Nghiên cứu hoàn thiện phương pháp tính chuyển toạ độ gps về hệ toạ độ thi công trong công trình

Ứng dụng GPS trong giai ñoạn quan trắc chuyển dịch công trình 41 Chương 2: TÍNH CHUYỂN TỌA ðỘ LƯỚI ðO GPS TRONG TRẮC ðỊA 2.1.Các hệ toạ ñộ thường dùng trong trắc ñịa công trình 43 Chương

BỘ GIÁO DỤC VÀ ðÀO TẠO TRƯỜNG ðẠI HỌC MỎ-ðỊA CHẤT

- * * * -

PHẠM VĂN TUẤN

NGHIÊN CỨU HOÀN THIỆN PHƯƠNG PHÁP TÍNH CHUYỂN TỌA ðỘ GPS VỀ HỆ TỌA ðỘ

THI CÔNG TRONG CÔNG TRÌNH

Chuyên ngành: Kỹ thuật trắc ñịa

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

TS TRẦN VIẾT TUẤN

Hà Nội - 2012

LỜI CAM ðOAN

Tôi xin cam ñoan ñây là công trình nghiên cứu của riêng tôi, các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng ñược ai công bố trong bất kỳ công trình khác

Tác giả luận văn

Phạm Văn Tuấn

1.1 Các giai ñoạn khảo sát, thiết kế và thi công xây dựng công trình 12 1.1.1 Công tác khảo sát trắc ñịa phục vụ thiết kế công trình 12 1.1.2 Công tác trắc ñịa phục vụ thi công xây lắp công trình 12 1.1.3 Công tác trắc ñịa phục vụ quan trắc biến dạng công trình 13

1.2.1 Các ñặc ñiểm của lưới khống chế thi công trong trắc ñịa công trình 13

1.4 Ứng dụng công nghệ GPS trong trắc ñịa công trình 38 1.4.1 ðặc ñiểm của lưới khống chế thi công thành lập bằng công nghệ GPS 38 1.4.2 Ứng dụng GPS trong giai ñoạn khảo sát thiết kế công trình 40 1.4.3 Ứng dụng GPS trong giai ñoạn trong thi công xây dựng công trình 40

1.4.4 Ứng dụng GPS trong giai ñoạn quan trắc chuyển dịch công trình 41

Chương 2: TÍNH CHUYỂN TỌA ðỘ LƯỚI ðO GPS TRONG TRẮC ðỊA

2.1.Các hệ toạ ñộ thường dùng trong trắc ñịa công trình 43

Chương 3: NGHIÊN CỨU HOÀN THIỆN PHƯƠNG PHÁP TÍNH CHUYỂN

TỌA ðỘ LƯỚI ðO GPS VỀ HỆ TỌA ðỘ THI CÔNG TRONG CÔNG TRÌNH 64

Chương 4: MỘT SỐ KẾT QUẢ ðO ðẠC VÀ TÍNH TOÁN THỰC NGHIỆM 79

4.1 Bài toán tính chuyển giữa hai hệ tọa ñộ phẳng 79 4.2 Bài toán tính chuyển từ hệ tọa ñộ ñịa tâm về hệ tọa ñộ ñịa diện chân trời 81 4.3 Bài toán tính chuyển tọa ñộ GPS về mặt thủy chuẩn khu vực 85

Phụ lục

DANH MỤC CÁC BẢNG

Trang Bảng 2.1 Tọa ñộ các ñiểm khống chế cầu Bắc Luân hệ tọa ñộ Trung Quốc 52 Bảng 2.2 Tọa ñộ các ñiểm khống chế cầu Bắc Luân hệ tọa ñộ Việt Nam 52 Bảng 2.3 Bảng so sánh chiều dài cạnh tứ giác cầu tính trong múi 108 và

múi 107 với chiều dài ño bằng máy toàn ñạc ñiện tử

58

Bảng 2.4 Bảng so sánh chiều dài cạnh lưới tứ giác cầu Nhật Tân tính

trong múi 105o00’ và múi 105o30’

63

Bảng 4.1 Bảng thống kê tọa ñộ các ñiểm khống chế bờ Trung Quốc

chuyển ñổi về hệ tọa ñộ Việt Nam

80

Bảng 4.2 Bảng so sánh chiều dài cạnh lưới tứ giác cầu Nhật Tân

tính trong múi 105o00’ và múi 105o30’

Bảng 4.5 Bảng so sánh chiều dài tính chuyển về múi 105o30’

Với cạnh ño bằng máy toàn ñạc ñiện tử

83

Bảng 4.6 Bảng tọa ñộ vuông góc không gian ñịa diện chân trời 84 Bảng 4.7 Bảng tọa ñộ 4 ñiểm ñã chuyển về múi 108 84 Bảng 4.8 Bảng so sánh kết quả chiều dài cạnh trong múi 108 với chiều

dài ño (ñã tính chuyển về hệ tọa ñộ công trình)

85

Bảng 4.9 So sánh kết quả ño cạnh lưới GPS khu công nghiệp Yên Phong 86 Bảng 4.10 Bảng tọa ñộ vuông góc không gian ñịa diện chân trời 87 Bảng 4.11 Bảng tọa ñộ phẳng kinh tuyến trục 105o30’ 88 Bảng 4.12 So sánh kết quả ño cạnh lưới GPS khu công nghiệp Yên Phong

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Trang Hình 1.1 Sơ ñồ lưới khống chế thi công cầu vượt 15 Hình 1.2 Nguyên tắc cơ bản của bài toán ñịnh vị tuyệt ñối bằng vệ tinh 19

Hình 1.7 Các thông tin ñiều biến sóng tải L1, L2 22 Hình 1.8 Sơ ñồ vị trí các trạm theo dõi và trạm ñiều khiển GPS 23

Hình 1.10 ðo khoảng cách giả theo mã C/A-code và P-code 27

Hình 2.2 Hệ tọa ñộ vuông góc không gian ñịa tâm 44

Hình 2.4 Hệ tọa ñộ vuông góc không gian ñịa diện chân trời 46 Hình 2.5 Hệ tọa ñộ vuông góc phẳng Gauss-Kruger 47

Hình 2.10 Hệ tọa ñộ ñịa tâm và hệ tọa ñộ ñịa diện chân trời 62 Hình 3.1 Mối liên hệ ñộ cao mặt quy chiếu và ñộ cao của ñiểm khống chế 65 Hình 3.2 Sơ ñồ khối thuật toán tính chuyển tọa ñộ giữa 2 hệ tọa ñộ phẳng 69 Hình 3.3 Sơ ñồ khối thuật toán chuyển ñổi từ hệ tọa ñộ ñịa tâm về hệ tọa

ñộ ñịa diện chân trời

71

Hình 3.4 Thuật toán tính chuyển tọa ñộ GPS về mặt thủy chuẩn công trình 75 Hình 3.5 Giao diện chính của chương trình tính chuyển tọa ñộ 76 Hình 3.6 Module tính chuyển từ hệ tọa ñộ ñịa tâm vầ hệ tọa ñộ ñịa diện

chân trời

77

Hình 3.7 Module tính chuyển giữa 2 hệ tọa ñộ phẳng 78

Hình 4.3 Sơ ñồ lưới GPS khu công nghiệp Yên Phong 85

MỞ ðẦU

1 Tính cấp thiết của ñề tài

Hiện nay công nghệ GPS (Global Position System) ñã và ñang trở lên rất phổ biết trên thế giới và ñược ứng dụng vào nhiều lĩnh vực khác nhau bởi nhiều

ưu ñiểm vượt trội mà nó mang lại Trong trắc ñịa nói chung công nghệ GPS ñược ứng dụng rất ña dạng như thành lập lưới khống chế liên lục ñịa ñể nghiên cứu sự dịch chuyển của vỏ trái ñất, lưới khống chế quốc gia, cho ñến việc ño vẽ chi tiết các công trình

Trong lĩnh vực trắc ñịa công trình ở Việt Nam, công nghệ GPS ñược ứng dụng ñể thành lập lưới khống chế tọa ñộ trong các giai ñoạn khảo sát thiết kế, thi công xây lắp công trình và quan trắc biến dạng công trình

Lưới khống chế thi công ñóng một vai trò quan trọng trong quá trình thi công xây lắp các công trình Chất lượng của lưới khống chế thi công sẽ ñảm bảo

ñộ chính xác của công trình trong quá trình xây dựng và hoàn thiện ðể ñảm bảo tính chính xác bố trí công trình ra thực ñịa thì lưới khống chế thi công phải ñảm bảo yêu cầu về tính ñồng nhất hệ tọa ñộ thiết kế và hệ tọa ñộ thi công, sự biến dạng về chiều dài các cạnh của lưới khống chế thi công ñược thành lập bằng công nghệ GPS so với chiều dài cạnh ño ñược trên bề nặt công trình là nhỏ nhất

