Nghiên cứu một số giải pháp nâng cao độ chính xác và khả năng ứng dụng của công nghệ gps động trong trắc địa công trình

TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT ĐÀO DUY HƯNG NGHIÊN CỨU MỘT SỐ GIẢI PHÁP NÂNG CAO ĐỘ CHÍNH XÁC VÀ KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG CỦA CÔNG NGHỆ GPS ĐỘNG TRONG TRẮC ĐỊA CÔNG TRÌNH LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT

ĐÀO DUY HƯNG

NGHIÊN CỨU MỘT SỐ GIẢI PHÁP NÂNG CAO ĐỘ CHÍNH XÁC VÀ KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG CỦA CÔNG NGHỆ GPS

ĐỘNG TRONG TRẮC ĐỊA CÔNG TRÌNH

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

HÀ NỘI-2012

TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT

ĐÀO DUY HƯNG

NGHIÊN CỨU MỘT SỐ GIẢI PHÁP NÂNG CAO ĐỘ CHÍNH XÁC VÀ KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG CỦA CÔNG NGHỆ GPS

ĐỘNG TRONG TRẮC ĐỊA CÔNG TRÌNH

Chuyên ngành: Kỹ thuật trắc địa

Mã số: 60.52.85

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

TS TRẦN VIẾT TUẤN

HÀ NỘI-2012

Lời cam đoan

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Hà Nội, ngày … tháng … năm 2012 Tác giả luận văn

Đào Duy Hưng

MỤC LỤC Danh mục

Lời cam đoan

Mục lục

Danh mục các ký hiệu và chữ viết tắt

Danh mục các bảng biểu Danh mục các hình vẽ

Mở đầu

CHƯƠNG 1: CÔNG NGHỆ GPS ĐỘNG VÀ ỨNG DỤNG TRONG

TRẮC ĐỊA CÔNG TRÌNH

1.1 Giới thiệu về hệ thống định vị toàn cầu GPS

1.2 Giới thiệu về công nghệ GPS động

1.3 Ứng dụng của công nghệ GPS động trong trắc địa công trình

1.4 Định hướng nghiên cứu của đề tài

CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU MỘT SỐ GIÁI PHÁP KỸ THUẬT

NÂNG CAO ĐỘ CHÍNH XÁC ĐO GPS ĐỘNG TRONG TRẮC

ĐỊA CÔNG TRÌNH

2.1 Quy trình ứng dụng công nghệ GPS động

2.2 Các nguồn sai số ảnh hướng đến kết quả đo GPS

2.3 Những yêu cầu kỹ thuật trong việc thành lập bản đồ địa hình và

bố trí công trình

2.4 Một số giải pháp kỹ thuật nâng cao độ chính xác đo GPS động

trong trắc địa công trình

CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP NÂNG CAO KHẢ

NĂNG ỨNG DỤNG CỦA GPS ĐỘNG TRONG MỘT SỐ DẠNG

CÔNG TÁC TRẮC ĐỊA CÔNG TRÌNH

Trang

i1 i2 i4 i5 i6

1

5

5

8

12

16

21

21

27

31

34

43

3.1 Ứng dụng công nghệ GPS động trong thành lập lưới khống chế

đo vẽ theo phương pháp đo “Stop and Go”

3.2 Ứng dụng công nghệ GPS động trong đo tính khối lượng quặng

khai thác trên các mỏ lộ thiên

3.3 Ứng dụng công nghệ GPS động trong đo vẽ bản đồ địa hình

vùng nước nông ven sông, ven biển

CHƯƠNG 4: MỘT SỐ KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM

4.1 Mục đích, phương pháp và các thiết bị dùng trong thực nghiệm

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

1 GPS: Global Positioning System (Hệ thống định vị toàn cầu)

2 GPS PPK: Post Processing Kinematic GPS ( GPS đo động sử lý sau)

3 GPS RTK: Real Time Kinematic GPS (GPS đo động xử lý tức thời)

4 P-code: Precision code (mã chính xác)

5 C/A code: Coarse/Acquisition code (mã thô)

6 WGS-84: World Geodetic System – 84 (Hệ thống trắc địa thế giới – 84)

7 TĐĐT: toàn đạc điện tử

8 VN 2000: Hệ quy chiếu và hệ tọa độ quốc gia hiện hành của Việt Nam, được thống nhất trong cả nước theo quyết định số 83/2000/QĐ/TTg ngày 12 tháng 7 năm 2000 của Thủ tướng Chính phủ

DANH SÁCH CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1 Sai số trung phương vị trí điểm của điểm khống chế

ứng với từng cấp

Bảng 2.2 Bảng thống kê độ chính xác sai số vị trí điểm lưới đường

chuyền tại công trình Khu du lịch sinh thái chè An Sinh

Bảng 2.3 Sai số trung phương vị trí điểm khi không dùng kẹp bọt

thủy

Bảng 2.4 Sai số trung phương vị trí điểm khi dùng kẹp bọt thủy

Bảng 2.5 Bảng so sánh kết quả đo cao giữa đo bằng Ni004 và GPS

Bảng 2.6 Bảng so sánh kết quả đo cao giữa đo bằng Ni004 và GPS

sau khi thay đổi điểm fix độ cao

Bảng 3.1 Sai số vị trí mặt bằng khi sử dụng 1 trạm base

Bảng 3.2: Sai số vị trí điểm mặt bằng khi sử dụng hai trạm Base

Bảng 3.3 Sai số về vị trí điểm mặt bằng khi đo lặp

Bảng 3.4 Toạ độ và độ cao điểm B

Bảng 3.5 Kết quả đánh giá độ chính xác điểm chi tiết đo bằng

GPS(PPK)

Bảng 3.6 Kết quả đánh giá độ chính xác điểm đo GPS(PPK) sau

khi tính chuyển toạ độ GPS về hệ toạ độ mặt đất của khu mỏ

Bảng 3.7 So sánh toạ độ điểm đo chi tiết bằng GPS(PKK) và

TC-405

Bảng 3.8 So sánh tọa độ điểm kiểm tra trước và sau khi tiến hành

khởi đo lại trên đã biết tọa độ tại Hà Nội

Bảng 3.9 So sánh kết quả đo chi tiết

Bảng 4.1 Bảng mô tả thông số kỹ thuật máy thu GPS Trimble R3

Bảng 4.2 Bảng mô tả các thông số kỹ thuật của máy Hondex

PS-7FL

Bảng 4.3 Tọa độ điểm gốc lưới đường chuyền thực nghiệm

Bảng 4.4 Tọa độ sau bình sai của các điểm lưới đường chuyền đo

bằng toàn đạc điện tử

Bảng 4.5: kết quả đo cho trường hợp thời gian thu tín hiệu của anten

là 15” khi không dùng kẹp bọt thủy

Bảng 4.6: kết quả đo cho trường hợp thời gian thu tín hiệu của anten

là 15” khi dùng kẹp bọt thủy

Bảng 4.7 Sai số trung phương vị trí điểm khi không dùng kẹp bọt

thủy

Bảng 4.8 Sai số trung phương vị trí điểm khi dùng kẹp bọt thủy

Bảng 4.9 So sánh mP trong 2 trường hợp hợp dùng kẹp bọt thủy và

không dùng kẹp bọt thủy

Bảng 4.10: Kết quả độ cao đo bằng máy thủy chuẩn Ni004:

Bảng 4.11: Bảng số liệu tọa độ và độ cao điểm gốc

Bảng 4.12 Bảng so sánh độ cao khi FIX độ cao ở điểm DHM:

Bảng 4.13: Bảng so sánh độ cao khi FIX độ cao ở điểm DC1

Bảng 4.14 Bảng so sánh kết quả đo GPS động và toàn đạc điện tử

Bảng 4.15 Bảng tọa độ các điểm trước và sau khi tiến hành khởi đo

lại trên điểm đã biết

DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Hình ảnh vệ tinh GPS và các quỹ đạo

