Thiết kế lưới khống chế cơ sở khu đô thị Vân Canh – Hoài Đức – Hà Nội ứng dụng công nghệ GPS

Trong giai đoạn hiện nay, trước sự phát triển như vũ bão của khoa học công nghệ, việc áp dụng các thành tựu khoa học kỹ thuật tiên tiến vào trong tất cả các lĩnh vực của đời sống xã hội là một tất yếu khách quan. Trong trắc địa cũng vậy, công nghệ GPS đã mở ra một kỷ nguyên mới, đã thay thế công nghệ truyền thống trong việc thành lập và xây dựng các mạng lưới toạ độ các cấp. Ứng dụng công nghệ GPS cho phép chúng ta thành lập các mạng lưới toạ độ trên diện rộng, không những bao phủ toàn quốc mà còn cho phép liên kết với các mạng lưới trên thế giới. Công nghệ GPS đã giúp các nhà quản lý giải quyết được bài toán vĩ mô mang tính toàn cầu.

Ứng dụng công nghệ GPS cho phép chúng ta thành lập các mạng lưới toạ

độ trên diện rộng, không những bao phủ toàn quốc mà còn cho phép liên kết vớicác mạng lưới trên thế giới Công nghệ GPS đã giúp các nhà quản lý giải quyếtđược bài toán vĩ mô mang tính toàn cầu

Chúng ta ứng dụng công nghệ GPS trong hơn 10 năm qua đã giải quyếtđược các bài toán lớn như (xây dựng hệ VN2000, thành lập được mạng lưới Địachính cơ sở phủ trùm toàn quốc, ghép nối toạ độ VN2000 với các hệ toạ độkhác, xây dựng trạm DGPS…)

Khi xây dựng khu đô thị, công tác trắc địa đóng vai trò rất quan trọng ,phục vụ cho công tác quy hoạch và công tác bố trí công trình Nhằm tìm hiểu

vân đề này, em nhận đề tài: “ Thiết kế lưới khống chế cơ sở khu đô thị Vân Canh – Hoài Đức – Hà Nội ứng dụng công nghệ GPS ”

Đồ án gồm 3 chương:

Chương I: Khái quát về công nghệ GPS

Chương II: Thiết kế lưới khống chế cơ sở khu đô thị Vân Canh – Hoài

Đức – Hà Nội

Chương III: Hạch toán kinh tế

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

Trong quá trình nghiên cứu, em đã nhận được sự hướng dẫn nhiệt tình của

TS Lê Minh Tá và các thầy cô giáo trong bộ môn trắc địa cao cấp, cũng như cácthầy cô giáo trong khoa Trắc địa – Trường Đại học Mỏ-Địa Chất

Mặc dù đã có nhiều cố gắng, nhưng do trình độ còn hạn chế nên bản đồ ánnày không thể tránh khỏi những sai sót, rất mong nhận được sự chỉ bảo của cácthầy cô giáo và sự đóng góp của các bạn đồng nghiệp để bản đồ án của em đượchoàn thiện hơn

MỤC LỤC

LỜI MỞ ĐẦU 1

MỤC LỤC 3

CHƯƠNG I: KHÁI QUÁT VỀ CÔNG NGHỆ GPS 5

I.1 CẤU TRÚC VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG GPS 5

I.1.1 Đoạn không gian 6

1.1.2 Đoạn điều khiển 7

1.1.3 Đoạn sử dụng 7

1.2 CÁC NGUYÊN LÝ ĐỊNH VỊ 8

1.2.1 Các đại lượng đo 8

1.2.2 Định vị tuyệt đối (Point Positioning) 10

1.2.3 Định vị tương đối (Relative Positioning) 11

I.3 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐO VÀ CÁC NGUỒN SAI SỐ 12