Do ñó, khi ứng dụng công nghệ GPS thành lập lưới khống chế thi công cần phải tính chuyển tọa ñộ các ñiểm ño GPS về hệ tọa ñộ thi công công trình nhằm ñảm bảo tính ñồng nhất giữa tọa ñộ thiết kế và tọa ñộ thi công

Vấn ñề tính chuyển tọa ñộ GPS về hệ tọa ñộ thi công công trình ở Việt Nam hiện nay ñã có một số ñề tài nghiên cứu cụ thể như “Nghiên cứu ứng dụng công nghệ GPS trong trắc ñịa công trình ñiều kiện Việt Nam” [9] có ñề cập ñến vấn ñề tính chuyển tọa ñộ GPS về hệ tọa ñộ thi công công trình Tuy nhiên những nghiên cứu trước ñây vẫn chưa giải quyết ñược vấn ñề tính chuyển tọa ñộ ñối với các dạng lưới công trình dạng tuyến có chiều dài lớn Trong khuôn khổ nghiên cứu của luận văn này tôi ñi sâu nghiên cứu hoàn thiện thêm về phương

pháp tính chuyển tọa ñộ GPS về hệ tọa ñộ thi công công trình, ñặc biệt là ñối với các công trình dạng tuyến có chiều dài lớn

ðược sự hướng dẫn của Tiến sĩ Trần Viết Tuấn tôi thực hiện ñề tài

“Nghiên cứu hoàn thiện phương pháp tính chuyển tọa ñộ GPS về hệ tọa ñộ thi công trong công trình”

2 Mục ñích nghiên cứu

- Nghiên cứu khả năng ứng dụng công nghệ GPS thành lập lưới khống chế thi công

- Hoàn thiện phương pháp tính chuyển tọa ñộ các ñiểm ño GPS về hệ tọa

ñộ thi công công trình

- Xây dựng phần mền tính chuyển tọa ñộ trong trắc ñịa công trình

- Kết quả nghiên cứu của luận văn sẽ ñược áp dụng vào thực tế góp phần nâng cao ñộ chính xác và rút ngắn thời gian tính chuyển tọa ñộ

3 ðối tượng và phạm vi nghiên cứu của ñề tài

Luận văn tập trung nghiên cứu phương pháp tính chuyển tọa ñộ cho các dạng lưới khống chế thi công trong công trình

Phạm vi nghiên cứu là lưới khống chế thi công cầu và lưới khống chế thi công ñường

4 Nội dung nghiên cứu

- Nghiên cứu khả năng ứng dụng công nghệ GPS trong trắc ñịa công trình;

- Nghiên cứu phương pháp và thuật toán tính chuyển tọa ñộ GPS về hệ tọa

ñộ thi công công trình;

- Thành lập phầm mềm và quy trình tính chuyển tọa ñộ GPS về hệ tọa ñộ thi công công trình nhằm nâng cao ñộ chính xác và hiệu quả ứng dụng GPS trong công trình

5 Phương pháp nghiên cứu

ðể thực hiện ñược những mục ñích nghiên cứu, luận văn ñã sử dụng các phương pháp nghiên cứu sau:

- Phương pháp thống kê: Thu thập, tổng hợp các tài liệu liên quan ñến ñề tài nghiên cứu;

- Phương pháp phân tích: Tổng hợp, xử lý các tài liệu, phân tích và giải quyết các vấn ñề mà ñề tài ñặt ra;

- Phương pháp thực nghiệm: Tiến hành thực nghiệm ño ñạc và tính toán trên các các lưới và công trình cụ thể;

- Phương pháp so sánh: So sánh ñối chiếu giữa kết quả của phương pháp tính chuyển truyền thống với phương pháp tính chuyển về mặt thủy chuẩn khu vực từ ñó ñưa ra kết luận

6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của ñề tài

Phần mềm tính chuyển tọa ñộ các ñiểm ño GPS về hệ tọa ñộ thi công công trình cho phép ñảm bảo ñộ chính xác bố trí công trình xây dựng

7 Cấu trúc của luận văn

Luận văn hoàn thành ñược trình bày trong 95 trang, gồm 4 chương với 19 bảng, 37 hình vẽ và 4 phụ lục tính

Chương 1 GIỚI THIỆU CHUNG 1.1 CÁC GIAI ðOẠN KHẢO SÁT, THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH

Công tác trắc ñịa là một khâu công việc quan trọng và không thể thiếu trong toàn bộ các công tác khảo sát, thiết kế, thi công xây lắp công trình trên mặt bằng xây dựng Chúng ñược thực hiện theo một ñề cương hoặc một phương án

kỹ thuật ñã ñược cấp có thẩm quyền phê duyệt và phù hợp với tiến ñộ chung của các giai ñoạn khảo sát, thiết kế, xây lắp và ñánh giá ñộ ổn ñịnh của trì công trình

Bản thiết kế công trình ñược ñưa ra trên cơ sở nghiên cứu các tài liệu khảo sát thực ñịa Một trong những nhiệm vụ chủ yếu nhất của việc khảo sát khu vực xây dựng công trình là chọn trong vùng quy ñịnh một ñịa ñiểm thỏa mãn ñầy ñủ nhất các ñiều kiện hoạt ñộng bình thường của công trình, ñồng thời bảo ñảm chi phí nhỏ nhất cho quy hoạch mặt bằng, ñộ cao và thi công công trình Trong giai ñoạn khảo sát, thiết kế công trình công tác trắc ñịa luôn luôn cung cấp các tài liệu khảo sát kịp thời và chính xác cho các nhà thiết kế và thi công công trình

Công tác trắc ñịa phục vụ xây dựng công trình gồm 3 giai ñoạn chính: 1.1.1 Công tác khảo sát Trắc ñịa phục vụ thiết kế công trình

Trong giai ñoạn này công tác Trắc ñịa bao gồm:

Thành lập lưới khống chế mặt bằng và ñộ cao phục vụ cho việc ño vẽ bản

ñồ tỷ lệ lớn, ño vẽ trắc dọc, trắc ngang, lập báo cáo nghiên cứu khả thi và thiết

kế kỹ thuật thi công

1.1.2 Công tác trắc ñịa phục vụ thi công xây lắp công trình

Trong giai ñoạn này công tác trắc ñịa bao gồm:

- Thành lập lưới khống chế mặt bằng và ñộ cao phục vụ bố trí chi tiết và thi công xây lắp công trình;

- Kiểm tra kích thước hình học và căn chỉnh các kết cấu công trình;

- ðo vẽ hoàn công công trình

1.1.3 Công tác trắc ñịa phục vụ quan trắc biến dạng công trình

Trong giai ñoạn này thường thành lập hệ thống lưới khống chế 2 cấp ñộc lập nhằm xác ñịnh ñầy ñủ, chính xác các giá trị chuyển dịch, phục vụ việc ñánh giá ñộ ổn ñịnh và bảo trì công trình

1 Cấp lưới cơ sở: Bao gồm các ñiểm khống chế cơ sở bố trí ngoài công trình, nơi có ñiều kiện ñịa chất ổn ñịnh, có thế bảo quản ñược lâu dài và thuận tiện cho việc quan trắc tới các ñiểm gắn trên công trình Các ñiểm của lưới cơ sở dùng làm gốc khởi tính tọa ñộ cho các ñiểm của lưới quan trắc, vì vậy thường có yêu cầu rất cao về ñộ ổn ñịnh

2 Cấp lưới quan trắc: Bao gồm các ñiểm kiểm tra ñặt tại những vị trí ñặc trưng trên công trình và chuyển dịch cùng công trình

Như vậy ñặc ñiểm của lưới khống chế trong các giai ñoạn là ñòi hỏi ñộ chính xác cao và thời gian thi công ngắn

1.2 LƯỚI KHỐNG CHẾ THI CÔNG TRẮC ðỊA CÔNG TRÌNH

1.2.1 Các ñặc ñiểm của lưới khống chế thi công trong trắc ñịa công trình

Lưới khống chế thi công là một mạng lưới gồm các ñiểm có tọa ñộ ñược xác ñịnh chính xác và ñược ñánh dấu bằng các mốc kiên cố trên mặt bằng xây dựng và ñược dùng làm cơ sở ñể bố trí các hạng mục công trình từ bản vẽ thiết

kế ra thực ñịa, lưới khống chế thi công ñược xây dựng sau khi ñã giải phóng và san lấp mặt bằng

Lưới khống chế mặt bằng và ñộ cao ñược thành lập ở khu vực thành phố, khu công nghiệp, khu năng lượng, sân bay, bến cảng, cầu cống, ñường hầm… là

cơ sở trắc ñịa phục vụ cho khảo sát thiết kế, thi công xây dựng các công trình, ñược gọi là lưới khống chế thi công công trình

