Nghiên cứu công nghệ gnss trong xây dựng lưới khống chế thi công công trình thủy điện

Mục đích nghiên cứu của đề tài - Nghiên cứu khả năng ứng dụng công nghệ GNSS, các phương pháp đo và xử lý số liệu bảo đảm hiệu quả và độ chính xác trong quá trình thành lập lưới khống c

TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT

DOÃN HOA MAI

NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ GNSS TRONG XÂY DỰNG LƯỚI KHÔNG CHẾ THI CÔNG CÔNG TRÌNH THỦY ĐIỆN

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Hà Nội - 2015

TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT

DOÃN HOA MAI

NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ GNSS TRONG XÂY DỰNG LƯỚI KHÔNG CHẾ THI CÔNG CÔNG TRÌNH THỦY ĐIỆN

Chuyên ngành: Kỹ thuật trắc địa

Mã số : 60.52.05.03

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

HÀ NỘI, 2015

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu, kết quả trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Hà Nội, ngày tháng năm 2015

Tác giả luận văn

Doãn Hoa Mai

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 6

1 TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI 6

2 MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI 6

3 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU 7

4 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 7

6 Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN 7

7 CẤU TRÚC LUẬN VĂN 7

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ GNSS 9

1.1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ CÔNG NGHỆ GNSS 9

1.2 ỨNG DỤNG CỦA CÔNG NGHỆ GNSS 10

1.3 CÁC HỆ THỐNG CỦA GNSS 10

CHƯƠNG 2: ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ GNSS TRONG THÀNH LẬP LƯỚI KHỐNG CHẾ THI CÔNG CÔNG TRÌNH THỦY ĐIỆN 20

2.1 ĐĂ ̣ C ĐIỂM CẤU TRÚC CỦA CÔNG TRÌNH THỦY ĐIỆN 20

2.2 YÊU CẦU ĐỘ CHÍNH XÁC BỐ TRÍ CÁC HẠNG MỤC CÔNG TRÌNH THỦY ĐIỆN 23

2.3 ỨNG DỤNG GNSS ĐỂ THÀNH LẬP LƯỚI THI CÔNG CÔNG TRÌNH THỦY ĐIỆN 25

2.4 MỘT SỐ CHỈ TIÊU KỸ THUẬT ĐO ĐẠC LƯỚI GNSS 34

2.5 MÔ ̣ T SÔ ́ GIA ̉ I PHA ́ P NÂNG CAO HIÊ ̣ U QU ̉ A ĐO GNSS TRONG LƯƠ ́ I TRĂ ́ C ĐI ̣ A CÔNG TRI ̀ NH 35

CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN XỬ LÝ SỐ LIỆU LƯỚI THI CÔNG CÔNG TRÌNH THỦY ĐIỆN THÀNH LẬP BẰNG CÔNG NGHỆ GNSS 39

3.1 QUY TRÌNH XỬ LÝ SỐ LIỆU BẰNG PHẦN MỀM TBC (TRIMBLE BUSINESS CENTER) 39

3.2 CHỌN HỆ TỌA ĐỘ MẶT CHIẾU ĐỐI VỚI CÔNG TRÌNH THỦY ĐIỆN 48

CHƯƠNG 4: THỰC NGHIỆM THÀNH LẬP LƯỚI THỦY CÔNG CÔNG TRÌNH

THỦY ĐIỆN THƯỢNG KON TUM BẰNG CÔNG NGHỆ GNSS 60

4.1 GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ CÔNG TRÌNH THỦY ĐIỆN THƯỢNG KON TUM 60

4.2 THIẾT KẾ SƠ ĐỒ LƯỚI THỦY CÔNG ĐỐI VỚI CÔNG TRÌNH THỦY ĐIỆN THƯỢNG KON TUM 62

4.3 THÀNH QUẢ THỰC HIỆN 67

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 73

TÀI LIỆU THAM KHẢO 74

PHẦN PHỤ LỤC 75

PHỤ LỤC 1: KẾT QUẢ BÌNH SAI LƯỚI TAM GIÁC THỦY CÔNG 76

PHỤ LỤC 2: KẾT QUẢ BÌNH SAI LƯỚI ĐƯA TIM MỐC CỬA NHẬN NƯỚC 83

PHỤ LỤC 3: KẾT QUẢ BÌNH SAI LƯỚI ĐƯA TIM MỐC HẦM GIAO THÔNG 87 PHỤ LỤC 4: KẾT QUẢ TÍNH CHUYỂN VỀ HỆ TỌA ĐỘ CÔNG TRÌNH LƯỚI TAM GIÁC THỦY CÔNG 91

PHỤ LỤC 5: KẾT QUẢ TÍNH CHUYỂN VỀ HỆ TỌA ĐỘ CÔNG TRÌNH MỐC HẠNG IV CẮM TIM CÔNG TRÌNH CỬA NHẬN NƯỚC 93

PHỤ LỤC 6: BẢN VẼ HOÀN CÔNG MỐC THỦY CHUẨN THỦY CÔNG 95

PHỤ LỤC 7: BẢN VẼ HOÀN CÔNG MỐC TAM GIÁC THỦY CÔNG 96

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1.1: Tổng quan về công nghệ GNSS 9

Hình 1.2: Tín hiệu của GNSS 10

Hình1.3: Hệ thống định vị toàn cầu GNSS 11

Hình 1.4: Hệ thống GLONASS 15

Hình 1.5: Nguyên lý hoạt động của GLONASS 16

Hình 1.6: Ứng dụng của GLONASS 18

Hình 2.1: Toàn cảnh công trình thủy điện 20

Hình 2.2: Công trình đầu mối thủy điện Gia Lai 21

Hình 2.3: Hồ chứa thủy điện Bản Chát 22

Hình 2.4: Công trình đầu mối thủy điện A Lưới 23

Hình 2.5: Bản vẽ thiết kế mốc lưới khống chế thi công thủy điện 27

Hình 2.6: Ảnh mốc lưới khống chế thi công thủy điện 27

Hình 2.7: Liên kết điểm 29

Hình 2.8: Liên kết cạnh 29

Hình 2.9: Liên kết cạnh - điểm 29

Hình 3.4: Reports Menu 41

Hình 3.5: Sơ đồ quy trình xử lý số liệu bằng phần mềm TBC 2.70 42

Hình 3.7: Nhập dữ liệu từ chức năng Import 43

Hình 3.8: Hộp thoại Importing File 44

Hình 3.9: Hộp thoại Receiver Raw Data In 44

Hình 3.10: Hộp thoại Process Baselines 45

Hình 3.11: Modun Adjust Network 47

Hình 3.12: Modun Coordinate System Manager 48

Hình 3.13: Số hiệu chỉnh chiều dài 49

Hình 3.14: Chuyển đổi tọa độ vuông góc phẳng 56

Hình 4.1: Nhà máy thủy điện Thượng Kon Tum 60

Hình 4.2a: Sơ đồ lưới.thiết kế 67

Hình 4.2a: Sơ đồ lưới.thực tế 67

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 2.1: Yêu cầu độ chính xác bố trí các hạng mục công trình thủy điện 24

Bảng 2.3: Thông số kỹ thuật của lưới khống chế thi công 26

Bảng 2.4: Yêu cầu kỹ thuật cơ bản khi đo GNSS 34

Bảng 2.5: Thời gian tối thiểu ca đo 34

Bảng 3.1: Giá trị hiệu độ cao của cạnh đo và độ cao mặt chiếu 50

Bảng 3.2: Giá trị khoảng cách từ kinh tuyến trục đến công trình 51

Bảng 4.1: Cấp hạng lưới thuỷ công của công trình thuỷ điện Thượng Kon Tum 61

Bảng 4.2: Độ chính xác của lưới tam giác thuỷ công 61

Bảng 4.1: Thống kê toạ độ các mốc tam giác thuỷ công 68

Bảng 4.2: Toạ độ các mốc tam giác thuỷ công khi chuyển về hệ tọa độ phẳng 69

Bảng 4.3: Kết quả tính chuyển tọa độ lên độ cao trung bình H TB0 71

Bảng 4.4: Kết quả tính chuyển tọa độ lên độ cao trung bình H tb1 71

Bảng 4.5: Kết quả tính chuyển tọa độ lên độ cao trung bình H tb2 72

Bảng 4.6: Kết quả tính chuyển tọa độ về hệ tọa độ công trình. 72

Bảng 4.7: Bảng thành quả tọa độ đã tính chuyển. 72

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Ngày nay nhu cầu về điện năng để phục vụ cho công cuộc phát triển kinh tế xã hội của mỗi Quốc gia nói chung cũng như nhu cầu phục vụ cho sinh hoạt của người dân nói

riêng là hết sức quan trọng và cần thiết, vấn đề sản xuất điện luôn được coi là vấn đề trọng

