Nghiên cứu ứng dụng công nghệ gps động (ppk) phục vụ công tác đo vẽ mỏ lộ thiên khai thác xuống sâu cọc sáu

Công nghệ định vị vệ tinh GPS bắt đầu được ứng dụng vào nước ta từ năm 1991 cho đến nay, công nghệ GPS đã mở ra thời kỳ mới, đã dần thay thế công nghệ truyền thống trong việc thành lập v

Trần xuân thủy

Nghiên cứu ứng dụng công nghệ gps động (ppk) phục vụ công tác đo vẽ mỏ lộ thiên

khai thác xuống sâu cọc sáu

Chuyên ngành: kỹ thuật Trắc địa

Tôi xin cam đoan toàn bộ nội dung nghiên cứu của Đề tài là công trình nghiên cứu riêng của bản thân Đề tài ch−a đ−ợc công bố lần nào và không trùng lặp với các

đề tài khác Các số liệu đo đạc, khảo sát, kết quả tính toán xử lý hoàn toàn trung thực và khách quan

Tác giả đề tài

Trần Xuân Thủy

Lêi cam ®oan 2

2.2.3 Nguyên lý định vị tương đối 37 2.2.4 Nguyên lý định vị vi phân DGPS (Differential - GPS) 42

2.3 Các nguồn sai số trong đo GPS và các biện pháp cải thiện 45

2.3.4 Tầm nhìn vệ tinh và sự trượt chu kỳ (Cycle slips) 49

2.3.6 Sự suy giảm độ chính xác ( DOPS ) do đồ hình các vệ tinh 50

2.4.3 Đo GPS cải chính phân sai (DGPS - Differential GPS) 54

3.4 Khả năng ứng dụng công nghệ GPS động ở mỏ lộ thiên Cọc Sáu 59

Chương 4 thực nghiệm đo vẽ chi tiết bề mặt địa hình

4.5 Quy trình thao tác đo GPS động xử lý sau trên thực địa 90

Danh mục công trình của tác giả

Danh mục các bảng biểu Trang

Bảng 1.1 Bảng quy định theo các chỉ tiêu kỹ thuật lưới giải tích 11 Bảng 1.2 Bảng quy định các chỉ tiêu kỹ thuật lưới đa giác 12 Bảng 1.3 Bảng quy định mật độ điểm của lưới khống chế đo vẽ 14 Bảng 1.4 Một số chỉ tiêu khi đo vẽ bằng phương pháp toạ độ cực và toàn đạc 22 Bảng 2.1 Bảng thống kê nguồn lỗi khi đo GPS và biện pháp khắc phục 51

Bảng 3.1 Bảng sai số giới hạn vị trí mặt bằng đối với điểm kiểm tra 74 Bảng 3.2 Bảng sai số giới hạn độ cao đối với điểm kiểm tra 75 Bảng 3.3 Bảng sai số giới hạn vị trí mặt bằng đối với điểm đo lặp 76 Bảng 3.4 Bảng sai số giới hạn vị trí độ cao đối với điểm đo lặp 77 Bảng 4.1 Kết quả toạ độ các điểm chi tiết song trùng 88

danh mục các hình vẽ, đồ thị Trang

Hình 1.1 Một số đồ hình lưới giải tích trên mỏ lộ thiên 10

Hình 1.3 Các dạng lưới khống chế đo vẽ tam giác nhỏ 16

Hình 1.8 Đo vẽ chi tiết ở mỏ lộ thiên bằng phương pháp toàn đạc 23

Hình 1.10 Đo chi tiết bằng phương pháp toạ độ thẳng góc 26

Hình 2.2 Sơ đồ hoạt động của hệ thống định vị toàn cầu GPS 29

Hình 2.5 Sơ đồ vị trí các trạm theo dõi và trạm điều khiển GPS 32

Hình 3.1 Đồ thị giao hội giữa các vệ tinh và điểm chi tiết P trong mỏ lộ thiên 62

Hình 3.3 Hệ toạ độ địa diện chân trời biểu diễn trên hình tròn đơn vị 65

Hình 3.8 Cửa sổ ListTime 68

Hình 4.3 Thời gian đo thu tín hiệu thích hợp trong ngày 17/04/2008 81

Hình 4.6 Vectơ cạnh các điểm đo buổi sáng tại trạm C1 85 Hình 4.7 Vectơ cạnh các điểm đo buổi sáng và chiều tại trạm IV.16 86 Hình 4.8 Vectơ cạnh các điểm đo tại trạm IV.16 và trạm C1 kết hợp 86

Hình 4.10 Mảnh bản đồ đo bằng phương pháp định vị GPS động 87 Hình 4.11 Mảnh bản đồ 3D đo bằng phương pháp định vị GPS động 88

mở đầu

1 Tính cấp thiết của đề tài

Trắc địa mỏ là một bộ phận của khoa học công nghệ mỏ Cùng với sự phát triển của nền sản xuất xã hội, khoa học Trắc địa không ngừng phát triển cả về chất và lượng Các thiết bị đo đạc ngày càng được hoàn thiện nhờ sự áp dụng các thành tựu khoa học kỹ thuật Các thiết bị quang cơ dần được thay thế bằng các thiết bị

đo đạc điện tử

Công nghệ định vị vệ tinh GPS bắt đầu được ứng dụng vào nước ta từ năm 1991 cho

đến nay, công nghệ GPS đã mở ra thời kỳ mới, đã dần thay thế công nghệ truyền thống trong việc thành lập và xây dựng các mạng lưới toạ độ các cấp và đo vẽ chi tiết bề mặt địa hình

Thực tế cho thấy ứng dụng công nghệ GPS trong lĩnh vực trắc địa chủ yếu vẫn là bằng kỹ thuật đo tương đối - tĩnh (Static) và đo tương đối - tĩnh nhanh (fast static) , còn kỹ thuật đo tương đối - động (Kinematic Relative Positioning) là một kỹ thuật còn chưa được khai thác rộng rãi ở nước ta và đặc biệt hầu như chưa được mạnh dạn ứng dụng rộng rãi vào việc đo vẽ thành lập bản đồ địa hình ở các mỏ lộ thiên

ở mỏ lộ thiên khai thác xuống sâu Cọc Sáu những năm gần đây, với sự phát triển không ngừng của các thiết bị trắc địa thì các nội dung công tác trắc địa mỏ lộ thiên Cọc Sáu đã dần được cải thiện Các thiết bị điện tử đã thay thế các thiết bị quang cơ, năng suất lao động của công tác trắc địa ở mỏ đã được nâng cao Tuy vậy, điều kiện

bề mặt địa hình mỏ lộ thiên Cọc Sáu khi đã khai thác xuống sâu phức tạp, do khai thác xuống sâu, các phương pháp hoặc dây chuyền công nghệ công tác chuyền thống vẫn còn gặp khó khăn, đòi hỏi nhiều thời gian và công sức Mặt khác trong các nội dung công tác trắc địa mỏ lộ thiên khai thác xuống sâu Cọc Sáu, đo vẽ chi tiết thành lập bản đồ là công đoạn chiếm nhiều khối lượng và thời gian nhất Việc tiếp tục nghiên cứu, ứng dụng công nghệ mới vào công tác trắc địa mỏ lộ thiên là rất

cần thiết, góp phần nâng cao độ chính xác, giảm thời gian, công sức và an toàn cho người lao động trên công trường