1.2.2 Các dạng lưới

Mỗi công trình có một ñặc ñiểm khác nhau về hình dáng, kích thước, diện tích khu vực xây dựng và ñộ chính xác cần thiết Do ñó, lưới khống chế trắc ñịa trong thi công cũng rất ña dạng, lưới khống chế thi công phụ thuộc vào ñặc ñiểm của từng công trình và trang thiết bị hiện có của ñơn vị :

1 Lưới khống chế ở khu vực thành phố

Ở thành phố không thành lập lưới chuyên dùng mà sử dụng lưới khống chế nhà nước làm cơ sở, nhưng chiều dài cạnh rút ngắn 1,5 ÷ 2 lần ñể có mật ñộ

1 ñiểm/(5 ÷ 15)Km2 Lưới ñược tăng dày ñể bảo ñảm ño vẽ bản ñồ tỷ lệ 1:500

Loại và dạng của lưới phụ thuộc vào diện tích và hình dạng của thành phố Thành phố có dạng kéo dài thì thành lập chuỗi tam giác ñơn hoặc kép Thành phố có dạng trải rộng thì thành lập lưới có dạng ña giác trung tâm và có thể ño thêm các ñường chéo Thành phố lớn có diện tích rộng thì thành lập lưới gồm nhiều ña giác trung tâm

2 Lưới khống chế khu vực công nghiệp

Lưới khống chế trên toàn khu vực ñược thành lập trong giai ñoạn khảo sát

là cơ sở ñể ño vẽ bản ñồ, ñồng thời cũng dựa vào ñó ñể thành lập lưới bố trí công trình

ðối với khu vực công nghiệp có diện tích trên 30 km2, cơ sở khống chế là các ñiểm của lưới nhà nước

ðối với khu vực nhỏ hơn thì thành lập lưới cục bộ có ñộ chính xác như lưới hạng IV nhà nước

ðể bố trí công trình, ở khu vực công nghiệp thường thành lập lưới ô vuông xây dựng

3 Lưới khống chế cho công trình cầu vượt

Cơ sở ước tính ñộ chính xác cần thiết của lưới là yêu cầu về ñộ chính xác

ño chiều dài cầu và ñộ chính xác vị trí trụ cầu, thường từ 1÷3 cm ðồ hình cơ bản của lưới thường là tứ giác trắc ñịa ñơn hoặc kép Một hoặc hai cạnh ñáy

ñược ño với ñộ chính xác 1: 200 000 ÷ 1: 300 000; góc ño với ñộ chính xác

mβ=1÷2”

Hình 1.1 Sơ ñồ lưới khống chế thi công cầu vượt Ngày nay, máy ño dài ñiện tử ñược sử dụng rộng rãi, lưới trắc ñịa trong xây dựng cầu thường ño góc - cạnh kết hợp Trong trường hợp này ñồ hình lưới

có thể ñơn giản hơn mà vẫn ñảm bảo yêu cầu

Với sự phát triển của công nghệ GPS thì lưới khống chế thi công cầu có thể ñược thành lập hoàn toàn bằng công nghệ GPS hoặc kết hợp trị ño GPS và trị ño cạnh của máy toàn ñạc ñiện tử Khi ñó ñồ hình lưới có thể ñược bố trí linh hoạt, thường là lưới tứ giác trắc ñịa

4 Lưới khống chế thành lập cho khu ñầu mối thủy lợi - thủy ñiện

Lưới trắc ñịa thường ñược thành lập ở khu ñầu mối thủy lợi - thủy ñiện là lưới tam giác ño góc cạnh ðặc ñiểm của lưới tam giác trong khu vực này là cạnh ngắn (0,5 ÷ 1,5Km), ño góc và cạnh ñáy với ñộ chính xác cao:

- ðo góc - cạnh kết hợp ñể ñơn giản hóa kết cấu của lưới mà ñộ chính xác vẫn bảo ñảm;

- Khi xây dựng ñập bê tông cao, các ñiểm của lưới khống chế cần ñược phân bố ở hai bờ, có ñộ cao khác nhau ñể tiện bố trí ñập

Ngày nay ta có thể thành lập lưới khống chế khu vực ñầu mối thủy lợi - thủy ñiện bằng công nghệ ñịnh vị GPS Với phương pháp GPS thì ñồ hình của lưới không khác nhiều so với các mạng lưới trắc ñịa truyền thống

5 Lưới không chế trắc ñịa cho công trình ñường hầm

Hình dạng lưới khống chế trắc ñịa cho ñường hầm phụ thuộc vào hình dạng của tuyến hoặc hệ thống ñường hầm

ðối với một tuyến ñường hầm, thường thành lập chuỗi tam giác, ño cạnh ñáy ở hai ñầu chuỗi tam giác ño góc - cạnh kết hợp ðể chuyền tọa ñộ và phương vị xuống hầm, cần phải có ñiểm của lưới khống chế ở gần miệng giếng ñứng và cửa hầm

6 Công trình ñòi hỏi ñộ chính xác cao

ðối với công trình ñòi hỏi ñộ chính xác cao như nhà máy gia tốc hạt, công trình cao, tháp vô tuyến… nhưng phạm vi nhỏ thì thành lập lưới tam giác nhỏ ño cạnh (25 ÷ 50 m) ñộ chính xác rất cao (0,1 ÷ 0,5 mm)

Lưới khống chế trắc ñịa công trình có thể ñược thành lập dưới dạng lưới tam giác ño góc, ñường chuyền (ña giác), lưới ño góc - cạnh kết hợp, lưới tam giác ño cạnh ñộ chính xác cao hoặc lưới ô vuông xây dựng, trong những năm gần ñây nhờ áp dụng công nghệ ñịnh vị vệ tinh GPS vào công tác lập lưới khống chế nên ta có thêm một phương pháp thành lập lưới mới ñó là phương pháp ñịnh

Trong giai ñoạn khảo sát, nhiệm vụ chủ yếu của trắc ñịa là cung cấp bản

ñồ ñịa hình các loại tỉ lệ Khi ñó lưới khống chế ñược thành lập với ñộ chính xác tùy thuộc tỉ lệ bản ñồ cần ño vẽ

Trong giai ñoạn thi công, nhiệm vụ của trắc ñịa là trực tiếp phục vụ thi công ðể xác ñịnh ñộ chính xác của lưới khống chế thi công phải dựa trên cơ sở ñảm bảo ñộ chính xác cần thiết bố trí các hạng mục công trình

Trong trường hợp chung nhất, lưới trắc ñịa công trình ñược thành lập, phát triển nhằm bảo ñảm công tác bố trí cơ bản và ño vẽ bản ñồ ñịa hình tỷ lệ 1:500 Ngoài ra lưới trắc ñịa công trình còn nhằm mục ñích bảo ñảm ñộ chính xác bố trí chi tiết công trình và quan trắc chuyển dịch, biến dạng công trình Vì vậy, cần phải xét ñến hai trường hợp:

1 Yêu cầu về ñộ chính xác của lưới bố trí công trình tương ñương ñộ chính xác của lưới ño vẽ

Trong trường hợp này, lưới trắc ñịa công trình ñược phát triển theo nguyên tắc từ tổng thể ñến cục bộ như lưới nhà nước và có thể dựa vào các ñiểm của lưới nhà nước ñã có trên khu vực xây dựng công trình

2 Yêu cầu ñộ chính xác của lưới bố trí công trình cao hơn hẳn so với ñộ chính xác ño vẽ bản ñồ

Trong trường hợp này phải thành lập lưới chuyên dùng cho công trình Các ñiểm của lưới nhà nước ñã có trong khu vực chỉ ñược dùng làm số liệu gốc cần thiết tối thiểu ñể nối lưới trắc ñịa công trình vào hệ thống tọa ñộ nhà nước 1.2.4 Vai trò của lưới trắc ñịa công trình trong từng giai ñoạn

Vị trí, mật ñộ ñiểm và ñộ chính xác của lưới trắc ñịa công trình chuyên dùng sẽ tùy thuộc vào yêu cầu và ñặc ñiểm của từng công trình và giai ñoạn xây dựng công trình Do ñó, vai trò của lưới khống chế trắc ñịa trong từng giai ñoạn cũng khác nhau Thí dụ khi xây dựng ñầu mối thủy lợi - thủy ñiện:

+ Giai ñoạn khảo sát, thiết kế: lưới khống chế trắc ñịa phục vụ ño vẽ bản ñồ + Giai ñoạn thi công: lưới khống chế trắc ñịa phục vụ cho bố trí công trình