điểm của Quốc gia đó Đối với Việt Nam cũng vậy, là một nước đang phát triển, khả năng cung cấp điện phục vụ sản xuất và sinh hoạt đang rất thiếu so với nhu cầu thực tế Sản xuất điện là một nhiệm vụ hết sức nặng nề đối với ngành điện lực trong nhiều thập kỷ tới

Với đặc điểm khí hậu của một nước nhiệt đới gió mùa: mưa nhiều, nguồn nước của các sông suối dồi dào, tiềm năng thủy điện phong phú, nên hướng đầu tư vào thủy điện đang được ưu tiên trong chiến dịch phát triển của ngành điện lực Các dự án thủy điện với nhiều quy mô lớn, vừa và nhỏ đã và đang được đầu tư xây dựng mạnh mẽ ở các vùng như: vùng đông Nam bộ, khu vực Tây Nguyên, khu vực miền Trung và các tỉnh miền núi phía Bắc Nhưng công tác trắc địa phục vụ cho khảo sát, thi công còn đang gặp nhiều khó khăn do điều kiện địa hình vùng rừng núi phức tạp

Ngày nay, việc ứng dụng công nghệ GNSS vào lĩnh vực trắc địa nói chung và trắc địa công trình nói riêng đã trở nên phổ biến, đặc biệt trong ứng dụng vào mục đích thành lập các loại lưới khống chế thi công công trình Sự phát triển nhanh của khoa học công nghệ giúp cho khả năng ứng dụng công nghệ GNSS ngày càng cao, các phần mềm xử lý

số liệu ngày càng ưu việt và đáp ứng được các yêu cầu đa dạng của thực tế sản xuất Ứng dụng công nghệ GNSS trong xây dựng thành lập các loại lưới khống chế là hoàn toàn hợp lý và đạt hiệu quả cao hơn so với các phương pháp truyền thống trước đây

Để xây dựng lưới khống chế thi công công trình thuỷ điện có ý nghĩa khoa học và thực tiễn to lớn vì khi áp dụng công nghệ này chúng ta tiết kiệm được thời gian sản xuất, giảm bớt chi phí, nhân công, khắc phục được những khó khăn về địa hình

Vì vậy, việc nghiên cứu đề tài: "Nghiên cứu công nghệ GNSS trong xây dựng lưới

khống chế thi công công trình thuỷ điện " là rất cần thiết, góp phần giải quyết được

những vấn đề khó khăn nêu trên

2 Mục đích nghiên cứu của đề tài

- Nghiên cứu khả năng ứng dụng công nghệ GNSS, các phương pháp đo và xử lý

số liệu bảo đảm hiệu quả và độ chính xác trong quá trình thành lập lưới khống chế thi công các công trình thuỷ điện

- Nghiên cứu đặc điểm, yêu cầu kỹ thuật đối với lưới thi công công trình thuỷ điện,

từ đó xác định phương pháp thiết kế, tổ chức đo đạc lưới thi công bằng công nghệ GNSS

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

- Lưới khống chế mặt bằng đo bằng công nghệ GNSS thục vụ thi công công trình thuỷ điện

- Nghiên cứu ứng dụng phần mềm TBC2.7 để xử lý số liệu GNSS sau đó tính chuyển lưới về hệ tọa độ công trình

4 Nội dung nghiên cứu

- Thu thập, nghiên cứu các tài liệu liên quan đến ứng dụng công nghệ GNSS trong trắc địa công trình, độ chính xác và các tiêu chuẩn trong xây dựng thủy điện Thu thập các

số liệu thực tế từ việc xây dựng lưới khống chế thi công tại các công trình thuỷ điện

- Xây dựng quy trình thiết kế, tổ chức đo đạc và xử lý số liệu GNSS trong thành lập lưới khống chế thi công công trình thuỷ điện

- Thực nghiệm ứng dụng GNSS trong thành lập lưới khống chế thi công công trình thuỷ điện

5 Phương pháp nghiên cứu

- Phương pháp thống kê: thu thập, tổng hợp, xử lý các thông tin và tài liệu liên quan, kế thừa có chọn lọc các thành quả có liên quan đến đề tài

- Phương pháp phân tích: sử dụng các phương tiện và các công cụ tiện ích, phân tích có lôgíc các tư liệu, số liệu hiện có làm cơ sở giải quyết các vấn đề đặt ra

- Phương pháp so sánh: tổng hợp các kết quả, so sánh đánh giá và đưa ra các kết luận chính xác về vấn đề đặt ra

6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

- Góp phần hoàn thiện quy trình xây dựng lưới khống chế thi công đo bằng công nghệ GNSS trong thi công xây dựng công trình thủy điện ở Việt nam

- Ứng dụng công nghệ GNSS để xây dựng lưới khống chế thi công công trình thuỷ điện có ý nghĩa thực tiễn to lớn vì khi áp dụng công nghệ này chúng ta tiết kiệm được thời gian sản xuất, giảm bớt chi phí, nhân công, khắc phục được những khó khăn về địa hình

7 Cấu trúc luận văn

Luận văn gồm 4 chương,với 73 trang chính luận văn và phụ lục

LỜI CẢM ƠN

Luận văn này được hoàn thành dưới sự hướng dẫn của Thầy giáo TS Nguyễn Việt

Hà Nhân đây, tôi xin được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đối với thầy giáo hướng dẫn đã tận tình chỉ bảo, giúp đỡ tôi hoàn thành luận văn này Xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trong bộ môn Trắc địa công trình, các thầy cô giáo trong khoa Trắc địa trường Đại học

Mỏ - Địa chất đã trang bị cho tôi những kiến thức bổ ích, giúp đỡ tôi trong quá trình học tập và trong thời gian thực hiện luận văn tốt nghiệp

Tôi rất mong được các thầy cô giáo và các bạn đồng nghiệp nhận xét, góp ý để kiến thức của tôi được hoàn thiện hơn

Tôi xin chân thành cảm ơn!

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ GNSS

1.1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ CÔNG NGHỆ GNSS

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,

Hình 1.1: Tổng quan về công nghệ GNSS

1.1.2 Tính năng nổi trội của công nghệ GNSS

+ Đo đạc đơn giản, không cần thông hướng giữa các điểm đo;

+ Độ chính xác cao

+ Tự động quan trắc, hiệu chỉnh sai số trực tiếp thông qua radio link;

+ Hoạt động tốt kể cả trong môi trường khắc nghiệt (-400C ÷ 800C);

+ Tốc độ thu tín hiệu nhanh;

+ Thu và xử lý đa tín hiệu từ nhiều hệ thống vệ tinh khác nhau;

+ Điều khiển thông qua bộ điều khiển cầm tay;

+ Tiện ích khác: Có radio link để thu hoặc phát tín hiệu hiệu chỉnh Kết nối

với máy tính thông qua mạng Internet, 3G, Wifi Kết hợp với RTS trong cùng một khối thống nhất

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, bản đồ

Giám sát môi trường

Nghiên cứu về tầng khí quyển

Phương tiện tự hành

Đồng bộ thời gian trong các hệ thống viễn thông, giao dịch điện tử

Hình 1.2: Tín hiệu của GNSS

1.3 CÁC HỆ THỐNG CỦA GNSS

Hệ thống vệ tinh định vị toàn cầu ( Global Navigation Satellite System - 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) và GLONASS (Liên bang Nga) và Hệ thống định vị Bắc Đẩu (Trung Quốc)

