài hơn các vệ tinh trước đó Thí dụ vệ tinh khối I chỉ có trọng lượng là 845kgsong vệ tinh khối II có trọng lượng là 1500kg và đến khối II-R vệ tinh có trọnglượng là 2000kg Tuổi thọ của vệ tinh được kéo dài từ 7,5 năm đến trên 10năm

Mỗi vệ tinh thuộc khối I (block I) được trang bị 4 đồng hồ nguyên tử, 2

đồng hồ thuộc loại Censium và 2 đồng hồ thuộc loại Rubidium Thêm vào đómỗi vệ tinh được trang bị thêm bộ tạo giao động thạch anh rất chính xác.Người ta sử dụng 4 đồng hồ không chỉ với mục đích dự phòng mà còn để tạo

ra một cơ sở giám sát thời gian và cung cấp giờ chính xác nhất Hệ thống giámsát thời gian đã được thực hiện đối với các vệ tinh GPS thuộc khối II và khốiII-R Đồng hồ nguyên tử rubium có độ ổn định kém hơn một chút so với đồng

hồ nguyên tử Censium trong thời gian dài, sai lệch cỡ 10-12 Việc hiệu chỉnhtần số đồng hồ trên vệ tinh có thể thực hiện từ mặt đất nhờ các trạm điều

đồng hồ Censium Hệ thống giám sát các đồng vệ tinh là một trong các chứcnăng của đoạn điều khiển Các số hiệu chỉnh này được gửi lên vệ tinh và sau

đó truyền tới các máy thu cùng với thông tin trong ephemeris

Tất cả các đồng hồ của hệ thống GPS hoạt động ở tần số 10,23MHz, cácmã (Code) tín hiệu và tần số sóng tải được dựa trên tần số đồng hồ cơ sởchuẩn Tất cả các vệ tinh GPS đều có thiết bị tạo dao động với tần số chuẩn cơ

sở là f0=0,23MHz Tần số này còn 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 2 tần số sóng tải L1 và

độ làm chậm tín hiệu do tầng điện ly tỷ lệ nghịch với bình phương của tần số

Để phục vụ cho các mục đích và đối tượng khác nhau, các tín hiệu phát

đi được điều biến mang theo các code riêng biệt, đó là C/A code, P-code và code (code có thể là dịch mã)

Y-C/A code (coarse/ Acquisition code) là code thô cho phép dùng rộng rãi.C/A code mang tính chất code tựa ngẫu nhiên Tín hiệu mang code này

P-code (Precision code) là code chính xác, điều biến cả sóng tải L1 và

L2, có độ dài cỡ 1014bite (vào cỡ 38 tuần lễ) và là code tựa ngẫu nhiên PRN code (Pseudorandom noise) Tín hiệu của P-code có tần số đúng bằng tần số

-một đoạn code này (tương ứng với độ dài 1 tuần lễ, gọi là "code tuần lễ").Code tựa ngẫu nhien là cơ sở để định vị tuyệt đối khoảng cách giả, đồng thờidựa vào đó có thể nhận biết số hiệu vệ tinh.

P-code được dùng cho mục đích quân sự (của Mỹ) và chỉ được dùng chomục đích khác khi phía Mỹ cho phép

Ycode là code bí mật được phủ lên Pcode gọi là kỹ thuật AS (Anti Spoofing) chỉ có các vệ tinh thuộc khối II (sau năm 1989) mới có khả năngnày Ngoài các tần số trên, các vệ tinh GPS còn có thể trao đổi với các trạm

-điều khiển trên mặt đất qua các tần số 1783,74MHz và 2227,5MHz để truyềncác thông tin đạo hàng và các lệnh điều khiển tới vệ tinh

Người ta ước lượng độ chính xác định vị đạt cỡ 1% bước sóng của tínhiệu Như vậy ngay khi sử dụng code thô C/A để định vị thì có thể đạt tới độchính xác cỡ 3m Chính vì thế phía Mỹ chủ động làm nhiễu tín hiệu để hạ thấp

độ chính xác xác định tuyệt đối Kỹ thuật làm nhiễu này gọi là SA (SelectiveAvailability) Do nhiễu SA, khách hàng chỉ có thể dịch vị tuyệt đối với độchính xác 50 đến 100m Từ ngày 20/5/2000 Mỹ đã bỏ chế độ nhiễu SA

2 Phần điều khiển (Control Segment)

Đoạn điều khiển được thiết lập để duy trì hoạt động của toàn bộ hệthống định vị này Trạm điều khiển trung tâm (Master Control station - viết tắt

là MCS) được đặt tại căn cứ không quân Mỹ gần Colorado Springs Trạm điềukhiển trung tâm này có nhiệm vụ chủ yếu trong đoạn điều khiển, cập nhậtthông tin đạo hàng truyền đi từ vệ tinh Cùng phối hợp hoạt động với trạm điềukhiển trung tâm là hệ thống hoạt động kiểm tra (Operational Control System -viết tắt là OCS) bao gồm các trạm theo dõi (monitoring stations) phần bốquanh trái đất, đó là các trạm Colorado Springs, Hawai, Assension Islands,Diego Garcia, Kwajalein

Các trạm này theo dõi liên tục tất cả các vệ tinh có thể quan sát được,các số liệu quan sát được ở các trạm này được chuyển về trạm điều khiển trungtâm MCS, tại đây việc tính toán số liệu chung được thực hiện và cuối cùng các

thông tin đạo hàng cập nhật được chuyển lên các vệ tinh, để sau đó từ vệ tinhchuyển đến các máy thu người sử dụng.