Những vấn đề thực tế nêu trên đã đặt ra cho các nhà trắc địa phải quan tâm nghiên cứu, thử nghiệm và đó cũng chính là tính cấp thiết của luận văn mà học viên lựa chọn

2 Mục đích nghiên cứu

Xuất phát từ yêu cầu thực tế của đo đạc, khảo sát địa hình trên mỏ lộ thiên hiện nay bằng công nghệ truyền thống phục vụ cho quá trình khai thác mỏ, việc ứng dụng các công nghệ mới vào đo đạc, khảo sát bề mặt địa hình làm tăng hiệu quả công việc, rút ngắn thời gian đo đạc, nâng cao hiệu quả kinh tế, kỹ thuật là rất cần thiết

Mục tiêu của đề tài là nghiên cứu khả năng ứng dụng công nghệ GPS động (PPK) đo vẽ bề mặt địa hình trên mỏ lộ thiên khai thác xuống sâu Cọc Sáu Từ đó nghiên cứu, xác định vị trí các toạ độ mặt bằng và độ cao các điểm chi tiết trên bề mặt mỏ đảm bảo các quy định, quy phạm hiện hành của ngành, đồng thời tiết kiệm

được thời gian đo vẽ, bỏ qua được các bước đo vẽ lập lưới đường chuyền đo vẽ trong mỏ, nâng cao năng suất lao động

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Nghiên cứu cơ sở lý thuyết của công nghệ GPS động (PPK) có liên quan đến đề tài, khả năng ứng dụng một số phần mềm và lựa chọn ra phần mềm thích hợp cho đề tài Thực nghiệm ứng dụng công nghệ GPS động (PPK) đo vẽ bề mặt địa hình trên mỏ lộ thiên khai thác xuống sâu Cọc Sáu để giải quyết bài toán đo vẽ mô hình địa hình số phục vụ quá trình khai mỏ lộ thiên xuống sâu

Từ kết quả nghiên cứu và thực nghiệm đề xuất quy trình ứng dụng công nghệ GPS

động (PPK) đo vẽ bề mặt địa hình trên mỏ lộ thiên khai thác xuống sâu Cọc Sáu phục vụ quá trình khai mỏ

4 Nội dung nghiên cứu

- Tổng quan về công tác đo vẽ chi tiết trên mỏ lộ thiên;

- Tổng quan về GPS;

- Giới thiệu GPS động và khả năng ứng dụng ;

- Thực nghiệm đo vẽ chi tiết bề mặt địa hình mỏ lộ thiên Cọc Sáu bằng công nghệ GPS động (PPK);

5 Phương pháp nghiên cứu

Luận văn sử dụng các phương pháp nghiên cứu sau:

- Phương pháp thống kê: Thu thập, tổng hợp và xử lý các thông tin, các tài liệu liên quan;

- Phương pháp phân tích: Tổng hợp, xử lý logic các tài liệu, giải quyết các vấn

đề đặt ra;

- Phương pháp so sánh: Đối chiếu với các kết quả nghiên cứu, thực tiễn trong sản xuất để đưa ra các nhận định, quy trình công nghệ phù hợp với yêu cầu thực tiễn

6 ý nghĩa khoa học và thực tiễn

Hệ thống định vị toàn cầu có tên đầy đủ là Navigation Satellite And Ranging Global Positioning System (NAVSTAR GPS) được bắt đầu triển khai từ những năm 1970

do quân đội Mỹ chủ trì Qua nghiên cứu thấy rằng việc sử dụng GPS không chỉ dùng cho mục đích quân sự mà còn được dùng cho mục đích dân sự GPS cho chúng ta nhiều ứng dụng ưu việt, đặc biệt đem lại hiệu quả nổi trội trong việc giải quyết các bài toán xây dựng lưới nhà nước các cấp, tăng dày lưới thuỷ chuẩn hạng III và IV, thành lập lưới khảo sát công trình, lưới khống chế mặt bằng phục vụ thi công và quan trắc chuyển dịch ngang công trình, đo đạc bề mặt địa hình

Từ thực tiễn của việc nghiên cứu, tổng hợp, đánh giá lựa chọn phương pháp đo vẽ chi tiết ở mỏ lộ thiên theo truyền thống như hiện nay tốn rất nhiều thời gian và công sức, cho hiệu quả thấp, do vậy việc nghiên cứu ứng dụng công nghệ GPS động (PPK) cho việc đo vẽ chi tiết ở mỏ lộ thiên khai thác xuống sâu có ý nghĩa thực tiễn sâu sắc Đây là vấn lần đầu tiên được nghiên cứu mà từ trước tới nay chưa có ai đề cập Đặc biệt trong giai đoạn công nghiệp hoá, hiện đại hoá đất nước hiện nay thì việc tiếp cận và ứng dụng công nghệ mới vào thực tế sản xuất là cần thiết

Nghiên cứu và ứng dụng công nghệ GPS động (PPK) cho việc đo vẽ chi tiết ở mỏ lộ thiên khai thác xuống sâu là vấn lần cần quan tâm đối với ngành khai thác mỏ lộ thiên và mở ra một hướng nghiên cứu mới trong điều tra khảo sát các yếu tố địa hình

đáp ứng yêu cầu khảo sát trắc địa phục vụ trong ngành khai thác mỏ hiện tại và tương lai

7 Cấu trúc của luận văn

Luận văn dài 98 trang đánh máy, 13 bảng biểu, 42 hình vẽ và đồ thị, 14 tài liệu tham khảo Cấu trúc của luận văn bao gồm:

Danh mục các bảng biểu;

Danh mục các hình vẽ, đồ thị;

Mở đầu;

Chương 1: Tổng quan về công tác đo vẽ chi tiết trên mỏ lộ thiên;

Chương 2 Tổng quan về GPS;

Chương 3: Giới thiệu GPS động và khả năng ứng dụng ;

Chương 4: Thực nghiệm đo vẽ chi tiết bề mặt địa hình mỏ lộ thiên Cọc Sáu

Luận văn này được hoàn thiện tại Trường Đại Học Công Nghiệp Quảng Ninh, dưới

sự hướng dẫn của PGS.TS Võ Chí Mỹ, Khoa Trắc địa, Bộ môn Trắc địa mỏ, Trường

Đại học Mỏ Địa chất, Hà Nội

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đối với thầy hướng dẫn, người đã chỉ bảo và giúp

đỡ tôi hoàn thành luận văn này Trong quá trình nghiên cứu và viết luận văn, tôi đã nhận được nhiều sự giúp đỡ, đóng góp quý báu từ tập thể giáo viên Bộ môn Trắc địa

mỏ Trường Đại học Mỏ Địa chất Hà Nội, khoa Trắc địa - Địa chất trường Đại học Công nghiệp Quảng Ninh và phòng Trắc địa Công ty than Cọc Sáu

Do thời gian hạn chế, kinh nghiệm và kiến thức có hạn nên bản luận văn này không tránh khỏi thiếu sót Tôi rất mong nhận được những ý kiến đóng góp quý báu để cho những kết quả nghiên cứu của luận văn này được hoàn thiện, ứng dụng có hiệu quả hơn

Xin chân thành cảm ơn!

