Nghiên cứu ứng dụng công nghệ định vị động thời gian thực trong thi công công trình nhà cao tầng

Máy thu độc lập có thể tự xác định vị trí của mình dựa vào tín hiệu từ hệ thống vệ tinh dẫn đường toàn cầu, sau đó bổ sung số hiệu chỉnh nhận từ trạm phát DGNSS để nâng cao độ chính xác

TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI

NGUYỄN MẠNH HÙNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ ĐỊNH VỊ ĐỘNG THỜI GIAN THỰC TRONG THI CÔNG CÔNG TRÌNH

NHÀ CAO TẦNG

Hà Nội - 2018

Cán bộ hướng dẫn: TS Đinh Xuân Vinh

Cán bộ chấm phản biện 1: PGS.TS Trần Viết Tuấn

Cán bộ chấm phản biện 2: TS Lê Văn Hùng

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại:

HỘI ĐỒNG CHẤM LUẬN VĂN THẠC SĨ TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI

Ngày 20 tháng 01 năm 2019

Tôi xin cam đoan: Luận văn này là công trình nghiên cứu thực sự của cá nhân, được thực hiên dưới sự hướng dẫn của Tiến sĩ Đinh Xuân Vinh Các số liệu, những kết luận nghiên cứu được trình bày trong luận văn này là trung thực và chưa từng được công bố dưới bất kỳ hình thức nào

Tôi xin chịu trách nhiệm về nghiên cứu của mình

TÁC GIẢ LUẬN VĂN

Nguyễn Mạnh Hùng

LỜI CẢM ƠN

Trong quá trình thực hiện đề tài và hoàn thành luận văn, tác giả đã nhận được sự giúp đỡ nhiệt tình của các thầy, cô giáo trong Khoa Trắc địa, Bản đồ và Thông tin địa lý – trường Đại học Tài nguyên và Môi trường Hà Nội; cùng với sự giúp đỡ của các bạn bè đồng nghiệp; đặc biệt là TS Đinh Xuân Vinh Xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới các tập thể và cá nhân đã giúp đỡ tác giả hoàn thành bản Luận văn này

Tác giả xin dành lời cảm ơn sâu sắc nhất!

TÁC GIẢ LUẬN VĂN

Nguyễn Mạnh Hùng

TÓM TẮT LUẬN VĂN

+ Họ và tên học viên: Nguyễn Mạnh Hùng

+ Cán bộ hướng dẫn: TS Đinh Xuân Vinh

+ Tên đề tài: Nghiên cứu ứng dụng công nghệ định vị động thời gian thực trong thi công công trình nhà cao tầng

+ Tóm tắt: Ban đầu luận văn giới thiệu tổng quan về công nghệ định vị động thời gian thực (RTK) Tiếp theo tác giả nghiên cứu, rà soát sự thay đổi, biến động về mặt đo đạc số liệu của Thiết kế kỹ thuật – phương án đo đã được phê duyệt so với công nghệ đo bằng máy toàn đạc điện tử Và cuối cùng tác giả đưa ra phương án và kết luận để điều chỉnh Thiết kế kỹ thuật – phương pháp đo cho phù hợp với những công trình, từ đó đề xuất phương pháp công nghệ, bổ sung thiết kế - kỹ thuật xây dựng kỹ thuật đo định vị động thời gian thực (RTK) trong thi công công trình nhà cao tầng

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

TÓM TẮT LUẬN VĂN iii

MỤC LỤC iii

DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT, KÝ HIỆU TIẾNG ANH v

DANH MỤC CÁC BẢNG vi

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ vii

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ ĐỊNH VỊ ĐỘNG THỜI GIAN THỰC TRONG THI CÔNG NHÀ CAO TẦNG 4

1.1 KHÁI QUÁT VỀ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU, TRIỂN KHAI VÀ ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ GPS TRÊN THẾ GIỚI VÀ Ở VIỆT NAM 4

1.1.1 Nghiên cứu trên thế giới 4

1.1.2 Nghiên cứu trong nước 5

1.2 TỔNG QUAN VỀ ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ GNSS TRONG THI CÔNG CÔNG TRÌNH NHÀ CAO TẦNG 7

1.2.1 Các phương pháp đo chủ yếu 7

1.2.2 Các hệ thống tăng cường độ chính xác vị trí điểm thu GNSS 9

1.3 VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI LUẬN VĂN 14

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT CÔNG NGHỆ ĐỊNH VỊ ĐỘNG THỜI GIAN THỰC 15

2.1 KHÁI QUÁT CÔNG NGHỆ GNSS (Global Navigation Satellite System) 15

2.1.1 Khái niệm 15

2.1.2 Cấu trúc chung của GNSS 17

2.2 CẤU TRÚC VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA CÔNG NGHỆ ĐỊNH VỊ ĐỘNG THỜI GIAN THỰC 19

2.2.1 Các quy định khi sử dụng phương pháp RTK GNSS 22

2.2.2 Ưu điểm của công nghệ đo RTK trong Trắc địa-Bản đồ 30

CHƯƠNG 3: THỰC NGHIỆM ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ RTK GNSS

TRONG THI CÔNG NHÀ CAO TẦNG 34

3.1 GIỚI THIỆU KHU VỰC NGHIÊN CỨU 34

3.1.1 Vị trí khu đo 34

3.1.2 Nhiệm vụ triển khai và yêu cầu đạt được 35

3.2 THIẾT KẾ PHƯƠNG ÁN KỸ THUẬT CÔNG TÁC TRẮC ĐỊA 36

3.2.1 Thiết kế phương án sử dụng RTK GNSS 36

3.2.2 Nâng cao độ chính xác kỹ thuật RTK GNSS 44

3.3 THỰC NGHIỆM VÀ PHÂN TÍCH ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 45

3.3.1 Công tác chuẩn bị đồ dùng 45

3.3.2 Cài đặt phần mềm thiết bị đo RTK 46

3.3.3 Ứng dụng SQ-GNSS Config 46

3.3.4 Ứng dụng SQ-GNSS Base 48

3.3.5 Ứng dụng SQ-GNSS Rover 49

3.3.6 Đo thử 51

3.3.7 Đo chính thức 52

3.3.8 So sánh số liệu đo máy toàn đạc điện tử và đo định vị động RTK GPS trong móng cọc khoan nhồi 60

3.3.9 So sánh số liệu đo máy toàn đạc điện tử và đo định vị động RTK GPS trên sàn tầng cao 61

3.3.10 Đánh giá kết quả thực nghiệm 62

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 64

1 Kết luận 64

2 Kiến nghị 64

TÀI LIỆU THAM KHẢO

DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT, KÝ HIỆU TIẾNG ANH

1 GNSS Global Navigation Satellite

System

Hệ thống vệ tinh dẫn đường toàn cầu

2 GPS Global Positioning System Hệ thống định vị toàn cầu

áp dụng trong cả nước từ ngày 12 tháng 7 năm 2000

6 WGS-84 World Geodetic System 1984 Hệ thống tọa độ thế giới

Tên gọi thường gọi GPS của quân đội Mỹ

10 GLONASS

Global Orbiting Navigation Satellite System

Hệ thống vệ tinh dẫn đường quỹ đạo toàn cầu của Nga

11 CORS

Continuously Operating Reference Station

Hệ thống trạm tham chiếu

Bảng 2.1: Các nguồn sai số trong định vị vệ tinh 23

Bảng 2.2: Ảnh hưởng của tầng điện ly đến khoảng cách 26

Bảng 2.3: Ảnh hưởng của tầng đối lưu tới khoảng cách 27

Bảng 2.4: Nguồn lỗi và các biện pháp khắc phục 29

Bảng 3.1: Danh sách phụ kiện trong một bộ thiết bị 56

Bảng 3.2: Tọa độ các điểm mốc công trình 56

Bảng 3.3: Tọa độ các điểm cọc khoan nhồi đo bằng phương pháp máy toàn đạc điện tử 57