Như vậy vai trò của đoạn điều khiển rất quan trọng vì nó không chỉ theodõi các vệ tinh mà còn liên tục cập nhật để chính xác hóa các thông tin đạohàng, bảo đảm độ chính xác cho công tác định vị bằng hệ thống GPS

Cơ bản quan bản đồ thuộc bộ quốc phòng Mỹ (DMA) đã phối hợp vớimột số nước khác, xây dựng mạng lưới theo dõi hệ thống GPS trên toàn cầu,như các nước Achentina, Australia, Ba ranh, Equador, Anh nhờ sự phối hợpmang lưới quan trắc rộng dãi này DMA sẽ xác định được epheinerit chính xác.Nhờ đó cơ quan trắc địa quốc gia Mỹ (NGS) sẽ đáp ứng cung cấp cho các cơquan quân sự sử dụng lịch vệ tinh chính xác trong định vị GPS

Gần đây số lượng trạm quan trắc GPS tăng lên Nhiều cơ quan trắc địabản đồ của các cơ quan khác nhau, nhiều viện nghiên cứu, các trường đại học

và nhiều nhóm nghiên cứu ở mọi nơi trên thế giới đã có được các trạm quantrắc, quan trắc GPS và sử dụng nó như "sân sau" để được sử dụng GPS với độchính xác cao Trước hết phải kể đến những cố gắng của tổ chức hợp tác quốc

tế về lưới GPS - CIGNET (Cooperative International GPS Network) và nhữngkết quả đã đạt được của cơ quan ứng dụng GPS trong nghiên cứu địa động lực -IGS đạt được của cơ quan ứng dụng GPS trong nghiên cứu địa động lực - IGS(International GPS Service for Geod - dynamics), bắt đầu hoạt động từ01/01/1994

3 Đoạn sử dụng (User Segment)

Đoạn sử dụng bao gồm các máy thu GPS, máy 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 công tác đo đạc ở nhiều nơi trên thế giới.Trong việc khai thác sử dụng công nghệ GPS người ta có thể kết nối các thiết

bị thu tín hiệu GPS với một số thiết bị thu phát khác để thực hiện các kỹ thuật

đo động, thời gian thực (Real time kinematic - RTK), đo vi phân DGPS

Differential - GPS) Trong kỹ thuật WADGPS còn sử dụng vệ tinh viễn thôngthương mại (Commercial communication satellite) như là phương tiện trunggian đẻ truyền số cải chính vi phân cho các trạm đo.

Máy thu GPS là phần cứng quan trọng trong đoạn sử dụng Nhờ các tiến

bộ khoa học kỹ thuật trong lĩnh vực điện tử, viễn thông và kỹ thuật thông tintín hiệu số, các máy thu GPS đã ngày một hoàn thiện Ngành chế tạo máy thuGPS là ngành "kỹ thuật cao" Một số hãng chế tạo còn cho ra các loại máy cóthể đồng thời thu tín hiệu từ các vệ tinh GPS và cả vệ tinh GLONASS

Hiện nay đã có nhiều loại máy thu có khả năng đo ở chế độ thời gianthực (Real time) Dạng máy thu phổ biến hiện nay là dạng máy thu đa kênhcác loại máy thu này thường có từ 8 đến 12 kênh, mỗi kênh sẽ độc lập theo dõi

và thu tín hiệu từ một vệ tinh

Để xác định toạ độ của một điểm trong hệ WGS - 84, chúng ta chỉ cầnquan sát 3 vệ tinh là đủ Tuy nhiên trong thực tế đồng hồ máy thu không đồng

bộ với đồng hồ vệ tinh tạo nên sai số độ lệch đồng hồ Do vậy để giải ra toạ độcủa điểm quan sát cần quan sát tới tối thiểu 4 vệ tinh Điều này cũng có lợi ởchỗ là ta có thể chọn cách xử lý hậu kỳ nếu quan sát ít nhất 4 vệ tinh

Tùy theo phương pháp đo, cách sử dụng trị đo mà ta có các phương pháp

định vị tuyệt đối khác nhau

- Định vị tuyệt đối trạng thái tĩnh

- Định vị tuyệt đối trạng thái động

* Ta chia theo cách sử dụng trị đo:

- Định vị tuyệt đối khoảng cách giả

- Định vị tuyệt đối bằng pha sóng tải

Nếu tại vị trí quan trắc ta thu tín hiệu từ các vệ tinh, ta lập được cácphương trình xác định toạ độ điểm là:

Trong đó:

 t

C i j

j i j

  2   2   2

t i j t i j t i j j

i  X X  Y Y  Z Z

Với (X, Y, Z)j: tọa độ của vệ tinh

(X, Y, Z)i: tọa độ của máy thu

Hình I.1 Định vị tuyệt đối đo khoảng cách giả

Nguyên tắc giao hội khoảng giả được mô tả như sau:

Trong trường hợp số vệ tinh quan sát được lớn hơn 4 ta sẽ giải được 4 ẩn

số theo phương pháp số bình phương nhỏ nhất nhờ hệ phương trình số hiệuchỉnh

i j i j i j

Trong đó: j

i j i j i

l  

j: thứ tự của vệ tinhi: thứ tự của máy thuKhoảng cách giả code tại thời điểm t được biểu diễn bởi biểu thức sau:

Trong đó: Ri(t) khoảng cách giả đo được giữa vị trí quan trắc và vệ tinh i

i(t) là khoảng cách hình học giữa vệ tinh i và điểm quan sát

c là vận tốc truyền sóng (vận tốc ánh sáng)

(t) là sai số đồng hồ

Độ sai đồng hồ (t) bao gồm tổng hợp sai số của đồng hồ vệ tinh và

đồng hồ máy thu xét trong hệ thống giờ GPS

Nếu bỏ qua sai số đồng hồ vệ tinh, tức là dS= 0, và lưu ý tới (1.2.5) ta có:

ở đây ta coi đồng hồ của các vệ tinh đồng bộ với nhau và chạy đúnggiờ GPS Trên thực tế mỗi vệ tinh có một số hiệu chỉnh đồng hồ riêng Như đãnói ở trên Nếu chúng ta có giá trị gần đúng của vị trí điểm quan trắc là X0

p;

Y0

p; Z0

p ta có thể khai triển tuyến tính vế phải của phương trình (1.2.6) Trong

đó thay cho các ẩn số XP, YP, ZPlà các ẩn số dxP, dyP, dzPvới quan hệ:

P i P i

P i

i

c dz t

Z t Z dy t

Y t Y dx t

X t X t

0 0

0

0 1



(1.2.8)trong đó:

i P

i P i

i

Z t Z Y

t Y X

t X



X t Y a

t

X t X a

t t R l

i P i

i z

i P i

i y

i P i

i x

i i i

0

0 0

0 0

0 0

1 4

4 4

3 3 3

2 2 2

1 1 1

;

;

l l l l

l dz

dy dx

x

c a a a

c a a a

c a a a

c a a a

A

P P P

Z Y X

Z Y X

Z Y X

Z Y X



(1.2.11)

Từ hệ phương trình (1.2.10) có thể giải được vectơ ẩn số x gồm 4 ẩn sốcần xác định trong bài toán định vị tuyệt đối khoảng cách giả

Trong trường hợp, số lượng vệ tinh quan sát đồng thời tại thời điểm tnhiều hơn 4 (ký hiệu số vệ tinh quan sát là n; n  4), các ẩn số sẽ được giải ratheo nguyên lý số bình phương nhỏ nhất Trong trường hợp này ta có hệphương trình số hiệu chỉnh:

P P P

n Z n Y n X

Z Y X

Z Y X

l l

l dZ

dY dX

x

c a a a

c a a a

c a a a

A

v

v v

v

;

;

;

2

1 2

2 2

1 1 1

2 1

Sai số trung phương đơn vị trọng số được tính theo công thức quenthuộc:

t Z Z Z Z Y Z X

t Y Z Y Y Y Y X

t X Z X Y X X X

Q Q

Q Q

Q Q

Q Q

Q Q

Q Q

Q Q

Q Q

Q

, , ,

,

, ,

, ,

, ,

, ,

, ,

, ,

(1.2.18)

Với ký hiệu như trên ta sẽ tính được sai số vị trí điểm định vị tuyệt đốitrong không gian theo công thức:

Z Z Y Y X X

Người ta ký hiệu PDOP Q X,X Q Y,Y Q Z,Z (1.2.20)PDOP là độ phân tản độ chính xác của vị trí điểm (Position Dilution ofPrecision)

Như vậy PDOP là mức đo chất lượng hình học của lời giải bài toán định

vị tuyệt đối PDOP không có đơn vị, giá trị PDOP càng nhỏ thì chất lượng hìnhhọc của lời giải càng tốt Khi vệ tinh nhiều và phân bố đều trên bầu trời theophương vị và góc cao thì PDOP sẽ nhỏ

Sai số xác định số hiệu chỉnh đồng hồ i(t) được xác định theo côngthức:

T T

TDOP là độ phân tản độ chính xác đối với thời gian (Time Ditution ofPrecision)

Ngoài ra người ta còn đưa ra khái niệm độ phân tản độ chính xác hìnhhọc là GDOP (Geometric Dilution of Precision), với giá trị GDOP được tính:

T T Z Z Y Y X

Nếu xét đến vị trí điểm định vị P trong hệ toạ độ không gian địa diện x,

y, z, (N, E, U) ta có các khái niệm sau:

HDOP là độ phân tản độ chính xác vị trí mặt bằng (Horizontal Dilution

of Precision)

y

x q q

Cũng tương tự như PDOP, các giá trị GDOP, HDOP, VDOP, TDOP đều

là mức đo chất lượng hình học của các lời giải

Các giá trị q11, q22, q33 là các phần tử trên đường chéo của ma trận q,

z y y y y

z x y x P

T

q q q

q q q

q q q R Q R q

, , ,

, , ,

, , ,

L B L

L B

L B L

L B R

sin 0

cos

sin cos cos

sin sin

cos cos sin

cos sin

Z Y Y Y Y X

Z X Y X X X P

Q Q

Q

Q Q

Q

Q Q

Q Q

, ,

,

, ,

,

, ,

,

(1.2.28)

Do tính chất trực giao của ma trận xoay R cho nên:

PDOP q

q q Q

Q

Q X,X  Y,Y  Z,Z  ,x  ,y  ,z  (1.2.29)Trong đó Qjj nhận được trong quá trình bình sai bằng cách nghịch đảo

ma trận hệ số trong hệ phương trình chuẩn

Trong thực tế, ta nhận được trị số DOP nhỏ khi các vệ tinh phân bố đều

và xuất hiện với số lượng lớn trên bầu trời

2 Định vị tương đối

Đo GPS tương đối là trường hợp sử dụng 2 máy thu GPS đặt ở hai điểmquan sát khác nhau để xác định ra hiệu tọa độ vuông góc không gian (X, Y,

Z) hay hiệu toạ độ mặt cầu (B,L,H) giữa chúng trong hệ WGS - 84

Trong phương pháp định vị này chịu ảnh hưởng của nhiều nguồn sai số:sai số của đồng hồ vệ tinh và đồng hồ máy thu, sai số của toạ độ vệ tinh, sai sốxác định số nguyên lần chu kỳ Trong số các biện pháp nâng cao độ chính xácthì việc lấy sai phân để khử các nguồn sai chung tỏ ra rất hiệu quả Tùy theocách lấy hiệu giữa chúng mà ta có các loại sản phẩm khác nhau như: sai phânbậc 1, sai phân bậc 2 và sai phân bậc 3

Thực chất của định vị tương đối là xác định của điểm chưa biết so với

điểm đã biết khác, thường là điểm cố định Hay nói là định vị tương đối là xác

định véc tơ giữa 2 điểm, thường gọi là "baseline"

Ký hiệu: : là hiệu số giữa hai máy thu

: là hiệu số giữa hai vệ tinh

 : là hiệu số giữa hai thời điểm đo

Khi lấy sai phân bậc một giữa hai máy thu đến cùng một vệ tinh j vàothờiđiểm ti

j i j i J

t t

Trong sai phân này cả hai loại sai số đồng hồ vệ tinh và sai số đồng hồmáy thu đều bị loại bỏ.

Nếu xét hai trạm quan sát đồng thời hai vệ tinh vào hai thời điểm ti, ti+1

ta có sai phân bậc ba

j,k =j,k(ti+1) -j,k(ti) (1.2.33)Cả ba loại sai số đồng hồ máy thu, sai số đồng hồ vệ tinh và sai số xác

định số nguyên lần chu kỳ bước sóng đều được loại bỏ Tuy vậy trong thực tếngười ta ít dùng sai phân bậc ba mà dùng sai phân bậc hai nhiều hơn (hiệu phakép) Do khi lấy sai phân bậc ba (hiệu pha 3 bậc) một số yếu tố về tình trạng

vệ tinh sẽ bị mất đi

Định vị tương đối cho kết quả tốt nếu quan trắc được thực hiện đồngthời tại hai điểm tham chiếu và diểm cần xác định

1.3 Các nguồn sai số trong định vị GPS

Như chúng ta đã biết bất kỳ loại máy nào dù hiện đại đến đâu cũngkhông thể đo đac chính xác tuyệt đối được Vì thế trong định vị GPS có thểphân sai số làm 3 nhóm như sau:

1 Nhóm thứ nhất liên quan đến vệ tinh

2 Nhóm thứ hai liên quan đến sự lan truyền tín hiệu trong không gian

3 Nhóm thứ ba liên quan đến máy thu

Ta biết rằng tín hiệu sóng điện từ, thường bị sai lệch (nhanh, chậm) và

bị nhiễu (noise) Khoảng cách giả theo code và khoảng cách giả theo phathường bị ảnh hưởng của nhiễu mang tính hệ thống hoặc ngẫu nhiên Và cácnguồn sai số này được thống kê như sau:

- Do vệ tinh: do sự sai lệch đồng hồ, sai số quỹ đạo gây ra

- Do lan truyền tín hiệu: do sự chiết quang tầng Ion, chiết quang tầng

đối lưu gây ra

- Do máy thu: do sự lệch tâm pha anten, sai lệch đồng hồ máy thu, hiệntượng đa đường dẫn (Multipath)

Một số nguồn sai số hệ thống có thể được mô hình hóa và làm giảmtrong kết quả quan trắc Một số loại khác có thể được loại bỏ nhờ xử lý thíchhợp khi phối hợp các trị đo (hiệu pha ).

- Ngoài ra người đo cũng có thể gây ra các sai số như sai số do định tâm,sai số do đo cao anten và có trường hợp đặt máy thu nhầm điểm v.v

1.4 Các ứng dụng của GPS

1.4.1 ứng dụng trong trắc địa

Những ứng dụng đầu tiên của công nghệ GPS trong trắc địa là đo đạccác mạng lưới trắc địa mặt bằng Ta biết rằng đo tương đối tĩnh cho độ chínhxác cao vì thế phương pháp này dùng để đo các mạng lưới trắc địa

- Trước hết là ứng dụng GPS vào công tác xây dựng lưới khống chế mặtbằng

- Và sau đó là ứng dụng GPS vào công tác đo vẽ địa chính, đo vẽ chi tiếtbản đồ địa hình, bản đồ địa chính tỷ lệ lớn và tỷ lệ trung bình ở phương phápnày đo bằng GPS động ta không cần bố trí điểm khống chế đo vẽ như cácphương pháp truyền thống, vì trạm BASE có thể đặt tại điểm có toạ độ và độcao cách khu đo dưới 10km Như vậy hoàn toàn có thể bỏ qua các mạng lướiGII, GT-2, ĐC-I, ĐC-2 Tiết kiệm được kinh phí xây dựng lưới chêm dày và cảthời gian thực hiện công việc lập lưới