Hình1.3: Hệ thống định vị toàn cầu GNSS

1.3.1.Hệ thống định vị GPS

Hệ thống định vị toàn cầu của Mỹ là hệ dẫn đường dựa trên một mạng lưới 24 quả vệ tinh được Bộ Quốc phòng Hoa Kỳ đặt trên quỹ đạo không gian.Các hệ thống dẫn đường truyền thống hoạt động dựa trên các trạm phát tín hiệu vô tuyến điện Được biết đến nhiều

nhất là các hệ thống sau: LORAN – (LOng RAnge Navigation) – hoạt động ở giải tần

90-100 kHz chủ yếu dùng cho hàng hải, hay TACAN – (TACtical Air Navigation) – dùng cho quân đội Mỹ và biến thể với độ chính xác thấp VOR/DME – VHF (Omnidirectional Range/Distance Measuring Equipment) – dùng cho hàng không dân dụng

Gần như đồng thời với lúc Mỹ phát triển GPS, Liên Xô cũng phát triển một hệ thống tương tự với tên gọi GLONASS Hiện nay Liên minh Châu Âu đang phát triển hệ dẫn đường vệ tinh của mình mang tên Galileo Trung Quốc thì phát triển hệ thống định vị toàn

cầu của mình mang tên Bắc Đẩu bao gồm 35 vệ tinh

Ban đầu, GPS và GLONASS đều được phát triển cho mục đích quân sự, nên mặc dù chúng dùng được cho dân sự nhưng không hệ nào đưa ra sự đảm bảo tồn tại liên tục và độ

chính xác Vì thế chúng không thỏa mãn được những yêu cầu an toàn cho dẫn đường dân

sự hàng không và hàng hải, đặc biệt là tại những vùng và tại những thời điểm có hoạt động quân sự của những quốc gia sở hữu các hệ thống đó Chỉ có hệ thống dẫn đường vệ tinh châu Âu Galileo (đang được xây dựng) ngay từ đầu đã đặt mục tiêu đáp ứng các yêu cầu nghiêm ngặt của dẫn đường và định vị dân sự

GPS ban đầu chỉ dành cho các mục đích quân sự, nhưng từ năm 1980 chính phủ Mỹ cho phép sử dụng trong dân sự GPS hoạt động trong mọi điều kiện thời tiết, mọi nơi trên Trái Đất, 24 giờ một ngày Không mất phí thuê bao hoặc mất tiền trả cho việc thiết lập sử dụng GPS nhưng phải tốn tiền không rẻ để mua thiết bị thu tín hiệu và phần mềm nhúng hỗ trợ

 Hoạt động của GPS

Các vệ tinh GPS bay vòng quanh Trái Đất hai lần trong một ngày theo một quỹ đạo rất chính xác và phát tín hiệu có thông tin xuống Trái Đất Các máy thu GPS nhận thông tin này và bằng phép tính lượng giác tính được chính xác vị trí của người dùng 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 có thể tính được vị trí của người dùng và hiển thị lên bản đồ điện tử của máy

Máy thu phải nhận được tín hiệu của ít nhất ba vệ tinh để tính ra vị trí hai chiều (kinh độ

và vĩ độ) và để theo dõi được chuyển động Khi nhận được tín hiệu của ít nhất 4 vệ tinh thì máy thu có thể tính được vị trí ba chiều (kinh độ, vĩ độ và độ cao) Một khi vị trí người dùng đã tính được thì máy thu GPS có thể tính các thông tin khác, như tốc độ, hướng chuyển động, bám sát di chuyển, khoảng hành trình, quãng cách tới điểm đến, thời gian Mặt Trời mọc, lặn và nhiều thứ khác nữa

 Cấu trúc của GPS

GPS hiện tại gồm 3 phần chính: phần không gian, kiểm soát và sử dụng Không quân Hoa

Kỳ phát triển, bảo trì và vận hành các phần không gian và kiểm soát Các vệ tinh GPS truyền tín hiệu từ không gian, và các máy thu GPS sử dụng các tín hiệu này để tính toán

vị trí trong không gian 3 chiều (kinh độ, vĩ độ và độ cao) và thời gian hiện tại

 Phần không gian

Phần không gian gồm 27 vệ tinh (24 vệ tinh hoạt động và 3 vệ tinh dự phòng) nằm trên các 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 trong khoảng thời gian gần 24 giờ với vận tốc 7 nghìn dặm một giờ Các vệ tinh trên quỹ đạo được bố trí sao cho các máy thu GPS trên mặt đất có thể nhìn thấy tối thiểu 4 vệ tinh vào bất kỳ thời điểm nào

Các vệ tinh được cung cấp bằng năng lượng Mặt Trời Chúng có các nguồn pin dự phòng

để duy trì hoạt động khi chạy khuất vào vùng không có ánh sáng Mặt Trời Các tên lửa nhỏ gắn ở mỗi quả vệ tinh giữ chúng bay đúng quỹ đạo đã định

 Phần kiểm soát

Mục đích trong phần này là kiểm soát vệ tinh đi đúng hướng theo quỹ đạo và thông tin thời gian chính xác Có 5 trạm kiểm soát đặt rải rác trên trái đất Bốn trạm kiểm soát hoạt động một cách tự động, và một trạm kiểm soát là trung tâm Bốn trạm này nhận tín hiệu liên tục từ những vệ tinh và gửi các thông tin này đến trạm kiểm soát trung tâm Tại trạm kiểm soát trung tâm, nó sẽ sửa lại dữ liệu cho đúng và kết hợp với hai an-ten khác để gửi lại thông tin cho các vệ tinh Ngoài ra, còn một trạm kiểm soát trung tâm dự phòng và sáu trạm quan sát chuyên biệt

Trạm trung tâm cũng có thể truy cập từ các ăng-ten mặt đất của U.S Air Force Satellite Control

Việc cập nhật được tạo ra bở bộ lọc Kalman sử dụng các tín hiệu/thông tin từ các trạm quan sát trên mặt đất, thông tin thời tiết không gian, và các dữ liệu khác

 Phần sử dụng

Phần sử dụng là thiết bị nhận tín hiệu vệ tinh GPS và người sử dụng thiết bị này

Dưới đây là một số thông tin đáng chú ý về các vệ tinh GPS (còn gọi là NAVSTAR, tên gọi chính thức của Bộ Quốc phòng Mỹ cho GPS):

+ Vệ tinh GPS đầu tiên được phóng năm 1978

+ Hoàn chỉnh đầy đủ 24 vệ tinh vào năm 1994

+ Mỗi vệ tinh được làm để hoạt động tối đa là 15 năm

+ Vệ tinh GPS có trọng lượng khoảng 1500 kg và dài khoảng 17 feet (5 m) với các tấm năng lượng Mặt Trời mở (có độ rộng 7 m²)

+ Công suất phát bằng hoặc dưới 50 watts

 Tín hiệu của GPS

GPS hiện tại gồm 3 phần chính: phần không gian, kiểm soát và sử dụng Không quân Hoa

Kỳ phát triển, bảo trì và vận hành các phần không gian và kiểm soát Các vệ tinh GPS truyền tín hiệu từ không gian, và các máy thu GPS sử dụng các tín hiệu này để tính toán

vị trí trong không gian 3 chiều (kinh độ, vĩ độ và độ cao) và thời gian hiện tại

Các vệ tinh được cung cấp bằng năng lượng Mặt Trời Chúng có các nguồn pin dự phòng

để duy trì hoạt động khi chạy khuất vào vùng không có ánh sáng Mặt Trời Các tên lửa nhỏ gắn ở mỗi quả vệ tinh giữ chúng bay đúng quỹ đạo đã định

1.3.2.Hệ thống Galileo

Hệ thống định vị Galileo là một hệ thống vệ tinh định vị toàn cầu (GNSS) được xây

dựng bởi Liên minh châu Âu Galileo khác với GPS của Hoa Kỳ và GLONASS của Liên bang Nga ở chỗ nó là một hệ thống định vị được điều hành và quản lý bởi các tổ chức dân

dụng, phi quân sự Galileo theo kế hoạch sẽ chính thức hoạt động vào năm 2011-12, muộn 3-4 năm so với kế hoạch ban đầu

Thông số của hệ thống:

 Vệ tinh

+ 30 vệ tinh (27 vệ tinh hoạt động chính và 3 vệ tinh dự phòng)

+ Độ cao quỹ đạo: 23.222 km (quỹ đạo tầm trung)