I.3.1 Đo cải chính phân sai GPS (Code – based Differential GPS) 13

I.3.2 Đo tĩnh (Static) 14

I.3.3 Kỹ thuật đo động (Kinematic) 14

I.3.4 Kỹ thuật đo giả động (Pseudo - Kinematic) 15

I.3.5 Các nguồn sai số trong định vị GPS 16

I.4 CÁC PHƯƠNG PHÁP CƠ BẢN THÀNH LẬP LƯỚI 19

I.5 CÁC ỨNG DỤNG CỦA GPS TRONG TRẮC ĐỊA 22

I.5.1 Xây dựng lưới khống chế mặt bằng 22

I.5.2 GPS phục vụ đo vẽ địa chính 24

CHƯƠNG II: THIẾT KẾ LƯỚI KHỐNG CHẾ CƠ SỞ KHU ĐÔ THỊ VÂN CANH- HOÀI ĐỨC- HÀ NỘI 26

II.1 MỤC ĐÍCH, YÊU CẦU 26

II.2 ĐẶC ĐIỂM, TÌNH HÌNH KHU ĐO 28

II.3 THIẾT KẾ LƯỚI GPS 29

II.3.1 Phương án thành lập lưới 29

II.3.2 Thiết kế đồ hình lưới 31

II.3.3 Phương án tổ chức thi công 32

CHƯƠNG III: HẠCH TOÁN KINH TẾ 35

III.1 CĂN CỨ PHÁP LÝ 35

III.2 DỰ TOÁN KINH PHÍ 35

III.2.1 Chi phí trực tiếp A 36

III.2.2 Tính chi phí chung (B) và chi phí khác (F) 40

III.2.3 Thuế giá trị gia tăng 41

III.3 CÁC BIỆN PHÁP ĐỀ PHÒNG VÀ THỰC HIỆN AN TOÀN LAO ĐỘNG 46

III.4 Các biện pháp nâng cao năng suất lao động 47

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 49

TÀI LIỆU THAM KHẢO 50

CHƯƠNG I: KHÁI QUÁT VỀ CÔNG NGHỆ GPS

Từ những năm 1960, Bộ Quốc phòng Mỹ và cơ quan hàng không quốc gia(NASA) đã triển khai hệ thống đạo hành mang tên TRANSIT Hệ thống này đãsớm đạt được các ưu điểm của hệ thống đạo hàng và trở thành dịch vụ dẫnđường từ năm 1967 Hệ thống TRANSIT hoạt động trên nguyên lý Dopper, các

vệ tinh của TRANSIT phát tín hiệu ở hai tần số là 150 MHz và 400MHz Vớitần 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 trong 20’, trong khi đó yêu cẩu củađịnh vị điểm phải quan sát vệ tinh 1h-3h Theo ước tính có khoảng 80.000 đơn

vị dân sự đã sử dụng hệ thống TRANSIT cho đạo hàng Hệ thống TRANSIT kếtthúc 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 2năm 1978 vệ tinh đầu tiên của hệ thống định vị toàn cầu GPS đã đưa lên quỹđạo Từ năm 1978-1985 có 11 vệ tinh Block I được phóng lên quỹ đạo Hiệnnay, hầu hết số vệ tinh thuộc Block I đã hết thời hạn sử dụng Việc phóng vệtinh 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 550 so với mặt phẳng xích đạo trái đấtvới chu kỳ 12h ở độ cao khoảng 20.200km Loại vệ tinh thế hệ II (Block IIR)

được đưa lên quỹ đạo vào năm 1995 [10], cho đến nay có 32 vệ tinh GPS đanghoạt 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 vềphi quân sự

I.1 Cấu trúc và nguyên lý hoạt động của hệ thống GPS

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

Đoạn không gian (Space Segment)

Đoạn điều khiển (Control Segment)

Đoạn sử dụng (User Segment)

I.1.1 Đoạn không gian

Đoạn không gian bao gồm 24 vệ tinh chuyển động trên 6 mặt phẳng quỹđạo ở độ cao khoảng 20200km Mặt phẳng quỹ đạo nghiêng với mặt phẳng xíchđạo trái đất một góc 550 Vệ tinh GPS chuyển đông trên quỹ đạo gần như trònđều với chu kỳ 718 phút (12 giờ) Với sự phân bố vệ tinh trên quỹ đạo, như vậytrong suốt thời gian nào và bất kỳ vị trí quan sát nào trên trái đất cũng có thểquan sát được tối thiểu 4 vệ tinh

Hình 1:Các vệ tinh GPS trên bầu trời Hình 2: Số lượng vệ tinh trong từng

thời điểm

Các vệ tinh GPS có trọng lượng khoảng 1600 kg khi phóng và khoảng800kg trên quỹ đạo Theo thiết kế, tuổi thọ của vệ tinh khoảng 7,5 năm Nănglượng cung cấp cho hoạt động của các thiết bị trên vệ tinh là năng lượng mặttrời Mỗi vệ tinh được trang bị 4 đồng hồ nguyên tử, trong đó có 2 đồng hồ loạiCensium và 2 đồng hồ loại Radium có độ chính xác thời gian là 10-12s Các đồng

hồ này không chỉ có mục đích dự phòng mà còn tạo ra cơ sở giám sát thời gian

và cung cấp giờ Thêm vào đó, mỗi vệ tinh còn được trang bị bộ tạo dao độngthạch anh với độ chính xác rất cao

Các vệ tinh GPS đều có thiết bị tạo dao động với tần số cơ sở chuẩn

f0 = 10.24 MHz Từ tần số cơ sở thiết bị sẽ tạo ra 2 tần số sóng tải L1,L2

L1 = 154 f0 = 1575.42 MHz có bước sóng λ1 = 19.032 m

L2 = 120 f0 = 1227.60 MHz có bước sóng λ2 = 24.142 m

1.1.2 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 ColoradoSpring, bang Colorado, USA