Bảng 3.4: Tọa độ các điểm cọc khoan nhồi khi trạm chủ đặt tại HQV1 58

Bảng 3.5: Tọa độ các điểm cọc khoan nhồi khi trạm chủ đặt tại HQV2 59

Bảng 3.7: Tọa độ lưới công trình các điểm tim trục 61

Bảng 3.6: Số liệu đo điểm tọa độ cọc khoan nhồi 60

Bảng 3.8: Số liệu điểm lưới tim trục công trình 61

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Khảo sát bằng RTK GNSS 9

Hình 1.2 Cấu trúc hệ thống WAAS 12

Hình 1.3 Sơ đồ nguyên lý hoạt động của hệ thống GNSS/RTK 13

Hình 2.1 Cấu trúc hệ thống GNSS 18

Hình 2.2 Cấu trúc tín hiệu hệ thống GNSS 18

Hình 2.3 Đo động xử lý tức thời 21

Hình 2.4 Các vector cạnh trong đo động xử lý sau 22

Hình 2.5 Công tác đo RTK ở trạm động tại thực địa 23

Hình 2.6 Sai số ảnh hưởng của tầng đối lưu 26

Hình 3.1 Khởi động trạm chủ 38

Hình 3.2 Kiểm tra tọa độ trạm động trước khi đo 39

Hình 3.3 Máy trạm chủ và phụ kiện 42

Hình 3.4 Máy trạm động và phụ kiện 43

Hình 3.5 Bộ phát Radio Datalink 43

Hình 3.6 Các thiết bị kèm theo 44

Hình 3.7 Bộ nguồn và các thiết bị kèm theo 44

Hình 3.8 Phần mềm thiết bị SQ - GNSS trên PlayStore 46

Hình 3.9 Sơ đồ khi trạm chủ đặt tại HQV1 58

Hình 3.10 Sơ đồ khi trạm chủ đặt tại HQV2 59

Hình 3.11 Sơ đồ lưới mặt bằng thi công 61

1 Cơ sở khoa học và tính thực tiễn của đề tài

Công nghệ định vị động thời gian thực là công nghệ mới sẽ cung cấp khả năng theo dõi chính xác hơn so với công nghệ GPS hiện nay và cho phép thu thập thông tin trên diện rộng và đa thời gian Công nghệ định vị động thời gian thực cho phép tổ chức lưu trữ, quản lý, cập nhật và phân tích dữ liệu nhằm phục vụ cho mục đích sử dụng Công nghệ này được một nhóm nghiên cứu ở chính phủ Mỹ cho biết sẽ cung cấp khả năng theo dõi chính xác hơn so với các công nghệ cũ và các tín hiệu sẽ không biến mất ở các điểm mù và

không bị tắc nghẽn

Và đặc biệt trong ngành Trắc địa - Bản đồ Với độ chính xác định vị cỡ

cm và có khả năng lên tới cỡ mm khi áp dụng các phương pháp bình sai với lưới tọa độ khống chế của Nhà nước Công nghệ định vị động thời gian thực cung cấp cho người sử dụng trong lĩnh vực đo đạc, trắc địa, xây dựng bản đồ một giải pháp định vị chính xác toàn diện mang tính mạng lưới Từ đó các giai đoạn của đo đạc và thành lập bản đồ đã được rút ngắn đi đang kể giúp giảm bớt chi phí, nhân lực, tăng tiến độ thi công Và với phương pháp đo động xử lý tức thời đã định vị độ chính xác cao có thể ứng dụng trong thi

công xây dựng

Với mục tiêu giải quyết loại bỏ sai số đến mức thấp nhất và tăng tiến độ thi công trong công trình xây dựng dân dụng được áp dụng bằng công nghệ định vị động thời gian thực tôi đã quyết định lựa chọn đề tài: Nghiên cứu ứng dụng công nghệ định vị động thời gian thực trong thi công công trình nhà cao tầng Luận văn thạc sĩ này tôi sẽ trình bày về phương pháp RTK GNSS so với công nghệ truyền thống trong công trình xây dựng

2 Mục tiêu của đề tài

- Mục đích của công nghệ định vị động thời gian thực là để giảm thiểu ảnh hưởng của sai số phụ thuộc vào khoảng cách và vị trí được tính toán trong phạm vi giới hạn của mạng lưới

- Nghiên cứu ứng dụng công nghệ định vị động thời gian thực để ứng dụng các thành quả đạt được trong quá trình xây dựng công trình

3 Nội dung nghiên cứu

- Tổng quan về công nghệ định vị động thời gian thực (RTK) của hệ thống dẫn đường toàn cầu và các ứng dụng trong thực tiễn sản xuất Trắc địa - Bản đồ;

- Nghiên cứu quy trình, biện pháp của công nghệ định vị thời gian thực trong công tác trắc địa phục vụ cho công trình nhà cao tầng hiện nay ở Việt Nam;

- Thực nghiệm ứng dụng công nghệ định vị động thời gian thực của hệ thống dẫn đường toàn cầu xác định ;

- Đánh giá kết quả thực nghiệm

4 Phương pháp nghiên cứu

- Phương pháp lý thuyết: Nghiên cứu cơ sở khoa học của công nghệ RTK GNSS và quy trình các công tác trắc địa trong thi công nhà cao tầng

- Phương pháp tổng hợp và kế thừa: Thu thập các tài liệu liên quan như các nghiên cứu ứng dụng về công tác thi công nhà cao tầng đã có từ trước Phân tích các kỹ thuật và lựa chọn các phương pháp nghiên cứu phù hợp để xác định vị trí tim trục trong thi công nhà cao tầng được thực hiện

- Phương pháp sử dụng công nghệ RTK GNSS: Cung cấp dữ liệu đầu vào cho luận văn, tiến hành điều tra thực địa và thực hành đo RTK GNSS để nhận được số liệu và kinh nghiệm khảo sát dựa trên tinh thần làm việc nghiêm túc, cẩn thận tỉ mỉ để có được sự đảm bảo uy tín và tin cậy

- Phương pháp tích hợp thông tin trong công nghệ RTK GNSS: Tìm hiểu

và nghiên cứu công nghệ thông tin tích hợp trong phần mềm xử lý số liệu đo

- Phương pháp tin học: Sử dụng các phần mềm xử lý số liệu có sẵn hiện nay như phần mềm soạn thảo văn bản và tính toán số liệu của Microsoft Office, phần mềm hiển thị đồ họa như Auto CAD, phần mềm xử

lý dữ liệu đo GNSS,

Chương 1: Tổng quan về ứng dụng công nghệ định vị động thời gian thực trong thi công nhà cao tầng

Chương 2: Cơ sở lý thuyết công nghệ định vị động thời gian thực

Chương 3: Thực nghiệm ứng dụng công nghệ RTK GNSS trong thi công nhà cao tầng

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ ĐỊNH VỊ ĐỘNG THỜI GIAN THỰC TRONG THI CÔNG NHÀ CAO TẦNG 1.1 KHÁI QUÁT VỀ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU, TRIỂN KHAI VÀ ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ GPS TRÊN THẾ GIỚI VÀ Ở VIỆT NAM

