Nghiên cứu xây dựng một số quy định kỹ thuật trong ứng dụng công nghệ gps phục vụ khảo sát thiết kế các công trình thuỷ lợi, thuỷ điện

Lê văn thủ Nghiên cứu xây dựng một số quy định kỹ thuật trong ứng dụng công nghệ GPS phục vụ khảo sát thiết kế các công trình thủy lợi, thủy điện Chuyên ngành: Kỹ thuật Trắc địa... V

Lê văn thủ

Nghiên cứu xây dựng một số quy định

kỹ thuật trong ứng dụng công nghệ GPS phục vụ khảo sát thiết kế các công trình

thủy lợi, thủy điện

Lê văn thủ

Nghiên cứu xây dựng một số quy định

kỹ thuật trong ứng dụng công nghệ GPS phục vụ khảo sát thiết kế các công trình

thủy lợi, thủy điện

Chuyên ngành: Kỹ thuật Trắc địa

Mục lục

Trang phụ bìa

Lời cam đoan

Mở đầu 5

Chương 1- tổng quan về công trình thủy lợi, thủy điện 9

1.1 Đặc điểm chung về công trình thủy lợi, thủy điện 9

1.2 Yêu cầu độ chính xác của công tác trắc địa đối với các công trình thủy lợi, thủy điện 13

Chương 2- công nghệ gps và ứng dụng trong trắc địa 20

2.1 Giới thiệu chung về hệ thống định vị toàn cầu GPS 20

2.2 Nguyên lý hoạt động của hệ thống GPS 24

2.3 ứng dụng GPS trong trắc địa 35

Chương 3- ứng dụng công nghệ gps để thành lập lưới khống chế trắc địa đối với công trình thủy lợi, thủy điện trong giai đoạn khảo sát thiết kế 41

3.1 Đồ hình lưới GPS và yêu cầu đo nối với lưới khống chế mặt bằng, độ cao nhà nước 41

3.2 Định vị lưới khống chế GPS từ hệ toạ độ Quốc gia về hệ toạ độ thi công công trình Vấn đề lựa chọn độ cao mặt chiếu và kinh tuyến trục 44

3.3 Các giải pháp trong xác định độ cao các điểm GPS ở vùng núi 60

Chương 4- Một số quy định kỹ thuật trong ứng dụng công nghệ gps phục vụ khảo sát thiết kế các công trình thủy lợi, thủy điện 77

4.1 Quy định kỹ thuật về xây dựng lưới khống chế bằng công nghệ GPS trong các công trình thủy lợi, thủy điện 77

4.4 Quy định về an toàn lao động 95

Kết luận Và KIếN NGHị 97

Danh mục công trình của tác giả 99

Tài liệu tham khảo 100 Phụ lục 102

Danh mục bảng biểu

Bảng 1.1 Quan hệ cấp thiết kế trong một công trình đầu mối

Bảng 1.3 Phân cấp công trình theo đặc tính kỹ thuật của các

Bảng 1.5 Thông số kỹ thuật và độ chính xác của các cấp lưới

Bảng 1.6 Định hướng lựa chọn cấp hạng lưới tam giác thủy

Bảng 3.4 Kết quả tính độ lệch tọa độ dx, dy khi chưa định vị

Bảng 3.6 Thành quả tọa độ lưới GPS thủy điện Hồ Bốn sau

Bảng 3.8 Chênh lệch giữa kết quả đo cao hình học và kết quả

Tên bảng Trang

Bảng 3.13 Đánh giá độ lệch mô hình toán (3.42) với thuỷ chuẩn

Bảng 3.15 Đánhg giá độ lệch mô hình toán (3.46) với thuỷ

Bảng 4.3 Yêu cầu kỹ thuật chủ yếu của lưới GPS được thành

Bảng 4.4 Quy định về số lượng cạnh trong vòng độc lập

hoặc tuyến phù hợp đối với các cấp lưới GPS

80

Mở đầu

1 Tính cấp thiết của đề tài

Việt Nam là một nước đang phát triển, năng lượng bình quân đầu người còn thấp so với nhiều nước trong khu vực Để duy trì tốc độ tăng trưởng GDP bình quân hàng năm trên 7% thì nhu cầu điện năng hằng năm cũng phải tăng trung bình 14% Đó là một nhiệm vụ hết sức nặng nề đối với ngành điện lực trong nhiều thập kỷ tới

Với đặc điểm khí hậu của một nước nhiệt đới gió mùa mưa nhiều, nguồn nước mặt của các sông suối dồi dào, tiềm năng thủy điện phong phú, nên việc ưu tiên đầu tư vào thủy điện là một hướng quan trọng trong chiến lược phát triển của ngành điện

Trong những năm vừa qua, các dự án thủy điện với nhiều loại quy mô lớn, vừa và nhỏ đang được đầu tư xây dựng mạnh mẽ ở các vùng như: vùng đông Nam bộ, khu vực Tây Nguyên, khu vực miền Trung và các tỉnh miền núi phía Bắc Tuy nhiên, công tác trắc địa trong khảo sát, thiết kế các công trình thủy lợi, thủy điện còn đang gặp rất nhiều khó khăn do địa hình là vùng rừng núi

ở nước ta, công nghệ GPS được ứng dụng trong công tác trắc địa từ những năm 1990 và thực tế đw cho thấy tính ưu việt của nó so với các phương pháp truyền thống, đảm bảo được yêu cầu về độ chính xác cũng như đạt hiệu quả kinh tế cao

Với những đặc trưng riêng của các công trình thủy lợi, thủy điện và những

điều kiện kỹ thuật cho phép hiện nay thì vấn đề xây dựng các mạng lưới khống chế trong công tác trắc địa nhằm phục vụ giai đoạn khảo sát thiết kế các công trình loại này nên áp dụng công nghệ GPS Tuy nhiên, cho đến nay chúng ta vẫn chưa có quy định chính thức về các chỉ tiêu kỹ thuật trong đo đạc và xử lý các mạng lưới GPS nói chung và lưới khống chế thủy điện nói riêng Thực tế đây chính là khó khăn cho những người làm công tác xây dựng lưới khống chế bằng công nghệ GPS, đặc biệt là vấn đề sử dụng độ cao các điểm được xác định bằng GPS

Về lý thuyết, hiện nay ở nước ta mới chỉ có một số đề tài khoa học cấp bộ

về lĩnh vực này với các nghiên cứu về những ứng dụng công nghệ GPS trong trắc

địa công trình nói chung và trong xây dựng nhà cao tầng Về mặt pháp lý, chúng

ta mới ban hành một số quy định đối với công tác đo đạc và xử lý số liệu đo bằng công nghệ GPS: “ Quy định tạm thời về đo và xử lý số liệu GPS” của Tổng cục

địa chính (1996) và tiêu chuẩn xây dựng việt nam TCXDVN 364:2006 “ Tiêu chuẩn kỹ thuật đo và Xử lý số liệu GPS trong trắc địa công trình” của Bộ xây dựng (2006)

Qua đó, một số vấn đề trong công tác xây dựng lưới khống chế bằng công nghệ GPS phục vụ khảo sát thiết kế các công trình thủy lợi, thủy điện cần được nghiên cứu để có thể đưa ra các quy định kỹ thuật, cụ thể như:

- Đồ hình lưới GPS và yêu cầu đo nối với lưới khống chế mặt bằng,

độ cao Nhà nước

- Vấn đề định vị lưới khống chế trong hệ toạ độ Quốc gia về hệ toạ độ thi công công trình

- Vấn đề xác định độ cao mặt chiếu và lựa chọn kinh tuyến trục của vị trí dự án

- Các giải pháp trong xác định độ cao đo bằng công nghệ GPS ở vùng núi Xuất phát từ yêu cầu thực tiễn nêu trên chúng tôi tiến hành nghiên cứu đề tài:

“ Nghiên cứu xây dựng một số quy định kỹ thuật trong ứng dụng công nghệ GPS phục vụ khảo sát thiết kế

các công trình thủy lợi, thủy điện”