Hình 1.2 Các trạm điều khiển của GPS

Hình 1.3 Quan hệ giữa các đoạn trong hệ thống GPS

Hình 1.4 Nguyên tắc đo GPS động

Hình 1.5 Các thiết bị chính dùng trong đo GPS động RTK

Hình 1.6 Các thiết bị chính dùng trong đo GPS động PPK

Hình 3.1 Trạm cơ sở và trạm động khi dùng 1 trạm base

Hình 3.2 Hai trạm cơ sở với 1 trạm động

Hình 3.3 Tàu đo sâu và cách bố trí thiết bị GPS động và đo sâu

trên thuyền đo

Hình 4.1 Máy thu GPS Trimble R3 và các phụ kiện kèm theo

Hình 4.2 Máy đo sâu hồi âm cầm tay Hondex PS-7FL

Hình 4.3 Sơ đồ lưới thực nghiệm trên tuyến đê Liên Mạc

Hình 4.4 Đặt máy GPS tại điểm DHM

Hình 4.5 Sơ đồ đo GPS động khu đê Liên Mạc

Hình 4.6 Sơ đồ lưới thủy chuẩn thực nghiệm

Hình 4.7 Sơ đồ đo GPS động (PPK)

Hình 4.8 Ảnh chụp bến Bạc từ thuyền đo

Hình 4.9 Sào ăng ten sau khi được gắn vào thuyền đo

Hình 4.10 Thao tác đo thực nghiệm trên thuyền

Hình 4.11 Khởi đo trên điểm đã biết tọa độ tại bến Bạc

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Hiện nay, công nghệ GPS ngày càng phát triển hoàn thiện theo chiều hướng chính xác, hiệu quả và thuận tiện hơn Với những tính năng ưu việt, ngay từ những năm đầu thập kỷ 90 côngnghệ GPS nhanh chóng đóng vị trí quan trọng đối với trắc địa công trình ở Việt Nam Những ưu điểm có thể kể đến bao gồm:

- Có thể xác định toạ độ của các điểm từ điểm gốc khác mà không cần thông hướng

- Độ chính xác đo đạc ít phụ thuộc vào điều kiện thời tiết (có thể đo trong mọi điều kiện thời tiết)

- Việc đo đạc toạ độ các điểm rất nhanh chóng, đạt chính xác cao, ở vị trí bất kỳ trên trái đất

- Kết quả đo đạc có thể tính trong hệ toạ độ toàn cầu hoặc hệ toạ độ địa phương bất kỳ

Bên cạnh đó, do tiến bộ nhanh về kỹ thuật xử lý số liệu và công nghệ chế tạo thiết bịngày càng hoàn thiện nên kỹ thuật đo GPS động đã và đang được ứng dụngrộng rãi hơn do phương pháp này có những ưu điểm đặc biệt Việc

mở rộng nghiên cứu khả năng ứng dụng của công nghệ này trong các dạng trắc địa công trình đang trở nên rất cần thiết Với những lý do như trên, tôi đã

đề xuất và được chấp nhận thực hiện đề tài:“Nghiên cứu một số giải pháp

nâng cao độ chính xác và khả năng ứng dụng của công nghệ GPS động trong trắc địa công trình”

Một số kết quả nghiên cứu tại Việt Nam đã cho thấy công nghệ GPS động hoàn toàn đảm bảo độ chính xácvà có thể thay thế các phương pháp

truyền thống trong một số dạng công tác trắc địa công trình Tuy nhiên, để việc ứng dụng công nghệ này trở nên hoàn thiện và rộng rãi hơn, vẫn cần nghiên cứu một số biện pháp để nâng cao độ chính xác và tính hiệu quả khi áp dụng công nghệ GPS động trong điều kiện thực tế ở Việt Nam

2 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu của luận văn là độ chính xác và khả năng ứng dụng của công nghệ GPS động

Phạm vi nghiên cứu của luận văn bao gồm các dạng công tác trắc địa công trình

3 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài

Nghiên cứu khả năng ứng dụng của công nghệ GPS động trong trắc địa công trình, nghiên cứu một số biện pháp nhằm nâng cao độ chính xác đo GPS động trong một số dạng công tác trắc địa công trình

4 Nội dung nghiên cứu của đề tài

Nghiên cứu cở sở lý thuyết từ đó đề xuất một số giải pháp để nâng cao

độ chính xác GPS động trong một số dạng công tác trắc địa công trình

Nghiên cứu khả năng ứng dụng của công nghệ GPS động trong việc thành lập lưới khống chế đo vẽ

Khảo sát độ chính xác và khả năng ứng dụng công nghệ GPS động trong đo tính khối lượng quặng khai thác trên các mỏ lộ thiên

Khảo sát độ chính xác và khả năng ứng dụng công nghệ GPS động trong việc đo vẽ địa hình vùng nước nông, ven bờ

5 Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu lý thuyết, tính toán đo đạc thực nghiệm nhằm khẳng định tính đúng đắn của cơ sở lý thuyết đã được nghiên cứu trong quá trình thực hiện luận văn

6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Kết quả nghiên cứu khẳng định khả năng ứng dụng của GPS động trong một số dạng công tác trắc địa công trình đồng thời bổ sung một số biện pháp nhằm ứng dụng có hiệu quả khi áp dụng trong trắc địa công trình

Kết quả nghiên cứu của đề tài là cơ sở khoa học để áp dụng vào thực tế sản xuất giúp cho việc ứng dụng công nghệ này có hiệu quả hơn, góp phần nâng cao năng suất lao động và hiệu quả kinh tế:

- Các giải pháp nâng cao độ chính xác được đề xuất sẽ giúp nâng cao tínhhiệu quả khi áp dụng công nghệ GPS động trong đo vẽ bản đồ địa hình phục vụ giai đoạn khảo sát thiết kế công trình, đáp ứng yêu cầu độ chính xác đồng thời nâng cao năng suất lao động

- Nâng cao tính hiệu quả khi sử dụng công nghệ GPS động khi đo tính khối lượng khai thác ở các mỏ lộ thiên hay đo vẽ bản đồ địa hình vùng ngập nước ven sông, ven biển

7 Cấu trúc của luận văn

Luận văn này gồm 80 trang, chia thành 4 chương: 3 chương đầu là cơ

sở lý thuyết và 1 chương cuối là phần thực nghiệm Để phục vụ cho việc nghiên cứu đề tài, tôi đã sử dụng các giáo trình giảng dạy về Trắc địa công trình và công nghệ GPS của trường Đại học Mỏ - Địa Chất, các quy trình, quy phạm của các cơ quan quản lý nhà nước đã ban hành và các tài liệu, tạp chí chuyên ngành có liên quan đến đè tài này

LỜI CẢM ƠN

Trong quá trình thực hiện luận văn, tôi đã nhận được sự giúp đỡ nhiệt tình của các đơn vị, các thầy cô giáo và bạn bè, đồng nghiệp và sự hướng dẫn chu đáo của thầy giáo TS Trần Viết Tuấn

Tôi xin được gửi lời cảm ơn sâu sắc đến Bộ môn Trắc địa công trình – trường Đại học Mỏ-Địa Chất và đặc biệt là thầy giáo hướng dẫn TS Trần Viết Tuấn

Tôi xin chân thành cảm ơn !

CHƯƠNG 1: CÔNG NGHỆ GPS ĐỘNGVÀ ỨNG DỤNG TRONG

TRẮC ĐỊA CÔNG TRÌNH

1.1 GIỚI THIỆU VẾ HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ TOÀN CẦU GPS

Hệ thống định vị toàn cầu GPS có tên đầy đủ là NAVSTAR GPS là viết tắt của các từ Navigation Satelite Timing and Ranging Global Postioning System Đây là hệ thống định vị vệ tinh được xây dựng từ năm 1973 Năm

1978 vệ tinh đầu tinh được đưa lên quĩ đạo Năm 1993 đã phóng đủ 24 vệ tinh trên 6 mặt phẳng quĩ đạo như thiết kế Trước năm 1980, hệ thống này chỉ dùng cho mục đích quân sự của Mỹ Từ năm 1980, Chính phủ Mỹ cho phép

sử dụng hệ thống này vào mục đích dân sự Ngày nay, GPS được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau trong đó có Trắc địa GPS có cấu tạo gồm 3 bộ phận chính (gọi là 3 đoạn): Đoạn không gian, đoạn điều khiển và đoạn sử dụng

1.1.1 Cấu tạo của hệ thống định vị toàn cầu GPS

1 Đoạn không gian (space segment)