Chương 1 Tổng quan về công tác đo vẽ chi tiết

Lưới giải tích được thành lập và phát triển từ các điểm của lưới tam giác nhà nước

ở Việt Nam, các khu mỏ tập trung ở các vùng có địa hình phức tạp, đồi núi dốc thẳm, rừng rậm, sông suối chia cắt, điều kiện khí hậu thay đổi,…nên việc xây dựng

đồ hình giải tích thường áp dụng các dạng tam giác như sau (hình vẽ 1.1)

Hình 1.1 Một số đồ hình lưới giải tích trên mỏ lộ thiên

a - Tam giác đơn; b- Tứ giác trắc địa; c- Đa giác trung tâm

d- Chuỗi tam giác giữa một cạnh cứng; e- Chuỗi tam giác giữa hai cạnh cứng

Theo [1] lưới giải tích được thành lập dưới dạng các lưới đan dầy, các chuỗi tam giác và điểm đơn độc hoặc hệ thống điểm và được chia làm 3 cấp: 1, 2, 3

Theo quy định quy phạm kỹ thuật trắc địa mỏ ở các mỏ than [1] của Bộ công nghiệp Việt Nam quy định theo các chỉ tiêu kỹ thuật như sau :

Bảng 1.1 Bảng quy định theo các chỉ tiêu kỹ thuật lưới giải tích

Lưới giải tích mỏ Tên chỉ tiêu

Chiều dài các cạnh tam giác

- Lớn nhất

- Nhỏ nhất

Góc giữa các hướng cùng cấp không nhỏ hơn

Số lượng tam giác giữa các cạnh khởi tính

Sai số khép góc lớn nhất trong tam giác

Sai số trung phương đo góc tính theo sai số khép

tam giác

Sai số trung phương cạnh khởi tính

Sai số tương đối cạnh yếu nhất

5km 1km

20o

10 20"

4"

1:50.000 1:30.000

4km 0,8km

20o

10 30"

6"

1:30.000 1:15.000

3km 0,5km

20o

10 40" 9"

1:15000 1: 8000

1.1.1.2 Lưới đường chuyền đa giác

Cho đến nay, đường chuyền đa giác thường ít được áp dụng ở vùng mỏ nước ta Nguyên nhân chính là do công tác đo chiều dài cạnh gặp khó khăn

Gần đây cùng với sự ra đời của các máy đo xa điện tử, đường chuyền đa giác được

áp dụng khá nhiều ở các mỏ

Đặc biệt là ở các vùng có địa hình khó khăn, khả năng thông nhiều hướng trong một trạm máy không thuận lợi mà phương pháp giải tích khó thực hiện Khi thiết kế lưới

đường chuyền đa giác cần phải thoả mãn các điều kiện sau:

- Các góc của đường chuyền phải lớn hơn 1350

- Chiều dài cạnh lớn hơn 250m

- Đo góc phải được tiết hành với các máy móc có độ chính xác cao

- Sai số góc phải thoả mãn :

+ Đối với đường chuyền cấp I : fβ ≤±10" n

+ Đối với đường chuyền cấp II : fβ ≤±20" n

Trong đó : n - Số góc ngoặt của đường chuyền đa giác

- Chiều dài của đường chuyền cấp I được đo bằng dây inva, thước thép hoặc máy đo dài điện tử

- Chiều dài tối đa giữa hai điểm khởi tính không vượt quá 10 km

- Máy đo góc có độ chính xác đến 1”

Bảng quy định các chỉ tiêu kỹ thuật lưới đa giác

Bảng 1.2 Bảng quy định các chỉ tiêu kỹ thuật lưới đa giác

Lưới đa giác

Chiều dài lớn nhất đường chuyền phù hợp

Sai số trung phương đo góc

Sai số trung phương đo cạnh

Sai số khép tương đối cho phép

Sai số vị trí điểm yếu nhất

15

800 1.500

200

4"

12 mm 1:15.000

12 mm 1:8.000

12 mm 1:5.000

±0.07m

1.1.2 Lưới khống chế cơ sở độ cao

Lưới khống chế độ cao ở mỏ lộ thiên là tập hợp các điểm thuộc mạng lưới thuỷ chuẩn Nhà nước cấp I, II, III và IV Các điểm này làm cơ sở cho việc chuyền độ cao cho các điểm đo vẽ trên tầng khai thác Thông thường ở mỏ chỉ có các điểm độ cao

cấp I và II, nên các mỏ phải xây dựng thêm các điểm có độ chính xác cấp III và cấp

IV để phục vụ trực tiếp cho mỏ ở Việt Nam diện tích khu mỏ < 50km2 do vậy chỉ xây dựng lưới thủy chuẩn cấp IV làm lưới khống chế cao nhất cho mỗi mỏ, khoảng cách các điểm trong lưới khoảng 2 ữ 3 km

Một số chỉ tiêu kỹ thuật khi xây dựng các mạng thuỷ chuẩn như sau:

- Chiều dài tuyến thuỷ chuẩn cấp III không được vượt quá 60 km, sai số khép

độ cao trong toàn tuyến không vượt quá giới hạn sau :

fH GH = ± 10 L (mm)

- Chiều dài tuyến thuỷ chuẩn cấp IV không được vượt quá 25 km, sai số khép

độ cao trong toàn tuyến không vượt quá giới hạn :

fH GH = ±20 L (mm), hay ± 5 n (mm) Trong đó L chiều dài tính bằng km và n là số trạm máy trong toàn tuyến Việc chuyền độ cao thủy chuẩn cấp IV được tiến hành bằng máy thủy chuẩn có độ phóng đại ống kính từ 25X trở lên hoặc máy thủy bình tự động, mia thủy chuẩn là mia hai mặt dài 3 m Độ chênh cao tính theo mặt đen và đỏ không được chênh quá ±

3 mm, khoảng cách từ máy đến mia không quá 80 m, chiều cao tia ngắm phải cao hơn mặt đất 0,3 m, chênh lệch khoảng cách giữa máy đến mia trước và mia sau không quá 3m, chênh lệch khoảng cách toàn tuyến không quá ± 5m Việc xử lý kết quả đo đối với lưới thuỷ chuẩn cấp IV tiến hành bằng phương pháp gần đúng

1.1.3 Lưới độ cao kỹ thuật

Lưới được phát triển từ các mốc độ cao hạng III, IV nhà nước dưới dạng các đường chuyền đơn phù hợp hoặc dưới dạng các lưới có các điểm nút, có thể sử dụng máy toàn đạc điện tử để xác định độ cao các mốc nhưng phải đảm bảo các yêu cầu về độ chính xác

Sai số khép của các đường đo không được vượt quá 50mm L

Trong đó L- chiều dài đường đo tính theo km

Khi có nhiều hơn 25 trạm máy trên 1km chiều dài, sai số khép không được vượt quá 10mm n, trong đó: n- số trạm đo

