Ứng dụng phần mềm Trimble Total Control (TTC) xử lý dữ liệu đo GPS trong công tác xây dựng lưới khống chế trắc địa xã Tân Hòa,huyện Quốc Oai, TP.Hà Nội

MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU 1 CHƯƠNG 1: KHÁI QUÁT VỀ HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ TOÀN CẦU GPS VÀ PHẦN MỀM TRIMBLE TOTAL CONTROL 3 1.1. Khái quát về hệ thống định vị toàn cầu GPS 3 1.1.1. Cấu trúc và nguyên lý hoạt động của hệ thống định vị toàn cầu GPS 3 1.1.2. Trị đo, nguyên lý và phương pháp định vị của hệ thống GPS 8 1.1.3. Các nguồn sai số trong định vị GPS 16 1.2. Phần mềm Trimble Total Control 19 CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG LƯỚI KHỐNG CHẾ TRẮC ĐỊA BẰNG CÔNG NGHỆ GPS 21 2.1 Khái niệm về lưới khống chế trắc địa 21 2.2. Thành lập lưới khống chế trắc địa bằng công nghệ GPS 22 2.2.1. Yêu cầu chọn điểm trong thành lập lưới khống chế trắc địa bằng công nghệ GPS 22 2.2.2. Một số đồ hình lưới trong thành lập lưới khống chế trắc địa bằng công nghệ GPS 23 2.2.3. Thiết kế ca đo 26 2.2.4. Tổ chức đo đạc 27 2.2.5. Xử lý số liệu 32 CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN THỰC NGHIỆM 35 3.1. Giới thiệu khu đo 35 3.2. Số liệu đo 37 3.3. Xử lý số liệu 37 3.3.1. Nhập dữ liệu 37 3.3.2. Xử lý cạnh 40 3.3.3. Xử lý cạnh không đạt yêu cầu 41 3.3.4. Nhập tham số và kinh tuyến trục 41 3.3.5. Bình sai 44 3.3.6. Xuất kết quả báo cáo 50 3.3.7. Kết luận thực nghiệm 52 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 58 TÀI LIỆU THAM KHẢO 59

MỤC LỤC

LỜI MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: KHÁI QUÁT VỀ HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ TOÀN CẦU GPS VÀ PHẦN MỀM TRIMBLE TOTAL CONTROL 3

1.1.Khái quát về hệ thống định vị toàn cầu GPS 3

1.1.1 Cấu trúc và nguyên lý hoạt động của hệ thống định vị toàn cầu GPS 3

1.1.2 Trị đo, nguyên lý và phương pháp định vị của hệ thống GPS 8

1.1.3 Các nguồn sai số trong định vị GPS 16

1.2.Phần mềm Trimble Total Control 19

CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG LƯỚI KHỐNG CHẾ TRẮC ĐỊA BẰNG CÔNG NGHỆ GPS 21

2.1 Khái niệm về lưới khống chế trắc địa 21

2.2 Thành lập lưới khống chế trắc địa bằng công nghệ GPS 22

2.2.1 Yêu cầu chọn điểm trong thành lập lưới khống chế trắc địa bằng công nghệ GPS 22

2.2.2 Một số đồ hình lưới trong thành lập lưới khống chế trắc địa bằng công nghệ GPS 23

2.2.3 Thiết kế ca đo 26

2.2.4 Tổ chức đo đạc 27

2.2.5 Xử lý số liệu 32

CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN THỰC NGHIỆM 35

3.1.Giới thiệu khu đo 35

3.2.Số liệu đo 37

3.3.Xử lý số liệu 37

3.3.1 Nhập dữ liệu 37

3.3.2 Xử lý cạnh 40

3.3.3 Xử lý cạnh không đạt yêu cầu 41

3.3.4 Nhập tham số và kinh tuyến trục 41

3.3.5 Bình sai 44

1

3.3.6 Xuất kết quả báo cáo 50

3.3.7 Kết luận thực nghiệm 52

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 58

TÀI LIỆU THAM KHẢO 59

DANH MỤC HÌNH ẢN

2

Hình 1.1 Cấu trúc của hệ thống GPS 3

Hình 1.2 Chuyển động của vệ tinh xung quanh trái đất 4

Hình 1.3 Vệ tinh thế hệ mới Block IIR-M1 (phóng vào tháng 12-2005) 5

Hình 1.4 Vị trí các trạm điều khiển và giám sát hệ thống GPS 6

Hình 1.5 Máy thu GPS 7

Hình 1.6 Mô hình điều chế tín hiệu 9

Hình 1.7 Mô hình điều chế tín hiệu 9

Hình 1.8 Định vị GPS tuyệt đối 10

Hình 1.9 Định vị tương đối GPS 12

Hình 1.10 Ảnh của đồ hình phân bố vệ tinh 17

Hình 1.11 Ảnh hưởng của tầng đối lưu 18

Hình 2.1 Lưới tam giác 21

Hình 2.3 Lưới đường chuyền khép kín 22

Hình 2.4 Kết nối máy thu GPS với máy tính 32

Hình 3.1 Bản đồ hành chính Xã Tân Hòa, Huyện Quốc Oai, TP Hà Nội 36

Hình 3.2 Sơ đồ lưới đo 37

Hình 3.3 Tạo New Project 38

Hình 3.4 Bắt đầu nhập điểm 39

Hình 3.5 Các điểm đo GPS 39

Hình 3.6 Cạnh đạt có màu xanh 41

Hình 3.7 Bảy tham số tính chuyển tọa độ 42

Hình 3.8 Nhập tên hệ tọa độ 43

Hình 3.9 Nhập kinh tuyến trục và múi chiếu 44

Hình 3.10 Bình sai lưới 46

Hình 3.11 Giao diện phần mềm DPSurvey 51

Hình 3.12 Hộp thoại đường dẫn biên tập kết quả bình sai GPS 51

3

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1 Bảng thống kê nguồn lỗi khi đo GPS và biện pháp khắc phục 16