+ Phân bố trên 3 mặt chính, góc nghiêng 56 độ

+ Tuổi thọ thiết kế của vệ tinh: > 12 năm

+ Trọng lượng vệ tinh: 675 kg

+ Kích thước vệ tinh: 2,7 m × 1,2 m × 1,1 m

+ Năng lượng từ pin mặt trời: 1500 W (tại thời điểm tuổi thọ thiết kế)

 Dịch vụ cung cấp

Bốn dịch vụ về định vị sẽ được cung cấp bởi Galileo:

+ Dịch vụ mở (open service): miễn phí với mọi đối tượng Người dùng có thể sử dụng 2 tần số L1 và E5A Độ chính xác đối với máy thu 2 tần số là 4 m cho phương ngang và 8 m cho chiều thẳng đứng Đối với máy thu 1 tần số (L1), độ chính xác là

15 m và 35 m, tương đương với GPS hiện thời

+ Dịch vụ trả tiền (commercial service): dành cho các đối tượng cần có độ chính xác < 1

m với một khoản phí nhất định Dịch vụ này sẽ được cung cấp thông qua tần số thứ 3 (E6)

+ Dịch vụ cứu hộ (safety of life service): dành riêng cho cứu hộ, độ bảo mật cao, chống gây nhiễu sóng

+ Dịch vụ công cộng (public regulated service): dành riêng cho chính phủ và quân đội của các nước Liên minh châu Âu Đặc biệt bảo mật, độ tin cậy cao

+ Công suất: 943 W

+ Kích cỡ: 0,955 m × 0,955 m × 2,4 m

+ Ngày phóng: cuối năm 2007

+ Tên lửa phóng: Soyus

+ 2004: Phóng 2 vệ tinh thử nghiệm GioveA & B

+ 2009: Quyết định giảm sốvệ tinh từ xuống 22 Giá thành: 22 tỷ EUR so với dự kiến 7.7 ban đầu Hệ thống dự kiến hoạt động 2014

1.3.3.Hệ thống GLONASS

GLONASS :( Global'naya Navigatsionnaya Sputnikovaya Sistema) là hệ thống vệ tinh

định vị toàn cầu của Liên bang Nga, tương tự như GPS (NAVSTAR) của Hoa Kỳ hay Galileo của Liên minh châu Âu Số vệ tinh đang hoạt động là 24 vệ tinh, chuyển động trên bề mặt Quả Đất theo 3 mặt quỹ đạo với góc nghiêng 64,8°, và độ cao 19100 km

Vệ tinh đầu tiên của GLONASS được Liên Xô đưa lên quỹ đạo ngày 12 tháng 10 năm

1982, vào ngày 24 tháng 9 năm 1993 hệ chính thức được đưa vào sử dụng

Hình 1.4: Hệ thống GLONASS

Cũng giống như GPS, chức năng chính của GLONASS là hệ thống điều hướng cho xe hơi và hàng không Tuy nhiên, ban đầu nó được ngành quốc phòng của Nga dùng làm hệ thống dẫn đường trong các môi trường đòi hỏi tốc độ cao như trong máy bay phản lực và tên lửa đạn đạo

GLONASS bắt đầu ra mắt vào cuối thập kỷ 70 của thế kỷ trước Ban đầu, nó được sử dụng chủ yếu cho việc định vị thời tiết và đo vận tốc Tuy nhiên sau sự sụp đổ của Liên

Xô, đầu tư cho GLONASS bị cắt giảm khiến dự án bị đình trệ Kết hợp với tuổi đời của

vệ tinh ngắn (khoảng 3 năm), nên rất ít người tin tưởng vào thành công của chương trình GLONASS Thế nhưng mọi sự thay đổi vào năm 2011 khi Thủ tướng Nga Vladimir Putin tuyên bố coi việc hoàn thành chương trình GLONASS là một ưu tiên quốc gia và đầu tư ồ

ạt cho dự án này, biến nó 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

sự không giới hạn, đưa hệ thống này trở thành thách thức với hệ thống GPS của Mỹ Vào

năm 2010, GLONASS đã phủ khắp lãnh thổ của Nga Một năm sau đó, nhờ vào chòm sao

vệ tinh quay theo quỹ đạo mà nó đã phủ khắp toàn cầu

 Nguyên lý hoạt động của GLONASS

Hình 1.5: Nguyên lý hoạt động của GLONASS

Có 3 thành phần cấu tạo nên GLONASS Đầu tiên là cơ sở hạ tầng không gian gồm các chòm sao vệ tinh Đây là nhóm các vệ tinh hoạt động trên cùng hệ thống Chúng thường được đặt trên các máy bay bay quanh quỹ đạo trái đất hay còn được gọi là các quỹ đạo bay Các vệ tinh này tương tác với các mạng định vị dưới mặt đất (thành phần thứ hai), giúp tăng độ chính xác và tốc độ của các vệ tinh qua việc thu thập các thông tin đo đạc

Các mạng lưới định vị dưới mặt đất lý tưởng nhất là trải rộng đều trên khắp thế giới để đảm bảo sự chính xác Tuy nhiên với GLONASS, các mạng định vị dưới mặt đất chủ yếu nằm ở Nga, Brazil, Cuba và châu Nam Cực Nga cũng đã đồng ý sẽ mở các mạng định vị dưới mặt đất ở Trung Quốc, quốc gia muốn đưa GLONASS trở thành đối trọng với GPS Ngoài ra, trong năm 2014 thì GLONASS đã có thêm 7 mạng định vị dưới mặt đất nằm ở bên ngoài nước Nga

Các chòm sao vệ tinh và mạng lưới định vị dưới mặt đất tạo thành lưới tam giác để xác định vị trí của các thiết bị nhận, là thành phần thứ ba Thành phần thứ ba là các thiết

bị nhận tương thích với GLONASS như smartphone hay các hệ thống dẫn đường trên xe hơi Lưới tam giác (để đo đạc vị trí) được thực hiện bởi một loạt tính toán dựa trên các nội

dung tín hiệu gửi từ các vệ tinh Các tín hiệu này được gửi ở các khoảng thời gian chính xác Các thiết bị nhận dùng GLONASS để định vị sẽ sử dụng các tín hiệu gửi từ ít nhất 4

vệ tinh để tính toán vị trí, vận tốc và thời gian

GLONASS ban đầu sử dụng phương pháp truy cập đa tần FDMA (Frequency Division Multiple Access Method) để liên lạc với các vệ tinh, với 25 kênh cho 24 vệ tinh Đây là giao thức phổ biến trong liên lạc vệ tinh nhưng có hạn chế là dễ bị can nhiễu và gián đoạn Từ năm 2008, GLONASS đã sử dụng CDMA (Code Division Multiple Access Technique) để mang đến khả năng tương thích với các vệ tinh GPS Bởi vì các thiết bị nhận GLONASS tương thích với cả FDMA và CDMA nên chúng chúng có kích cỡ lớn hơn và đắt đỏ hơn GPS

 Sự khác biệt giữa GLONASS và GPS

Có một số khác biệt cơ bản giữa GLONASS và GPS

Đầu tiên, GLONASS có ít vệ tinh hơn GPS có 32 vệ tinh quay quanh trái đất trong 6 quỹ đạo bay Trong khi đó, GLONASS có 24 vệ tinh với 3 quỹ đạo bay Điều này có nghĩa là GONASS có nhiều vệ tinh đi theo cùng quỹ đạo hơn GPS và như vậy nó làm giảm độ chính xác của việc định vị

Tuy vậy, khác biệt lớn nhất giữa GPS và GLONASS là cách thức liên lạc với thiết bị nhận Với GPS, các vệ tinh sử dụng cùng tần số vô tuyến nhưng có các mã khác nhau để liên lạc Còn với GLONASS, các vệ tinh có cùng mã nhưng lại sử dụng các tần số khác nhau Điều này cho phép các vệ tinh liên lạc với nhau mặc dù đang ở cùng quỹ đạo bay

 Độ chính xác GLONASS

Độ chính xác của GLONASS tương đương với GPS Nhưng điều này không phải lúc nào cũng như vậy Đầu thế kỷ 21, GLONASS bị hỏng khiến hệ thống này hoạt động không chính xác Điều này khiến Roscosmos (Cơ quan vũ trụ Nga) đặt mục tiêu đưa GLONASS tiệm cận với GPS về độ chính xác và tin cậy vào năm 2011