Hệ thống các đường thủy chuẩn bình sai riêng từng cấp hạng theo phương pháp số bình phương nhỏ nhất, trọng số của các đường thủy chuẩn lấy bằng trị số nghịch đảo chiều dài các đường đo hay lấy bằng trị số nghịch đảo số lượng các trạm máy trong các đường đo Độ cao các mốc thủy chuẩn tính đến mm

1.2 Lưới khống chế đo vẽ trên mỏ lộ thiên

Lưới khống chế đo vẽ ở mỏ lộ thiên được là tập hợp các điểm phát triển từ lưới khống chế cơ sở mặt bằng và được bố trí trên các tầng, trong lòng mỏ với chức năng chủ yếu là đo vẽ các loại bản đồ, bình đồ, mặt cắt tính khối lượng Lưới khống chế

đo vẽ còn có nhiệm vụ phục vụ các công việc hàng ngày của khai thác mỏ như đào hào, cắm giới hạn khai thác, khoan nổ mìn …

Điểm của lưới khống chế đo vẽ được bố trí trên mặt tầng của mỏ nên thường bị phá huỷ do các hoạt động khai thác của mỏ Chính vì vậy hàng tháng, hàng quý phải tiến hành đo đạc bổ sung, khôi phục kịp thời để đủ các điểm đo vẽ cho khu mỏ

Mật độ của điểm khống chế đo vẽ phụ thuộc vào điều kiện địa hình, mức độ phức tạp đối tượng đo vẽ và tỷ lệ bản đồ cần thành lập của mỏ Quy phạm trắc địa mỏ quy

định như sau:

Bảng 1 Bảng quy định mật độ điểm của lưới khống chế đo vẽ

Tỷ lệ bản đồ Mật độ điểm /km2

1: 5.000 1: 2.000 1: 1.000

điểm giao hội, chuỗi tam giác, lưới ô vuông, phương pháp tọa độ cực vv… Các mốc khởi tính là các mốc lưới giải tích hoặc đường chuyền đa giác các cấp 1, 2, 3

1.2.1 Đường chuyền kinh vĩ

Tuỳ theo khả năng nối với các điểm khống chế cơ sở mà đường chuyền kinh vĩ ở mỏ

lộ thiên thường được chia thành các dạng sau:

Đường chuyền kinh vĩ khép kín; đường chuyền kinh vĩ phù hợp; đường chuyền kinh vĩ treo

Chiều dài đường chuyền phụ thuộc vào tỷ lệ bản đồ cần thành lập Thông thường đối với tỷ lệ 1:5000 chiều dài đường chuyền không lớn hơn 4 km, không lớn hơn 2 km

đối với tỷ lệ 1:2.000 và 1km đối với tỷ lệ 1:1.000, chiều dài cạnh đường chuyền kinh

vĩ được đo hai lần bằng phương pháp trực tiếp Sai lệch giữa hai lần đo chiều dài một cạnh đường chuyền không được vượt quá1:2000 chiều dài cạnh đó

Góc bằng trong đường chuyền được đo bằng máy kinh vĩ có độ chính xác đọc số không nhỏ hơn 30” Sai số khép giới hạn fβmax của đường chuyền là:

fβmax = ±30” nTrong đó: n- Số góc của đường chuyền

Một số đồ hình của đường chuyền kinh vĩ như sau :

a) Đường chuyền kinh vĩ khép kín b) Đường chuyền kinh vĩ phù hợp Hình 1.2 Đường chuyền kinh vĩ ở mỏ lộ thiên

21

1.2.2 Lưới tam giác nhỏ

Lưới tam giác nhỏ được thành lập dưới dạng một hệ thống hoặc một chuỗi tam giác liên kết với các cạnh của lưới khống chế cơ sở Đồ hình của lưới tam giác nhỏ phụ thuộc vào hình dạng, kích thước và số lượng tầng khai thác, vị trí điểm khống chế cơ

- Các tam giác cố gắng bố trí dạng gần đều

- Góc trong tam giác bố trí nằm trong khoảng 300 ≤ β ≤ 1200

- Các cạnh tam giác không nhỏ hơn 100m và không lớn hơn 1000m

Trong trường hợp xây dựng lưới tam giác ở dạng chuỗi, nếu số tam giác trong một chuỗi lớn hơn 7 thì phải đo thêm chiều dài một cạnh ở giữa chuỗi với độ chính xác không lớn hơn 1:5000, các góc trong tam giác được đo bằng máy kinh vĩ có độ chính xác đọc số t = 30”, phương pháp và số vòng đo phụ thuộc vào độ chính xác của máy kinh vĩ, sai số trong tam giác ω ≤ 60”, sai số tương đối cạnh yếu nhất

Giao hội là phương pháp xây dựng điểm đo vẽ được sử dụng phổ biến nhất tại các

mỏ lộ thiên Các điểm đo vẽ ở mỏ lộ thiên đang được xây dựng theo các phương

Hình 1.3 Các dạng lưới khống chế đo vẽ tam giác nhỏ

pháp truyền thống như giao hội thuận, giao hội nghịch, giao hội tam giác đơn,… cụ thể như sau:

Giao hội thuận:

Theo phương pháp này, để xác định được điểm P người ta tiến hành đặt máy kinh vĩ tại hai điểm khống chế A và B đo góc bằng α và β (Hình 1.4) Điều kiện để thực hiện phương pháp này là phải có ít nhất 3 điểm khống chế cơ sở từ lưới giải tích 2 trở lên

và các điểm này phải thông hướng với nhau Từ toạ độ các điểm khống chế cơ sở A

và B và các góc bằng α và β sẽ xác định được toạ độ mặt bằng của điểm P Dựa vào

điều kiện hình học trong đồ hình người ta tính được toạ điểm P như sau:

=

βααβαα

ctg ctg

Y Y ctg X X X X

ctg ctg

X X ctg Y Y Y Y

A B A

B A P

A B A

B A P

=

βαββαβ

ctg ctg

Y Y ctg X X X X

ctg ctg

X X ctg Y Y Y Y

B A B

A B P

B A B

A B P

γ

Để kiểm tra giá trị tọa độ điểm có thể tính từ hướng thứ 3 đến điểm giao hội Đánh giá

độ chính xác của phương pháp giao hội thuận được tính theo công thức:

ρ

2 2

sin

.

