Ứng dụng công nghệ GPS trong thành lập lưới thi công tuyến đường giao thông

MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU 1 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ GPS 3 1.1. Cấu trúc của hệ thống định vị GPS 3 1.1.1. Đoạn không gian 3 1.1.2. Đoạn điều khiển 6 1.1.3. Đoạn sử dụng 7 1.2. Nguyên lý định vị và các trị đo GPS 9 1.2.1. Nguyên lý định vị GPS 9 1.2.2. Các trị đo GPS 19 1.3. Các phương pháp định vị GPS 21 1.4. Phương thức liên kết lưới GPS 24 1.5. Các nguồn sai số trong đo GPS 26 1.5.1. Sai số phụ thuộc vào vệ tinh 26 1.5.2. Sai số phụ thuộc vào sự lan truyền tín hiệu 27 1.5.3. Sai số liên quan tới máy thu 28 CHƯƠNG 2 ĐẶC ĐIỂM ĐỐI VỚI LƯỚI KHỐNG CHẾ THI CÔNG 30 2.1. Một số khái niệm về bố trí công trình giao thông 30 2.2. Một số yêu cầu chung đối với mạng lưới thi công 31 2.3. Phân tích các phương pháp thành lập lưới 33 2.4. Ước tính lưới khống chế thi công tuyến đường giao thông 35 2.5. Lựa chọn hệ quy chiếu đối với các mạng lưới thi công 36 2.5.1. Chọn mặt chiếu 37 2.5.2. Chọn múi chiếu 37 CHƯƠNG 3 THÀNH LẬP LƯỚI KHỐNG CHẾ THI CÔNG BẰNG CÔNG NGHỆ GPS 39 3.1. Thiết kế lưới khống chế thi công bằng công nghệ GPS 39 3.2. Đo đạc lưới khống chế thi công bằng công nghệ GPS 42 3.3. Quy trình xử lý lưới GPS bằng phần mềm Trimble Business Center 46 3.4. Tính chuyển tọa độ gps về hệ tọa độ công trình 52 3.4.1. Tính chuyển múi tọa độ 52 3.4.2. Tính chuyển tọa độ phẳng 54 3.4.3. Quy trình tính chuyển tọa độ GPS về hệ tọa độ công trình 56 3.5. Thực nghiệm trên công trình tuyến đường Hà Nội – Bắc Giang: 57 KẾT LUẬN 63 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 64 PHỤ LỤC 65 KẾT QUẢ BÌNH SAI MẶT BẰNG GPS 66

MỤC LỤC

DANH MỤC BẢNG

DANH MỤC CÁC TỪ TIẾNG ANH VÀ TỪ VIẾT TẮT

Adjustment Bình sai Quá trình xác định và áp dụng các số hiệu chỉnh

vào trị đo để giảm thiểu sai số

Fixed

coordinate

Tọa độ khống chế

Tọa độ của điểm khống chế được fix trong khi bình sai

GLONASS GLONASS Viết tắt của Global Navigation Setellite System

Hệ thống định vị toàn cầu của LB Nga

GNSS GNSS Viết tắt của Global Navigation Setellite Systems

Thuật ngữ chỉ các hệ thống định vị toàn cầu nói chung, bao gồm cả GPS, GLONASS, Galileo, Compas

GPS GPS Viết tắt của Global Positioning System Hệ thống

định vị toàn cầu của Hoa Kỳ

về đời sống xã hội của chính con người

Với sự phát triển không ngừng của công nghệ GNSS, các hãng chế tạo máythu cũng luôn luôn nâng cấp và cải tiến các phần mềm, ứng dụng phục vụ cho côngtác xử lý số liệu đo Trong đó có phần mềm Trimble Business Center (TBC), một

phần mềm mới của hãng Trimble Phần mềm này có nhiều ưu việt vượt trội, sửdụng đơn giản, dễ dàng Cho phép xử lý và phân tích cả dữ liệu đo GNSS và dữ liệu

đo truyền thống (kinh vĩ, thủy chuẩn, toàn đạc)

Em thấy phần mềm này có nhiều ứng dụng thực tiễn trong công việc và cuộcsống, sẽ giúp ích nhiều cho công việc sau này của em Vì vậy, em đã làm đề tài:

“Ứng dụng công nghệ GPS trong thành lập lưới thi công tuyến đường giao thông”

Đồ án cơ bản gồm 3 chương:

Chương 1: Tổng quan về công nghệ GPS

Chương 2: Đặc điểm đối với lưới khống chế thi công

Chương 3: Thành lập lưới khống chế thi công bằng công nghệ GPS

Em xin chân trọng cảm ơn các thầy cô trong khoa Trắc địa-Bản đồ, trườngĐại học Tài nguyên và Môi trường Hà Nội đã tận tình chỉ dạy cho em những kiếnthức hết sức quý báu trong suốt thời gian em học tập tại Nhà trường

Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo TS.Vũ Văn Đồng và cô giáo TS.Phạm Thị Hoa, người đã trực tiếp hướng dẫn em trong quá trình làm đồ án này.

Mặc dù đã rất cố gắng làm việc song do thời gian, trình độ có hạn nên đồ áncủa em không tránh khỏi những thiếu sót Em rất mong thầy cô giáo cùng các bạnđóng góp ý kiến để em có thể hoàn thiện hơn về hình thức và nội dung đồ án củaem

Cuối cùng em xin kính chúc quý thầy cô luôn dồi dào sức khỏe và thànhcông, luôn nhiệt thành và tâm huyết với sự nghiệp cao quý Chúc các bạn đạt nhiềuthành công tốt đẹp trong công việc

Em xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, ngày tháng 6 năm 2016

Dương Việt Quang

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ GPS

1.1 Cấu trúc của hệ thống định vị GPS

Hệ thống định vị toàn cầu GPS bao gồm 3 bộ phận cấu thành, đó là:

1 Đoạn không gian (Space Segment)

2 Đoạn điều khiển (Control Segment)

3 Đoạn sử dụng (Use Segment) [1]

1.1.1 Đoạn không gian

Đoạn không gian bao gồm các vệ tinh chuyển động trên 6 mặt phẳng quỹđạo gần tròn với chu kỳ là 718 phút, ở độ cao cách mặt đất khoảng 20200km Cácmặt phẳng quỹ đạo nghiêng với mặt phẳng xích đạo của Trái đất một góc

O

55 Quỹđạo vệ tinh GPS gần với hình tròn, giá trị biểu kiến tâm sai (nominal eccentricity)của quỹ đạo vệ tinh GPS có giá trị bằng 0

Hình 1.1 Cấu trúc của hệ thống định vị toàn cầu GPS

Theo thiết kế, hệ thống gồm có 24 vệ tinh, mỗi quỹ đạo có 4 vệ tinh Với sựphân bố vệ tinh trên quỹ đạo như vậy, trong bất kỳ thời gian nào và ở bất kỳ vị tríquan trắc nào trên Trái đất cũng có thể quan trắc được ít nhất 4 vệ tinh GPS

Các quỹ đạo được ký hiệu là A,B,C,D,E,F Vị trí vệ tinh trên quỹ đạo được

ký hiệu là A-1,D-3 vv (hình 1.2)

