Giáo trình ứng dụng định vị toàn cầu GPS trong xây dựng

PGS TS Phạm Văn Chuyên 1 PGS TS PHẠM VĂN CHUYÊN ỨNG DỤNG ĐỊNH VỊ TOÀN CẦU GPS TRONG XÂY DỰNG HÀ NỘI NĂM 2022 PGS TS Phạm Văn Chuyên 2 LỜI NÓI ĐẦU Nội dung tài liệu với thời lượng 15 tiết viết về ứng d[.]

PGS.TS Phạm Văn Chuyên PGS.TS PHẠM VĂN CHUYÊN ỨNG DỤNG ĐỊNH VỊ TOÀN CẦU GPS TRONG XÂY DỰNG HÀ NỘI NĂM 2022 PGS.TS Phạm Văn Chuyên LỜI NÓI ĐẦU Nội dung tài liệu với thời lượng 15 tiết viết ứng dụng định vị toàn cầu GPS xây dựng , công nghệ đo đạc trắc địa đại tiên tiến kỷ 21,hiện ứng dụng nhiều tất giai đoạn khảo sát , thiết kế , thi công sử dụng cơng trình Đối tượng phục vụ tài liệu sinh viên ngành xây dựng đào tạo theo khung trình độ quốc gia Việt nam: hệ đại học năm, tốt ngiệp cấp cử nhân Rất mong nhận ý kiến đóng góp Xin chân thành cảm ơn trân trọng giới thiệu tài liệu bạn đọc Người biên soạn PGS.TS Phạm Văn Chuyên Trường Đại học Xây dựng Hà Nội PGS.TS Phạm Văn Chuyên Ưu điểm công nghệ định vị toàn cầu GPS Định vị toàn cầu GPS đặt máy điểm mặt đất đo ngắm đến vệ tinh bay bầu trời để xác định tọa độ không gian điểm đặt máy Định vị tồn cầu GPS (Global Positioning System) công nghệ đo đạc trắc địa đại tiên tiến kỷ 21,có ưu điểmvượt trội sau: 1/Cho phép định vị điểm thống toàn cầu 2/Cho phép định vị điểm nơi Trái đất 3/Cho phép định vị điểm vào lúc suốt 24h ngày đêm 4/Cho phép định vị điểm thời tiết (nắng, mưa, gió, bão…) 5/Cho phép định vị điểm mục tiêu tĩnh điểm mục tiêu di động(đặt phương tiện giao thông ô tô, tàu thủy, máy bay…) 6/Giữa điểm đo không cần thông hướng đo đạc trắc địa truyền thống 7/Độ xác định vị cao 8/Ứng dụng nhiều công nghệ điện tử công nghệ thông tin làm cho việc đo đạc đạt trình độ tự động hóa cao,tạo suất lao động cao 9/Không đắt tiền 10/Kỹ thuật định vị toàn cầu GPS ứng dụng rộng rãi nhiều lĩnh vực khác nhau: trắc địa, đồ, xây dựng, giao thơng vận tải, quốc phịng, an ninh tình báo, địa chất, địa lý, hải dương học, thám hiểm không gian, quản trị thông tin, lâm nghiệp, nông nghiệp, du lịch,… 11/ Trong ngành xây dựng định vị toàn cầu GPS ứng dụng nhiều tất giai đoan khảo sát , thiết kế , thi cơng sử dụng cơng trình Dụng cụ đo định vị toàn cầu GPS Dụng cụ đo định vị tồn cầu GPS gồm có hai phận: 1/Bộ phận thứ nhấtlà máy đo GPS gồm có phần cứng phần mềm 2/ Bộ phận thứ hai vệ tinh nhân tạo bay bầu trời quanh Trái đất, chúng hoạt động theo huy người thông qua trạm điều khiển mặt đất Ở máy đo GPS đóng vai trị máy tồn đạc (chủ thể đo thứ ), vệ tinh nhân tạo bay bầu trời đóng vai trị mia (chủ thể đo thứ hai ) đo đạc trắc địa truyền thống Nguyên lý đo định vị toàn cầu GPS Để định vị vật vận