2 Mục đích nghiên cứu của đề tài

Nghiên cứu rút ra những kết luận cần thiết khi xây dựng quy định kỹ thuật trong ứng dụng công nghệ GPS phục vụ khảo sát thiết kế các công trình thủy lợi, thủy điện, nhằm khắc phục những khó khăn còn tồn tại trong thực tế sản xuất để đạt được những chỉ tiêu về kỹ thuật và nâng cao hiệu quả kinh tế

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài

Đối tượng nghiên cứu là các dạng lưới khống chế trắc địa phục vụ khảo sát thiết kế các công trình thủy lợi, thủy điện được đo bằng công nghệ GPS

Phạm vi nghiên cứu bao gồm các dạng công tác trắc địa công trình của công trình thủy lợi, thủy điện trong giai đoạn khảo sát thiết kế

4 Nội dung nghiên cứu của đề tài

Nghiên cứu khả năng ứng dụng công nghệ GPS trong việc: Xây dựng các mạng lưới khống chế trắc địa đối với công trình thủy lợi, thủy điện trong giai đoạn khảo sát thiết kế Tiến hành đo đạc xử lý và phân tích kết quả đo bằng công nghệ GPS nhằm khẳng định các mục tiêu sau:

- Về mặt bằng: Nghiên cứu việc tính chuyển kết quả đo GPS trong hệ toạ độ Quốc gia về hệ toạ độ thi công công trình, cách thức lựa chọn độ cao mặt chiếu và kinh tuyến trục phù hợp với khu vực dự án

- Về độ cao: Nghiên cứu xây dựng công thức tính hiệu chỉnh độ cao địa hình vào kết quả đo cao GPS ở vùng núi để từ đó đánh giá khả năng xác định

độ cao GPS ở vùng rừng núi

5 Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp thống kê trên cơ sở phân tích tính toán thực nghiệm các mô hình toán cụ thể đối với các mạng lưới khống chế công trình thủy lợi, thủy

điện được đo bằng công nghệ GPS Trên cơ sở kết quả thống kê thực nghiệm

đưa ra những kết luận cần lưu ý khi xây dựng kỹ thuật đo GPS phục vụ khảo sát thiết kế xây dựng các công trình thủy lợi, thủy điện

6 ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

- ý nghĩa khoa học: Đề tài nghiên cứu áp dụng công nghệ mới nhằm nâng cao hiệu quả kinh tế, góp phần hoàn thiện quy trình kỹ thuật đo đạc, xử lý

số liệu GPS trong công tác khảo sát xây dựng các công trình thủy lợi, thủy điện

- ý nghĩa thực tiễn: Đề tài nghiên cứu nhằm giải quyết những hạn chế trong thực tế sản xuất đang tồn tại như: việc tính chuyền độ cao GPS vùng núi, việc lựa chọn độ cao trung bình của mặt chiếu khu vực công trình, việc lựa chọn kinh tuyến trục của dự án, việc tính chuyển kết quả đo GPS trong hệ toạ

độ Quốc gia về hệ toạ độ thi công các công trình thủy lợi, thủy điện

7 Cấu trúc của luận văn

Bản luận văn được trình bày trong 101 trang, nội dung bao gồm phần

mở đầu, bốn chương và phần kết luận và kiến nghị:

Mở đầu

Chương 1: Tổng quan về công trình thủy lợi, thủy điện

Chương 2: Công nghệ GPS và ứng dụng trong trắc địa

Chương 3: ứng dụng công nghệ GPS để thành lập lưới khống chế trắc địa

đối với công trình thủy lợi, thủy điện trong giai đoạn khảo sát, thiết kế Chương 4: Một số quy định kỹ thuật trong ứng dụng công nghệ GPS phục vụ khảo sát, thiết kế các công trình thủy lợi, thủy điện

Nhân đây, tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành đối với tập thể và cá nhân đw giúp đỡ tác giả hoàn thành bản luận văn

Chương 1- tổng quan về công trình thủy lợi, thủy điện

1.1 Đặc điểm chung về công trình thủy lợi, thủy điện

Những khái niệm chung về công trình thủy lợi, thủy điện:

• Công trình được xây dựng để sử dụng nguồn nước được gọi là công trình thủy Căn cứ vào tính chất tác dụng lên dòng chảy công trình thủy lợi có thể chia ra: công trình dâng nước, công trình điều chỉnh và công trình dẫn nước

• Cụm đầu mối công trình thủy lợi là một tổ hợp các hạng mục công trình thủy tập trung ở vị trí khởi đầu của hệ thống dẫn nước, thoát nước; làm chức năng cấp hoặc thoát nước, điều tiết, khống chế, phân phối nước Tổ hợp công trình này bao gồm: Đập, cửa lấy nước, kênh xả lũ, cửa xả lũ, âu thuyền, kênh xả đáy,…

• Các công trình dẫn nước bao gồm: kênh, đường hầm, đường ống dẫn nước

• Ngoài ra đối với các dự án thủy điện còn các khái niệm về: tháp điều

áp, bể áp lực, đường ống áp lực, nhà máy thủy điện, trạm phân phối điện Những hạng mục xây dựng cụ thể trong dự án thủy lợi như đập, cống, nhà máy thủy điện, kênh dẫn nước,… được gọi chung là “ Công trình thủy”

1.1.1 Đặc điểm về sự phân cấp các công trình thủy lợi, thủy điện

Công trình thủy lợi, thủy điện được chia thành 5 cấp thiết kế tuỳ thuộc vào quy mô, địa điểm xây dựng công trình, mức độ ảnh hưởng tích cực của chúng đến phát triển kinh tế xw hội, an ninh quốc phòng,… cũng như tác động tích cực đến tài nguyên môi trường, tổn thất về người và tài sản do sự cố rủi ro

có thể xảy ra Sự khác nhau của mỗi cấp thiết kế được thể hiện bằng hệ số an toàn chung của công trình và các quy định về khảo sát thiết kế Công trình cấp

I có hệ số an toàn chung lớn nhất và giảm dần ở những cấp thấp hơn

Cấp công trình phụ thuộc quy mô, ý nghĩa, thời gian sử dụng công trình

và đw được đề cập cụ thể trong quy phạm Nhà nước, theo tài liệu [13]

Việc phân cấp công trình có ý nghĩa quan trọng trong thiết kế và xây dựng vì nó ảnh hưởng đến tính ổn định, cường độ và độ bền của mỗi công trình cũng như toàn bộ hệ thống Khi thiết kế, tuỳ theo cấp công trình mà ta xác định được các chỉ tiêu thiết kế tương ứng như: tần suất lưu lượng, mực nước thiết kế, hệ số tin cậy, tuổi thọ công trình.Việc phân cấp công trình thủy lợi là phản ảnh trình độ phát triển khoa học kỹ thuật và phát triển nền kinh tế quốc dân của mỗi nước

Tuỳ thuộc vào chức năng, công trình lâu dài được chia thành công trình chủ yếu, công trình thứ yếu và công trình tạm thời [13]:

Bảng 1.1 Quan hệ cấp thiết kế trong một công trình đầu mối hoặc hệ thống dẫn

Cấp thiêt kế của công trình đầu

1 Cấp thiết kế công trình chủ yếu

2 Cấp thiết kế công trình thứ yếu

3 Cấp thiết kế công trình tạm thời

I III

IV

II III

Cấp thiết kế của công trình đầu mối, bao gồm cả công trình đầu mối trong khai thác bậc thang là cấp cao nhất được lựa chọn từ cấp xác định theo năng lực phục vụ của chính đầu mối đó hoặc từ cấp xác định theo đặc tính kỹ thuật của các hạng mục công trình thủy có mặt trong công trình đầu mối được phân loại theo [13]:

• Theo năng lực phục vụ bảng 1.2

Bảng 1.2 Phân cấp công trình theo năng lực phục vụ

Cấp thiết kế

Loại công trình thủy lợi

1 Hệ thống thủy nông có

diện tích được tưới hoặc

diện tích tự nhiên khu tiêu,

Bảng 1.3 Phân cấp công trình theo đặc tính kỹ thuật của các hạng mục

công trình trong cụm đầu mối

Cấp thiết kế Loại công trình thủy

Nhóm C-Nền là đất sét bKo hòa nước ở trạng thái dẻo

2 Chiều cao công trình được tính như sau:

- Với đập vật liệu đất, đất - đá: Chiều cao tính từ mặt nền thấp nhất sau khi dọn móng (không kể phần chiều cao chân khay) đến đỉnh

• Trong các giai đoạn khảo sát thiết kế: Công tác trắc địa chủ yếu là xây dựng các cấp lưới khống chế đủ độ chính xác để đo vẽ bình đồ địa hình các tỷ

lệ từ 1:200 đến 1:5000, đo vẽ mặt cắt dọc, mặt cắt ngang tuyến công trình, bố trí hố khoan, hố đào địa chất,…

• Trong giai đoạn thi công và vận hành công trình thủy lợi, thủy điện: Công tác trắc địa chủ yếu là xây dựng mạng lưới tam giác thủy chuẩn thủy

công đủ độ chính xác, nhằm phục vụ công tác bố trí các vị trí tim tuyến công trình từ bản vẽ ra thực địa và phục vụ quá trình quan trắc chuyển dịch, biến dạng công trình

Đối với các dự án thủy điện vừa và nhỏ thường lấy chênh cao địa hình tự nhiên tạo áp lực cột nước từ khu đầu mối đến nhà máy Do đó, chênh cao địa hình trong phạm vi dự án và độ cao so với mặt Geoid là rất lớn Điều này yêu cầu công tác trắc địa phải có những phương pháp xử lí số liệu sao cho độ biến dạng về mặt bằng của công trình là nhỏ nhất và nghiên cứu, xây dựng các công thức, phương pháp tính hiệu chỉnh độ cao do địa hình vào kết quả tính độ cao GPS, nhằm khai thác và sử dụng được kết quả đo cao GPS phục vụ sản xuất Những dự án thủy điện thường được xây dựng trên những khu vực vùng núi cao có điều kiện địa hình đặc biệt khó khăn, độ che khuất địa hình lớn,

điều kiện đi lại giữa các hạng mục dự án rất khó khăn Do đó, việc triển khai

đo đạc của công tác trắc địa gặp rất nhiều trở ngại Đặc biệt là áp dụng phương pháp truyền thống trong trắc địa để xây dựng hệ thống lưới khống chế cơ sở có thể không triển khai được hoặc có thể làm được, nhưng lại mất quá nhiều thời gian và kinh phí xây dựng Để nâng cao hiệu quả sản xuất đòi hỏi những người làm công tác trắc địa phải nghiên cứu áp dụng công nghệ mới Ngày nay, việc ứng dụng công nghệ GPS đw trở lên phổ biến trong thực tế sản xuất của ngành trắc địa Và đối với các dự án thủy lợi, thủy

điện thì việc ứng dụng công nghệ GPS để thành lập lưới khống chế là sự lựa chọn tối ưu nhất

1.2 Yêu cầu độ chính xác của công tác trắc địa đối với các công trình thủy lợi, thủy điện

1.2.1 Độ chính xác của công tác trắc địa trong giai đoạn khảo sát thiết kế

Trong các giai đoạn khảo sát thiết kế các công trình thủy lợi, thủy

điện, thành phần khối lượng và yêu cầu độ chính xác của công tác trắc

1.2.1.1 Độ chính xác xây dựng hệ thống lưới khống chế mặt bằng, độ cao

Công tác khống chế mặt bằng trong công trình xây dựng thủy lợi, thủy

điện, dân dụng chỉ xây dựng từ hạng IV, cấp 1, cấp 2 và được đo nối vào hệ toạ độ quốc gia hạng III, hạng II và hạng I Yêu cầu độ chính xác như sau:

a Lưới tam giác hạng IV:

- Sai số tương đối chiều dài cạnh gốc:

- Sai số khép góc lớn nhất trong tam giác: ω ≤ ± 10 "

b Lưới đường chuyền hạng IV:

- Sai số tương đối chiều dài cạnh:

a Lưới giải tích cấp 1:

- Sai số tương đối chiều dài cạnh gốc:

- Sai số khép góc lớn nhất trong tam giác: ω ≤ ± 20 "

b Lưới đường chuyền cấp 1:

- Sai số tương đối chiều dài cạnh yếu nhất:

10000

1

≤

s ms

a Lưới giải tích cấp 2:

- Sai số tương đối chiều dài cạnh gốc:

20000

1

0 0 ≤

s ms

- Sai số tương đối chiều dài cạnh yếu nhất:

10000

1

≤

s ms

- Sai số khép góc lớn nhất trong tam giác: ω ≤ ± 40 "

b Lưới đường chuyền cấp 2:

- Sai số tương đối chiều dài cạnh yếu nhất:

5000

1

≤

s ms

Công tác khống chế độ cao trong công trình xây dựng thủy lợi, thủy điện chỉ xây dựng hệ thống lưới thủy chuẩn hạng III, thủy chuẩn hạng IV và thủy chuẩn kỹ thuật Yêu cầu độ chính xác các cấp hạng lưới như sau:

- Khoảng cách lớn nhất từ máy đến mia: D ≤ 50 m

Trong đó L là chiều dài tuyến thủy chuẩn, tính bằng km

- Khoảng cách lớn nhất từ máy đến mia: D ≤ 100 m

Trong đó L là chiều dài tuyến thủy chuẩn, tính bằng km

- Khoảng cách lớn nhất từ máy đến mia: D ≤ 150 m

Trong đó L là chiều dài tuyến thủy chuẩn, tính bằng km

1.2.1.2 Độ chính xác của công tác đo vẽ thành lập bản đồ địa hình các loại tỷ lệ: 1/200 đến 1/5000 và độ chính xác của công tác đo vẽ mặt cắt địa hình

Công tác trắc địa thành lập bình đồ địa hình và đo vẽ mặt cắt địa hình

đối với các dự án thủy lợi, thủy điện được quy định cụ thể về nội dung và độ chính xác theo [12] Tỷ lệ đo vẽ và độ chính xác các loại tỷ lệ bình đồ và mặt cắt tuyến công trình phụ thuộc vào giai đoạn khảo sát dự án, phụ thuộc vào mức độ phức tạp và yêu cầu kỹ thuật của từng hạng mục công trình cụ thể Độ chính xác của công tác trắc địa như sau:

• Sai số vị trí điểm khống chế mặt bằng của lưới khống chế đo vẽ sau khi bình sai so với điểm khống chế trắc địa cơ sở gần nhất nhỏ hơn 0.2mm trong vùng quang đwng, và nhỏ hơn 0.3mm trong vùng cây cối rậm rạp tính theo tỷ lệ bản đồ

• Sai số điểm khống chế độ cao đo vẽ sau khi bình sai so với điểm khống

chế độ cao cơ sở gần nhất nhỏ hơn ẳh khi ở vùng bằng phẳng và nhỏ hơn ⅓h

khi ở vùng núi (h là khoảng cao đều đường bình độ)

• Sai số trung bình vị trí địa vật cố định so với điểm khống chế đo vẽ gần nhất nhỏ hơn hoặc bằng 0.4mm trên bình đồ vùng quang đwng, và nhỏ hơn hoặc bằng 0.5mm ở vùng rậm rạp

• Sai số vị trí điểm các mặt cắt dọc, ngang đều được quy định là nhỏ hơn hoặc bằng 0.2M, trong đó M là mẫu số tỷ lệ đo vẽ mặt cắt

• Sai số độ cao các điểm mặt cắt nhỏ hơn ẳh (h là khoảng cao đều đường bình độ)

• Sai số trung phương điểm chi tiết so với điểm khống chế độ cao gần nhất

được tính theo khoảng cao đều cơ bản và không vượt quá quy định ở bảng 1.4

Bảng 1.4 Sai số trung phương điểm chi tiết

Sai số trung phương điểm chi tiết (tính theo tỷ lệ của h)

