Đang tải... (xem toàn văn)
Chƣơng 1. HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ VỆ TINH 1.1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ CÔNG NGHỆ GNSS 1.1.1 Q VỀ CÔNG NGHỆ GNSS 1.1.1.1 Khái quát hệ thống định vị toàn cầu GNSS Hệ thống định vị vệ tinh toàn cầu (GNSS) là tên dùng chung cho các hệ thống định vị toàn cầu sử dụng vệ tinh như: GPS (Hoa Kỳ), hệ thống định vị Galileo (Liên minh châu Âu), hệ thông GLONASS (Liên bang Nga) và hệ thống định vị Bắc Đẩu (Trung Quốc) . Hệ thống định vị vệ tinh được phát triển từ những năm 70 của thế kỷ XX. Ban đầu chuyên dùng cho mục đích quân sự, từ những năm 80 của thể kỷ XX bắt đầu Được mở rộng cho các mục đích dân sự như định vị điểm, đạo hàng dẫn đường, .... Một hệ thống định vị vệ tinh cơ bản được cấu tạo bởi 3 phần chính: + Phần điều khiển, bao gồm trạm xử lý trung tâm, các trạm giám sát, các trạm truyền số hiệu chỉnh vệ tinh phân bố đều trên vùng lãnh thổ hoặc toàn thế giới để tiện cho việc điều khiển hệ thống. + Phần không gian, bao gồm các vệ tinh bay theo các quỹ đạo đã được định trước và đảm bảo ở vị trí, thời điểm bất kỳ nào trên bề mặt Trái Đất cũng có thể quan sát cùng một lúc được ít nhất 4 vệ tinh. + Phần sử dụng, bao gồm các thiết bị thu tín hiệu từ các vệ tinh nhân tạo, nó được đặt trên các đối tượng cần theo dõi vị trí như: máy bay, tàu thủy, tàu hỏa, xe buýt, các công trình có khả năng chuyển dịch,.....
1 Bài giảng trình hoàn thiện Nguyễn Việt Hà – Bộ môn TĐCT Chƣơng HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ VỆ TINH 1.1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ CÔNG NGHỆ GNSS Q 1.1.1 VỀ CÔNG NGHỆ GNSS 1.1.1.1 Khái quát hệ thống định vị toàn cầu GNSS Hệ thống định vị vệ tinh toàn cầu (GNSS) tên dùng chung cho hệ thống định vị toàn cầu sử dụng vệ tinh như: GPS (Hoa Kỳ), hệ thống định vị Galileo (Liên minh châu Âu), hệ thông GLONASS (Liên bang Nga) hệ thống định vị Bắc Đẩu (Trung Quốc) Hệ thống định vị vệ tinh phát triển từ năm 70 kỷ XX Ban đầu chuyên dùng cho mục đích quân sự, từ năm 80 thể kỷ XX bắt đầu Được mở rộng cho mục đích dân định vị điểm, đạo hàng dẫn đường, Một hệ thống định vị vệ tinh cấu tạo phần chính: + Phần điều khiển, bao gồm trạm xử lý trung tâm, trạm giám sát, trạm truyền số hiệu chỉnh vệ tinh phân bố vùng lãnh thổ toàn giới để tiện cho việc điều khiển hệ thống + Phần không gian, bao gồm vệ tinh bay theo quỹ đạo định trước đảm bảo vị trí, thời điểm bề mặt Trái Đất quan sát lúc vệ tinh + Phần sử dụng, bao gồm thiết bị thu tín hiệu từ vệ tinh nhân tạo, đặt đối tượng cần theo dõi vị trí như: máy bay, tàu thủy, tàu hỏa, xe buýt, công trình có khả chuyển dịch, ình 1.1: quan công nghệ GNSS 1.1.1.2 Tính trội công nghệ GNSS + Đo đạc đơn giản, không cần thông hướng điểm đo; + Độ xác cao + Tự động quan trắc, hiệu chỉnh sai số trực tiếp thông qua radio link; + Hoạt động tốt kể môi trường khắc nghiệt (-400C ÷ 800C); + Tốc độ thu tín hiệu nhanh; + Thu xử lý đa tín hiệu từ nhiều hệ thống vệ tinh khác nhau; + Điều khiển thông qua điều khiển cầm tay; + Tiện ích khác: Có radio link để thu phát tín hiệu hiệu chỉnh Kết nối với máy tính thông qua mạng Internet, 3G, Wifi Kết hợp với RTS khối thống 1.1.2 ỨNG DỤNG CỦA CÔNG NGHỆ GNSS • Thông dụng: – Dẫn đường cho phương tiện giao thông – Giám sát hành trình – Lưu vết đối tượng – Dịch vụ hướng vị trí (Location Based Services - LBS) • Chuyên sâu: – Trắc địa, đồ – Giám sát môi trường – Nghiên cứu tầng khí – Phương tiện tự hành – Đồng thời gian hệ thống viễn thông, giao dịch điện tử ình 1.2: ín hiệu GNSS 1.1.3 CÁC HỆ THỐNG CỦA GNSS Hệ thống vệ tinh định vị toàn cầu ( Global Navigation Satellite System GNSS) tên dùng chung cho hệ thống định vị toàn cầu sử dụng vệ tinh GPS (Hoa Kỳ), Hệ thống định vị Galileo (Liên minh châu Âu) GLONASS (Liên bang Nga) Hệ thống định vị Bắc Đẩu (Trung Quốc) ình1.3: ệ thống định vị toàn cầu GNSS 1.1.3.1.Hệ thống định vị GPS Hệ thống định vị toàn cầu Mỹ hệ dẫn đường dựa mạng lưới 24 vệ tinh Bộ Quốc