Các trạm theo dõi tại Hawai (Thái Bình Dương), Ascension Island (ĐạiTây Dương), Diego Garcia (Ấn Độ Dương) và Kwajalein (Tây Thái BìnhDương) có nhiệm vụ theo dõi liên tục tất cả các vệ tinh có thể quan sát được

Trạm chủ là nơi nhận và xử lý các tín hiệu thu từ các vệ tinh tại 4 trạmtheo dõi Sau khi số liệu GPS được thu thập, xử lý, toạ độ và độ lệch đồng hồcủa từng vệ tinh được tính toán và hiệu chỉnh tại trạm chủ và sau đó truyền tớicác vệ tinh hàng ngày qua các trạm theo dõi

1.1.3 Đoạn sử dụng

Gồm tất cả các máy móc thiết bị nhận thông tin từ vệ tinh để khai thác, sửdụng 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

Máy thu GPS là phần cứng quan trọng trong đoạn sử dụng Nhờ các tiến

bộ kỹ thuật trong lĩnh vực điện tử viễn thông và kỹ thuật thông tin tín hiệu số,các máy thu GPS ngày một hoàn thiện Một số hãng chế tạo cũng cho ra đời cácmáy thu có thể thu đồng thời tín hiệu vệ tinh GPS và GLONASS

Cùng với máy thu còn có các phần mềm phục vụ xử lý thông tin nhưTrimvec, Trimnet Plus, GPSurvey,… Các phần mềm này ngày càng hoàn thiện,nâng cao độ chính xác và hiệu quả tính toán, xử lý

1.2 Các nguyên lý định vị

1.2.1 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 code) và đo pha của sóng tải (L1, L2)

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 thuGPS 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 cáchthời 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 bộgiữa đồng hồ của vệ tinh và máy thu, do có ảnh hưởng của môi trường lantruyền 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

Nếu ký hiệu toạ độ của vệ tinh là xs, ys, zs; toạ độ của điểm xét (máy thu)

là x, y, z; thời gian lan truyền tín hiệu từ vệ tinh đến điểm xét là t, sai số khôngđồng bộ giữa đồng hồ trên vệ tinh và trong máy thu là ∆t, khoảng cách giả đođược là R, ta có phương trình:

Trong đó c là tốc độ lan truyền tín hiệu

Hình 3: Nguyên lý xác định vị trí bằng GPS

Trong trường hợp sử dụng C/A code, theo dự tính của các nhà thiết kế hệthống GPS, kỹ thuật đo khoảng cách thời gian lan truyền tín hiệu chỉ có thể đảmbảo độ chính xác đo khoảng cách tương ứng cỡ 30m Nếu tính đến ảnh hưởngcủa điều kiện lan truyền tín hiệu, sai số đo khoảng cách theo C/A code sẽ ở mức100m là mức có thể chấp nhận được để cho khách hàng dân sự được khai thác.Song kỹ thuật xử lý tín hiệu code này được phát trển đến mức có thể đảm bảo độchính xác đo khoảng cách cỡ 3m, tức là hầu như không thua kém so với trườnghợp sử dụng P-code vốn không dành cho khách hàng đại trà Chính vì lý đo 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 nhiều SA, Chínhphủ Mỹ tuyên bố bỏ nhiễu SA trong trị đo GPS từ tháng 5 năm 2000

b 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 máythu nhận được từ vệ tinh và pha của tín hiệu do chính máy thu tạo ra Hiệu sốpha do máy thu đo được ký hiệu là Ф (0< Ф<2Π) ) Khi đó ta có thể viết:

Ф = (R-Nλ + c∆t) (1.2)

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

λ là bước sóng của sóng tải;

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 được mà cầnphải xác định trong thời gian đo

Trong trường hợp đo pha theo sóng tải L1 có thể xác định khoảng cáchgiữa vệ tinh và máy thu với độ chính xác cỡ cm thậm chí còn nhỏ hơn Sóng tải

L2 cho độ chính xác thấp hơn nhiều, nhưng tác dụng của nó là cùng với L1 tạo rakhả năng làm giảm đáng kể tầng điện ly và việc xác định số nguyên đa trị đượcđơn giản hơn

1.2.2 Định vị tuyệt đối (Point Positioning)

Đây là trường hợp sử dụng máy thu GPS để xác định ngay toạ độ củađiểm quan sát trong hệ toạ độ WGS84 Đó có thể là các thành phần toạ độ vuônggóc không gian (X, Y, Z) hoặc các thành phần toạ độ mặt cầu ( B, L, H) Hệthống toạ độ WGS84 là hệ thống toạ độ cơ sở của GPS, toạ độ của vệ tinh vàđiểm quan sát điều lấy theo hệ thống toạ độ này Nó được thiết lập gắn vớielipxoid có kích thước như sau:

a = 6378137 1/α = 298,2572…

Việc đo GPS tuyệt đối được thực hiện trên cơ sở sử dụng đại lượng đo làkhoảng cách giả từ vệ tinh đến máy thu theo nguyên tắc giao hội cạnh khônggian từ các điểm đã biết là toạ độ các vệ tinh