Bảng 2.1 Yêu cầu kỹ thuật cơ bản khi do GPS các cấp 27

Bảng 2.2 Thời gian tối thiểu ca đo 28

Bảng 2.3 Yêu cầu kỹ thuật chủ yếu của lưới GPS 29

được thành lập phục vụ đo vẽ bản đồ 29

Bảng 2.4 Sai số khép tương đối giới hạn 34

4

DANH MỤC CHỮ CÁI VIẾT TẮT

6 GLONASS Global Navigation Setellite

System

Hệ thống định vị toàn cầu của

Liên Bang Nga

Tên dùng chung cho các hệthống định vị toàn cầu sử

dụng vệ tinh

5

LỜI MỞ ĐẦU

1. Tính cấp thiết của đề tài

Hệ thống định vị toàn cầu GPS ra đời đã làm thay đổi cơ bản công nghệ xâydựng lưới tọa độ Đây là bước đột phá trong việc giải quyết nhiệm vụ xây dựng mạnglưới tọa độ, các bài toán định vị và đo nối tọa độ quy mô khu vực và toàn cầu Ngoài ra,với sự ra đời của công nghệ GPS, đã có thể kiểm soát tốt hơn những hoạt động của tựnhiên, những biến đổi của bề mặt Trái Đất cũng như những hoạt động về đời sống xãhội của chính con người Với sự phát triển không ngừng của công nghệ GPS, các hãngchế tạo máy thu cũng luôn luôn nâng cấp và cải tiến các phần mềm, ứng dụng phục vụcho công tác xử lý số liệu đo Trong đó có phần mềm Trimble Total Control (TTC), mộtphần mềm mới của hãng Trimble

Từ những tính năng ưu việt của hệ thống GPS trong công tác trắc địa, cũng nhưkhả năng ứng dụng cao của phần mềm Trimble Total Control trong thực tiễn sản xuất

Đã thúc đẩy em tìm hiểu và thực hiện đề tài: “Ứng dụng phần mềm Trimble Total

Control (TTC) xử lý dữ liệu đo GPS trong công tác xây dựng lưới khống chế trắc địa xã Tân Hòa,huyện Quốc Oai, TP.Hà Nội”.

2. Mục tiêu đề tài

- Tìm hiểu hệ thống định vị toàn cầu GPS Cấu trúc và nguyên lý hoạt động của hệ

thống

- Xử lý được số liệu đo GPS bằng phần mềm TTC

3. Nội dung nghiên cứu

- Khái quát về hệ thống định vị toàn cầu GPS và phần mềm TTC

- Thành lập lưới khống chế trắc địa bằng công nghệ GPS

- Tính toán thực nghiệm

4. Phương pháp nghiên cứu

- Phương pháp thu thập tài liệu: Thu thập tài liệu, nghiên cứu các tài liệu liên quan đến nội dung của đề tài

- Phương pháp tin học: Sử dụng phần mềm TTC xử lý số liệu lưới GPS

- Phương pháp chuyên gia: Học hỏi kiến thức, kinh nghiệm của các chuyên gia tronglĩnh vực nghiên cứu

5. Cấu trúc đồ án

Nội dung chính của đồ án gồm 3 chương:

 Chương 1: Khái quát về hệ thống định vị toàn cầu GPS và phần mềm TTC

 Chương 2: Thành lập lưới khống chế trắc địa bằng công nghệ GPS

 Chương 3: Tính toán thực nghiệm

6. Lời cảm ơn

Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong Khoa Trắc địa - Bản đồ, TrườngĐại học Tài nguyên và Môi trường Hà Nội đã tận tình chỉ dạy cho em những kiến thứchết sức quý báu trong suốt thời gian em học tập tại Nhà trường Em xin chân thành cảm

ơn thầy Nguyễn Xuân Thủy người đã trực tiếp hướng dẫn, giúp đỡ em trong quá trình

làm đồ án này

Mặc dù đã rất cố gắng làm việc song do thời gian, trình độ có hạn nên đồ án của

em không tránh khỏi những thiếu sót Rất mong thầy cô giáo cùng các bạn đồng nghiệpđóng góp ý kiến để em có thể hoàn thiện hình thức và nội dung đồ án tốt hơn

Em xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, ngày tháng năm 2017 Sinh viên thực hiện

Lê Thị Hà

CHƯƠNG 1: KHÁI QUÁT VỀ HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ TOÀN CẦU GPS VÀ

PHẦN MỀM TRIMBLE TOTAL CONTROL 1.1 Khái quát về hệ thống định vị toàn cầu GPS

Hệ thống Định vị Toàn cầu (tiếng Anh: Global Positioning System - GPS) là hệthống xác định vị trí dựa trên vị trí của các vệ tinh nhân tạo, do Bộ Quốc phòng Hoa Kỳthiết kế, xây dựng, vận hành và quản lý Trong cùng một thời điểm, tọa độ của mộtđiểm trên mặt đất sẽ được xác định nếu xác định được khoảng cách từ điểm đó đến ítnhất bốn vệ tinh

Các vệ tinh đầu tiên của hệ thống này được phóng lên quỹ đạo vào tháng 2 năm

1978 Toàn bộ hệ thống được hoàn chỉnh từ tháng 5 năm 1994

1.1.1.Cấu trúc và nguyên lý hoạt động của hệ thống định vị toàn cầu GPS

1 Cấu trúc hoạt động của hệ thống GPS

Hình 1.1 Cấu trúc của hệ thống GPS

Hệ thống định vị toàn cầu GPS gồm 3 đoạn hình 1

- Đoạn không gian (space segment).

- Đoạn điều khiển (control segment).