phòng Hoa Kỳ đặt quỹ đạo không gian.Các hệ thống dẫn đường truyền thống hoạt động dựa trạm phát tín hiệu vô tuyến điện Được biết đến nhiều hệ thống sau: LORAN – (LOng RAnge Navigation) – hoạt động giải tần 90-100 kHz chủ yếu dùng cho hàng hải, hay TACAN – (TACtical Air Navigation) – dùng cho quân đội Mỹ biến thể với độ xác thấp VOR/DME – VHF (Omnidirectional Range/Distance Measuring Equipment) – dùng cho hàng không dân dụng 1.1.3.2.Hệ thống Galileo Hệ thống định vị Galileo hệ thống vệ tinh định vị toàn cầu (GNSS) xây dựng Liên minh châu Âu Galileo khác với GPS Hoa Kỳ GLONASS Liên bang Nga chỗ hệ thống định vị điều hành quản lý tổ chức dân dụng, phi quân Galileo theo kế hoạch thức hoạt động vào năm 2011-12, muộn 3-4 năm so với kế hoạch ban đầu 1.1.3.3.Hệ thống GLONASS GLONASS :( Global'naya Navigatsionnaya Sputnikovaya Sistema) hệ thống vệ tinh định vị toàn cầu Liên bang Nga, tương tự GPS (NAVSTAR) Hoa Kỳ hay Galileo Liên minh châu Âu Số vệ tinh hoạt động 24 vệ tinh, chuyển động bề mặt Quả Đất theo mặt quỹ đạo với góc nghiêng 64,8°, độ cao 19100 km Vệ tinh GLONASS Liên Xô đưa lên quỹ đạo ngày 12 tháng 10 năm 1982, vào ngày 24 tháng năm 1993 hệ thức đưa vào sử dụng ình 1.4: ệ thống GLONASS Cũng giống GPS, chức GLONASS hệ thống điều hướng cho xe hàng không Tuy nhiên, ban đầu ngành quốc phòng Nga dùng làm hệ thống dẫn đường môi trường đòi hỏi tốc độ cao máy bay phản lực tên lửa đạn đạo GLONASS bắt đầu mắt vào cuối thập kỷ 70 kỷ trước Ban đầu, sử dụng chủ yếu cho việc định vị thời tiết đo vận tốc Tuy nhiên sau sụp đổ Liên Xô, đầu tư cho GLONASS bị cắt giảm khiến dự án bị đình trệ Kết hợp với tuổi đời vệ tinh ngắn (khoảng năm), nên người tin tưởng vào thành công chương trình GLONASS Thế thay đổi vào năm 2011 Thủ tướng Nga Vladimir Putin tuyên bố coi việc hoàn thành chương trình GLONASS ưu tiên quốc gia đầu tư ạt cho dự án này, biến trở thành tổ hợp công nghệ tối quan trọng Vào năm 2007, ông Putin ban hành sắc lệnh liên bang mở GLONASS cho sử dụng dân không giới hạn, đưa hệ thống trở thành thách thức với hệ thống GPS Mỹ Vào năm 2010, GLONASS phủ khắp lãnh thổ Nga Một năm sau đó, nhờ vào chòm vệ tinh quay theo quỹ đạo mà phủ khắp toàn cầu Nguyên lý hoạt động GLONASS Hình 1.5: Nguyên lý hoạt động GLONASS Có thành phần cấu tạo nên GLONASS Đầu tiên sở hạ tầng không gian gồm chòm vệ tinh Đây nhóm vệ tinh hoạt động hệ thống Chúng thường đặt máy bay bay quanh quỹ đạo trái đất hay gọi quỹ đạo bay Các vệ tinh tương tác với mạng định vị mặt đất (thành phần thứ hai), giúp tăng độ xác tốc độ vệ tinh qua việc thu thập thông tin đo đạc Các mạng lưới định vị mặt đất lý tưởng trải rộng khắp giới để đảm bảo xác Tuy nhiên với GLONASS, mạng định vị mặt đất chủ yếu nằm Nga, Brazil, Cuba châu Nam Cực Nga đồng ý mở mạng định vị mặt đất Trung Quốc, quốc gia muốn đưa GLONASS trở thành đối trọng với GPS Ngoài ra, năm 2014 GLONASS có thêm mạng định vị mặt đất nằm bên nước Nga Các chòm vệ tinh mạng lưới định vị mặt đất tạo thành lưới tam giác để xác định vị trí thiết bị nhận, thành phần thứ ba Thành phần thứ ba thiết bị nhận tương thích với GLONASS smartphone hay hệ thống dẫn đường xe Lưới tam giác (để đo đạc vị trí) thực loạt tính toán dựa nội dung tín hiệu gửi từ vệ tinh Các tín hiệu gửi khoảng thời gian xác Các thiết bị nhận dùng GLONASS để định vị sử dụng tín hiệu gửi từ vệ tinh để tính toán vị trí, vận tốc thời gian GLONASS ban đầu sử dụng phương pháp truy cập đa tần FDMA (Frequency Division Multiple Access Method) để liên lạc với vệ tinh, với 25 kênh cho 24 vệ tinh Đây giao thức phổ biến liên lạc vệ tinh có hạn chế dễ bị can nhiễu gián đoạn Từ năm 2008, GLONASS sử dụng CDMA (Code Division Multiple Access Technique) để mang đến khả tương thích với vệ tinh GPS Bởi thiết bị nhận GLONASS tương thích với FDMA CDMA nên chúng chúng có kích cỡ lớn đắt đỏ GPS Độ xác GLONASS Độ xác GLONASS tương đương với GPS Nhưng điều lúc Đầu kỷ 21, GLONASS bị hỏng khiến hệ thống hoạt động không xác Điều khiến Roscosmos (Cơ quan vũ trụ Nga) đặt mục tiêu đưa GLONASS tiệm cận với GPS độ xác tin cậy vào năm 2011 Cuối năm 2011, GLONASS đạt mục tiêu đề Nó chứng tỏ đạt độ xác môi trường tối ưu (không có mây, tòa nhà cao tầng can nhiễu vô tuyến) tới 2,8 mét Kết GPS chút mức hoàn toàn chấp nhận với sử dụng thương mại lẫn quốc phòng.Tuy vậy, độ xác GLONASS tùy thuộc vào nơi bạn sử dụng Nó đưa kết định vị xác Bán cầu Bắc so với Bán cầu Nam khu vực tập trung nhiều trạm mặt đất GLONASS ngày Mặc dù nhiều nhà sản xuất điện thoại tích hợp GLONASS vào thiết bị họ Sony, Apple HTC song hệ thống định vị chưa thể phổ biến GPS, công nghệ có mặt toàn smartphone máy tính bảng Điều phần GLONASS có kết thực xác vĩ độ Bắc, ban đầu thiết kế chủ yếu phục vụ cho Nga GPS từ đầu hướng đến toàn cầu GLONASS chưa biết đến nhiều chưa phải hệ thống định vị hoàn thiện GPS thực tế chưa có thiết bị giới thiệu nước Nga tích hợp GLONASS Ứng dụng GLONASS ình 1.6: Ứng dụng GLONASS iPhone nhiều thiết bị Android sử dụng GLONASS GPS để đảm bảo xác tối đa Nếu bạn khu vực nhiều mây che phủ bị bao quanh tòa nhà cao tầng, thiết bị bạn sử dụng GLONASS kết hợp với GPS Điều cho phép thiết bị xác định vệ tinh tổng số 55 vệ tinh toàn cầu (các vệ tinh GLONASS GPS), làm tăng độ xác việc định vị Tuy nhiên, GLONASS thường kích hoạt tín hiệu GPS yếu để tiết kiệm pin cho thiết bị Có số ứng dụng sử dụng GLONASS để cung cấp dịch vụ định vị Chẳng hạn, ứng dụng NIKA GLONASS (hiện cung cấp miễn phí kho ứng dụng Google Play App Store) cho phép bạn theo dõi trí thiết bị Android thời gian thực Tuy nhiên, ứng dụng đòi hỏi phải có thẻ sim MTS (công nghệ CDMA) hoạt động 1.2 Ệ ỐNG N O NC GPS Hệ thống định vị toàn cầu Mỹ hệ dẫn đường dựa mạng lưới 24 vệ tinh Bộ Quốc phòng Hoa Kỳ đặt quỹ đạo không gian.Các hệ thống dẫn đường truyền thống hoạt động dựa trạm phát tín hiệu vô tuyến điện Được biết đến nhiều hệ thống sau: LORAN – (LOng RAnge Navigation) – hoạt động giải tần 90-100 kHz chủ yếu dùng cho hàng hải, hay TACAN – (TACtical Air Navigation) – dùng cho quân đội Mỹ biến thể với độ xác thấp VOR/DME – VHF (Omnidirectional Range/Distance Measuring Equipment) – dùng cho hàng không dân dụng Gần đồng thời với lúc Mỹ phát triển GPS, Liên Xô phát triển hệ thống tương tự với tên gọi GLONASS Hiện Liên minh Châu Âu phát triển hệ dẫn đường vệ tinh mang tên Galileo Trung Quốc phát triển hệ thống định vị toàn cầu mang tên Bắc Đẩu bao gồm 35 vệ tinh Ban đầu, GPS GLONASS phát triển cho mục đích quân sự, nên chúng dùng cho dân không hệ đưa đảm bảo tồn liên tục độ xác Vì chúng không thỏa mãn yêu cầu an toàn cho dẫn đường dân hàng không hàng hải, đặc biệt vùng thời điểm có hoạt động quân quốc gia sở hữu hệ thống Chỉ có hệ thống dẫn đường vệ tinh châu Âu Galileo (đang xây dựng) từ 10 đầu đặt mục tiêu đáp ứng yêu cầu nghiêm ngặt dẫn đường định vị dân GPS ban đầu dành cho mục đích quân sự, từ năm 1980 phủ Mỹ cho phép sử dụng dân GPS hoạt động điều kiện thời tiết, nơi Trái Đất, 24 ngày Không phí thuê bao tiền trả cho việc thiết lập sử dụng GPS phải tốn tiền không rẻ để mua thiết bị thu tín hiệu phần mềm nhúng hỗ trợ Hoạt động GPS Các vệ tinh GPS bay vòng quanh Trái Đất hai lần ngày theo quỹ đạo xác phát tín hiệu có thông tin xuống Trái Đất Các máy thu GPS nhận thông tin phép tính lượng giác tính xác vị trí người dùng Về chất máy thu GPS so sánh thời gian tín hiệu phát từ vệ tinh với thời gian nhận chúng Sai lệch thời gian cho biết máy thu GPS cách vệ tinh bao xa Rồi với nhiều quãng cách đo tới nhiều vệ tinh máy thu tính vị trí người dùng hiển thị lên đồ điện tử máy Máy thu phải nhận tín hiệu ba vệ tinh để tính vị trí hai chiều (kinh độ vĩ độ) để theo dõi chuyển động Khi nhận tín hiệu vệ tinh máy thu tính vị trí ba chiều (kinh độ, vĩ độ độ cao) Một vị trí người dùng tính máy thu GPS tính thông tin khác, tốc độ, hướng chuyển động, bám sát di chuyển, khoảng hành trình, quãng cách tới điểm đến, thời gian Mặt Trời mọc, lặn nhiều thứ khác Cấu trúc GPS GPS gồm phần chính: phần không