Đồ án tốt nghiệp: Khảo sát ứng dụng công nghệ GPS trong trắc địa công trình - Nguyễn Khắc Dũng

Trường Đại học Mỏ - Địa chất Đồ án tốt nghiệp Đề tài: Khảo sát ứng dụng công nghệ GPS trắc địa công trình Chuyên đề: Chuyển trục công trình lên cao công nghệ GPS Chương Khái quát công nghệ GPS 1.1.Cấu trúc hệ thống định vị GPS 1.2.Nguyên lý định vị trị đo GPS 1.3.Các phương pháp định vị GPS 1.4.Một số ứng dụng công nghệ GPS Chương Tổng quan công tác trắc địa xây dựng công trình công nghiệp nhà cao tầng 2.1 Thành lập lưới khống chế thi công 2.2 Công tác bố trí công trình công nghiệp nhà cao tầng 2.3 Các phương pháp chuyển trục công trình lên cao xây dựng công nghiệp nhà cao tầng Chương Chuyển trục công trình lên cao công nghệ GPS 3.1 Đặt vấn đề 3.2 Thực nghiệm 3.3 Chuyển trục công trình lên cao công nghệ GPS Kết Luận Nguyễn Khắc Dũng Lớp CĐ Trắc địa A K49 Trường Đại học Mỏ - Địa chất Đồ án tốt nghiệp Chương Khái quát công nghệ GPS 1.1 cấu trúc hệ thống định vị toàn cầu GPS Hệ thống định vị toàn cầu GPS (Global Positioning System) gồm phận: Đoạn không gian, đoạn điều khiển đoạn sử dụng Đoạn không gian Đoạn điều khiển Đoạn sử dụng Hình 1.1- Sơ đồ hoạt động hệ thống định vị toàn cầu GPS 1.1.1 Đoạn không gian (Space Segment) Đoạn gồm 24 vệ tinh phân bố quỹ đạo gần tròn, quỹ đạo có vệ tinh, mặt phẳng quỹ đạo nghiêng với mặt phẳng xích đạo góc 550 Bán kính quỹ đạo vệ tính xấp xỉ 26560 km, tức vệ tinh có độ cao so với mặt đất cỡ 20200 km Chu kỳ chuyển động quỹ đạo 718 (~12 giê) Sè l­ỵng vƯ tinh cã thĨ quan sát tuỳ thuộc vào thời gian vị trí quan trắc trái đất, nói thời gian vị trí mặt đất quan sát tối thiểu vệ tinh tối đa 11 vệ tinh Nguyễn Khắc Dũng Lớp CĐ Trắc địa A K49 Trường Đại học Mỏ - Địa chất Đồ án tốt nghiệp Hình 1.2- Phân bố vệ tinh quỹ đạo Năng lượng cung cấp cho hoạt động thiết bị vệ tinh pin mặt trời Mỗi vệ tinh có đồng hồ nguyên tử với độ ổn định tần số 10-12, tạo tín hiệu với tần số sở f0 = 10.23 MHz từ tạo hai tần số tải: L1 = 154.f0 = 1575.42 MHz ( cã b­íc sãng xÊp xØ 19 cm) L2 = 120.f0 = 1227.60 MHz ( có bước sóng xấp xỉ 24 cm) Các tải L1, L2 thuộc dải cực ngắn Với tần số lớn tín hiệu bị ảnh hưởng tầng điện ly (tầng Ion) Hình 1.3- Vệ tinh GPS tầng đối lưu mức độ chậm tín hiệu tầng điện ly tỷ lệ nghịch với bình phương tỷ số Để phục vụ cho mục đích đối tượng khác nhau, tín hiệu phát điều biến mang theo code riêng biệt C/A code, Pcode, Y-code Các sóng tải điều biến hai loại code khác nhau: Nguyễn Khắc Dũng Lớp CĐ Trắc địa A K49 Trường Đại học Mỏ - Địa chất Đồ án tốt nghiệp + C/A code (Coarse/Acquition code) dùng cho mục đích dân với độ xác không cao điều biến sóng tải L1 Chu kỳ lặp lại C/A code miligiây vệ tinh gắn C/A code riêng biệt + P code (Presice code) dùng cho mục đích quân (Mỹ) với độ chínhxác cao, điều biến sóng tải L1 L2 Mỗi vệ tinh gán đoạn code loại này, P code khó