Đoạn không gian gồm các vệ tinh (theo thiết kế là 24 vệ tinh, đến nay

có tới 32 vệ tinh) chuyển động trên 6 mặt phẳng quĩ đạo Độ cao của vệ tinh khoảng 20200 km Quĩ đạo gần như tròn, chu kỳ chuyển động của vệ tinh quanh Trái đất là 718 phút (gần 12 giờ) Các mặt phẳng quĩ đạo nghiêng với mặt phẳng Xích đạo Trái đất 550 Với cách bố trí như trên thì tại mọivị trí trên Trái đất vào mọi thời điểmđều có thể quan sát được ít nhất 4 vệ tinh, đây là điều kiện tối thiểu để định vị

Các vệ tinh GPS có trọng lượng khoảng 1600 kg khi phóng và 800 kg khi bay trên quĩ đạo Tuổi thọ theo thiết kế là 7,5 năm Trên vệ tinh có các tấm pin Mặt trời gắn ở cánh vệ tinh để cung cấp năng lượng cho vệ tinh hoạt động (hình 1.1) Mỗi vệ tinh được trang bị 4 đồng hồ nguyên tử có thể đo thời

gian với độ chính xác 1012 giây Vệ tinh tạo ra tần số dao động chuẩn là f0= 10,23 MHz Từ tần số chuẩn, vệ tinh tạo 2 tần số sóng tải là L1 có tần số f1 = 154f0 = 1575,42 MHz tương ứng với bước sóng 1 = 19,032 cm, và L2 có tần

số f2 = 120f0= 1227,60 MHz tương ứng với bước sóng 2 = 24,42 cm

Các sóng tải L1, L2 thuộc dải sóng cực ngắn, với tần số lớn làm nhiệm

vụ vận tải tín hiệu vệ tinh có tác dụng làm giảm ảnh hưởng của tầng điện li vì ảnh hưởng của tầng điện li tỉ lệ nghịch với bình phương của tần số tín hiệu

Hình 1.1 Hình ảnh vệ tinh GPS và các quỹ đạo

Để phục vụ các mục đích khác nhau, các sóng tải lại được điều biến bởi các mã (code) khác nhau như: C/A code, P-code hay Y-code

2 Đoạn điều khiển (control segment)

Đoạn này gồm 1 trạm điều khiển trung tâm đặt tại căn cứ quân sự của

Mỹ ở Colorado Springs và 4 trạm theo dõi đặt tại Hawaii (Thái Bình Dương), Ascension Island (Đại Tây Dương), Diego Garcia (ấn Độ Dương) và Kwajalein (Tây Thái Bình Dương) Các trạm này tạo thành một vành đai bao quanh Trái đất

Nhiệm vụ của đoạn điều khiển là điều khiển toàn bộ mọi hoạt động của các vệ tinh Các trạm này luôn quan sát vệ tinh đo đạc các số liệu cần thiết như: khoảng cách đến các vệ tinh, các yếu tố khí tượng, các tố nhiễu vv… Các số liệu này được truyền về trạm trung tâm.Trạm trung tâm xử lý tính toán

ra lịch vệ tinh, các số hiệu chỉnh đồng hồ vệ tinh vv… Từ đây các số liệu lại được truyền ngược lại các trạm theo dõi, từ trạm theo dõi phát lên vệ tinh cùng với các lệnh điều khiển Như vậy các thông tin đạo hàng thường xuyên được chính xác hoá (đối với GPS là 3 lần/ ngày) và được truyền đến người dùng sóng tải L1 và L2

Hiện nay, cơ quan bản đồ thuộc Bộ quốc phòng Mỹ kết hợp với một số nước khác để xây dựng mạng lưới theo dõi vệ tinh GPS trên toàn cầu nhằm nâng cao độ chính xác xác định lịch vệ tinh

Hình 1.2 Các trạm điều khiển của GPS

3 Đoạn sử dụng(user segment)

Đoạn sử dụng bao gồm tất cả các máy móc thiết bị thu nhận thông tin

từ vệ tinh để khai thác sử dụng vào các mục đích khác nhau

Như vậy, đoạn không gian và đoạn điều khiển có quan hệ hai chiều với nhau Đoạn sử dụng và đoạn không gian quan hệ với nhau một chiều Đoạn điều khiển và đoạn sử dụng không có quan hệ gì với nhau (hình 2.3)

Hình 1.3 Quan hệ giữa các đoạn trong hệ thống GPS

1.2 GIỚI THIỆU VẾ CÔNG NGHỆ GPS ĐỘNG

1.2.1 Nguyên tắc đo GPS động

Đo GPS động là một dạng của phương pháp đo GPS tương đối Đo GPS tương đối là phương pháp xác định hiệu toạ độ trong hệ toạ độ GPS từ điểm cần đo đến điểm gốc có toạ độ đã biết trên cơ sở số liệu thu vệ tinh đồng thời từ 2 máy thu đặt trên 2 điểm đó trong khoảng thời gian nhất định Tọa độ của điểm cần đo chỉ được xác định trong phòng sau khi xử lý số liệu đo thực địa trên phần mềm xử lý trên máy vi tính Với kiểu đo như trên gọi là phương pháp đo GPS tương đối, dạng đo tĩnh Toạ độ điểm cần đo đạt độ chính xác cao 5mm+1ppm Tuy đạt độ chính xác cao song do thời gian đo cần nhiều (tối thiểu là 1 giờ =240 trị đo) nên các nhà thiết kế đã nghĩ đến giải pháp đo GPS hiệu quả hơn song vẫn đảm bảo độ chính xác cần thiết Đo GPS tương đối dạng đo động là giải pháp thoả mãn yêu cầu trên vì thời gian đo ngắn (1-2 trị đo), độ chính xác vẫn đạt 1cm+1ppm

Kỹ thuật đo GPS động (Kinematic) sử dụng ít nhất 2 máy thu, một máy đặt cố định tại điểm đã biết toạ độ gọi là trạm Base (trạm tĩnh), một máy vừa

di chuyển vừa đo gọi là trạm Rover (trạm động), kết quả là xác định ra toạ độ tương đối giữa điểm trạm Base và hàng loạt điểm trạm Rover (hình

1.4).Trong suốt quá trình đo máy ở trạm Base và trạm Rover phải liên tục thu tín hiệu của ít nhất 4 vệ tinh chung,vì vậy tuyến đo phải bố trí ở khu vực quang đãng, nếu quá trình này không đảm bảo thì quá trình đo bị gián đoạn và phải khởi đo lại

Hình 1.4 Nguyên tắc đo GPS động

Sự khác nhau cơ bản giữa đo GPS động và đo GPS tĩnh chính là yếu tố thời gian đo Tuy độ chính xác thấp hơn một chút nhưng số lượng điểm đo tăng thêm nhiều có khả năng lập được lưới khống chế trong khu đo với thời gian ngắn, hoặc có thể dùng phương pháp để đo đạc lập bản đồ chi tiết đối với khu vực phù hợp

Khoảng cách từ trạm Base đến trạm Rover có thể cách nhau đến 10km,độ chính xác của đo GPS động thường kém hơn đo tĩnh hai lần

trạm di động trên bộ xử lý số liệu chuyên dụng đi kèm với trạm động tại thực địa nhưng chỉ cần thu tín hiệu vệ tinh thời gian ngắn ít nhất 1 trị đo (1 Epoch) Nếu khu đo có các điểm có toạ độ trong hệ toạ độ địa phương bất kỳ có thể thực hiện việc đo đạc trong hệ toạ độ địa phương thông qua việc đo quychuyển hệ thống tọa độ (Calibration) Phương pháp này cần phải có hệ thống truyền số liệu (Radio Link) để truyền liên tục số liệu thu được tại trạm tĩnh đến thiết bị xử lý số liệu tại trạm động

- Phương pháp đo GPS động xử lý sau (Post Processing Kinematic - PPK): Phương pháp này cho phép thu nhận toạ độ điểm đo có độ chính xác cỡ

cm trên cơ sở xử lý số liệu thu vệ tinh tại trạm cố định và trạm di động trên phần mềm xử lý số liệu chuyên dụng sau khi đo thực địa Thời gian thu tín hiệu vệ tinh ngắn (tối thiểu 2 trị đo) Phương pháp này không cần đến hệ thống Radio Link truyền số liệu Như vậy việc đo GPS theo giải pháp kỹ thuật