gian, kiểm soát sử dụng Không quân Hoa Kỳ phát triển, bảo trì vận hành phần không gian kiểm soát Các vệ tinh GPS truyền tín hiệu từ không gian, máy thu GPS sử dụng tín hiệu để tính toán vị trí không gian chiều (kinh độ, vĩ độ độ cao) thời gian Phần không gian Phần không gian gồm 27 vệ tinh (24 vệ tinh hoạt động vệ tinh dự phòng) nằm quỹ đạo xoay quanh trái đất Chúng cách mặt đất 20.200 km, bán kính quỹ đạo 26.600 km Chúng chuyển động ổn định vá quay hai vòng quỹ đạo khoảng thời gian gần 24 với vận tốc nghìn dặm Các vệ tinh quỹ 59 Bước 1: Tính tọa độ trọng tâm điểm cần tính chuyển bề mặt trung bình Giả sử có n điển cần tình chuyển Ta có tọa độ điểm trọng điểm trọng tâm lưới: n x i n n yi Yo i 1 n Xo i 1 (3.1) Bước 2: Tính chiều dài phương vị cạnh từ điểm trọng tâm đến điểm lưới khống chế thi công Si= (xi-xo)2+(yi-yo)2 (3.2) αi=arctg(dy/dx) Tính chuyển chiều dài cạnh lưới khống chế thi công chiều dài cạnh độ cao trung bình Hm Si’ = Si.K Với K = R+HTB R : (3.3) Hệ số biến dạng chiều dài H: độ cao trung bình R: bán kính Trái đất = 6370 km k : hệ số biến dạng chiều dài Bước 3: Tính tọa độ điểm lưới bề mặt công trình ' Xi= y0 Si sin αi ' Yi= x0 Si cosαi (3.4) 60 Chƣơng ỨNG D NG Đ NH V V TINH TRONG TR C Đ A C NG TR NH 4.1 ỨNG D NG Đ NH V V TINH TRONG ĐO V B N Đ C NG TR NH 4.1.1 Giới thiệu chung đo GPS động Đo GPS động dạng phương pháp đo GPS tương đối, phương pháp xác định hiệu toạ độ hệ toạ độ GPS từ điểm cần xác định toạ độ đến điểm gốc có toạ độ dựa sở số liệu vệ tinh thu nhận đồng thời từ máy thu đặt điểm khoảng thời gian định Toạ độ điểm đo nhận phòng sau xử lý số liệu đo thực địa phần mềm xử lý chuyên dụng Kiểu đo gọi đo GPS tương đối dạng tĩnh toạ độ điểm đo đạt độ xác cao (cỡ 5mm+1ppm) Tuy đạt độ xác cao cần phải nhiều thời gian đo để thu nhận số lương lớn trị đo (tối thiểu 240 trị đo giờ) nên cách đo chưa đáp ứng yêu cầu riêng việc xác định toạ độ điểm đo với độ xác định khoảng thời gian đo nhiều Đo GPS tương đối dạng động giải pháp thoả mãn yêu cầu nêu mang tính hiệu thời gian đo ngắn đảm bảo độ xác theo yêu cầu số dạng công việc cụ thể Sự khác đo GPS động đo GPS tĩnh yếu tố thời gian đo Tuy độ xác thấp chút ( cỡ Cm) số lượng điểm đo tăng lên nhiều khoảng thời gian ngắn Do đo GPS động xem giải pháp khả thi số dạng cụ thể công tác Trắc địa -Địa hình nói chung nói riêng công tác Trắc địa công trình Đo GPS động chia phương pháp chính: - Đo động xử lý sau (Postprocessing Kinematic - PPK) - Đo động tức thời (Real time Kinematic - RTK) Trong đo động lại có nhiều kỹ thuật đo khác : + Đo dừng (Stop and Go): Theo cách máy di động phải dừng (đứng yên) khoảng thời gian định để thực việc thu tín hiệu cần phải có điều khiển đo kèm Phương pháp “đo dừng đi” dùng nhiều đo chi tiết để thành lập đồ địa hình, đồ địa chính; đo vẽ mặt cắt địa hình; đo bao khu vực để kiểm kê diện tích đất sử dụng…vv 61 + Đo liên tục (Continuous): Theo cách máy di động thu tín hiệu di chuyển liên tục Kỹ thuật đo ứng dụng để xác định toạ độ đối tượng động, chuyển động thay đổi độ cao tàu, thuyền, máy bay, ô tô + Đo kiểu đánh dấu kiện (Events markers) vv Phương pháp đo kiểu “đánh dấu kiện” sử dụng việc xác định toạ độ tức thời đối tượng động, phối hợp với thiết bị khác, thí dụ xác định toạ độ tâm chụp máy ảnh hàng không cửa chớp nhanh máy ảnh mở Mỗi phương pháp đo hay kỹ thuật đo khác nhau, máy thu GPS đòi hỏi phải có thiết bị chuyên dụng kèm theo 4.1.2 Các phƣơng pháp đo thi t bị dùng đo GPS động 4.1.2.1 phương pháp đo GPS động Tuỳ thuộc vào thời điểm xử lý số liệu đo mà chia phương pháp đo GPS động sau: 1- Đo GPS động thời gian thực (RTK-Real Time Kinematic) Phương pháp cho phép giải toạ độ điểm đặt máy trạm động thực địa nhờ việc xử lý tức thời số liệu vệ tinh thu trạm cố định trạm di động thông qua xử lý số liệu chuyên dụng kèm với trạm động thực địa Phương pháp cần phải có hệ thống truyền tín hiệu vô tuyến (Rađio link) để truyền liên tục số liệu thu trạm tĩnh đến thiết bị xử lý số liệu trạm động (Hình 