Chương trình đưa các vệ tinh GPS lên quỹ đạo đã được chia làm các khối

(Block) như: Khối I, II, II-A, II-R, II-RM và II-F Tính đến ngày 24 tháng 5 năm

2010 hiện có 31 vệ tinh của hệ thống GPS đang hoạt động gồm: 10 vệ tinh II-A, 12

vệ tinh II-R, 7 vệ tinh II-RM và 2 vệ tinh II-F

Các vệ tinh GPS có trọng lượng khoảng 1600kg khi phóng và khoảng 800kgtrên quỹ đạo Các vệ tinh của các khối sau có trọng lượng lớn hơn và có tuổi thọcũng dài hơn các vệ tinh trước đó Thí dụ: vệ tinh khối I chỉ có trọng lượng là 845

kg, song vệ tinh khối II có trọng lượng là 1500 kg và đến khối II-R vệ tinh có trọnglượng là 2000 kg Tuổi thọ của vệ tinh khối II-A và II-R được kéo dài từ 7,5 nămđến trên 10 năm Từ năm 2005, các vệ tinh khối II-RM đã phát thêm tín hiệu L2Cphục vụ dân sự Theo chương trình hiện đại hóa hệ thống GPS, từ tháng 5 năm

2008, Mỹ đã đưa lên quỹ đạo các vệ tinh khối II-F, có tuổi thọ từ 12 năm đến 15năm và phát thêm tín hiệu L5

Hình 1.2 Phân bố vệ tinh trên 6 mặt phẳng quỹ đạo

Năng lượng cung cấp cho hoạt động của các thiết bị trên vệ tinh là nănglượng pin mặt trời Hình dạng vệ tinh GPS được thể hiện ở hình 1.3 Trên hình 1.4thể hiện tiến trình phát triển đoạn không gian của hệ thống GPS

Hình 1.3 Vệ tinh GPS

Hình 1.4 Tiến trình phát triển đoạn khôngMỗi vệ tinh thuộc khối I được trang bị 4 đồng hồ nguyên tử, gồm 2 đồng hồthuộc loại censium và 2 đồng hồ thuộc loại rubidium Người ta sử dụng 4 đồng hồkhông chỉ với mục đích dự phòng mà còn để tạo ra một cơ sở giám sát thời gian vàcung cấp giờ chính xác nhất Hệ thống giám sát thời gian đã được thực hiện đối vớicác vệ tinh GPS thuộc khối II và khối IIR Đồng hồ nguyên tử rubidium có độ ổnđịnh kém hơn một chút so với đồng hồ nguyên tử censium trong thời gian dài Trêncác vệ tinh GPS thuộc khối II, người ta đã nâng cấp thiết bị bởi 3 đồng hồ censium

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

MHz

f O =10,23

1.1.2 Đoạn điều khiển

Đoạn điều khiển được thiết lập để duy trì hoạt động của toàn bộ hệ thống định

vị này Đoạn điều khiển là một hệ thống điều khiển hoạt động (OCS) bao gồm 1 trạm

điều khiển trung tâm (MCS) đặt tại căn cứ không quân của Mỹ gần Colorado springs,

một số trạm theo dõi (MS) và một số trạm điều khiển mặt đất (GCS) (hình 1.5)

Trạm điều khiển trung tâm MCS có nhiệm vụ chủ yếu trong đoạn điều khiển.Trạm điều khiển trung tâm thu nhận tất cả các số liệu giám sát vệ tinh từ các trạmtheo dõi MS để tính toán quỹ đạo vệ tinh và các tham số đồng hồ vệ tinh dựa trênthuật toán lọc Kalman Kết quả xử lý tại trạm trung tâm được chuyển tới các trạmđiều khiển mặt đất GCS để chuyển lên vệ tinh

Hình 1.5 Vị trí các trạm trong đoạn điều khiển của hệ thống GPS

Các trạm theo dõi MS được phân bố quanh Trái đất, đó là các trạm ColoradoSprings, Hawaii, Assension Islands, Diego Garcia và Kwajalein Mỗi một trạm theodõi được trang bị đồng hồ nguyên tử tiêu chuẩn và máy thu GPS để liên tục đokhoảng cách giả đến các vệ tinh có thể quan sát được Các số liệu quan sát được ởcác trạm theo dõi được chuyển ngay về trạm điều khiển trung tâm MCS

Các trạm điều khiển mặt đất GCS, được bố trí tại Assension Islands, Diego

mặt đất, sử dụng dải sóng S, có tần số trong khoảng 2÷4GHz Các trạm điều khiểnmặt đất GCS có nhiệm vụ chuyển lịch vệ tinh và thông tin đồng hồ vệ tinh đã được

xử lý tại trạm điều khiển trung tâm lên các vệ tinh GPS, để từ đó phát tới các máythu của đoạn sử dụng

Như vậy vai trò của đoạn điều khiển rất quan trọng vì nó không chỉ theo dõi,quan sát các vệ tinh mà còn liên tục cập nhật để chính xác hoá các thông tin đạo hàng,trong đó có lịch vệ tinh quảng bá, bảo đảm độ chính xác cần thiết cho công tác định

vị GPS Các công việc quan sát và xử lý của đoạn điều khiển có thể coi là quy trìnhthực hiện “bài toán thuận” nhằm có được vị trí vệ tinh trên quỹ đạo để từ đó cung cấpcho đoạn sử dụng qua lịch vệ tinh quảng bá

Cơ quan bản đồ thuộc Bộ quốc phòng Mỹ (DMA) và Cơ quan trắc địa quốcgia Mỹ (NGS) đã phối hợp với một số nước khác thông qua tổ chức CIGNET xâydựng mạng lưới theo dõi vệ tinh GPS trên toàn cầu Năm 1991 đã có 20 trạm giámsát được đặt ở Mỹ, Achentina, Australia, New Zealand, Cộng hoà Nam Phi, Nigeria,CHLB Đức,Thuỵ Điển, Nauy, Nhật Bản Đến năm 1994 đã tăng lên 48 trạm giámsát, được đặt ở các nước khác như Baranh, Equador, Anh, Trung Quốc vv Vị trí cáctrạm này được xác định toạ độ chính xác nhờ kỹ thuật giao thoa cạnh đáy dài (VLBI)

và kỹ thuật đo laser tới vệ tinh (SLR)

Nhờ các trạm giám sát phân bố trên toàn cầu người ta xác định được chínhxác các tham số quỹ đạo vệ tinh và sự biến đổi của chúng theo thời gian, nhờ đó cáclịch vệ tinh được xác định chính xác hơn Nhiều cơ quan trắc địa bản đồ của các quốcgia 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 quan trắc GPS liên tục và sử dụng nó như

"sân sau" để được sử dụng GPS với độ chính xác cao Trước hết phải kể đến những

cố gắng của tổ chức Hợp tác quốc tế về lưới GPS - CIGNET và tổ chức IGS

1.1.3 Đoạn sử dụng

Đoạn sử dụng bao gồm các máy thu GPS, máy hoạt động để thu tín hiệu vệtinh 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 Máy thu GPS

là phần cứng quan trọng trong đoạn sử dụng Nhờ các tiến bộ kỹ thuật trong lĩnhvực điện tử, viễn thông và kỹ thuật thông tin tín hiệu số, các máy thu GPS ngày mộthoàn thiện Ngành chế tạo máy thu GPS là ngành "kỹ thuật cao" Một số hãng chếtạo còn cho ra các máy thu đa hệ, có thể đồng thời thu tín hiệu từ các vệ tinh GPS,

vệ tinh GLONASS và vệ tinh GALILEO vv Người ta sản xuất ra nhiều chủng loạimáy thu GPS khác nhau Có loại phục vụ mục đích đạo hàng, có loại phục vụ côngtác trắc địa, cũng có loại nhỏ gọn có thể cầm tay, phục vụ du lịch vv Trên hình 1.6

là một máy thu GPS cầm tay, hình 1.7 là máy GPS gắn trên xe ô tô

Hình 1.6 Máy thu GPS cầm tay

Hiện nay đã có nhiều loại máy thu có khả năng đo ở chế độ tức thời (RealTime) Dạng máy thu phổ biến hiện nay là dạng máy thu đa kênh (Multichannel)