- Đoạn người sử dụng (user segment).

a) Đoạn không gian (space segment)

Đoạn không gian của GPS bao gồm 24 vệ tinh nhân tạo (được gọi là satellitevehicle, tính đến thời điểm 1995) Quỹ đạo chuyển động của vệ tinh nhân tạo xungquanh trái đất là quỹ đạo tròn, 24 vệ tinh nhân tạo chuyển động trong 6 mặt phẳng quỹđạo Mặt phẳng quỹ đạo vệ tinh GPS nghiêng so với mặt phẳng xích đạo một góc 55 độ.Quỹ đạo của vệ tinh gần hình tròn, ở độ cao 20.200 km, chu kỳ 718 phút, thời hạn sửdụng 7,5 năm

Hình 1.2 Chuyển động của vệ tinh xung quanh trái đất.

Từ khi phóng vệ tinh GPS đầu tiên được phóng vào năm 1978, đến nay đã cóbốn thế hệ vệ tinh khác nhau Thế hệ đầu tiên là vệ tinh Block I, thế hệ thứ hai là Block

II, thế hệ thứ ba là Block IIA và thế hệ gần đây nhất là Block IIR Thế hệ cuối của vệtinh Block IIR được gọi là Block IIR-M Những vệ tinh thế hệ sau được trang bị thiết bịhiện đại hơn, có độ tin cậy cao hơn, thời gian hoạt động lâu hơn

Các vệ tinh đều được trang bị đồng hồ nguyên tử với độ chính xác cao Vệ tinhchủ yếu chạy bằng năng lượng mặt trời, tuy nhiên có cả pin mặt trời để dự phòng duy trìhoạt động trong vùng không có ánh mặt trời Vệ tinh GPS có trọng lượng khoảng1600kg và khoảng 800kg trên quỹ đạo Tuổi thọ vệ tinh đời mới cũng chỉ khoảng 10

năm, việc thay thế và phóng lên quỹ đạo luôn được duy trì

Hình 1.3 Vệ tinh thế hệ mới Block IIR-M1 (phóng vào tháng 12-2005)

b) Đoạn điều khiển (control segment)

Đoạn điều khiển là để duy trì hoạt động của toàn bộ hệ thống GPS cũng như hiệuchỉnh tín hiệu thông tin của vệ tinh hệ thống GPS Đoạn điều khiển có 5 trạm quan sát

có nhiệm vụ như sau:

- Giám sát và điều khiển hệ thống vệ tinh liên tục

- Quy định thời gian hệ thống GPS

- Dự đoán dữ liệu lịch thiên văn và hoạt động của đồng hồ trên vệ tinh

- Cập nhật định kỳ thông tin dẫn đường cho từng vệ tinh cụ thể

Tất cả 5 trạm đều giám sát, theo dõi vệ tinh và truyền dữ liệu đến trạm điều khiểnchính (đặt tại Colorado Springs bang Colorado của Mỹ, bốn trạm giám sát còn lại đượcđặt tại Diego Garcia, Ascension, Kwajalein và Hawaii) Tại đó, dữ liệu được xử lýnhằm tính tọa độ và số hiệu chỉnh đồng hồ vệ tinh

Ngoài 5 trạm trên còn có 3 trạm anten mặt đất (đặt tại Assension Island, DiegoGarcia và Kwajalein) dùng để cũng cấp dữ liệu (bao gồm các bản lịch và thông tin sốhiệu chỉnh đồng hồ về tinh trong thông báo hàng hải) tới 3 trạm anten mặt đất và từ đógửi tiếp tới các vệ tinh Kết quả là trong vòng 1 giờ các vệ tinh đều có một số liệu đãđược hiệu chỉnh để phát cho máy thu

Hình 1.4 Vị trí các trạm điều khiển và giám sát hệ thống GPSHiện nay phần điều khiển đã phát triển thêm một số điểm đặt tại các nước nhưAchentina, Australia, New Zenland, Baranh, Anh, Cộng hòa Nam Phi, Trung Quốcvv…

c) Đoạn người sử dụng (user segment)

Đoạn người sử dụng bao gồm các máy thu tín hiệu từ vệ tinh để khai thác ứngdụng của hệ thống GPS Phần sử dụng GPS gồm 3 bộ phận chính:

 Phần cứng: Phần cứng bao gồm các máy thu mạch điện tử, các bộ dao động tần

số vô tuyến RF (Radio Friquecncy), các anten và các thiết bị ngoại vi cần thiết để máythu hoạt động (ví dụ nguồn điện…)

 Phần mềm: Phần mềm bao gồm các chương trình xử lý dữ liệu thu được từ vệtinh Ví dụ chuyển đổi tín hiệu thu được thành những thông tin định vị hoặc dẫnđường… Những chương trình này cho phép người sử dụng tác động khi cần để có thểlợi dụng được những ưu điểm của hệ thống định vị GPS Những chương trình này cóthể sử dụng ở điều kiện ngoại nghiệp và được thiết kế sao cho có thể cung cấp nhữngthông báo hữu ích về trạng thái và sự tiến bộ của hệ thống tới người điều hành Ngoài ra

trong phần mềm còn bao gồm những chương trình phát triển độc lập của máy thu GPS,

có thể đánh giá được các nhân tố như tính sẵn sàng của vệ tinh và mức độ tin cậy của độchính xác

 Phần triển khai công nghệ: Phần triển khai công nghệ hướng tới mọi lĩnh vựcliên quan đến GPS như cải tiến thiết kế máy thu, phân tích và mô hình hóa hiệu ứng củaanten khác nhau, hiệu ứng truyền sóng và sự phối hợp của chúng trong phầm mềm xử lý

số liệu, phát triển các hệ thống liên kết truyền thống một các tin cậy cho hoạt động định

vị GPS cự ly dài và ngắn khác nhau và theo dõi các xu thế phát triển trong lĩnh vực giá

cả và hiệu suất thiết bị

2 Nguyên lý hoạt động của hệ thống định vị toàn cầu GPS

Hệ thống định vị toàn cầu GPS thực chất là một mạng lưới bao gồm 27 vệ tinhquay xung quanh trái đất Trong số 27 vệ tinh này, 24 vệ tinh đang hoạt động, 3 vệ tinhcòn lại đóng vai trò dự phòng trong trường hợp một trong số 24 vệ tinh chính bị hưhỏng Dựa vào cách sắp đặt của các vệ tinh này, khi đứng dưới mặt đất, có thể nhìnđược ít nhất là 4 vệ tinh trên bầu trời tại bất kì thời điểm nào