> 150 1/4 1/3 1/2 1/2 1/2

1.2.2 Độ chính xác của công tác trắc địa trong giai đoạn thi công và vận hành công trình

Trong giai đoạn thi công công trình, nhiệm vụ chủ yếu của công tác trắc

địa là bố trí, chuyển vị trí của các hạng mục công trình thủy lợi, thủy điện từ bản vẽ trên giấy ra thực địa Đồng thời đo đạc kiểm tra, hoàn nguyên kích thước hình học cũng như tính tương hỗ của các hạng mục dự án Do đó, yêu cầu độ chính xác của công tác trắc địa trong giai đoạn này chủ yếu là xây dựng hệ thống mốc thủy công công trình, phục vụ công tác đưa tim tuyến công trình từ bản vẽ thiết kế ra thực địa

Theo quy định của Tổng công ty điện lực Việt nam về việc xây dựng lưới tam giác thủy công và lưới thủy chuẩn thủy công phục vụ thi công và quản lí vận hành các công trình thủy điện, độ chính xác của lưới thủy công phụ thuộc vào cấp công trình xây dựng mà quyết định đến độ chính xác thành lập lưới Bao gồm: lưới tam giác thủy công và lưới thủy chuẩn thủy công

thông số kỹ thuật và độ chính xác của các cấp lưới tam giác thủy công nêu trong bảng 1.5

Bảng 1.5 Thông số kỹ thuật và độ chính xác của các lưới tam giác thủy công

S.S.T.P đo góc (“) Sai số khép tam giác

Sai số chiều dài cạnh yếu nhất

) (

Việc lựa chọn cấp hạng lưới tam giác thủy công để áp dụng phụ thuộc chính vào cấp thiết kế công trình [13] Định hướng lựa chọn cấp hạng lưới tam giác thủy công xem bảng 1.6 [16]

Bảng 1.6 Định hướng lựa chọn cấp hạng lưới tam giác thủy công

Cấp thiết kế của

công trình Công suất nhà máy điện (KW) Cấp hạng lưới tam giác thủy công

Căn cứ tổng mặt bằng công trình và điều kiện địa hình mà có thể xây dựng 1 hoặc 2 bậc lưới tam giác thủy công Nếu xây dựng 2 bậc lưới tam giác thủy công thì lưới bậc 1 là tam giác cơ sở cho toàn công trình Lưới bậc 2 là lưới tam giác cho hạng mục công trình cục bộ

Số lượng, mật độ điểm lưới tam giác thủy công cho từng công trình cần

được tính toán bố trí để đảm bảo sao cho mỗi điểm tim tuyến có thể được xác

định độc lập từ ít nhất 2 điểm tam giác

Hệ quy chiếu của lưới tam giác thủy công phải được lựa chọn phù hợp

để đảm bảo lưới có độ biến dạng nhỏ nhất so với thực địa và các sai số do phép chiếu gây lên ảnh hưởng không đáng kể đến độ chính xác của cấp lưới

b Lưới thủy chuẩn thủy công

Lưới thủy chuẩn thủy công được chia làm 2 cấp hạng: I và II Độ chính xác của mỗi cấp hạng như sau:

(tương đương với thủy chuẩn hạng II Nhà nước)

- Lưới thủy chuẩn thủy công hạng II: Sai số khép Fh = ±10 L(mm), (tương đương với thủy chuẩn hạng III Nhà nước)

Trong đó, L: chiều dài tuyến đo tính bằng km

Định hướng chọn cấp thủy chuẩn thủy công nêu trong bảng 1.7 [16]

Bảng 1.7 Định hướng lựa chọn cấp thủy chuẩn thủy công

Cấp thiết kế của

công trình Công suất nhà máy điện (KW) Cấp hạng lưới thủy chuẩn thủy công

c Độ chính xác đưa tim tuyến công trình từ bản vẽ thiết kế ra thực địa

Độ chính xác của các điểm tim tuyến do chủ nhiệm đồ án yêu cầu, có tham khảo ý kiến của kỹ sư chính – chủ nhiệm địa hình công trình Riêng đối với các dự án bố trí đường ống áp lực hở thì tuỳ theo quy mô và cột nước áp lực để đề ra độ chính xác cho phù hợp Định hướng độ chính xác tim tuyến xem bảng 1.8 [16]

đường chuyền cấp 1

3 Nhà máy 1-5 1-5 ıı

Các điểm tim tuyến công trình sau khi đưa ra thực địa cần xây dựng mốc tương đương các mốc khống chế: đường chuyền hạng IV và đường chuyền cấp 1 theo độ chính xác tương ứng với từng tim tuyến

Chương 2- công nghệ gps và ứng dụng trong trắc địa 2.1 Giới thiệu chung về hệ thống định vị toàn cầu GPS

Hệ thống GPS (GPS là từ viết tắt của Global Positioning System) là một

hệ thống định vị vệ tinh tiếp theo sau hệ thống TRANSIT Hệ thống này bắt

đầu được nghiên cứu từ những năm 70 do quân đội Mỹ chủ trì Trong những năm đầu của thập kỷ 80 quân đội Mỹ đw chính thức cho phép dùng trong dân

sự Từ đó các nhà khoa học của nhiều nước phát triển đw lao vào cuộc chạy

đua để đạt được những thành quả cao nhất trong lĩnh vực sử dụng hệ thống vệ tinh chuyên dụng GPS Những thành tựu này cho kết quả trong hai hướng chủ

đạo là chế tạo các máy thu tín hiệu và thiết lập các phần mềm để chế biến tín hiệu cho các mục đích khác nhau Trong đó việc ứng dụng công nghệ GPS trong trắc địa đw thể hiện được tính ưu việt về kỹ thuật và kinh tế so với các phương pháp trắc địa truyền thống

Hiện nay, có khoảng 10 hwng trên thế giới sản xuất các máy thu GPS đw

đạt được trình độ cạnh tranh trên thị trường, bao gồm các hwng chính như: TRIMBLE NAVIGATION (Mỹ), ASHTECH (Mỹ), WILD (Thụy sĩ), SEGSEL (Pháp), MINI MAX (Tây Đức), SOKIA (Nhật Bản), NIKON (Nhật Bản), Trong đó, máy thu của hwng TRIMBLE NAVIGATION đang được

đánh giá cao nhất

Toàn bộ hệ thống GPS có tên đầy đủ là NAVSTAR GPS SYSTEM (NAVSTAR viết tắt chữ Navigation System With Time and Ranging)

Toàn bộ phần cứng GPS hoạt động trong hệ thống tọa độ WGS-84 với kích thước elipsoid a=6378137.0 m và α=1:29825722 Phần cứng này gồm 3

đoạn: đoạn không gian, đoạn điều khiển và đoạn sử dụng

2.1.1 Đoạn không gian (Space Segment)

Bao gồm 24 vệ tinh bay trên quỹ đạo có độ cao đồng nhất 20200 km, chu

kỳ quay 718 phút, phân phối đều trên 6 mặt phẳng quỹ đạo nghiêng với xích đạo

đất đều có thể quan sát được ít nhất 4 vệ tinh

Mỗi vệ tinh được trang bị máy phát tần số chuẩn nguyên tử chính xác

cm Người ta sử dụng hai tần số tải để làm giảm ảnh hưởng của tầng điện ly Các sóng tải được điều biến bởi 2 loại code khác nhau: C/A-code và P-code C/A-code là code thô/thâu tóm (coarse/acquisition) Nó được sử dụng cho các mục đích dân sự và chỉ điều biến sóng tải L1 Code này được tạo bởi một chuỗi các chữ số 0 và 1 được sắp xếp theo quy luật tựa ngẫu nhiên với tần

số 1.023MHz tức bằng 1/10 tần số cơ sở, và được lặp lại sau mỗi miligiây Mỗi vệ tinh được gán một C/A-code riêng biệt