Trước đây, các máy thu thường có từ 8 đến 12 kênh, nhưng hiện nay, với sựphát triển của các hệ thống GNSS và quá trình hiện đại hóa đoạn không gian, người

ta đã chế tạo máy thu tin hiệu GNSS có nhiều kênh, thậm chí có đến hàng trămkênh Khi máy thu làm việc, mỗi kênh sẽ độc lập theo dõi và thu tín hiệu từ một vệtinh Kèm theo các máy thu GPS (phục vụ công tác trắc địa) là các phần mềm xử lý

số liệu đo Các phần mềm này cũng được liên tục phát triển, ngày một hoàn hảo vềchức năng và tính tiện dụng

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 đođộng tức thời RTK, đo GPS vi phân DGPS, đo vi phân diện rộng WADGPS Trong

kỹ thuật WADGPS còn sử dụng vệ tinh viễn thông thương mại làm phương tiện trunggian để truyền số cải chính vi phân cho các trạm đo

Để nâng cao độ chính xác và độ tin cậy cho kết quả định vị GPS, thỏa mãn cácyêu cầu định vị tức thời, người ta đã xây dựng các hệ thống tăng cường GBAS, SBAS

1.2 Nguyên lý định vị và các trị đo GPS

1.2.1 Nguyên lý định vị GPS

Định vị là việc xác định vị trí điểm cần đo Tuỳ thuộc vào đặc điểm cụthể của việc xác định toạ độ người ta chia thành 2 loại hình định vị cơ bản:Định vị tuyệt đối và định vị tương đối

a Định vị tuyệt đối

Định vị tuyệt đối khoảng cách giả

Định vị tuyệt đối có thể sử dụng trị đo khoảng cách giả theo tín hiệu code, trị

đo khoảng cách giả theo pha hoặc trị đo Doppler (hiệu khoảng cách)

Trong phần này chỉ xét cho trường hợp định vị tuyệt đối bằng các trị đokhoảng cách giả theo code, là bài toán phổ biến trong đạo hàng bằng GPS

Để giải bài toán này, chúng ta sử dụng lời giải của bài toán giao hội ngược đocạnh trong không gian, bản chất là bài toán ngược xác tọa độ điểm trong định vị vệ tinh

Chúng ta đã xét nguyên tắc đo khoảng cách giả theo tín hiệu code Theonguyên tắc này chúng ta có phương trình trị đo khoảng cách giả từ vệ tinh j đếnmáy thu i tại thời điểm t như sau:

) t ( c ) t ( c ) t ( ) t (

i

j i

j i

j δ

δ

- sai số đồng hồ vệ tinh và đồng hồ máy thu

Như đã nói ở phần trước, sai số đồng hồ vệ tinh

) t (

jδ xác định được nhờ đathức đồng hồ vệ tinh được cung cấp theo lịch vệ tinh, do đó sẽ tính được số hiệuchỉnh cho đồng hồ vệ tinh theo công thức:

rel 2

oe 2

oe 1

0

j( t ) = a + a ( t − t ) + a ( t − t ) + δ

δ

(1.2)trong đó t là thời điểm xét, oe

t

là thời điểm lịch vệ tinh,

relδ

là số hiệu chỉnh dohiệu ứng thuyết tương đối vào đồng hồ vệ tinh, được tính theo công thức:

E sin a e F

rel =

δ

; với

m/s10

*442807633,

4c

) t ( c ) t ( ) t ( c ) t (

i j

j

i + δ = ρ + δ

(1.4)Khoảng cách hình học

) t (

j i

ρ

từ vệ tinh đến anten máy thu tại điểm t được viết:

i j

2 i j

2 i j

là các thành phần của vectơ vị trí địa tâm của vệ tinh j

tại thời điểm t i i i

Z , Y ,

t

(

i j

2 i j

δtại thời điểm đó Về nguyêntắc, bốn ẩn số này hoàn toàn có thể giải được ngay nếu như đồng thời quan sát được ítnhất 4 vệ tinh (hình 1.8) Đây chính là khả năng định vị tức thời của GPS

Ngay trong trường hợp

máy thu di chuyển với tốc độ

cao, chúng ta vẫn liên tục xác

định được vị trí của máy thu, gọi

là định vị tuyệt đối động Việc

xác định vị trí cho đối tượng

động phục vụ dẫn đường (hay

đạo hàng) chính là ý tưởng ban

đầu của hệ thống GPS

Hình 1.8 Định vị tuyệt đối đo khoảng cách giả

Để giải bài toán định vị, chúng ta xét cho trường hợp cơ bản nhất, trong đótạm thời bỏ qua (chưa xét) các ảnh hưởng do tầng điện ly, tầng đối lưu và một sốảnh hưởng khác Sau đây giới thiệu bài toán định vị xác định vị trí máy thu

i

δ tại thời điểm t

Trong phương trình (2.1.6) chỉ có 4 ẩn số đó là i i i

Z , Y ,

X

và

) t (

i

δ Nếu quan sátđồng thời 4 vệ tinh thì sẽ giải được 4 ẩn số nói trên Thông thường có thể quan sát nhiềuhơn 4 vệ tinh, khi đó 4 ẩn số trên sẽ được giải theo nguyên lý số bình phương nhỏ nhất

Giả sử ta quan sát được n vệ tinh (n>4), với mỗi vệ tinh j ta có một phươngtrình trị đo khoảng cách giả dạng:

[X (t) X ] [Y (t) Y] [Z (t) Z ] c (t))

t(

i j

2 i j

i ; Y ; Z

X

sẽkhai triển tuyến tính vế phải của phương trình (1.7) Trong đó thay cho các ẩn số

, với quan hệ sau:

i 0

, i i

i 0

, i i

i 0

, i i

dZ Z

Z

dY Y

Y

dX X

i i

i, dY , dZ

dX

ta được phương trình số hiệu chỉnh:

j i

i j

0 ,

0 , j

i j

0 ,

0 , j

i j

0 ,

0 , j

)t(

Z)t(ZdY.)t(

Y)t(YdX)t(

X)t(

−

−ρ

2 0 , i j

2 0 , i j

j 0 ,

j 0 ,

0 , j

i j

0 ,

0 , j

i j

0 ,

0 , j

)t(

Z)t(ZdY.)t(

Y)t(YdX)

t(

X)t(X

ρ

−

−ρ

−

−ρ

v

v

v V

1 c b a A

n n n

2 2 2

1 1 1

dXX

i i i

l

l

l L

(1.13)Trong ma trận A, các hệ số được tính:

) t (

Z ) t ( Z c

) t (

X ) t ( Y b

) t (

X ) t ( X a

j 0 , i

0 , i j

j

j 0 , i

0 , i j

j

j 0 , i

0 , i j

Để giải bài toán này, thường sử dụng phương pháp tính lặp nhích dần, trong

đó toạ độ gần đúng lần đầu của điểm quan sát có thể chấp nhận là:

0ZY

Xi,0 = i,0 = i,0 =

(1.17)Sau khoảng 5 đến 6 lần tính lặp, sẽ nhận được toạ độ của điểm quan sát Saukhi nhận được ẩn số thứ tư là ∆ d

, sai số đồng hồ máy thu được tính:

c

d ) t (

i = ∆ δ

(1.18)Trong bài toán định vị, có 4 ẩn số là i i i

dZ , dY ,

dX

và ∆d

(hoặc

) t (

i

δ) Đểđánh giá độ chính xác các ẩn số, chúng ta sử dụng ma trận nghịch đảo của ma trận

hệ số phương trình chuẩn, thường ký hiệu là Q:

( )T 1

A A

(1.19)Tương ứng với thứ tự các ẩn số ta có thể viết các phần tử của ma trận Q như sau:

, Y t

, X

t , Z Z , Z Z , Y Z

, X

t , Y Z , Y Y , Y Y , X

t , X Z , X Y , X X , X

QQ

QQ

QQ

QQ

QQ

QQ

QQ

QQ

Q

(1.20)Với ký hiệu như trên ta sẽ tính được sai số vị trí điểm định vị tuyệt đối trongkhông gian theo công thức:

Z , Z Y , Y X

, X

(1.21)Người ta ký hiệu :

Z , Z Y , Y X ,

Q

(1.22)PDOP là độ suy giảm độ chính xác của vị trí điểm, cũng có thể gọi là độ phântản độ chính xác của vị trí điểm

Như vậy PDOP là mức đo chất lượng hình học của lời giải bài toán định vịtuyệt đối, hay là yếu tố đồ hình vệ tinh trong kết quả định vị PDOP không có đơn

vị, giá trị PDOP càng nhỏ thì chất lượng hình học của lời giải càng tốt Khi vệ tinhnhiều và phân bố đều trên bầu trời theo phương vị và góc cao thì PDOP sẽ nhỏ Sai số xác định số hiệu chỉnh đồng hồ

) t (

i

δ được xác định theo công thức:

T , T

(1.24)TDOP được gọi là độ suy giảm độ chính xác đối với thời gian Ngoài rangười ta còn đưa ra khái niệm độ suy giảm độ chính xác hình học là GDOP,

với giá trị GDOP được tính:

T , T Z , Z Y , Y X ,

Q

(1.25) Như vậy trong hệ toạ độ không gian địa tâm XYZ chúng ta đã có các kháiniệm về GDOP, PDOP, TDOP

Nếu xét đến vị trí điểm định vị P trong hệ toạ độ không gian địa diện chântrời x, y, z, (N, E, U) thiết lập tại điểm quan sát, ta có các khái niệm sau:

HDOP là độ suy giảm độ chính xác vị trí mặt bằng, được tính:

y , y x ,

x q q

(1.26)VDOP là độ suy giảm độ chính xác về độ cao, được tính:

z , z

q VDOP =

(1.27)Cũng tương tự như PDOP, các giá trị GDOP, HDOP, VDOP, TDOP đều làmức đo chất lượng hình học của các lời giải

Các giá trị

z , z y , y x ,

z , y y , y y , x

z , x y , x x , x P

T

q q

q

q q

q

q q

q R Q R q

(1.28)Trong đó: - R là ma trận xoay, được xác định theo (1.18);

Z , Y Y , Y Y , X

Z , X Y , X X , X P

Q Q

Q

Q Q

Q

Q Q

Q Q

(1.29)

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

PDOP q

q q

Q Q

(1.30)

- Định vị tuyệt đối chính xác

Định vị tuyệt đối chính xác (PPP) là kỹ thuật định vị GPS sử dụng 1 máy thu

để xác định tọa độ không gian của điểm đặt máy trong hệ ITRF hay WGS-84 với độchính xác rất cao Phương pháp này có thể áp dụng cho định vị tĩnh hoặc định vịđộng, có thể thực hiện xử lý sau hoặc xử lý tức thời Để định vị PPP, cần phải sửdụng tất cả các trị đo bằng máy thu 2 tần số, gồm cả trị đo pha L1, L2, trị đo khoảngcách giả theo code C1, C2 (L2C) và sử dụng cả P1,P2 vốn chỉ được sử dụng cho mụcđích quân sự

Ngay từ năm 1997, dựa trên mạng lưới GPS toàn cầu với các trạm quan sátthường xuyên của IGS và khả năng chuyển dữ liệu tức thời qua Internet, Phòng thínghiệm phản lực JPL thuộc Cơ quan hàng không vũ trụ Mỹ (NASA) đã đưa ra ý tưởngđịnh vị tuyệt đối chính xác tức thời (PPP) Người ta có thể cung cấp các thông tin quỹđạo GPS chính xác (cỡ ≈10cm), các số hiệu chỉnh đồng hồ vệ tinh, các số liệuGNSS, tham số quay của Trái đất, bản đồ toàn cầu về tầng điện ly và tầng đối lưuvới giãn cách từ 30s đến 900s Các dữ liệu này làm cơ sở cho tính toán định vị tuyệtđối chính xác

Liên quan đến phương pháp PPP, hàng loạt vấn đề cần được giải quyết nhằmgiảm thiểu các nguồn sai số ảnh hưởng đến định vị tuyệt đối như: Mô hình địa vật

lý trái đất, bao gồm ảnh hưởng của thủy triều, tải trọng đại dương, hoạt động kiếntạo mảng, ảnh hưởng của khí quyển, gồm ảnh hưởng của tầng điện ly và tầng đốilưu, hiệu ứng cuốn pha (Phase Wind-Up Effect) Ngoài ra, còn phải tính đến các sốhiệu chỉnh khác như lệch tâm anten phát của vệ tinh trong hệ toạ độ cố định với vệtinh, số hiệu chỉnh do thuyết tương đối vv

Để xác định chính xác quỹ đạo và số hiệu chỉnh đồng hồ vệ tinh, người ta đã

sử dụng số liệu quan trắc liên tục tại nhiều trạm GNSS thường trực phân bố trêntoàn cầu và xử lý bằng các chương trình tính toán tiên tiến như GIPSY/OASIS II,BERNESE vv Trong xử lý số liệu định vị chính xác PPP, các trị đo pha sóng tảiđược phối hợp với các trị đo khoảng cách giả theo code, trong đó cần phải xác định

số nguyên đa trị (N) trong trị đo pha Các phép lọc Kalman và lọc tuần tự(Sequential Filter) cũng được áp dụng trong xử lý PPP

Nhờ sử dụng số liệu quỹ đạo chính xác của vệ tinh, số liệu về tầng điện lycủa IGS và các số liệu địa vật lý của Trái đất do IERS cung cấp tức thời thông quacác vệ tinh viễn thông địa tĩnh, người ta đã thực hiện định vị tuyệt đối chính xác tứcthời trên mọi nơi trên Trái đất, vì thế công nghệ này còn được gọi là GPS hiệu chỉnhtrên toàn cầu (GCGPS)

Ngay từ năm 2002, thông qua các trạm IGS và hệ thống thông tin viễn thông,trên toàn bộ lãnh thổ Canađa có thể thực hiện định vị tuyệt đối chính xác tức thời.Qua thử nghiệm cho thấy, định vị tuyệt đối chính xác theo phương pháp đo tĩnh xử

lý sau có thể đạt độ chính xác vị trí cỡ 1÷2 cm, còn áp dụng cho định vị động xử lýtức thời có thể đạt độ chính xác cỡ 1÷2 dm

Năm 2006, hãng TerraTec của Na Uy đã cho ra phần mềm TerraPOS dùng đểtính toán định vị tuyệt đối chính xác xử lý sau Phần mềm này cho phép xử lý định vịtuyệt đối chính xác theo số liệu GPS/GLONASS, trị đo Doppler và phối hợp với sốliệu INS Phần mềm TerraPOS được ứng dụng rộng rãi để tính toán tọa độ chính xáctrong chụp ảnh hàng không, quét LIDAR từ máy bay và trong đo đạc biển

Hiện nay, người ta đã sử dụng công nghệ định vị tuyệt đối chính xác củaFUGRO, NAVCOM, C-NAV vv để xác định độ cao anten máy thu trên tàu đo,tính hiệu chỉnh vào kết quả đo sâu hồi âm, giảm thiểu công tác quan trắc độ caomực nước tại các trạm nghiệm triều vv

b Định vị tương đối

Định vị tương đối là xác định véc tơ hiệu toạ độ

Z , Y ,

X ∆ ∆

∆

(hayH

Kỹ thuật đo pha hiện nay có thể đạt độ chính xác cỡ 1% bước sóng và có thểcao hơn, chính vì thế định vị tương đối đạt độ chính xác rất cao Kết quả định vịtương đối được sử dụng trong trắc địa vào những nhiệm vụ cần độ chính xác cao và

rất cao như xây dựng lưới khống chế quốc gia, các mạng lưới chuyên dụng (nghiêncứu địa động, lưới trắc địa công trình vv ).

