Ứng dụng phần mềm Trimble Total Control (TTC) xử lý dữ liệu đo GPS trong công tác xây dựng lưới khống chế trắc địa

LỜI MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Hệ thống định vị toàn cầu GPS ra đời đã làm thay đổi cơ bản công nghệ xây dựng lưới tọa độ. Đây là bước đột phá trong việc giải quyết nhiệm vụ xây dựng mạng lưới tọa độ, các bài toán định vị và đo nối tọa độ quy mô khu vực và toàn cầu. Ngoài ra, với sự ra đời của công nghệ GPS, đã có thể kiểm soát tốt hơn những hoạt động của tự nhiên, những biến đổi của bề mặt Trái Đất cũng như những hoạt động về đời sống xã hội của chính con người. Với sự phát triển không ngừng của công nghệ GPS, các hãng chế tạo máy thu cũng luôn luôn nâng cấp và cải tiến các phần mềm, ứng dụng phục vụ cho công tác xử lý số liệu đo. Trong đó có phần mềm Trimble Total Control (TTC), một phần mềm mới của hãng Trimble Từ những tính năng ưu việt của hệ thống GPS trong công tác trắc địa, cũng như khả năng ứng dụng cao của phần mềm Trimble Total Control trong thực tiễn sản xuất. Đã thúc đẩy em tìm hiểu và thực hiện đề tài: “Ứng dụng phần mềm Trimble Total Control (TTC) xử lý dữ liệu đo GPS trong công tác xây dựng lưới khống chế trắc địa”. 2. Mục tiêu đề tài Tìm hiểu hệ thống định vị toàn cầu GPS. Cấu trúc và nguyên lý hoạt động của hệ thống. Xử lý được số liệu đo GPS bằng phần mềm TTC 3. Nội dung nghiên cứu Khái quát về hệ thống định vị toàn cầu GPS và phần mềm TTC Thành lập lưới khống chế trắc địa bằng công nghệ GPS Tính toán thực nghiệm 4. Phương pháp nghiên cứu Phương pháp thu thập tài liệu: Thu thập tài liệu, nghiên cứu các tài liệu liên quan đến nội dung của đề tài. Phương pháp tin học: Sử dụng phần mềm TTC xử lý số liệu lưới GPS. Phương pháp chuyên gia: Học hỏi kiến thức, kinh nghiệm của các chuyên gia trong lĩnh vực nghiên cứu.. 5. Cấu trúc đồ án Nội dung chính của đồ án gồm 3 chương:  Chương 1: Khái quát về hệ thống định vị toàn cầu GPS và phần mềm TTC  Chương 2: Thành lập lưới khống chế trắc địa bằng công nghệ GPS  Chương 3: Tính toán thực nghiệm

MỤC LỤC DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

ST

T

Chữ viết

1 TTC Trimble Total Control Phần mềm xử lý số liệu của

6 GLONASS Global Navigation Setellite

System

Hệ thống định vị toàn cầucủa Liên Bang Nga

Hệ thống định vị toàn cầu GPS ra đời đã làm thay đổi cơ bản công nghệxây dựng lưới tọa độ Đây là bước đột phá trong việc giải quyết nhiệm vụ xâydựng mạng lưới tọa độ, các bài toán định vị và đo nối tọa độ quy mô khu vực vàtoàn cầu Ngoài ra, với sự ra đời của công nghệ GPS, đã có thể kiểm soát tốt hơnnhững hoạt động của tự nhiên, những biến đổi của bề mặt Trái Đất cũng nhưnhững hoạt động về đời sống xã hội của chính con người Với sự phát triểnkhông ngừng của công nghệ GPS, các hãng chế tạo máy thu cũng luôn luônnâng cấp và cải tiến các phần mềm, ứng dụng phục vụ cho công tác xử lý số liệu

đo Trong đó có phần mềm Trimble Total Control (TTC), một phần mềm mớicủa hãng Trimble

Từ những tính năng ưu việt của hệ thống GPS trong công tác trắc địa,cũng như khả năng ứng dụng cao của phần mềm Trimble Total Control trong

thực tiễn sản xuất Đã thúc đẩy em tìm hiểu và thực hiện đề tài: “Ứng dụng

phần mềm Trimble Total Control (TTC) xử lý dữ liệu đo GPS trong công tác xây dựng lưới khống chế trắc địa”.

2 Mục tiêu đề tài

- Tìm hiểu hệ thống định vị toàn cầu GPS Cấu trúc và nguyên lý hoạt động

của hệ thống

- Xử lý được số liệu đo GPS bằng phần mềm TTC

3 Nội dung nghiên cứu

- Khái quát về hệ thống định vị toàn cầu GPS và phần mềm TTC

- Thành lập lưới khống chế trắc địa bằng công nghệ GPS

- Tính toán thực nghiệm

4 Phương pháp nghiên cứu

- Phương pháp thu thập tài liệu: Thu thập tài liệu, nghiên cứu các tài liệu liên quan đến nội dung của đề tài

- Phương pháp tin học: Sử dụng phần mềm TTC xử lý số liệu lưới GPS

- Phương pháp chuyên gia: Học hỏi kiến thức, kinh nghiệm của các chuyêngia trong lĩnh vực nghiên cứu

5 Cấu trúc đồ án

Nội dung chính của đồ án gồm 3 chương:

 Chương 1: Khái quát về hệ thống định vị toàn cầu GPS và phần mềm TTC

 Chương 2: Thành lập lưới khống chế trắc địa bằng công nghệ GPS

 Chương 3: Tính toán thực nghiệm

6 Lời cảm ơn

Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong Khoa Trắc địa - Bản đồ,Trường Đại học Tài nguyên và Môi trường Hà Nội đã tận tình chỉ dạy cho emnhững kiến thức hết sức quý báu trong suốt thời gian em học tập tại Nhà trường