P-code là code chính xác (precise) Nó được sử dụng cho các mục đích quân sự, tức là để đáp ứng yêu cầu chính xác cao và điều biến cả hai sóng tải L1, L2 Code này được tạo bởi nhiều chuỗi các chữ số 0 và 1 được sắp xếp theo quy luật tựa ngẫu nhiên với tần số 10.23MHz; độ dài toàn phần của code

là 267 ngày, nghĩa là chỉ sau 267 ngày P-code mới lặp lại Tuy vậy, người ta chia code này thành các đoạn có độ dài 7 ngày và gán cho mỗi vệ tinh một trong các đoạn code như thế, cứ sau một tuần lại thay đổi Bằng cách này P-code rất khó bị giải mw để sử dụng nếu không được phép

Cả hai sóng tải L1, L2 còn được điều biến bởi các thông tin đạo hàng gồm: ephemerit của vệ tinh, thời gian của hệ thống, số hiệu chỉnh cho đồng hồ

vệ tinh, quang cảnh phân bố vệ tinh trên bầu trời và tình trạng của hệ thống Ngoài hai sóng tải L1 và L2 phục vụ mục đích định vị cho người sử dụng (khách hàng), các vệ tinh còn dùng hai sóng tần số 1783.74MHz và 2227.5MHz để trao đổi thông tin với các trạm điều khiển trên mặt đất

2.1.2 Đoạn điều khiển (Control Segment)

Đoạn này gồm 4 trạm quan sát trên mặt đất trong đó có một trạm điều khiển trung tâm đặt tại 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 hình 2.1

Hình 2.1 Các trạm điều khiển Nhiệm vụ của đoạn điều khiển là điều khiển toàn bộ hoạt động và chức năng của các vệ tinh trên cơ sở theo dõi chuyển động quỹ đạo của vệ tinh cũng như hoạt động của đồng hồ trên đó Tất cả các trạm đều có máy thu GPS,

và chúng tiến hành đo khoảng cách và sự thay đổi khoảng cách tới tất cả các

vệ tinh có thể quan sát được, đồng thời đo các số liệu khí tượng Tất cả các số liệu đo nhận được ở mỗi trạm đều được truyền về trạm trung tâm Trạm trung tâm xử lý các số liệu được truyền từ các trạm theo dõi về cùng với các số liệu

đo của chính nó Kết quả xử lý cho ra các ephemerit chính xác hóa của vệ tinh

và số hiệu chỉnh cho các đồng hồ trên vệ tinh Từ trạm trung tâm các số liệu này được truyền trở lại cho các trạm theo dõi để từ đó truyền tiếp lên cho các

vệ tinh cùng các lệnh điều khiển khác Như vậy là các thông tin đạo hàng và thông tin thời gian trên vệ tinh được thường xuyên chính xác hóa và chúng sẽ

được cung cấp cho người sử dụng thông qua các sóng tải L1 và L2 Việc chính xác hóa thông tin như thế được tiến hành 3 lần trong 1 ngày

Lưới trắc địa đặt trên 4 trạm này được xác định bằng phương pháp giao thoa đường đáy dài (VLBI) Trạm trung tâm làm nhiệm vụ tính toán lại tọa độ của các vệ tinh theo số liệu của 4 trạm theo dõi thu được từ vệ tinh Sau tính toán các số liệu được gửi từ trạm trung tâm tới 3 trạm hiệu chỉnh số liệu và từ

đó gửi tiếp tới các vệ tinh

2.1.3 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 cho mục đích và yêu cầu khác nhau của khách hàng kể cả ở trên không, trên biển và trên đất liền Đó có thể là một máy thu riêng biệt hoạt động độc lập (trường hợp định vị tuyệt đối) hay một nhóm gồm

từ hai máy thu trở lên hoạt động đồng thời theo một lịch trình thời gian nhất

định (trường hợp định vị tương đối) hoặc hoạt động theo chế độ một máy thu

đóng vai trò máy chủ phát tín hiệu vô tuyến hiệu chỉnh cho các máy thu khác (trường hợp định vị vi phân) Đó còn là cả một hệ thống dịch vụ đạo hàng GPS

đa năng trên phạm vi toàn cầu hoặc ở từng khu vực đang được thiết lập ở một

số nước phát triển

Phần sử dụng GPS có 3 bộ phận chính:

• Phần cứng bao gồm: máy thu, các bộ dao động tần số vô tuyến RF (Radio Friquency), các ăngten và các thiết bị ngoại vi cần thiết để hoạt động máy thu

• Phần mềm bao gồm những chương trình tính dùng để xử lý dữ liệu cụ thể, chuyển đổi những thông báo GPS thành những thông tin định vị hoặc dẫn

đường đi hữu ích Những chương trình này cho phép người sử dụng tác động khi cần để có thể lợi dụng được những ưu điểm của nhiều đặc tính định vị GPS Những chương trình này có thể sử dụng được trong điều kiện ngoại nghiệp và được thiết kế sao cho có thể cung cấp những thông báo hữu ích về trạng thái và sự tiến bộ của hệ thống tới người điều hành Ngoài ra trong phần mềm còn bao gồm những chương trình phát triển tính độc lập của máy thu GPS , có thể đánh giá được các nhân tố như tính sẵn sàng của vệ tinh và mức

độ tin cậy của độ chính xác

• Phần triển khai công nghệ hướng tới mọi lĩnh vực liên quan đến GPS như: cải tiến thiết kế máy thu, phân tích và mô hình hoá hiệu ứng của ăngten khác nhau, hiệu ứng truyền sóng và sự phối hợp của chúng trong phần mềm

xử lý số liệu, phát triển các hệ thống liên kết truyền thông một cách tin cậy cho các hoạt động định vị GPS cự ly dài, ngắn khác nhau và theo dõi các xu thế phát triển trong lĩnh vực giá cả và hiệu suất thiết bị

2.2 Nguyên lý hoạt động của hệ thống GPS

2.2.1 Nguyên lý chung

Việc định vị bằng GPS được thực hiện trên cơ sở sử dụng hai đại lượng

đo cơ bản, đó là đo khoảng cách giả theo các code tựa ngẫu nhiên ( C/A-code

và P-code) và đo pha sóng tải (L1 và L2)

Nguyên lý đo khoảng cách giả theo C/A-code và P-code được mô tả theo công thức sau:

t c z z y

y x

x t t c

Trong đó: R là khoảng cách giả giữa vệ tinh và máy thu;

S = [xs ys zs] - Tọa độ vệ tinh;

P = [xp yp zp] - Tọa độ điểm mặt đất;

c – Tốc độ lan truyền sóng;

t - Thời gian sóng đi từ vệ tinh tới máy thu;

∆t - Số hiệu chỉnh thời gian

Tập hợp các phương trình đo dạng (2.1) ta có hệ thống phương trình sai

số có 4 ẩn số là t, xp ,yp ,zp trong đó xs ,ys ,zs biết được từ mw lịch vệ tinh (tần

số 50Hz), t được xác định theo đồng hồ vệ tinh và máy thu theo mw C/A, c là hằng số tốc độ truyền sóng điện từ

Nguyên lý đo pha của sóng tải L1, L2 được mô tả theo công thức sau:

) (

2

t c N

Φ: hiệu số pha do máy thu đo được (0< Φ < 2π)

R: khoảng cách giữa vệ tinh và máy thu;

2.2.2.1 Đo GPS tuyệt đối

a Nguyên lý đo GPS tuyệt đối

Đo GPS tuyệt đối là trường hợp sử dụng máy thu GPS để xác định ngay ra tọa độ của điểm quan sát trong hệ thống tọa độ WGS-84 Đó có thể là các thành phần tọa độ vuông góc không gian (X, Y, Z) hoặc các thành phần tọa độ mặt cầu (B, L, H) Hệ thống tọa độ WGS-84 là hệ thống tọa độ cơ sở của hệ thống