+ +

+ +

=

+

+ +

=

ϕ σ α

α ψ

ϕ σ α

α ϕ

AB

AB A P

AB

AB A

P

S X X

S Y Y

cos sin

sin

sin sin

sin

=

1 1 1

β σ

β σ σ

β σ

PB B P B P

PB PB

PB B A B A B P

tg X X Y Y

tg tg

tg X X Y Y X X

Trong đó: ( ) ( ) ( )

A C B

C B

A PB

X X ctg

Y Y ctg

Y Y

X X ctg

Y Y ctg

Y Y tg

ư

ư

ư +

ư

ư

ư

ư +

ư

=

2 1

2 1

β β

β β

Phương pháp này tính toán phức tạp, độ chính xác giảm dần khi các điểm càng gần vòng tròn nguy hiểm Nhưng công tác ngoại nghiệp lại thuận tiện, có thể kết hợp khi

đo chi tiết tại các điểm sau khi đo giao hội nghịch

Trong giao hội nghịch nên bố trí điểm P xa vòng tròn nguy hiểm khoảng 1/5 bán kính vòng tròn của nó Nếu P nằm trên vòng tròn nguy hiểm thì sẽ không xác định

được điểm P Theo quy phạm thì điểm giao hội nghịch phải đo về 4 điểm khống chế cơ sở trở lên Điều này làm giảm khả năng ứng dụng, đặc biệt đối với mỏ khai thác xuống sâu

Giao hội tam giác đơn

Đặt máy tại 3 điểm trong tam giác và đo cả ba góc để có điều kiện kiểm tra các góc trong tam giác, sai số khép tam giác:

0

180)

β

f (1.7) Nếu sai số khép trên nhỏ hơn giới hạn cho phép fβ ≤ 30'' thì phân phối cho các góc trong tam giác, rồi tính tọa độ điểm P từ điểm A, B theo nhóm công thức (1.8)

+

=

++

+

=

)(

.)(

)(

.)(

ααβ

αβ

ααβ

αβ

AB AB

A P

AB AB

A P

Sin Sin

Sin S Y Y

Cos Sin

Sin S X X

Giao hội nghịch đo góc cạnh

Trong phương pháp này, giả thiết rằng 3 điểm A, B, C là các điểm khống chế cơ sở cấp cao đã biết toạ độ P là điểm giao hội cần xác định Ta đặt máy tại điểm P ngắm tới các điểm A, B, C, đo các góc bằng β1, β2 và các cạnh S1, S2, S2 bằng máy toàn

đạc điện tử (Hình 1.7) Dựa vào điều kiện hình học trong đồ hình ta tính được tọa độ

điểm giao hội P như sau: Giải hệ thức lượng trong tam giác thường ta tìm được các góc γi và θi theo công thức (1.9)

S

.sinβSarcsin

S

.sinβSarcsin

θ (1.9) cũng có thể tính giá trị các góc trên theo công thức của hàm cosin

Sau khi có các góc, ta kiểm tra được điều kiện hình tam giác và phân phối sai số khép theo công thức (2-10):

γi + θi + βi - 1800 = wi

3

w γ

' 1 AB '

1

sinβ

.sinγ S

1

' 1 AB '

2

sinβ

.sinθ S

Trở lại bài toán giao hội thuận ta xác định được toạ độ điểm P:

XP = XA + S1’ cosαAP = XB + S2’ cosαBP

YP = YA + S1’ sinαAP = YB + S2’ sinαBP (1.12) Trong đó: αAP = αAB + θ1’ ; αBP = αBA - γ1’ (1.13) Với đồ hình giao hội như hình 1.7, tọa độ điểm P được tính 2 lần theo các cặp điểm khống chế A, B và B, C Như vậy, cho phép ta có thể kiểm tra được độ ổn định của các điểm cơ sở

1.3 Phương pháp đo vẽ hiện nay trên mỏ lộ thiên

Hiện nay trên mỏ lộ thiên, người ta thường dùng các phương pháp đo vẽ chi tiết sau : + Phương pháp toàn đạc

+ Đối tượng đo vẽ là:

1 Các công trình khai thác tài nguyên và bốc đất đá Các hào mở vỉa, các tầng đất đá, tầng than, các đường vận chuyển cơ giới, các bãi thải trong, ranh giới nổ mìn, các tuyến thoát nước mỏ v.v…

2 Các công trình thăm dò tài nguyên và những yếu tố cấu tạo địa chất nhìn thấy được tại thực địa: vị trí các lỗ khoan, các hào, giếng thăm dò, những vết lộ vách, trụ vỉa than, các đứt gãy kiến tạo, ranh giới các khu vực than có độ tro khác nhau, các

điểm lấy mẫu và đo chiều dày vỉa, những diểm lộ các nguồn nước ngầm vv…

3 Ranh giới các khu vực nguy hiểm: các khu vực cháy than, các khu vực dịch động trụt nở

4.Các bãi thải ngoài đất đá mỏ, các kho chứa than thành phẩm và bán thành phẩm

5 Các đường giao thông cơ giới trên mỏ, trên các bãi thải, vị trí các băng tải

6 Các công trình phục vụ mỏ: các đường dây tải điện, đường dây thông tin, các trạm điện, các trạm bơm, các tuyến cáp treo v.v…

1.3.1 Phương pháp toàn đạc

Phương pháp này được dùng khá phổ biến ở mỏ lộ thiên Nó có thể sử dụng đo vẽ từng phần, từng tầng hoặc toàn bộ khu mỏ, đặc biệt được áp dụng ở các mỏ có kích thước và chiều sâu khai thác lớn, hình dạng phức tạp và tốc độ khai thác nhanh Thực chất của đo vẽ bằng phương pháp toàn đạc là xác định điểm chi tiết bằng phương pháp toạ độ độc cực

Khi đo toàn đạc, máy đặt tại điểm khống chế của lưới đo vẽ có trên mặt tầng, điểm chi tiết cần đo là các điểm đặc trưng thay đổi ranh giới của mép trên và mép dưới của tầng Khi vẽ các điểm chi tiết ta thường khái quát hoá chúng thành những đường cong trơn trên bản đồ sẽ dẫn đến những sai số khái quát khá lớn

Cho nên ta cần tăng dày mật độ các điểm mia khi đo chi tiết

Một số chỉ tiêu khi đo vẽ bằng phương pháp toạ độ cực và toàn đạc như sau:

Bảng 1 Một số chỉ tiêu khi đo vẽ bằng phương pháp toạ độ cực và toàn đạc

Tỷ lệ

Bản đồ

Khoảng cách từ máy đến mia

Khoảng cách giữa các điểm mia

- Sau khi chỉnh lý kết quả đo tiến hành chuyển điểm chi tiết lên bản đồ

- Sai số giới hạn khi chuyển các điểm chi tiết được quy định

+ Đối với điểm đặt máy : mp ≤ ± 0,3 mm

+ Đối với điểm chi tiết : ml ≤ ± 0,25 mm cho chiều dài và mβ ≤ ± 15' cho góc

Ưu điểm của phương pháp là nhanh gọn đơn giản, khi đo đạc ở thực địa ít phụ thuộc vào điều kiện thời tiết Khi đo đạc xong ta có kết quả ngay tại thực địa,

dễ dàng trong việc kiểm tra độ chính xác của bản đồ

Nhược điểm của phương pháp là khi đo ở thực địa phải kèm theo nhiều máy móc thiết bị và nhiều người thực hiện

Hiện nay, nhờ sự ra đời của các máy toàn đạc điện tử mà công tác đo chi tiết trở lên

đơn giản hơn, sức lao động giảm xuống và năng suất lao động tăng lên Điều này có

được là nhờ các tính năng vượt trội của máy toàn đạc điện tử như; tính toán và cho ra kết quả ngay, ghi và lưu trữ số liệu vào sổ đo địên tử, có thể trút số liệu vào máy tính

để thành lập bản đồ số, cụ thể như sau:

Nguyên lý cấu tạo máy toàn đạc điện tử

Trên thế giới hiện nay có rất nhiều máy toàn đạc điện tử của nhiều hãng khác nhau Như: SOKIA, Pentax, topcon của Nhật Bản, Geotronics của Thuỵ Điển, Leica của Thuỵ Sĩ Tuy nhiên tất cả các máy toàn đạc điện tử đều có nguyên lý hoạt động giống nhau

Tính năng chung của các máy toàn đạc điện tử đó là có thể tự động đồng thời xác

định chiều dài, góc và độ cao Máy toàn đạc điện tử là sự kết hợp cố định giữa bộ đo dài điện tử (Add - On) và máy kinh vĩ điện tử tạo thành một khối thống nhất cho phép đo đồng thời cả góc và cạnh với độ chính xác cao

Khoảng cách được đo bằng máy đo dài điện tử EDM (Electronic Distance Measurement) còn các góc được đo bằng máy kinh vĩ điện tử DT (Digital Theodolite)

Hình 1.9 Cấu tạo máy toàn đạc điện tử + Khối 1: EDM (Electronic Distance Measurement)

Máy đo dài điện tử làm nhiệm vụ đo khoảng cách từ máy tới gương phản xạ, các máy toàn đạc điện tử hiện nay được trang bị EDM có tầm hoạt động từ 2ữ4km Độ chính xác đo khoảng cách tuỳ thuộc vào từng loại máy nhưng thông dụng hiện nay thường cho phép đo cạnh với độ chính xác là (±3mm + 3 ì10-6 ìD)

+ Khối 2: DT (Digital Theodolite)

Máy kinh vĩ điện tử có cấu tạo tương tự như máy kinh vĩ quang học chỉ khác là đo góc không phải thực hiện các thao tác như chập vạch hoặc đọc số trên thang số mà

số đọc sẽ tự động hiện lên trên màn hình tinh thể lỏng của máy

+ Khối 3: Software

Trong khối này người ta cài đặt các chương trình tiện ích để xử lý các bài toán trắc

địa đơn giản như cải chỉnh khoảng cách nghiêng về khoảng cách ngang, tính hiệu chỉnh khoảng cách do các yếu tố khí tượng, hiệu chỉnh hệ số chiết quang và độ cong trái đất, tính chênh cao giữa 2 điểm đo thuỷ chuẩn lượng giác, tính toạ độ các điểm theo chiều dài cạnh và góc phương vị, tính diện tích, chương trình giao hội điểm,…

Để tăng dung lượng của bộ nhớ, các máy toàn đạc điện tử còn được trang bị thêm sổ

đo điện tử (fieldbook)

Kết hợp 3 khối lại với nhau ta được một máy đa chức năng Có thể đo các đại lượng cần thiết như đo góc, cạnh, độ cao và giải được hầu hết các bài toán trắc địa cơ bản như:

+ Hiệu chỉnh khoảng cách nghiêng về khoảng cách ngang

+ Hiệu chỉnh t0, p, chiết quang và độ cong trái đất

Máy đo dài điện

+ Xác định toạ độ điểm giao hội bằng các phương pháp giao hội thuận, nghịch

và các điểm đường chuyền

+ Xác định chênh cao giữa 2 điểm bằng công thức lượng giác

Ngoài ra còn có thể truyền số liệu trực tiếp vào máy tính tiếp tục quá trình xử lí

vẽ bản đồ, hoặc nhận một file số liệu nào đó từ máy tính vào bộ nhớ của máy và cài

đặt cho máy những phần mềm thông dụng như MS - DOS Số liệu đo được lưu vào

sổ đo điện tử và có thể trút vào máy tính bằng cáp chuyên dụng

Quy trình đo vẽ chi tiết bằng toàn đạc điện tử tại một trạm máy trên mỏ lộ thiên được tóm tắt như sau :

- Chọn vị trí điểm khống chế đo vẽ trong khu đo;

- Định tâm, cân máy;

- Đo giao hội nghịch góc cạnh tới 3 điểm cấp cao có trong khu vực, xác định tọa

độ điểm đo vẽ;

- Nhập tọa độ điểm đo vẽ, tọa độ điểm định hướng;

- Đặt chế độ đo chi tiết cho máy;

- Đo chi tiết cho từng điểm đặt gương, ghi số liệu đo vào máy, có thể đặt code cho các điểm chân tầng, mép tầng… ;

- Trút sữ liệu đo từ máy đo vào máy tính;

- Xử lý kết quả đo bằng các phần mềm chuyên dụng và vẽ bản đồ số

1.3.2 Phương pháp toạ độ thẳng góc:

Phương pháp tọa độ thẳng góc được sử dụng ở các công trường mỏ lộ thiên nhỏ, tầng khai thác thẳng, lưới khống chế đo vẽ được thành lập dưới dạng đường chuyền kinh vĩ

Đây là phương pháp đơn giản, nhanh, thuận tiện cho việc thành lập bản đồ Nội dung của phương pháp tọa độ thẳng góc là từ các điểm đặc trưng của đối tượng đo

vẽ hạ các đường vuông xuống cạnh của đường chuyền kinh vĩ

Góc vuông tại chân các đường vuông góc được xác định bằng mắt thường hoặc kính chuyên dùng ( khi chiều dài đoạn vuông góc lớn hơn 15mm)

Dùng thước thép đo khoảng cách từ chân các đường vuông góc tới điểm đường chuyền kinh vĩ (y) và chiều dài của đoạn vuông góc đó (x) với độ chínhxác ± 0.1m

Hình 1.10 Đo chi tiết bằng phương pháp toạ độ thẳng góc

Độ cao của các điểm chi tiết được xác định bằng đo cao hình học với độ chính xác

đọc số trên mia ±1cm Các kết quả đo đạc ghi chép trên các sơ đồ phác họa và sau

đó dựa vào nó để chuyển các điểm chi tiết lên bản đồ

Nhược điểm của phương pháp tọa độ thẳng góc là khó sử dụng khi điều kiện địa hình và đối tượng đo vẽ phức tạp Khối lượng công việc nhiều và lưới khống chế đo

vẽ phải ở dạng đường chuyền kinh vĩ

Trường hợp ở mỏ lộ thiên có kích thước nhỏ, mép và chân tầng khai thác thẳng, lưới khống chế đo vẽ được thành lập dưới dạmg đường chuyền kinh vĩ

Nội dung của phương pháp được tiến hành như sau: Giả sử cần đo các điểm chi tiết,

từ các điểm đặc trưng của đối tượng đo vẽ hạ các đường vuông góc xuống cạnh

đường chuyền kinh vĩ Góc vuông tại chân đường vuông góc xác định bằng mắt thường hoặc kính chuyên dùng (Khi chiều dài đoạn vuông góc lớn hơn 15m) Dùng thước thép đo khoảng cách từ chân các đường vuông góc tới điểm đường chuyền kinh vĩ (y) và chiều dài của đoạn vuông góc đó (x) với độ chính xác ± 1 m

0.00 15.26 24.33 35.13

20.26 18.21 19.26 18.34 18.72 18.66

19.59 18.54

Quy trình đo vẽ chi tiết hiện nay trên mỏ lộ thiên được tóm tắt như sau:

Hình 1.11 Quy trình đo vẽ chi tiết hiện nay

Với quy trình trên thì có thể rút ra một số nhận xét sau:

1 Với quy trình đo vẽ trên thì việc thành lập lưới khống chế đo vẽ là bắt buộc và

đo vẽ chi tiết, mất nhiều thời gian, công sức nhất;

2 Do mỏ lộ thiên khai thác xuống sâu nên việc thông hướng khi giao hội xác định

điểm vẫn gặp nhiều khó khăn ;

3 Để đo vẽ chi tiết địa hình bề mặt mỏ thì phải thực hiện nhiều công đoạn như : Thành lập lưới khống chế, giao hội xác định điểm rồi mới đo vẽ chi tiết như vậy hiệu quả kinh tế thấp

Chương 2 Tổng quan về hệ thống định vị toàn cầu GPS

(Global Positioning System )

2.1 Nguyên lý hoạt động của GPS

Hệ thống GLONASS: Do Liên Xô chế tạo và đưa vào sử dụng năm 1982 gồm 24 vệ tinh, quay trong 3 mặt phẳng quỹ đạo ở độ cao 18.840 km - 19.940 km với chu kỳ quay 676 phút

Hình 2.1 Vệ tinh và quỹ đạo vệ tinh GLONASS 2.1.2 Hệ thống định vị toàn cầu GPS

Từ những năm 1960, Bộ quốc phòng Mỹ và cơ quan hàng không và không gian quốc gia (NASA) đã triển khai hệ thống đạo hàng mang tên TRANSIT Hệ thống này đã sớm đạt được các ưu điểm của hệ thống đạo hàng và trở thành dịch vụ dẫn đường từ

năm 1967 Hệ thống TRANSIT hoạt động trên nguyên lý Doppler, các vệ tinh của TRANSIT phát tín hiệu ở hai tần số là 150MHz và 400MHz Với tần số này các tín hiệu truyền từ vệ tinh dễ bị tầng điện ly làm chậm và bị nhiễu Việc quan sát vệ tinh TRANSIT chỉ kéo dài 20', trong khi đó yêu cầu của định vị điểm phải quan sát vệ tinh 1-3h Theo ước tính có khoảng 80.000 đơn vị dân sự đã sử dụng hệ thống TRANSIT cho đạo hàng Hệ thống TRANSIT kết thúc sử dụng vào năm 1996

Hệ thống định vị toàn cầu GPS được viết đầy đủ là NAVSTAR GPS (Navigation Satellite Timing and Global Positioning System) Ngày 22 tháng 2 năm 1978 vệ tinh

đầu tiên của hệ thống định vị toàn cầu GPS đã đưa lên quỹ đạo Từ năm 1978-1985

có 11 vệ tinh Block I được phóng lên quỹ đạo Hiện nay hầu hết số vệ tinh thuộc Block I đã hết thời hạn sử dụng Việc phóng vệ tinh thế hệ Block II bắt đầu vào năm

1989, sau giai đoạn này hệ thống gồm 24 vệ tinh triển khai trên 6 quỹ đạo nghiêng

55o so với mặt phẳng xích đạo trái đất với chu kỳ 12h ở độ cao khoảng 20.200 km Loại vệ tinh thế hệ II (Block IIR) được đưa lên quỹ đạo năm 1995, cho đến nay có

32 vệ tinh GPS đang hoạt động

Trước năm 1980 hệ thống GPS chỉ được sử dụng cho mục đích quân sự, sau năm

1980 chính phủ Mỹ đã cho phép đưa vào sử dụng trong các lĩnh vực về dân sự 2.1.3 Cấu trúc của hệ thống định vị toàn cầu GPS

Hệ thống định vị toàn cầu GPS gồm 3 bộ phận chính là:

Hình 2.2 Sơ đồ hoạt động của hệ thống định vị toàn cầu GPS

đất, mỗi quỹ đạo có 4-5 vệ tinh

Quỹ đạo vệ tinh gần hình tròn, ở độ cao 20.200 km, chu kỳ 12h Mỗi vệ tinh có trang bị tên lửa đẩy để điều chỉnh quỹ đạo và thời gian sử dụng của mỗi vệ tinh khoảng 7,5 năm

Hình 2.3 Vệ tinh và quỹ đạo vệ tinh GPS

Tất cả các vệ tinh GPS đều có thiết bị tạo dao động tần số chuẩn cơ sở

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

với bước sóng 293m Chu kỳ của mã C/A là 1 mm giây, mỗi vệ tinh phát đi một mã C/A khác nhau và mã C/A chỉ điều biến sóng tải L1

Mã P (Precission code) là mã chính xác, được dùng cho mục đích quân sự là chủ yếu Mã P cũng là một chuỗi nhị phân nhưng phức tạp hơn, có tần số 10.23 MHz, tương ứng với bước sóng 29.3m, có chu kì 267 ngày Người ta chia mã P thành 38

đoạn, mỗi đoạn dài 7 ngày và mỗi đoạn điều biến cho một vệ tinh và sau 7 ngày lại thay đổi Bằng cách này mã P rất khó bị giải mã

Theo thiết kế độ chính xác định vị GPS có thể đạt độ chính xác cỡ 1% độ dài bước sóng, nghĩa là chỉ với mã thô C/A cũng có thể đạt độ chính xác 3 m Chính vì thế phía Mỹ đã chủ động làm nhiễu tín hiệu bằng kỹ thuật SA (Selective Availability) nhằm hạ thấp độ chính xác định vị Từ ngày 20-05-2000 Mỹ đã bỏ chế độ nhiễu SA

L1: C/A-code 1.023 MHz

P - code 10.23 MHz Thông tin đạo hàng

L2: P - code 10.23 MHz Thông tin đạo hàng

Hình 2.4 Các thông tin điều biến sóng tải L1, L2

Ngoài hai sóng tải L1 và L2 phục vụ mục đích định vị cho người sử dụng, 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

2.1.3.2 Đoạn điều khiển

Đoạn điều khiển gồm 5 trạm mặt đất phân bố đều quanh trái đất trong đó có trạm chủ (Master Station) đặt tại căn cứ không quân Falcon ở Colorado Sping, bang

Colorado, USA và 4 trạm theo dõi (Monitor Station) Trạm chủ là nơi nhận và xử lý các tín hiệu thu từ vệ tinh tại 4 trạm theo dõi

Hình 2.5 Sơ đồ vị trí các trạm theo dõi và trạm điều khiển GPS

Sau khi số liệu GPS được thu thập, xử lý, toạ độ và độ lệch đồng hồ của từng vệ tinh

được tính toán và hiệu chỉnh tại trạm chủ và sau đó truyền tới các vệ tinh hàng ngày qua các trạm theo dõi

2.1.3.3 Đoạn sử dụng

Gồm tất cả các máy móc thiết bị nhận thông tin từ vệ tinh để khai thác, sử dụng cho mục đích và yêu cầu khác nhau như dẫn đường trên biển, trên không và đất liền, phục vụ cho các công tác đo đạc ở nhiều nơi trên thế giới