Em xin chân thành cảm ơn thầy Nguyễn Xuân Thủy người đã trực tiếp hướng

dẫn, giúp đỡ 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

án của em không tránh khỏi những thiếu sót Rất mong thầy cô giáo cùng cácbạn đồng nghiệp đóng góp ý kiến để em có thể hoàn thiện hình thức và nội dung

đồ án tốt hơn

Em xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, ngày tháng năm 2017

Sinh viên thực hiện

Lê Thị Hà

CHƯƠNG 1: KHÁI QUÁT VỀ HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ TOÀN CẦU GPS

VÀ PHẦN MỀM TRIMBLE TOTAL CONTROL 1.1.Khái quát về hệ thống định vị toàn cầu GPS

Hệ thống Định vị Toàn cầu (tiếng Anh: Global Positioning System - GPS)

là hệ thống xác định vị trí dựa trên vị trí của các vệ tinh nhân tạo, do Bộ Quốcphòng Hoa Kỳ thiết kế, xây dựng, vận hành và quản lý Trong cùng một thờiđiểm, tọa độ của một điểm trên mặt đất sẽ được xác định nếu xác định đượckhoảng cách từ điểm đó đến ít nhất bốn vệ tinh

Các vệ tinh đầu tiên của hệ thống này được phóng lên quỹ đạo vào tháng

2 năm 1978 Toàn bộ hệ thống được hoàn chỉnh từ tháng 5 năm 1994

1.1.1.Cấu trúc và nguyên lý hoạt động của hệ thống định vị toàn cầu GPS

1 Cấu trúc hoạt động của hệ thống GPS

Hình 1 Cấu trúc của hệ thống GPS

Hệ thống định vị toàn cầu GPS gồm 3 đoạn hình 1

- Đoạn không gian (space segment).

- Đoạn điều khiển (control segment).

- Đoạn người sử dụng (user segment).

a) Đoạn không gian (space segment)

Đoạn không gian của GPS bao gồm 24 vệ tinh nhân tạo (được gọi làsatellite vehicle, tính đến thời điểm 1995) Quỹ đạo chuyển động của vệ tinhnhân tạo xung quanh trái đất là quỹ đạo tròn, 24 vệ tinh nhân tạo chuyển độngtrong 6 mặt phẳng quỹ đạo Mặt phẳng quỹ đạo vệ tinh GPS nghiêng so với mặtphẳng xích đạo một góc 55 độ Quỹ đạo của vệ tinh gần hình tròn, ở độ cao20.200 km, chu kỳ 718 phút, thời hạn sử dụng 7,5 năm Hình 2 minh họa chuyểnđộng của vệ tinh xung quanh trái đất.

Từ khi phóng vệ tinh GPS đầu tiên được phóng vào năm 1978, đến nay đã

có bốn thế hệ vệ tinh khác nhau Thế hệ đầu tiên là vệ tinh Block I, thế hệ thứhai là Block II, thế hệ thứ ba là Block IIA và thế hệ gần đây nhất là Block IIR.Thế hệ cuối của vệ tinh Block IIR được gọi là Block IIR-M Những vệ tinh thế

hệ sau được trang bị thiết bị hiện đại hơn, có độ tin cậy cao hơn, thời gian hoạtđộng lâu hơn

Các vệ tinh đều được trang bị đồng hồ nguyên tử với độ chính xác cao

Vệ tinh chủ yếu chạy bằng năng lượng mặt trời, tuy nhiên có cả pin mặt trời để

Hình 1 Chuyển động vệ tinh nhân tạo xung quanh trái đất

dự phòng duy trì hoạt động trong vùng không có ánh mặt trời Vệ tinh GPS cótrọng lượng khoảng 1600kg và khoảng 800kg trên quỹ đạo Tuổi thọ vệ tinh đờimới cũng chỉ khoảng 10 năm, việc thay thế và phóng lên quỹ đạo luôn được duytrì.

b) Đoạn điều khiển (control segment)

Đoạn điều khiển là để duy trì hoạt động của toàn bộ hệ thống GPS cũngnhư hiệu chỉnh tín hiệu thông tin của vệ tinh hệ thống GPS Đoạn điều khiển có

5 trạm quan sát có nhiệm vụ như sau:

- Giám sát và điều khiển hệ thống vệ tinh liên tục

- Quy định thời gian hệ thống GPS

- Dự đoán dữ liệu lịch thiên văn và hoạt động của đồng hồ trên vệ tinh

- Cập nhật định kỳ thông tin dẫn đường cho từng vệ tinh cụ thể

Tất cả 5 trạm đều giám sát, theo dõi vệ tinh và truyền dữ liệu đến trạmđiều khiển chính (đặt tại Colorado Springs bang Colorado của Mỹ, bốn trạmgiám sát còn lại được đặt tại Diego Garcia, Ascension, Kwajalein và Hawaii).Tại đó, dữ liệu được xử lý nhằm tính tọa độ và số hiệu chỉnh đồng hồ vệ tinh

Ngoài 5 trạm trên còn có 3 trạm anten mặt đất (đặt tại Assension Island,Diego Garcia và Kwajalein) dùng để cũng cấp dữ liệu (bao gồm các bản lịch vàthông tin số hiệu chỉnh đồng hồ về tinh trong thông báo hàng hải) tới 3 trạmanten mặt đất và từ đó gửi tiếp tới các vệ tinh Kết quả là trong vòng 1 giờ các

vệ tinh đều có một số liệu đã được hiệu chỉnh để phát cho máy thu

Hình 4 Vị trí các trạm điều khiển và giám sát hệ thống GPS

Hiện nay phần điều khiển đã phát triển thêm một số điểm đặt tại các nướcnhư Achentina, Australia, New Zenland, Baranh, Anh, Cộng hòa Nam Phi,Trung Quốc vv…

c) Đoạn người sử dụng (user segment)