động vũ trụ cần phải có bốn yếu tố khơng gian thời gian (X,Y,Z,T) Do đó, nguyên tắc đo GPS địa điểm vào thời điểm định phải đo ngắm đến bốn vệ tinh,để xác định bốn khoảng cách từ máy thu GPS đến PGS.TS Phạm Văn Chuyên bốn vệ tinhtương ứng ,từ lập bốn mơ hình tốn học,suy bốn phương trình, giải bốn ẩn số (X,Y,Z,T) Các phương pháp đo GPS 1/ Phương pháp đo GPS tuyệt đối 1/ Đo GPS tuyệt đối trường hợp sử dụng máy thu GPS đặt điểm cần đo để xác định tọa độ địa tâm quốc tế WGS-84 (X,Y,Z) tọa độ trắc địa quốc tế WGS-84 (B,L,H*) điểm cần đo 2/ Máy thu GPS tiến hành tính tốn định vị với tần xuất giây kết vị trí độ xác đạt cỡ mét Phương pháp thường áp dụng cho mục đích dẫn đường gắn vật thể cần theo dõi ô tô, tàu thủy, máy bay… 2/ Phương pháp đo GPS tương đối +Khi cần xác định vị trí điểm với độ xác đạt cỡ xăng ti mét hay cỡ mi li mét phải áp dụng phương pháp đo GPS tương đối +Đo GPS tương đối trường hợp sử dụng hai máy thu GPS đặt hai điểm quan sát khác A B để xác định hiệu tọa độ địa tâm quốc tế WGS-84 (X,Y,Z) hiệu tọa độ trắc địa quốc tế WGS-84 (B,L,H*) 21/ Phương pháp đo GPS tương đối tĩnh (“đo tĩnh”) 1a/Phương pháp “đo tĩnh” trường hợp cần phải có hai máy thu GPS Cả hai máy thu GPS đặt hai điểm quan sát khác A B, đồng thời thu tín hiệu từ vệ tinh chung tên liên tục khoảng thời gian định từ vài chục phút đến vài tiếng đồng hồ 1b/Phương pháp “đo tĩnh” sử dụng để xác định hiệu tọa độ hai điểm A B cách xa hàng chục hay hàng trăm kilomet, với độ xác cao cỡ xăng ti mét cỡ mi li mét Nghĩa thỏa mãn yêu cầu việc lập lưới khống chế trắc địa Đây ưu điểm phương pháp “đo tĩnh” 1c/Nhược điểm phương pháp “đo tĩnh” thời gian đo lâu, suất lao động khơng cao 22/ Phương pháp đo GPS tương đối động (“đo động”) 2a/Phương pháp “đo động” trường hợp cần phải có hai máy thu GPS, đồng thời cần phải có cạnh đáy AB biết chiều dài gối lên điểm A biết tọa độ Phương pháp “đo động” cho phép xác định vị trí tương đối hàng loạt điểm cần đo so với điểm A biết tọa độ, điểm cần đo phải thu tín hiệu vịng vài giây đến vài phút 2b/Tại điểm đầu cạnh đáy A, đặt máy thu GPS cố định cho tiến hành thu liên tục tín hiệu vệ tinh suốt chu kỳ đo Máy gọi máy cố định Tại điểm cuối cạnh đáy B, đặt máy thu GPS thứ hai, cho thu tín hiệu đồng thời với máy thu GPS cố định vòng phút Máy gọi máy di động PGS.TS Phạm Văn Chuyên Tiếp theo, cho máy di động chuyển đến điểm cần đo khác 1, 2, 3, …n, Tại điểm cần dừng lại để thu tín hiệu vệ tinh khoảng thời gian vài phút Cuối cho máy di động quay đo điểm xuất phát ban đầu B điểm cuối cạnh đáy để khép tuyến đo Nghĩa máy di động đo B, 1, 2, 3…, n, B 2c/Yêu cầu bắt buộc phương pháp