Giáo trình Hệ thống định vị toàn cầu GPS và đo GPS (Nghề Trắc địa công trình Cao đẳng)

BỘ XÂY DỰNG TRƯỜNG CAO ĐẲNG NGHỀ XÂY DỰNG GIÁO TRÌNH MƠ ĐUN: HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ TỒN CẦU GPS VÀ ĐO GPS NGHỀ: TRẮC ĐỊA CƠNG TRÌNH TRÌNH ĐỘ: CAO ĐẲNG Quảng Ninh, năm …………… TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN Tài liệu thuộc loại sách giáo trình nên nguồn thơng tin phép dùng ngun trích dùng cho mục đích đào tạo tham khảo Mọi mục đích khác mang tính lệch lạc sử dụng với mục đích kinh doanh thiếu lành mạnh bị nghiêm cấm MỞ ĐẦU Cơng nghệ ứng dụng hệ thống định vị tồn cầu GPS đưa vào sản xuất Việt Nam từ năm 1991 Trên sở sử dụng máy thu GPS hãng TRIMBLE loại tần số 4000-ST, Liên hiệp KHSX Trắc địa đồ thuộc Cục Đo đạc đồ Nhà nước lúc gấp rút thử nghiệm để đưa vào sản xuất, nhằm đáp ứng yêu cầu xây dựng mạng lưới toạ độ nhà nước khu vực khó khăn đất nước, mà công nghệ truyền thống (phương pháp tam giác, đường chuyền) khơng có khả thực hiện, phí lớn thời gian dài thực Trong năm 1991 đến 1994, theo kế hoạch nhiệm vụ Cục Đo đạc đồ Nhà nước giao, Liên hiệp KHSX Trắc địa đồ xây dựng thành công mạng lưới toạ độ nhà nước hạng II khu vực Minh Hải, Sông Bé Tây Nguyên, đồng thời xây dựng thành công mạng lưới trắc địa biển nối đảo quần đảo xa ( kể Trường Sa ) với mạng lưới toạ độ nhà nước đất liền Từ đến nay, việc ứng dụng cơng nghệ GPS có bước phát triển lớn Từ chỗ có máy thu GPS tần số hãng TRIMBLE, đến Việt Nam có 82 máy thu GPS loại hãng khác nhau, từ máy thu đặt máy bay, máy thu tần số, máy đo động đến máy có độ xác trung bình ( GEO EXPLORER ) để đo khống chế ảnh Các lĩnh vực ứng dụng công nghệ GPS đa dạng, từ ứng dụng để xây dựng mạng lưới toạ độ nhà nước, độ xác cao, khoảng cách lớn; ứng dụng dẫn đường xác định toạ độ tâm ảnh bay chụp ảnh máy bay; xây dựng mạng lưới toạ độ, độ cao địa cấp 1; dẫn đường xác định toạ độ đo vẽ đồ địa hình đáy biển; đo toạ độ, độ cao điểm khống chế ảnh ngoại nghiệp; đo toạ độ độ cao mốc quốc giới; xây dựng mạng lưới cơng trình v.v Các phần mềm để xử lý tính tốn bình sai trị đo GPS đa dạng, chủ yếu phần mềm kèm theo máy thu, TRIMVEC, TRIMVEC PLUS, TRIMNET, TRIMNET PLUS, GPSURVEY, PHASE PROCESSOR, GEOMATIC OFFICE (hãng TRIMBLE); GPPS (ASHTECH), v.v phần mềm bình sai lưới GPS Liên hiệp KHSX Trắc địa đồ xây dựng Qua kết nghiên cứu trực tiếp tham gia đo xử lý, tính tốn kết đo GPS biên soạn tập tài liệu để đồng nghiệp tham khảo Tập tài liệu gồm chương sau đây: Bài 1: Hệ thống định vị toàn cầu GPS Bài 2: Tổ chức thực đo GPS Bài Xử lý số liệu đo GPS Bài 4: Đo GPS lập lưới khống chế mặt Bài 5: Đo GPS phục vụ đo vẽ địa Bài 6: Đo GPS phục vụ trắc địa cơng trình Bài 7: Đo cao GPS BÀI 1: HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ TOÀN CẦU GPS Cấu trúc hệ thống GPS, chuyển động quỹ đạo vệ tinh 1.1 Cấu trúc hệ thống GPS Hệ thống GPS hệ thống định vị vệ tinh sau hệ thống DOPPLER GPS từ viết tắt GLOBAL POSITIONING SYSTEM Hệ thống bắt đầu nghiên cứu từ năm 70 quân đội Mỹ chủ trì Trong năm đầu thập kỷ 80 quân đội Mỹ thức cho phép dùng dân Từ nhà khoa học nhiều nước phát triển lao vào chạy đua để đạt