1.1.1 Nghiên cứu trên thế giới

Năm 1983 bằng công nghệ GPS người ta xây dựng mạng lưới trắc địa ở Eifel (CHLB Đức) Tiếp theo đó nhiều mạng lưới cũng được xây dựng ở Montgomery Country, Pennsylvani (Mỹ)… Ưu điểm chủ yếu và quan trọng nhất của công nghệ GPS là có thể xác định được các véc tơ cạnh giữa các điểm trắc địa với độ chính xác cao mà không đòi hỏi sự thông hướng giữa các điểm đó Ngay từ những năm 90 của thế kỷ XX, khi hiểu được lợi thế của GPS người ta đã nói rằng, công nghệ GPS đã đưa các phương pháp xây dựng lưới trắc địa truyền thống thành “Những con khủng long thời tiền sử” Để hướng dẫn thành lập lưới GPS tiểu ban lưới trắc địa (FGCS) của hiệp hội trắc địa quốc tế đã nghiên cứu và xuất bản “Tiêu chuẩn độ chính xác trắc địa hình học và hướng dẫn sử dụng kỹ thuật định vị GPS tương đối” (Geometric Geodetic Accuracy Standards and Specification for using GPS Relative Positioning Techniques) và tài liệu “Các tiêu chuẩn và hướng dẫn đối với lưới khống chế trắc địa” (Standards Standards and Specification for Geodetic Contron Networks) Cho đến nay nhiều nước trên thế giới đã coi GPS là phương pháp chủ yếu trong xây dựng các mạng lưới trắc địa

Bằng kỹ thuật đo tương đối tĩnh, người ta có thể xây dựng được các mạng lưới có cạnh dài đến hàng nghìn km Khung tọa độ quốc tế ITRF (International Celestial Reference Frame) thực chất là mạng lưới có cạnh dài như vậy Bằng công nghệ GPS các nước châu Âu đã cùng nhau xây dựng khung tọa độ châu Âu gọi là EUREF (European Referance Frame) Từ khi GPS được sử dụng trong trắc địa, một số quy tắc và tiêu chuẩn phân cấp lưới tọa độ trước đây đã bị thay đổi

Từ khi có công nghệ GPS,người ta đã đưa các khái niệm mới đối với

lưới động (Active control networks)

Các mạng lưới tĩnh là các mạng có các mốc cố định trên mặt đất được đo với độ chính xác cao và là cơ sở trắc địa trải rộng liên tục trên 1 mục đích nhất định Các số liệu của các điểm trong mạng lưới được gọi là không đổi và không có sai số Các mạng lưới này thường có độ chính xác đo chiều dài cạnh

cỡ 1:250000 và đo độ cao cỡ một vài mm trên 1km Có thể thấy rằng các mạng lưới này thuộc hệ thống lưới tọa độ và độ cao Nhà nước

Các mạng lưới động là các mạng lưới gồm một số điểm cố định có vai trò là các trạm theo dõi (Moniter Stations) làm cơ sở để xác định tọa độ cho nhiều điểm khác Các điểm cần xác định tọa độ cũng có thể là các điểm chuyển động cần xác định tọa độ tức thời Với ý tưởng này từ nguyên tắc đo GPS vi phân (DGPS) người ta đã xây dựng hệ định vị vi phân diện rộng WADGPS (Wide – Area diferentital GPS) Hệ thống ACS của Canada (Canadian Active coltrol System ) là một ví dụ về loại lưới này Mạng ACS được xây dựng bắt đầu năm 1985 , bao gồm 20 trạm theo dõi bố trí đều có Trạm chủ đặt tại Ottawa Hiện nay một số nước đã phát triển kỹ thuật định vị động với các trạm tham chiếu vào VRS (Virtual Reference Station)

1.1.2 Nghiên cứu trong nước

Năm 1990, cục đo đạc và bản đồ Nhà nước đã quyết định ứng dụng công nghệ GPS để đổi mới công nghệ xây dựng lưới tọa độ Sau khi thử nghiệm thành công, công nghệ GPS được áp dụng ngay vào sản xuất để thi công lưới tọa độ cạnh ngắn Minh Hải, Sông Bé và Tây Nguyên gồm 117 điểm Đây là những địa bàn còn lại chưa có lưới tọa độ vì không đủ điều kiện để thi công theo công nghệ đo đạc truyền thống

Năm 1991, công nghệ GPS khoảng cách dài được thử nghiệm thành công, từ năm 1991 – 1992 chúng ta đã sử dụng công nghệ GPS để xây dựng một số mạng lưới hạng II ở những vùng khó khăn (Minh Hải, Tây Nguyên ) Sử dụng GPS để xây dựng lưới trắc địa biển gồm 36 điểm đo nối

tất cả các đảo, quần đảo lớn với đất liền trong đó có 23 điểm trên quần đảo Trường Sa, kết nối đất liền với hải đảo xa trong một hệ thống tọa độ chung Năm 1995, tổng cục địa chính đã quyết định xây dựng lưới tọa độ cấp

“0” bằng công nghệ GPS cạnh dài (bằng máy 2 tần) với chiều dài cạnh trung bình khoảng 120 km gồm 71 điểm trong đó có 56 điểm trùng các điểm tọa độ hạng I, hạng II đã đo; Trong số các điểm mới đo có một điểm gốc mới ở Hà Nội Lưới tọa độ cấp “0” đóng vai trò kiểm tra chất lượng các lưới tọa độ hạng I, hạng II đã xây dựng, kết nối thống nhất và tăng cường độ chính xác cao, làm cơ sở đo lưới tọa độ với các lưới quốc tế

Hệ quy chiếu và hệ tọa độ Quốc Gia là cơ sở toán học của công tác trắc địa mà bản đồ mà mỗi quốc gia nhất thiết phải xác lập để thể hiện độ chính xác

và thống nhất các dữ liệu đo đạc và bản đồ Hệ quy chiếu và hệ tọa độ Quốc gia HN-72 đến giai đoạn này không còn đáp ứng được yêu cầu kỹ thuật mà thực tế đòi hỏi Do đó việc lựa chọn một hệ quy chiếu Quốc Gia mới phù hợp và chính xác là nhiệm vụ bức xúc được Tổng cục địa chính đặc biệt quan tâm Công nghệ GPS đã đóng góp đáng kể trong việc thực hiện nhiệm vụ trên

Công trình tính toán xác định hệ quy chiếu hợp lý cho Việt Nam, bình sai hệ thống lưới tọa độ Nhà Nước để thống nhất hệ tọa độ Quốc Gia được bắt đầu từ năm 1992 Năm 1998, Tổng cục địa chính đo đạc bổ sung, tích hợp lưới tọa độ cấp “0” , định vị hệ quy chiếu bằng trị đo GPS –thủy chuẩn, xây dựng mô hình Geoid, kết nối với các lưới quốc tế, bình sai hỗn hợp lưới vệ tinh - mặt đất để xác định Hệ quy chiếu và Hệ tọa độ Quốc Gia

Từ năm 1995, để phục vụ cho công tác đo đạc lập bản đồ địa chính ở địa phương, Tổng cục địa chính bắt đầu triển khai xây dựng lưới địa chính

cơ sở (tương đương lưới tọa độ Quốc Gia hạng III), việc tính toán bình sai tổng thể mạng lưới đã hoàn thành vào năm 2004 Bộ Tài Nguyên và Môi trường đã kết thúc công tác xây dựng mạng lưới địa chính cơ sở và chính thức công bố hoàn thành (gồm 13.836 điểm) Toàn bộ lưới tọa độ này được

đo đac bằng công nghệ GPS

trạm GPS cố định: Đồ Sơn, Vũng Tàu, Lai Châu, Hà Giang, Cao Bằng, Quảng Nam cung cấp số liệu cải chỉnh phân sai cho đo tọa độ bằng công nghệ GPS trong đo vẽ bản đồ, điều tra Tài nguyên, phân giới cắm mốc và phục vụ

an ninh quốc phòng

Ở nước ta công nghệ GPS đã và đang được ứng dụng rộng rãi trong công tác xây dựng lưới địa chính và lưới khống chế đo vẽ để thành lập bản đồ địa chính các tỷ lệ tại một số địa phương Qua thực tế thấy rằng công nghệ này có chiều hướng phát triển tốt, khẳ năng ứng dụng cao, đem lại hiệu quả về cả kỹ thuật và kinh tế Các chỉ tiêu thành lập lưới địa chính bằng công nghệ GPS đã được quy định tại Quyết định số 08/2008/QĐ-BTNMT ngày 10 tháng 11 năm