Nếu biết chính xác khoảng cách thời gian lan truyền tín hiệu code tựangẫu nhiên từ vệ tinh đến máy thu, ra sẽ tính được khoảng cách chính xác giữa

vệ tinh và máy thu Khi đó 3 khoảng cách được xác định đồng thời từ 3 vệ tinhđến máy thu sẽ cho ta vị trí không gian đơn trị của máy thu Song trên thực tế cảđồng hồ trên vệ tinh và đồng hồ trong máy thu đều có sai số, nên khoảng cách

đo được không phải là khoảng cách chính xác Kết quả là chúng không thể cắtnhau tại một điểm, nghĩa là không thể xác định được vị trí của máy thu Để khắcphục tình trạng này cần sử dụng thêm một đại lượng đo nữa, đó là khoảng cách

từ vệ tinh thứ 4, ta có các phương trình (1.3) sau:

Với 4 phương trình 4 ẩn số (X, Y, Z, ∆t) ta sẽ tìm được nghiệm là toạ độtuyệt đối của máy thu, ngoài ra còn xác định được thêm số hiệu chỉnh của đồng

hồ (thạch anh) của máy thu

Trên thực tế với hệ thống vệ tinh hoạt động đầy đủ như hiện nay, số lượng

vệ tinh mà các máy thu quan sát được thường từ 6-8 vệ tinh, khi đó nghiệm củaphương trình sẽ tìm theo nguyên lý số bình phương nhỏ nhất

1.2.3 Định vị tương đối (Relative Positioning)

Đo GPS tương đối là trường hợp sử dụng hai máy thu GPS đặt ở hai điểmquan sát khác nhau để xác định ra hiệu toạ độ vuông góc không gian (∆X, ∆Y,

∆Z) hay hiệu toạ độ mặt cầu (∆B, ∆L, ∆H) giữa chúng trong hệ toạ độ WGS84

Nguyên tắc đo GPS tương đối được thực hiện trên cơ sở sử dụng đạilượng đo là pha của sóng tải Để đạt được độ chính xác cao và rất cao cho kếtquả xác định hiệu toạ độ giữa hai điểm xét, người ta đã tạo ra và sử dụng các saiphân khác nhau cho pha sóng tải nhằm làm giảm ảnh hưởng đến các nguồn sai

số khác nhau như: Sai số của đồng hồ vệ tinh cũng như của máy thu, sai số toạ

độ vệ tinh, sai số số nguyên đa trị,…

Ta ký hiệu là hiệu pha của sống tải từ vệ tinh j đo được tại trạm r và

thời điểm ti, khi đó nếu hai trạm đo 1 và 2 ta quan sát đồng thời vệ tinh j vàothời điểm t, ta sẽ có sai phân bậc 1 được biểu diễn như sau:

Sai phân này cho phép loại trừ sai số số nguyên đa trị

Hiện nay hệ thống GPS có khoảng 27 - 28 vệ tinh hoạt động Do vậy, tạimỗi thời điểm ta có thể quan sát được số vệ tinh nhiều hơn 4 Bằng cách tổnghợp theo từng cặp vệ tinh sẽ có rất nhiều trị đo, mặt khác thời gian thu tín hiệu

trong đo tương đối thường khá dài, vì vậy số lượng trị đo để xác định ra hiệu toạ

độ giữa hai điểm là rất lớn, khi đó bài toán sẽ giải theo phương pháp số bìnhphương nhỏ nhất

I.3 Các phương pháp đo và các nguồn sai số

Trong công tác khai thác và sử dụng hệ thống GPS hiện nay, tuỳ từngtính chất công việc, độ chính xác các đại lượng cần tìm mà người ta sử dụngphương pháp đo cho phù hợp Hiện nay trong thực tế có một số kỹ thuật đo nhưsau:

I.3.1 Đo cải chính phân sai GPS (Code – based Differential GPS)