thành cao lĩnh vực sử dụng hệ thống vệ tinh chuyên dụng GPS Những thành tựu cho kết hai hướng chủ đạo chế tạo máy thu tín hiệu thiết lập phần mềm để chế biến tín hiệu cho mục đích khác Cho tới năm 1988, máy thu GPS 10 hãng giới sản xuất đạt trình độ cạnh tranh thị trường Vì lý trên, giá máy giảm xuống tới mức hợp lý mang tính phổ cập Mười hãng giới sản xuất máy thu GPS bao gồm hãng như: TRIMBLE NAVIGATION (Mỹ), ASHTECH (Mỹ), WILD (Thụy sĩ), SEGSEL (Pháp), MINI MAX (Tây Đức) Theo dư luận thị trường máy thu hãng TRIMBLE NAVIGATION đánh giá cao Về phương diện phần mềm hệ thống GPS, thấy tính đa dạng Trị đo thu có loại, tín hiệu vệ tinh phát Chế biến tín hiệu phương pháp khác nhau, thuật tốn khác có tham số hình học vật lý khác trái đất Chúng ta nói khả phần mềm vơ tận Với tín hiệu thu tính tọa độ khơng gian tuyệt đối (với độ xác 10 m tới m sử dụng lịch vệ tinh xác), số gia tọa độ khơng gian (độ xác từ cm tới cm), số gia tọa độ địa lý (độ xác từ 0.7 đến cm), số gia độ cao (độ xác từ 0.4 cm đến cm), số gia trọng lực (độ xác 0.2 mgl) Ngồi cịn có tham số khác nghiên cứu Toàn phần cứng hệ thống GPS có tên đầy đủ NAVSTAR GPS SYSTEM NAVSTAR viết tắt chữ NAVIGATION SYSTEM WITH TIME AND RANGING Phần cứng gồm phần: phần điều khiển (Control Segment), phần không gian (Space Segment) phần sử dụng (User Segment) 1.1.1 Phần điều khiển (Control Segment): Phần điều khiển gồm trạm mặt đất có trạm theo dõi (Monitor Station): Diego Garcia, Ascension, Kwajalein Hawaii; trạm điều khiển trung tâm (Master Control Station) trạm hiệu chỉnh số liệu (Upload Station) Lưới trắc địa đặt trạm xác định phương pháp giao thoa đường đáy dài (VLBI) Trạm trung tâm làm nhiệm vụ tính tốn lại tọa độ vệ tinh theo số liệu trạm theo dõi thu từ vệ tinh Sau tính tốn số liệu gửi từ trạm trung tâm tới trạm hiệu chỉnh số liệu từ gửi tiếp tới vệ tinh Như vịng vệ tinh có số liệu hiệu chỉnh để phát cho máy thu 1.1.2 Phần khơng gian (Space Segment): 1.1.2.1 Chịm vệ tinh GPS: Bao gồm 24 vệ tinh bay quỹ đạo có độ cao đồng 20 200 km, chu kỳ 12 giờ, phân phối mặt phẳng quỹ đạo nghiêng với xích đạo góc 55o Việc bố trí nhằm mục đích để thời điểm vị trí trái đất quan sát vệ tinh Mỗi vệ tinh phát tần số sóng mang với tần số cao L1=1575.42 MHz L2=1227.60 MHz Loại sóng phát sở dãy số tựa ngẫu nhiên bao gồm số Mã gọi tên mã P (Precise) Bên cạnh mã P sóng cịn mang mã C/A (Clear/Acquisition) sóng L1 Mã C/A phát với tần số 10.23 MHz 1.023 MHz Ngồi mã vệ tinh cịn phát mã phụ có tần số 50 Hz chứa thơng tin lịch vệ tinh Các vệ tinh trang bị đồng hồ nguyên tử với độ xác cao Các vệ tinh NAVSTAR có trạng thái: "hoạt động khỏe" ( Healthy) "hoạt động không khoẻ ( Unhealthy) Hai trạng thái vệ tinh định trạm điều khiển mặt đất Chúng ta sử dụng tín hiệu vệ tinh hai trạng thái "hoạt động khỏe" "hoạt động khơng khỏe" 1.1.2.2 Cấu trúc tín hiệu GPS Mỗi vệ tinh truyền hai tần số dùng cho công việc định vị tần số 1575,42 MHz tần số 1227,60 NHz Hai sóng mang gọi L1 L2, mạch lạc điều chế tín hiệu khác Mã nhiễu giải ngẫu nhiên (PRN) thứ biết tên mã C/A (Coarse/Acquisite-code), bao gồm chuỗi số cộng trừ một, phát tần số fo/10= 1.023 MHz