- Gần đây người ta đã đưa GPS phục vụ công tác trắc địa công trình, đolập các mạng lưới cơ sở trắc địa công trình và lưới thi công công trình

Do tính chất của từng công trình và yêu cầu riêng của khu công nghiệp,

có loại cần độ chính xác cao, loại cần trung bình, và loại cần độ chính xácthấp GPS có thể lập lưới để chuyển trục công trình lên cao, với độ chính xáccao Trong trường hợp này sử dụng các lưới GPS cạnh ngắn để chuyển trụctheo phương pháp toạ độ - hoàn nguyên

- GPS áp dụng để đo các mạng lưới quan trắc biến dạng và chuyển dịchcông trình Công tác này yêu cầu độ chính xác cao nhất, mức độ tin cậy vào số

liệu đo biến dạng chuyển dịch phụ thuộc vào độ chính xác đo và phương pháp

xử lý số liệu đo

- GPS áp dụng trong đo vẽ thành lập các mặt cắt và đo tính khối lượng

1.4.2 Các ứng dụng GPS trong đời sống

Công nghệ GPS là công nghệ định vị hiện đại không những chỉ dùngtrong ngành trắc địa mà nó còn được ứng dụng rộng rãi trong cuộc sống ngàynay như:

- Định vị phục vụ dẫn đường tầu thuyền trên biển, các máy bay, tên lửatrong không trung

- Định vị phục vụ tìm kiếm cứu nạn

- Phục vụ du lịch, đi lại trên sa mạc, trong rừng

- Định vị phục vụ công tác thăm dò khảo sát địa chất

v.v

g g

N: khoảng cách từ điểm xét tới mặt Geoid theo đường dây dọi Nó cho

ta biết vị trí Geoid với mặt đất thực tại điểm xét

Để tính được độ cao chính đòi hỏi phải biết giá trị trọng lực trung bìnhdọc theo đường sức trên đoạn MN là gN

m, gnN chỉ là giá trị tính được dựa vàogiả thiết về cấu trúc vật chất trong lòng trái đất Vì vậy, độ cao chính khôngmang ý nghĩa thực tiễn (vì được xác định không chặt chẽ) Các điểm trên cùngmột mặt đẳng thế có độ cao chính gần bằng nhau (chênh lệch nhỏ), tuy vậy nócũng là một hệ thống độ cao có ý nghĩa lớn khi nghiên cứu mặt Geoid của trái

đất Vậy ta có thể định nghĩa "khoảng cách theo hướng dây dọi từ một điểmtrên mặt đất đến mặt thủy chuẩn gốc (geoid) gọi là độ cao chính".

Chỉ xét các nước châu Âu, những quốc gia sau sử dụng hệ thống độ caochính: Anh, Tây Ban Nha, Bồ Đào Nha, Thụy Sỹ, ý, Hy Lạp, Đan Mạch, Bỉ,

Hà Lan, Phần Lan

2.3 Hệ thống độ cao thường

Như phần trên đã nói, hệ thống độ cao chính có nhược điểm là khôngthể xác định được giá trị trọng lực trung bình gmN một cách chính xác, để cócông thức chính xác Molodenski đề nghị thay giá trị gmN trong công thức tính

mvà giá trị trọng lực thườngtrung bình N

m Giá trị N

m có thể xác định chính xác, vì thế hệ thống độ caothường là hệ thống độ cao chặt chẽ Hiện nay ở châu Âu có nhiều nước đang

sử dụng hệ thống độ cao thường bao gồm các nước xã hội chủ nghĩa trước đâynhư: Ba Lan, Tiệp Khắc, Rumani, Bungari, Hungari, và một số nước như Pháp,cộng hòa Liên bang Đức, Thụy Điển Một số nước hiện đang sử dụng cả hệthống độ cao chính và độ cao thường như: Na Uy, áo, Slovênia, Anbani

Độ cao thường có giá trị xấp xỉ với độ cao chính, nếu lấy bề mặt trái đấtlàm chuẩn đặt các đoạn bằng các giá trị độ cao thường tương ứng của các điểm

dọc theo phương của đường pháp tuyến thì ta sẽ được một bề mặt gọi là mặtkvazigeoid.

2.4 Hệ thống độ cao trắc địa

Nếu mặt Geoid được thay bằng một mặt Ellipxoid hai trục thì người ta

có thể định nghĩa về độ cao mang ý nghĩa hình học là độ cao trên mặtEllipxoid tham chiếu hay độ cao trắc địa Độ cao này ít được sử dụng trongthực tế Tuy nhiên điều quan trọng của cao độ này là có thể nhận được mộtcách trực tiếp từ toạ độ Descartes ba chiều của điểm xét Bằng công nghệ GPSchúng ta dễ dàng xác định được độ cao trắc địa và hiệu độ cao trắc địa trong hệquy chiếu WGS-84

Nếu gọi độ cao Geoid là khoảng cách giữa mặt Geoid với mặt Ellipxoid

ký hiệu là N, dị thường độ cao  là khoảng cách tương ứng giữa mặtkvazigeoid và mặt Ellipxoid Ta có công thức tính độ cao trắc địa

Trong thực tế ta nhận thấy rằng độ cao thường có nhược điểm là do đơn

vị thay đổi của giá trị trọng lực bình thường theo vĩ độ dẫn đến độ cao thường

cũng thay đổi theo vĩ độ Sự thay đổi này rất đáng kể ở những vùng nước trảidài theo kinh tuyến, như: Hồ Bai Can dài từ Nam lên Bắc 450km Độ cao