Hiện nay do nhu cầu định vị với độ chính xác cỡ dm đến vài m trong khi

đó mặc dù chính phủ Mỹ đã khuyến cáo bỏ chế độ can thiệp SA nhưng độ chínhxác của định vị tuyệt đối vẫn không dưới 10m Vì vậy, các nhà sản xuất đã đưa

ra phương pháp đo sai phân

Trong phương pháp này cần một máy thu GPS được kết nối với một bộđiều biến để phát tín hiệu tại điểm gốc, một số máy khác (máy di động) đặt tại vịtrí các điểm cần xác định toạ độ Cả máy cố định và máy thu cùng thu tín hiệu

vệ tinh như nhau Nếu thông tin từ vệ tinh bị nhiễu thì kết quả xác định toạ độcủa máy cố định và máy thu cùng bị sai lệch như nhau Độ sai lệch này được xácđịnh trên cơ sở so sánh toạ độ tính theo tín hiệu và toạ độ của máy cố định đã

biết trước Sai lệch đó ở máy cố định phát qua sóng vô tuyến để máy di độngnhận được và hiệu chỉnh kết quả cho các điểm đo

Ngoài cách hiệu chỉnh toạ độ thì người ta còn tiến hành hiệu chỉnhkhoảng cách từ vệ tinh tới máy thu Cách hiệu chỉnh này đòi hỏi máy thu cốđịnh có cấu tạo phức tạp và tốn kém hơn Nhưng cho phép người sử dụng xử lýchủ động và linh hoạt hơn

Phương pháp này có hai cách xử lý số hiệu chỉnh tại điểm di động:

Phương pháp xử lý tức thời (Real time)

Phương pháp xử lý sau (Post processing)

Để đảm bảo độ chính xác cần thiết, các số hiệu chỉnh cần được xác định

và phát chuyển nhanh với tần suất cao, chẳng hạn để cho khoảng cách từ vệ tinhđến máy thu được hiệu chỉnh toạ độ chính xác cỡ 5m thì số hiệu chỉnh phải đượcphát chuyển đi với tần suất 15s/lần Cũng với lý do này mà phạm vi hoạt động

có hiệu quả của một máy thu cố định không phải là tuỳ ý mà thường hạn chế ởbán kính vài trăm km Người ta đã xây dựng hệ thống GPS vi phân diện rộngcũng như mạng lưới GPS vi phân gồm một số trạm cố định để phục vụ nhu cầuđịnh vị cho cả một lục địa hay đại dương với độ chính xác cỡ 10m Phương phápđịnh vị GPS vi phân có thể đảm bảo độ chính xác phổ biến cỡ vài ba m đến dm

I.3.2 Đo tĩnh (Static)

Đo tĩnh (Static) hay đo tĩnh nhanh (Fast - Static) là phương pháp đo tươngđối, sử dụng hai hoặc nhiều máy thu đồng thời tín hiệu trong một thời gian dài

để xác định ra hiệu toạ độ giữa các máy thu Các trạm đo đồng thời sẽ tạo thànhcác đoạn đo

Đo tĩnh là phương pháp đo có độ chính xác cao nhất, với các máy thuGPS 1 tần số và 2 tần số hiện nay cho độ chính xác rất cao phục vụ cho công tácxây dựng các mạng lưới trắc địa nhà nước, nghiên cứu địa động,…

Ở khoảng cách dài từ vài chục đến vài trăm km, người ta thường sử dụngmáy đo hai tần số L1, L2 để khắc phục sai số đo tầng điện ly

I.3.3 Kỹ thuật đo động (Kinematic)

Ra đời từ những năm 1985 song đến những năm 1990 mới được áp dụngrộng rãi nhờ có tiến bộ trong lời giải OTS Ở nước Mỹ kỹ thuật đo động đượctriển khai thử nghiệm từ năm 1997 Phương pháp đo dựa trên nguyên lý định vịtương đối

Cơ sở của định vị động là dựa trên sự khác nhau của trị đo giữa hai chu kỳ

đo (epoch), được nhận bởi một máy thu tín hiệu của chính vệ tinh nào đó chuyểnđến Sự thay đổi đó tương đương với sự thay đổi khoảng cách địa diện đến vệtinh

Kết quả của định vị động là xác định được các điểm trên đường đi củamáy thu di động so với máy thu cố định Trạm máy cố định được gọi là trạmtham khảo (reference) hay còn gọi là trạm BASE Máy thu đặt tại trạm phải đảmbảo cố định trong suốt thời gian đo động Máy thu di động gọi là Rover, được diđộng trên các điểm đo cần xác định toạ độ (trên đất liền, trên không trung, trênbiển) Trong thời gian đo, cả hai máy phải đảm bảo thu được liên tục ít nhất 4 vệtinh Định vị động có thể sử dụng đối với trị đo khoảng cách giả hoặc trị đo phasóng tải hoặc phối hợp cả hai loại trên Trong các trường hợp việc sử dụng phasóng tải có độ chính xác cao hơn

Định vị động cần thực hiện thủ tục khởi đo trên mặt đất nhờ cặp điểm biếttoạ độ Cặp điểm này thường được xác định trước nhờ đo tĩnh hoặc tĩnh nhanh.Ngoài ra có thể khởi đo nhờ kỹ thuật OTF Trong quá trình đo, vì lý do nào đó

số vệ tinh thu được ít hơn 4, sẽ bị mất khởi đo, trong trường hợp này phải thựchiện lại thủ tục khởi đo