Đoạn người sử dụng bao gồm các máy thu tín hiệu từ vệ tinh để khai thácứng dụng của hệ thống GPS Phần sử dụng GPS gồm 3 bộ phận chính:

 Phần cứng: Phần cứng bao gồm các máy thu mạch điện tử, các bộ daođộng tần số vô tuyến RF (Radio Friquecncy), các anten và các thiết bị ngoại vicần thiết để máy thu hoạt động (ví dụ nguồn điện…)

 Phần mềm: Phần mềm bao gồm các chương trình xử lý dữ liệu thu được

từ vệ tinh Ví dụ chuyển đổi tín hiệu thu được thành những thông tin định vịhoặc dẫn đường… Những chương trình này cho phép người sử dụng tác độngkhi cần để có thể lợi dụng được những ưu điểm của hệ thống định vị GPS.Những chương trình này có thể sử dụng ở điều kiện ngoại nghiệp và được thiết

kế sao cho có thể cung cấp những thông báo hữu ích về trạng thái và sự tiến bộcủa hệ thống tới người điều hành Ngoài ra trong phần mềm còn bao gồm nhữngchương trình phát triển độc lập của máy thu GPS, có thể đánh giá được các nhân

tố như tính sẵn sàng của vệ tinh và mức độ tin cậy của độ chính xác

 Phần triển khai công nghệ: Phần triển khai công nghệ hướng tới mọi lĩnhvực liên quan đến GPS như cải tiến thiết kế máy thu, phân tích và mô hình hóahiệu ứng của anten khác nhau, hiệu ứng truyền sóng và sự phối hợp của chúngtrong phầm mềm xử lý số liệu, phát triển các hệ thống liên kết truyền thống mộtcác tin cậy cho hoạt động định vị GPS cự ly dài và ngắn khác nhau và theo dõicác xu thế phát triển trong lĩnh vực giá cả và hiệu suất thiết bị

2 Nguyên lý hoạt động của hệ thống định vị toàn cầu GPS

Hệ thống định vị toàn cầu GPS thực chất là một mạng lưới bao gồm 27 vệtinh quay xung quanh trái đất Trong số 27 vệ tinh này, 24 vệ tinh đang hoạtđộng, 3 vệ tinh còn lại đóng vai trò dự phòng trong trường hợp một trong số 24

vệ tinh chính bị hư hỏng Dựa vào cách sắp đặt của các vệ tinh này, khi đứngdưới mặt đất, có thể nhìn được ít nhất là 4 vệ tinh trên bầu trời tại bất kì thờiđiểm nào

Phối hợp hoạt động với các vệ tinh quay xung quanh trái đất là 5 trạm theodõi đặt trên mặt đất: trạm chủ được đặt tại Colorado (Mỹ) và 4 trạm khác (không

có người điều khiển) được đặt tại các vị trí rất xa lạ Các trạm theo dõi này thuthập dữ liệu từ các vệ tinh và truyền dữ liệu về trạm chủ Trạm chủ sau đó sẽ xử

lí dữ liệu và đưa ra các thay đổi cần thiết để chuyển dữ liệu chuẩn về các vệ tinhGPS Các vệ tinh GPS bay vòng quanh Trái Đất hai lần trong một ngày theo mộtquỹ đạo rất chính xác và phát tín hiệu có thông tin xuống Trái Đất

Hình 5 Máy thu GPS

Các máy thu GPS nhận thông tin này và bằng phép tính lượng giác tínhđược chính xác vị trí của máy Về bản chất máy thu GPS so sánh thời gian tínhiệu được phát đi từ vệ tinh với thời gian nhận được chúng Sai lệch về thời giancho biết máy thu GPS ở cách vệ tinh bao xa Rồi với nhiều quãng cách đo đượctới nhiều vệ tinh máy thu có thể tính được vị trí đặt máy.

1.1.2 Trị đo, nguyên lý và phương pháp định vị của hệ thống GPS

1 Trị đo của hệ thống GPS

Trị đo GPS là những số liệu máy thu GPS nhận được từ tín hiệu của vệtinh truyền tới, mỗi vệ tinh GPS phát 4 thông số cơ bản dùng cho việc đo đạcchia thành 2 nhóm bao gồm:

d(t): dữ liệu tần số 50bps;

c(t): mã C/A tần số 1.023MHz;

p(t): mã P tần số 10.23 MHz;

ω: tần số sóng mang

Mô tả truyền tín hiệu trong miền thời gian:

Hình 6 Mô hình điều chế tín hiệu

Hình 7 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 page gồm 5 subframes, truyền trong 30 giây.

- 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

2 Nguyên lý định vị của hệ thống GPS

Có hai nguyên lý trong định vị GPS:

- Định vị tuyệt đối: Xác định tọa độ của điểm quan sát trên cơ sở giải bài

toán giao hội nghịch trong không gian khi biết tọa độ vệ tinh

- Định vị tương đối: Xác định hiệu tọa độ của hai hay nhiều điểm quan

sát sau khi so sánh từng cặp điểm định vị tuyệt đối trong cùng ca đo Vectorhiệu tọa độ này được gọi là Baseline

a) Định vị tuyệt đối

Hình 8 Định vị GPS tuyệt đốiGiả sử đặt máy thu tại M và tiến hành thu tín hiệu vệ tinh S

- X, Y, Z là tọa độ điểm M;

- Xi, Yi, Zi là tọa độ các điểm vệ tinh Si;

- Ri là khoảng cách từ các vệ tinh Si đến máy thu.

- Ta có hệ phương trình toán học sau:

(1.1)Trong phương trình (1.1): Xi, Yi, Zi đã biết Ri đo được còn lại 3 ẩn số X,

Y, Z là tạo độ các điểm quan sát

Để giải được tọa độ điểm quan sát, cần ít nhất ba phương trình dạng (1.1)tương ứng phải quan sát tối thiểu ba vệ tinh

- X, Y, Z là tọa độ điểm M;

- X1, Y1, Z2; X2, Y2, Z2; X3,Y3, Z3 tương ứng là tọa độ 3 vệ tinh S1, S2, S3;

- R1, R2, R3 lần lượt là khoảng cách từ các vệ tinh S1, S2, S3 đến máy thu.