máy thu GPS cố định máy thu GPS di động phải đồng thời thu tín hiệu liên tục từ bốn vệ tinh chung tên suốt chu kỳ đo Khi đo bị gián đoạn phải đo lại từ đầu 23/ Phương pháp đo GPS tương đối giả động (“đo giả động”) 3a/Phương pháp “đo giả động” trường hợp cần phải có hai máy thu GPS điểm A biết tọa độ Phương pháp cho phép xác định vị trí tương đối hàng loạt điểm cần đo so với điểm A biết tọa độ khoảng thời gian nhanh 3b/- Máy cố định đặt điểm A biết tọa độ tiến hành thu tín hiệu vệ tinh liên tục suốt chu kỳ đo Máy di động đặt điểm cần đo 1, 2, 3,…, n, Nghĩa từ điểm đầu 1…, đến điểm cuối n, khép lại điểm đầu Đây vòng đo thứ Tiếp theo, vòng đo thứ hai, máy di động tiến hành đo lặp lại tất điểm cần đo theo trình tự vòng đo thứ (1, 2, 3,…., n, 1), đồng thời đảm bảo cho thời gian dãn cách hai lần đo điểm từ vòng đo thứ đến vòng đo thứ hai phải lâu đồng hồ 3c/Yêu cầu bắt buộc phương pháp phải có ba vệ tinh chung tên cho hai lần đo điểm quan sát Chú ý1: Để tránh cản trở tín hiệu từ vệ tinh tới ăng ten thu điểm đặt máy đo GPS phải có bầu trời quang đãng, khơng có chướng ngại vật tán hay nhà nhiều tầng v.v… Bầu trời nói phần khơng gian có góc đứng tia ngắm từ máy đo GPS đến vệ tinh phải lớn 15 (góc ngưỡng V > 15) Chú ý2:Để tránh nhiễu tín hiệu từ vệ tinh tới ăng ten thu điểm đặt máy đo GPS phải đảm bảo yêu cầu sau: + Cách xa đài phát sóng 200m + Cách xa đường điện cao 50m Kết đo đạc từ máy thu GPS bước tính tốn chuyển đổi tọa độ Kết đo đạc nhận từ máy thu GPS số liệu theo hệ quốc tế WGS84, chúng cần tính chuyển đổi thành số liệu theo hệ quốc gia VN-2000 công thức hướng dẫn Cục Đo đạc - Bản đồ 1/ Từ tọa độ trắc địa quốc tế WGS-84 (B,L,H*) tính tọa độ địa tâm quốc tế WGS-84 (X,Y,Z) 2/.Từ tọa độ địa tâm quốc tế WGS-84 (X,Y,Z) tính tọa độ địa tâm quốc gia VN-2000 (X’,Y’,Z’) PGS.TS Phạm Văn Chuyên 3/ Từ tọa độ địa tâm quốc gia VN-2000 (X’,Y’,Z’) tính tọa độ trắc địa quốc gia VN2000 (B’,L’,H’) 4/ Tính yếu tố mặt qui chiếu VN-2000 + Tính gia số tọa độ trắc địa: B',L',H', +Tính chiều dài cạnh mặt qui chiếu S'EI sai số +Tính góc phương vị thuận At, ngược An sai số 5/ Tính tọa độ vng góc phẳng Gauso (xGaus,yGaus) theo hệ VN-2000 6/ Tính tọa độ vng góc phẳng UTM (xUTM,yUTM) theo hệ VN-2000 Tín hiệu sóng vơ tuyến điện vệ tinh 1/ Các vệ tinh nhân tạo bay bầu trời quanh trái đất theo quĩ đạo xác định biết trước phát tín hiệu sóng vơ tuyến điện để thực việc đo khoảng cách : D = v.t (6.1) Trong : D khoảng cách từ vệ tinh đến máy thu GPS v vận tốc sóng vơ tuyến điện truyền khơng gian t thời gian tín hiệu sóng từ vệ tinh đến máy thu GPS Nhận thấy : tốc độ sóng vơ tuyến điện v lớn ,vào cỡ hàng trăm nghìn km Muốn xác định khoảng cách D với độ xác cỡ xăng ti mét hay mi li mét thời gian t phải xác định với độ xác cỡ phần triệu giây, khó có đồng hồ đo đến độ xác 2/ Nhận thấy sóng vơ tuyến điện vừa có đặc tính hạt lại vừa có đặc tính sóng Theo đặc tính sóng vơ tuyến điện ta viết phương trình : D = λ.