Hình 1.9 Định vị tương đốiTrong định vị tương đối bằng trị đo pha sóng tải, cần phải phát hiện và hiệuchỉnh hiện tượng trượt chu kỳ, xác định số nguyên đa trị trong phương trình trị đopha Để loại bỏ hoặc giảm thiểu một số nguồn sai số ảnh hưởng đến kết quả định vị,người ta đã sử dụng các phương trình sai phân (hiệu pha)

Một bộ dữ liệu hoàn chỉnh gồm 25 pages truyền trong 12.5 phút.

Mỗi subframe bắt đầu bằng 2 word: TLM, HOW

- TLM word sử dụng để xác định bắt đầu của một subframe.

- HOW word sử dụng để tính tc trong quá trình xác định vị trí vệ tinh.

Mô tả truyền tín hiệu trong miền thời gian:

Hình 1.10 Mô tả truyền tín hiệu

Mô hình điều chế tín hiệu:

Hình 1.11 Mô hình điều chế tín hiệu

Mã dữ liệu:

Tần số 1 bit dữ liệu GPS: 50Hz truyền trong 20ms

1 word dữ liệu gồm 30bits, truyền trong 600 ms

10 words – 1 subframe truyền trong 6 giây

1.3 Các phương pháp định vị GPS

- Phép định vị tĩnh và định vị động

Hệ GPS có thể được dùng để định vị các vật thể tĩnh tại hoặc các vật thểchuyển động Mặc dù trị quan trắc là như nhau, nhưng trên thực tế do ăng-ten tĩnhhoặc động khác nhau nên dẫn đến những khác nhau rất lớn Nếu ăng-ten cố địnhchúng ta có thể quan trắc nhiều cự li đến vệ tinh khác nhau, việc làm này cho phép

ta có những trị đo dư thừa, giải nghiệm từ nhiều trị đo và nhận được độ chính xáccao của vị trí được xác định Khai ăng-ten chuyển động chúng ta chỉ có thể nhậnđược những chỉ định (Fix) tức thời, (thông thường từ 4 cự ly được quan trắc đồngthời hoặc gần như đồng thời) không có số đo dư thừa

Trong trường hợp định vị tĩnh, chúng ta có thể nhận được hoặc là một kếtquả theo thời gian thực, trong đó mỗi trị quan trắc mới đều được xử lý sao cho cóthể cải thiện được trị tọa độ vị trí đã được xác định trước đó, hoặc là các trị quantrắc có thể được xử lý sau khi kết thuc công tác ngoài trời Chúng ta gọi là nghiệm

xử lý sau (postprocessed solution) Trong phép định vị động, thường người ta cũngtìm kiếm nghiệm theo thời gian thực, nhưng nghiệm này chỉ bao gồm một vị trí(Fix) tại một thời điểm Một chuỗi các kết quả tại những chỉ định này (lộ trình rờirạc của phương tiện lưu thông) có thể được xử lý bằng cách sử dụng một trong sốnhững thủ thuật tiếp cận bằng đường cộng trơn

- Phép định vị tương đối:

Khi đòi hỏi trị đo có độ chính xác cao, cần phải sử dụng phép địnhvị tươngđối Trong kiểu đo này, hai ăng-ten cùng hai máy thu tương ứng được đặt tại haiđầu của cạnh cần quan trắc và phải làm việc đồng thời Sở dĩ có thể đạt được độchính xác cao trong kiểu đo này là vì một số sai số tích lũy trong các cự ly quan trắcthường đồng nhất với nhau hoặc tối thiểu cũng tương tự nhau tại hai đầu của đườngđáy Các sai số này có thể được loại trừ hoặc ít nhất cũng giảm một cách đáng kểkhi xác định trị số định vị tương đối

Một kiểu định vị tương đối đặc biệt hấp dẫn, lần đầu tiên được Ben Remondithuộc Cục đo đạc trắc địa Mỹ đề xuất, ;à kiểu định vị tương đối dạng bán động(relative semi kinematic positioning) Ý tưởng của kiểu đo này là sử dụng một máytĩnh và một máy di động lang thang xung quanh Nếu không xuất hiện trị số trượtchu kỳ trong các máy thu thì có thể liên tục đảm bảo độ chính xác tốt hơn 1 chu kỳ(20cm) của tín hiệu phase phách sóng mang trong các trị số định vị tương đối giữacác máy thu tĩnh và máy thu lang thang Kiến nghị này có hai ngụ ý:

- Các ứng dụng định vị động có thể lợi dụng độ chính xác cao hơn nhiềucủa số đo sóng mang, thay vì bị hạn chế trong độ chính xác của số đo mã

- Mở ra một phạm vi rộng hơn trong ứng dụng phép định vị GPS: lập tamgiác ảnh hàng không, không dùng đến những điểm khống chế mặt đất

- Phép định vị nhiều máy thu

Độ chính xác của các kết quả đo sẽ được cải thiện một cách đáng kể khi một

số máy thu được triển khai dưới dạng một mạng lưới định vị Nói chung, một mạnglưới luôn có cấu hình mạnh hơn về mặt hình học so với một cạnh đo vì có số đo dưthừa – các cạnh đo trong lưới cần phải thỏa mãn những điều kiện được xác địnhbằng phương pháp hình học, Các trị đo dư thừa được dùng để kiểm soát ảnh hưởngcủa những sai số khác nhau, bao gồm sai số ngẫu nhiên và sai số hệ thống trong cáctrị quan trắc Chúng ta để ý thấy rằng ngay cả khi chỉ có 2 máy thu cũng nên liênkết các cạnh đáy thiêt kế thành các mạng lưới, có như thể mới cải thiện được độchính xác của các trị số định vị

Khi triển khai nhiều máy thu, người ta phải đối đầu với những quy luật khácthương, liên quan đến phần lưới mà trên đó các máy thu đang hoạt động và liênquan đến các giai đoạn quan trắc trên tường trạm riêng việt Trong hoàn cảnh nhưvậy, người ta cần phải đặc biệt chú ý thực hiện tối ưu hóa lịch đo để đạt độ chínhxác tốt nhất bằng những công cụ rẻ tiền nhất