đường bờ nước ở bờ Bắc và bờ Nam chênh nhau tới 0,16m Chúng ta cũng gặpphải những nhược điểm như vậy khi áp dụng độ cao chính do sự thay đổi củagiá trị trọng lực trung bình Để có độ cao bằng nhau ở những vùng nước này ta

áp dụng độ cao động học tính theo công thức:



d

gdh H





Trong đó là giá trị trung bình của trọng lực thường4 đối với điểm xét

có độ vĩthường lấy ở vĩ độ 450 còn đối với từng khu vực cụ thể thì lấy giátrị trọng lực trung bình ở vĩ độ trung bình của vùng xét

Độ cao động học của tất cả các điểm nằm trên cùng một mặt đẳng thế sẽtrùng nhau Công thức để chuyển độ cao đo được về độ cao động học có dạngsau:

d h do d

N h

Trong đó: Hd

N : độ cao động học tại điểm N

hđo: độ cao thủy chuẩn đo được

d

h: số hiệu chỉnh theo độ vĩTrong thực tếd

h khá lớn Như vậy nó không có lợi khi nghiên cứu hìnhdạng, kích thước của trái đất nhưng nó có ý nghĩa thiết thực trong công tácthủy lợi

2.2 Đo cao hình học

2.2.1 Nguyên lý đo cao hình học

Phương pháp đo cao hình học là phương pháp được sử dụng khá rộng rãi

và được dùng để đo trong các mạng lưới độ cao Nhà nước Máy sử dụng trong

đo cao hình học là máy thủy bình Nguyên tắc đo cao hình học bằng máy thủybình là sử dụng tia ngắm ngắn song song với trục của ống thủy dài tức là song

song với mặt thủy chuẩn đi qua điểm đo để xác định hiệu số độ cao giữa hai

điểm dựng mia A, B qua số dọc trên mia a và mia b (Hình 2.2)

Hình II.2 Nguyên lý đo cao hình học

2.22 Một số loại máy dùng trong đo cao hình học

Máy thủy bình có nhiều loại, có loại độ chính xác cao sử dụng để đo cácmạng lưới hạng I, hạng II Nhà nước như NI004, N3, NA2 Cũng có loại độchính thấp hơn để đo các mạng lưới hạng III, hạng IV và thủy chuẩn kỹ thuậtnhư NI030, NI040, NI025 Chất lượng và độ chính xác đo của các máy thủybình phụ thuộc chủ yếu vào chất lượng của ống thủy dài và giá trị phân khoảngcủa nó cùng với độ phóng đại của ống kính

Cũng dựa trên nguyên tắc tia ngắm song song với trục của ống thủy dàingười ta chế tạo ra một số máy cân bằng tự động Trong đó bộ phận cân bằng

tự động (theo nguyên tắc quả nặng) thay cho ống thủy dài như máy: KONI007,NI025

2.2.3 Một số nguồn sai số trong đo cao hình học và các biện pháp làm giảm bớt sai số

Trong đo cao hình học có ba nguyên nhân chính gây ra sai số là:

1 Sai số do máy đo

2 Sai số do người đo

3 Sai số do ảnh hưởng ngoại cảnh

A Sai số do máy đo

- Sai số do góc i

Sai số góc i do trục ngắm và trục của ống thủy dài không song songtrong mặt phẳng chiếu đứng Để loại trừ sai số này khi đo ta bố trí sao chotrong một trạm máy khoảng cách sau xấp xỉ bằng khoảng cách trước và tíchlũy khoảng cách trong một tuyến không vượt qua một giá trị quy định

- Sai số giao chéo

Là do hình chiếu bằng của trục ống thủy dài và trục ngắm không songsong nhau Để khắc phục sai số này người ta phải tráo đổi vị trí chân máy trêntuyến đo

B Sai số do người đo

Sai số này bao gồm sai số do làm trùng bọt thủy không chính xác và dongười đo khi kẹp vạch chính xác trên mia Và sai số này nó làm ảnh hưởngngẫu nhiên cả tuyến đo, qua thực nghiệm ta tìm ra ảnh hưởng sai số này đếntuyến thủy chuẩn dài 1km là0.027mm

C Sai số do ảnh hưởng của ngoại cảnh

- ảnh hưởng do nhiệt độ thay đổi

Sự thay đổi của nhiệt độ gây ra sai số ngẫu nhiên Biện pháp khắc phụccủa ảnh hưởng này là:

1 Không nên sờ quá lâu vào bất cứ bộ phận nào của máy

2 Mùa hè thì dùng ô để che máy khỏi bị nắng

3 Tại trạm máy lẻ và chẵn nên thay đổi trình tự đo theo quy trình S T

ảnh hưởng do khúc xạ của không khí

Khúc xạ của không khí ảnh hưởng mang tính ngẫu nhiên làm tia ngắm

bị uốn cong Để khắc phục hiện tượng này người ta quy định thời gian đongắm là bắt đầu sau khi mặt trời mọc và trước khi mặt trời lặn ít nhất là 30phút

- ảnh hưởng do máy lún và mia lún

Máy và mia khi đo phải trên nền đất yếu, trong quá trình thao tác đo bịlún xuống Để khắc phục hiện tượng này khi đo thủy chuẩn chính xác ta nênchọn tuyến thủy chuẩn khi đo đi và đo về trung nhau và đặt trên nền đất cứng.Khi chuyển từ trạm đo này sang trạm đo khác nên hạ mia xuống để giảm bớthiện tượng lún mia đồng thời phải đo đi và đo về