Cuối năm 2011, GLONASS đã đạt được mục tiêu đề ra Nó đã chứng tỏ đạt được độ chính xác trong môi trường tối ưu (không có mây, tòa nhà cao tầng hoặc can nhiễu vô tuyến) tới 2,8 mét Kết quả này chỉ kém GPS một chút nhưng là mức hoàn toàn chấp nhận

được cả với sử dụng thương mại lẫn quốc phòng.Tuy vậy, độ chính xác của GLONASS còn tùy thuộc vào nơi bạn sử dụng Nó đưa ra kết quả định vị chính xác hơn ở Bán cầu Bắc so với Bán cầu Nam do khu vực này tập trung nhiều trạm mặt đất hơn

 GLONASS ngày nay

Mặc dù nhiều nhà sản xuất điện thoại đã tích hợp GLONASS vào thiết bị của họ như Sony, Apple và HTC song hệ thống định vị này vẫn chưa thể phổ biến được như GPS, công nghệ hiện có mặt trên hầu như toàn bộ smartphone và máy tính bảng

Điều này một phần là do GLONASS mới chỉ có kết quả thực sự chính xác ở các vĩ độ Bắc, do nó ban đầu được thiết kế chủ yếu phục vụ cho Nga trong khi GPS ngay từ đầu đã hướng đến toàn cầu GLONASS chưa được biết đến nhiều cũng bởi nó chưa phải là hệ thống định vị hoàn thiện như GPS và thực tế thì hầu như chưa có thiết bị nào giới thiệu ngoài nước Nga chỉ tích hợp mỗi GLONASS

 Ứng dụng GLONASS

Hình 1.6: Ứng dụng của GLONASS

iPhone và khá nhiều thiết bị Android đã sử dụng cả GLONASS và GPS để đảm bảo sự chính xác tối đa Nếu bạn đang ở khu vực nhiều mây che phủ hoặc bị bao quanh bởi các tòa nhà cao tầng, thiết bị của bạn sẽ sử dụng GLONASS kết hợp cùng với GPS Điều này cho phép thiết bị được xác định bởi bất kỳ vệ tinh nào trong tổng số 55 vệ tinh trên toàn cầu (các vệ tinh của cả GLONASS và GPS), như vậy sẽ làm tăng độ chính xác của việc định vị Tuy nhiên, GLONASS thường chỉ được kích hoạt khi tín hiệu GPS yếu để tiết kiệm pin cho thiết bị

Có một số ít ứng dụng chỉ sử dụng GLONASS để cung cấp dịch vụ định vị Chẳng hạn, ứng dụng NIKA GLONASS (hiện được cung cấp miễn phí trên kho ứng dụng Google Play và App Store) cho phép bạn theo dõi trí của thiết bị Android trong thời gian thực

Tuy nhiên, ứng dụng này đòi hỏi phải có thẻ sim MTS (công nghệ CDMA) mới hoạt động

Chương 2 ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ GNSS TRONG THÀNH LẬP

LƯỚI KHỐNG CHẾ THI CÔNG CÔNG TRÌNH THỦY ĐIỆN

2.1 ĐẶC ĐIỂM CẤU TRÚC CỦA CÔNG TRÌNH THỦY ĐIỆN

Các công trình thuỷ điện thường là các công trình trọng điểm của Quốc gia, có số vốn đầu tư lớn, thời gian chuẩn bị và thi công kéo dài nhiều năm với rất nhiều hạng mục, cấu trúc phức tạp, đa dạng cần phải có sự tham gia của nhiều ngành khoa học kỹ thuật với trình độ cao Công trình thuỷ điện có ảnh hưởng trực tiếp đến kinh tế - xã hội và môi trường của vùng và cả nước

Hình 2.1: Toàn cảnh công trình thủy điện

Các công trình thủy điện được phân loại như sau:

- Nhà máy sau đập: các nhà máy kiểu này có đập được xây dựng ở gần nhà máy như: thủy điện Hòa Bình, thủy điện Sơn La, thủy điện Thác Bà…

- Nhà máy đường dẫn: nhà máy thủy điện được xây dựng theo phương pháp này thì đập được bố trí xây dựng cách xa nhà máy, nước được dẫn qua ống dẫn vào nhà máy

Công trình thủy điện thường là những công trình nhà máy đường dẫn Những công trình này đã tận dụng chênh cao cột nước từ đập đến nhà máy để tạo ra công suất cho nhà máy như: nhà máy thủy điện A Lưới, nhà máy thủy điện A, nhà máy thủy điện Đa Nhim , công trình thủy điện Séo Chong Hô

Hình 2.2: Công trình đầu mối thủy điện Gia Lai

Cấu trúc của công trình thuỷ điện cơ bản có những hạng mục chính là: hồ chứa nước, công trình chính và công trình phụ trợ

2.1.1 Hồ chứa nước

Hồ chứa nước được hình thành do việc ngăn sông đắp đập, lượng nước trong hồ chứa phục vụ cho nhà máy thuỷ điện Các thông số hồ chứa bao gồm: diện tích lưu vực, dung tích hồ, mức nước dâng bình thường, mức nước chết, mức nước gia cường Hồ chứa nước gây ngập lụt ảnh hưởng đến môi trường trong khu vực, vì vậy các cơ quan phải đưa ra nhiều phương án mức nước dâng khác nhau để so chạn nhằm giảm thiểu ảnh hưởng tiêu cực của hồ chứa tới môi trường và đảm bảo an toàn cho vùng hạ lưu

Hình 2.3: Hồ chứa thủy điện Bản Chát

- Cụm công trình tuyến năng lượng gồm: kênh dẫn, đường hầm dẫn nước, tuyến áp lực, nhà máy thuỷ điện, kênh xả sau nhà máy Trong cụm công trình này các hạng mục: đường hầm, đường ống áp lực và nhà máy là quan trọng, khó thiết kế thi công nhất và phải sử dụng các thiết bị thi công đắt tiền Các thiết bị lắp đặt như đường ống thép chịu áp lực cao, các tổ máy phát điện hiện nay phải nhập của các hãng chế tạo nước ngoài

Hình 2.4: Công trình đầu mối thủy điện A Lưới

2.1.3 Công trình phụ trợ

Hạng mục này gồm có hai nhóm công trình chủ yếu là:

- Các công trình phụ trợ phục vụ cho thi công và vận hành như: hệ thống điện, hệ thống nước, nhà xưởng, kho vật tư thiết bị, bãi để nguyên vật liệu cùng các công trình khác như giao thông, thông tin liên lạc

- Các công trình phục vụ cho công tác và sinh hoạt của cán bộ công nhân như: nhà quản lý vận hành, văn phòng, nhà ở, bệnh viện, nhà văn hoá

2.2 YÊU CẦU ĐỘ CHÍNH XÁC BỐ TRÍ CÁC HẠNG MỤC CÔNG TRÌNH THỦY ĐIỆN

Công tác đưa tim các trục chính (tim tuyến) công trình từ bản vẽ thiết kế ra thực địa là nhiệm vụ của tổ chức thiết kế Các điểm tim tuyến công trình chỉ được đo đạc định

vị thực địa khi có cơ sở gốc là các điểm lưới tam giác thủy công Số lượng các điểm tim tuyến do chủ nhiệm đề án yêu cầu, có tham khảo ý kiến của kĩ sư chính và chủ nhiệm địa hình công trình

Trong công tác định vị tim các trục chính thì việc bố trí tim các tuyến đập dâng, đập tràn có yêu cầu độ chính xác cao nhất (bảng 2.1) với sai số tuyến theo chiều dọc: m x, chiều ngang: m y Từ đó tính được sai số vị trí điểm theo công thức:

2 2

y x

m m

Vì các điểm của lưới tam giác thủy công được sử dụng làm cơ sở công tác đo đạc

và định vị nên ta có thể biểu diễn mối quan hệ giữa m gvà m d thông qua hệ số giảm độ chính xác