Ta có hệ phương trình sau:

(1.2)

Trong hệ phương trình (1.2): X1, Y1, Z2; X2, Y2, Z2; X3,Y3,Z3 đã biết, R1,

R2, R3 đo được Hệ phương trình cho bộ nghiệm duy nhất là X, Y, Z

Trên thực tế, do sai số đo thời gian là∆ t (sai số đồng bộ giữa đồng hồ vệtinh và đồng hồ máy thu) nếu không xác định được Ri mà chỉ xác định được cáckhoảng cách giả tương ứng Ri’

sẽ được rút ra nhờ phương pháp xử lý số liệu đo theo nguyên tắc số bình phươngnhỏ nhất.

b) Định vị tương đối

Hình 9 Định vị tương đối GPSĐịnh vị tương đối là trường hợp sử dụng đồng thời hai hay nhiều máy thuGPS đặt ở điểm quan sát khác nhau để nhận tín hiệu vệ tinh (ít nhất 4 vệ tinh),trên cơ sở so sánh kết quả định vị tuyệt đối giữa các điểm này, rút ra hiệu tọa độ

vuông góc không gian (∆ X , ∆Y , ∆ Z¿hay hiệu tọa độ mặt cầu (∆ B , ∆ L , ∆ H¿ giữachúng trong khung quy chiếu xác định, hiệu tọa độ này tạo thành cạnh cơ sởBaseLine, mặc dù cạnh nằm dưới mặt đất.

Để đạt được độ chính xác cao và rất cao cho kết quả xác định hiệu tọa độgiữa hai điểm xét người ta tạo ra và sử dụng các sai phân khác nhau cho phasóng tải nhằm giảm ảnh hưởng của các nguồn sai số khác nhau như: Sai số củađồng hồ vệ tinh cũng như trong máy thu, sai số tọa độ vệ tinh, số nguyên đatrị… Thực chất vấn đề là lấy trị đo trực tiếp tạo thành trị đo mới (các sai phân)

để loại trừ hoặc giảm bớt các sai số trên Độ chính xác đạt được cỡ cm, chủ yếu

áp dụng trong trắc địa Định vị tương đối thường sử dụng trong pha sóng tải.Nguyên lý đo tọa độ tương đối là xác định pha của sóng mang L1 (với máy thu

1 tần số) hay L1 và L2 (với máy thu 2 tần số)

s(ts ) - Pha của sóng tại thời điểm ts khi vệ tinh bắt đầu phát tín hiệu;

p(t) - Pha của sóng tại thời điểm t khi máy thu nhận được tín hiệu;

Ns

p - Số nguyên lần bước sóng

Từ các công thức trên suy ra:

Công thức (1.10) chính là công thức cơ bản để lập phương trình đo trong

kỹ thuật đo tọa độ tương đối GPS Điều quan trọng nhất là phải tổ hợp các trị đosao cho khử được các thành phần hệ thống p(t), s(t) và p

Với số lượng vệ tinh GPS xuất hiện trên bầu trời nhiều thường nhiều hơn

4, có thể lên tới 10 vệ tinh Bằng cách tổ hợp theo từng cặp vệ tinh ta sẽ có rấtnhiều trị đo Không những thế khi đo tương đối các vệ tinh lại được quan sáttrong khoảng thời gian tương đối dài (từ nửa giờ đến vài giờ) Do vậy, trên thực

tế số lượng trị đo để xác định ra hiệu tọa độ giữa hai điểm quan sát sẽ rất lớn, vàkhi đo sẽ được xử lý theo nguyên tắc bình phương nhỏ nhất

3 Các phương pháp định vị GPS

Trong công tác khai thác và sử dụng hệ thống GPS hiện nay, tùy từng tínhchất công việc, độ chính xác các đại lượng cần tìm mà người ta sử dụng cácphương pháp đo cho cho phù hợp Trên thực tế có một số kĩ thuật đo như sau:

a) Đo tĩnh (Static)

Đo tĩnh (Static) hay đo tĩnh nhanh (Fast–Static) là phương pháp đo tươngđối, sử dụng 2 hay nhiều máy đo đồng thời tín hiệu trong một thời gian dài đểxác định ra hiêu tọa độ giữa các máy thu Các trạm đo đồng thời tạo thành cácđoạn đo (secsion)

Đo tĩnh là phương pháp đo có độ chính xác cao nhất, với máy thu 1 tần và

2 tần số hiện nay cho độ chính xác rất cao phục vụ công tác xây dựng các mạnglưới trắc địa nhà nước, nghiên cứu địa động …

Ở khoảng cách từ vài chục đến vài trăm km thì người ta thường sử dụngmáy đo hai tần số L1, L2 để khắc phục sai số do tầng địa ly

b) Kĩ thuật đo động (Kinematic)

Phương pháp đo dựa trên cơ sở nguyên lý định vị tương đối Cơ sở củađịnh vị động là dựa trên sự khác nhau của trị đo giữa hai chu kì đo, nhận đượcbởi một máy thu tín hiệu của chính vệ tinh nào đó chuyển đến Sự thay đổi đótương đương với sự thay đổi khoảng cách địa diện đến vệ tinh

Kết quả của định vị động là xác định được các điểm trên đường đi củamáy thu di động so với máy thu cố định Trạm máy cố định được gọi là trạmtham khảo hay còn gọi là trạm BASE Máy thu đặt tại trạm này phải đảm bảo cốđịnh trong suốt thời gian đo động Máy thu di động gọi là các trạm ROVE, được

di động trên các điểm đo cần xác định tọa độ (trên đất liền, không trung, trênbiển) Trong quá trình đo, cả hai máy phải đảm bảo thu được liên tục ít nhất 4 vệtinh Định vị động có thể sử dụng đối với trị đo khoảng cách giả hoặc trị đo sóngtải hoặc phối hợp cả hai loại trên Trong trường hợp việc sử dụng đo sóng tải có