+ Giai ñoạn sử dụng công trình: lưới khống chế ñược sử dụng ñể quan trắc chuyển dịch, biến dạng công trình

ðặc ñiểm của lưới khống chế thi công công trình là rất ña dạng và phụ thuộc rất nhiều vào ñiều kiện thực tế của từng công trình, ñịa hình… Lưới khống chế thi công có các ñặc ñiểm khác so với lưới khống chế ño vẽ bản ñồ là:

Phạm vi khống chế nhỏ, mật ñộ ñiểm dầy, yêu cầu ñộ chính xác cao;

Số lần sử dụng nhiều;

Chịu ảnh hưởng của thi công

Lưới khống chế thi công ñược phép phát triển theo hai giai ñoạn:

Lưới khống chế thi công mặt bằng và lưới khống chế ñộ cao chính;

Lưới khống chế thi công mặt bằng và lưới khống chế ñộ cao chi tiết phát triển từ lưới khống chế thi công mặt bằng và lưới khống chế ñộ cao chính bằng phương pháp ño tam giác, giao hội, ñường chuyền kinh vĩ và ño cao kỹ thuật

Như vậy, yêu cầu về ñộ chính xác tăng dần Việc phát triển xây dựng lưới phải linh hoạt, hợp lý sao cho có thể sử dụng tối ña kết quả của giai ñoạn trước vào các giai ñoạn sau của quá trình xây dựng công trình

1.3 CÔNG NGHỆ GPS

1.3.1 Cơ sở lý thuyết của công nghệ GPS

ðể giải quyết nhiệm vụ xác ñịnh vị trí ñiểm trên bề mặt trái ñất dựa vào quan sát vệ tinh, người ta ñưa ra hai nguyên tắc ñó là nguyên tắc hình học và nguyên tắc ñộng học

Trước ñây người ta ñưa lên quỹ ñạo một số vệ tinh nhân tạo ñóng vai trò như những mục tiêu di ñộng phát sáng Nhờ ñó các trạm quan sát trên mặt ñất có thể ghi nhận ñược vị trí bằng chụp ảnh vệ tinh trên nền sao Bằng cách này người ta có thể tiến hành xác ñịnh vị trí ñiểm quan sát trên mặt ñất mà không cần biết vị trí trính xác của vệ tinh Các vệ tinh này ñược gọi là các vệ tinh thụ ñộng (Passive Satellites) Và bài toán xác ñịnh trong trường hợp này ñược giải quyết theo nguyên tắc hình học Những thời gian sau này, nhờ sự phát triển của

kỹ thuật ñiện tử, các vệ tinh ñược trang bị nguồn phát tín hiệu vô tuyến, gương phản chiếu laser, ñồng hồ chính xác v.v Trong quá trình chuyển ñộng trong quỹ ñạo người ta xác ñịnh ñược vị trí trính xác của vệ tinh (trong hệ tọa ñộ) Từ

ñó xác ñịnh ñược vị trí của các trạm thu tín hiệu vệ tinh hoặc trạm ño khoảng cách tới vệ tinh bằng laser Các vệ tinh như vậy gọi là các vệ tinh chủ ñộng (Active Satellites) và bài toán ñịnh vị trong trường hợp này ñược giải quyết theo nguyên tắc ñộng học Các vệ tinh của hệ thống TRANSIT, GPS và GLONASS thuộc nhóm vệ tinh chủ ñộng

ðể ñịnh vị, người ta có thể thực hiện ñịnh vị tuyệt ñối hoặc ñịnh vị tương ñối ðịnh vị tuyệt ñối là xác ñịnh vị trí tuyệt ñối của ñiểm quan sát trong hệ tọa

ñộ quy ước, còn ñịnh vị tương ñối là xác ñịnh hiệu tọa ñộ (vị trí tương ñối) của hai hoặc nhiều ñiểm quan sát trong hệ tọa ñộ ñó

Hình 1.2 Nguyên tắc cơ bản của bài toán ñịnh vị tuyệt ñối bằng vệ tinh

tinh vào thời ñiểm quan sát ñã biết thì véc tơ ñịa tâm r hoàn toàn xác ñịnh Như vật vị trí của ñiểm quan trắc M sẽ ñược xác ñịnh thông qua biểu thức:

ðể ñịnh vị tương ñối giữa hai ñiểm M1 và M2 trên mặt ñất (Hình 1.3), người ta sử dụng phương pháp ño ñồng thời từ hai ñiểm quan trắc Từ ñó ta lập ñược hai phương trình tại hai ñiểm quan trắc là :

Hệ thống ñịnh vị toàn cầu GPS bao gồm 3 bộ phận cấu thành 3 ñoạn (Segment) ðoạn không gian (Space Segment);

ðoạn ñiều khiển (Control Segment);

ðoạn sử dụng (User Segment)

1 ðoạn không gian (Space Segment)

ðoạn không gian ñến nay bao gồm 24 vệ tinh chuyển ñộng trên 6 mặt phẳng quỹ ñạo và 3 vệ tinh dự trữ Vệ tinh chuyển ñộng ở ñộ cao khoảng 20180km Mặt phẳng quỹ ñạo nghiêng với mặt phẳng xích ñạo trái ñất một góc

55o, quỹ ñạo của mỗi vệ tinh cách nhau 60o kinh Chu kỳ chuyển ñộng của vệ tinh là 12h ñồng hồ Với sự phân bố quỹ ñạo trên vệ tinh như vậy, trong bất kỳ thời gian nào và ở bất kỳ vị trí quan trắc nào trên trái ñất cũng có thể quan trắc ñược ít nhất 4 vệ tinh GPS Hình dạng vệ tinh GPS ñược thể hiện ở (hình 1.4)

Tất cả các vệ tinh GPS ñều có thiết bị tạo dao ñộng tần số chuẩn sơ sở

f0=10.23 MHz Từ tần số cơ sở f0 sẽ tạo ra hai tần số sóng tải L1, L2

Sóng tải Tần số (MHz) Bước sóng (cm) L1 154f0 = 1575.42 19,023

L2 120f0 =1227.60 24,42

Hình 1.3 Phân bố vệ tinh trên quỹ ñạo Hình 1.4 Vệ tinh GPS

Các sóng tải L1, L2 thuộc dải sóng cực ngắn Với tần số lớn như vậy các tín hiệu sẽ ít bị ảnh hưởng của tầng ñiện li (tầng ion) và tần ñối lưu vì mức ñộ làm chậm tín hiệu do tầng ñiện li tỷ lệ nghịch với bình phương của tần số

ðể phục vụ cho các mục ñích và các ñối tượng khác nhau Các tín hiệu phát ñi ñược ñiều biến mang theo các code riêng biệt, ñó là C/A code và P-code

Hình 1.5 C/A-code (Coarse/Acquisition code)

Là code thô cho phép dùng rộng rãi Tín hiệu mang code này có tần số thấp (1.023MHz) tương ứng với bước sóng 293m C/A-code chỉ ñiều biến sóng tải L1, song nếu có sự can thiệp của các trạm ñiều khiển trên mặt ñất có thể

chuyển sang cả L2 Chu kỳ của C/A-code là 1 mili giây, trong ñó chứa 1023 bite, mỗi một vệ tinh phát ñi C/A-code khác nhau

Hình 1.6 P-code (Precision code)

P-code là code chính xác, ñược dùng trong mục ñích quân sự ñòi hỏi ñộ chính xác cao và chỉ ñược dùng cho mục ñích khác khi phía Mỹ cho phép Tín hiệu của P-code có tần số ñúng bằng tần số chuẩn f0 (10.23MHz), tương ứng với bước sóng 29.3 m P-code ñiều biến cả sóng L1 và L2

L1:C/A-code 1.023 MHz P-code 10.23 MHz

Thông tin ñạo hàng L2: P-code 10.23 MHz Thông tin ñạo hàng

Hình 1.7 Các thông tin ñiều biến sóng tải L1, L2

2 ðoạn ñiều khiển (Control Segment)

ðoạn ñiều khiển ñược thiết lập ñể duy trì hoạt ñộng của toàn bộ hệ thống ñịnh vị này Trạm ñiều khiển trung tâm (Master Control Station viết tắt là MCS) ñược cài ñặt tại căn cứ không quân của Mỹ gần Colorado springs Trạm ñiều khiển trung tâm này có nhiệm vụ chủ yếu trong giai ñoạn ñiều khiển, cập nhật thông tin ñạo hàng truyền ñi từ vệ tinh Cùng phối hợp hoạt ñộng ñiều khiển với trạm trung tâm là hệ thống hoạt ñộng kiểm tra (Openrational Control System viết tắt là OCS) bao gồm 4 trạm theo dõi (monitoring stations) phân bố quanh