GPS; tọa độ của vệ tinh cũng như điểm quan sát đều được lấy theo hệ thống tọa

độ này Hệ tọa độ WGS-84 được thiết lập gắn với ellipxoid WGS-84

Việc đo GPS tuyệt đối được thực hiện trên cơ sở sử dụng đại lượng đo là khoảng cách giả từ vệ tinh đến máy thu theo nguyên tắc giao hội không gian

Hình 2.2 Định vị tuyệt đối Nếu biết chính xác khoảng thời gian lan truyền tín hiệu code tựa ngẫu nhiên từ vệ tinh đến máy thu, ta sẽ tính được khoảng cách chính xác từ vệ tinh

đến máy thu, khi đó 3 khoảng cách được xác định đồng thời từ 3 vệ tinh đến máy thu sẽ cho ta vị trí không gian đơn trị của máy thu Song trên thực tế cả

đồng hồ trên vệ tinh và đồng hồ của máy thu đều có sai số, nên các khoảng cách đo được không phải là khoảng cách chính xác, kết quả là chúng không thể cắt nhau tại một điểm, nghĩa là không thể xác định được vị trí của máy thu Để khắc phục tình trạng này, cần sử dụng thêm một đại lượng đo nữa, đó

là khoảng cách từ một vệ tinh thứ tư Trong trường hợp này chúng ta sẽ có 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

Giải hệ phương trình (2.3) sẽ cho phép chúng ta xác định được 3 khoảng cách từ vệ tinh đến điểm xét và sai số xác định thời gian truyền tín hiệu từ vệ tinh đến máy thu

Như vậy, bằng cách đo khoảng cách giả đồng thời từ 4 vệ tinh đến máy thu ta có thể xác định tọa độ tuyệt đối của máy thu, ngoài ra còn xác định thêm số hiệu chỉnh đồng hồ của máy thu nữa

b Đo vi phân (DGPS)

Phần lớn khách hàng sử dụng máy thu GPS thường có nhu cầu định vị với

độ chính xác từ cỡ decimet đến vài chục mét Nhưng với chế độ can thiệp SA thì hệ thống GPS chỉ cho độ chính xác định vị hạn chế cỡ 100m Để tháo gỡ sự khống chế này, giới kỹ thuật và các nhà sản xuất máy thu GPS đw đưa ra một phương pháp đo được gọi là GPS vi phân hình 2.3

Hình 2.3 Nguyên tắc đo GPS vi phân Theo nguyên tắc này cần một máy thu GPS có khả năng phát tín hiệu vô tuyến được đặt tại điểm có tọa độ đw biết (nó thường được gọi là máy cố định),

đồng thời có máy khác (được gọi là di động) đặt ở vị trí cần xác định tọa độ Cả máy cố định và máy di động cần đồng thời tiến hành thu tín hiệu từ các vệ tinh như nhau Nếu thông tin từ vệ tinh bị nhiễu thì kết quả xác định tọa độ

của cả máy cố định và máy di động cũng đều bị sai lệch, độ sai lệch này được xác định trên cơ sở so sánh tọa độ tính ra theo tín hiệu thu được từ vệ tinh và tọa độ đw biết trước của máy cố định và có thể xem là như nhau cho cả máy cố

định và máy di động Nó được máy cố định phát đi qua sóng vô tuyến để máy

di động thu nhận mà hiệu chỉnh cho kết quả xác định tọa độ của mình

2.2.2.2 Đo GPS tương đối

a Nguyên lý đo GPS tương đối

Đo GPS tương đối là trường hợp sử dụng hai máy thu GPS đặt ở hai

điểm quan sát khác nhau để xác định ra hiệu tọa độ vuông góc không gian (∆X, ∆Y, ∆Z) hay hiệu tọa độ trắc địa (∆B, ∆L, ∆H) giữa các điểm đó trong

hệ tọa độ WGS-84

Nguyên tắc đo GPS tương đối được thực hiện trên cơ sở sử dụng đại lượng đo là pha của sóng tải Để đạt được độ chính xác cao và rất cao, cho kết quả xác định hiệu tọa độ (hay vị trí tương hỗ) giữa hai điểm xét, người ta đw tạo ra và sử dụng các sai phân khác nhau cho pha sóng tải nhằm làm giảm ảnh hưởng của các nguồn sai số khác nhau như: sai số của đồng hồ trên vệ tinh cũng như trong máy thu, sai số tọa độ vệ tinh, số nguyên đa trị, …

Định vị tương đối cũng được phân chia thành định vị tương đối - tĩnh và

định vị tương đối - động Trong định vị tương đối trị đo thường được sử dụng

là pha sóng tải kết hợp trị đo code

Trong trường hợp số lượng trạm đo nhiều hơn hai, quan trắc đồng bộ cùng một số vệ tinh thì ảnh hưởng sai số của quỹ đạo vệ tinh, sai số đồng hồ

vệ tinh, sai số đồng hồ máy thu, sai số do tầng điện ly, sai số do khúc xạ của tầng đối lưu đối với trị đo có tính tương quan nhất định Sử dụng các tổ hợp (hiệu số) khác nhau của các trị đo để tiến hành định vị tương đối thì có thể loại trừ hoặc giảm thiểu ảnh hưởng của sai số tương quan, nâng cao độ chính xác định vị tương đối

Sai phân bậc nhất

và ti+1 ở thời điểm ti, tại trạm đo 1 và 2, trị đo pha sóng tải từ vệ tinh k là Ф1k(ti)

và Ф2k(ti) thì sai phân bậc nhất hoặc trị đo hiệu bậc nhất đối với vệ tinh k là:

Hình 2.4 Sai phân bậc nhất Tương tự đối với vệ tinh j, sai phân bậc nhất giữa hai trạm đo ở thời điểm ti là:

sai phân bậc nhất này loại trừ được sai số đồng hồ vệ tinh

Sai phân bậc nhất cũng có thể là hiệu số trị đo của 1 máy thu tới 2 vệ tinh; trị đo này lọai trừ được sai số đồng hồ máy thu

Sai phân bậc hai

Từ hai điểm A và B trên một đường đáy cùng quan sát đồng thời hai vệ tinh j và k vào cùng một thời điểm hình 2.5

Hình 2.5 Sai phân bậc hai Khi đó nếu lấy hiệu của các sai phân bậc nhất, ta có sai phân bậc hai:

∆2

trị đo sai phân bậc hai này, sai số vị trí vệ tinh, sai số đồng hồ vệ tinh, sai số

đồng hồ máy thu đều được loại trừ Đây là trị đo chuẩn trong định vị GPS tương đối

Sai phân bậc ba

Từ hai điểm A và B trên đường đáy tiến hành quan sát đồng thời lên hai

vệ tinh vào hai thời điểm khác nhau hình 2.6

Hình 2.6 Sai phân bậc ba

Nếu lấy hiệu của các sai phân bậc hai, ta có sai phân bậc ba:

được số nguyên đa trị của sóng tải và đồng thời là để có nhiều trị đo nhằm đạt

độ chính xác cao và ổn định kết quả quan sát

Đây là phương pháp đạt được độ chính xác cao nhất trong việc định vị tương đối bằng GPS, có thể cỡ centimet, thậm chí là milimet ở khoảng cách giữa hai điểm xét tới hàng chục và hàng trăm kilomet Nhược điểm của phương pháp là thời gian đo phải kéo dài hàng giờ, do vậy năng suất đo thường không cao

c Phương pháp đo động

Phương pháp đo động cho phép xác định vị trí tương đối của hàng loạt

điểm so với điểm đw biết Trong đó, tại mỗi điểm đo chỉ cần thu tín hiệu trong

một phút Theo phương pháp này cần có ít nhất hai máy thu để xác định số nguyên đa trị của tín hiệu vệ tinh, cần phải có một cạnh đáy đw biết được gối lên điểm đw có tọa độ Sau khi đw xác định số nguyên đa trị được giữ nguyên