(N + ∆) (6.2) Trong : D khoảng cách từ vệ tinh đến máy thu GPS λ chiều dài bước sóng N “phần nguyên” số lượng bước sóng ∆ “phần lẻ thập phân” số lượng bước sóng ( N + ∆ ) tổng số lượng bước sóng từ vệ tinh đến máy thu GPS Từ cơng thức (6.2) thấy muốn có D phải biết λ , N , ∆ Thông thường bước sóng λ tín hiệu vệ tinh ln biết trước, vấn đề lại xác định N ∆ mà Các nguồn sai số đo đạc định vị toàn cầu GPS 1/ Sai số đồng hồ Sai số không đồng không đồng đồng hồ vệ tinh đồng hồ máy thu GPS PGS.TS Phạm Văn Chuyên Biện pháp khắc phục thứ trạm điều khiển mặt đất theo dõi đồng hồ vệ tinh, thấy sai lệch trạm điều khiển phát lệnh thơng báo số cải tới máy thu biết đẻ xử lý Biện pháp thứ hai tiến hành đo hiệu số gia tọa độ trạm quan trắc 2/Sai số quĩ đạo vệ tinh Qũi đạo chuyển động thực tế vệ tinh khơng hồn tồn quĩ đạo chuyển động lý thuyết định luật Kepler, nhiều nguyên nhân lực hấp dẫn thiên thể trái đất,măt trăng,mặt trời,lực cản khí quyển, tính khơng đồng vật chất lòng trái đất,….Tất chúng làm cho quĩ đạo chuyển động thực tế vệ tinh khác với quĩ đạo chuyển động lý thuyết Cách khắc phục: người ta xây dựng quĩ đạo chuyển động thực tế cách theo liệu quan trắc từ trạm có độ xác cao mặt đất 3/Sai số tầng đối lưu tầng điện ly 3a/Môi trường từ trái đất đến vệ tinh không đồng nhất.Cụ thể tầng đối lưubao quanh mặt đất có mật độ nhiệt độ khơng khí giảm dần từ thấp lên cao, sinh tượng không khí chuyển động lên xuống theo phương đứng (đối lưu).Tín hiệu vệ tinh qua vùng bị khúc xạ thành đường cong 3b/Lên cao tầng điện ly Ở tốc độ lan truyền tín hiệu vệ tinh tăng tỷ lệ tỷ lệ thuận với mật độ điện tử tầng điện ly tỷ lệ nghịch với bình phương tần số tín hiệu.Cách làm giảm ảnh hưởng tầng điện ly là: +Sử dụng tín hiệu vệ tinh có hai tần số khác máy thu GPS thuộc loại có hai tần số.Nhưng hai điểm quan trắc gần phải dùng máy thu GPS loại mơt tần số +Đo vào ban đêm tốt ban ngày Tại ảnh hưởng tầng điện ly vào ban đêm nhỏ bé năm lần so với ban ngày 4/Sai số tín hiệu bị nhiễu 4a/Tín hiệu vơ tuyến điện vệ tinh bị nhiễu gặp trạm phát sóng đường dây dẫn điện cao thế.Cách khắc phục chọn điểm đặt máy thu GPS phải cách xa trạm phát sóng 200 mét, cách xa đường điện cao 50 mét 4b/Tín hiệu vô tuyến điện vệ tinh bị khúc xạ phản xạ gặp trướng ngại vật nhà cửa cối.Cách khắc phục chọn điểm đặt máy thu GPS phải cao ráo, quang đãng, đảm bảo cho góc ngưỡng ngắm từ máy đến vệ tinh lớn 15 độ Nhận thấy sai số thuộc loại sai số dụng cụ đo gây ra, sai số thuộc loại sai số môi trường đo gây 8.