2008 của Bộ Tài Nguyên Môi Trường

1.2 TỔNG QUAN VỀ ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ GNSS TRONG THI CÔNG CÔNG TRÌNH NHÀ CAO TẦNG

Các ứng dụng của công nghệ GNSS trong kỹ thuật Trắc địa – Bản đồ có rất nhiều Trước tiên phải kể đến các ứng dụng trong xây dựng lưới khống chế trắc địa Nơi áp dụng đầu tiên công nghệ GNSS vào xây dựng mạng lưới khống chế trắc địa phải kể đến tỉnh Eiffel thuộc một bang miền tây Cộng hòa Liên bang Đức vào năm 1983 Tiếp theo là các ứng dụng trắc thành lập bản

đồ và mặt cắt địa hình Trong trắc địa công trình, GNSS được ứng dụng khi chuyển thiết kế thi công ra thực địa, hay còn gọi là Stake out hoặc Setting out Trong truyền độ cao thi công, tương đương thủy chuẩn kỹ thuật hoặc thủy chuẩn hạng IV, công nghệ GNSS cũng được sử dụng rất nhiều vì sự tiện lợi

gốc Phương pháp này cho độ chính xác vị trí điểm cao nhất trong các phương pháp thu GNSS, cỡ 1 mm

b/ Đo tĩnh nhanh (Fast Static)

Đối với xây dựng lưới khống chế trắc địa cấp thấp, độ chính xác yêu cầu

cỡ cm so với điểm gốc, có thể áp dụng phương pháp này vì sự tiện lợi của nó Thời gian thu tín hiệu rút ngắn còn dưới 10 phút Khoảng cách giữa điểm khống chế gốc với điểm phát triển thêm có thể 15 đến 20 km

Phương pháp này hiệu dụng khi tăng dày và phát triển mạng lưới trắc địa Số liệu đo được xử lý hậu kỳ

c/ Đo động (Kinematic)

Phương pháp phổ biến đo chi tiết thành lập bản đồ thường là Động Dừng Tiến (Stop and Go) hoặc Động Liên tục (Continuous) Yêu cầu số lượng vệ tinh phải lớn hơn 4 đối với mỗi máy tham gia Có một máy chủ (Base) và nhiều máy di động (Rove) Cũng có trường hợp 2 máy chủ nhằm nâng cao độ chính xác điểm trạm động Mỗi phương pháp đo cụ thể phải được thiết kế và lên kế hoạch đo từ trước, tránh hiện tượng mất tín hiệu trên đường đo Phương pháp động liên tục phù hợp điểm đo có dạng tuyến liên tục, có thể tuyến thẳng hoặc cong Phương pháp động dừng tiến phù hợp điểm đo có dạng điểm đặc trưng địa hình địa vật Khoảng cách từ điểm trạm chủ đến các điểm động có thể tới 5 km Độ chính xác đạt được cỡ cm

d/ Đo RTK GNSS

Đo bằng RTK GNSS là sử dụng kỹ thuật định vị tương đối dựa trên pha sóng tải từ máy thu Người đo cần nhiều hơn hai máy thu tín hiệu vệ tinh, trong đó một máy được cố định tại điểm đã biết tọa độ, nhằm trao đổi thông tin tức thời tới máy thu di động, với khoảng cách tới 15 km Bởi vì phương thức truyền thông tin tiện lợi nên phương pháp này ngày nay được sử dụng rộng rãi

Hình 1.1 Khảo sát bằng RTK GNSS

Phương pháp đo này dựa trên thông tin đã biết từ trạm cố định (Base) được truyền tới máy thu di động (Rove) thông qua tín hiệu truyền thông (radio, SMS, 3G), hình 2.4 Tương tự như kỹ thuật đo động GNSS, tần số lấy mẫu trong máy thường đặt ở 1 giây Một phần mềm tích hợp với máy di động

và xử lý các trị đo GNSS được lựa chọn tại cả hai trạm chủ và động để giải ra

vị trí điểm động với độ chính xác cỡ cm

Các tham số ước lượng về pha sóng tải được giải gần như ngay lập tức bằng cách sử dụng kỹ thuật được gọi là ON THE FLY Việc ước lượng số nguyên lần bước sóng được cố định giá trị và máy thu di động sẽ đưa ra tọa

độ đúng tại nơi đặt máy Không có quá trình xử lý hậu kỳ nào Mỗi điểm động dừng khoảng 30 giây để cho phép tính ra trung bình vị trí điểm Trị đo được lưu trữ trong máy và có thể kết nối với tính để phun điểm lên màn hình thông qua phần mềm CAD Phương pháp này được sử dụng phổ biến, điều kiện thực hiện với máy thu hai tần số

1.2.2 Các hệ thống tăng cường độ chính xác vị trí điểm thu GNSS

a/ Hệ thống tăng cường cơ sở mặt đất:

Hệ thống tăng cường độ chính xác vị trí điểm thu tín hiệu GNSS dựa trên

cơ sở kỹ thuật RTK và thường được gọi là Định vị vi phân, nhưng có điểm

khác biệt với RTK Đó là, hệ thống DGNSS có thể áp dụng với máy thu độc

lập Vị trí đã biết của trạm tham chiếu sẽ đuợc sử dụng để tính các số cải

chính DGNSS duới dạng các số cải chính tọa độ, gọi là phương pháp vị trí

(Position Method) hoặc các số cải chính vào khoảng cách giả, gọi là phương

pháp hiệu chỉnh trị đo hay phương pháp trị đo (Measurement Method) Máy

thu độc lập có thể tự xác định vị trí của mình dựa vào tín hiệu từ hệ thống vệ

tinh dẫn đường toàn cầu, sau đó bổ sung số hiệu chỉnh nhận từ trạm phát

DGNSS để nâng cao độ chính xác vị trí điểm của bản thân nó Các số hiệu

chỉnh này được truyền đi bằng sóng vô tuyến dưới dạng Radio hoặc dạng mã

hóa CDMA như tín hiệu 3G của sóng điện thoại viễn thông Đương nhiên

máy thu cũng phải có thiết bị nhận tín hiệu vô tuyến viễn thông để có thể hiệu

chỉnh tức thời tọa độ điểm thu Trường hợp máy thu không thể nhận tín hiệu

tức thời để hiệu chỉnh tọa độ, nó có thể khai thác dữ liệu này tại trạm DGNSS

sau đó Việc hiệu chỉnh độ chính xác điểm thu sẽ là xử lý sau

Các số cải chính từ trạm định vị vi phân có nhiều dạng:

- Số cải chính dạng tọa độ Tại trạm tham chiếu A vào thời điểm t sẽ tính

được số cải chính tọa độ theo công thức:

Trong đó:

- 𝐴 là tọa độ đã biết trong hệ tọa độ thực dụng của điểm A;

- 𝐴(𝑡) là tọa độ định vị tuyệt đối bằng máy thu GNSS tại điểm A ở thời

điểm t;

Hiệu tọa độ tính được gọi là số cải chính vi phân, được phát đi rộng rãi

theo phương thức vô tuyến cho các đơn vị sử dụng (rove) để hiệu chỉnh vào

kết quả định vị tại cùng thời điểm t Nếu trạm B (rove) là trạm sử dụng dịch

vụ của trạm A (Base) Trạm B sử dụng kỹ thuật định vị tuyệt đối, thì tọa độ

của trạm B sau cải chính vi phân sẽ là:

(1.1)