Tín hiệu vệ tinh được thu qua anten của máy thu Cấu tạo anten đẳng hướng của máy thu GPS có thể bắt tín hiệu GPS ở mọi hướng, tâm pha của anten là điểm thu tín hiệu

và là điểm xác định toạ độ Tuỳ theo mục đích của các ứng dụng mà các máy thu GPS có thiết kế cấu tạo khác nhau cùng với các phần mềm xử lý và quy trình thao tác thu thập số liệu ngoài thực địa

2.2 Nguyên lý xác định toạ độ GPS

2.2.1 Các đại lượng đo

Việc định vị bằng GPS thực hiện trên cơ sở sử dụng hai dạng 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 của sóng tải (L1, L2)

2.2.1.1 Đo khoảng cách giả theo C/A-code và P-code

Code tựa ngẫu nhiên được phát đi từ vệ tinh cùng với sóng tải Máy thu GPS cũng tạo ra code tựa ngẫu nhiên đúng như vậy Bằng cách so sánh code thu từ vệ tinh và code của chính máy thu tạo ra có thể xác định được khoảng thời gian lan truyền của tín hiệu code, từ đó dễ dàng xác định được khoảng cách từ vệ tinh đến máy thu (đến tâm anten của máy thu) Do có sự không đồng bộ giữa đồng hồ của vệ tinh và máy thu, do có ảnh hưởng của môi trường lan truyền tín hiệu nên khoảng cách tính theo khoảng thời gian đo được không phải là khoảng cách thực giữa vệ tinh và máy thu,

đó là khoảng cách giả

Thực chất việc xác định vị trí tại tâm ăng ten máy thu là bài toán giao hội cạnh không gian đo từ vệ tinh tới ăng ten máy thu Việc đo khoảng cách dựa vào hiệu ứng DOPPLER với các sóng điều biến ( C/A- code và P-code ) hoặc sóng tải ( L1 và L2)

Gọi : t - Là khoảng thời gian truyền sóng từ vệ tinh tới máy thu

c - Là vận tốc truyền sóng điện từ trong chân không (c = 299792458 m/s)

Vậy khoảng cách thực tế từ vệ tinh tới máy thu sẽ là :

Code do máy thu tạo ra

Code chuyền từ vệ tinh

Code thu được

Hình 2.6 Xác định hiệu số giữa các thời điểm

R = c.t = 2 2 2

(X -X) +(Y -Y) +(Z -Z) (2.1) Trong đó :

XS ,YS , ZS - Tọa độ quỹ đạo tức thời của vệ tinh

X, Y, Z - Tọa độ của tâm ăng ten

Trong trường hợp sử dụng C/A-code, theo dự tính của các nhà thiết kế hệ

thống GPS, kỹ thuật đo khoảng thời gian lan truyền tín hiệu chỉ có thể đảm bảo độ chính xác đo khoảng cách tương ứng cỡ 30m Nếu tính đến ảnh hưởng của điều kiện lan truyền tín hiệu, sai số đo khoảng cách theo C/A code sẽ ở mức 100m là mức có

X Y Z T

thể chấp nhận được để cho khách hàng dân sự được khai thác Song kỹ thuật xử lý tín hiệu code này đã được phát triển đến mức có thể đảm bảo độ chính xác đo khoảng cách cỡ 3m, tức là hầu như không thua kém so với trường hợp sử dụng P-code vốn không dành cho khách hàng đại trà Chính vì lý do này mà Mỹ đã đưa ra giải pháp SA để hạn chế khả năng thực tế của C/A code Nhưng ngày nay do kỹ thuật đo GPS có thể khắc phục được nhiễu SA, Chính phủ Mỹ đã tuyên bố bỏ nhiễu

SA trong trị đo GPS từ tháng 5 năm 2000

2.2.1.2 Đo pha sóng tải

Các sóng tải L1, L2 được sử dụng cho việc định vị với độ chính xác cao Với mục

đích này người ta tiến hành đo hiệu số giữa pha của sóng tải do máy thu nhận được

từ vệ tinh và pha của tín hiệu do chính máy thu tạo ra Hiệu số pha do máy thu đo

N : Là số nguyên lần bước sóng λ chứa trong R;

∆t : Là sai số đồng bộ giữa đồng hồ của vệ tinh và máy thu;

N : Còn được gọi là số nguyên đa trị, thường không biết trước mà cần phải xác định trong thời gian đo

Trong trường hợp đo pha theo sóng tải L1 có thể xác định khoảng cách giữa vệ tinh

và máy thu với độ chính xác cỡ cm thậm chí nhỏ hơn Sóng tải L2 cho độ chính xác thấp hơn nhiều, nhưng tác dụng của nó là cùng với L1 tạo ra khả năng làm giảm

đáng kể tầng điện ly và việc xác định số nguyên đa trị được đơn giản hơn

2.2.2 Nguyên lý định vị tuyệt đối ( Point positioning )

Nguyên lý đo GPS tuyệt đối theo code

Đo GPS tuyệt đối là trường hợp sử dụng máy thu GPS để xác định ngay ra tọa độ không gian 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 tọa độ WGS-84 là hệ thống tọa độ cơ sở của hệ thống GPS Nó

được thiết lập gắn với Ellipxoid có kích thước như sau:

a = 6378137 m 1/α = 298.2572 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 từ các điểm đã biết tọa độ là các vệ tinh

Về nguyên tắc, khi ta xác định được chính xác khoảng cách từ máy thu đến các vệ tinh, khi đó máy thu chỉ cần thu tín hiệu của ba vệ tinh thì ta có thể xác định được tọa độ không gian của máy thu Song trên thực tế cả đồng hồ trên vệ tinh và đồng hồ trong máy thu đều có sai số nên các khoảng cách đo được không phải là khoảng cách chính xác mà là khoảng cách giả Từ ba khoảng cách giả ta lập được hệ 3 phương trình mà bốn ẩn số (tọa độ vuông góc X, Y, Z hoặc tọa độ mặt cầu B, L, H

điểm quan sát và sai số không đồng bộ của đồng hồ trên vệ tinh và trong máy thu ∆δ thì không thể xác định được vị trí không gian của điểm quan sát) Để khắc phục tình trạng này cần phải thu tín hiệu đồng thời tới bốn vệ tinh, tức là phải thu thêm tín hiệu của vệ tinh thứ tư

2 4

2 4 2 4 2 4

2 3

2 3 2 3 2 3

2 2

2 2 2 2 2 2

2 1

2 1 2 1 2 1

δδδδ

∆

ư

=

ư +

ư +

ư +

ư +

ư +

ư

C R Z Z Y Y X X

C R Z Z Y Y X X

C R Z Z Y Y X X

C R Z Z Y Y X X

(2.4)

Trong đó: Ri - khoảng cách từ máy thu đến vệ tinh thứ i

Xi, Yi, Zi - Tọa độ không gian vệ tinh i

X, Y, Z - Tọa độ không gian điểm quan sát

∆ δ - Sai số do đồng hồ trên vệ tinh và trong máy thu

C - Vận tốc lan truyền tín hiệu

Vậy bằng cách đo khoảng cách giả đồng thời từ máy thu đến bốn vệ tinh ta có thể xác định được toạ độ tuyệt đối của máy thu, ngoài ra còn xác định thêm được số hiệu chỉnh đồng hồ (thạch anh) của máy thu Thực tế với hệ thống vệ tinh hoạt động