bị giải mà để sử dụng không phép Ngoài ra, hai sóng tải L1 L2 điều biến thông tin đạo hàng: Ephemerit vƯ tinh, thêi gian cđa hƯ thèng, sè hiƯu chỉnh đồng hồ vệ tinh, quang cảnh phân bố vệ tinh bầu trời tình trạng hệ thống + Y- code phủ lên P code nhằm chống bắt chước, gọi kỹ thuật AS (Anti Spoofing) Trong nhãm vƯ tinh (I, II, II-A) ®· đưa lên quỹ đạo có vệ tinh thuộc nhóm II (sau năm 1989) có khả Ngoài tần số trên, vệ tinh GPS trao đổi với trạm điều khiển mặt đất qua tần số 1783.74MHz 2227.5 MHz để truyền thông tin đạo hàng lệnh điều khiển tới vệ tinh Tất code khởi tạo lại sau tuần lễ GPS vào nửa đêm thứ bẩy, sáng chủ nhật Trên sở C/A code, vệ tinh phát code tựa ngẫu nhiên riêng vệ tinh gọi PRN – code (Pseudo Random Noise code) code nµy dµi 37 tuần lễ Code ngẫu nhiên sở để định vị tuyệt đối khoảng cách giả dựa vào ®ã nhËn biÕt ®­ỵc sè liƯu cđa vƯ tinh NÕu can thiệp chủ động khác vào tÝn hiƯu cđa vƯ tinh, tøc cì  m Chính trước Bộ Quốc Phòng Mỹ đà đưa vào liệu thời gian vệ tinh GPS loại nhiễu SA (Selecke Availability) để giảm độ xác định vị tuyệt đối xuống cỡ 50 100 m Nhưng ngày 2/5/2000, phủ Mỹ đà tuyên bố bỏ SA Điều có nghĩa độ xác định vị tuyệt đối thời gian sau bỏ SA đà cải thiện 1.1.2 Đoạn điều khiển (Control Segment) Nguyễn Khắc Dũng Lớp CĐ Trắc địa A K49 Trường Đại học Mỏ - Địa chất Đồ án tốt nghiệp Hình 1.4- Trạm điều khiển hệ thống GPS Đoạn điều khiển gồm trạm quan sát mặt đất Hawaii (Thái Bình Dương), Assension Island (Đại Tây Dương), Diego Garcia (ấn Độ Dương), Kwajalein (tây Thái Bình Dương) trạm điều khiển trung tâm đặt không quân Mỹ gần Colorado Spring Đoạn điều khiển có nhiệm vụ điều khiển toàn hoạt động vệ tinh sở theo dõi quỹ đạo chuyển động vệ tinh hoạt động đồng hồ vệ tinh Tất trạm điều khiển có máy thu GPS theo dõi liên tục vệ tinh, đồng thời đo số liệu khí tượng Trạm trung tâm xử lý số liệu truyền từ trạm với số liệu đo Kết xử lý cho ephemerit xác hoá vệ tinh số hiệu chỉnh cho đồng hồ vệ tinh Các số liệu truyền từ trạm điều khiển trung tâm tới trạm quan sát, từ truyền tiếp lên vệ tinh với lệnh điều khiển khác Việc xác hoá thông tin tiến hành lần ngày Ngoài ra, trạm trung tâm điều khiển hiệu chỉnh quỹ đạo, khởi động vệ tinh dự phòng cần thiết thay vệ tinh đà ngừng hoạt động 1.1.3 Đoạn sử dụng (User Segment) Đoạn gồm tất máy móc, thiết bị thu nhận thông tin từ vệ tinh để khai thác sử dụng cho mục đích yêu cầu khác Đó máy thu riêng biệt, hoạt động độc lập (trường hợp định vị tuyệt đối) hay mộtnhóm từ hai máy thu trở lên hoạt động Hình 1.5- Máy thu GPS Nguyễn Khắc Dũng Lớp CĐ Trắc địa A K49 Trường Đại học Mỏ - Địa chất Đồ án tốt nghiệp đồng thời theo lịch trình định (trường hợp định vị tương đối) hoạt động theo chế độ máy thu đóng vai trò máy chủ phát tín hiệu vô tuyến hiệu chỉnh cho máy thu khác (định vị vi phân) 1.2 Nguyên lý định vị trị đo GPS 1.2.1 Nguyên