Phối hợp hoạt động với các vệ tinh quay xung quanh trái đất là 5 trạm theo dõi đặttrên mặt đất: trạm chủ được đặt tại Colorado (Mỹ) và 4 trạm khác (không có người điềukhiển) được đặt tại các vị trí rất xa lạ Các trạm theo dõi này thu thập dữ liệu từ các vệtinh và truyền dữ liệu về trạm chủ Trạm chủ sau đó sẽ xử lí dữ liệu và đưa ra các thayđổi cần thiết để chuyển dữ liệu chuẩn về các vệ tinh GPS Các vệ tinh GPS bay vòngquanh Trái Đất hai lần trong một ngày theo một quỹ đạo rất chính xác và phát tín hiệu

có thông tin xuống Trái Đất

Hình 1.5 Máy thu GPSCác máy thu GPS nhận thông tin này và bằng phép tính lượng giác tính đượcchính xác vị trí của máy Về bản chất máy thu GPS so sánh thời gian tín hiệu được phát

đi từ vệ tinh với thời gian nhận được chúng Sai lệch về thời gian cho biết máy thu GPS

ở cách vệ tinh bao xa Rồi với nhiều quãng cách đo được tới nhiều vệ tinh máy thu cóthể tính được vị trí đặt máy

1.1.2 Trị đo, nguyên lý và phương pháp định vị của hệ thống GPS

1 Trị đo của hệ thống GPS

Trị đo GPS là những số liệu máy thu GPS nhận được từ tín hiệu của vệ tinhtruyền tới, mỗi vệ tinh GPS phát 4 thông số cơ bản dùng cho việc đo đạc chia thành 2nhóm bao gồm:

c(t): mã C/A tần số 1.023MHz;

p(t): mã P tần số 10.23 MHz;

ω: tần số sóng mang

Mô tả truyền tín hiệu trong miền thời gian:

Hình 1.6 Mô hình điều chế tín hiệu

Hình 1.7 Mô hình điều chế tín hiệu

Mã dữ liệu:

- Tần số 1 bit dữ liệu GPS: 50Hz truyền trong 20ms.

- 1 word dữ liệu gồm 30bits, truyền trong 600 ms.

- 10 words – 1 subframe truyền trong 6 giây.

- 1 page gồm 5 subframes, truyền trong 30 giây.

- Một bộ dữ liệu hoàn chỉnh gồm 25 pages truyền trong 12.5 phút.

Mỗi subframe bắt đầu bằng 2 word: TLM, HOW:

- TLM word sử dụng để xác định bắt đầu của một subframe

- HOW word sử dụng để tính tc trong quá trình xác định vị trí vệ tinh

2 Nguyên lý định vị của hệ thống GPS

Có hai nguyên lý trong định vị GPS:

- Định vị tuyệt đối: Xác định tọa độ của điểm quan sát trên cơ sở giải bài toán

giao hội nghịch trong không gian khi biết tọa độ vệ tinh

- Định vị tương đối: Xác định hiệu tọa độ của hai hay nhiều điểm quan sát sau

khi so sánh từng cặp điểm định vị tuyệt đối trong cùng ca đo Vector hiệu tọa độ nàyđược gọi là Baseline

a) Định vị tuyệt đối

Hình 1.8 Định vị GPS tuyệt đốiGiả sử đặt máy thu tại M và tiến hành thu tín hiệu vệ tinh S

- X, Y, Z là tọa độ điểm M;

- Xi, Yi, Zi là tọa độ các điểm vệ tinh Si;

- Ri là khoảng cách từ các vệ tinh Si đến máy thu.

- Ta có hệ phương trình toán học sau:

(1.1)Trong phương trình (1.1): Xi, Yi, Zi đã biết Ri đo được còn lại 3 ẩn số X, Y, Z làtạo độ các điểm quan sát

Để giải được tọa độ điểm quan sát, cần ít nhất ba phương trình dạng (1.1) tươngứng phải quan sát tối thiểu ba vệ tinh

- X, Y, Z là tọa độ điểm M;

- X1, Y1, Z2; X2, Y2, Z2; X3,Y3, Z3 tương ứng là tọa độ 3 vệ tinh S1, S2, S3;

- R1, R2, R3 lần lượt là khoảng cách từ các vệ tinh S1, S2, S3 đến máy thu.

Ta có hệ phương trình sau:

(1.2)

Trong hệ phương trình (1.2): X1, Y1, Z2; X2, Y2, Z2; X3,Y3,Z3 đã biết, R1, R2, R3

đo được Hệ phương trình cho bộ nghiệm duy nhất là X, Y, Z

Trên thực tế, do sai số đo thời gian là∆ t (sai số đồng bộ giữa đồng hồ vệ tinh vàđồng hồ máy thu) nếu không xác định được Ri mà chỉ xác định được các khoảng cáchgiả tương ứng Ri’

Khi đó ta có hệ phương trình:

b) Định vị tương đối

Hình 1.9 Định vị tương đối GPSĐịnh vị tương đối là trường hợp sử dụng đồng thời hai hay nhiều máy thu GPSđặt ở điểm quan sát khác nhau để nhận tín hiệu vệ tinh (ít nhất 4 vệ tinh), trên cơ sở sosánh kết quả định vị tuyệt đối giữa các điểm này, rút ra hiệu tọa độ vuông góc khônggian (∆ X , ∆Y , ∆ Z¿hay hiệu tọa độ mặt cầu (∆ B , ∆ L , ∆ H¿ giữa chúng trong khung quychiếu xác định, hiệu tọa độ này tạo thành cạnh cơ sở BaseLine, mặc dù cạnh nằm dướimặt đất