Trái ựất đó là các trạm Hawaii (Thái Bình Dương), Ascension Islands (đại Tây Dương), Diego Garcia (ấn độ Dương) và Kwajalein (Tây Thái Bình Dương)

Hình 1.8 Sơ ựồ vị trắ các trạm theo dõi và trạm ựiều khiển GPS

Các trạm này theo dõi liên tục tất cả các vệ tinh có thể quan sát ựược Các

số liệu quan sát ựược ở các trạm này ựược chuyển về trạm ựiều khiển trung tâm

ở Colorado Springs, tại ựây việc tắnh toán số liệu chung ựược thực hiện và kết quả xử lý cho ra các Ephemerit chắnh xác hóa của vệ tinh và số hiệu chỉnh cho các ựồng hồ trên vệ tinh Từ trạm trung tâm các số liệu này ựược truyền trở lại cho các trạm theo dõi ựể từ ựó truyền tiếp lên cho vệ tinh cùng các lệnh ựiều khiển khác

Như vậy, vai trò của người ựiều khiển trung tâm rất quan trọng vì nó không chỉ theo dõi các vệ tinh mà còn liên tục cập nhật ựể chắnh xác hóa các thông tin ựạo hàng bảo ựảm ựộ chắnh xác cho công tác ựịnh vị bằng hệ thống GPS

3 đoạn sử dụng (User Segment)

Hình 1.9 Thiết bị thu tắn hiệu vệ tinh đoạn sử dụng bao gồm các máy thu GPS, máy hoạt ựộng ựể thu tắn hiệu

vệ tinh GPS phục vụ cho các mục ựắch khác nhau như dẫn ựường trên biển, trên không, trên ựất liền, và phục vụ cho công tác ựo ựạc ở nhiều nơi trên thế giới

đó có thể là một máy thu riêng biệt hoạt ựộng ựộc lập (trường hợp ựịnh vị tuyệt ựối) hay một nhóm gồm từ hai máy thu trở lên hoạt ựộng ựồng thời theo một lịch trình thời gian nhất ựịnh (trường hợp ựịnh vị tương ựối) hoặc hoạt ựộng theo chế ựộ một máy thu ựóng vai trò máy chủ phát tắn hiệu vô tuyến ựể hiệu chỉnh cho các máy thu khác (trường hợp ựịnh vị vi phân) đó còn là cả một hệ thống dịch vụ ựặt hàng GPS ựa năng trên phạm vi toàn cầu hoặc ở từng khu vực ựang ựược thiết lập ở một số nước phát triển

1.3.3 Các ựại lượng ựo GPS

1 đo khoảng cách giả theo pha sóng tải

Mỗi vệ tinh ựược trang bị một máy phát tần số chuẩn nguyên tử với ựộ ổn ựịnh rất cao Tần số cơ sở là fo = 10,23 MHz, Từ tần số cơ sở này tạo ra hai sóng tải (mang) Các sóng tải L1 và L2 ựược sử dụng cho việc ựịnh vị với ựộ chắnh xác cao nên phương pháp ựo này ựược ứng dụng nhiều hơn cả

Hiệu số pha do máy thu ño ñược ta ký hiệu là Φ ( 0 < Φ < 2Π ) Khi ñó ta

có thể viết:

Φ =2Π (R−Nλ +c.∆t)

Trong ñó:

R - là khoảng cách giữa vệ tinh và tâm anten máy thu;

λ - là bước sóng của sóng tải;

N - là số nguyên lần bước sóng λ chứa trong R, hoặc còn ñược gọi là số nguyên ña trị, N thường không biết trước mà phải xác ñịnh trong quá trình ño;

∆t - là sai số không ñồng bộ giữa ñồng hồ của vệ tinh và của máy thu Trong trường hợp ño pha sóng tải L1 có thể xác ñịnh ñược khoảng cách giữa vệ tinh và máy thu với ñộ chính xác tới cỡ xentimét thậm chí minimét Sóng tải L2 cho ñộ chính xác thấp hơn ít nhiều, nhưng tác dụng chủ yếu của nó

là cùng với sóng tải L1 tạo ra khả năng làm giảm ảnh hưởng ñáng kể của tầng ñiện ly, và thêm vào ñó làm cho việc xác ñịnh số nguyên ña trị ñược ñơn giản hơn

Nừu ký hiệu ρ là khoảng cách hình học từ máy thu tới vệ tinh, c là vận tốc ánh sáng (c = 299792458 m/s) sẽ có:

Φ = 1( + c ∆t+N)

λρ

Người ta xác ñịnh chắc chắn số nguyên lần chu kỳ N, và từ số lẻ hiệu pha

ño có thể xác ñịnh ñược khoảng cách giả R từ máy thu tới vệ tinh theo công thức:

fc

2 ðo khoảng cách giả theo mã C/A-Code và P-Code

Trong phương pháp này, mã tựa ngẫu nhiên ñược phát ñi từ vệ tinh tới máy thu GPS, máy thu thu tín hiệu vệ tinh và cũng phát ra mã tương tự Sau ñó máy thu so sánh mã thu ñược từ vệ tinh với mã của máy thu tạo ra ñể xác ñịnh ra thời gian lan truyền của tín hiệu vệ tinh (hình 1.10) Từ ñó tính ra ñược khoảng cách từ máy thu tới vệ tinh theo công thức:

t - là thời gian lan truyền tín hiệu từ vệ tinh ñến ñiểm xét;

∆t - là sai số không ñồng bộ giữa ñồng hồ vệ tinh và máy thu;

R - là khoảng cách giả ño ñược

Hình 1.10 ðo khoảng cách giả theo mã C/A-code và P-code

Nếu ký hiệu:

Xs , Ys , Zs - là tọa ñộ của vệ tinh;

X , Y, Z - là tọa ñộ của ñiểm quan sát

Khi ñó có thể viết :

R = c( t + ∆t ) = (X S − X)2 +(Y S − Y)2 + (Z S − Z)2 + ∆ c t; (1.9)

3 ðo khoảng cách giả theo tần số Doppler

Theo phương pháp này, khi vệ tinh phát ñi tần số f0, máy thu thu ñược tần

số fr, hiệu tần số của chúng chính là tần số Doppler:

∆f = f0 - fr (1.10) ðồng thời ∆f lại ñược xác ñịnh theo công thức:

c f

Từ ựây ta xác ựịnh ựược khoảng cách giả từ máy thu tới vệ tinh

1.3.4 Nguyên lý và kỹ thuật ựo GPS

1 Nguyên lý ựịnh vị GPS

a, định vị tuyệt ựối

định vị GPS tuyệt ựối là trường hợp sử dụng máy thu GPS ựể xác ựịnh ngay ra tọa ựộ của ựiểm quan sát trong hệ thống tọa ựộ WGS-84 đó có thể là các thành phần tọa ựộ vuông góc không gian (X, Y, Z) hoặc các thành phần tọa

ựộ mặt cầu (B, L, H) Hệ thống tọa ựộ WGS-84 là hệ thống tọa ựộ cơ sở của hệ thống GPS; tọa ựộ của vệ tinh cũng như của ựiểm quan sát ựều ựược lấy theo hệ thống tọa ựộ này Nó ựược thiết lập gắn với Elipsoid có kắch thước như sau:

Bán trục lớn: a = 6378137 m

độ dẹt: 1/α = 298.2572

Việc ựo GPS tuyệt ựối ựược thực hiện trên cơ sở sử dụng ựại lượng ựo là khoảng cách giả từ vệ tinh ựến máy thu theo nguyên tắc giao hội không gian từ các ựiểm có tọa ựộ ựã biết là các vệ tinh (hình 1.11)

Hình 1.11 định vị tuyệt ựối

Nếu biết chính xác khoảng thời gian lan truyền tín hiệu code tựa ngẫu nhiên từ vệ tinh ñến máy thu, ta sẽ tính ñược khoảng cách chính xác từ vệ tinh ñến máy thu, khi ñó 3 khoảng cách ñược xác ñịnh ñồng thời từ 3 vệ tinh ñến máy thu sẽ cho ta vị trí không gian ñơn trị của máy thu Song trên thực tế cả ñồng hồ trên vệ tinh và ñồng hồ của máy thu ñều có sai số, nên các khoảng cách

ño ñược không phải là khoảng cách chính xác, kết quả là chúng không thể cắt nhau tại một ñiểm, nghĩa là không thể xác ñịnh ñược vị trí của máy thu ðể khắc phục tình trạng này, cần sử dụng thêm một ñại lượng ño nữa, ñó là khoảng cách

từ một vệ tinh thứ tư ðể thấy rõ ñiều này, ta hãy viết 4 phương trình cho 4 vệ tinh:

(XS1-X)2 + (YS1-Y)2 + (ZS1 - Z)2 = (R1 - c.∆t)2

(XS2-X)2 + (YS2-Y)2 + (ZS2 - Z)2 = (R2 - c.∆t)2

(XS3-X)2 + (YS3-Y)2 + (ZS3 - Z)2 = (R3 - c.∆t)2

(1.14) (XS4-X)2 + (YS4-Y)2 + (ZS4 - Z)2 = (R4 - c.∆t)2

ðể xác ñịnh các thành phần toạ ñộ X, Y, Z của máy thu (ñiểm xét) chỉ cần

sử dụng 3 phương trình ñầu Do có sai số không ñồng bộ của ñồng hồ vốn không ñược biết trước, nên cần ñến phương trình thứ 4 ñể tìm

Vậy là bằng cách ño khoảng cách giả ñồng thời từ 4 vệ tinh ñến máy thu

ta có thể xác ñịnh ñược toạ ñộ tuyệt ñối của máy thu, ngoài ra còn xác ñịnh thêm ñược số hiệu chỉnh cho ñồng hồ của máy thu nữa

Quan sát ñồng thời 4 vệ tinh là yêu cầu cần thiết ñể xác ñịnh toạ ñộ không gian tuyệt ñối của ñiểm quan sát Tuy vậy, nếu máy thu ñược trang bị ñồng hồ chính xác cao thì khi ñó chỉ còn 3 ẩn số là 3 thành phần toạ ñộ của ñiểm quan sát ðể xác ñịnh chúng ta chỉ cần quan sát ñồng thời 3 vệ tinh

Nếu ta lại biết thêm ñộ cao của ñiểm quan sát so với bề mặt Elipsoid của

hệ toạ ñộ WGS-84, chẳng hạn như trong trường hợp ở trên mặt biển khi ñó chỉ còn phải xác ñịnh 2 ẩn số là toạ ñộ mặt bằng của ñiểm quan sát Trong trường hợp này ta chỉ cần quan sát ñồng thời hai vệ tinh là ñủ

Trên thực tế với hệ thống vệ tinh hoạt ñộng ñầy ñủ như hiện nay, số lượng

vệ tinh có thể quan sát ñồng thời thường là 6-8, có khi nhiều hơn 10 Khi ñó lời giải ñơn trị sẽ ñược rút ra nhờ phương pháp xử lý số liệu ño theo nguyên tắc số bình phương nhỏ nhất

b, ðịnh vị tương ñối

Nguyên lý ño GPS tương ñối

ðo GPS tương ñối là trường hợp sử dụng hai máy thu GPS ñặt ở hai ñiểm quan sát khác nhau ñể xác ñịnh ra hiệu tọa ñộ vuông gian (∆X, ∆Y, ∆Z) hay hiệu tọa ñộ mặt cầu (∆B, ∆L, ∆H) giữa chúng trong hệ tọa ñộ WGS-84

Hình 1.12 Nguyên lý ñịnh vị tương ñối Nguyên tắc ño GPS tương ñối ñược thực hiện trên cơ sở sử dụng ñại lượng ño là pha của sóng tải ñể ñạt ñược ñộ chính xác cao trong ñịnh vị tương ñối thì cần tạo ra sai phân Nguyên tắc của việc này là dựa trên sự ñồng ảnh hưởng của các nguồn sai số ñến tọa ñộ của ñiểm cần xác ñịnh trong bài toán ñịnh vị tuyệt ñối (như sai số ñồng hồ vệ tinh, máy thu, sai số tọa ñộ vệ tinh, số nguyên ña trị, ảnh hưởng của môi trường ) Cách làm trên có bản chất là lấy hiệu trị ño trực tiếp ñể tạo thành trị ño mới (các sai phân) ñể loại trừ hoặc giảm bớt các sai số kể trên

∆Φj(ti)= Φj

r (ti) - Φj

gọi là sai phân bậc một ñối với vệ tinh j vào thời ñiểm ti

Hình 1.13 Sai phân bậc một Trị ño này loại trừ ñược sai số ñồng hồ vệ tinh bởi giá trị này là như nhau Trị sai phân ñơn có thể là hiệu số trị ño của 1 máy thu với 2 vệ tinh; trị ño này loại trừ sai số ñồng hồ máy thu

- Sai phân bậc hai:

Nếu lấy hiệu số 2 sai phân bậc một (2 trạm thu tín hiệu 2 vệ tinh j, k ñồng thời) thì hiệu sai phân:

∆2Φj,k

(ti)= ∆Φk

(ti) - ∆Φj

ñược gọi là sai phân bậc hai vào thời ñiểm ti

Hình 1.14 Sai phân bậc hai ðây là trị ño chuẩn trong ño GPS tương ñối Với trị ño này sai số vị trí vệ tinh, sai số ñồng hồ máy thu, ñồng hồ vệ tinh ñược loại trừ

- Sai phân bậc ba:

Nếu xét 2 trạm tiến hành thu tín hiệu vệ tinh j, k vào thời ñiểm ti và ti+1 thì hiệu sai phân bậc hai :

Như ñã nói ở các phần trước, số vệ tinh GPS xuất hiện trên bầu trời thường nhiều hơn 4, có khi tới trên 10 vệ tinh Bằng cách tổ hợp theo từng cặp vệ tinh ta

sẽ có rất nhiều trị ño Không những thế khi ño tương ñối các vệ tinh lại ñược quan sát trong cả một khoảng thời gian tương ñối dài, thường từ nửa giờ ñến vài

ba giờ Do vậy, trên thực tế số lượng trị ño ñể xác ñịnh ra hiệu toạ ñộ giữa hai ñiểm quan sát sẽ rất lớn, và khi ñó số liệu ño sẽ ñược xử lý theo nguyên tắc số bình phương nhỏ nhất

1.3.5 Kỹ thuật ño GPS

1 ðo GPS tuyệt ñối

ðo GPS tuyệt ñối là kỹ thuật xác ñịnh tọa ñộ của ñiểm ñặt máy thu tín hiệu

vệ tinh trong hệ tọa ñộ toàn cầu WGS-84 sử dụng nguyên lý ñịnh vị tuyệt ñối Trong ñịnh vị tuyệt ñối, việc tính tọa ñộ của ñiểm ño ñược thực hiện thông qua giải bài toán giao hội nghịch không gian dựa trên cơ sở khoảng cách máy thu

ñến vệ tinh tại thời ñiểm ño Trị ño cơ bản của kỹ thuật ño này là trị ño code Do

có nhiều nguồn sai số nên phương pháp ñịnh vị này có ñộ chính xác vị trí ñiểm thấp và ñược sử dụng chủ yếu cho việc dẫn ñường và các mục ñích ño ñạc có yêu cầu ñộ chính xác không cao

2 ðo GPS tương ñối

Phương pháp ño GPS tương ñối bao gồm ño tĩnh và ño tĩnh nhanh

1 ðo GPS tương ñối tĩnh (Static)

ðo GPS tĩnh sử dụng cả hai trị ño code và pha sóng tải Hai hoặc nhiều máy thu ñặt cố ñịnh thu tín hiệu GPS tại các ñiểm cần ño tọa ñộ trong một khoảng thời gian nhất ñịnh (thông thường từ 1 giờ trở lên) Thời gian ño kéo dài ñể ñạt ñược sự thay ñổi ñồ hình vệ tinh, cung cấp trị ño dư và giảm ñược nhiều sai số khác nhằm mục ñích ñạt ñộ chính xác cao nhất ðo GPS tĩnh ñạt ñộ chính xác

cỡ cm và ñược dùng cho các ứng dụng có ñộ chính xác cao

2 ðo GPS tĩnh nhanh (Fast Static)

Phương pháp này về bản chất giống như ño GPS tĩnh nhưng thời gian ño ngắn hơn Thời gian ño tĩnh nhanh thay ñổi từ 8' ÷30' phụ thuộc vào số vệ tinh

và ñồ hình vệ tinh Số vệ tinh nhiều hơn 4 bảo ñảm trị ño dư, và với ñồ hình vệ tinh phân bố ñều sẽ hỗ trợ việc tìm nhanh số ña trị nguyên và giảm thời gian ñịnh vị

3 ðo GPS ñộng

Phương pháp ño ñộng ñược tiến hành với 1 máy ñặt tại trạm cố ñịnh (base station) và một hoặc nhiều các máy khác (rover stations) di ñộng ñến các ñiểm cần ño tọa ñộ và thu tín hiệu vệ tinh ñồng thời ðo GPS ñộng là giải pháp nhằm giảm tối thiểu thời gian ño (so với phương pháp GPS tĩnh) nhưng vẫn ñạt ñộ chính xác ño tọa ñộ cỡ cm Tuỳ thuộc vào thời ñiểm xử lý số liệu ño: xử lý ngay tại thực ñịa hay trong phòng sau khi ño mà chia thành 2 dạng là ño GPS ñộng thời gian thực và ño GPS ñộng xử lý sau