2.1) 2- Đo GPS động xử lý sau ( PPK -Postprocesing Kinematic) Phương pháp cho phép thu nhận toạ độ điểm đo với độ xác cỡ cm sở xử lý số liệu vệ tinh thu trạm cố định trạm động sau đo thực địa phần mềm xử lý số liệu chuyên dụng (xử lý số liệu phòng) Trong phương pháp này, thời gian thu tín hiệu vệ tinh tương đối ngắn ( tối thiểu trị đo) trình đo thực địa không cần đến hệ thống thu phát tín hiệu vô tuyến (Rađio link) 62 Hình 2.1 Đo GPS RTK 4.1.2.2 hiết ị dùng đo GPS động + Khi đo động tức thời (RTK) cần có máy móc thiết bị sau: a)- Tại trạm cố định (trạm Base): - 01 máy thu GPS (có chức đo động) - Nguồn điện (pin acquy) - Chân máy, đế máy có dọi tâm quang học nối đế máy với máy thu - Bộ điều khiển đo (đối với máy thu hệ mới) kèm theo cáp nối - Thước chuyên dụng để đo chiều cao máy - Máy phát tín hiệu vô tuyến (Radio-Link) b)-Tại trạm động (trạm Rover): - 01 máy thu GPS - 01 sào đo có kèm bọt thuỷ tròn + giá chống đỡ - Nguồn điện (pin acquy) - Bộ điều khiển đo (đối với máy thu hệ mới) kèm theo cáp nối - Máy phát tín hiệu vô tuyến (Radio-Link) + Khi đo động xử lý sau cần có máy móc thiết bị sau: a)- Tại trạm cố định (trạm Base): - 01 máy thu GPS (có chức đo động) - Nguồn điện (pin acquy) - Chân máy, đế máy có dọi tâm quang học nối đế máy với máy thu - Bộ điều khiển đo (đối với máy thu hệ mới) kèm theo cáp nối 63 - Thước chuyên dụng để đo chiều cao máy b)-Tại trạm động (trạm Rover): - 01 máy thu GPS - 01 sào đo có kèm bọt thuỷ tròn + giá chống đỡ - Nguồn điện (pin acquy) - Bộ điều khiển đo (đối với máy thu hệ mới) kèm theo cáp nối 4.1.3 Quy trình kỹ thuật đo GPS động Khi có thiết bị cần thiết, tổ chức đo động để xác định toạ độ, độ cao vị trí đặt máy động (trạm Rover) sở toạ độ độ cao biết trạm tĩnh (Trạm Base) Do yêu cầu quan trọng đo GPS động phải liên tục theo dõi vệ tinh, trước đo cần phải khảo sát khu đo để xác định điều kiện đo có đảm bảo hay không? Trong đo xảy tượng “mất khoá tín hiệu” phải khởi đo lại hay không? cần xem xét đường (đường di chuyển máy thu di động) để tránh phải tán cây, vật che chắn tín hiệu nhà cửa, tường gạch, cột điện vv Quá trình tiến hành đo động thực địa gồm công đoạn sau: 1- Chuẩn bị điểm trạm tĩnh: Điểm chọn làm trạm tĩnh nên điểm khống chế mạng lưới toạ độ nhà nước (hạng I,II,III,IV), điểm lưới chêm dày (cấp 1, cấp 2) Tại điểm trạm tĩnh cần đảm bảo thông thoáng tốt để thuận lợi cho việc thu tín hiệu từ vệ tinh suốt thời gian đo động Điểm trạm tĩnh không nên chọn xa khu đo, tốt cách khu đo không 10Km Một điểm trạm tĩnh dùng chung cho nhiều trạm động Hình 2.2 hình ảnh trạm tĩnh (trạm Base) đo GPS động Nếu đo động xử lý sau chưa cần biết toạ độ, độ cao điểm trạm tĩnh (vì cần cho giai đoạn xử lý phòng) Nhưng đo động tức thời (RTK) cần phải biết trước toạ độ, độ cao điểm trạm tĩnh số điểm khác phân bố quanh khu đo để làm thủ tục định chuẩn hệ toạ độ (Site cabliration) Đo GPS động dạng đo GPS tương kết xác định số gia toạ độ hệ WGS-84 điểm trạm động so với điểm trạm tĩnh Để sử dụng 64 kết hệ toạ độ thực dụng (hoặc hệ toạ độ địa phương) cần phải thông qua bước chuyển đổi gọi thủ tục quy chuẩn hệ toạ độ Thủ tục định chuẩn thực chất công việc chuẩn bị trước để giúp trạm động chuyển đổi thực địa từ toạ độ xác định hệ WGS-84 hệ toạ độ thực dụng (hệ HN-72 VN-2000) Hình 2.2 Trạm Base đo GPS động Để định chuẩn hệ toạ độ, người ta sử dụng tập hợp điểm song trùng, thông thường sử dụng điểm bố trí xung quanh khu đo (cũng nhiều điểm, tối đa 20 điểm), điểm việc xác định toạ độ-độ cao hệ toạ độ thực dụng đồng thời xác định toạ độ-độ cao hệ WGS-84 Trên sở toạ độ hệ thống điểm song trùng người ta tính tham số chuyển đổi toạ độ hệ WGS-84 hệ thực dụng Các tham số sử dụng điểm đo động 2- Công tác khởi động trạm tĩnh (trạm Base): Trạm tĩnh khởi động trước thực thủ tục khởi đo trạm động Khi thực khởi động trạm tĩnh cần có điều khiển đo (TDC1 TSC1 ) nối với máy thu cáp chuyên dụng Cần xác định trước tần suất ghi tín hiệu (epoch interval), nơi ghi tín hiệu, góc ngưỡng