Gọi K là hệ số suy giảm độ chính xác, mối quan hệ được biểu diễn như sau:

m m

K



Như vậy, độ chính xác của lưới phải thỏa mãn công thức (2.3)

Tổng công ty Điện lực Việt Nam đã đưa ra yêu cầu độ chính xác công tác đưa tim tuyến các hạng mục công trình thủy điện như sau [15]

Bảng 2.1: Yêu cầu độ chính xác bố trí các hạng mục công trình thủy điện

Hạng mục công trình

Sai số bố trí (cm) Sai số vị trí

điểm bố trí (cm) Chiều dọc Chiều

2.3 ỨNG DỤNG GNSS ĐỂ THÀNH LẬP LƯỚI THI CÔNG CÔNG TRÌNH THỦY ĐIỆN

2.3.1 Đặc điểm và phân cấp lưới khống chế thi công

2.3.1.1 Đặc điểm lưới khống chế thi công

Là mạng lưới chuyên dùng được thành lập trong giai đoạn thi công nhằm bảo đảm

độ chính xác bố trí tổng thể, bố trí chi tiết và đo vẽ hoàn công các hạng mục cũng như quan trắc chuyển dịch, biến dạng công trình trong giai đoạn thi công Trong xây dựng thuỷ điện, mạng lưới này được sử dụng để thi công các công trình thuỷ công nên còn được gọi là lưới tam giác thuỷ công

Lưới tam giác thuỷ công là cơ sở để đưa tim mốc các hạng mục công trình ra thực địa và phục vụ công tác lắp đặt thiết bị, máy móc công trình Vì vậy mạng lưới cần phải

có độ chính xác cao, các điểm lưới được đặt tại vị trí ổn định và tồn tại lâu dài trong suốt quá trình thi công công trình

Đặc điểm của lưới thi công công trình thủy điện là lưới cạnh ngắn (0.2 - 1.5 km)

Xu hướng chính trong thành lập lưới khống thi công công trình thuỷ điện là các điểm mốc được bố trí gần các trục cơ bản của công trình, nếu có thể thì một cạnh gần trùng với trục đập Hình dạng lưới phụ thuộc vào chiều dài, hình dạng của đập, vị trí thiết kế các hạng mục công trình Lưới thường được bố trí dọc theo hai bên bờ sông, ở nơi có địa hình phức tạp, có rừng núi hiểm trở, điều kiện thông hướng khó khăn, chênh cao địa hình lớn Do mạng lưới khống chế thi công công trình thủy điện được thiết kế trên nền bản đồ địa hình

đã có cho nên mạng lưới đó phải thỏa mãn:

- Kích thước của mạng lưới khống chế thi công phải được thiết kế và xây dựng thật phù hợp với kích thước thực tế và các đặc thù riêng của từng công trình thủy điện

- Hệ tọa độ của mạng lưới khống chế thi công phải phù hợp với hệ tọa độ đã dùng

trong các giai đoạn thiết kế trước

2.3.1.2 Phân cấp lưới khống chế thi công

Việc lựa chọn cấp hạng lưới khống chế thi công công trình thủy điện phụ thuộc chính vào cấp thiết kế công trình, ngoài ra phải xét đến tính phức tạp của công trình, các hạng mục công trình phân tán hay tập trung, mức độ khó khăn của địa hình để phân chia cấp hạng lưới thi công để đảm bảo độ chính xác cần thiết cho công trình

Bảng 2.2: Phân cấp lưới khống chế thi công

Cấp thiết kế

của công trình

Công suất nhà máy điện (MW)

Cấp hạng lưới khống chế thi công

S.S.T.P

đo góc (“)

Sai số khép tam giác (“)

Sai số chiều dài cạnh

S.S.T.P

đo góc (“)

Sai số khép tam giác (“)

Sai số chiều dài cạnh

2.3.2 Kết cấu và phân bố mốc lưới khống chế thi công

2.3.2.1 Kết cấu mốc lưới khống chế thi công

Mốc khống chế của lưới tam giác thủy công được thiết kế là mốc hình trụ bền vững, việc thi công xây dựng các mốc này phải hoàn toàn tuân thủ tiêu chuẩn kỹ thuật

trong bản vẽ kết cấu do Tổng công ty Điện lực Việt Nam thiết kế và quy định Mốc được thiết kế gồm 3 phần:

- Phần đế: Chôn chìm dưới mặt đất được đúc bằng bê tông có kích thước: 1m x 1m

1000

230 400

Lç h×nh c«n trªn  16 dø¬i  18

55 110

1670

110 55 2000

Hình 2.5: Bản vẽ thiết kế mốc lưới khống chế thi công thủy điện

- Phần thân: Nổi trên mặt đất được làm bằng ống thép (220mm) dài 0.5m, được nối với khối bê tông dưới đất bằng 4 đoạn thép 20mm Bao quanh bên ngoài là một lớp

bê tông dày 5cm

- Mặt mốc: Được thiết kế định tâm bắt buộc để đặt máy và bảng ngắm nhằm giảm sai số định tâm

Hình 2.6: Ảnh mốc lưới khống chế thi công thủy điện

Mốc được bảo vệ bởi tường xây bằng gạch hoặc hàng rào thép chắc chắn, cao khoảng 0.5m để chống va quệt của các phương tiện thi công

Việc hoàn thiện mốc, xây tường rào, đào rãnh thoát nước được tiến hành đảm bảo

kỹ thuật, mỹ thuật Các mốc lưới khống chế thi công đều được sơn 2 màu trắng, đỏ để dễ nhận biết từ xa Tất cả các đường lên mốc đều được đào bậc để đi lại được dễ dàng thuận

lợi

2.3.2.2 Phân bố mốc khống chế thi công

Mốc phải được bố trí ở những nơi có tầm bao quát lớn, thuận tiện cho công tác bố trí các hạng mục công trình, chọn trên nền đất ổn định ngoài khu vực đào đắp của công trình, tránh khu vực lún, trượt lở…

Tại các hạng mục công trình thủy điện đòi hỏi độ chính xác rất cao như: đập bê tông, đập tràn, đường hầm, nhà máy nên bố trí mốc có mật độ dày hơn và vị trí mốc được đặt sao cho đồ hình bố trí tim, trục công trình đạt được tiêu chuẩn tối ưu về độ chính xác, đồng thời phải đảm bảo thuận tiện cho công tác đo đạc Nếu điều kiện địa hình cho phép thì các mốc nên đặt sao cho các cạnh của lưới gần trùng với trục của các hạng mục quan trọng

2.3.3 Liên kết đồ hình lưới GNSS

Trong quá trình thiết kế đồ hình lưới cần chú ý đến các yếu tố sau:

- Điều kiện địa hình, địa vật tại khu vực công trình;

- Tùy theo kiểu công trình xây dựng: công trình đường hầm có thể phải chọn đồ hình đường chuyền, công trình thủy điện: đồ hình tam giác, khu công nghiệp: đồ hình tứ giác và tam giác kết hợp… Đồ hình lưới tối ưu cần đạt các tiêu chí:

● Số ca đo (Session) là ít nhất, số cạnh đo được trong một ca đo là nhiều nhất;

● Số cạnh đo trong lưới ít nhất và lưới vẫn đạt độ chính xác theo yêu cầu;

● Các điểm gốc khống chế phân bố đều về các phía khác nhau của lưới

Vị trí điểm và đồ hình lưới GNSS được thiết kế linh hoạt hơn so với lưới mặt đất

do thường không cần thông hướng giữa các điểm lưới Khi thiết kế đồ hình lưới, căn cứ vào mục đích sử dụng, thông thường có 4 phương thức cơ bản thành lập lưới.: liên kết điểm, liên kết cạnh, liên kết lưới, liên kết hỗ trợ cạnh - điểm Ngoài ra còn có liên kết hình sao, liên kết đường chuyền phù hợp, liên kết chuỗi tam giác Lựa chọn phương thức nào là tùy thuộc độ chính xác yêu cầu của công trình, điều kiện bên ngoài thực địa và số lượng máy thu GNSS

2.3.3.1 Liên kết điểm

Là dạng liên kết các vòng đo đồng bộ kề nhau bởi một điểm chung Phương thức liên kết này có cường độ đồ hình yếu, có rất ít điều kiện khép hình không đồng bộ