Chuỗi lặp lại sau mili giây đồng hồ Mã nhiễu giải ngẫu nhiên (PRN) thứ hai, biết tên mã P (Precise - code), bao gồm chuỗi số cộng trừ khác, phát tần số fo = 10,23 MHz Chuỗi lặp lại sau 267 ngày Thời gian 267 ngày cắt làm 38 đoạn ngày Trong 38 đoạn có đoạn không dùng đến, đoạn dùng cho trạm mặt đất , theo dõi tàu thuyền sử dụng, gọi trạm giả vệ tinh (Pseudolite), lại 32 đoạn ngày dành cho vệ tinh khác Mã Y (Y-code) mã PRN tương tự mã P, dùng thay cho mã P Tuy nhiên phương trình tạo mã P cơng bố rộng rãi khơng giữ bí mật, phương trình tạo mã Y giữ bí mật Vì vậy, mã Y sử dụng người sử dụng GPS khơng có giấy phép (nói chung người không thuộc quân đội Mỹ đồng minh họ) không thu mã P (hoặc mã Y) Sóng mang L1 điều chế mã (Mã-C/A Mã`-P mã Y), sóng mang L2 bao gồm Mã-P mã Y Các mã điều chế sóng mang cách giản đơn có ý thức Nếu mã có trị số -1 phase sóng mang đổi 1800, cịn mã số có trị số +1 phase sóng mang giữ ngun khơng thay đổi Cả hai sóng mang mang thông báo vệ tinh (Satellite message) cần phát dạng dòng liệu thiết kế tần số thấp (50Hz) để thông báo tới người sử dụng tình trạng vị trí vệ tinh Các liệu máy thu giải mã dùng vào việc xác định vị trí máy theo thời gian thực 1.1.2.3 Phần sử dụng (User Segment): Phần sử dụng bao gồm máy thu tín hiệu từ vệ tinh đất liền, máy bay tàu thủy Các máy thu phân làm loại: máy thu tần số máy thu tần số Máy thu tần số nhận mã phát với sóng mang L1 Các máy thu tần số nhận sóng mang L1 L2 Các máy thu tần số phát huy tác dụng đo tọa độ tuyệt độ xác 10 m tọa độ tương độ xác từ đến cm khoảng cách nhỏ 50 km Với khoảng cách lớn 50 km độ xác giảm đáng kể (độ xác cỡ dm) Để đo khoảng cách dài đến vài nghìn km phải sử dụng máy tần số để khử ảnh hưởng tầng ion khí trái đất Tồn phần cứng GPS hoạt động hệ thống tọa độ WGS-84 với kích thước elipsoid a=6378137.0 m =1:29825722 a Các phận thiết bị GPS phần sử dụng Phần sử dụng GPS coi gồm phận chính: * Phần cứng * Phần mềm * Phần triển khai công nghệ Phần cứng bao gồm máy thu mạch điện tử , dao động tần số vô tuyến RF (Radio Friquency), ăngten thiết bị ngoại vi cần thiết để hoạt động máy thu Đặc điểm yếu phận tính chắn, xách tay, tin cậy làm việc trời dễ thao tác Phần mền bao gồm chương trình tính dùng để xử lý liệu cụ thể, chuyển đổi thông báo GPS thành thông tin định vị dẫn đường hữu ích Những chương trình cho phép người sử dụng tác động cần để lợi dụng ưu điểm nhiều đặc tính định vị GPS Những chương trình sử dụng điều kiện ngoại nghiệp thiết kế cho cung cấp thơng báo hữu ích trạng thái tiến hệ thống tới người điều hành Ngoài phần mềm cịn bao gồm chương trình phát triển tính độc lập máy thu GPS , đánh giá nhân tố tính sẵn sàng vệ tinh mức độ tin cậy độ xác Phần triển khai công nghệ hướng tới lĩnh vực liên quan đến GPS như: cải tiến thiết kế máy thu, phân tích mơ hình hố hiệu ứng ăngten khác nhau, hiệu ứng truyền sóng phối hợp chúng phần mềm xử lý số liệu, phát triển hệ thống liên kết truyền thông cách tin cậy cho hoạt động định vị GPS cự ly dài ngắn khác theo dõi xu phát triển lĩnh vực giá hiệu suất thiết bị b Những phận máy thu GPS Các phận máy thu GPS bao gồm: * Ăngten tiền khuếch