lý định vị GPS Nguyên lý định vị GPS sử dụng vệ tinh GPS điểm chuẩn di động có toạ độ đà biết để xác định vị trí điểm mặt đất, mặt biển không trung phương pháp giao hội cạnh không gian Giả sử đo xác khoảng cách từ điểm đặt máy thu đến vệ tinh vị trí điểm cần xác định (điểm đặt máy) giao điểm mặt cần có bán kính khoảng cách từ máy thu đến vệ tinh thứ vòng tròn giao tuyến hai mặt cầu có bán kính khoảng cách từ máy thu đến vệ tinh thứ thứ hai Thông thường, hai giao điểm cho đáp số vô lý (hoặc xa phải dịch chuyển với tốc độ không tưởng) phải loại bỏ Trong công nghệ GPS đà đặt yêu cầu phải thu tín hiệu từ vệ tinh điều liên quan đến việc tính số hiệu chỉnh đồng hồ Để xác định xác khoảng thời gian truyền sóng phải biết vị trí xác vệ tinh Hai vấn đề định vị GPS giải đoạn điều khiển, cấu tạo máy thu cấu tạo vệ tinh GPS 1.2.2 Các trị đo GPS Trị đo GPS số liệu máy thu GPS nhận từ tín hiệu vệ tinh truyền tới Mỗi vệ tinh GPS phát thông số cho việc đo đạc chia thành hai nhóm: - Nhóm trị đo code: C/A – code, P – code - Nhãm trÞ đo pha: L1, L2 tổ hợp L1/L2 Các trị đo sử dụng riêng biệt kết hợp để xác định khoảng cách từ vệ tinh đến máy thu Nguyễn Khắc Dũng Lớp CĐ Trắc địa A K49 Trường Đại học Mỏ - Địa chất Đồ án tốt nghiệp 1.2.2.1 Trị đo code Trong trường hợp này, máy thu nhận code phát từ vƯ tinh, so s¸nh víi code tù m¸y thu tạo nhằm xác định thời gian truyền tín hiệu từ vệ tinh đến máy thu từ khoảng cách từ máy thu tới vệ tinh xác định theo c«ng thøc: D = c.t + c.t +  (1.1) Trong đó: c : vận tốc truyền sóng (ánh sáng) = 299792458 m/s t : thời gian trun tÝn hiƯu (sãng) t : lµ sè hiƯu chØnh không đồng đồng hồ máy thu vệ tinh : số hiệu chỉnh môi trường Hiện nay, độ xác định vị với trị ®o code cã thĨ ®¸t tíi 30m Víi ®é chÝnh xác trị đo code sử dụng định vị đạo hàng đo đạc độ xác thấp 1.2.2.2 Trị đo pha sóng tải Sóng tải phát từ vệ tinh có chiều dài bước sóng không đổi Nếu gọi chiều dài bước sóng khoảng cách vệ tinh máy thu GPS là: D = N. + (1.2) Trong đó: N : số nguyên lần bước sóng : phần lẻ bước sóng Trị đo pha phần lẻ bước sóng thể qua độ di pha sóng tải thu từ vệ tinh sóng tải máy thu tạo Phần lẻ đo với độ xác cỡ 1% bước sóng, tức khoảng vài mm Biểu thức xác định độ di pha:  = R + c(t - T) - .N + atm +  (1.3) Trong ®ã: R = ( X s  X r )  (Ys  Yr )  ( Z s  Z r ) (1.4) R : khoảng cách từ vệ tinh đến máy thu Nguyễn Khắc Dũng Lớp CĐ Trắc địa A K49 Trường Đại học Mỏ - Địa chất Đồ án tốt nghiệp Xs, Ys, Zs : toạ độ không gian ba chiều vệ tinh Xr, Yr, Zr : toạ độ không gian ba chiều vị trí anten máy thu c : tốc độ truyền sóng (ánh sáng) t : độ lệch đồng hồ máy thu T : độ lệch đồng hồ vệ tinh : bước sóng sóng tải N : số nguyên lần bước sóng từ vệ tinh đến anten máy thu atm : lµ sai sè khÝ qun  : lµ tỉng hợp sai số khác Định vị với trị đo pha sóng tải có độ xác cao địn vị với trị đo code Vấn đề trường