Còn do trường hợp máy lún ta áp dụng chương trình đo theo thứ tự S - T

- T - S hoặc T - S - S - T

Do chịu ảnh hưởng của rất nhiều nguồn sai số nên trong quy phạm quy

định các yêu cầu rất khắt khe về chiều dài khoảng ngắm, số chênh khoảngngắm, chiều cao tia ngắm nhằm đạt được độ chính xác cao Chính vì thế khi

đo thủy chuẩn hình học ở vùng có chênh cao lớn hoặc trên những tuyến cókhoảng cách dài là rất vất vả và tốn kém

2.3 Đo cao lượng giác

2.3.1 Nguyên lý chung

Đo cao lượng giác là phương pháp sử dụng máy kinh vĩ đặt tại điểm đo,

đo góc thiên đỉnh của mục tiêu và dùng khoảng cách từ máy đến mục tiêu đểtính ra chênh cao giữa chúng Phương pháp này được áp dụng để chuyền độcao ở những vùng có chênh cao lớn như vùng núi hoặc vùng khó khăn đi lại,qua sông qua hồ v.v

Tại A đặt máy có chiều cao là i, tâm trạm máy là j, ngắm về mục tiêu tại

B có độ cao BV = V2(do chịu ảnh hưởng tổng hợp của độ cong trái đất và khúc

xạ) Góc đứng đo được là Z' nhỏ hơn góc thiên đỉnh thực tế Z một đại lượng 1

được tính theo công thức:

0

0 1

2R

S



Trong đó: S0 : chiều dài cung tia ngắm do khúc xạ

R0 : bán kính của đường cong khúc xạTheo hình vẽ ta thấy H1 + i và H2 + V là những đại lượng rất nhỏ so vớibán kính trái đất R Do đó có thể coi S0 = S (S là chiều dài AB trên mặtEllipsoid) căn cứ vào hệ số khúc xạ của khí quyển mặt đất:

2

1 

Gọi HA và HB là độ cao trắc địa tại các điểm A, B Từ giá trị góc thiên

đỉnh đo được ở trạm máy A là Z1 và khoảng cách giữa hai điểm A và B là S tathành lập được công thức tính chênh cao giữa 2 điểm A và B là:

- Trong trường hợp đo đơn

Trong trường hợp đo góc thiên đỉnh tại A là Z1, khoảng cách S khôngquá 10km, giá trị góc thiên đỉnh nằm trong khoảng 870 < Z < 930 Ta có côngthức tính hiệu số độ cao trắc địa như sau:

V i S

U S C gZ S H

H B A    

''

Hình II.3 Nguyên tắc đo cao lượng giác

'' cotgZ C S U S i V S

'' cotgZ C S U S i V S

12 2 2 2 1 1 2

''

2 2

S U U S C S C Z Z Stg H

21 12 2

1

'' 2

U U Z Z Stg H

1

'' 2

U U Z Z Stg H

- Đo cáo lượng giác chịu ảnh hưởng của các nguồn sai số sau:

1 Sai số ngẫu nhiên khi đo khoảng thiên đỉnh

2 Sai số hệ thống của máy

3 Sai số do ảnh hưởng khúc xạ khí quyển mặt đất

4 ảnh hưởng của độ lệch dây dọi và do mặt thủy chuẩn không songsong với nhau

Do các nguồn sai số nêu trên nên phương pháp đo cao lượng giác cho độchính xác không cao, phương pháp này thường chỉ đạt độ chính xác thủychuẩn kỹ thuật hoặc hạng IV

2.4 Nguyên lý đo cao GPS

Nguyên tắc đo GPS tương đối cho phép xác định được các số gia toạ đokhông gian X, Y, Z (trong hệ WGS - 84) giữa hai điểm thu tín hiệu đồngthời Từ các gia số toạ độ không gian này, ta có thể chuyển thành các số gia

B,L,H, ở đây giá trị H là hiệu số độ cao trắc địa, trong hệ WGS - 84 vớiEllipxoid chọn tính Qua tính toán ta nhận được độ cao trắc địa của các trạmthu tín hiệu, tức là độ cao so với Ellipxoid chọn tính gắn với hệ toạ độ WGS -

84 Trên thực tế vị trí điểm chỉ được xác định theo nguyên tắc định vị tuyệt

đối, không phải là toạ độ chính xác trong hệ WGS - 84, chỉ có thể coi là trong

hệ WGS - 84 gần đúng nào đó (ký hiệu là WGS - 84') Vì thế độ cao trắc địaxác định trong định vị tuyệt đối có độ chính xác thấp

Ký hiệu độ cao trắc địa tại điểm A là HA, độ cao thủy chuẩn (độ caochính, hoặc độ cao thường) là hAta có quan hệ:

Trong đó A là dị thường độ cao tại điểm A (gọi tắt là độ cao geoid hay

là dị thường độ cao, chính là khoảng cách từ mặt elipxoid chọn tính đến mặtGeoid hoặc kvazigeoid (Hình II.3)

Hình II.4 Độ cao trắc địa và độ cao thủy chuẩn

Nếu xétgiữa hai điểm A, B trên mặt đất ta có hiệu độ cao:

Trong đó HAB là hiệu số độ cao trắc địa AB là hiệu số dị thường độcao giữa hai điểm A, B Công thức (2.4.1) và (2.4.2) là các công thức cơ bảncủa đo cao GPS

Vậy để xác định độ cao bằng GPS vấn đề mấu chốt là xác định dịthường độ cao (hay độ cao geoid)  hoặc hiệu dị thường độ cao  (hay hiệu

độ cao geoid) tại các điểm đặt máy thu tín hiệu Có thể nhận thấy rằng độchính xác chuyền độ cao bằng GPS phụ thuộc vào hai yếu tố quyết định đó làchất lượng đo cạnh GPS (baseline) và độ chính xác xác định hiệu dị thường độcao giữa các điểm trong lưới

Trước khi bình sai chúng ta kiểm tra sai số khép tọa độ trong các hìnhkhép kín

n

i i X

Z f

Y f

X f

' 1 ' 1 '

Sai sè khÐp toµn phÇn ®­îc tÝnh nh­ sau:

2 2 2 ,

Chương III.

Chuyển đổi độ cao trắc địa về

độ cao thuỷ chuẩn cho vùng mỏ

Cẩm Phả - Mông Dương

3.1 Giới thiệu chung

Cẩm Phả-Mông Dương là vùng than quan trọng thuộc bể than Đông BắcViệt Nam Các mỏ than trên vùng này có sản lượng chiếm trên 50% tổng sảnlượng than khai thác hàng năm của Tổng công ty Than Việt Nam Để phục vụcho công tác trắc địa mỏ trên các khai trường, từ nhiều năm trước, ở vùng nàyngười ta đã xây dựng các mạng lưới toạ độ hạng IV, GT-1, GT-2 và GT-3.Mạng lưới độ cao cũng đã được xây dựng từ những năm 1972-1986 cho đếnnay chỉ còn lại một số ít mốc có thể sử dụng được Hiện nay các phòng trắc địacủa các công ty than thường xuyên đo đạc cập nhật để tính toán khối lượngthan khai thác và khối lượng đất đá bóc đi Trong công tác đo đạc, không thểthiếu vai trò của công tác đo cao Đối với địa hình phức tạp như ở các mỏ Cọcsáu, Cao sơn.vv việc dẫn độ cao bằng phương pháp thuỷ chuẩn hình học gặpkhông ít khó khăn Từ khi công nghệ GPS được ứng dụng trong công tác trắc

địa ở nước ta, đo cao GPS ( GPS leveling) là vấn đề được nhiều người làm công

tác trắc địa quan tâm Đo cao GPS có những ưu điểm so với các phương pháp

đo cao truyền thống, đặc biệt là ở những vùng có địa hình phức tạp như vùngmỏ

Hiện nay khi tính toán xử lý các mạng lưới GPS, chúng ta thường sửdụng các mô hình Geoid toàn cầu như EGM-96 hoặc OSU-91A , nhưng cácmô hình này thường cho độ chính xác không cao , trong nhiều trường hợpkhông bảo đảm độ chính xác chuyền độ cao từ các mốc khởi tính đến các mốccần xác định

Sự khác nhau giữa độ cao trắc địa và hiệu độ cao trắc địa với độ caothuỷ chuẩn và hiệu độ cao thuỷ chuẩn là do mặt Geoid không song song vớimặt Ellipxoid Nếu chúng ta nắm bắt được quy luật biến đổi của mặt Geoid sovới mặt Ellipxoid trên một khu vực nhỏ, ta hoàn toàn xây dựng được các côngthức chuyển đổi hiệu độ cao trắc địa về hiệu độ cao thuỷ chuẩn hoặc chuyển

độ cao trắc địa về độ cao thuỷ chuẩn Bằng cách này chúng ta nhanh chóngthực hiện công tác đo cao GPS với độ chính xác cần thiết Chúng ta sẽ nghiêncứu 2 phương pháp tính toán hiệu chỉnh áp dụng cho 2 trường hợp:

Trường hợp 1- Hiệu chỉnh cho các đoạn đo cao GPS

Trường hợp 2- Hiệu chỉnh cho mạng lưới GPS gồm nhiều điểm

3.2 Sơ đồ mạng lưới thực nghiệm và kết quả đo mạng lưới thủy chuẩn hạng III Cẩm Phả - Mông Dương - Quảng Ninh

Trong phần tính toán thực nghiệm, chúng tôi sử dụng số liệu của lướiGPS Cẩm Phả - Mông Dương - Quảng Ninh Lưới này bao gồm 26 điểm đoGPS, với 9 điểm song trùng Điểm song trùng là điểm mà tại đó có đo GPS và

được dẫn độ cao thủy chuẩn Trong đó có một điểm có độ cao khởi tính là

điểm hạng II Nhà nước (điểm II-19) Lưới được đo bằng máy thu một tần sốTrimble 4600 LS vào tháng 11/2003 và được dẫn độ cao thủy chuẩn hạng IIItheo quy phạm bằng máy Ni-030 vào tháng 4/2004

t08 iv-09

r96 m10 r3 dc43

iv-02 R1

R2 R99 IV18 R98

R1

IV-14 II.19

107406

n40 iv-16 iv-12

gt03 IV-01 IV-06

Kết quả bình sai lưới độ cao hạng III để trong phụ lục 2 ở đây chỉ giớithiệu giá trị độ cao sau bình sai và sai số trung phương tương ứng.

Bảng III.1 Đo cao bình sai của các mốc lưới đo cao hạng III