Để đạt được độ chính xác cao và rất cao cho kết quả xác định hiệu tọa độ giữahai điểm xét người ta tạo ra và sử dụng các sai phân khác nhau cho pha sóng tải nhằmgiảm ảnh hưởng của các nguồn sai số khác nhau như: Sai số của đồng hồ vệ tinh cũngnhư trong máy thu, sai số tọa độ vệ tinh, số nguyên đa trị… Thực chất vấn đề là lấy trị

đo trực tiếp tạo thành trị đo mới (các sai phân) để loại trừ hoặc giảm bớt các sai số trên

Độ chính xác đạt được cỡ cm, chủ yếu áp dụng trong trắc địa Định vị tương đối thường

sử dụng trong pha sóng tải Nguyên lý đo tọa độ tương đối là xác định pha của sóngmang L1 (với máy thu 1 tần số) hay L1 và L2 (với máy thu 2 tần số)

s(ts ) - Pha của sóng tại thời điểm ts khi vệ tinh bắt đầu phát tín hiệu;

p(t) - Pha của sóng tại thời điểm t khi máy thu nhận được tín hiệu;

p(t) - Thành phần ảnh hưởng hệ thống pha (t) do máy thu gây ra (chủ yếu là sốhiệu chỉnh đồng hồ máy thu);

s(t) - Thành phần ảnh hưởng hệ thống pha (t) do vệ tinh gây ra (chủ yếu là sốhiệu chỉnh đồng hồ vệ tinh);

sp(t) - Thành phần ảnh hưởng hệ thống pha (t) do cả vệ tinh và máy thu gây rakhông phụ thuộc thời gian (chủ yếu là s(to) - p(to) + Ns p , trong đó to là thời điểm bắtđầu đo)

Công thức (1.10) chính là công thức cơ bản để lập phương trình đo trong kỹthuật đo tọa độ tương đối GPS Điều quan trọng nhất là phải tổ hợp các trị đo sao chokhử được các thành phần hệ thống p(t), s(t) và p

Với số lượng vệ tinh GPS xuất hiện trên bầu trời nhiều thường nhiều hơn 4, cóthể lên tới 10 vệ tinh Bằng cách tổ hợp theo từng cặp vệ tinh ta sẽ có rất nhiều trị đo.Không những thế khi đo tương đối các vệ tinh lại được quan sát trong khoảng thời giantương đối dài (từ nửa giờ đến vài giờ) Do vậy, trên thực tế số lượng trị đo để xác định

ra hiệu tọa độ giữa hai điểm quan sát sẽ rất lớn, và khi đo sẽ được xử lý theo nguyên tắcbình phương nhỏ nhất

3 Các phương pháp định vị GPS

Trong công tác khai thác và sử dụng hệ thống GPS hiện nay, tùy từng tính chấtcông việc, độ chính xác các đại lượng cần tìm mà người ta sử dụng các phương pháp đocho cho phù hợp Trên thực tế có một số kĩ thuật đo như sau:

a) Đo tĩnh (Static)

Đo tĩnh (Static) hay đo tĩnh nhanh (Fast–Static) là phương pháp đo tương đối, sửdụng 2 hay nhiều máy đo đồng thời tín hiệu trong một thời gian dài để xác định ra hiêutọa độ giữa các máy thu Các trạm đo đồng thời tạo thành các đoạn đo (secsion)

Đo tĩnh là phương pháp đo có độ chính xác cao nhất, với máy thu 1 tần và 2 tần

số hiện nay cho độ chính xác rất cao phục vụ công tác xây dựng các mạng lưới trắc địanhà nước, nghiên cứu địa động …

Ở khoảng cách từ vài chục đến vài trăm km thì người ta thường sử dụng máy đohai tần số L1, L2 để khắc phục sai số do tầng địa ly

b) Kĩ thuật đo động (Kinematic)

Phương pháp đo dựa trên cơ sở nguyên lý định vị tương đối Cơ sở của định vịđộng là dựa trên sự khác nhau của trị đo giữa hai chu kì đo, nhận được bởi một máy thutín hiệu của chính vệ tinh nào đó chuyển đến Sự thay đổi đó tương đương với sự thayđổi khoảng cách địa diện đến vệ tinh

Kết quả của định vị động là xác định được các điểm trên đường đi của máy thu diđộng so với máy thu cố định Trạm máy cố định được gọi là trạm tham khảo hay còngọi là trạm BASE Máy thu đặt tại trạm này phải đảm bảo cố định trong suốt thời gian

đo động Máy thu di động gọi là các trạm ROVE, được di động trên các điểm đo cầnxác định tọa độ (trên đất liền, không trung, trên biển) Trong quá trình đo, cả hai máyphải đảm bảo thu được liên tục ít nhất 4 vệ tinh Định vị động có thể sử dụng đối với trị

đo khoảng cách giả hoặc trị đo sóng tải hoặc phối hợp cả hai loại trên Trong trườnghợp việc sử dụng đo sóng tải có độ chính xác cao hơn

c) Kĩ thuật đo giả động (Pseudo-Kinematic)

Phương pháp đo giả động cho phép xác định vị trí tương đối của hàng loạt điểm

so với điểm đã biết trong khoảng thời gian đo khá nhanh, nhưng độ chính xác định vịkhông cao bằng phương pháp đo động Trong phương pháp này không cần làm thủ tụckhởi đo, tức là không cần sử dụng cạnh đáy đã biết Máy cố định phải thu tín hiệu suốtchu kì đo, máy di động được chuyển tới các điểm cần xác định và mỗi điểm thu tín hiệu5-10 phút

Sau khi đo hết lượng máy di động quay trở lại điểm xuất phát và đo lặp lại tất cảcác điểm theo đúng trình tự như trước, nhưng chú ý phải đảm bảo thời gian dãn cáchgiữa 2 lần đo tại mỗi điểm không ít hơn 1 tiếng đồng hồ Yêu cầu nhất thiết của phươngpháp này là có it nhất 3 vệ tinh chung cho cả hai lần đo tại một điểm quan sát

Điều đáng chú ý nhất trong phương pháp này là máy di động cần thu tín hiệu vệtinh liên tục trong suốt chu kì đo như phương pháp đo động, tại mỗi điểm đo máy chỉ đo5-10 phút sau đó có thể tắt máy di chuyển đến điểm khác

1.1.3 Các nguồn sai số trong định vị GPS

Bảng 1.1 Bảng thống kê nguồn lỗi khi đo GPS và biện pháp khắc phục

Nguồn lỗi Biện pháp xử lý

1 Phụ thuộc vệ tinh

2 Phụ thuộc đường tín hiệu

- Số đa trị nguyên Xác định đơn vị sai phân bậc III

3 Phụ thuộc máy thu

Cũng như bất kỳ một phương pháp đo đạc khác, việc định vị bằng hệ thống GPS chịuảnh hưởng của nhiều yếu tố khác nhau

Các nguồn sai số trong GPS được chia thành 3 nguồn chính:

- Sai số phụ thuộc vệ tinh.