đo động sẽ đáp ứng hiệu quả hơn nhiều các dạng công tác đo đạc có số lượng điểm cần đo lớn

1.2.3 Các thiết bị dùng trong đo GPS động

1 Khi đo động xử lý tức thời (RTK) (hình 1.5)

1- Tại trạm cố định (trạm base):

- 01 máy thu GPS

- Pin, chân máy, đế máy, thước để đo chiều cao máy

- Bộ điều khiển đo

- Máy phát tín hiệu vô tuyến

- Máy thu tín hiệu radio

Hình 1.5 Các thiết bị chính dùng trong đo GPS động RTK

2 Khi đo động xử lý sau (PPK) (hình 1.6)

1- Tại trạm cố định (trạm base):

- 01 máy thu GPS

- Pin, chân máy, đế máy, thước để đo chiều cao máy

- Bộ điều khiển đo

2- Tại trạm động ( trạm rover)

- 01 máy thu GPS

- 01 sào đo có bọt thủy và giá chống đỡ

- Nguồn điện

- Bộ điều khiển đo

Hình 1.6 Các thiết bị chính dùng trong đo GPS động PPK

1.3 ỨNG DỤNG CỦA CÔNG NGHỆ GPS ĐỘNG TRONG TRẮC ĐỊA CÔNG TRÌNH

Công nghệ GPS đã mang lại hiệu quả to lớn trong công tác đo đạc với nhiều kỹ thuật đo GPS khác nhau Ở Việt Nam, công nghệ GPS đã được áp dụng và đến nay đã trở thành một công nghệ sản xuất trắc địa quan trọng, đặc biệt là lập lưới khống chế Tuy nhiên cho đến nay với sự phát triển, hoàn thiện

về thiết bị đo cũng như phần mềm xử lý số liệu cho phép phát triển những ứng dụng mới của công nghệ đo GPS động

1.3.1 Ứng dụng công nghệ GPS động để đo vẽ bản đồ địa hình, địa chính

tỉ lệ lớn và trung bình

Để thành lập bản đồ địa hình, địa chính tỉ lệ 1:200 đến 1:2000, thông thường chúng ta đo trực tiếp theo phương pháp toàn đạc, trong đo sử dụng máy toàn đạc điện tử để đo các điểm chi tiết

Trong công tác thành lập lưới khống chế đo vẽ thì việc ứng dụng công nghệ GPS đã thể hiện nhiều ưu điểm nối bật: chọn điểm linh hoạt hơn, không cần dựng tiêu vì không cần nhìn thông giữa các điểm, đo nhanh hơn và có thể

cả ngày lẫn đêm mà vẫn cho độ chính xác cao và từ đó đem lại hiệu quả cao hơn cả về thời gian lẫn tính kinh tế Ở nước ta hiện nay, việc ứng dụng công nghệ GPS động trong thành lập lưới khống chế đo vẽ phục vụ cho việc đo vẽ bản đồ đã trở nên phổ biến hơn

Để đo chi tiết bằng GPS động, ta không cần bố trí điểm khống chế điểm đo vẽ như phương pháp truyền thống, vì trạm base có thể đặt tại điểm đã

có tọa độ, độ cao cách khá xa khu đo dưới 10 km Như vậy ta hoàn toàn có thể bỏ qua các mạng lưới trung gian và lưới đo vẽ mà sử dụng ngay các điểm tam giác hạng IV, thậm chí là điểm hạng III hoặc điểm địa chính cơ sở để làm điểm trạm tĩnh trong đo vẽ chi tiết bằng GPS động Rõ ràng là ta sẽ tiết kiệm được khá nhiều kinh phí xây dựng lưới chêm dày và tiết kiệm được thời gian xây dựng lưới Có thể kết hợp 1 trạm tĩnh với nhiểu trạm động để tăng tốc độ

đo vẽ chi tiết

Ứng dụng kỹ thuật đo “Stop and Go”, người ta có thể thực hiện việc đo chi tiết với độ chính xác và tốc độ không thua kém gì các phương pháp truyền thống sử dụng toàn đạc điện tử Tuy nhiện cần phải đảm bảo một điều kiện bắt buộc là trong quá trình đo phải thu được tín hiệu của ít nhất là 4 vệ tinh

Để đảm bảo này thì khu đo phải có sự thông thoáng với bầu trời, không bị che

chắn tín hiệu Do vậy, để công việc đo đạc được tiến hành thuận lợi ta cần khảo sát thực địa trước khi đo

1.3.2 Ứng dụng công nghệ GPS động RTKđể bố trí các công trình dạng tuyến

Đưa bản thiết kế ra thực địa là một dạng thường gặp của công tác trắc địa công trình Hiện nay tại Việt Nam, việc bố trí các công trình dạng tuyến vẫn được thực hiện nhờ các phương pháp truyền thống như phương pháp tọa

độ cực, phương pháp tọa độ vuông góc, phương pháp giao hội góc thuận và phương pháp toàn đạc Các phương pháp này sửdụng các trang thiết bị như thướcthép, máy kinh vĩ và máy toàn đạc điện tử để bố trí cácđiểm thiết kế ra thực địa Trong những năm gần đây công nghệ GPS đã và đang đượcứng dụng rất rộng rãi trong trắc địa Chúng ta có thể sử dụng kỹ thuật đo GPS động RTK để nhanh chóng xác định các điểm đã có tọa độ đã cho ở thực địa Tọa độ tức thời của điểm đo sẽ dẫn đường giúp chúng ta nhanh chóng xác định được vị trí của điểm cần bố trí trên thực địa Với máy thu đa tần số (L1,L2,L2C) GPS R7 GNSS của hãng Trimble việc triển điểm thiết kế ra thực địa đượcthực hiện bởi chức năng “Setout”của máy

Dùng kỹ thuật đo GPS động RTK để thay thế các phương pháp đo đạc truyền thống trong bố trí các công trình dạng tuyến có những tính năng ưuviệt sau:

+ Bỏ qua công đoạn thành lập mạng lướikhống chế mặt bằng ( Ví dụ như vớimáy thu GPS R7 GNSS của hãng Trimble có thể Setout tới 9km với địa hìnhtương đối bằng phẳng)

+ Thời gian khởi đo nhanh và độ tin cậy khởi đo cao, kỹ thuật đo GPS động tức thời không cần sự thông hướnggiữa điểm gốc với điểm cần bố trí

+ Tại mỗi trạm động thời gian xác định tọa độ rất nhanh nên dùng kỹthuật đo GPS động tức thời trong việc bố trí các công trình dạng tuyến có năngxuất lao động rất cao

Tuy nhiên, để công tác “Setout” có độ chính xác cao thì trong bước“ Qui chuẩn hệtoạ độ” nên chọn các điểm qui chuẩn nằm gần và phân bố đều trên công trình dạng tuyến.Trong quá trình bố trí điểm ra thực địa đối với các công trình dạng tuyến nên chọn điểm trạm Base ở giữa khu đo sao cho tầm khống chế khu đo hợp lý nhất, có khả năng thu tín hiệu vệ tinh tốt nhất để việc triển điểm đạtnăng suất cao nhất

1.3.3 Ứng dụng công nghệ GPS động để đo vẽ bản đồ thành lập bản đồ

và mặt cắt địa hình, đo tính khối lượng

Công nghệ GPS động cho phép ta xác định nhanh chóng tọa độ và độ cao các điểm trong vòng vài chục giây đến vài phút Kỹ thuật đo động “Stop and Go” có thể áp dụng để đo vẽ mặt cắt địa hình ở những nơi có đủ điều kiện

để máy thu GPS nhận được tín hiệu của ít nhất 4 vệ tinh

Khi đo vẽ mặt cắt, nếu không cần thiết xác định tọa độ các điểm trên mặt cắt mà chỉ cần xác định độ cao của chúng thì ta có thể chọn điểm khống chế độ cao làm trạm base Ta tiến hành xác định tọa độ, độ cao của các điểm đặc trưng địa hình Sau khi đo xong chúng ta sẽ dựng được mặt cắt địa hình