Đo động thời gian thựcRTK 1/ Đo động thời gian thực RTK gì? Đo động thời gian thực RTK kỹ thuật sử dụng để tăng độ xác tín hiệu GPS cách sử dụng máy thu GPS hai tần số đặt cố định (gọi trạm tĩnh: BASE ) để thu gửi tín hiệu đến máy GPS hai tần số chuyển động (gọi trạm động: ROVER ) PGS.TS Phạm Văn Chuyên RTK chữ viết tắt tiếng Anh RealTime Kinematic,có nghĩa đo động thời gian thực 2/ Dụng cụ đo động thời gian thực RTK 1/Dụng cụ đo gồm có máy tĩnh (BASE) (hoặc nhiều) máy động ( ROVER) 2/Máy tĩnh (BASE) đặt tai điểm gốc A (đã biết tọa độ xác), máy náy cài đặt tọa độ VN-2000 điểm gốc A tham số để tính chuyển từ hệ tọa độ WGS-84 sang hệ tọa độ VN-2000 3/Máy động (ROVER) đặt điểm B cần xác định tọa độ VN-2000 4/Cả hai máy tĩnh (BASE) động (ROVER) đếu đồng thời thu tín hiệu từ vệ tinh 5/Riêng máy tĩnh (BASE) có hệ thống radio link liên tục phát tín hiệu cải hệ tọa độ WGS-84với hệ tọa độ VN-2000 6/Các máy động (ROVER) thu nhận số cải để chuyển đổi tọa độ điểm B cần xác định theo hệ VN-2000 3/ Nguyên lý đo RTK 1/ Đo RTK dựa nguyên lý thu bắt tín hiệu phát từ vệ tinh nhân tạo bay bầu trời, thơng qua tốn trắc địa mà tính tọa độ điểm đo B 2/Sử dụng trạm máy tĩnh (BASE) để thu tín hiệu vệ tinh nhân tạo để tính số nguyên đa tri N (N gọi số cải chính) 3/Số cải N phát mang tới trạm máy động (ROVER) để hiệu chỉnh vị trí nó, nhằm đạt độ xác cao 4/Bộ phát N tín hiệu sóng vơ tuyến UHF (radio) 4/ Đặc tính kỹ thuật đo RTK 1/ Phạm vi hoạt động máy động (ROVER) so với máy tĩnh 12 km 2/Kết thu máy tĩnh (BASE) máy động (ROVER) theo hệ VN-2000, khơng phải xử lý thêm 3/Trên hình máy động (ROVER) liên tục thơng báo kết độ xác, đạt độ xác cần thiết u cầu ta việc bấm OK để lưu kết vào máy 4/Độ xác đo RTK đạt được: +Sai số vị trí mặt 10 mm + ppm PGS.TS Phạm Văn Chuyên +Sai số cao độ 20 mm + ppm 5/ Các qui định đo RTK 1/Điểm đặt máy tĩnh (BASE) phải cao thơng thống 2/Độ xa từ máy tĩnh (BASE) đến máy động (ROVER) không 12 km 3/Mỗi máy phải đo ngắm tới bốn vệ tinh 4/Kết đo phải trút vào máy tính lưu file 6/ Ưu điểm công nghệ đo RTK 1/Đạt độ xác cao 2/Phạm vi đo rộng vịng 12 km 3/Máy RTK làm nhiều chức năng, tốn nhân lực,chi phí thấp 4/Thời gian đo nhanh chóng 5/Sử dụng máy RTK với máy khác (MTĐĐT) làm tăng độ xác hiệu 7/Nhược điểm đo RTK Đầu tư ban đầu cao so với phương pháp truyền thống khác:cần khoảng vài trăm triệu 9.Trạm tham chiếu hoạt động liên tục CORS 1/Trạm tham chiếu hoạt động liên tục CORS gì? 1/Trạm