Có thể thấy rằng phương pháp này khá đơn giản và không linh hoạt Nó

đòi hỏi số vệ tinh quan sát được tại cả hai trạm A và B phải như nhau Do vậy

phương pháp này chỉ phù hợp trong phạm vi hẹp

- Số cải chính khoảng cách giả trị đo từ trạm tham chiếu liên tục A tới vệ

tinh j được tính theo công thức:

(1.3) Trong đó 𝜌𝑗(𝑡) là khoảng cách từ máy thu A tới vệ tinh j được tính từ tọa

độ vệ tinh tại thời điểm t và tọa độ đã biết của trạm tham chiếu liên tục A;

𝑅𝑗(𝑡) là khoảng cách giả từ máy thu A đến vệ tinh j tại thời điểm t

Trường hợp này các số cải chính 𝛿𝜌𝑗(𝑡) lập tức được phát đến các máy

thu di động B (rove) Tại trạm di động B, máy thu khi khoảng cách giả sẽ

cộng thêm các số cải chính nói trên nhằm chính xác hóa khoảng cách của B

tới vệ tinh j Phương pháp này tỏ ra linh hoạt hơn, song trạm B phải có phần

mềm giải bài toán định vị

Trong định vị vi phân diện hẹp, các số cải chính được định dạng theo tín

hiệu MSK và sử dụng tần số sóng MF để phát đến trạm động của người sử

dụng trong bán kính vài trăm km Đây là phương pháp sử dụng trạm tham

chiếu đơn Về cơ bản, kỹ thuật DGNSS một số nguồn sai số hệ thống, nên độ

chính xác định vị cao hơn định vị tuyệt đối truyền thống Độ chính xác định vị

tăng cường cơ sở mặt đất sẽ suy giảm theo khoảng cách từ trạm chủ tới trạm

động Cứ mỗi km suy giảm khoảng 1 cm Lý do chủ yếu là độ trễ tín hiệu cải

chính từ trạm chủ tới trạm động Thời điểm trạm B nhận được tín hiệu cải

chính tại trạm A đã bị trễ so với thời điểm trạm A tính ra số cải chính

Phạm vi sử dụng của hệ thống DGNSS phụ thuộc vào tầm phủ sóng của

trạm tham chiếu liên tục và tần số phát sóng cải chính của nó Nếu phát số cải

(1.2)

(1.3)

chính với tần số cao (1 GHz) thì tín hiệu chỉ đi xa được 50 km nhưng độ chính xác số cải chính gia tăng Nếu phát với tần số thấp (30 KHz) thì độ chính xác số cải chính rất thấp nhưng tín hiệu đi xa tới 600 km

b/ Hệ thống tăng cường cơ sở diện rộng (không gian):

Hệ thống tăng cường cơ sở mặt đất thường gọi là tăng cường cơ sở diện hẹp Để phát triển ra biển khơi xa người ta thường dùng hệ thống tăng cường

cơ sở không gian Các vệ tinh địa tĩnh đóng vai trò là trạm tham chiếu hoạt động liên tục nhận tín hiệu từ hệ thống vệ tinh dẫn đường toàn cầu, sau đó tính số cải chính khoảng cách giả hoặc pha sóng tải của trị đo để phát trở lại mặt đất cho các máy định vị thu tín hiệu vệ tinh Các vector trị đo chứa số cải chính đồng hồ vệ tinh, lịch vệ tinh, mô hình sai số do tầng điện ly, tầng đối lưu Người sử dụng phải trả tiền thuê bao để nhận được số cải chính vi phân diện rộng

Hiện nay, các thiết bị và công nghệ của hãng NAVCOM Start Fire, NAV, OmniStar-HP, đã sử dụng hệ thống vệ tinh địa tĩnh Gc để hiệu chỉnh

C-vi phân toàn cầu Người sử dụng có thể mua máy của hãng và trả tiền thuê bao theo thời gian để định vị điểm tức thời ngoài khơi xa với độ chính xác mặt bằng khoảng 10 cm và độ cao khoảng 20 cm

Một số hệ thống cung cấp số cải chính thông qua sóng vô tuyến như hệ thống WAAS của Hoa Kỳ

Hình 1.2 Cấu trúc hệ thống WAAS

tinh địa tĩnh tới máy thu Vì vậy, độ chính xác định vị của trạm thu (rove) sẽ được nâng cao

Hệ thống tăng cường cơ sở diện rộng MSAS của Nhật Bản ra đời năm

1995 do tập đoàn Misubishi và Văn phòng hàng không dân dụng Nhật kết hợp xây dựng Hệ thống này có 6 trạm tham chiếu, trong đó có hai trạm chủ đặt tại Kobe và Hitachi-Ota Hệ thống có hai vệ tinh viễn thông địa tĩnh đặt tại kinh

Trạm di động kết nối đến máy chủ mạng RTK thông qua liên kết truyền thông một chiều hoặc hai chiều (ví dụ như modem radio, GSM hoặc Internet) Khi máy di động nhận được dữ liệu RTK sẽ tính toán vị trí của nó bằng cách

sử dụng các thuật toán thích hợp

Những thuật toán máy di động sử dụng, và các sai số phụ thuộc khoảng cách được giảm thiểu phụ thuộc rất nhiều vào phương pháp mạng RTK đang được sử dụng Với công nghệ sử dụng trong mạng lưới RTK khác nhau (MAC, FKP, VRS) thì cách giảm thiểu các nguồn sai số trong quá trình đo đạc là khác nhau, mỗi công nghệ sẽ dẫn đến sự khác biệt đáng kể về hiệu suất,

độ tin cậy, độ chính xác cho máy di động

Những lợi thế của mạng RTK nổi bật là:

- Không cần phải cài đặt một trạm cơ sở (base station); có nhiều trạm

tham chiếu trong một khu vực đo đạc

- Độ chính xác vị trí điểm của máy thu di động là đồng nhất hơn so với phương pháp đo động trong thời gian thực truyền thống và độ tin cậy cao,

nhiều máy thu di động có thể nhận số cải chính cùng lúc

- Độ chính xác được duy trì trên một khoảng cách lớn hơn giữa các trạm tham chiếu và máy di động so với phương pháp đo động trong thời gian thực

truyền thống; một số công nghệ đo động trong thời gian thực độ chính xác cao

1.3 VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI LUẬN VĂN

Công tác trắc địa công trình được sử dụng trong luận văn có những nội dụng sau: định vị tim cọc khoan nhồi và triển khai tim trục trên sàn tầng cao Luận văn tập trung nghiên cứu giải pháp sử dụng công nghệ RTK GPS vào công tác trắc địa công trình Công tác bố trí công trình nhằm đảm bảo các hạng mục công trình, các kết cấu riêng biệt được xây dựng theo đúng thiết kế Tùy theo điều kiện cụ thể, có thể sử dụng phương pháp tọa độ cực, tọa độ vuông góc, đường chuyền, giao hội hoặc tam giác khép kín để bố trí công trình Hiện nay, với sự phát triển vượt bậc của công nghệ RTK GPS, chúng ta

có thể ứng dụng công nghệ này vào những hạng mục nào trong công tác trắc địa công trình

Sau khi đo đạc cẩn thận và đánh giá độ chính xác, luận văn đi đến khuyến nghị về việc sử dụng công nghệ RTK GPS trong điều kiện thực tế, trên công trường xây dựng tại Việt Nam

THỜI GIAN THỰC 2.1 KHÁI QUÁT CÔNG NGHỆ GNSS (Global Navigation Satellite System)