- Phép định vị động tương đối

Nếu cần phải xác định vị trí chuyển động với độ chính xác cao thì các phépđịnh vị điểm mô tả trước đây có thể không đủ sử dụng Khi đó, cần phải dùng tớikhái niệm định vị phân sai (differential) tương đối Ý tưởng chính của phép đo này

là dùng một ăng-ten tịnh tại làm điểm tham chiếu Sau đó, máy thu ăng-ten tĩnh tạitruy cập những vệ tinh giống như những vệ tinh đang được máy thu có ăng-tenchuyển động truy cập (tốt nhất là truy cập tất cả các vệ tinh nhìn thấy được) Đọchính xác được coi là phụ thuộc vào vị trí của máy tĩnh tại và sự hoạt động củađồng hồ Sở dĩ có sự khác nhau (tức sai số khép độ dài) giữa những cự li đo tới các

vệ tinh và những cự li tính được từ vị trí “biết trước” của máy thu tĩnh tại và đồng

hồ và sở dĩ có sự biến đổi trông thấy trong vị trí của máy thu tĩnh tại là do có nhữngbiến động tức thời trong thông tin quỹ đạo trong giá trị thời gian trễ do khí quyển vàtrong hoạt động của đồng hồ

Người ta truyền khoảng lệch vị trí (Position offset) hoặc sai số khép độ dàitới máy thu chuyển động thông qua việc nối thông tin liên lạc trong thời gian thực.kết quả của các nghiên cứu cho thấy rằng người ta nhận được những kết quả tốt hơn

và việc bổ sung số liệu chỉnh cũng dể dàng hơn khi dùng sai số khép độ dài thaycho khoảng lệch vị trí Số liệu chỉnh thời gian thực này đã nâng cao độ chính xác và

độ tin cậy của phép định vị động Máy thu tĩnh tại có thể được coi là một vệ tinh giảđặt trên bờ để truyền tín hiệu và thông báo đã được mã hóa bằng cùng một cáchgiống như những gì đã được truyền qua vệ tinh

và độ chính xác đo, hoặc: Trong o là độ chính xác của trị số đo (độ tán xạ tiêu chuẩn)

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

DOP là một trị số vô hướng thể hiện tác động của cấu hình hình học đối với

độ chính xác của vị trí điểm Có nhiều trị số DOP khác nhau, tùy thuộc chúng taquan tâm độ chính xác của một trị số tọa độ riêng biệt hay là tổng hợp của nhữngtọa độ

Khoảng tin cậy đối với vị trí điểm xác định trên mặt phẳng chính là căn bậchai tổng bình phương hai trục của elip sai số Đó chính là HDOP Nói chung, mỗiDOP đều tương đương với một căn bậc hai của tổng các bình phương của khoảngtin cậy trên các trục tương ứng với những tham số chúng ta quan tâm

- Độ suy giảm chính xác

Độ suy giảm chính xác DOP là sô đo cường độ hình học của cấu hình phân

bố vệ tinh GPS Bởi vì cấu hình vệ tinh phụ thuộc vào vị trí, cho nên cường độ cấuhình thay đổi theo thời gian khi các vệ tinh chuyển động trên quỹ đạo của chúng từ

vị trí này đến vị trí kia Chúng ta mong muốn trị DOP càng nhỏ càng tốt Giả thiết

độ chính xác trị số đo là 10m, trị DOP là 5 thì chúng ta có độ chính xác định vị là50m Nếu trị DOP gần bằng đơn vị thì độ chính xác định vị của chúng ta gần bằng

độ chính xác trị số đo 10m

1.4 Phương thức liên kết lưới GPS

Khi thiết kế đồ hình lưới, căn cứ vào mục đích sử dụng, thông thường có 4phương thức cơ bản thành lập lưới: liên kết điểm, liên kết cạnh, liên kết lưới, liênkết hỗ trợ cạnh điểm, Ngoài ra còn có liên kết hình sao, liên kết đường chuyền phùhợp, liên kết chuỗi tam giác Lựa chọn phương thức nào là tùy thuộc độ chính xácyêu cầu của công trình, diều kiện bên ngoài thực địa và số lượng máy thu GPS.Một số đồ hình liên kết:

Hình 1.17 Đồ hình dạng hình sao

1.5 Các nguồn sai số trong đo GPS

Có một số nguồn sai số ảnh hưởng đến kết quả định vị GPS, chúng được chiathành 3 nhóm như sau:

Bảng 1.1 Các nguồn sai số trong định vị vệ tinh

TT Nhóm sai số Gồm các nguồn sai số

1 Sai số phụ thuộc vào vệ tinh - Sai số đồng hồ vệ tinh

- Sai số quỹ đạo vệ tinh

- Nhiễu cố ý SA

2 Sai số phụ thuộc vào sự lan

truyền tín hiệu - Sai số do tầng điện ly- Sai số do tầng đối lưu

- Sai số do đa đường dẫn

3 Sai số liên quan tới máy thu - Sai số đồng hồ máy thu

- Sai số do lệch tâm pha anten

- Sai số do sự không ổn định phầncứng của máy thu

Ngoài 3 nhóm sai số trên, còn có sai số do người đo ảnh hưởng đến kết quả

đo GPS, thí dụ như dọi tâm, cân máy, đo cao anten, đặt nhầm điểm vv

1.5.1 Sai số phụ thuộc vào vệ tinh

- Sai số đồng hồ vệ tinh

Sai số đồng hồ vệ tinh trực tiếp gây ra sai số trong xác định thời gian Trong

đo khoảng cách bằng sóng ánh sáng hay sóng điện từ, sai số thời gian ảnh hưởngđáng kể đến độ chính xác khoảng cách đo

+ Cách khắc phục:

Đối với định vị tuyệt đối khoảng cách giả, sai số đồng hồ vệ tinh được hiệuchỉnh vào khoảng cách giả trước khi sử dụng chúng để giải bài toán định vị Sai sốđồng hồ vệ tinh được xác định nhờ vào đa thức đồng hồ vệ tinh được cung cấp theolịch vệ tinh, do đó tính được số hiệu chỉnh của đồng hồ vệ tinh.

Trong định vị tương đối, để loại bỏ ảnh hưởng do sai số đồng hồ vệ tinh gây

ra, người ta sử dụng phương trình sai phân bậc nhất của các trị đo pha từ hai trạmquan sát đến cùng 1 vệ tinh

- Sai số do quỹ đạo vệ tinh

Sai số do quỹ đạo vệ tinh gây ra được hiểu là khi ta tính được tọa độ của vệtinh nhưng lại không đúng với tọa độ thật của nó (chứa sai số khoảng 2,5m) đóchính là sai số quỹ đạo vệ tinh hay sai số lịch vệ tinh

- Ảnh hưởng của nhiễu cố ý SA

Nhiễu cố ý SA được tạo ra nhằm giảm độ chính xác định vị tuyệt đối bằngcách làm sai lệch đồng hồ vệ tinh và tác động vào việc lập lịch vệ tinh Song ngày20/5/2000, Mỹ đã chính thức bỏ chế độ nhiễu cố ý SA

1.5.2 Sai số phụ thuộc vào sự lan truyền tín hiệu

Tín hiệu vệ tinh truyền đến máy thu trên mặt đất phải xuyên qua khí quyểngồm nhiều tầng, trong đó có tầng điện ly và tầng đối lưu lầ hai tầng ảnh hưởngnhiều nhất tới sự lan truyền tín hiệu vệ tinh, đó được gọi là hiệu ứng khí quyển ảnhhưởng đến tín hiệu vệ tinh Ngoài ra hiện tượng phản xạ, tín hiệu vệ tinh GPS đếnmáy thu có thể bị ảnh hưởng của đa đường dẫn

- Sai số do tầng điện ly

Ảnh hưởng của tầng điện ly đến khoảng cách đo có giá trị trung bình trongkhoảng 5-10m, lớn nhất có thể đến 50m.