độ chính xác cao hơn

c) Kĩ thuật đo giả động (Pseudo-Kinematic)

Phương pháp đo giả động cho phép xác định vị trí tương đối của hàng loạtđiểm 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 nàykhông cần làm thủ tục khởi đo, tức là không cần sử dụng cạnh đáy đã biết Máy

cố định phải thu tín hiệu suốt chu kì đo, máy di động được chuyển tới các điểmcần xác định và mỗi điểm thu tín hiệu 5-10 phút

Sau khi đo hết lượng máy di động quay trở lại điểm xuất phát và đo lặp lạitất cả các điểm theo đúng trình tự như trước, nhưng chú ý phải đảm bảo thờigian dãn cách giữa 2 lần đo tại mỗi điểm không ít hơn 1 tiếng đồng hồ Yêu cầunhất thiết của phương pháp này là có it nhất 3 vệ tinh chung cho cả hai lần đo tạimột điểm quan sát

Điều đáng chú ý nhất trong phương pháp này là máy di động cần thu tínhiệu vệ tinh liên tục trong suốt chu kì đo như phương pháp đo động, tại mỗi điểm

đo máy chỉ đo 5-10 phút sau đó có thể tắt máy di chuyển đến điểm khác

1.1.3 Các nguồn sai số trong định vị GPS

Bảng 1 Bảng thống kê nguồn lỗi khi đo GPS và biện pháp khắc phục

1 Phụ thuộc vệ tinh

- Đồ hình vệ tinh Chọn thời gian PDOP≤ 6

2 Phụ thuộc đường tín hiệu

- Số đa trị nguyên Xác định đơn vị sai phân bậc III

- Trượt chu kỳ Tránh vật cản, sai phân bậc III

3 Phụ thuộc máy thu

- Tọa độ quy chiếu Khống chế chính xác, tin cậy

Cũng như bất kỳ một phương pháp đo đạc khác, việc định vị bằng hệ thốngGPS chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố khác nhau.

Các nguồn sai số trong GPS được chia thành 3 nguồn chính:

- Sai số phụ thuộc vệ tinh.

- Sai số phụ thuộc đường truyền tín hiệu.

- Sai số phụ thuộc máy thu.

a) Sai số phụ thuộc vệ tinh

Sai số đồng hồ vệ tinh: Mặc dù vệ tinh được trang bị đồng hồ nguyên tử

có độ chínhh xác rất cao nhưng vẫn có sai số Trong trị đo khoảng cách giả sửtín hiệu code, khoảng cách từ vệ tinh đến máy thu được tính dựa vào thời gianlan truyền tín hiệu Đại lượng này là hiệu thời gian thu tín hiệu tại máy (được đobằng đồng hồ máy thu) trừ đi thời gian phát tín hiệu (được đo bằng đồng hồ vệtinh) do có thể thấy sai số đồng hồ vệ tinh sẽ gây ra trong trị đo khoảng cách giả

Để hạn chế sai số này thì có dùng số hiệu chỉnh và khi xử lý số liệu đo trongđịnh vị tương đối nên sử dụng các sai phân bậc I

Sai số do đồ hình vệ tinh: Theo nghĩa nào đó, có thể hiểu định vị vệ tinh làgiao hội nghịch khoảng cách trong không gian với điểm gốc là các vệ tinh

Hình 10 Ảnh của đồ hình phân bố vệ tinh

Vì vậy, sự phân bố vệ tinh cũng ảnh hưởng đến kết quả định vị Nếu các

vệ tinh mà đang thu tín hiệu chúng chụm lại với nhau về phía thiên đỉnh thì độchính xác của kết quả định vị sẽ thấp Nếu chúng trải rộng ra phía chân trời thì

độ chính xác của kết quả sẽ tốt hơn nhiều

Để nâng cao độ chính xác định vị, cần chọn điểm đo hợp lý (để có đồhình tốt), chọn vị trí quang đãng đặt máy

Ngoài sai số đồ hình, sai số đồng hồ, vệ tinh còn có thể gây ra các sai sốkhác nhau như sự nhiễu loạn chuyển động vệ tinh, sự xê dịch vị trí các bộ phận

vệ tinh so với trọng tâm vệ tinh…

b) Sai số phụ thuộc đường truyền tín hiệu

Ảnh hưởng của tầng Ion: Tín hiệu vệ tinh trước khi đến máy thu phảixuyên qua môi trường không gian gồm các tầng khác nhau Tầng ion là lớp chứacác hạt tích điện trong bầu khí quyển ở độ cao từ 50 – 1000 km, tầng ion có tínhchất khúc xạ đối với sóng điện từ, chiết suất của tầng ion tỷ lệ với tần số sóngđiện từ truyền qua nó Do vậy trị đo của máy thu 2 tần số cho phép giảm ảnhhưởng tán sắc của tầng ion

Hình 11 Ảnh hưởng của tầng đối lưuẢnh hưởng của tầng đối lưu: Tầng đối lưu có độ cao đến 8km so với mặtđất là tầng làm khúc xạ đối với tín hiệu GPS do chiết suất biến đổi Do vậy số

cải chính mô hình khí quyển phải được áp dụng đối với trị đo của máy một tần

số và cả máy hai tần số, chiết suất của tầng đối lưu sinh ra độ chậm pha tín hiệu,được chia thành hai loại ướt và khô, ảnh hưởng của chiết suất khô được tạothành mô hình loại trừ nhưng ảnh hưởng của chiết suất ướt là nguồn sai số khólập mô hình và loại bỏ trong trị đo GPS