đại * Phần tần số vô tuyến (RF) * Bộ vi xử lí * Đầu thu điều khiển thể * Thiết bị ghi chép * Nguồn lượng Ăngten tiền khuếch đại : Các Ăngten dùng cho máy thu GPS thuộc loại chùm sóng rộng , khơng cần phải hướng tới nguồn tín hiệu giống đĩa ăngten vệ tinh Các ăngten tương đối chắn đặt ba chân lắp phương tiện giao thơng, vi trí thực xác định trung tâm Phase ăngten, sau truyền lên mốc trắc địa Phần tần số vô tuyến : Bao gồm vi mạch điện tử xử lí tín hiệu kết hợp số hóa giải tích Mỗi kiểu máy thu khác dùng kỹ thuật xử lí tín hiệu khác đơi chút, phương pháp : * Tương quan mã * Phase tần số mã * Cầu phương tín hiệu sóng mang Phần tần số vô tuyến bao gồm kênh sử dụng ba phương pháp nói để truy cập tín hiệu GPS nhận được, số lượng kênh biến đổi khoảng từ đến 12 tuỳ theo nhũng máy thu khác Bộ điều khiển: Cho phép người điều hành can thiệp vào vi xử lí Kíck thước kiểu dáng điều khiển loại máy thu khác khác Thiết bị ghi : Người ta dùng máy ghi băng từ đĩa mềm để ghi trị số quan trắc thơng tin hữu ích khác tách từ tin hiệu thu Nguồn lượng : Phần lớn máy thu dùng nguồn điện chiều điện áp thấp, có vài máy địi hỏi phải có nguồn điện xoay chiều 1.2 Nguyên lý hoạt động hệ thống GPS Như biết nguyên lý hoạt động hệ thống DOPPLER, nguyên lý thay đổi tần số tín hiệu nơi phát tín hiệu chuyển động Hệ thống GPS hoạt động nguyên lý hoàn toàn khác Để xác định tọa độ tuyệt đối điểm mặt đất sử dụng kỹ thuật "tựa khoảng cách" Kỹ thuật mô tả công thức: C t + C t = (x s − x p ) + (y s − y p ) + (z s − z p ) (1) đây: s=[xs ys zs] - Tọa độ vệ tinh; p=[xp yp zp] - Tọa độ điểm mặt đất; c - Tọa độ sóng; t - Thời gian sóng từ vệ tinh tới máy thu t - Số hiệu chỉnh thời gian Tập hợp phương trình đo dạng (1) ta có hệ thống phương trình sai số có ẩn số t, xp yp zp xs ys zs biết từ mã lịch vệ tinh (tần số 50Hz), t xác định theo đồng hồ vệ tinh máy thu theo mã C/A, c số tốc độ truyền sóng điện từ Theo kỹ thuật xác định tọa độ với độ xác 10 m Nếu kết gửi tới trạm điều khiển trung tâm, có tọa độ tuyệt đối mặt đất với độ xác m Sở dĩ độ xác tăng lên đáng kể máy thu thu lịch vệ tinh dự báo, cịn trạm điều khiển trung tâm có lịch vệ tinh xác Qua thấy tọa độ tuyệt đối điểm mặt đất xác định có độ xác phương pháp DOPPLER Sở dĩ vệ tinh hệ thống GPS có độ cao gấp đôi hệ thống DOPPLER Tọa độ tuyệt độ xác 10 m hệ thống GPS dùng để đáp ứng mục đích: - Đạo hàng ( định vị cho đối tượng chuyển động tàu biển, máy bay ) - Cung cấp tọa độ gần cho phương pháp đo tọa độ tương đối GPS Ngược lại với độ xác tọa độ tuyệt đối, công nghệ GPS đạt thành tựu đáng kể việc xác định tọa độ tương đối Nguyên lý đo tọa độ tương đối xác định pha sóng mang L1 (với máy thu tần số) hay L1 L2 (với máy thu tần số) Chúng ta có cơng thức: S = N +  (2) Trong đó:  - Bước sóng ( = c/f) f: Tần số sóng; N: Số nguyên lần bước sóng; : Pha sóng; S: Khoảng cách vệ tinh - máy thu Từ công thức (2) có:  = (f/c).S - N (3) Xét cơng thức (3) từ phía khác viết: (t) = s(ts ) - p(t) + Nsp (4) s(ts ) - Pha sóng thời điểm ts vệ tinh bắt đầu phát tín hiệu; p(t) - Pha sóng thời điểm t máy thu nhận tín hiệu; Nsp - Số ngun lần bước sóng Từ công thức ta suy