+ Cách khắc phục:

Trong định vị tương đối khoảng cách ngắn (nhỏ hơn 10km), ảnh hưởng dotầng điện ly và tầng đối lưu cơ bản được loại bỏ vì ảnh hưởng này được coi là nhưnhau đối với hai máy thu đặt gần nhau Ở khoảng cách trên 10km, để làm giảm ảnhhưởng của tầng điện ly đến kết quả đo, người ta sử dụng máy thu hai tần số

- Sai số do tầng đối lưu

Tầng đối lưu là tầng khí quyển tính từ mặt đất lên độ cao khoảng 50km.Trong tầng đối lưu chứa nhiều hơi nước và bụi khí quyển ảnh hưởng của tầng đốilưu đến tín hiệu điện từ không phụ thuộc vào tần số sóng tải, được chia thành ảnhhưởng của phần khô (trên cao) và ảnh hưởng của phần ướt (dưới thấp)

+ Cách khắc phục:

Để khắc phục ảnh hưởng của tầng đối lưu, người ta nghiên cứu xây dựng môhình khí quyển để dựa vào đố tính toán hiệu chỉnh trị đo nhằm loại bỏ hoặc giảmthiểu nguồn sai số

Ảnh hưởng của tầng đối lưu đến tín hiệu còn phụ thuộc vào góc cao E của vệtinh Góc cao E cao càng nhỏ thì đường truyền tín hiệu trong tầng điện ly và tầng đốilưu càng lớn Chính vì vậy, trong quá trình đo đạc, để giảm bớt sai số này người ta loại

bỏ tín hiệu của vệ tinh có góc cao E<15o (gọi là góc cao giới hạn hay góc ngưỡng)

- Sai số do đa đương dẫn

Hiện tượng đa đường dẫn là do tín hiệu vệ tinh đến máy thu qua nhiều đườngkhác nhau do phản xạ tín hiệu Nếu tín hiệu phản xạ đủ mạnh, máy thu ghi nhận cảtín hiệu truyền thẳng từ vệ tinh đến máy thu và cả tín hiệu phản xạ khi va đập vàocác vật (nhà của, hàng rào, cột điện…) trên đường đi

+ Cách khắc phục:

Cách tố nhất loại bỏ sai số này là sử dụng ăng-ten máy thu có khả năng giảmthiểu tín hiệu đa đường dẫn như loại ăng-ten gồm các vòng xoáy tròn

Một cách khác là bố trí trạm đo GPS phải xa các vật thể dễ phản xạ tín hiệunhư vật liệu kim loại, bê tông…

1.5.3 Sai số liên quan tới máy thu

- Sai số đồng hồ máy thu

Tinh thể thạch anh được dùng để chế tạo ra bộ tạo dao động của đồng hồmáy thu GPS Sai số đồng hồ máy thu gây ra sai số trong các kết quả đo GPS

+ Cách khắc phục:

Trong định vị tuyệt đối khoảng cách giả, ta coi sai số đồng hồ máy thu là ẩn

số thứ tư trong bài toán định vị, tính được sai số đồng hồ máy thu và hiệu chỉnh

Trong định vị tương đối theo pha sóng tải, sử dụng phương trình sai phân bậchai để loại bỏ ảnh hưởng của sai số đồng hồ máy thu

- Sai số do lệch tâm pha ăng-ten

Khi chế tạo máy thu GPS, người ta chế tạo sao cho tâm điện tử của ăng-tentrùng với tâm hình học của nó, nhưng trên thực tế hai tâm này không trùng nhau vàgây ra sai số lệch tâm ăng-ten

+ Cách khắc phục:

Trong khi thao tác đo GPS, đặt máy tại điểm đo luôn qyau logo máy thu vềhướng Bắc với sai số trong khoảng 5o sẽ giảm bớt sai số lệch tâm pha ăng-ten

- Sai số do sự không ổn định phần cứng của máy thu

Máy thu GPS là một thiết bị bao gồm phần cứng và phần mềm, do vậy trongquá trình làm việc có thể gặp tình trạng máy thu làm việc không ổn định Trong môitrường lan truyền tín hiệu luôn có các nguồn sóng điện từ phát ra gây nhiễu tín hiệu

+ Cách khắc phục:

Người sử dụng cần nắm bắt được tình trạng của máy thu thông qua số liệu đođược xử lý đánh giá để có biện pháp khắc phục, sửa chữa máy thu GPS

CHƯƠNG 2 ĐẶC ĐIỂM ĐỐI VỚI LƯỚI KHỐNG CHẾ THI CÔNG

2.1 Một số khái niệm về bố trí công trình giao thông

Bố trí công trình là công tác trắc địa được tiến hành ở ngoài thực địa để xácđịnh vị trí mặt bằng và độ cao của các điểm, độ cao thẳng đứng của các kết cấu, cácmặt phẳng đặc trưng của công trình để xây dựng theo đúng thiết kế

Lưới khống chế thi công thường được thành lập dưới dạng tự do vì:

Độ chính xác yêu cầu trong giai đoạn bố trí thi công công trình cao hơn độchính xác của lưới cơ sở được thành lập trong giai đoạn khảo sát thiêt kế

Hệ toạ độ trong giai đoạn khảo sát là hệ tọa độ nhà nước còn trong giai đoạn

bố trí công trình thường sử dụng hệ tọa độ quy ước riêng

Lưới khống chế thi công thường đượch quy chiếu lên mặt phẳng có độ caotrung bình của khu vực thi công

Cơ sở hình học để chuyển bản thiết kế ra ngoài thực địa là các trục bố trí, vịtrí của chúng chỉ rõ trên bản thiết kế, người ta phân biệt một số trục bố trí như trụcchính, trục cơ bản, trục chi tiết

Trục chính là các trục đối xứng của công trình Đối với công trình dạngtuyến đó là trục dọc của công trình

Trục cơ bản là trục tạo nên hình dạng và kích thước theo chu vi công trình.Trục chi tiết, trục trung gian là những trục để bố trí các phần chi tiết của công trình

Để tiến hành bố trí công trình, cần xây dựng trên thực địa một hệ thống cácđiểm mặt bằng và độ cao gọi là lưới khống chế thi công, tọa độ và độ cao của chúngđược xác định với độ chính xác cần thiết Sau đó tiến hành tính toán và lập các bản

vẽ bố trí dựa trên tọa độ và độ cao các điểm trong lưới và các số liệu thiết kế

- Trình tự thực hiện công tác bố trí công trình

Công tác bố trí công trình được tiến hành theo ba giai đoạn:

Bố trí cơ bản: từ điểm khống chế trắc địa bố trí trục chính của công trình Từtrục chính bố trí trục cơ bản

Bố trí chí tiết: từ trục chính và trục cơ bản bố trí các trục dọc, trục ngang của

Bố trí công nghệ: công tác trong giai đoạn này nhằm đảm bảo lắp đặt và điềuchỉnh các kết cấu xây dựng và thiết bị kỹ thuật.