Hiện nay, GNSS là tên gọi chung cho 3 hệ thống định vị dẫn dường sử dụng vệ tinh là GPS (Global Positioning System) do Mỹ chế tạo và hoạt động

từ năm 1994, GLONASS (GLobal Orbiting Navigation Satellite System) do Nga chế tạo và hoạt động từ năm 1995, và hệ thống GALILEO mang tên nhà thiên văn học GALILEO do Liên minh châu Âu (EU) chế tạo Nguyên lý hoạt động chung của ba hệ thống GPS, GLONASS và GALILEO cơ bản là giống nhau Trung Quốc cho biết cũng đang thực hiện để có hệ GNSS của Trung Quốc Ấn Độ cũng công bố xây dựng hệ GNSS của mình có tên là IRNSS

- Cơ cấu của một hệ thống GNSS

Hệ thống GNSS được cấu tạo thành ba phần: phần không gian, phần điều khiển và phần người sử dụng Cụ thể, mô tả hệ thống GPS của Mỹ như sau: Phần không gian: gồm các vệ tinh hoạt động bằng năng lượng mặt trời, bay trên quỹ đạo Quãng thời gian tồn tại của chúng vào khoảng 10 năm và chi phí cho mỗi lần thay thế lên đến hàng tỷ USD Phần điều khiển: để duy trì hoạt động của toàn bộ hệ thống GPS cũng như hiệu chỉnh tín hiệu thông tin

của vệ tinh Có các trạm quan sát trên mặt đất, chia thành trạm trung tâm và trạm con Các trạm con, vận hành tự động, nhận thông tin từ vệ tinh, gửi tới cho trạm chủ Sau đó các trạm con gửi thông tin đã được hiệu chỉnh trở lại, để các vệ tinh biết được vị trí của chúng trên quỹ đạo và thời gian truyền tín hiệu Nhờ vậy, các vệ tinh mới có thể đảm bảo cung cấp thông tin chính xác tuyệt đối vào bất kỳ thời điểm nào.Phần người sử dụng và thiết bị thu vệ tinh:

là khu vực có phủ sóng mà người sử dụng cần có ăng ten và máy thu thu tín hiệu từ vệ tinh và có được thông tin vị trí, thời gian và vận tốc di chuyển Để

có thể thu được vị trí, ở phần người sử dụng cần có ăng ten và máy thu GNSS

- Hệ thống nguyên tắc GNSS

Các vệ tinh của GNSS bay vòng quanh trái đất hai lần trong một ngày theo một quỹ đạo rất chính xác và phát tín hiệu có thông tin xuống trái đất Các máy thu GNSS nhận thông tin này và bằng các phép tính lượng giác, máy thu có thể tính được vị trí của người dùng và hiển thị lên bản đồ điện tử của máy tính Máy thu GNSS phải bắt được với tín hiệu của ít nhất ba vệ tinh để tính ra vị trí hai chiều (kinh độ và vĩ độ) và để theo dõi được chuyển động Với bốn hay nhiều hơn số vệ tinh trong tầm nhìn thì máy thu có thể tính được

vị trí ba chiều (kinh độ, vĩ độ và độ cao) Một khi vị trí người dùng đã tính được thì máy thu GPS có thể tính các thông tin khác, như tốc độ, hướng chuyển động, bám sát di chuyển, khoảng hành trình, quãng cách tới điểm đến, thời gian mặt trời mọc, mặt trời lặn và nhiều thứ khác nữa

- Một số ứng dụng của GNSS

GNSS được sử dụng cho vô số các ứng dụng khác nhau Ngày nay rất dễ dàng nhận thấy sự hiện diện của GNSS trong mọi mặt của đời sống Kết hợp giữa công nghệ thông tin, hệ thống bản đồ số và thiết bị định vị vệ tinh đã tạo thành một hệ thống dẫn đường lý tưởng Trong lĩnh vực hàng không, 100% các máy bay thương mại và quân sự sử dụng hệ thống dẫn đường tự động bằng GNSS

cũng đã khai thác tuyệt đối thế mạnh của GNSS đã trở thành một hợp phần không thể thiếu trong công nghiệp ô tô, chẳng hạn như hệ thống định vị dẫn đường trong các thương hiệu xe hơi nổi tiếng như Mercedes, BMW, Porsche, Maybach, Cadillac, Audi, Roll Royce…

Trong ngành đo đạc bản đồ, sự xuất hiện của GNSS đã thay đổi hoàn toàn phương pháp đo đạc truyền thống, không phụ thuộc vào thời tiết, không

bị giới hạn bởi khoảng cách, giảm tối đa yêu cầu về nhân lực lao động.Với công nghệ GNSS, người sử dụng có được thông tin vị trí hiện tại, hướng di chuyển, độ cao hiện thời Cá nhân cũng dễ dàng mang theo loại máy thu GNSS nhỏ cũng có thể lắp ghép cùng điện thoại di động để biết được vị trí mình đang đứng hay có thể theo dõi cả độ cao khi leo núi Các ứng dụng trên biển bao gồm đo vẽ bản đồ, công cụ dẫn đường hàng hải trên biển lý tưởng và công tác tìm kiếm, cứu hộ ngoài khơi xa cũng sẽ có hiệu quả hơn nhờ được nâng cao độ chính xác việc dẫn hướng đường đi.Ứng dụng chủ yếu của GNSS trong thám hiểm không gian bao gồm việc định vị và định hướng bay của các phương tiện không gian khác có mang theo những máy thu phát địa lý hoặc trắc địa

2.1.2 Cấu trúc chung của GNSS

Cấu trúc chung của hệ thống định vị vệ tinh dẫn đường toàn cầu (GNSS)

- Phần sử dụng: Bao gồm tất cả các máy thu, cách dịch vụ ứng dụng kết quả thu tín hiệu của hệ GNSS trong đời sống

- Dữ liệu định vị (navigation data)

Tuy nhiên, mỗi hệ thống có loại sóng tải và mã code riêng Chúng có những đặc thù để phân biệt và cũng có những ưu nhược điểm riêng Hình 2.2

là mô tả chung về cấu trúc tín hiệu của GNSS

Hình 2.2 Cấu trúc tín hiệu hệ thống GNSS

- Anten và một bộ tiền khuếch đại kết hợp: có chức năng chuyển đổi tín hiệu sóng vô tuyến thành dòng điện;

- Bộ phân chia tần số vô tuyến nhằm chuyển đổi tần số vô tuyến sang các tần số trung gian để tái tạo lại tín hiệu;

- Khối hiệu chỉnh tín hiệu: gồm có khối đồng bộ về tần số và thời gian nhằm so sánh tín hiệu vệ tinh với tín hiệu máy thu tự tạo ra để tính được khoảng cách máy thu – vệ tinh theo thời gian;

- Khối giao tiếp với người dùng là bàn phím và màn hình giám sát

- Nguồn điện: hầu hết là dòng điện áp thấp

- Bộ vi xử lý: điều khiển tổng thể máy thu, đồng bộ pha và mã code tín hiệu,đọc lịch vệ tinh từ đó tính ra tọa độ tuyệt đối điểm thu

Các trị đo nhận được từ máy thu tín hiệu GNSS có dạng trị đo pha sóng tải, trị đo mã code và trị đo Doppler

Phương pháp định vị phổ biến hiện nay trong thành lập bản đồ là định vị

Tương đối – Tĩnh nhằm xây dựng lưới khống chế trắc địa, và định vị động tức thời GNSS nhằm định vị điểm chi tiết thành lập bản đồ hoặc bố trí thi công công trình Trong các hoạt động kinh doanh sản xuất nói chung, phương pháp định vị tuyệt đối được sử dụng phổ biến, nhằm xác định tức thời vị trí máy thu trên toàn cầu