tham chiếu hoạt động liên tục CORS hệ thống gồm có phần cứng phần mềm 2/ Phần cứng gồm có máy thu GPS anten, chúng lắp đặt điểm ổn định an toàn, cho q trình đo liên tục, khơng bị gián đoạn 3/ Phần mềm gồm có: +3a/ Phần mềm quản lý thu thập liệu máy thu +3b/Phần mềm để tính tốn gửi tín hiệu hiệu chỉnh tới thiết bị RTK,DGPS,GIS 4/Máy tính cài đặt phần mềm quản lý đặt xa(nếu cần) 5/ Máy thu GPS trạm CORS dược kết nối thông qua hạ tầng internet 6/ Trạm CORS sử dụng để phục vụ công tác khảo sát, thành lập đồ GIS PGS.TS Phạm Văn Chuyên 7/CORS chữ viết tắt tiếng anh: Continuous Reference Station, có nghĩa trạm tham chiếu hoạt động liên tục 2/Ưu điểm công nghệ CORS 1/CORS cho phép đạt độ xác cao 2/CORS rút ngắn thời gian đo đạc 3/Hệ thống trạm CORS sử dụng hạ tầng mạng iternet để truyền tải thông tingiữa phần mềm quản lý máy GPS trạm,giữa máy thu động (rover) với hệ thống trạm CORS Các trạm CORS giống trạm đo (base) cố định mốc biết tọa độ để phát tín hiệu cải đến rover máy thu GNSS đo chi tiết thông qua hạ tầng mạng 3G, 4G 4/Tầm hoạt động trạm CORS rộng: +Từ đến 40 km đạt độ xác cỡ milimet +Đến 70 km đạt độ xác cỡ cm 5/ Nếu sử dụng trạm CORS phát trực tiếp thu thông qua phần mềm số lượng máy động (rover) kết nối vào trạm CORS nhiều không bị giới hạn 3/Nhược điểm sử dụng trạm CORS phát phần mềm số máy kết nối đến bị giới hạn định 10.Hệ thống định vị dẫn đường toàn cầu GNSS 1/ Hệ thống định vị dẫn đường tồn cầu GNSS gì? 1/Hệ thống định vị dẫn đường toàn cầu GNSS tổng hợp tất hệ thống định vị khác nước khác tồn giới GPS (Mỹ), GALILEO (EU),GLONASS (Nga), BEIDU (Trung quốc),QZSS (Nhật bản), IRNSS (Ấn độ) 2/ GNSS chữ tiếng anh viết tắt Global Navigation Satellite Systerm, có nghĩalà hệ thống định vị dẫn đường tồn cầu 3/Hệ thống định vị dẫn đường toàn cầu GNSS hai chủ thể công nghệ định vị đại tiên tiến kỷ 21 Các vệ tinh GNSS đóng vai trị mia (chủ thể đo đạc thứ hai) đo đạc trắc địa truyền thống 4/ Máy đo GNSS đóng vai trị máy tồn đạc (chủ thể đo đạc thứ nhất) đo đạc trắc địa truyền thống 10 ... lịch,… 11/ Trong ngành xây dựng định vị toàn cầu GPS ứng dụng nhiều tất giai đoan khảo sát , thiết kế , thi công sử dụng cơng trình Dụng cụ đo định vị toàn cầu GPS Dụng cụ đo định vị tồn cầu GPS gồm... bị giới hạn định 10.Hệ thống định vị dẫn đường toàn cầu GNSS 1/ Hệ thống định vị dẫn đường tồn cầu GNSS gì? 1/Hệ thống định vị dẫn đường toàn cầu GNSS tổng hợp tất hệ thống định vị khác nước... 15 tiết viết ứng dụng định vị toàn cầu GPS xây dựng , công nghệ đo đạc trắc địa đại tiên tiến kỷ 21,hiện ứng dụng nhiều tất giai đoạn khảo sát , thiết kế , thi công sử dụng công trình Đối tượng