Khoảng cách từ trạm BASE đến trạm ROVER không được quá xa, đối vớimáy thu một tần TRIMBLE 4600LS chỉ cho phép khoảng cách tối đa là 10km.Thời gian dừng máy tại điểm đo thường chỉ cần kéo dài vài giây đến vài phútsao cho đủ ghi ít nhất hai số liệu đo, thời gian này phụ thuộc vào chế độ màngười đo cài đặt Một thiết bị khác đi cùng với chế độ đo động là bộ điều khiển

đo (Survey Controller)

Phương pháp đo động cũng được thực hiện theo hai chế độ là đo động xử

lý sau (Post Processing Kinematic- PPK) và đo động thời gian thực (Real TimeKinematic - RTK) Trong phương pháp PPK, toạ độ sẽ được tính toán xử lýtrong phòng do vậy không cần thiết đến Radio Link, nhưng với RTK thì thiết bị

đó không thể thiếu được, nó đóng vai trò truyền đi tín hiệu chứa các số hiệuchỉnh về toạ độ từ trạm máy BASE

I.3.4 Kỹ thuật đo giả động (Pseudo - Kinematic)

Phương pháp đo giả động cho phép xác định vị trí tương đối của hàng loạtđiểm so với điểm đã biết trong khoảng thời gian đo khá nhanh, nhưng độ chínhxác định vị không cao bằng phương pháp đo động Trong phương pháp này,không cần làm thủ tục khởi đo, tức là không cần sử dụng cạnh đáy đã biết Máy

cố định cũng phải tiến hành thu tín hiệu trong suốt chu kỳ đo, máy di động đượcchuyển tới các điểm cần xác định và mỗi điểm thu tín hiệu 5-10 phút

Sau khi đo hết lượt máy di động quay trở về điểm xuất phát và đo lặp lạitất cả các điểm theo đúng trình tự như trước, nhưng chú ý phải đảm bảo khoảngthời gian giãn cách giữa hai lần đo tại mỗi thời điểm không ít hơn 1 tiếng đồng

hồ Yêu cầu nhất thiết của phương pháp này là phải có ít nhất 3 vệ tinh chungcho cả hai lần đo tại mỗi điểm quan sát

I.3.5 Các nguồn sai số trong định vị GPS

I.3.5.1 Sai số do độ sai lệch đồng hồ

Sai số do sự không đồng bộ giữa đồng hồ vệ tinh và máy thu gây ra sai sốrất lớn trong kết quả đo GPS, đặc biệt là trong định vị tuyệt đối.

Các vệ tinh được trang bị đồng hồ nguyên tử có độ chính xác cao, tínhđồng bộ về thời gian giữa các đồng hồ vệ tinh được giữ khoảng 20nano giây.Còn các máy thu GPS được trang bị đồng hồ thạch anh chất lượng cao (1/104)đặt bên trong

Chúng ta biết rằng vận tốc truyền tín hiệu khoảng 3 108m/s, nếu sai sốđồng hồ thạch anh là 10-4s thì sai số khoảng cách tương ứng là 30km, nếu đồng

hồ nguyên tử sai 10-7s thì khoảng cách sai là 30km

Với ảnh hưởng như trên, người ta đã sử dụng nguyên tắc định vị tươngđối để loại trừ ảnh hưởng của sai số đồng hồ

I.3.5.2 Sai số quỹ đạo vệ tinh

Chúng ta đã biết vệ tinh chuyển động trên quỹ đạo xung quanh trái đấtchịu nhiều sự tác động như ảnh hưởng của sự thay đổi trọng trường trái đất, ảnhhưởng của sức hút mặt trăng, mặt trời Các ảnh hưởng trên sẽ tác động tới quỹđạo của vệ tinh, khi đó vệ tinh sẽ không chuyển động hoàn toàn tuân theo đúng

ba định luật Kepler Sai số quỹ đạo vệ tinh ảnh hưởng gần như trọn vẹn tới kếtquả định vị tuyệt đối, song được khắc phục về cơ bản trong định vị tương đốihoặc vi phân

Để biết được vị trí của vệ tinh trên quỹ đạo thì người sử dụng có thể căn

cứ vào lịch vệ tinh.Tuỳ thuộc vào mức độ chính xác của thông tin, lịch vệ tinhđược chia thành 3 loại:

Lịch vệ tinh dự báo (Almanac): phục vụ cho lập lịch và xác định quangcảnh nhìn thấy của vệ tinh tại thời điểm quan sát, lịch vệ tinh này có sai số cỡvài km