- Sai số phụ thuộc đường truyền tín hiệu.

- Sai số phụ thuộc máy thu.

a) Sai số phụ thuộc vệ tinh

Sai số đồng hồ vệ tinh: Mặc dù vệ tinh được trang bị đồng hồ nguyên tử có độchínhh xác rất cao nhưng vẫn có sai số Trong trị đo khoảng cách giả sử tín hiệu code,khoảng cách từ vệ tinh đến máy thu được tính dựa vào thời gian lan truyền tín hiệu Đạilượng này là hiệu thời gian thu tín hiệu tại máy (được đo bằng đồng hồ máy thu) trừ đithời gian phát tín hiệu (được đo bằng đồng hồ vệ tinh) do có thể thấy sai số đồng hồ vệtinh sẽ gây ra trong trị đo khoảng cách giả Để hạn chế sai số này thì có dùng số hiệuchỉnh và khi xử lý số liệu đo trong định vị tương đối nên sử dụng các sai phân bậc I

Sai số do đồ hình vệ tinh: Theo nghĩa nào đó, có thể hiểu định vị vệ tinh là giaohội nghịch khoảng cách trong không gian với điểm gốc là các vệ tinh

Hình 1.10 Ảnh của đồ hình phân bố vệ tinh.

Vì vậy, sự phân bố vệ tinh cũng ảnh hưởng đến kết quả định vị Nếu các vệ tinh

mà đang thu tín hiệu chúng chụm lại với nhau về phía thiên đỉnh thì độ chính xác củakết quả định vị sẽ thấp Nếu chúng trải rộng ra phía chân trời thì độ chính xác của kếtquả sẽ tốt hơn nhiều

Để nâng cao độ chính xác định vị, cần chọn điểm đo hợp lý (để có đồ hình tốt),chọn vị trí quang đãng đặt máy

Ngoài sai số đồ hình, sai số đồng hồ, vệ tinh còn có thể gây ra các sai số khácnhau như sự nhiễu loạn chuyển động vệ tinh, sự xê dịch vị trí các bộ phận vệ tinh so vớitrọng tâm vệ tinh…

b) Sai số phụ thuộc đường truyền tín hiệu

Ảnh hưởng của tầng Ion: Tín hiệu vệ tinh trước khi đến máy thu phải xuyên quamôi trường không gian gồm các tầng khác nhau Tầng ion là lớp chứa các hạt tích điệntrong bầu khí quyển ở độ cao từ 50 – 1000 km, tầng ion có tính chất khúc xạ đối vớisóng điện từ, chiết suất của tầng ion tỷ lệ với tần số sóng điện từ truyền qua nó Do vậytrị đo của máy thu 2 tần số cho phép giảm ảnh hưởng tán sắc của tầng ion

Hình 1.11 Ảnh hưởng của tầng đối lưuẢnh hưởng của tầng đối lưu: Tầng đối lưu có độ cao đến 8km so với mặt đất làtầng làm khúc xạ đối với tín hiệu GPS do chiết suất biến đổi Do vậy số cải chính môhình khí quyển phải được áp dụng đối với trị đo của máy một tần số và cả máy hai tần

số, chiết suất của tầng đối lưu sinh ra độ chậm pha tín hiệu, được chia thành hai loại ướt

và khô, ảnh hưởng của chiết suất khô được tạo thành mô hình loại trừ nhưng ảnh hưởngcủa chiết suất ướt là nguồn sai số khó lập mô hình và loại bỏ trong trị đo GPS

Hiện tượng đa tuyến: Đó là những tín hiệu từ vệ tinh không đến thẳng anten máythu mà đập vào bề mặt phản xạ nào đó xung quanh rồi mới đến máy thu Như vậy kếtquả đo không đúng, để tránh hiện tượng này anten phải có tầm nhìn vệ tinh thôngthoáng với góc ngưỡng cao hơn 15° việc chọn góc ngưỡng như thế này nhằm giảm ảnhhưởng bất lợi của chiết quang khí quyển và hiện tượng đa tuyến

Hầu hết anten GPS gắn bản dạng phẳng, tròn che chắn tín hiệu phản xạ từ dướimặt đất lên

Tầm nhìn vệ tinh và sự trượt chu kỳ: Điểm quan trọng nhất khi đo GPS là phảithu được tín hiệu ít nhất 4 vệ tinh tức là phải có tầm nhìn thông tới các vệ tinh đó Tínhiệu GPS là sóng cực ngắn trong phổ điện từ, nó có thể xuyên qua mây mù, song khôngthể truyền qua được tán cây hoặc các vật cản che chắn Do vậy tầm nhìn vệ tinh thôngthoáng có tầm quan trọng đặc biệt đối với công tác đo GPS