để tính khoảng cách từ vệ tinh đến máy thu cho các điểm đi tiếp sau trong suốt cả chu kỳ đo Nhờ vậy, thời gian thu tín hiệu tại điểm đo không phải là một giờ đồng hồ như trong phương pháp đo tĩnh nữa mà chỉ còn một phút trong phương pháp này

Phương pháp đo động cho phép đạt độ chính xác định vị tương đối không thua kém so với phương pháp đo tĩnh Song nó lại đòi hỏi khá ngặt nghèo về thiết bị và tổ chức đo để đảm bảo yêu cầu về đồ hình phân bố, cũng như tín hiệu của vệ tinh

2.2.3 Các nguồn sai số trong kết quả đo GPS

Định vị GPS về thực chất được xây dựng trên cơ sở giao hội không gian các khoảng cách đo được từ máy thu đến các vệ tinh có tọa độ đw biết Khoảng cách đo được là hàm của thời gian và tốc độ lan truyền tín hiệu trong không gian giữa vệ tinh và máy thu Vì vậy kết quả đo chịu ảnh hưởng trực tiếp của các sai số của vệ tinh, của máy thu, của môi trường lan truyền tín hiệu và các nguồn sai số khác Các nguồn sai số đó có tính chất ngẫu nhiên ảnh hưởng

đến kết quả đo GPS

2.2.3.1 Sai số đồng hồ

Sai số đồng hồ gồm sai số đồng hồ vệ tinh, đồng hồ máy thu và sự không

đồng bộ giữa chúng Đồng hồ vệ tinh là đồng hồ nguyên tử, độ chính xác cao nhưng không phải hoàn toàn không có sai số Trong đó sai số hệ thống lớn hơn sai số ngẫu nhiên rất nhiều, nhưng có thể dùng mô hình để cải chính sai số hệ thống, do đó sai số ngẫu nhiên trở thành chỉ tiêu quan trọng để đánh giá độ chính xác của đồng hồ Khi hai trạm đo tiến hành quan trắc đồng bộ đối với vệ tinh thì

ảnh hưởng của sai số đồng hồ vệ tinh đối với trị đo của 2 trạm là như nhau

Đồng hồ máy thu là đồng hồ thạch anh Cùng một máy thu, khi quan trắc

đồng thời nhiều vệ tinh thì sai số đồng hồ máy thu có ảnh hưởng như nhau đối với các trị đo tương ứng và các sai số đồng hồ của các máy thu có thể được coi

là độc lập nhau

Như ta đw biết vận tốc truyền tín hiệu xấp xỉ 3.108m/s, do đó nếu đồng hồ thạch

nguyên tử có sai số 10-7 giây thì sai số tương ứng của khoảng cách là 30cm

Trong định vị GPS tương đối, sử dụng các sai phân bậc 1, 2, 3 có thể loại trừ hoặc giảm thiểu ảnh hưởng sai số đồng hồ trong kết quả đo

2.2.3.3 Sai số quỹ đạo vệ tinh

Do sự thay đổi của trọng trường trái đất, sức hút mặt trăng, mặt trời và các thiên thể khác, áp lực bức xạ mặt trời, … tác động lên vệ tinh, nên chuyển

động cả các vệ tinh trên quỹ đạo không hoàn toàn tuân theo định luật Kepler

Đó là nguyên nhân gây nên sai số quỹ đạo vệ tinh hay còn gọi là sai số vị trí của vệ tinh

Trong định vị GPS cần phải sử dụng lịch quỹ đạo vệ tinh (Ephemeris) Các trạm điều khiển quan trắc liên tục để xác định quỹ đạo chuyển động của

vệ tinh và đưa ra lịch dự báo, gọi là lịch vệ tinh quảng bá, cung cấp đại trà cho người sử dụng bằng cách thu trực tiếp nhờ máy thu GPS Lịch vệ tinh quảng bá cho phép xác định vị trí tức thời của vệ tinh với độ chính xác cỡ 20 ữ 100m Ngoài lịch vệ tinh quảng bá còn có lịch vệ tinh chính xác (Precise Ephemeris) Lịch vệ tinh này được thành lập từ kết quả xử lý số liệu quan trắc

ở các thời điểm trong khoảng thời gian quan trắc, có độ chính xác tọa độ vệ tinh cỡ 10 ữ 50m

Sai số vị trí của vệ tinh chịu ảnh hưởng gần như trọn vẹn đến độ chính xác tọa độ điểm định vị tuyệt đối (định vị điểm đơn), nhưng lại được loại trừ

về cơ bản trong kết quả định vị tương đối

2.2.3.3 Sai số do tầng điện ly và tầng đối lưu

Tầng đối lưu được tính từ mặt đất tới độ cao 50km và tầng điện ly ở độ cao từ 50km đến 1000km Tín hiệu truyền từ vệ tinh qua tầng điện ly, tầng đối lưu đến máy thu bị khúc xạ và thay đổi tốc độ lan truyền

Đối với tầng điện ly, giá trị sai số tăng tỷ lệ thuận với mật độ điện tử tự

do và tỷ lệ nghịch với bình phương của tần số tín hiệu Đối với tín hiệu GPS,

số hiệu chỉnh khoảng cách theo hướng thiên đỉnh có thể đạt giá trị tối đa là

tầng điện ly thường dùng máy thu 2 tần số, dùng mô hình hiệu chỉnh hoặc dùng hiệu các trị đo đồng bộ

Đối với tầng đối lưu, sự khúc xạ của đường truyền tín hiệu càng phức tạp hơn, phụ thuộc vào sự biến đổi của khí hậu mặt đất, áp lực không khí, nhiệt độ

và độ ẩm ảnh hưởng của khúc xạ trong tầng đối lưu phụ thuộc vào góc cao của đường truyền tín hiệu Giá trị ảnh hưởng sai số theo hướng thiên đỉnh có

sai số do tầng đối lưu có thể dùng mô hình hiệu chỉnh đưa thêm tham số phụ

ước tính ảnh hưởng của tầng đối lưu vào quá trình xử lý số liệu để tính hoặc dùng hiệu các trị đo đồng bộ

2.2.3.4 Sai số do nhiễu tín hiệu

Tín hiệu từ vệ tinh đến máy thu GPS có thể bị nhiễu do một số nguyên nhân như: tín hiệu phản xạ từ các vật khác (kim loại, bê tông, mặt nước, …) ở gần máy thu GPS (hiệu ứng đa đường dẫn); tín hiệu bị nhiễu do ảnh hưởng của các sóng điện từ khác (khi đặt máy thu ở gần các trạm phát sóng, gần đường dây tải điện cao áp) Các tín hiệu bị nhiễu nói trên chập với tín hiệu truyền trực tiếp từ vệ tinh đến máy thu gây ra sai số đối với trị đo

Để khắc phục sai số do nhiễu tín hiệu, cần phải đặt máy thu cách xa các vật phản xạ tín hiệu hoặc các đối tượng gây nhiễu tín hiệu; không thu tín hiệu khi trời đầy mây, đang mưa, không đặt máy thu dưới các rặng cây

2.2.3.5 Các sai số khác

Ngoài các nguồn sai số chủ yếu trên đây còn có các nguồn sai số khác như sai số do ảnh hưởng xoay của trái đất, do triều tịch của trái đất, do hiệu ứng của thuyết tương đối, sai số vị trí của máy thu, sai số vị trí tâm pha anten Trong định vị chính xác cao cần phải xem xét và tìm biện pháp giảm ảnh hưởng của các nguồn sai số này

2.3 ứng dụng GPS trong trắc địa

2.3.1 Xây dựng lưới khống chế mặt bằng

Có thể nói, ứng dụng đầu tiên của công nghệ GPS trong trắc địa là đo

đạc các mạng lưới khống chế trắc địa mặt bằng Bởi vì, ưu điểm chủ yếu và quan trọng nhất của công nghệ GPS là có thể xác định được véc tơ cạnh giữa các điểm khống chế trắc địa với độ chính xác cao mà không cần tầm thông hướng giữa các điểm Phương pháp đo tương đối tĩnh là phương pháp được sử dụng chủ yếu để đo các mạng lưới khống chế trắc địa