2.2 Một số yêu cầu chung đối với mạng lưới thi công

Lưới khống chế thi công là một mạng lưới gồm các điểm có tọa độ được xác địnhchính xác và được đánh dấu bằng các mốc kiên cố trên mặt bằng xây dựng và được sửdụng làm cơ sơ để bố trí các hạng mục công trình từ bản vẽ thiết kế và thực địa Lướikhống chế thi công được xây dựng sau khi đã giải phóng và san lấp mặt bằng [4]

Trước khi thiết kế lưới khống chế thi công cần nghiên cứu kỹ bản thuyếtminh về nhiệm vụ của công tác trắc địa, yêu cầu độ chính xác cần thiết đối với việc

bố trí công trình Phải nghiên cứu kỹ tổng mặt bằng công trình để chọn vị trí đặt cácmốc khống chế sao cho chúng thuận tiện tối đa trong quá trình sử dụng và ổn địnhlâu dài trong suốt quá trình thi công xây lắp công trình

Hệ tọa độ của lưới khống chế thi công phải thống nhất với hệ tọa độ đã dùngtrong các giai đoạn khảo sát và thiết kế công trình Tốt nhất đối với các công trình

có qui mô nhỏ hơn 100 ha nên sử dụng hệ tọa độ giả định, đối với công trình có quy

mô lớn phải sử dụng hệ tọa độ nhà nước và phải chọn kinh tuyến trục hợp lý để độbiến dạng chiều dài không vượt quá 1/50 000 (tức là nhỏ hơn 2 mm trên 100 m),nếu vượt quá thì phải tính chuyển

Khi điểm khống chế của lưới đã có trên khu vực xây dựng không đáp ứngđược yêu cầu thì có thể chọn tọa độ một điểm và phương vị một cạnh của lưới đã cólàm số liệu khởi tính cho lưới khống chế mặt bằng thi công công trình

Tùy thuộc vào mật độ xây dựng các hạng mục công trình và điều kiện trangthiết bị trắc địa của các đơn vị thi công lưới khống chế phục vụ thi công có thể cócác dạng chính như sau:

- Lưới ô vuông xây dựng: Là một hệ thống lưới gồm các đỉnh tạo nên cáchình vuông hoặc các hình chữ nhật mà cạnh của chúng song song với các trục tọa

độ và song song với các trục chính của công trình Chiều dài cạnh hình vuông hoặchình chữ nhật có thể từ 50 m đến 100 m; từ 100 m đến 200 m; từ 200 m đến 400 m.

- Lưới đường chuyền đa giác;

- Lưới tam giác đo góc cạnh kết hợp

Số bậc phát triển của lưới khống chế mặt bằng thi công nên bố trí là hai bậc:Bậc một là lưới tam giác hoặc đường chuyền hạng IV Bậc hai là lưới đườngchuyền cấp 1 Đối với các hạng mục công trình lớn và đối tượng xây lắp có nhiềucấp chính xác khác nhau có thể phát triển tối đa là bốn bậc: Bậc 1 là lưới tam giáchoặc đường chuyền hạng IV Bậc 2 là lưới đường chuyền cấp 1 Bậc 3 là lướiđường chuyền cấp 2 và bậc 4 là lưới đường chuyền toàn đạc

Căn cứ vào yêu cầu độ chính xác bố trí công trình để chọn mật độ các điểmcủa lưới khống chế Đối với các công trình xây dựng công nghiệp mật độ của cácđiểm nên chọn là 1 điểm trên 2 ha đến 3 ha Cạnh trung bình của đường chuyềnhoặc tam giác từ 200 m đến 300 m Đối với lưới mặt bằng phục vụ xây dựng nhàcao tầng, mật độ các điểm phải dày hơn Số điểm khống chế mặt bằng tối thiểu làbốn điểm

Lưới khống chế độ cao phục vụ thi công các công trình lớn có diện tích lớnhơn 100 ha được thành lập bằng phương pháp đo cao hình học với độ chính xáctương đối với thủy chuẩn hạng III Nhà nước Đối với các mặt bằng xây dựng códiện tích nhỏ hơn 100 ha lưới khống chế độ cao được thành lập bằng phương pháp

đo cao hình học với độ chính xác tương đương với thủy chuẩn hạng IV Nhà nước

Lưới độ cao được thành lập dưới dạng tuyến đơn dựa vào ít nhất hai mốc độcao cấp cao hơn hoặc tạo thành các vòng khép kín Các tuyến độ cao phải được dẫn

đi qua tất cả các điểm của lưới khống chế mặt bằng Lưới khống chế mặt bằng và độcao cần phải được ước tính độ chính xác một cách chặt chẽ theo nguyên lý số bìnhphương nhỏ nhất Trình tự đánh giá và kết quả đánh giá được nêu trong đề cương

Đặc trưng về độ chính xác của lưới khống chế mặt bằng và độ cao phục vụxây lắp công trình được ghi trong Bảng 2.1; các mốc phải được đặt ở vị trí thuận lợicho việc đặt máy và thao tác đo đạc và được bảo quản lâu dài để sử dụng trong suốtmột thời gian thi công xây lắp cũng như sửa chữa và mở rộng sau này Khi đặt mốcnên tránh các vị trí có điều kiện địa chất không ổn định, các vị trí yêu cầu các thiết bị

có tải trọng động lớn, các vị trí gần các nguồn nhiệt Vị trí các mốc của lưới khốngchế mặt bằng phục vụ thi công phải được đánh dấu trên tổng bình đồ xây dựng

Bảng 2.1.Sai số trung phương khi lập lưới khống chế thi công

Cấp

chính

xác Đặc điểm của đối tượng xây lắp

Sai số trung phương khi lập lưới

Đogóc(“)

Đo cạnh(tỉ lệ)

Độ chênhcao trên 1

km thủychuẩn(mm)

1 Xí nghiệp, các cụm nhà và công

trình xây dựng trên phạm vi lớn hơn

100 ha, từng ngôi nhà và công trình

riêng biệt trên diện tích lớn hơn 10

hơn 100 ha, từng ngôi nhà và công

trình riêng biệt trên diện tích từ 1 ha

đến 10 ha

3 Nhà và công trình xây dựng trên

diện tích nhỏ hơn 1 ha, đường trên

Cùng với sự phát triển của khoa học kĩ thuật, hiện nay việc thiết kế lướikhống chế thi công được tiến hành dựa vào hai phương pháp chủ yếu là:

- Phương pháp thành lập lưới thi công truyền thống

- Phương pháp thành lập lưới thi công bằng công nghệ GPS [2]

2.3.1 Phương pháp thành lập lưới thi công truyền thống

Lưới trắc địa phục vụ cho thi công được thiết kế trực tiếp trên tổng bình đồkhu vực cần xây dựng Các thông số kĩ thuật của lưới phụ thuộc vào các quy định

và kinh nghiệm truyền thống

- Khu vực xây dựng cần vượt là lưới trắc địa đơn hoặc kép

- Khu vực xây dựng công trình công nghiệp là lưới khống chế thi công códạng lưới ô vuông xây dựng

- Khu vực xây dựng công trình có dạng tháp là lưới tứ giác trung tâm

Phương pháp thành lập lưới có thể là phương pháp đo góc, đo cạnh hoặc đogóc-cạnh kếp hợp Tùy thuộc vào trang thiết bị mà đơn vị thi công hiện có

Yêu cầu về độ chính xác của mạng lưới cần thành lập phụ thuộc vào từngdạng công trình

Việc thành lập công trình dựa vào yêu cầu về độ chính xác, đặc điểm thicông của công trình và các dạng đồ hình mẫu đã có sẵn từ trước để sử dụng trongviệc thành lập lưới

Phương pháp này có những ưu nhược điểm sau:

- Ưu điểm: Cho phép thành lập lưới khống chế có tính tương hỗ cao, trị đothừa nhiều nên độ chính xác cao Ngoài ra đồ dình lưới rất chặt chẽ nên dễ dàngkiểm tra chất lượng góc đo, cạnh ở ngoài thực địa Bên cạnh đó phương pháp này

có quá trình đo đạc và thiết bị đơn giản, tính toán bình sai dễ thực hiện

- Nhược điểm: Lưới thi công được thành lập theo phương pháp truyền thốngđòi hỏi rất cao về sự thông hướng, trong giai đoạn chưa giải phóng mặt bằng để xâydựng công trình, khu vực đồi núi, dân cư sẽ khó khăn trong việc thông hướng

2.3.2 Phương pháp thành lập lưới thi công bằng công nghệ GPS