Khi sử dụng trị đo pha cần phải đảm thu tín hiệu vệ tinh trực tiếp, liên tục nhằmxác định số nguyên lần bước sóng khởi đầu Tuy nhiên có trường hợp ngay cả khi vệ

tinh vẫn nhìn thấy nhưng máy thu vẫn bị gián đoạn thu tín hiệu, trường hợp đó có một

số chu kỳ không xác định đã trôi qua mà máy thu vẫn không đếm được khiến cho sốnguyên lần bước sóng thay đổi và làm sai kết quả định vị Do đó cần phải phát hiện vàxác định sự trượt chu kỳ trong tín hiệu GPS Một số máy thu có thể nhận biết sự trượtchu kỳ và thêm vào số hiệu chỉnh tương ứng khi xử lý số liệu Mặt khác khi tính toán xử

lý số liệu GPS có thể dùng sai phân bậc ba để nhận biết và xử lý trượt chu kỳ

c) Sai số phụ thuộc máy thu

Tâm pha của anten: Tâm pha là một điểm nằm bên trong anten, là nơi tín hiệuGPS biến đổi thành tín hiệu trong mạch điện tử Các trị đo khoảng cách được tính vàođiểm này Điều này có ý nghĩa quan trọng, ở nhà máy chế tạo anten đã được kiểm địnhsao cho tâm pha trùng với tâm hình học của nó, tuy nhiên tâm pha thay đổi vị trí phụthuộc vào đồ hình vệ tinh, ảnh hưởng này có thể kiểm định trước khi đo hoặc sử dụng

mô hình tâm pha ở giai đoạn tính xử lý Quy định cần phải tuân theo là khi đặt antencần dóng theo cùng một hướng và tốt nhất là sử dụng cùng một loại anten cho cùng một

ca đo

1.2 Phần mềm Trimble Total Control

Trước tháng 11 năm 2011 các số liệu đo các mạng lưới GPS hầu hết được xử lý,tính toán bình sai bằng GPSurvey 2.35, vì phần mềm này cho phép xử lý các số liệutương đối đa dạng và có tính ổn định cao Nhưng từ tháng 11- 2011 đến nay phần mềmnói trên không thể xử lý được các tín hiệu GPS nữa (cụ thể là không thể giải đượccạnh), do đó mỗi hãng máy đã lập phần mềm xử lý riêng cho các số liệu của mình Cụthể như: Hãng máy Trimble của Mỹ có các phần mềm: Trimble Total Control (TTC),Trimble Business Center (TBC);Hãng máy của Trung Quốc:Compass,Hight GeomaticsOffice (HGO);hãng máy của Thụy sỹ: Leica Geomatics Office 5 (LGO5)…

Trimble Total Control là một phần mềm thật sự chuyên nghiệp, phục vụ đa mụcđích, trong đó có modul xử lý số liệu GPS tĩnh phục vụ công tác xây dựng lưới khốngchế một cách nhanh chóng và tiện lợi, có thể xử lý số liệu hàng nghìn điểm chỉ trongvòng một thời gian rất ngắn Nó có những công cụ rất mạnh cho phép xử lý, phân tích

và lập báo cáo từ một khối lượng số liệu rất lớn nhanh chóng Trimble Total Control lý

tưởng để xử lý số liệu cho các lưới khống chế GPS lớn và các cạnh đo dài Phần mềmTrimble Total Control là một hợp phần quan trọng trong hệ thống Trimble Toolbox chocác giải pháp đo đạc tích hợp.

Đặc tính nổi bật:

- Xử lý cạnh đo GPS

- Hỗ trợ cho hệ thống vệ tinh GLONASS của Nga

- Xử lý số liệu đo tĩnh, tĩnh nhanh, đo động và đo động liên tục

- Hỗ trợ cho số liệu GPS thô thu được từ các máy của hãng khác

- Hỗ trợ số liệu toàn đạc điện tử và thuỷ chuẩn số

- Bình sai lưới khống chế

- Chuyển đổi hệ toạ độ và phép chiếu hình

- Tích số liệu GPS và GLONASS

- Phân tích sự biến dạng liên tục của trị đo GPS

- Tạo các bảng báo cáo linh hoạt

Nhược điểm của phần mềm Trimble Total Control:

- Khi trên Project có đồng thời các cạnh xử lý rồi và các cạnh chưa xử lý Phầnmềm chỉ có thể tính riêng từng cạnh chưa xử lý mà không thể tính tất cả các cạnh chưa

Lưới trắc địa là hệ thống các điểm được đánh dấu bằng các mốc bê tông, liên kếtvới nhau theo một quy luật toán học nhất định, thông qua các trị đo góc, chiều dài, góc

phương vị, từ một điểm có tọa độ có thể tính ra tọa độ các điểm khác trong lưới (quaquá trình xử lý toán học các kết quả đo)

Có 2 loại lưới khống chế trắc địa:

-Lưới khống chế mặt bằng nếu chỉ biết (X,Y),dùng làm cơ sở xác định vị trí mặt bằng của các điểm

Có 2 phương pháp chính để xây dựng lưới khống chế mặt bằng là lưới tam gíac

và lưới đường chuyền.Ngoài ra , có thể ứng dụng GPS để xây dựng lưới trắc địa

Với lưới tam giác: hoặc đo tất cả các góc,hoặc đo tất cả các cạnh,hoặc đo cả góc lẫn cạnh

Hình 2.1 Lưới tam giácVới lưới đường chuyền: có 2 dạng chính là lưới đường chuyền phù hợp và lưới đường chuyền khép kín

Hình 2.2 Lưới đường chuyền phù hợp

Hình 2.3 Lưới đường chuyền khép kín-Lưới khống chế độ cao nếu chỉ biết (H), sử dụng làm cơ sở để xác định độ cao của các điểm trên mặt đất

2.2 Thành lập lưới khống chế trắc địa bằng công nghệ GPS

2.2.1 Yêu cầu chọn điểm trong thành lập lưới khống chế trắc địa bằng công nghệ GPS

Vị trí các điểm GPS được chọn phải thỏa mãn các yêu cầu sau:

- Vị trí điểm được chọn phải phù hợp với yêu cầu của thiết kế kỹ thuật, thuận lợi

cho việc đo nối và cho các công tác đo đạc tiếp theo Điểm chọn phải đặt ở nơi có nềnđất, đá ổn định sử dụng được lâu dài và an toàn khi đo đạc

- Vị trí điểm chọn phải thuận tiện cho việc lắp đặt máy thu và thao tác khi đo, có

khoảng không rộng và góc cao của vệ tinh phải lớn hơn 15°

- Vị trí điểm chọn phải thuận tiện cho việc thu tín hiệu vệ tinh, tránh hiện tượng

nhiễu tín hiệu do quá gần các trạm phát song và sai số đa đường dẫn ( Multipath) dophản xạ tín hiệu từ các địa vật xung quanh điểm đo Vị trí điểm chọn phải cách xanguồn phát song vô tuyến công suất lớn ( như tháp truyền hình, trạm vi ba ) lớn hơn200m và tránh xa cáp điện cáo thế lớn hơn 50m

- Đi lại thuận tiện cho đo ngắm.