Để đo tính khối lượng đào đắp, chúng ta sử dụng kỹ thuật đo GPS động

đo trên toàn bộ diện tích cần đào hoặc đắp để dựng được mô hình số ban đầu Mỗi điểm đo ta có được tọa độ X, Y và độ cao H Sau khi đào đắp, ta tiến hành đo lại để xây dựng mô hình số địa hình lần sau Dựa vào 2 mô hình số địa hình này ta có thể hoàn toàn tự động hóa quá trình tính toán khối lượng đào đắp

1.4 ĐỊNH HƯỚNG NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI

1.4.1.Ưu, nhược điểm của công nghệ GPS động

Công nghệ GPS động đã thể hiện được rất nhiều ưu điểm so với công nghệ truyền thống:

1 Sự giảm tối đa về nhân lực thực thi ở thực địa

Với một trạm tĩnh có thể làm việc với không hạn chế trạm đo di động, không cần đến người ghi sổ, người vẽ sơ đồ, do vậy chi phí nhân lực giảm nhiều so với đo đạc theo phương pháp truyền thống

2 Sự tăng năng suất lao động, giảm thời gian thực địa

Với khả năng đo chi tiết ở khoảng cách lớn, ít khi phải chuyên trạm máy nên tốc độ đo nhanh do chỉ phụ thuộc vào khả năng tiếp cận điểm đo của nguời đo mà thôi Với 1 máy đo người thao tác đo có thể đạt đến con số 1000 điểm đo trên 1 ngày lao động khi đo vẽ bản đồ tỷ lệ lớn ở vùng quang đãng

Do vậy có thể giảm tối đa thời gian lao động thực địa

3 Sự tăng độ tin cậy của số liệu đo

Do việc đo đạc, ghi số liệu đo một cách tự động nên đã giảm tối đa ảnh hưởng của sai số do người đo đến kết quả đo, độ tin cậy của số liệu đo được nâng cao cả về định lượng (toạ độ, độ cao) và định tính (tính chất của điểm đo) Việc thu thập tính chất điểm đo được tiến hành bằng việc mã hoá điểm

đo trực tiếp tại điểm đo nên rất cụ thể, ít sai sót Điều này đặc biệt có ý nghĩa khi xử lý số liệu trên phần mềm đo vẽ bản đồ số tự động

4 Hiệu quả kinh tế cao

Không cần lập lưới khống chế cơ sở, lưới đo vẽ khi sử dụng kỹ thuật đo GPS động đo vẽ bản đồ tỷ lệ lớn cho phép giảm khá lớn kinh phí, thêm vào

đó phương pháp cho phép giảm tối đa nhân công, giảm thời gian thi công thực địa, tăng chất lượng đo vẽ Một số đánh giá tại Mỹ cho thấy có thể giảm 50%

- 80% chi phí nhân, giảm 25%-50% thậm chí 80% về giá thành ở Việt Nam

các công trình đo vẽ sử dụng công nghệ GPS động chưa nhiều song qua các công trình thử nghiệm chi phí thực tế cho các công trình giảm đáng kể trong khi khối lượng thực tế đạt được cao hơn khi thi công bằng công nghệ truyền thống Với các kết qủa đo kiểm định cũng như qua các công trình sản xuất thực nghiệm, sản xuất chính thức có thể khẳng định phương pháp GPS động là công nghệ đo đạc hoàn toàn mới, với những tính năng ưu việt, có thể áp dụng tốt trong

đo vẽ bản đồ tỷ lệ lớn và nhiều mục đích đo đạc với các lý do sau:

1 Thuận tiện, hiệu quả cho việc đo đạc thành lập bản đồ địa hình, địa chính tỷ lệ lớn ở các khu vực quang đãng hoặc ít bị che khuất do có khả năng

cơ động cao, tốc độ đo nhanh, thao tác thực địa đơn giảm, số liệu đo có thể nhập, xuất tự động, tương thích với các phần mềm vẽ bản đồ tự động, thuận tiện cho việc tạo lập vào cở sở dữ liệu

2 Thành lập lưới các điểm trạm đo phục vụ cho các phương án đo đạc bản đồ địa hình, địa chính tỷ lệ lớn, ở các khu vực bị che khuất nhiều Bằng phương pháp kết hợp này có thể vừa đo chi tiết, vừa tạo ra các điểm khống chế đo vẽ một cách thuận tiện cho việc đo vẽ bằng các phương pháp truyền thống khác mà không cần lập hệ thống đường chuyền liên tục giữa các điểm toạ độ hạng cao

3 Đo GPS động thuận tiện cho việc đo đạc khảo sát công trình tỷ lệ lớn như khảo sát, đo đạc phục vụ thi công các công trình xây dựng, giao thông bao gồm các dạng đo đạc:

- Định vị điểm có toạ độ thiết kế ra thực địa,

- Đo đạc khảo sát chi tiết công trình,

- Đo mặt cắt dọc, ngang địa hình,

- Dẫn đường với độ chính xác cao

Do có khả năng và hiệu quả thực tế, phương pháp đo GPS động nói chung đã và đang được sử dụng rộng rãi ở nhiều nước trên thế giới ở Việt

Nam thiết bị đo GPS động đã và đang triển khai sử dụng trong một số cơ sở sản xuất trắc địa bản đồ

Tuy nhiên, bên cạnh những ưu điểm trên, công nghệ GPS động còn có những nhược điểm sau: trong suốt quá trình đo, máy thu phải liên tục thu tín

hiệu vệ tinh nên chỉ đo được ở những nơi thông thoáng, đảm bảo được góc

mở bầu trời Tuyến đo phải được bố trí ở nơi thông thoáng để không xảy ra tình trạng gián đoạn tín hiệu Nếu xảy ra tình trạng này thì phải tiến hành khởi

đo lại cạnh đáy xuất phát hoặc sử dụng 1 cạnh đáy dự phòng trên tuyến đo Ở những nơi bị che khuất thì sử dụng kỹ thuật đo GPS động PPK sẽ gặp nhiều khó khăn, do đó trong trường hợp này phải kết hợp với những phương pháp

Trong công tác đo vẽ chi tiết, việc sử dụng phương pháp đo vẽ truyền thống sử dụng máy toàn đạc điện tử vẫn là phổ biến Tuy nhiên, với độ chính xác của các thiết bị đo GPS, kỹ thuật đo GPS động hoàn toàn có thể thay thế các phương pháp truyền thống.Hiện nay, đã có một số công trình thực nghiệm nghiên cứu về vấn đề này.Trong khuôn khổ “Chương trình hợp tác Việt Nam – Thụy Điển về đổi mới hệ thống Địa Chính” năm 1997, Viện nghiên cứu Địa Chính đã tiến hành nghiên cứu ứng dụng kỹ thuật đo GPS động thời gian thực (RTK) và GPS động xử lý sau (PPK) để thành lập bản đồ địa hình, địa chính

tỷ lệ lớn Kết quả thực nghiệm trên bãi kiểm định chuẩn và đo thực tế đã cho

kết quả rất tốt [2] Đến năm 2007, Đề tài khoa học công nghệ cấp Bộ [5] tiếp tục nghiên cứu về vấn đề này và đã thu nhận được những kết quả đo thực nghiệm chứng minh độ chính xác khi sử dụng kỹ thuật đo GPS động Đồng thời, công trình này cũng đưa ra được quy trình kỹ thuật đo GPS động theo phương pháp đo động xử lý sau (PPK) cho máy GPS 1 tần số Trimble R3 Ngoài ra, việc sử dụng công GPS động kết hợp với thiết bị đo sâu cầm tay cũng đã được nghiên cứu trong việc khảo sát địa hình dưới nước vùng sông

hồ, ven biển [7]

Trong giai đoạn thi công xây dựng công trình, nội dung chủ yếu của công tác trắc địa là bố trí công trình, bao gồm thành lập lưới khống chế thi công, bố trí trục chính, trục phụ trợ và bố trí chi tiết từng phần công trình Hiện nay hầu như tất cả các dạng lưới khống chế thi công trên các công trình xây dựng đều được thành lập bằng công nghệ GPS Còn trong công tác bố trí thì chủ yếu vẫn dùng những phương pháp truyền thống sử dụng thước thép và máy toàn đạc điện tử Tuy nhiên, vấn đề sử dụng GPS động sử lý tức thời (RTK) đã được nghiên cứu đến [3] Kết quả thực nghiệm của công trình này