Hiện tượng đa tuyến: Đó là những tín hiệu từ vệ tinh không đến thẳnganten máy thu mà đập vào bề mặt phản xạ nào đó xung quanh rồi mới đến máythu Như vậy kết quả đo không đúng, để tránh hiện tượng này anten phải có tầmnhìn vệ tinh thông thoáng với góc ngưỡng cao hơn 15° việc chọn góc ngưỡngnhư thế này nhằm giảm ảnh hưởng bất lợi của chiết quang khí quyển và hiệntượng đa tuyến

Hầu hết anten GPS gắn bản dạng phẳng, tròn che chắn tín hiệu phản xạ từdưới mặt đất lên

Tầm nhìn vệ tinh và sự trượt chu kỳ: Điểm quan trọng nhất khi đo GPS làphải thu được tín hiệu ít nhất 4 vệ tinh tức là phải có tầm nhìn thông tới các vệtinh đó Tín hiệu GPS là sóng cực ngắn trong phổ điện từ, nó có thể xuyên quamây mù, song không thể truyền qua được tán cây hoặc các vật cản che chắn Dovậy tầm nhìn vệ tinh thông thoáng có tầm quan trọng đặc biệt đối với công tác

đo GPS

Khi sử dụng trị đo pha cần phải đảm thu tín hiệu vệ tinh trực tiếp, liên tụcnhằm xác định số nguyên lần bước sóng khởi đầu Tuy nhiên có trường hợpngay cả khi vệ tinh vẫn nhìn thấy nhưng máy thu vẫn bị gián đoạn thu tín hiệu,trường hợp đó có một số chu kỳ không xác định đã trôi qua mà máy thu vẫnkhông đếm được khiến cho số nguyên lần bước sóng thay đổi và làm sai kết quảđịnh vị Do đó cần phải phát hiện và xác định sự trượt chu kỳ trong tín hiệuGPS Một số máy thu có thể nhận biết sự trượt chu kỳ và thêm vào số hiệu chỉnh

tương ứng khi xử lý số liệu Mặt khác khi tính toán xử lý số liệu GPS có thểdùng sai phân bậc ba để nhận biết và xử lý trượt chu kỳ.

c) Sai số phụ thuộc máy thu

Tâm pha của anten: Tâm pha là một điểm nằm bên trong anten, là nơi tínhiệu GPS biến đổi thành tín hiệu trong mạch điện tử Các trị đo khoảng cáchđược tính vào điểm này Điều này có ý nghĩa quan trọng, ở nhà máy chế tạoanten đã được kiểm định sao cho tâm pha trùng với tâm hình học của nó, tuynhiên tâm pha thay đổi vị trí phụ thuộc vào đồ hình vệ tinh, ảnh hưởng này cóthể kiểm định trước khi đo hoặc sử dụng mô hình tâm pha ở giai đoạn tính xử lý.Quy định cần phải tuân theo là khi đặt anten cần dóng theo cùng một hướng vàtốt nhất là sử dụng cùng một loại anten cho cùng một ca đo

1.2.Phần mềm Trimble Total Control

1.2.1 Giới thiệu phần mềm

Trước tháng 11 năm 2011 các số liệu đo các mạng lưới GPS hầu hết được

xử lý, tính toán bình sai bằng GPSurvey 2.35, vì phần mềm này cho phép xử lýcác số liệu tương đối đa dạng và có tính ổn định cao Nhưng từ tháng 11- 2011đến nay phần mềm nói trên không thể xử lý được các tín hiệu GPS nữa (cụ thể

là không thể giải được cạnh), do đó mỗi hãng máy đã lập phần mềm xử lý riêngcho các số liệu của mình Cụ thể như: Hãng máy Trimble của Mỹ có các phầnmềm: Trimble Total Control (TTC), Trimble Business Center (TBC); Hãng máycủa Trung Quốc: Compass, Hight Geomatics Office (HGO); hãng máy của Thụysỹ: Leica Geomatics Office 5 (LGO5); …

Trimble Total Control là một phần mềm thật sự chuyên nghiệp, phục vụ

đa mục đích, trong đó có modul xử lý số liệu GPS tĩnh phục vụ công tác xâydựng lưới khống chế một cách nhanh chóng và tiện lợi, có thể xử lý số liệu hàngnghìn điểm chỉ trong vòng một thời gian rất ngắn Nó có những công cụ rấtmạnh cho phép xử lý, phân tích và lập báo cáo từ một khối lượng số liệu rất lớnnhanh chóng Trimble Total Control lý tưởng để xử lý số liệu cho các lướikhống chế GPS lớn và các cạnh đo dài Phần mềm Trimble Total Control là mộthợp phần quan trọng trong hệ thống Trimble Toolbox cho các giải pháp đo đạctích hợp

Đặc tính nổi bật:

- Xử lý cạnh đo GPS

- Hỗ trợ cho hệ thống vệ tinh GLONASS của Nga

- Xử lý số liệu đo tĩnh, tĩnh nhanh, đo động và đo động liên tục

- Hỗ trợ cho số liệu GPS thô thu được từ các máy của hãng khác

- Hỗ trợ số liệu toàn đạc điện tử và thuỷ chuẩn số

- Bình sai lưới khống chế

- Chuyển đổi hệ toạ độ và phép chiếu hình

- Tích số liệu GPS và GLONASS

- Phân tích sự biến dạng liên tục của trị đo GPS

- Tạo các bảng báo cáo linh hoạt

Nhược điểm của phần mềm Trimble Total Control:

- Khi trên Project có đồng thời các cạnh xử lý rồi và các cạnh chưa xử lý.Phần mềm chỉ có thể tính riêng từng cạnh chưa xử lý mà không thể tính tất cảcác cạnh chưa xử lý được

- Tính sai số khép hình phải tính thủ công từng tam giác một Không tínhđược tất cả cùng một lúc

CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG LƯỚI KHỐNG CHẾ TRẮC ĐỊA

BẰNG CÔNG NGHỆ GPS 2.1 Khái niệm về lưới khống chế trắc địa

Lưới trắc địa là hệ thống các điểm được đánh dấu bằng các mốc bê tông,liên kết với nhau theo một quy luật toán học nhất định, thông qua các trị đo góc,chiều dài, góc phương vị, từ một điểm có tọa độ có thể tính ra tọa độ các điểmkhác trong lưới (qua quá trình xử lý toán học các kết quả đo)

Có 2 loại lưới khống chế trắc địa:

-Lưới khống chế mặt bằng nếu chỉ biết (X,Y),dùng làm cơ sở xác định vị trí mặtbằng của các điểm

Có 2 phương pháp chính để xây dựng lưới khống chế mặt bằng là lưới tam gíac

và lưới đường chuyền.Ngoài ra , có thể ứng dụng GPS để xây dựng lưới trắc địaVới lưới tam giác: hoặc đo tất cả các góc,hoặc đo tất cả các cạnh,hoặc đo cả góclẫn cạnh

Hình 12: Lưới tam giácVới lưới đường chuyền: có 2 dạng chính là lưới đường chuyền phù hợp và lưới đường chuyền khép kín

Hình 13: Lưới đường chuyền phù hợp

Hình 14 :Lưới đường chuyền khép kín-Lưới khống chế độ cao nếu chỉ biết (H), sử dụng làm cơ sở để xác định độ cao của các điểm trên mặt đất

2.2 Thành lập lưới khống chế trắc địa bằng công nghệ GPS

2.2.1 Yêu cầu chọn điểm trong thành lập lưới khống chế trắc địa bằng công nghệ GPS

Vị trí các điểm GPS được chọn phải thỏa mãn các yêu cầu sau:

- Vị trí điểm được chọn phải phù hợp với yêu cầu của thiết kế kỹ thuật,

thuận lợi cho việc đo nối và cho các công tác đo đạc tiếp theo Điểm chọn phải đặt ở nơi có nền đất, đá ổn định sử dụng được lâu dài và an toàn khi đo đạc

- Vị trí điểm chọn phải thuận tiện cho việc lắp đặt máy thu và thao tác khi

đo, có khoảng không rộng và góc cao của vệ tinh phải lớn hơn 15°

- Vị trí điểm chọn phải thuận tiện cho việc thu tín hiệu vệ tinh, tránh hiện

tượng nhiễu tín hiệu do quá gần các trạm phát song và sai số đa đường dẫn ( Multipath) do phản xạ tín hiệu từ các địa vật xung quanh điểm đo

Vị trí điểm chọn phải cách xa nguồn phát song vô tuyến công suất lớn ( như tháp truyền hình, trạm vi ba ) lớn hơn 200m và tránh xa cáp điện cáo thế lớn hơn 50m

- Đi lại thuận tiện cho đo ngắm.

- Cần tận dụng các mốc khống chế đã có nếu chúng đảm bảo các yêu cầu

nêu trên

Công tác chọn điểm phải tuân theo các yêu cầu sau:

- Vẽ sơ đồ ghi chú điểm ngay ngoài thực địa (kể cả các điểm đã có mốc

cũ)

- Tên điểm GPS có thể đặt theo tên làng, tên núi, tên địa danh, tên đơn vị,

tên công trình Khi tận dụng điểm cũ không đổi tên điểm số hiệu điểm cần được biên tập tiện lợi cho máy tính

- Khi điểm chọn cần đo nói thủy chuẩn, người chọn điểm phải khảo sát

tuyến đo thủy chuẩn ngoài thực địa và đề xuất kiện nghị

- Khi tận dụng điểm cũ phải kiểm tra tính ổn định, sự hoàn hảo, tính an

toàn và phù hợp với các yêu cầu của điểm đo GPS

- Đất dung để chon mốc GPS phải được sự đồng ý của cơ quan quản lý,

người đang sửu dụng đất cần làm thủ tục chuyển quyền sử dụng đất và làm các thủ tục ủy quyền bảo quản mốc

2.2.2 Một số đồ hình lưới trong thành lập lưới khống chế trắc địa bằng công nghệ GPS

Các dạng đồ hình thông dụng:

1 Đồ hình lưới tam giác dày đặc

- Đồ hình lưới tam giác dày đặc đo nối tất cả các cạnh có thể

- Đồ hình lưới tam giác dày đặc chỉ đo nối các cạnh tam giác

2 Đồ hình lưới tứ giác

3 Đồ hình lưới đường chuyền

- Đồ hình lưới đường chuyền dạng chuỗi tam giác đo nối tất cả các cạnh

có thể

- Đồ hình lưới đường chuyền dạng tam giác nối nhau tại 1 đỉnh

- Đồ hình lưới đường chuyền dạng chuỗi tứ giác

- Đồ hình lưới đường chuyền dạng cạnh đơn

Qua thực tế áp dụng các dạng đồ hình trên có thể nhận xét như sau:

- Lưới trắc địa đo bằng công nghệ GPS có thể thiết kế dưới dạng lưới tam

giác, tứ giác hoặc đường chuyền

- Đồ hình lưới tốt nhất là đồ hình tam giác và đường chuyền chuỗi tam

giác đo tất cả các cạnh

- Thứ tự các loại đồ hình theo mức độ giảm dần độ chính xác như sau:

+ Đồ hình lưới tam giác dày đặc đo nối tất cả các cạnh có thể

+ Đồ hình lưới đường chuyền dạng chuỗi tam giác đo nối tất cả các cạnh có thể

+ Đồ hình lưới tam giác dày đặc chỉ đo nối các cạnh tam giác

+ Đồ hình lưới đường chuyền dạng cạnh đơn

- Có thể áp dụng các dạng đồ hình trên đây để thiết kế lưới, nhưng thời

gian đo phải lớn hơn thời gian đo tối thiểu theo thứ tự ngược lại và lưu ý các điểm khởi tính phải đo nối với ít nhất 3 điểm khác