Lịch vệ tinh quảng bá (Broadcast ephemeris): được tạo lập dựa trên 5 trạmquan sát thuộc đoạn điều khiển của hệ thống GPS, hiện nay khi chế độ nhiễu SA

đã được bỏ thì lịch vệ tinh quảng bá có sai số cỡ từ 2-5m

Lịch vệ tinh chính xác: được lập dựa trên cơ sở các số liệu quan trắc trongmạng lưới giám sát và được tính toán nhờ một số tổ chức khoa học, loại lịch nàycho sai số nhỏ hơn 0.5m

I.5.3.3 Ảnh hưởng điều kiện khí tượng

Tín hiệu vệ tinh đến máy thu đi qua một quãng đường lớn hơn 20.000km,trong đó có tầng điện ly cao từ 50km-500km và tầng đối lưu từ độ cao 50km đếnmặt đất Khi tín hiệu đi qua các tầng này có thể bị thay đổi (tán xạ) phụ thuộcvào mật độ điện tử tự do trong tầng điện ly và tình trạng hơi nước, nhiệt độ vàcác bụi khí quyển trong tầng đối lưu

Người ta ước tính rằng, do ảnh hưởng của tầng điện ly, khi định vị tuyệtđối có thể bị sai số 12m, còn ảnh hưởng của tầng đối lưu có thể sai số cỡ 3m

Các vệ tinh GPS phát tín hiệu ở tần số cao (sóng cực ngắn) do đó ảnhhưởng của tầng điện ly đã được giảm nhiều, tuy vậy cần lưu ý tới đặc tính củasóng cực ngắn là truyền thẳng và dễ bị che chắn

Ảnh hưởng của tầng điện lý tỷ lệ với bình phương tần số, vì vậy khi sửdụng máy thu hai tần sẽ khắc phục được ảnh hưởng này

Tuy vậy, ở khoảng cách ngắn (<10km) tín hiệu tới hai máy coi như đitrong cùng môi trường, sai số sẽ được loại trừ trong các công thức tính hiệu toạ

độ, do vậy ta nên sử dụng máy một tần trong khi đó nếu sử dụng máy hai tần cóthể bị nhiễu làm kết quả kém chính xác

Để khắc phục ảnh hưởng của tầng đối lưu, người ta quy định chỉ sử dụngtín hiệu vệ tinh có góc cao trên 15độ hoặc trên 10 độ

Hiện nay người ta đã sử dụng một số mô hình khí quyển, trong đó có môhình của Hopfield được dùng rộng rãi

I.3.5.4 Sai số đo nhiễu tín hiệu

Tín hiệu vệ tinh tới máy thu có thể bị nhiễu do một số nguyên nhân sau: Tín hiệu bị phản xạ từ các vật (kim loại, bê tong) gần máy thu

Tín hiệu bị nhiễu do ảnh hưởng của các tín hiệu sóng điện từ khác

Máy thu GPS đặt gần các đường dây tải điện cao áp

Tín hiệu bị gián đoạn do các vật che chắn tín hiệu

Để khắc phục sai số nhiễu tín hiệu, khi thiết kế điểm đo cần bố trí xa cáctrạm phát sóng, các đường dây cao thế,…không bố trí máy thu dưới các rặngcây.

I.3.5.5 Sai số do người đo

Người đo có thể phạm các sai lầm như trong đo chiều cao anten, dọi điểmđịnh tâm không tốt, đôi khi ghi nhầm chế độ đo cao anten Để tránh các sai sốnày thì người đo GPS cần thận trọng trong định tâm và đo chiều cao Anten

Cần chú ý là sai số do đo chiều cao anten không những ảnh hưởng tới độcao của điểm đo mà còn ảnh hưởng tới vị trí mặt bằng

Trong khi thu tín hiệu không nên đứng vây quanh máy thu, không che ôcho máy

Điều đáng chú ý nhất trong phương pháp này là máy di động không cầnthu tín hiệu vệ tinh liên tục trong suốt chu kỳ đo như phương pháp đo động, tạimỗi điểm đo máy chỉ đo 5-10 phút sau đó có thể tắt máy trong lúc di chuyển tớiđiểm khác Điều này cho phép áp dụng cả ở những khu vực có nhiều vật chekhuất

I.4 Các phương pháp cơ bản thành lập lưới

Trong trắc địa truyền thống, thiết kế đồ hình lưới khống chế là việc cực kỳquan trọng Còn trong lưới GPS, nói chung không yêu cầu giữa các điểm phảinhìn thông nhau nên thiết kế đồ hình lưới GPS sẽ linh hoạt hơn Thiết kế đồ hình

lưới GPS chủ yếu tuỳ thuộc vào yêu cầu sử dụng, kinh phí, thời gian, nhân lực,loại hình và số lượng máy thu