chọn vệ tinh vv Các tham số cài đặt trước điều khiển đo Thực thao tác khởi động trạm tĩnh lệnh “Start base receiver” Khi nhận hình điều khiển đo thông báo “Base started” có nghĩa 65 trạm tĩnh khởi động xong Lúc tháo điều khiển đo khỏi máy tĩnh chọn ghi số liệu vào nhớ máy thu 3- Thủ tục khởi đo trạm động (trạm Rover): Nếu tiến hành đo động phục vụ đo vẽ địa hình, máy động thường gắn sào đo Máy thu trạm động gắn liên tục với điều khiển đo cáp nối chuyên dụng Trước thực đo hàng loạt điểm phải thực thủ tục khởi đo trạm Thủ tục khởi đo bước làm để xác định nhanh số nguyên lần bước sóng từ vệ tinh đến antena máy thu dựa vào việc thu tín hiệu vệ tinh (trị đo C/A Code trị đo phase) máy (trạm tĩnh trạm động) đặt thu tín hiệu vệ tinh cách đồng thời đầu đường đáy (Baseline) Đường đáy chọn điểm biết toạ độ, đo theo phương pháp đo tĩnh Khi có số nguyên đa trị việc giải toạ độ điểm cần với số lượng trị đo (1-2 trị đo) thu nhận thông qua khoảng thời gian đo ngắn Yêu cầu bắt buộc trình đo điểm chi tiết sau, trạm cố định (trạm Base) trạm động (trạm Rover) phải trì liên tục việc thu tín hiệu vệ tinh vệ tinh Toạ độ điểm đo tính với số liệu đo ít, số liệu đo kiểm tra thực địa Nếu số liệu thu điều kiện không đảm bảo độ xác (PDOP lớn), thiết bị đo không cho phép đo Ngoài ra, tín hiệu vệ tinh (máy thu vào vùng tín hiệu bị che chắn) số lượng vệ tinh thông tin số nguyên đa trị bị việc khởi đo lại phải tiến hành lại Trước năm đầu sử dụng hệ thống GPS, chất lượng máy thu vệ tinh mức hạn chế nên số nguyên đa trị xác định dựa tập hợp số liệu đo đủ lớn, tức đồ hình vệ tinh thu tín hiệu phải thay đổi đủ mức cần thiết Điều dẫn đến giải nhanh số nguyên đa trị thực địa (do phải kéo dài thêm thời gian đo) để phục vụ cho đo GPS động Trong năm gần đây, thiết bị thu hệ phần mềm xử lý số liệu ngày hoàn thiện việc giải số nguyên đa trị thực nhanh cần dựa thay đổi nhỏ đồ hình vệ tinh Có thể thực thủ tục khởi đo theo hai phương pháp sau: - đặt máy động điểm biết (Known point) 66 - đặt máy động điểm chưa biết (Unknown point) Nếu khởi đo điểm biết, cần biết trước vector khởi đầu từ trạm tĩnh đến trạm khởi đo, gồm thành phần gia số toạ độ X, Y, Z hệ WGS-84 Trong trường hợp thời gian khởi đo ngắn, thường vài phút Nếu khởi đo điểm chưa biết, cần phải chờ thời gian dài hơn, thường vài chục phút nhận thông báo thủ tục khởi đo hoàn thành Thực chất thời gian tương đương với đo tĩnh để xác định vector khởi đầu Nếu thực đo động tức thời (RTK), công việc khởi đo phức tạp phải thực thủ tục định chuẩn 4- Thực đo động: Việc đo động tiến hành theo kỹ thuật đo khác tuỳ thuộc vào mục đích công việc đo vẽ Ở đề cập tới kỹ thuật đo động “Dừng đi” (Stop and Go) Máy thu di động gắn sào đo, với chiều cao antena cố định (khoảng 1,8m) Tại điểm đo, ta dừng lại thu tín hiệu vệ tinh khoảng thời gian gấp lần tần suất ghi tín hiệu Tại điểm đo cần ý theo dõi hình điều khiển đo để đảm bảo trạng thái máy thu: - Nếu thông báo “Roving” cho phép di chuyển máy thu - Nếu thông báo “Point details”, tạm dừng ghi số liệu cần thiết điểm đo tên điểm, độ cao antena vv - Nếu thông báo “Static” phải giữ máy đứng yên thời gian thu tín hiệu (vài giây) Việc thay đổi thông báo thực phím OK diều khiển đo (thí dụ điều khiển đo TDC1) Trong phương pháp đo động thời gian thực (RTK), tín hiệu trạm tĩnh thu-phát Rađio chuyển đến máy động để xác định vector cạnh, từ xác định toạ độ điểm trạm động thực địa Trong trình đo động cần lưu ý tới thông báo điều khiển đo, cần ý tới MODE hình ROVING di chuyển: + FINE: thực chế độ tốt + COARCE: thực chế độ kém, sai lớn (đang bị khoá tín hiệu) 5- Kết thúc đo động: Sau thu tín hiệu tất điểm đo, người đo kết thúc đo lệnh “End Survey” Mọi số liệu đo ghi lưu lại 67 nhớ máy thu nhớ điều khiển đo Các số liệu trút sang máy tính để thực công đoạn xử lý phòng 4.2 CHUY N TR C C NG TR NH L N CAO TRONG THI C NG NH V C NG TR NH C CHI U CAO L N 4.2.1 Xác định điểm mặt sàn xây dựng công nghệ GPS Chọn đánh dấu điểm mặt sàn thi công Khi chuyển