- Thời gian đo càng lớn thì độ chính xác càng tăng Trong điều kiện Việt

Nam, thời gian đo tối thiểu với các cạnh dưới 5 km nên là 90 phút, các cạnh trên 50 km là 180 phút

- Chênh lệch độ dài các cạnh nối các điểm liền kề không được quá lớn

(theo kinh nghiệm không nên lớn hơn 1,5 lần chiều dài cạnh trung bình)

- Góc kẹp giữa các cạnh không ảnh hưởng lớn đến độ chính xác cửa lưới,

nhưng không nên thiết kế góc kẹp quá lớn

2.2.3 Thiết kế ca đo

Thiết kế ca đo (Session) là khâu quan trọng để thi công lưới đạt được cácyêu cầu kinh tế- kỹ thuật Với số lượng điểm đã xác định (bao gồm các điểm cầnxác định và các điểm khởi tính) và tùy thuộc vào số lượng máy thu GPS sửdụng, chúng ta có sẽ có phương án tạo các ca đo phù hợp Có thể thiết kế ca đotrên sơ đồ (hay bản đồ) đã có vị trí sơ bộ của các mốc

Để tính số ca đo ta sẽ áp dụng theo công thức sau:

n = (m.S)/r

Trong đó:

- S là tổng số điểm trong lưới

- r là số máy thu sử dụng để đo

- m là số lần đặt máy lặp trung bình tại điểm

Để thiết kế các ca đo cần có sơ đồ vị trí các mốc lưới, gồm cả mốc mới(cần xác định) và mốc khởi tính (mốc gốc) Căn cứ vào số lượng máy thu đểthiết kế các ca đo theo trình tự, từ ngoài vào trong và phải bảo đảm theo yêu cầu

Trong bảng có: Số hiệu vệ tinh, độ cao vệ tinh và góc phương vị, thời gian quansát tốt nhất để quan sát nhóm vệ tinh tốt nhất, hệ số suy giảm độ chính xác vị tríkhông gian 3 chiều SV ≥6 Khi xung quanh điểm đo có nhiều địa vật che chắnphải lập lịch đo theo điều kiện che chắn thực tế tại các điểm đo.

Tọa độ dùng để lập bảng dự báo cho các vệ tinh là độ kinh, độ vĩ trungbình của khu đo Thời gian dự báo nên dùng thời gian trung bình khi đo ngắm.Khi khu đo lớn thời gian đo kéo dài thì cần lập bảng dự báo cho từng phân khuvới thời gian đo khác nhau và dùng lịch vệ tinh quảng bá có tuổi không quá 20ngày

Căn cứ vào số lượng máy thu, đồ hình lưới GPS đã thiết kế và bảng dựbáo vệ tinh Lập bảng điều độ đo ngắm với nội dung: Thời gian đo, số liệu trạm

đo, tên trạm đo, số liệu máy thu v.v

Độ dài ca đo không ít hơn 30 phút, với điều kiện số vệ tinh quan sátkhông ít hơn 6 và PDOP không lớn hơn 5 Thời gian đo có thể kéo dài thêm đốivới cạnh dài hoặc điều kiện thu tín hiệu tại điểm đo không tốt Thời gian tốithiểu của ca đo nên tham khảo số liệu ở bảng 2

Bảng 2 - Yêu cầu kỹ thuật cơ bản khi do GPS các cấp

Hạng mục

Cấp hạng

Phương Pháp đo

Hạn g

II

Hạn g III

Hạn

g IV

Cấp 1

Cấp 2

Góc cao

của vệ tinh (0)

Đo tĩnh,tĩnh nhanh

Độ dài thời gian ca đo

Trước khi đi đo cần kiểm tra dung lượng của pin và ác quy Máy và cácphụ kiện đi kèm phải đầy đủ

Trước khi thu tín hiệu cần kiểm tra dung lượng bộ nhớ trong của máyhoặc đĩa từ xem còn đủ chỗ dung nạp không.

Khi lắp ăngten cần đảm bảo các yêu cầu sau:

- Sau khi đến trạm đo, phải đặt máy thu ổn định sau đó mới đặt ăng ten (trườnghợp máy thu và ăng ten tách rời nhau);

- Ăng ten lắp trên giá 3 chân phải dọi tâm với sai số <1mm, ăng ten cần đượccân cho bọt thuỷ tròn vào giữa;

- Khi đo trên mốc có định tâm bắt buộc, phải tháo nắp bảo vệ tâm mốc rồi mớilắp ăng ten;

- Vạch định hướng ăng ten phải luôn luôn hướng về phía Bắc với sai số ±50.Những chỗ khó định hướng cần đặt trước cọc định hướng, mỗi lần đo dựa vàocọc định hướng để định hướng ăng ten

Các yêu cầu khi ghi sổ đo ngoại nghiệp:

- Các số liệu gốc và các mục ghi chép theo quy định phải ghi ngay tại hiệntrường thật rõ ràng, sạch sẽ, không được tẩy xoá hoặc chép lại;

- Kết quả thu tín hiệu vệ tinh của các ca đo sau mỗi ngày làm việc phải trút sốliệu vào bộ nhớ ngoài hoặc máy tính;

- Các số liệu trút từ máy thu ra không được có bất kỳ một sự can thiệp hoặc xử

lý nào

3 Công tác đo đạc

Công tác đo ngắm cần tiến hành theo trình tự sau:

-Dựng máy vào đúng điểm đo

-Định tâm và cân bằng máy chính xác

-Nối cáp nguồn vào ăng ten, lắp ăng ten vào đế máy ( dung la bàn để định vịchính xác hướng bắc của ăng ten thu), khóa máy cẩn thận ( bố trí đặt và chechắn nguồn điện để đảm bảo an toàn khi trời mưa)

-Chèn bao cát vào chân máy để đảm bảo tính ổn định của máy trong suốt quátrình đo