Hiện nay, việc ứng dụng công nghệ GPS để xây dựng các mạng lưới khống chế trắc địa đw được ứng dụng phổ biến, đại trà trong sản xuất, ở Việt nam cũng như các nước trên thế giới Bằng kỹ thuật đo tương đối tĩnh, người ta có thể xây dựng được các mạng lưới có cạnh dài đến hàng ngàn mét Các mạng lưới của từng quốc gia, của các quốc gia trong khu vực hay trên toàn thế giới

ứng dụng phổ biến nhất của công nghệ GPS là đo nối mạng lưới tọa độ quốc gia của nhiều nước trên thế giới với hệ tọa độ trắc địa toàn cầu WGS-84, hoàn chỉnh các mạng lưới tọa độ quốc gia đw xây dựng bằng các công nghệ cổ truyền, tăng dày các mạng lưới tọa độ, xây dựng các mạng lưới mới Bằng ứng dụng này công nghệ GPS đw tạo nên sự "giao lưu trắc địa" giữa rất nhiều

nước thông qua việc sắp đặt các tham số tính chuyển giữa các hệ tọa độ quốc gia và hệ tọa độ trắc địa toàn cầu WGS-84 Đến nay đw xác lập được sự chuyển đổi qua lại giữa 185 hệ tọa độ của các nước khắp các châu lục trên thế giới với hệ WGS-84

Trong lĩnh vực thành lập lưới trắc địa, nhiều nước đw ứng dụng thành công công nghệ GPS từ lâu, dưới đây sẽ giới thiệu một số thành quả của việc ứng dụng công nghệ GPS ở một số nước trong khu vực châu á - Thái bình dương, những nước gần gũi với Việt nam về vị trí địa lý và trình độ phát triển

về đo đạc bản đồ

- ở Inđônêxia công nghệ GPS đw được ứng dụng trong các lĩnh vực thành lập lưới khống chế mặt bằng quốc gia, đo đạc thành lập bản đồ địa chính, đo đạc biển, nghiên cứu địa động học, quản lý đất đai, trắc địa ảnh hàng không, đạo hàng và giao thông, nghiên cứu tầng điện ly, xác định độ cao chính và trọng lực hàng không Bằng công nghệ GPS, Indonesia đw xây dựng trong các năm 1992 - 1993 một mạng lưới cấp "0" (Zero order GPS control network) gồm 60 điểm rải đều trên các đảo lớn của đất nước Lưới cấp “0” này

được bình sai trong hệ quy chiếu mặt đất quốc tế 91 (ITRF) và chuyển về hệ WGS-84 Độ chính xác đạt từ 0.01 ữ 0.1 ppm Lưới cấp "0" là cơ sở để phát triển lưới hạng I cũng được thành lập bằng công nghệ GPS Các điểm hạng I

được đặt trên từng huyện, đến nay đw xây dựng xong 252 điểm trên các đảo lớn như: Sumatra - 40 điểm, Sulaweisi - 36 điểm, Kalimantan - 26 điểm và

150 điểm ở các đảo Java, Timor, Nusa, Tengara Độ chính xác cạnh hạng I đạt

ứng dụng công nghệ GPS để xác định Geoid hình học của mình với mạng lưới khống chế gồm 51 điểm

- ở Niudilân hệ tọa độ quốc gia đw được công bố năm 1949 (gọi là hệ quy chiếu trắc địa New Zealand - NZGSD-49) sau đó đw hoàn chỉnh lại và gọi

là hệ 93 (NZGDS-93), nhưng năm 1993 Niudilân vẫn sử dụng 6 máy thu GPS

2 tần số để đo mạng lưới gồm 30 điểm trùng với các điểm cũ để nghiên cứu so sánh kiểm chứng lại hệ tọa độ quốc gia

- ở Ôxtralia công nghệ GPS đw được ứng dụng để thành lập 9 điểm phủ trùm lwnh thổ, các điểm này tạo thành lưới gọi là lưới chuẩn của Ôxtralia Lưới chuẩn này đw được tăng dày bởi 60 điểm GPS tạo thành lưới quốc gia

Ôxtralia Mạng lưới GPS đw được sử dụng để kiểm tra, nâng cao độ chính xác các mạng lưới tọa độ hạng I, II, III của Australia và bình sai chung mạng lưới GPS và mạng lưới mặt đất đw thiết lập hệ tọa độ mới của Ôxtralia

- ở Hi Lạp từ năm 1989 đến năm 1993 đw thành lập mạng lưới GPS gồm 66 điểm sử dụng 10 đến 14 máy thu GPS của các hwng LEICA, TRIMBLE và ASHTECH

Công nghệ GPS cũng đw được sử dụng để xây dựng các mạng lưới cấp

"0" ở Ba Lan, Latvia, mạng lưới cơ sở vùng biên giới Irắc - Côoet và nhiều nước khác trên thế giớ1

Công nghệ GPS đw được ứng dụng có hiệu quả ở Việt nam trong các công trình sau đây:

1 ứng dụng có hiệu quả đầu tiên của công nghệ GPS ở Việt nam là phủ kín diện tích đất liền chưa có lưới toạ độ bằng lưới toạ độ GPS

Từ tháng 12/1991 đến tháng 4/1993 đw hoàn thành việc xây dựng lưới toạ độ Nhà nước bằng GPS tại khu vực Minh Hải , Sông Bé và Tây Nguyên với tổng số 117 điểm và 91 điểm phương vị, Các điểm GPS ở các khu vực trên tạo thành lưới tam giác dày đặc

2 Kết hợp loại máy GPS 2 tần số và 1 tần số đw xây dựng mạng lưới toạ

độ trên quần đảo Trường Sa, đo nối mạng lưới này và phần lớn đảo chính với mạng lưới đất liền Các điểm GPS này tạo thành mạng lưới toạ độ biển Việt nam gồm 36 điểm

3 Mạng lưới cạnh dài phủ trùm phần đất liền của lwnh thổ Việt nam đw hoàn thành đầu năm 1994 gồm 23 điểm GPS Lưới này đw liên kết các lưới GPS, lưới tam giác và đường chuyền Nhà nước

4 Đo nối độ cao các đảo và quần đảo Trường Sa với hệ độ cao Nhà nước gồm 24 điểm GPS

5 Bằng công nghệ GPS Việt nam đw giúp Lào xây dựng mạng lưới toạ

độ cơ sở gồm 25 điểm trên lwnh thổ Lào, mạng lưới toạ độ hạng II khu vực Viên Chăn và Nam Lào gồm 66 điểm Các mạng lưới này có độ chính xác rất cao là cơ sở tốt cho việc phát triển công tác đo đạc ở CHDCND Lào

6 Công nghệ GPS với máy thu 2 tần số đw được ứng dụng trong việc xây dựng mạng lưới toạ độ cấp “0” với 71 điểm phủ trùm cả nước

7 Công nghệ GPS đw được ứng dụng để đo các mạng lưới toạ độ quốc gia hạng III (địa chính cơ sở) phủ trùm cả nước với trên 12.600 điểm

8 Công nghệ GPS đw được ứng dụng để đo các mạng lưới trắc địa nhỏ, các mạng lưới khu vực

9 Công nghệ GPS đw được ứng dụng trong việc đo nối các điểm khống chế ảnh mặt phẳng và độ cao đạt hiệu quả cao và đặc biệt là bắt đầu ứng dụng vào việc dẫn đường và xác định tọa độ tâm ảnh

10 Công nghệ GPS đw được ứng dụng thành công có hiệu quả trong đo

đạc, thành lập bản đồ địa hình đáy biển

11 Sử dụng mô hình RAPP và các kết quả đo GPS đw xây dựng thành công bản đồ độ cao Geoid trên toàn lwnh thổ và lwnh hải Việt Nam

2.3.2 ứng dụng GPS trong thành lập bản đồ địa chính, bản đồ địa hình

2.3.2.1 Xây dựng các mạng lưới địa chính