hợp xác định số nguyên lần bước sóng (số nguyên đa trị N) anten máy thu vệ tinh 1.3 Các phương pháp định vị GPS 1.3.1 Định vị tuyệt đối v3 v2 v4 v1 Hình 1.6- Định vị tuyệt đối Định vị tuyệt đối gọi định vị điểm đơn, tức dựa vào trị đo khoảng cách từ vệ tinh đến máy thu GPS để xác định trực tiếp vị trí tuyệt đối anten máy thu hệ toạ độ WGS 84 (hệ toạ độ có điểm gốc tâm khối lượng trái đất) Định vị tuyệt đối chia thành định vị tuyệt đối tĩnh định vị tuyệt đối động Tĩnh hay động nói trạng thái (anten) máy thu trình định vị Nguyễn Khắc Dũng Lớp CĐ Trắc địa A K49 Trường Đại học Mỏ - Địa chất Đồ án tốt nghiệp Độ xác định vị tuyệt đối tĩnh ước tính đạt tới cỡ mét, độ xác định vị tuyệt đối động khoảng 10 40 m Trong định vị tuyệt đối tĩnh quan trắc liên tục vệ tinh khác thời điểm khác để đo khoảng cách từ vệ tinh đến điểm trạm đo có nhiều trị đo thừa, qua xử lý số liệu toạ độ tuyệt đối điểm trạm đo Trong trường hợp định vị tuyệt đối theo phương pháp đo khoảng cách giả thời điểm ti, từ trạm đo, quan trắc đồng bé vÖ tinh, j = 1, 2, 3, ta có hệ phương trình viết dạng ma trËn Ai.X + Li = (1.5) Khi quan trắc đồng với số lượng vệ tinh nhiều cần nghiệm theo phương pháp số bình phương nhỏ Lúc (1.5) viết dạng hệ phương trình sai số: Vi = Ai.X + Li (1.6) Nếu số lượng thời điểm quan trắc n bỏ qua thay đổi đồng hồ máy thu theo thời gian từ (1.6) ta có hệ phương trình sai số tương ứng là: V = A.X +L (1.7) Trong ®ã: V = ( V1 V2 Vn)T A = (A1 A2 An)T L = (L1 L2 Ln)T X = (X Y Z T)T Theo phương pháp số bình phương nhá nhÊt, ta cã: X = -(AT.A)-1.(AT.L) (1.8) Sai sè trung phương ẩn số tính theo công thức: M Xi (1.9)   Qii Trong ®ã:  : sai số trị đo khoảng cách giả (SSTP trọng số đơn vị) Qii : phần tử tương ứng đường chéo ma trận hệ số QX Nguyễn Khắc Dũng Lớp CĐ Trắc địa A K49 Trường Đại học Mỏ - Địa chất Đồ án tốt nghiệp QX = (ATA)-1 Định vị tuyệt đối theo pha sóng tải có độ xác cao so với phương pháp đo khoảng cách giả Trong định vị tuyệt đối đo pha sóng tải cần ý hiệu chỉnh sai số tầng điện ly tầng đối lưu, khôi phục pha sóng tải, xác định số nguyên lần bước sóng Kết định vị tuyệt đối theo phương pháp pha sóng tải dùng làm trạm tham khảo trạm gốc ( có toạ độ tương đối xác) cho định vị tương đối 1.3.2 Định vị tương đối Định vị tương đối trường hợp dùng hai máy thu GPS đặt điểm khác nhau(2 điểm mút đường đáy) quan trắc đồng vệ tinh để xác định vị trí tướng đối (X, Y, Z B, L, H) hai điểm mút đường đáy vector đường đáy hệ toạ độ WGS 84 Tương tự, nhiều máy thu đặt điểm mút số đường đáy, quan trắc đồng vệ tinh GPS xác định số vector đườngđáy Nếu đà biết toạ độ điểm dùng vecor đường đáy để tính toạ độ điểm Hình 1.7- Định vị tương đối Định vị tương đối phân chia thành định vị tương đối tĩnh định vị tương đối động Trong định vị tương đối trị đo thường sử dụng pha sóng tải Nguyễn Khắc Dũng 10 Lớp CĐ Trắc địa A K49