đã được tiến hành trên cơ sở số liệu của công trình “Xây dựng đường cao tốc Cầu Giẽ - Ninh Bình”, đã cho thấy hoàn toàn có thể sử dụng GPS động RTK trong công tác bố trí công trình dạng tuyến

1.4.3 Các vấn đề cần tiếp tục được nghiên cứu

Trên cơ sở khảo sát, tìm hiểu khả năng ứng dụng của công nghệ GPS động đã và đang được áp dụng trong trắc địa công trình, vẫn còn một số vấn

đề cần tiếp tục nghiên cứu thêm để việc ứng dụng công nghệ GPS động trong trắc địa công trình được hoàn thiện hơn:

- Cần tiếp tục nghiên cứu ứng dụng GPS động trong việc đo vẽ bản đồ địa hình ven bờ Công tác này vẫn thường gặp nhiều khó khăn do điều kiện ngoại cảnh bất lợi Nếu khu vực đo ở vùng nước nông ven sông, hồ, ven biển,

gần bờ có nhiều thực phủ, việc đo đạc bằng máy toàn đạc điện tử sẽ hay bị hạn chế về khả năng thông hướng, thêm vào đo, khu vực nước nông cũng là nơi mà thuyền đo sâu khó có thể tiếp cận Trong trường hợp này, ta có thể kết hợp sử dụng GPS động và thiết bị đo sâu hồi âm cầm tay

- Nghiên cứu khả năng ứng dụng công nghệ GPS động trong đo tính khối lượng quặng khai thác mỏ lộ thiên, đây vốn là một công tác đặc thù, cần thực hiện trước và sau mỗi lần khai thác, đòi hỏi cao về tiến độ Khu vực khai trường thường là khu vực thông thoáng, rất thích hợp để áp dụng công nghệ GPS

- Với đặc điểm là đòi hỏi phải có sự thông thoáng với bầu trời, nên trong quá trình đo GPS động việc mất tín hiệu rất hay xảy ra Khi đo ta sẽ phải tiến hành khởi đo lại, mỗi lần khởi đo mất tầm 20 phút, rất mất thời gian Vấn đề này cũng cần phải có giải pháp xử lý để đảm bảo năng suất lao động

CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU MỘT SỐ GIÁI PHÁP KỸ THUẬT NÂNG CAO ĐỘ CHÍNH XÁC ĐO GPS ĐỘNG TRONG TRẮC ĐỊA

CÔNG TRÌNH

2.1 QUY TRÌNH ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ GPS ĐỘNG

2.1.1 Quy trình đo đạc

- Chuẩn bị điểm trạm tĩnh: điểm được chọn nên là điểm khống chế

trong mạng lưới tọa độ nhà nước (hạng I, II, III, IV) hoặc là các điểm chêm dày (cấp 1, cấp 2) Tại các điểm trạm tĩnh cần đảm bảo thông thoáng tốt để thuận lợi cho việc thu tín hiệu Điểm trạm tĩnh không nên chọn quá xa khu đo, tốt nhất không cách khu đo quá 10 km Một điểm trạm tĩnh có thể dùng cho nhiều trạm động (trạm rover)

Nếu là đo động xử lý sau (PPK) thì chưa cần biết tọa độ ngay (vì nó chỉ cần cho giai đoạn xử lý nội nghiệp), nhưng nếu đo động xử lý tức thời (RTK) thì cần biết trước tọa độ, độ cao của điểm trạm tĩnh và một số điểm khác phân

bố quanh trạm tĩnh để làm thủ tục định chuẩn hệ tọa độ ( site cabliration)

Đo GPS động là một dạng đo GPS tương đối với kết quá đo là số gia tọa độ trong hệ tọa độ WGS-84 của điểm trạm động so với điểm trạm tĩnh Để

sử dụng kết quả này trong hệ tọa độ thực dụng ( hoặc hệ tọa độ địa phương) ta phải tiến hành bước chuyển đổi, được gọi là thủ tục định chuẩn

Thủ tục định chuẩn hệ tọa độ thực chất là công việc chuẩn bị trước để giúp trạm chuyển động chuyển đổi ngay tọa độ xác định được trong hệ WGS-

84 về hệ tọa độ thực dụng (HN-72 hoặc VN-2000)

Để định chuẩn hệ tọa độ người ta sử dụng một tập hợp điểm song trùng, thông thường là 4 điểm bố trí xung quanh khu đo (cũng có thể nhiều hơn 4 điểm nhưng không được quá 20 điểm) Trên cơ sở tọa độ trong cả 2 hệ tọa độ này của các điểm song trùng, người ta tính được các tham số chuyển đổi từ hệ

tọa độ WGS-84 và hệ tọa độ thực dụng Các tham số này sẽ được sử dụng cho các điểm trạm động

- Khởi động trạm tĩnh (trạm base): trạm tĩnh sẽ được khởi động trược

khi khởi đo trạm động Khi khởi động trạm tĩnh ta cần có bộ điều khiển đo được nối với máy thu GPS bằng cáp chuyên dụng Cần xác định trước tần suất ghi tín hiệu (epoch interval), nơi ghi tín hiệu, góc ngưỡng chọn vệ tinh…Các tham số này sẽ được cài đặt trước trong bộ điều khiển đo

Thực hiện các thao tác khởi động trạm tĩnh bằng lệnh “ start base receiver” Khi nào nhận được trên màn hình bộ điều khiển đo thông báo “ base started” có nghĩa là trạm tĩnh đã khởi động xong

- Thủ tục khởi đo trạm động (trạm rover):Nếu tiến hành đo động phục

vụ đo vẽ địa hình, máy động thường được gắn trên sào đo Máy thu của trạm động được gắn liên tục với bộ điều khiển đo bằng cáp nối chuyên dụng Trước khi tiến hành đo hàng loạt, ta phải tiến hành thủ tục khởi đo tại trạm đầu tiên

Thủ tục khởi đo là bước để xác định nhanh số nguyên lần bước sóng từ

vệ tinh đến antena máy thu dựa vào trị đo vệ tinh ( trị đo C/A code và trị đo phase) tại máy tĩnh và máy động, được đặt trên 2 đầu của một đường đáy (baseline) Đường đáy có thể là 2 điểm đã biết tọa độ hoặc cũng có thể đo theo phương pháp đo tĩnh

Có thể thực hiện thủ tục khởi đo theo 2 phương pháp:

+ Khởi đo tại điểm đã biết (known point) + Khởi đo tại điểm chưa biết (unknown point) Nếu khởi đo tại điểm đã biết, cần biết trước vector khởi đầu từ trạm tĩnh đến trạm khởi đo, gồm các thành phần gia số tọa độ trong hệ tọa độ WGS-84 Trong trường hợp này thời gian khởi đo ngắn, chỉ tầm vài phút

Nếu khởi đo tại điểm chưa biết thì sẽ cần nhiều thời gian hơn (khoảng vài chục phút) cho đến khi nhận được thông báo thủ tục khởi đo hoàn tất

Thực chất thời gian này tương đương với thời gian đo tĩnh để xác định vector khởi đầu

- Thực hiện việc đo động:Việc đo động có thể được tiến hành theo các

kỹ thuật khác nhau tùy thuộc vào mục đích của việc đo vẽ Ở đây chỉ đề cập đến việc kỹ thuật “dừng và đi – stop and go”

Trong kỹ thuật này, máy thu sẽ được gắn trên sào đo với chiều cao antena cố định ( khoảng 1.8 m) Tại mỗi điểm đo, ta dừng lại thu tín hiệu vệ tinh với thời gian ít nhất là gấp 2 lần tần suất thu tín hiệu Tại mỗi điểm đo cần chú ý tới màn hình máy thu để đảm bảo trạng thái của máy đo:

+ Thông báo “Roving”: cho phép di chuyển máy đo

+ Thông báo “Point details”: có thể tạm dừng và ghi các số liệu cần thiết của điểm đo như tên điểm, chiều cai antena…

+ Thông báo “Static”: phải giữ máy đứng yên trong thời gian thu tín hiệu

Trong đo động xử lý tức thời RTK, tín hiệu ở trạm tĩnh được bộ thu phát tín hiệu Radio-link chuyển ngay đến máy động để xác định ra vector cạnh, từ đó xác định ra tọa độ điểm trạm động ngay tại thực địa