Căn cứ vào mục đích sử dụng, thường có 4 phương thức liên kết cơ bản

để thành lập lưới: liên kết điểm, liên kết cạnh, liên kết lưới, liên kết hỗn hợpcạnh – điểm Ngoài ra còn có thể liên kết hình sao, liên kết đường chuyền, liênkết chuối tam giác

Liên kết cạnh là dạng liên kết giữa các vòng đo đồng bộ kề nhau bởi mộtcạnh chung Lưới được thành lập theo dạng này có cường độ đồ hình tương đốicao, có nhiều cạnh đo lặp và có nhiều điều kiện khép hình không đồng bộ Với

số lượng máy thu như nhau, số thời đoạn đo sẽ tăng hơn nhiều so với phươngthức liên kết điểm

Ví dụ với 3 máy thu:

Hình 5: Liên kết cạnh

Liên kết hỗn hợp cạnh – điểm

Liên kết hỗn hợp cạnh – điểm là dạng kết hợp phương thức liên kết cạnh

và phương thức liên kết điểm Phương thức này có thể đảm bảo cường độ đồhình, nâng cao độ tin cậy của lưới vừa có thể giảm khối lượng công tác ngoạinghiệp, hạ giá thành Đây là phương thức liên kết thích hợp thường được sửdụng để thành lập lưới GPS

Liên kết lưới đường chuyền

1

2

3 1

Lưới GPS được tạo thành bởi sự liên kết các hình đồng bộ dạng kéo dàinhư đường chuyền, các cạnh độc lập tạo thành dạng khép kín, để kiểm tra độ tincậy của điểm GPS

Hình 7: Lưới đường chuyền

Lưới GPS dạng này được ứng dụng thích hợp khi yêu cầu độ chính xácthấp Phương thức này có thể kết hợp với phương thức liên kết điểm

Liên kết hình sao

Dạng hình sao rất đơn giản, các cạnh đo trực tiếp không tạo thành hìnhkhép kín Do đó khả năng kiểm tra và phát hiện sai số thô còn kém hơn phươngthức liên kết điểm Nhưng chỉ cần 2 máy thu là được Nếu có 3 máy thu thì 1máy đặt cố định, 2 máy khác có thể di chuyển mà không hạn chế bởi điều kiện

đo đồng bộ

2

5 4

Hình 8: Liên kết hình sao

Vì tốc độ nhanh, giản tiện, liên kết hình sao được ứng dụng trong trắc địa

có yêu cầu độ chính xác thấp, trong địa chất, vật lý địa cầu, đo biên giới, đo địachính, đo điểm chi tiết thành lập bản đồ

Mặc dù không yêu cầu nhìn thông giữa các điểm GPS, nhưng xét đến yêucầu tăng dày bằng phương pháp truyền thống nên mỗi điểm GPS nên nhìn thôngđến ít nhất một điểm

Để sử dụng tư liệu trắc địa và bản đồ hiện có, cần sử dụng tọa độ vốn đãđược sử dụng để tạo lập nên tư liệu ấy Các điểm cũ phù hợp yêu cầu của điểmGPS, cần phải lợi dụng mốc của nó

Lưới GPS cần phải được tạo thành một số vòng khép không đồng bộ hoặcmột số tuyến phù hợp từ các cạnh đo độc lập Số cạnh trong mỗi vòng khép hoặc

trong mỗi tuyến phù hợp của các cấp lưới GPS được quy định ở bảng 1.1

Bảng 1.1

Hạng, cấp lưới II III IV Cấp 1 Cấp 2

Số cạnh trong mỗi vòng

khép hoặc tuyến phù hợp

I.5 Các ứng dụng của GPS trong trắc địa

I.5.1 Xây dựng lưới khống chế mặt bằng

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

đo đạc các mạng lưới trắc địa mặt bằng Chúng ta biết rằng đo tương đối tĩnhcho độ chính xác cao nhất, vì thế phương pháp này được sử dụng để đo cácmạng lưới trắc địa

Ưu điểm chủ yếu và quan trọng nhất của công nghệ GPS là có thể xácđịnh được các vector cạnh giữa các điểm trắc địa với độ cao chính xác cao màkhông đòi hỏi tầm thông hướng giữa các điểm đó Ngay từ những năm 1990, khihiểu biết hết lợi thế của GPS, người ta đã nói rằng, GPS đã đưa các phươngpháp xây dựng lưới trắc địa truyền thống thành “những con khủng long thời tiềnsử” Cho đến nay nhiều nước đã coi đo GPS là phương pháp chủ yếu trong xâydựng các mạng lưới trắc địa

Bằng kỹ thuật đo tương đối tĩnh, người ta có thể xây dựng các mạng lưới

có cạnh dài đến hàng trăm km Khung tọa độ trái đất quốc tế ITRE (InternationalCelestial Rerence Frane) thực chất là mạng lưới có cạnh dài như vậy