1 ðo GPS ñộng thời gian thực (GPS RTK - Real Time Kinematic GPS) Trong cách ño này, ngoài các máy thu vệ tinh còn cần thêm hệ thống Radio Link truyền số liệu liên tục từ trạm cố ñịnh ñến trạm di ñộng và thiết bị xử lý số liệu gọn nhẹ Số nguyên ña trị (số nguyên lần bước sóng từ vệ tinh ñến máy thu) ñược xác ñịnh nhanh nhờ giải pháp khởi ño và ñược duy trì bằng cách thu tín hiệu liên tục từ tối thiểu với 4 vệ tinh trong khi di chuyển máy thu ñến ñiểm ño

tiếp theo Thời gian ño tại các ñiểm này rất ít, chỉ cần 1 epoch (1 epoch tương ñương với 1"÷ 5" tuỳ theo chế ñộ tự chọn) Nếu việc theo dõi vệ tinh bị gián ñoạn (ví dụ như ñi qua dưới vật cản) thì số nguyên ña trị sẽ bị mất, phải xác ñịnh lại Do phải dùng ñến Radio Link truyền số liệu nên tầm hoạt ñộng ño của máy

di ñộng bị hạn chế (khoảng 5km) Ngoài việc ño tọa ñộ ñiểm chi tiết tại thực ñịa, phương pháp này còn có tính năng chuyển tọa ñộ thiết kế ra thực ñịa và dẫn ñường với ñộ chính xác cao

2 ðo GPS ñộng xử lý sau (Post Processing Kinematic GPS)

ðây là phương pháp ño sử dụng máy ño giống như phương pháp GPS RTK

ñể ño một loạt ñiểm ñịnh vị so với trạm gốc bằng cách di chuyển máy thu ñến các ñiểm cần xác ñịnh tọa ñộ Tọa ñộ của các ñiểm ño có ñược sau khi xử lý số liệu trong phòng, do vậy không sử dụng thiết bị truyền số liệu Radio Link Trong phương pháp ño GPS ñộng xử lý sau cần phải tiến hành việc khởi ño xác ñịnh số nguyên ña trị bằng cách ño tĩnh trên 1 ñoạn thẳng sau ñó mới ñến ño tại các ñiểm cần xác ñịnh tọa ñộ với thời gian ngắn - tối thiểu ño 2 trị ño (2 epoch) Trong quá trình di chuyển ñến ñiểm cần ño máy ño di ñộng cần phải thu tín hiệu liên tục ñến tối thiểu 4 vệ tinh Nếu trong quá trình di chuyển ñến ñiểm cần ño

mà tín hiệu của một trong 4 vệ tinh bị mất thì phải khởi ño lại bằng cách ñưa máy thu quay lại ñiểm ño trước ñó hoặc ño tĩnh trên một cạnh mới Kỹ thuật ño ñộng xử lý sau có năng suất lao ñộng cao, rất phù hợp cho việc phát triển lưới khống chế dạng ñường chuyền, các ñiểm khống chế ảnh, ño chi tiết bản ñồ ñịa hình

3 ðo cải chính phân sai DGPS

ðo cải chính phân sai DGPS là phương pháp ño GPS sử dụng nguyên lý ñịnh

vị tuyệt ñối sử dụng trị ño code có ñộ chính xác ño tọa ñộ cỡ 0,5m ÷ 3m Nội dung của phương pháp ño là dùng 2 trạm ño, trong ñó 1 trạm gốc (Base station)

có tọa ñộ biết trước và 1 trạm ño tại các ñiểm cần ño tọa ñộ (Rover station) Trên cơ sở ñộ lệch về tọa ñộ ño so với tọa ñộ thực của trạm gốc ñể hiệu chỉnh vào kết quả ño tại các trạm ñộng theo nguyên tắc ñồng ảnh hưởng Yêu cầu quan trọng khi ño phân sai là trạm gốc và trạm di ñộng phải thu số liệu ñồng thời, cùng số vệ tinh Có hai phương pháp cải chính phân sai, là cải chính vào cạnh và cải chính vào tọa ñộ

Cải chính vào cạnh: sử dụng cạnh tính theo trị ño Code của trạm gốc tới từng vệ tinh và tìm ñộ lệch so với khoảng cách thực của nó trên cơ sở tọa ñộ

ñiểm gốc Các ñộ lệch này ñược dùng ñể cải chính cho chiều dài cạnh từ ñiểm cần ñịnh vị ñến các vệ tinh tương ứng trước khi ñưa cạnh vào tính tọa ñộ cho trạm ñộng

Cải chính vào tọa ñộ: cũng tương tự như việc cải chính vào cạnh như trên, ở ñây sẽ xác ñịnh ñược ñộ lệch về tọa ñộ giữa tọa ñộ tính ñược của trạm gốc và tọa ñộ thực của nó do ảnh hưởng của các nguồn sai số Các ñộ lệch ñó ñược cải chính tương ứng vào tọa ñộ của trạm ñộng

Dựa vào thời ñiểm cải chính mà chia thành các phương pháp ño cải chính phân sai là: ño DGPS thời gian thực và ño DGPS cải chính sau

1 ðo DGPS thời gian thực (Real Time DGPS)

Với phương pháp này, số cải chính ñược truyền từ trạm gốc tới trạm di ñộng ngay trên thực ñịa ñể cải chỉnh cho tọa ñộ trạm di ñộng và hiển thị kết quả tại thực ñịa ngay trong khi ño ðể thực hiện ñược như vậy, thiết bị ño cần có thêm máy phát và thu tín hiệu Radio Link ñể truyền tín hiệu cải chính Máy phát Radio Link có thể ñặt trên mặt ñất hoặc phát qua vệ tinh ñịa tĩnh

2 ðo DGPS xử lý sau

Cũng tương tự như phương pháp ño DGPS thời gian thực nhưng số liệu cải chính không thực hiện trong quá trình ño mà nhận ñược sau khi xử lý số liệu trong phòng Do ñộ chính xác không cao nên phương pháp DGPS chỉ ñược sử dụng trong ño vẽ bản ñồ tỷ lệ trung bình và tỷ lệ nhỏ hoặc các công tác dẫn ñường khác

1.3.6 Các loại sai số trong ño GPS

Việc ñịnh vị bằng các hệ thống ñịnh vị toàn cầu về thực chất ñược xây dựng trên phép giao hội khoảng cách từ các vệ tinh có tọa ñộ ñã biết Khoảng cách từ các vệ tinh ñến các ñiểm quan sát ñược xác ñịnh theo thời gian lan truyền sóng

vô tuyến trong không gian Như vậy kết quả xác ñịnh thời gian lan truyền sẽ chịu ảnh hưởng trực tiếp của ñộ chính xác ño thời gian trên các ñồng hồ vệ tinh

và trong máy thu; còn tốc ñộ của sóng phụ thuộc vào ñiều kiện của môi trường lan truyền Ngoài ra ñộ chính xác của vị trí ñiểm còn phụ thuộc vào sai số tọa ñộ

vệ tinh và một số nguồn ảnh hưởng khác

2 Sai số của quỹ ñạo vệ tinh

Chuyển ñộng của vệ tinh trên quỹ ñạo không tuân thủ nghiêm ngặt ñịnh luật Kepler do có nhiều tác ñộng nhiễu như: Tính không ñồng nhất của trọng trường trái ñất, ảnh hưởng của sức hút Mặt trăng, Mặt trời và các thiên thể khác, sức cản của khí quyển, áp lực của bức xạ Mặt trời… Vị trí tức thời của vệ tinh chỉ có thể ñược xác ñịnh ñược theo mô hình chuyển ñộng ñược xây dựng trên cơ sở các

số liệu quan sát từ các trạm có ñộ chính xác cao trên mặt ñất thuộc ñoạn ñiều khiển của hệ thống GPS, và ñương nhiên có chứa sai số

Có hai loại lịch (Ephemerit) của vệ tinh: Ephemerit ñược xác ñịnh từ kết quả hậu xử lý số liệu quan sát cho chính các thời ñiểm nằm trong khoảng thời gian quan sát và Ephemerit ñược ngoại suy từ các Ephemerit nêu trên cho mấy ngày tiếp theo Loại Ephemerit thứ nhất có ñộ chính xác ở mức 10 - 50m, và chỉ ñược cung cấp khi chính phủ Mỹ cho phép, còn loại thứ hai ở mức 20 - 100m và cho phép khách hàng ñại trà sử dụng Sai số vị trí của vệ tinh ảnh hưởng gần như trọn vẹn tới sai số xác ñịnh toạ ñộ của ñiểm quan sát ñơn riêng biệt, nhưng lại ñược loại trừ ñáng kể trong kết quả ñịnh vị tương ñối giữa hai ñiểm