Trong quá trình đo động ta phải chú ý tới thông báo “Mode” trên màn hình của bộ điều khiển đo khi di chuyển:

+ “Fine”: đang thục hiện ở chế độ tốt/

+ “ Coarce”: đang thực hiện ở chế độ kém, sai lớn ( đang bị mất khóa tín hiệu)

- Kết thúc đo động:Sau khi thu tín hiệu tại tất cả các điểm đo, người đo

sẽ kết thúc đo bằng lệnh “End survey” Mọi số liệu đo sẽ được ghi lại trong

bộ nhớ của máy thu hoặc bộ điều khiển đo Các số liệu này sẽ được trút ra máy vi tính để được xử lý nội nghiệp

2.1.2 Xử lý số liệu

2.1.2.1 Giao diện thiết bị đo và phần mềm trút số liệu

Sau khi kết thúc thực địa, số liệu đo cần được trút sang máy vi tính để chuẩn bị xử lý trong phần mềm đo vẽ bản đồ Để trút số liệu đo có thể tiến hành theo 2 cách:

- Sử dụng phần mềm chuyên trút số liệu GPSload và lưu giữ tại địa chi nào đó trong máy vi tính sau đó mới gọi vào phần mềm đồ hoạ

- Trút trực tiếp vào phần mềm đồ hoạ TSoffice (Trimble Survey Office) hoặc TGO (Trimble Geomatic Office)

Giao diện của 2 cách trút số liệu này là như nhau, trong đó tuỳ theo nơi ghi số liệu là TSC1 hoặc máy thu 4800, 4600LS để lựa chọn trong " Source Device" là "Survey Controller" hoặc "Receiver."

Sau khi trút số liệu đo GPS RTK có 2 file:

3.1.2.2 Xử lý số liệu trên các phần mềm chuyên dụng

Về hình thức GPS RTK và GPS PPK gần giống nhau khi đo ở thực địa nhưng việc xử lý số liệu lại khác nhau cơ bản

1 Xử lý số liệu đo GPS RTK

Việc xử lý số liệu đo ở đây đơn thuần là việc chuyển đổi số liệu toạ độ ghi file số liệu trút từ TSC1 vào cơ sở dữ liệu (Data base) của phần mềm vẽ

bản đồ chuyên dụng Phần mềm chuyên dụng nhập số liệu loại này là phần mềm TSoffice và TGO của hãng Trimble đi kèm thiết bị đo GPS:

Phần mềm TS-Office:Là phần mềm đồ hoạ chuyên dụng nhập và xử lý

số liệu đo GPS RTK và một số dạng file số liệu khác Các chức năng chính của phần mềm TSoffice như sau:

- Nhập và xử lý số liệu đo GPS RTK

- Nhập, xuất dữ liệu dạng File ASCII và file đồ hoạ (DXF file),

- Xử lý code vẽ tự động các đối tượng đã được mã hoá tại thực địa, vẽ các yếu tố mặt bằng,

- Lập mô hình lưới tam giác nội suy địa hình, vẽ đường đồng mức,

- Hoàn thiện in bản vẽ

Phần mềm TGO (Trimble Geomatic Office): là phần mềm mới nhất của

hãng Trimble có các chức năng kết hợp, nâng cao để thay thế các phần mềm GPsurvey, TSOffice của hãng trước đây Chức năng chủ yếu của phần mềm như sau:

- Nhập và xử lý số liệu đo GPS tĩnh (tính base line, bình sai lưới)

- Nhập và xử lý số liệu đo GPS PPK (tính base line, bình sai lưới)

- Nhập và xử lý số liệu đo GPS RTK

- Nhập, xuất dữ liệu dạng File ASCII và file đồ hoạ (DXF file),

- Xử lý code vẽ tự động các đối tượng đã được mã hoá tại thực địa, vẽ các yếu tố mặt bằng,

- Lập mô hình lưới tam giác nội suy địa hình, vẽ đường đồng mức,

- Hoàn thiện in bản vẽ

2 Xử lý số liệu đo GPS PPK

Khác với đo GPS RTK, số liệu đo GPS PPK là dạng số liệu thô (Raw data) chưa xử lý Công việc trước tiên là phải xử lý các trị đo GPS tại các điểm Về hình thức xử lý số liệu đo GPS PPK giống như xử lý số liệu đo GPS

tĩnh song không xử lý riêng biệt từng cạnh (baseline) mà xử lý toàn trạm đo

Số liệu đo GPS PPK có thể xử lý trên 2 phần mềm:

Phần mềm Gpsurvey: trước đây số liệu đo GPS PPK được xử lý trong

phần mềm GPsurvey ver 2.1, 2.35 với lựa chọn là số liệu đo "Stop and Go" khi xử lý cạnh (baseline) Trong phần mềm này việc xử lý gồm các bước:

- Nhập file số liệu đo - các file xxxxxxxx.dat trạm tĩnh và trạm động nhận được sau khi trút số liệu,

- Xử lý các cạnh khởi đo (giải số nguyên đa trị) và dùng để tính các cạnh đo đến các điểm chi tiết (việc này phần mềm tiến hành tự động),

- Bình sai tính chuyển về hệ toạ độ địa phương thông qua việc FIX các điểm gốc (điểm dùng quy chuẩn hệ toạ độ),

- Xuất file toạ độ các điểm sau bình sai để nhập vào các phần mềm đo

vẽ bản đồ khác

Phần mềm TGO: với phần mềm mới TGO, số liệu đo GPS PPK có thể

nhập thẳng vào phần mềm TGO như đối với số liệu đo GPS RTK Tất nhiên

số liệu này sẽ phải qua công đoạn xử lý cạnh (baseline) Các file số liệu vào phần mềm là các file ***.dat của trạm tĩnh; trạm động có thể nhập file ***.dat hoặc file ***.dc trút được từ TSC1 Các bước xử lý như sau:

- Nhập file đo trạm tĩnh, trạm động,

- Tính cạnh (base line),

- Quy chuẩn hệ toạ độ (bình sai lưới sử dụng các điểm quy chuẩn),

- Xuất file toạ độ điểm sau bình sai (nếu muốn vẽ bản đồ ở phần mềm khác),

- Xử lý code vẽ tự động các đối tượng đã được mã hoá tại thực địa, vẽ các yếu tố mặt bằng,

- Lập mô hình lưới tam giác nội suy địa hình, vẽ đường đồng mức,

- Hoàn thiện in bản vẽ

Các phần mềm của hãng Trimble nói chung là khá hoàn thiện, ổn định nên thực tế người sử dụng có thể thao tác rất đơn giản Tuy nhiên nguời sử dụng cần phải biết tiếng Anh và thông thạo chuyên môn trắc địa bản đồ Người sử dụng ở Việt Nam có thể không quen với phần mềm đồ hoạ của Trimble nên có thể đi theo xu hướng là chỉ xử lý số liệu đo đến khi thu được toạ độ X,Y,h của điểm đo (công đoạn này là bắt buộc), còn việc vẽ, biên tập bản đồ sẽ dùng file kết quả trên nhập vào các phần mềm thông dụng khác như SDRmap, Microstation, Autocad

2.2 CÁC NGUỒN SAI SỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN KẾT QUẢ ĐO GPS

2.2.1 Sai số quỹ đạo vệ tinh

Toạ độ điểm đo GPS được tính dựa vào vị trí đã biết của vệ tinh Người

sử dụng phải dựa vào lịch thông báo toạ vệ tinh mà theo lịch toạ độ vệ tinh có thể bị sai số Do vậy nếu sử dụng quỹ đạo vệ tinh chính xác có thể đạt kết quảđịnh vị tốt hơn Có hai phương án nhằm hoàn thiện thông tin quỹ đạo vệ tinh:

- Sử dụng những trạm mặt đất có vị trí chính xác làm những điểm chuẩn để tinh chỉnh quỹ đạo vệ tinh dành cho công tác đo đạc đặc biệt

- Thu nhận lịch vệ tinh chính xác (precise ephemeris) từ Dịch vụ Địa động học GPS Quốc tế (The International GPS Service for Geodynamics- IGS)