2.2 CẤU TRÚC VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA CÔNG NGHỆ ĐỊNH VỊ ĐỘNG THỜI GIAN THỰC

* Công nghệ CORS/RTK

- CORS là hệ thống trạm tham chiếu vận hành liên tục có thể được định nghĩa là một hoặc nhiều trạm tham chiếu GPS vận hành liên tục cố định, ứng dụng công nghệ máy tính hiện đại và hệ thống mạng internet truyền dữ liệu tạo thành một mạng lưới,thông qua những kiểm nghiệm của khách hàng ở những khoảng thời gian, địa hình khác nhau, những điều kiện khác nhau và những mức độ khác nhau đã được trực tiếp truyền những trị đo của máy pha

sóng tài, khoảng cách giả), tham số thay đổi, tình trạng thông tin và những điểm khác có liên quan đến hệ thống phục vụ của GPS

Công nghệ RTK của mạng lưới trạm CORS,công nghệ bộ mạch chủ GPS, Công nghệ thông tin, công nghệ truyền dữ liệu phát triển là sự phát triển tổng hợp hợp nhất của công nghệ đo lường bằng GPS, sự xuất hiện của trạm CORS đã hoàn thiện những máy RTK truyền thống còn thiếu sót , thúc đẩy sự ứng dụng của GPS ở công nghệ đo lường và những lĩnh vực khác

- RTK là tên viết tắt của cụm từ Real-Time Kinematic, nghĩa là kỹ thuật đo động thời gian thực Nói ngắn gọn công nghệ RTK là một phương pháp đo đạc hiện đại có độ chính xác cao và nhanh chóng bằng máy RTK

Công nghệ RTK (Real Time Kinematic) là một phương pháp đo đạc hiện đại có độ chính xác cao và nhanh chóng RTK được ứng dụng trong nhiều công tác trắc địa: khảo sát địa hình, thành lập bản đồ địa chính, khảo sát giao thông, thủy lợi, Trong công tác đo sâu: RTK cũng khẳng định được thế mạnh của công nghệ về tốc độ và độ chính xác.RTK được ứng dụng mạnh trong công tác khảo sát dưới nước với thiết bị đo là cặp máy thu GPS 2 tần số (để xác định vị trí tại điểm đo sâu) với máy đo sâu hồi âm Odom (để xác định

độ sâu) và phần mềm xử lý chuyên nghiệp Hypack Max Đặc biệt còn kết hợp với thiết bị Motion sensor, các sai số được loại trừ đáng kể, gia tăng độ chính xác đo vẽ

RTK truyền thống là sử dụng 2 máy thu đồng thời thu tín hiệu từ vệ tinh, một máy đặt tại điểm đã biết tọa độ, máy còn lại xác định tọa độ của điểm chưa biết Ở công nghệ đo RTK truyền thống máy đặt tại mốc chỉ khi có công việc thực hiện sẽ thiết lập trạm máy ở đó phải có trên 2 người mới có thể thực hiện đo đạc được Máy thu thứ nhất gửi tín hiệu hiệu chỉnh tọa độ tức thời cho máy thu thứ 2 bằng sóng radio hoặc kết nối 3G

Hình 2.3 Đo động xử lý tức thời

Trong định vị tương đối động, bắt buộc thực hiện thủ tục khởi đo để xác định số nguyên đa trị đầu tiên làm cơ sở giải bài toán định vị tương đối với số trị quan sát hạn chế trong thời gian rất ngắn Để giải bài toán, số trị đo tối thiểu không được ít hơn hai

Công nghệ đo động RTK nguyên lý cũng giống như công nghệ đo động truyền thống nhưng điểm khác biệt ở trạm tham chiếu liên tục đóng vai trò như trạm chủ cơ sở còn RTK là trạm động Ưu điểm là có thể chỉ cần 1 người đã có thể thực hiện đo đạc rất nhanh chóng Sử dụng mạng liên lạc để truyền số cải chính là internet ROVER (RTK) có thể sử dụng kết nối 3G thay vì kết nối bằng Radio Link như trước đây Với trạm tham chiếu liên tục, tọa độ luôn được trạm chủ tính toán tọa độ dựa trên hệ thống mốc tham chiếu IGS

Theo quy trình đo động xử lý sau (PPK), sau khi kết thúc đo ở thực địa, đưa các máy thu ở trạm tĩnh và trạm động về phòng xử lý số liệu thực hiện các khâu sau:

Hình 2.4 Các vector cạnh trong đo động xử lý sau

Sai số của phương pháp này có thể đạt được là:

độ chính xác, khi đạt được độ chính xác theo yêu cầu ấn Ok để lưu kết quả

2.2.1 Các quy định khi sử dụng phương pháp RTK GNSS

Điểm khởi đo (trạm tĩnh) của lưới phải có độ chính xác (nên chọn điểm khởi đo ở vị trí cao, thông thoáng, thuận tiện cho việc đặt máy)

Khoảng cách từ trạm tĩnh đến điểm cần xác định tọa độ (trạm động) không lớn hơn 12 km

Các thông số kỹ thuật cần đảm bảo:

- Số vệ tinh: Svs ≥4

- Chế độ trạng thái Status: Fixd

Đối với các khu vực đo chi tiết áp dụng công nghệ RTK thì không cần thành lập lưới đo vẽ các cấp

Kết quả đo được trút vào máy tính và lưu file vào kết quả đo chi tiết

Hình 2.5 Công tác đo RTK ở trạm động tại thực địa

- Sai số do tầng đối lưu

- Sai số do đa đường dẫn

- Sai số đồng hồ máy thu

- Sai số do chệch tâm pha

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

1 Sai số liên quan đến vệ tinh

Sai số liên quan đến vệ tinh bao gồm ba nguồn sai số chính đó là: Sai số đồng hồ vệ tinh; sai số quỹ đạo vệ tinh; nhiễu cố ý SA

- Sai số đồng hồ vệ tinh

Sai số đồng hồ vệ tinh trực tiếp gây ra sai số trong xác định thời gian Trong khoảng cách bằng sóng ánh sáng hay sóng điện từ, sai số thời gian có thể ảnh hưởng đáng kể đến độ chính xác khoảng cách đo Các vệ tinh được trang bị đồng hồ nguyên tử chính xác, tuy vậy do sự không ổn định của bộ dao động nguyên tử nên các đồng hồ này vẫn có sai số xét trong hệ thống giờ GPS Hiện nay trên các vệ tinh được trang bị đồng hồ nguyên tử rubidium hay censium thường có biên độ sai số đồng hồ khoảng 10ˉˡ²s

Sai số đồng hồ vệ tinh được mô hình hóa bởi đa thức đồng hồ theo công thức:

 j t = a o + a 1 (t - t oe ) + a 2 (t - t oe ) 2 + δ rel (2.1)

Trong đó: δ rel là hằng số, t là thời gian sóng đi từ vệ tinh tới máy thu, t oe

là số hiệu chỉnh thời gian và a là khoảng cách từ vệ tinh tới máy thu mà ở đó

định vị tuyệt đối khoảng cách giả, sai số đồng hồ vệ tinh được hiệu chỉnh vào các khoảng cách giả trước khi sử dụng chúng để giải bài toán định vị Trong định vị tương đối để loại bỏ của ảnh hưởng sai số đồng hồ vệ tinh, người ta sử dụng phương trình sai phân bậc nhất của các trị đo pha từ 2 trạm quan sát đến cùng một vệ tinh

- Sai số quỹ đạo vệ tinh

Các vệ tinh chuyển động trên quỹ đạo có độ cao cách mặt đất khoảng 20.200 km ở độ cao như vậy, vận tốc vệ tinh khoảng 3,8 km Quỹ đạo vệ tinh GPS được mô hình hóa bởi sáu yếu tố quỹ đạo Kepler Khi định vị sử dụng lịch vệ tinh quảng bá, mặc dù lịch vệ tinh nay sử dụng 16 tham số quỹ đạo dựa trên sáu yếu tố quỹ đạo Kepler và liên tục được cập nhật lại sau 2 giờ nhờ đoạn điều khiển, nhưng toa độ vệ tinh X, Y, Z xác định được vẫn chứa sai số khoảng 2,5m, đó chính là sai số trên quỹ đạo vệ tinh hay sai số lịch vệ tinh