ra: (t) = s(t) - (f/c).Ssp - p(t) + Nsp (5) Kết hợp thành phần vế phải công thức (5) biểu diễn dạng: (t) = - (f/c).Ssp - p(t) + s(t) + sp (6) Trong đó: p(t) - Thành phần ảnh hưởng hệ thống pha (t) máy thu gây (chủ yếu số hiệu chỉnh đồng hồ máy thu) s(t) - Thành phần ảnh hưởng hệ thống pha (t) vệ tinh gây (chủ yếu số hiệu chỉnh đồng hồ vệ tinh) sp(t) - Thành phần ảnh hưởng hệ thống pha (t) vệ tinh máy thu gây không phụ thuộc thời gian (chủ yếu s(to) - p(to) + Nsp , to thời điểm bắt đầu đo) Cơng thức (6) cơng thức để lập phương trình đo kỹ thuật đo tọa độ tương đối GPS Điều quan trọng phải tổ hợp trị đo cho khử thành phần hệ thống p(t), s(t) p để chọn thời điểm đo tốt nhất, giảm thiểu tác động môi trường xung quanh Trường hợp cơng trình khơng bị che chắn khơng bị ảnh hưởng tác nhân gây nhiễu chọn thời điểm đo phù hợp với thời gian tiến độ yêu cầu đơn vị thi công - Tiến hành đo : Nên sử dụng máy, tốt sử dụng từ máy trở lên để ca đo ta xác định trục Đặt máy điểm cố định mặt đất, tốt định tâm bắt buộc với máy Hai máy lại đặt điểm trục đánh dấu sàn mặt thi cơng Sau định tâm xác cân máy đo chiều cao ăng ten, nhiệt độ áp suất thời điểm đo Các số liệu nạp vào máy đồng thời phải ghi chép lại để phục vụ trình xử lý số liệu sau đo Đến thời điểm chọn, tất máy bật chế độ ghi số liệu Đến ca đo cần đo lại nhiệt độ, áp suất đồng thời ghi chép vào sổ để phục vụ cho trình xử lý sau đo Sau đo xong cần phải làm công việc sau: Trút số liệu xuống máy tính Tính cạnh (Baseline) bao gồm việc vào lại độ cao angten, nhiệt độ, áp suất Có thể xử lý tự động bán tự động để can thiệp cắt bỏ vệ tinh có tín hiệu kém, cắt bỏ bớt thời gian tăng góc ngưỡng Kiểm tra chất lượng cạnh lưới thơng qua tiêu RDOP RMS Trường hợp tiêu khơng đạt phải tính lại đo lại Các lời giải sau sử lý cạnh (Baseline) lấy nghiệm có lời giải FIX Cịn máy có kết hợp GPS GLONNASS chọn lời giải tối ưu Bình sai lưới GPS đồng thời tính chuyển toạ độ GPS hệ toạ độ cơng trình In ấn kết sau tính tốn xử lý Đo GPS chuyển trục cơng trình lên cao xây dựng nhà cao tầng, chuyển thiết kế thực địa Sau đưa điểm lên mặt sàn xây dựng công nghệ GPS Từ điểm phải tiến hành chuyển điểm lưới bố trí bên cơng trình lên mặt sàn xây dựng Quá trình thực trải qua bước sau: + Hồn ngun vị trí điểm trục thực chất dựa vào điểm GPS đo sàn (gần với điểm trục theo phương thẳng đứng) để xác định xác vị trí điểm trục đánh dấu mặt sàn thi cơng Cơng việc gần giống hồn ngun điểm lưới ô vuông xây dựng Gọi XGPS,YGPS toạ độ đo GPS , XT,YT toạ độ điểm trục cơng trình thiết kế xây dựng mặt tầng sở gần với điểm X GPS,YGPS theo phương thẳng đứng Từ giá trị ta có độ lệch toạ độ, phương vị khoảng cách sau: X = X T − X GPS Y = YT − YGPS ;  hng = arctg Y X ; d hng = X + Y  hng góc phương vị hồn ngun, dhng khoảng cách hoàn nguyên Thực hoàn nguyên với khoảng cách dhng lớn 0.3m dùng máy kinh vĩ thước thép Bằng cách đặt máy kinh vĩ điểm GPS cần hoàn nguyên, dọi tâm cân máy ngắm điểm GPS thứ lấy hướng ban đầu 0O00'00" tính góc hồn ngun(  )  =  hng −  O ( với  O phương vị từ điểm GPS cần hoàn nguyên tới điểm định hướng) Mở góc  theo chiều thuận kim đồng hồ  >0 ngược lại 