3 Sai số do tầng ñiện ly và tầng ñối lưu

ðược phát ñi từ vệ tinh ở ñộ cao 20200 km xuống tới máy thu trên mặt ñất, các tín hiệu vô tuyến phải xuyên qua tầng ñiện ly và tầng ñối lưu Tốc ñộ lan

truyền tín hiệu tăng tỷ lệ thuận với mật ñộ ñiện tử tự do trong tầng ñiện ly và tỷ

lệ nghịch với bình phương tần số của tín hiệu ảnh hưởng của tầng ñiện ly sẽ ñược loại trừ ñáng kể bằng cách sử dụng hai tần số tải khác nhau Chính vì thế,

ñể ñảm bảo ñịnh vị với ñộ chính xác cao, người ta sử dụng các máy thu GPS hai tần số Song, khi hai ñiểm quan sát ở gần nhau thì ảnh hưởng nhiễu phản xạ do hai tần số kết hợp sẽ lớn hơn so với một tần số, và do vậy nên sử dụng máy thu một tần số cho trường hợp ñịnh vị ở khoảng cách ngắn ảnh hưởng của tầng ñiện

ly vào ban ñêm sẽ nhỏ hơn tới 5 - 6 lần so với ban ngày

Ảnh hưởng của tầng ñối lưu có thể ñược mô hình hoá theo các yếu tố khí tượng là : nhiệt ñộ, áp suất và ñộ ẩm trong không khí Nó có thể ñược xem là gần như nhau ñối với hai ñiểm quan sát ở cách nhau không quá vài ba chục km,

và vì thế sẽ ñược loại trừ ñáng kể trong hiệu trị ño giữa hai ñiểm quan sát

ðể làm giảm ảnh hưởng của tầng ñiện ly và tầng ñối lưu người ta quy ñịnh chỉ quan sát vệ tinh ở ñộ cao từ 150 trở lên với mặt phẳng chân trời

4 Sai số do nhiễu xạ của tín hiệu vệ tinh

Ăng ten của máy thu không chỉ thu tín hiệu ñi thẳng từ vệ tinh tới, mà còn nhận cả các tín hiệu phản xạ từ mặt ñất và môi trường xung quanh Sai số do hiện tượng này gây ra ñược gọi là sai số do nhiễu phản xạ của tín hiệu vệ tinh

ðể làm giảm sai số này, các nhà chế tạo máy thu không ngừng hoàn thiện cấu tạo của cả máy thu và ăng ten

Tổng hợp ảnh hưởng của các nguồn sai số chủ yếu nêu trên cùng các nguồn sai số phụ khác, khoảng cách từ vệ tinh ñến ñiểm quan sát sẽ có sai số 13m với xác suất 95% Nếu xét ñến ảnh hưởng của chế ñộ SA thì sai số này sẽ là cỡ 50m Song các giá trị này mới chỉ là sai số của khoảng cách từ mỗi vệ tinh ñến ñiểm quan sát, chứ chưa phải là sai số của bản thân vị trí ñiểm quan sát Do vị trí ñiểm quan sát ñược xác ñịnh bởi phép giao hội khoảng cách từ các vệ tinh, nên ñộ chính xác của nó phụ thuộc vào các góc giao hội, tức là phụ thuộc vào ñồ hình

phân bố vệ tinh so với ñiểm quan sát Dễ hiểu là sai số vị trí ñiểm giao hội sẽ lớn hơn sai số của khoảng cách giao hội ðể có ñược sai số vị trí ñiểm quan sát, ta phải ñem sai số khoảng cách giao hội nhân với một hệ số lớn hơn 1 Hệ số này ñặc trưng cho ñồ hình giao hội, tức ñồ hình phân bố của vệ tinh so với ñiểm quan sát, và ñược gọi là hệ số phân tán ñộ chính xác (Dilution of Preccision - DOP) Rõ ràng DOP càng nhỏ thì vị trí ñiểm quan sát ñược xác ñịnh càng chính xác

Hệ số DOP tổng hợp nhất là hệ số phân tán ñộ chính xác hình học (Geometric Dilution of Precision - GDOP) vì nó ñặc trưng cho cả ba thành phần toạ ñộ không gian X, Y, Z và yếu tố thời gian t Hệ số GDOP từ 2 - 4 ñược coi là tốt

Nếu ta chỉ quan tâm ñến ba thành phần toạ ñộ của ñiểm quan sát (X, Y, Z hoặc B, L, H) thì nên dùng hệ số phân tản ñộ chính xác vị trí (Position Dilution

of Precision - PDOP), còn nếu chỉ quan tâm ñến hai thành phần toạ ñộ mặt bằng thì dùng hệ số phân tản ñộ chính xác mặt bằng (Horizontal Dilution of Precision

- HDOP)

Hệ số DOP cũng có thể ñược xét riêng cho từng thành phần toạ ñộ hay thời gian, chẳng hạn, hệ số phân tản ñộ chính xác theo ñộ cao (Vertical Dilution of Precision - VDOP), hệ số phân giải chính xác theo thời gian (Time Dilution of Precision - TDOP), hệ số phân tản ñộ chính xác theo hướng bắc (Northing Dilution of Precision - NDOP), hệ số phân tản ñộ chính xác theo hướng ñông (Easing Dilution of Precision - EDOP) Các hệ số kể trên ñược máy thu tính ra theo ñồ hình phân bố cụ thể của các vệ tinh ñược quan sát và thông báo cho người sử dụng biết cùng các thông tin cần thiết khác trên màn hình của máy thu

5 Sai số do người ño

Khi ño GPS, tâm hình học của anten máy thu cần ñặt chính xác trên tâm mốc ñiểm ño theo ñường dây dọi Anten phải ñặt cân bằng, chiều cao từ tâm mốc ñến

tâm hình học của anten cần ño và ghi lại chính xác ðo chiều cao anten không ñúng thường là lỗi hay mắc phải của người ño GPS Ngay cả khi xác ñịnh tọa ñộ phẳng thì việc ño chiều cao cũng quan trọng vì GPS là hệ thống ñịnh vị 3 chiều, sai số chiều cao sẽ lan truyền sang vị trí mặt phẳng và ngược lại

6 Sai số do lệch tâm pha của anten

Tâm pha là một ñiểm nằm bên trong anten, là nơi tín hiệu GPS biến ñổi thành tín hiệu trong mạch ñiện, các trị ño khoảng cách ñược tính vào ñiểm này ðiều này có ý nghĩa quan trọng ñối với công tác trắc ñịa Khi chế tạo, anten ñã ñược kiểm ñịnh sao cho tâm pha trùng với tâm hình học của nó Tuy nhiên tâm pha thay ñổi vị trí phụ thuộc vào ñồ hình vệ tinh, ảnh hưởng này có thể kiểm ñịnh trước khi ño hoặc sử dụng mô hình tâm pha ở giai ñoạn tính xử lý Quy ñịnh cần phải tuân theo là khi ñặt anten cần dóng theo cùng một hướng (thường

là hướng Bắc) và tốt nhất sử dụng cùng một loại anten cho cùng một ca ño ðến nay, với tiến bộ của KHKT, các nguồn sai số nói trên ñã ñược khắc phục ñáng kể, tạo ñược các baseline có ñộ chính xác rất cao Các trị ño GPS cạnh dài ñã nâng ñược ñộ chính xác từ cỡ 1/10.000.000 vào giai ñoạn 1990 ñến 1/200.000.000 như hiện nay ñạt ñược

1.4 ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ GPS TRONG TRẮC ðỊA CÔNG TRÌNH 1.4.1 ðặc ñiểm của lưới khống chế thi công thành lập bằng công nghệ GPS

Lưới thi công trước ñây thường ñược lập bằng phương pháp truyền thống dưới dạng lưới tam giác ño góc, nhờ sự phát triển của kỹ thuật tính toán xử lý số liệu và kỹ thuật ño dài ñiện tử, lưới khống chế tọa ñộ ñược lập theo phương pháp ño góc - cạnh kết hợp Tuy nhiên, cả hai phương pháp trên ñều ñòi hỏi rất cao về sự thông hướng giữa các ñiểm ño Trong ñiều kiện công trình nằm ở những nơi có ñiều kiện ñịa hình phức tạp, khả năng thông hướng khó khăn, khoảng cách giữa các ñiểm cách xa nhau… Nếu áp dụng các phương pháp truyền thống thì công việc ño ñạc thực ñịa sẽ rất lớn và ñộ chính xác khó có thể ñạt ñược Vì vậy, sẽ mất nhiều thời gian và chi phí của những người làm công