Cơ quan IGS sử dụng một mạng lưới gồm 70 trạm theo dõi tinh chỉnh quỹ đạo vệ tinh Hệ thống này cho thông tin quỹ đạo ưu việt hơn so với lịch

vệ tinh thông báo ( broadcast ephemeris ) của hệ thống GPS chỉ có 5 trạm theo dõi vệ tinh

2.2.2 Ảnh hưởng của tầng ion

Tín hiệu vệ tinh trước khi đến máy thu phải xuyên qua môi trường khônggian gồm các tầng khác nhau Tầng ion là lớp chứa các hạt tích điện trong bầukhí quyển ở độ cao từ 50 - 1000 km, tầng ion có tính chất khúc xạ đối với sóng điện từ, chiết suất của tầng ion tỷ lệ với tần số sóng điện từ truyền qua nó Do vậy trị đo của máy thu 2 tần số cho phép giảm ảnh hưởng tán sắc của tầng ion Hiệu chỉnh ảnh hưởng của tầng ion đối với trị đo của máy thu tần số L1 phải dựa vào các tham số mô hình phát đi trong thông báo

vệ tinh, tuy nhiên chỉ giảm được khoảng 50% ảnh hưởng tầng ion Với máy thu 2 tần số ảnh hưởng tầng ion được giải trừ do đó việc định vị có độ chính xác cao hơn, nhất là đối với việc đo cạnh dài

2.2.3 Ảnh hưởng của tầng đối lưu

Tầng đối lưu có độ cao đến 8 km so với mặt đất là tầng làm khúc xạ đối với tin 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 chiết suất khô được tạo mô hình và loại trừ, nhưng ảnh hưởng của chiết suất ướt là nguồn sai số khó lập mô hình và loại

bỏ trong trị đo GPS Mô hình Hopfield là mô hình tầng đối lưu của khí quyển được áp dụng phổ biến nhất khi xử lý trong đo GPS

2.2.4 Tầm nhìn vệ tinh và sự trượt chu kỳ (Cycle slips)

Điểm quan trọng nhất khi đo GPS là phải thu được tín hiệu ít nhất 4 vệ tinh tức là phải có tầm nhìn thông tới các vệ tinh đó Tín hiệu GPS là sóng cực ngắn trong phổ điện từ, nó có thể xuyên qua mây mù, song không thể truyền qua được tán cây hoặc các vật che chắn Do vậy 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 bảo đảm thu tín hiệu vệ tinh trực tiếp, liên tục nhằm xác định

số nguyên lần bước sóng khởi đầu Tuy nhiên có trường hợp ngay 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 không đếm được khiến cho số nguyên lần bước sóng thay đổi và làm sai kết quả định vị Do đó cần phải phát hiện và xác định sự trượt chu kỳ trong tín hiệu GPS 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 thể dùng sai phân bậc ba để nhận biết và xử lý trượt chu kỳ

2.2.5 Hiện tượng đa tuyến (Multipath)

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 vệ tinh thông thoáng với ngưỡng góc cao trên 150˚ Việc chọn ngưỡng góc cao 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 khả năng phản xạ gây hiện tượng đa tuyến như hồ nước, nhà cao tầng , xe cộ, đường dây điện, mái nhà kim loại Hầu hết anten GPS gắn bản (mâm anten) dạng phẳng, tròn che chắn tín hiệu phản xạ từ dưới mặt đất lên

2.2.6 Sự suy giảm độ chính xác (DOPs) do đồ hình các vệ tinh

Ta biết việc định vị GPS là việc giải bài toán giao hội nghịch không gian dựa vào điểm gốc là các vệ tinh và các khoảng cách tương ứng đến máy thu Trường hợp tối ưu khi thu tín hiệu vệ tinh GPS là vệ tinh cần phải có sự phân bố hình học cân đối trên bầu trời xung quanh điểm đo Chỉ số mô tả đồ hình vệ tinh gọi là hệ số phân tán độ chính xác - hệ số DOP (Delution of Precision) Chỉ số DOP là số nghịch đảo thể tích của khối tỷ diện tạo thành giữa các vệ tinh và máy thu Chỉ số DOP chia ra các loại :

- PDOP - chỉ số phân tán độ chính xác về vị trí (Positional DOP),

- TDOP - chỉ số phân tán độ chính xác về thời gian (Time DOP),

- HDOP - chỉ số phân tán độ chính xác về mặt phẳng (Horizontal DOP),

- VDOP - chỉ số phân tán độ chính xác về cao độ (Vertical DOP),

- GDOP - chỉ số phân tán độ chính xác về hình học (Geometric DOP)

Đồ hình phân bố vệ tinh được thiết kế sao cho chỉ số PDOP đạt xấp xỉ 2.5 với xác xuất 90% thời gian Đồ hình vệ tinh đạt yêu cầu với chỉ số PDOP

< 6

2.2.7 Các sai số do người đo

Khi đo GPS, tâm hình học của anten máy thu cần đặt chính xác trên tâm mốc điểm đo theo đường dây dọi Anten phải đặt cân bằng, chiều cao từ tâm mốc đến tâm hình học của anten cần đo và ghi lại chính xác Đo chiều cao anten không đúng thường là lỗi hay mắc phải của người đo GPS Ngay cả khi xác định toạ độ phẳng đo chiều cao cũng quan trọng vì GPS là hệ thống định vị 3 chiều, sai số chiều cao sẽ lan truyền sang vị trí mặt phẳng và ngược lại Một loại sai số đo khác nữa là nhiễu trong trị đo GPS Nguyên nhân là do phần mạch điện tử và sự suy giảm độ chính xác cuả máy thu Các thiết bị mới hiện đại hơn sẽ cung cấp dữ liệu sạch hơn

2.2.8 Tâm pha của anten

Tâm pha là một điểm nằm bên trong anten, là nơi tín hiệu GPS biến đổi thành tín hiệu trong mạch điện Các trị đo khoảng cách được tính vào điểm này Điều này có ý nghĩa quan trọng đối với công tác trắc địa ở nhà máy chế tạo, anten đã được kiểm định sao cho tâm pha trùng với tâm hình học của nó Tuy nhiên tâm pha thay đổi vị trí phụ thuộc vào đồ hình vệ tinh Ảnh hưởng này có thể 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 (thường là hướng Bắc) và tốt nhất sử dụng cùng một loại anten cho cùng một ca đo

2.3 NHỮNG YÊU CẦU KỸ THUẬT TRONG VIỆC THÀNH LẬP BẢN

ĐỒ ĐỊA HÌNH VÀ BỐ TRÍ CÔNG TRÌNH

2.3.1 Độ chính xác cần thiết thành lập bản đồ địa hình công trình

Độ chính xác thành lập bản đồ địa hình công trình phụ thuộc vào độ chính xác thành lập lưới khống chế đo vẽ và độ chính xác đo vẽ bản đồ

2.3.1.1 Yêu cầu độ chính xác thành lập lưới khống chế đo vẽ

Yêu cầu độ chính xác vị trí mặt bằng thường được quy định: sai số giới hạn vị trí điểm của lưới khống chế đo vẽ so với điểm của lưới cao hơn không được vượt quá 0.2 mm trên bản đồ

Lưới khống chế đo vẽ được thành lập bằng cách tăng dày từ lưới khống chế nhà nước với số bậc phát triển tùy thuộc vào diện tích từng khu vực và tỷ

lệ bản đồ cần thành lập Thông thường lưới khống chế đo vẽ được phát triển

từ lưới hạng IV nhà nước xuống các đường chuyên đa giácvà lưới khống chế

đo vẽ

Trong trường hợp tổng quát, tổng hợp sai số vị trí điểm yếu nhất của cấp lưới khống chế thứ i được tính theo công thức:

(2.1) Trong đó:

n: số bậc phát triển của lưới

mp: sai số trung phương vị trí điểm của lưới khống chế đo vẽ so với điểm của lưới cấp cao hơn, tính theo công thức: mp= 0.1mm x Mbđ ( với Mbđ

là mẫu số tỷ lệ bản đồ cần thành lập)

k: hệ số suy giảm độ chính xác

Khi đo vẽ bản đồ tỷ lệ 1/500 là bản đồ có tỷ lệ lớn nhất thường được dùng trong trắc địa công trình, giả sử phát triển 3 cấp khống chế lần lượt là