- Cần tận dụng các mốc khống chế đã có nếu chúng đảm bảo các yêu cầu nêu trên

Công tác chọn điểm phải tuân theo các yêu cầu sau:

- Vẽ sơ đồ ghi chú điểm ngay ngoài thực địa (kể cả các điểm đã có mốc cũ)

- Tên điểm GPS có thể đặt theo tên làng, tên núi, tên địa danh, tên đơn vị, tên công

trình Khi tận dụng điểm cũ không đổi tên điểm số hiệu điểm cần được biên tập tiện lợicho máy tính

- Khi điểm chọn cần đo nói thủy chuẩn, người chọn điểm phải khảo sát tuyến đo

thủy chuẩn ngoài thực địa và đề xuất kiện nghị

- Khi tận dụng điểm cũ phải kiểm tra tính ổn định, sự hoàn hảo, tính an toàn và

phù hợp với các yêu cầu của điểm đo GPS

- Đất dung để chon mốc GPS phải được sự đồng ý của cơ quan quản lý, người

đang sửu dụng đất cần làm thủ tục chuyển quyền sử dụng đất và làm các thủ tục ủyquyền bảo quản mốc

2.2.2 Một số đồ hình lưới trong thành lập lưới khống chế trắc địa bằng công nghệ GPS

Các dạng đồ hình thông dụng:

1 Đồ hình lưới tam giác dày đặc

- Đồ hình lưới tam giác dày đặc đo nối tất cả các cạnh có thể

- Đồ hình lưới tam giác dày đặc chỉ đo nối các cạnh tam giác

2 Đồ hình lưới tứ giác

3 Đồ hình lưới đường chuyền

- Đồ hình lưới đường chuyền dạng chuỗi tam giác đo nối tất cả các cạnh có thể

- Đồ hình lưới đường chuyền dạng tam giác nối nhau tại 1 đỉnh

- Đồ hình lưới đường chuyền dạng chuỗi tứ giác

- Đồ hình lưới đường chuyền dạng cạnh đơn

Qua thực tế áp dụng các dạng đồ hình trên có thể nhận xét như sau:

- Lưới trắc địa đo bằng công nghệ GPS có thể thiết kế dưới dạng lưới tam giác, tứ

giác hoặc đường chuyền

- Đồ hình lưới tốt nhất là đồ hình tam giác và đường chuyền chuỗi tam giác đo tất

cả các cạnh

- Thứ tự các loại đồ hình theo mức độ giảm dần độ chính xác như sau:

+ Đồ hình lưới tam giác dày đặc đo nối tất cả các cạnh có thể

+ Đồ hình lưới đường chuyền dạng chuỗi tam giác đo nối tất cả các cạnh có thể+ Đồ hình lưới tam giác dày đặc chỉ đo nối các cạnh tam giác

+ Đồ hình lưới tứ giác

+ Đồ hình lưới đường chuyền dạng chuỗi tam giác chỉ đo nối các cạnh tam giác+ Đồ hình lưới đường chuyền dạng chuỗi tứ giác chỉ đo nối các cạnh tứ giác

+ Đồ hình lưới đường chuyền dạng tam giác nối nhau tại 1 đỉnh

+ Đồ hình lưới đường chuyền dạng cạnh đơn

- Có thể áp dụng các dạng đồ hình trên đây để thiết kế lưới, nhưng thời gian đo

phải lớn hơn thời gian đo tối thiểu theo thứ tự ngược lại và lưu ý các điểm khởi tính phải đo nối với ít nhất 3 điểm khác

- Thời gian đo càng lớn thì độ chính xác càng tăng Trong điều kiện Việt Nam,

thời gian đo tối thiểu với các cạnh dưới 5 km nên là 90 phút, các cạnh trên 50

km là 180 phút

- Chênh lệch độ dài các cạnh nối các điểm liền kề không được quá lớn (theo kinh

nghiệm không nên lớn hơn 1,5 lần chiều dài cạnh trung bình)

- Góc kẹp giữa các cạnh không ảnh hưởng lớn đến độ chính xác cửa lưới, nhưng

không nên thiết kế góc kẹp quá lớn

2.2.3 Thiết kế ca đo

Thiết kế ca đo (Session) là khâu quan trọng để thi công lưới đạt được các yêu cầukinh tế- kỹ thuật Với số lượng điểm đã xác định (bao gồm các điểm cần xác định vàcác điểm khởi tính) và tùy thuộc vào số lượng máy thu GPS sử dụng, chúng ta có sẽ cóphương án tạo các ca đo phù hợp Có thể thiết kế ca đo trên sơ đồ (hay bản đồ) đã có vịtrí sơ bộ của các mốc

Để tính số ca đo ta sẽ áp dụng theo công thức sau:

n = (m S) r

Trong đó:

- S là tổng số điểm trong lưới

- r là số máy thu sử dụng để đo

- m là số lần đặt máy lặp trung bình tại điểm

Để thiết kế các ca đo cần có sơ đồ vị trí các mốc lưới, gồm cả mốc mới (cần xácđịnh) và mốc khởi tính (mốc gốc) Căn cứ vào số lượng máy thu để thiết kế các ca đotheo trình tự, từ ngoài vào trong và phải bảo đảm theo yêu cầu kỹ thuật