trục lên cao cần lập lưới GPS cạnh ngắm với chiều dài nhỏ 500m Mạng lưới gồm hai đến ba điểm cố định từ hai đến ba điểm thuộc trục công trình Các điểm cố định nằm mặt đất thường điểm lưới khống chế bên định tâm bắt buộc Các điểm trục đánh dấu cách xử dụng máy kinh vĩ máy chiếu lên biên tầng cần đo GPS Sau dùng phương pháp căng dây bật mực để xác định hướng trục cần đặt máy GPS Tiếp theo dùng thước thép để xác định vị trí đặt máy thu GPS vị trí xác định gần với vị trí điểm lưới bố trí bên cần chuyển lên mặt thi công theo hướng thẳng đứng Đánh dấu vị trí lại cách khoan đóng đinh (có khắc chữ thập giữa) trực tiếp xuống sàn bê tông Dùng sơn đỏ khoanh tròn quanh vị trí đánh dấu để dễ tìm kiếm tiến hành đo GPS Các điểm chọn cách chuyển điểm lưới bên công trình hệ tọa độ GPS sau nạp vào máy sử dụng chế độ Navigation (dẫn đường) để xác định vị trí đặt máy mặt sàn thi công Xác định vị trí điểm mặt sàn thi công công nghệ GPS + Chọn thời điểm đo Máy đo GPS sau kiểm nghiệm đo khoảng 60 phút sau đo trút số liệu lịch vệ tinh xuống máy tính xử dụng chúng để lập kế hoạch thời điểm đo chương trình PLan/Quick Plan Thời gian đo chọn 30 phút 25 phút nhỏ tuỳ thuộc vào độ xác máy đồ hình vệ tinh thời điểm đo Thời điểm đo phụ thuộc vào tiến độ kế hoạch thi công công trình, theo tiến độ kế hoạch 68 thi công ta có thời gian cần chuyển điểm khống chế lên mặt sàn thi công Bằng chương trình PLan/Quick Plan lập lịch đo cho 24 ngày dự định đo với ca đo 30 phút Sau chọn thời điểm đo theo tiêu chí: Đồ hình vệ tinh phân bố cân xứng dạng đa giác Số vệ tinh thời điểm đo nhiều tốt lớn vệ tinh Các vệ tinh phải có góc mọc lớn 15o để loại trừ sai số khúc xạ, chuẩn hạng PDOP (sai số vị trí điểm) phải nhỏ 4, RATIO lớn Nên chọn nhiều thời điểm đo ngày để có sở lựa chọn Đối chiếu trường công trình tuỳ thuộc khả che chắn địa vật góc cao bao nhiêu, tác nhân gây nhiễu trạm phát sóng, đường dây cao để chọn thời điểm đo tốt nhất, phù hợp với hoàn cảnh tác động môi trường xung quanh Trường hợp công trình không bị che chắn không 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 công 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 sử lý sau đo Đến thời điểm chọn trình lập lịch 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 + Xử lý đo Sau đo xong cần phải làm công việc sau: - Trút số liệu sang máy tính - Tính cạnh (Baseline) bao gồm việc vào lại độ cao ang ten nhiệt độ áp suất Có thể sử lý tự động bán tự động để can thiệp cắt bỏ vệ tinh 69 có tín hiệu kém, cắt bỏ bớt thời gian tăng góc ngưỡng - Kiểm tra chất lượng cạnh lưới thông qua tiêu RDOP RMS, Ratio lớn Trong trường hợp tiêu không đạt phải tính lại đo lại Các lời giải sau sử lý cạnh (Baseline) lấy nghiệm có lời giải FIX Còn 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 công trình - In ấn kế sau tính toán xử lý 4.2.2 Chuyển điểm lƣới bố trí bên lên mặt sàn xây dựng Sau đưa điểm lên mặt sàn xây dựng công nghệ GPS Từ điểm phải tiến hành chuyển điểm lưới bố trí bên công trình lên mặt sàn xây dựng Quá trình thực trải qua bước sau: Hoàn nguyên vị trí điểm trục thực chất dựa vào điểm GPS đo sàn Để xác định xác vị trí điểm trục đánh dấu mặt sàn thi công Công việc gần giống hoàn nguyên điểm lưới ô vuông xây dựng Gọi XGPS, YGPS tọa độ đo GPS, XT ,YT tọa độ điểm trục công trình thiết kế xây dựng mặt tầng sở gần với điểm XGPS, YGPS theo phương thẳng đứng Từ giá trị ta có độ lệch tọa độ, phương vị khoảng cách sau: X = XT - XGPS Y= XT - YGPS αhng = arctg( dhng = Y ) X X Y αhng góc phương vị dhng khoảng cách hoàn nguyên (2.5) 70 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 00000'00″ tính góc hoàn nguyên (β): β = αhng – α0 α0 phương vị từ điểm GPS cần hoàn nguyên tới điểm định hướng Mở góc β theo chiều thuận kim đồng hồ β >0 ngược lại β < Trên hướng dùng thước thép đo đoạn dhng ta xác định điểm trục cần chuyển Kiểm tra cách hoàn nguyên lại lần thứ hai Đánh dấu cẩn thận cố định điểm vừa hoàn nguyên xuống sàn bê tông Trường hợp khoảng cách dhng < 0.3m hoàn nguyên đo độ thước thẳng 4.2.3 Độ xác phƣơng pháp Sai số phương pháp này: mTH m2h.ng m2b.tri mGPS (2.6) Với: mTH sai số điểm sau chuyển lên mặt sàn thi công mh.ng sai số hoàn nguyên điểm GPS vị trí trục m h ng m d h ng m2 h ng "2 d 2h ng (2.7) mb.tri - Sai số trình bố trí máy kinh vĩ thước thép m b.tri m d m2 "2 d2 (2.8) mGPS - Sai số chuyển điểm lên sàn thi công máy GPS mhng - Sai số đo khoảng cách hoàn nguyên md - Sai số đo khoảng cách chuyển điểm khống chế bên lại lên mặt sàn thi công m h.ng - Sai số đo góc hoan nguyên 71 mβ - Sai số đo góc chuyển điểm khống chế bên lại lên mặt sàn thi công ρ″ - Hệ số quy đổi sang đơn vị radian 206265 mc.phép = ±3 n (mm) ; Với n số tầng 4.3 CHUY N Đ CAO L N CAO TRONG THI C NG NH (2.9) V C NG TR NH C CHI U CAO L N 4.3.1 Mối quan hệ độ cao trắc địa độ cao thƣờng Đo GPS nhận độ cao trắc địa so với mặt Ellipxoid WGS-84 (hoặc chênh cao trắc địa) Muốn có độ cao hệ độ cao Nhà nước (độ cao thường, gọi độ cao chuẩn) ta cần phải tính chuyển Việc đo cao GPS tính chuyển độ cao thường gọi đo cao GPS Mối quan hệ độ cao trắc địa độ cao thường thể hình 3.11 công thức (3.61) Mặt đất thực h H Mặt Kvadigeoid Mặt Ellipxoid Hình 3.11 Quan hệ độ cao thường độ cao trắc địa h H h H đó: (3.61) H, H độ cao, chênh cao trắc địa h, h độ cao, chênh cao thường , dị thường độ cao, hiệu dị thường độ cao Vấn đề đặt phải xác định dị thường độ cao hiệu di thường độ cao Có 72 số phương pháp xác định dị thường độ cao sau: 4.3.2 Xác định dị thƣờng độ cao theo số liệu trọng lực Theo phương pháp này, dị thường độ cao xác định theo công thức Stock [13] đó: ( g ) S ( )d 4. R (3.62) S() hàm Stock Dị thường độ cao xác định theo công thức khoảng cách mặt Kvadigeoid với mặt Ellipxoid chuẩn, cần phải tính chuyển mặt WGS-84 Để xác định dị thường độ cao theo phương pháp cần phải có số liệu trọng lực toàn cầu 4.3.3 Xác định dị thƣờng độ cao theo số liệu đo song trùng GPS – Thuỷ chu n - Điể m đ o nố i thuỷ chuẩ n Hình 3.12 Lưới GPS có đo nối thuỷ chuẩn Theo phương pháp này, giả sử có lưới GPS (hình 3.12), có độ cao trắc địa Hi tất điểm Một số điểm lưới đo nối độ cao thuỷ chuẩn với độ xác cần thiết, điểm gọi điểm song trùng Các điểm song trùng tính dị thường độ cao theo công thức i H i hi (3.63) Lập mô hình toán biểu diễn mối quan hệ dị thường độ cao với toạ độ 73 điểm i F ( xi , yi , a, b, c ) đó: (3.64) xi, yi toạ độ vuông góc phẳng điểm i a, b, c tham số mô hình Dựa vào điểm song trùng, ta xác định tham số a, b, c , từ tính dị thường độ cao cho điểm lại Trong phần sau giới thiệu chi tiết mô hình toán dùng để xác định dị thường độ cao theo phương pháp 4.3.4 Xác định dị thƣờng độ cao có sử dụng số liệu địa hình Theo kết nghiên cứu, uốn lượn Geoid (hoặc Kvadigeoid) chia sóng dài, sóng trung, sóng ngắn sóng cực ngắn Sóng dài thể khái quát bề mặt Geoid, sóng trung sóng ngắn xác định số liệu trọng lực chi tiết, sóng cực ngắn yếu tố địa hình gây Vì vậy, dùng số liệu địa hình để xác định phần dị thường độ cao, phần lại nội suy điểm song trùng, nội suy điểm song trùng có tính đến số liệu địa hình 4.3.5 Xác định dị thƣờng độ cao từ mô hình geoid Mô hình geoid tập hợp điểm có toạ độ độ cao geoid (dị thường độ cao) Mô hình geoid lập cho toàn cầu, gọi mô hình geoid toàn cầu (EGM-96, OSU-91A ), lập cho quốc gia hay khu vực gọi mô hình geoid cục Khi có mô hình geoid điểm xác định dị thường độ cao biết toạ độ Trên thực tế, người ta thường kết hợp phương pháp để xác định dị thường độ cao Ví dụ: Xác định dị thường độ cao theo số liệu đo song trùng GPS-thuỷ chuẩn kết hợp với số liệu trọng lực, Xác định dị thường độ cao theo số liệu đo song trùng GPS-thuỷ chuẩn kết hợp với số liệu địa hình, Xác định dị thường độ cao theo số liệu đo song trùng GPS-thuỷ chuẩn kết hợp với số liệu trọng lực số liệu địa hình vv Trong phần trình bày cụ thể số phương pháp 4.4 B TR CHI TI T C NG TR NH B NG C NG NGH GPS Tham khảo “4.2 CHUY N TR C C NG TR NH L N CAO TRONG THI C NG NH V C NG TR NH C CHI U CAO L N”