GPS ở chế độ tức thời với độ chính xác xấp xỉ 10 cm và sai số đồng hồ cỡ 5

ns với giãn cách khoảng 15 phút Đây chính là cở sở để định vị tuyệt đối chính xác tức thời với độ chính xác cao

Trong định vị tương đối, một số nguồn sai số hệ thống có thể được mô hình hóa và làm giảm trong kết quả đo quan trắc Một số khác có thể loại bỏ nhờ xử lý thích hợp khi phối hợp các trị đo

Để tính các hệ số phương trình số hiệu chỉnh trong định vị tương đối cần biết tọa độ vệ tinh tại thời điểm đo Sai số tọa độ vệ tinh ảnh hưởng đến độ chính xác xác định theo công thức:

b

mb

 (2.2)

Trong đó: ms là sai số tọa độ vệ tinh (quỹ đạo vệ tinh)

ρ là khoảng cách từ máy thu đến vệ tinh

b

mb

là sai số tương đối chiều dài cạnh đo

- Ảnh hưởng của nhiễu cố SA

Nhiễu cố ý SA gây ra sai số trong định vị tuyệt đối Hiện nay Mỹ đã chính thức gỡ bỏ nhiễu SA, do đó độ chính xác định vị GPS tuyệt đối đã được cải thiện đáng kể

2 Sai số phụ thuộc vào môi trường lan truyền tín hiệu

Tín hiệu vệ tinh khi lan truyền từ vệ tinh đến máy thu trên mặt đất phải xuyên qua khí quyển gồm nhiều tầng, trong đó có tầng điện ly và tầng đối lưu

là hai ảnh hưởng nhiều nhất tới sự lan truyền tín hiệu vệ tinh, ta gọi là hiệu ứng khí quyển ảnh hưởng đến tín hiệu vệ tinh Ngoài ra do hiện tượng phản

xạ, tín hiệu vệ tinh GPS đến máy thu có thể bị ảnh hưởng của đa đường dẫn

- Ảnh hưởng của tầng điện ly

Như đã biết tầng điện ly chứa các điện tử tự do phân bố trong khí quyển

ở độ cao từ 50 km đến khoảng 1000 km Tầng điện ly làm chậm trễ tín hiệu code, tức là làm tín hiệu code đến máy thu muộn hơn Mức độ chậm trễ tín hiệu code tỷ lệ nghịch với bình phương của tần số sóng tải và tỷ lệ thuận với

tổng lượng điện tử TEC trên đường chuyền tín hiệu Ngược lại tầng điện ly lại làm tín hiệu pha đến may thu nhanh hơn Độ trễ và độ sớm có giá trị tuyệt đối như nhau nhưng ngược dấu Giá trị TEC được tính theo tổng điện tử theo phương thẳng đứng VTEC Giá trị VTEC phụ thuộc vào vị trí địa lý, thay đổi theo thời gian Ban ngày giá trị VTEC lớn hơn ban đêm

Có thể thấy rằng, với tần số tín hiệu GPS là 1.575,42 MHz và 1.227.60 MHz thì ảnh hưởng do tầng điện ly đến khoảng cách giả có thể lên đến 30m Đây là nguồn sai số đáng kể, cần nghiên cứu để loại bỏ hoặc giảm thiểu

Bảng 2.2: Ảnh hưởng của tầng điện ly đến khoảng cách

i là ảnh hưởng của tầng điện ly đến khoảng cách giả

T j là ảnh hưởng của tầng đối lưu đến khoảng cách giả

do tầng điện ly và tầng đối lưu về cơ bản được loại bỏ vì ảnh hưởng này được coi là như nhau đối với hai máy thu đặt gần nhau Ở khoảng cách dài trên 10

km, đển giảm ảnh hưởng của tầng điện ly đến kết quả định vị tương đối, người ta sử dụng máy thu hai tần số Nói chung thông tin về VTEC trong khí quyển có tác dụng để tính toán hiệu chỉnh vào trị đo GPS để nâng cao độ chính xác định vị

- Ảnh hưởng của tầng đối lưu

Tầng đối lưu là tầng khí quyển tính từ mặt đất đến độ cao khoảng 50km trong tầng đối lưu chứa nhiều hơi nước và bụi khí quyển

Ảnh hưởng của tầng đối lưu đến tín hiệu điện từ không phụ thuộc vào tần

số sóng tải, được chia thành ảnh hưởng của phần khô (trên cao) và ảnh hưởng của phần ướt (dưới thấp) Qua khảo sát ảnh hưởng của phần khô chiếm khoảng 90% còn ảnh hưởng của phần ướt là 10%

Do tầng đối lưu, tín hiệu code và pha đến máy thu bị chậm trễ, gây ra sai

số trong khoảng cỡ 2,5 m theo phương thiên đỉnh và khoảng 30 m theo phương chân trời

Trên bảng 1.7 thể hiện ảnh hưởng của tầng đối lưu đến khoảng cách giả, trong đó có các thành phần:

∆Sd là ảnh hưởng của phần khô trong tầng đối lưu

∆Sw là ảnh hưởng của phần ướt trong tầng đối lưu

Để khắc phục ảnh hưởng của tầng đối lưu Người ta đã nghiên cứu xây dựng các mô hình khí quyển để dựa vào đó tính toán hiệu chỉnh vào các trị đó nhằm loại bỏ hoặc giảm thiểu nguồn sai số này

Ảnh hưởng của tầng đối lưu đến tín hiệu phụ thuộc vào góc cao E của vệ tinh Góc cao E càng nhỏ thì tín hiệu lan truyền trong tầng đối lưu cũng như trong tần điện ly trải qua quãng đường càng lớn

Trong đo đạc có thể giảm bớt ảnh hưởng sai số này bằng cách loại bỏ tín hiệu của các vệ tinh có góc cao dưới 150 gọi là góc cao giới hạn hay góc ngưỡng

- Ảnh hưởng do đa đường dẫn

Đó là những tín hiệu từ vệ tinh không đến thẳng anten máy thu mà đập vào bề mặt phản xạ nào đó xung quanh rồi mới đến máy thu Như vậy kết quả

đo không đúng Để tránh hiện tượng này anten phải có tầm nhìn thông thoáng với ngưỡng góc cao trên 150 Việc chọn ngưỡng góc cao trến 150 này nhằm giảm ảnh hưởng bất lợi của chiết quang của khí quyển và hiện tượng đa tuyến Khi bố trí điểm đo cần cách xa các địa vật có khẳ năng phản xạ gây hiện tượng đa tuyến như hồ nước, nhà cao tầng, xe cộ, đường dây điện…

3 Ảnh hưởng liên quan đến máy thu

- Sai số do đồng hồ máy thu

Tinh thể thạch anh được sử dụng để chế tạo ra bộ giao động của đồng hồ máy thu GPS Do đó độ ổn định của đồng hồ máy thu thấp hơn với đồng hồ

vệ tinh Sai số do đồng hồ máy thu sẽ gấy ra sai số trong các trị đo GPS

Để khắc phục ảnh hưởng của sai số do đồng hồ máy thu đến kết quả định vị tuyệt đối bằng khoảng cách giả, người ta coi sai số của đồng hồ máy thu là ẩn số thứ 4 trong bài toán định vị, nhờ đó về cơ bản đã loại bỏ được ảnh hưởng này, tuy nhiên vẫn còn một phần ảnh hưởng thể hiện qua sai số của chính ẩn số đó

Trong định vị tương đối theo pha sóng tải, nhờ sở dụng phương trình sai phân bậc 2 nên về cơ bản cũng đã loại bỏ được ảnh hưởng của sai số đồng hồ