Phương thức liên kết này cho phép đảm bảo cường độ đồ hình, độ tin cậy của lưới

và giảm khối lượng công tác ngoại nghiệp

Hình 2.9: Liên kết cạnh - điểm

Tuỳ theo đặc điểm công trình, lưới khống chế thi công được thiết kế theo dạng phù hợp như chuỗi tam giác, tứ giác trắc địa hay đa giác trung tâm Do điều kiện địa hình phức tạp của khu vực xây dựng thuỷ điện, sự bố trí các hạng mục công trình nên đôi khi rất khó bố trí được đồ hình theo tiêu chuẩn, vì vậy lưới thường được tạo thành từng cụm

có các cạnh dài ngắn khác nhau Công tác thiết kế lưới tối ưu theo thực tế là bài toán cần được quan tâm khi thiết kế và xây dựng lưới khống chế thi công

Lưới khống chế thi công có yêu cầu độ chính xác cao hơn nhiều so với lưới đo vẽ bản đồ, phải phù hợp với lưới đo vẽ bản đồ để có thể bố trí các yếu tố thiết kế công trình

ra thực địa, tọa độ mốc khống chế phải phù hợp với tọa độ của hệ thống lưới khống chế

đo vẽ bản đồ Để thỏa mãn yêu cầu này thì khi tính toán bình sai, các số liệu đo nối với mạng lưới cũ chỉ dùng làm số liệu gốc tối thiểu để định vị lưới vào hệ thống tọa độ đang

sử dụng của công trình

Độ chính xác của lưới khống chế thi công đo bằng công nghệ GNSS phụ thuộc vào các yếu tố: đồ hình lưới, đồ hình của vệ tinh, thời gian đo, thiết bị đo (loại 1 tần số, 2 tần

số, ), các yếu tố ảnh hưởng của môi trường, v.v

Đối với lưới thủy công công trình thủy điện thường lựa chọn liên kết cạnh khi thiết

kế và xây dựng lưới

2.3.3 Ước tính gần đúng độ chính xác lưới GNSS

- Như ta đã biết đo cạnh trong lưới GNSS là đo cạnh đáy (baseline)

- Độ chính xác đo cạnh đáy phụ thuộc vào đồ hình vệ tinh và thời gian đo mà các yếu tố này thay đổi theo thời gian và các khu vực khác nhau Vì vậy chỉ có thể ước tính gần đúng mạng lưới GNSS, có thể thực hiện theo một trong 2 phương pháp sau:

- Ước tính khi coi các trị đo GNSS trong mặt phẳng đo được là chiều dài cạnh và góc phương vị;

- Ước tính lưới GNSS trong hệ tọa độ vuông góc không gian sau đó tính chuyển về

hệ tọa độ mặt phẳng

2.3.3.1 Ước tính với các trị đo cạnh và góc phương vị

Ước tính gần đúng được thực hiện theo bài toán bình sai gián tiếp trên cơ sở chọn

ẩn số là tọa độ của các điểm cần xác định Các trị đo là chiều dài (S) và góc phương vị (α) của các cạnh được dự kiến đo trong lưới

Từ vector gia số tọa độ không gian của cạnh đo GNSS, ta có thể xác định được chiều dài và phương vị của cạnh đó trong hệ tọa độ địa diện, Như vậy có thể coi mỗi cạnh

đo GNSS sẽ tương ứng với 2 trị đo tương quan là S và α Để đánh giá sự tương quan này cần có các khảo sát về cơ sở lý thuyết và thực nghiệm đối với từng điều kiện cụ thể Một cách gần đúng, ta có thể coi 2 trị đo S và α là độc lập và chúng ta thực hiện xác định vector hệ số của phương trình số hiệu chỉnh đối với mỗi loại trị đo nêu trên giống như trường hợp với lưới mặt đất

Cần lưu ý rằng giữa chiều dài và phương vị cạnh đo của một baseline trong lưới GNSS có mối quan hệ phụ thuộc theo ma trận tương quan dạng:

k k K

s

s s

Trong thực tế thiết kế lưới, chúng ta không biết trước được ma trận tương quan K, nên rất khó ước tính chặt chẽ theo đúng nguyên lý số bình phương nhỏ nhất Để ước tính gần đúng độ chính xác lưới, ta coi chiều dài và phương vị cạnh là các trị đo độc lập, khi

đó tiến hành ước tính độ chính xác lưới GNSS dựa vào thuật toán bình sai gián tiếp trên mặt phẳng

Với mỗi cạnh đo GNSS ta lập được 2 phương trình số hiệu chỉnh:

- Phương trình số hiệu chỉnh chiều dài cạnh

- Phương trình số hiệu chỉnh phương vị cạnh

Nếu cạnh được đo theo chiều từ điểm i đến điểm j ta lập được 2 phương trình số hiệu chỉnh sau:

* Phương trình số hiệu chỉnh chiều dài cạnh

VDij = - cosα 0ij .δxi - sinα 0ij .δyi + cosα0ij + sinα0ij .δyj + 1Dij (2.5)

* Phương trình số hiệu chỉnh phương vị cạnh:

Vδij = aij.δxi + bij.δyi - aij.δxj - bij.δyj + 1δij (2.6)

Trong đó:

aij =

o ij o ij

ρ"sinα

-o ij o ij

D - Chiều dài cạnh đo (km)

Ví dụ máy thu GNSS Trimble 4600 LS có: tham số a = 5mm; b = 1 mm

Từ đó, sai số của các trị đo và trọng số tương ứng của các trị đo được tính theo công thức tổng quát:

)

(mm

2 2

)(

m D

Lập ma trận trục hệ số (A) của hệ phương trình số hiệu chỉnh

f Qf , với f là vector hệ số hàm trọng số cần đánh giá

2.3.3.2 Ước tính lưới GNSS với các trị đo tương quan DX, DY, DZ

Coi các trị đo GNSS là các gia số tọa độ DX, DY, DZ trong hệ tọa độ không gian, chúng ta thực hiện ước tính độ chính xác của lưới một cách chặt chẽ theo phương pháp và trình tự tính toán như sau:

Ký hiệu: (Xi, Yi, Zi ), (Xj, Yj, Zj ) là tọa độ của các điểm i, j ; (Xij, Yij, Zij) - là trị đo baseline; (

ij ij

VΔ Δ Δ ) là số hiệu chỉnh vào trị đo

Khi đó phương trình trị đo của cạnh (ij) được viết là:

Với mỗi cạnh đo GNSS sẽ thành lập được 3 phương trình số hiệu chỉnh:

i Z

ij j

i Y

ij j

i x

lz z

z V

ly y

y V

lx x

x V

ij ij ij

j i ij

j i

ij

ZZ

ΔZ

(2.14)

P=  Q ij (2.16) Trong đó Qi là ma trận hiệp phương sai có dạng sau:

2

)cov(

)cov(

)cov(

)cov(

)cov(

)cov(

z y

x

yz xz

yz xy

xz xy

Kết hợp tất cả các trị đo trong lưới chúng ta lập được ma trận hệ số của hệ phương trình số hiệu chỉnh, trên cơ sở đó tính được ma trận nghịch đảo đối với vector tọa độ các điểm lưới trong hệ tọa độ không gian (QX)

Để tính sai số các yếu tố của lưới trong hệ tọa độ phẳng, cần xác định được ma trận hiệp phương sai trong hệ địa diện (Qx) Điều này có thể thực hiện được, xuất phát từ quan

hệ vi phân giữa hệ tọa độ địa tâm (X, Y, Z) và hệ tọa độ địa diện (x,y,z):

(2.18) Trong đó: W là ma trận chuyển đổi tọa độ có dạng:

L B L

L B

L B L

L B W

sin0

cos

cos.coscos

sin.sin

cos.cossin

cos.sin

(2.19)

Cuối cùng, ma trận hiệp phương sai của các thành phần trong hệ tọa độ địa diện được tính theo công thức:

T X

DX W Dz

Dy

Dx

2.4 MỘT SỐ CHỈ TIÊU KỸ THUẬT ĐO ĐẠC LƯỚI GNSS

Yêu cầu kỹ thuật cơ bản khi đo GNSS đối với lưới khống chế thi công công trình thủy điện phải phù hợp với các quy định nêu trong bảng (2.4) Khi đo GNSS ở các cấp lưới khống chế thi công, hệ số suy giảm độ chính xác vị trí không gian 3 chiều PDOP phải nhỏ hơn 3.5, số vệ tinh  6 Trong trắc địa công trình, đo GNSS không cần đo các yếu tố khí tượng nhưng nên ghi lại tình trạng thời tiết, như: nắng, râm mát vv…

Bảng 2.4: Yêu cầu kỹ thuật cơ bản khi đo GNSS

Hạng mục

Cấp hạng

Phương pháp

đo

Hạng

II

Hạng III

 15  15  15  15  15

Số lượng vệ tinh

quan trắc được

Đo tĩnh tĩnh nhanh

(phút)

Đo tĩnh tĩnh nhanh

tín hiệu (s)

Đo tĩnh tĩnh nhanh

Độ dài thời gian ca đo

2.5 MỘT SỐ GIẢI PHÁP NÂNG CAO HIỆU QỦA ĐO GNSS TRONG LƯỚI

TRẮC ĐỊA CÔNG TRÌNH

Nhờ các tiến bộ kỹ thuật, hệ định vị vệ tinh GNSS đã rất phổ biến trong trắc địa Ngày nay trong trắc địa công trình công nghệ GNSS là phương pháp thành lập lưới chủ yếu

2.5.1 Chọn điểm, thiết kế và ước tính độ chính xác của lưới

2.5.1.1 Chọn điểm GNSS

Chọn điểm đo GNSS liên quan đến vấn đề thiết kế lưới GNSS, ngoài một số yêu cầu về mật độ điểm, về kết cấu hình học của mạng lưới, các điểm GNSS cần phải bảo đảm một số yêu cầu riêng mang tính đặc thù của công nghệ GNSS Khi chọn điểm cần lưu ý:

- Để thiết kế lưới GNSS và chọn điểm phải có được các bản đồ địa hình tỷ lệ càng lớn càng tốt Tất cả các điểm dự kiến cần được chuyển vị trí lên bản đồ cùng với các điểm gốc đã biết

- Trong các mạng lưới trắc địa truyền thống khi chọn điểm phải bảo đảm thông hướng giữa các điểm Đối với lưới GNSS yêu cầu thông hướng giữa một số cặp điểm chỉ cần thiết khi phát triển lưới cấp thấp hơn bằng phương pháp truyền thống

- Hiện tượng đa đường truyền: Là nguồn sai số đáng quan tâm đối với kết quả định

vị GNSS Do hiện tượng phản xạ, tín hiệu đi từ vệ tinh đến máy thu có thể qua nhiều đường dẫn Hiện tượng đa đường dẫn gây biến dạng tín hiệu điều biến C/A Code, P Code

và ảnh hưởng đến các trị đo pha sóng tải

- Bố trí điểm gần các đường giao thông để dễ đi lại, có nơi đỗ xe nếu cần thiết, rút ngắn thời gian đo đạc lưới Thêm vào đó nên lưu ý bố trí điểm GNSS ở những vị trí có nền đất ổn định và tránh khả năng nhầm lẫn mốc

2.5.1.2 Thiết kế lưới GNSS

Đồ hình lưới GNSS nói chung không khác nhiều với các mạng lưới trắc địa truyền thống (lưới tam giác, đa giác vv ) Các điểm được liên kết với nhau bởi các cạnh đo Một đặc điểm của lưới GNSS là không cần thông hướng giữa các điểm vẫn có thể đo cạnh được

Một nguyên tắc thống nhất khi xây dựng lưới trắc địa là phải có trị đo thừa để kiểm tra kết quả đo, chính vì vậy mạng lưới GNSS phải tạo thành các hình khép kín, hoặc được khống chế bởi các điểm cấp cao

Khi thiết kế lưới GNSS còn phải bảo đảm các yêu cầu như mật độ đồng đều, vị trí các mốc phải ổn định lâu dài Cho nên nói chung đồ hình lưới tốt nhất vẫn cần phải chọn

sao cho được phân bố đều Các cạnh đo tạo thành các đồ hình hình học có dạng đều (tam giác, tứ giác đều ) để xác định sai số khép và đánh giá chất lượng đo

2.5.1.3 Ước tính dộ chính xác lưới thiết kế

Sau khi thiết kế lưới chúng ta cần ước tính độ chính xác của lưới, điều này rất cần thiết khi một số trường hợp đồ hình lưới và các phương tiện đo không trội hẳn so với tiêu chuẩn, trong những trường hợp đó việc ước tính có thể giúp chúng ta khẳng định một cách chắc chắn khả năng đạt được của lưới sau thi công

Để ước tính lưới đo GNSS ta có thể thực hiện công tác này theo nguyên tắc ước tính lưới mặt bằng trong đó coi các trị đo cạnh GNSS tương đương với các trị đo chiều dài và phương vị Ngoài ra có thể ước tính độ chính xác lưới GNSS trong hệ toạ độ không gian địa tâm X, Y, Z

2.5.2 Tổ chức đo đạc

2.5.2.1 Chuẩn bị lịch vệ tinh và chọn thời điểm thu tín hiệu tốt nhất

Để bảo đảm thành công cho công tác đo GNSS cần phải tiến hành lập kế hoạch đo,

cụ thể là xác định thời gian đo tối ưu Khoảng thời gian tối ưu có thể sử dụng là khoảng thời gian trong đó có số vệ tinh quan trắc đồng thời là tối đa và có PDOP không vượt quá giá trị cho phép

Sau khi vị trí các điểm của mạng lưới đã được triển vẽ lên bản đồ, có thể tiến hành công tác khảo sát thực địa Mục đích của công đoạn khảo sát thực địa là nhằm xác định lại các điều kiện đo tại từng điểm và điều kiện di chuyển máy trong lưới

2.5.2.2 Tổ chức ca đo

Ca đo (Session) được hiểu là: khoảng thời gian thu tín hiệu vệ tinh trùng nhau của các máy thu Khoảng quan trắc đầu tiên trong ngày được ký hiệu là ca đo DDD0 và tiếp theo là ca đo DDD1 Số hiệu ngày DDD được ký hiệu từ 001 đến 365 (ngày Julian), và như vậy ca đo 1052 chỉ ca đo thứ ba trong ngày thứ 105

Độ dài thời gian quan trắc trong các ca đo được xác định dựa trên các căn cứ:

- Độ dài của cạnh đo

- Số lượng vệ tinh có thể quan trắc

- Cấu hình vệ tinh

- Độ ồn của tín hiệu vệ tinh thu được (SNR- Signal Noise Ratio)

Thông thường khi vệ tinh càng nhiều thì cấu hình vệ tinh càng tốt và thời gian quan trắc có thể rút ngắn hơn Thời gian quan trắc cũng có thể rút ngắn đối với cạnh đo có chiều dài ngắn hơn

2.5.2.3 Đo tại một trạm máy

Nếu công tác chuẩn bị chu đáo, kỹ lưỡng sẽ là điều kiện để tránh các trục trặc có thể xẩy ra trong quá trình đo Công tác chuẩn bị bao gồm các nội dung chính sau: kiểm tra các máy thu GNSS và các thiết bị kèm theo (chân máy, định tâm quang học, ốc nối, thước

đo cao anten vv ), chuẩn bị phương tiện đi lại, nguồn điện, ác quy, phương tiện liên lạc (bộ đàm, hoặc điện thoại di động ), sổ đo, bút ghi chép, sơ đồ lưới, áo mưa cho người, túi che mưa cho máy vv

Các điểm cần chú ý để đảm bảo độ chính xác trong khi đo GNSS:

Số lượng vệ tinh tối thiểu có thể thu được tín hiệu từ chúng phải lớn hơn 4

Sự thoáng đãng của bầu trời, tức các máy thu phải đặt cách xa các vật cản (nhà cửa, cây cổ thụ, ) và các đối tượng gây nhiễu tín hiệu (trạm phát sóng, đường điện cao thế, )

Vị trí tương hỗ giữa các vệ tinh với nhau và giữa các vệ tinh với máy thu, điều này phản ánh trong chỉ tiêu PDOP phải đạt yêu cầu

Đo độ cao Anten đảm bảo chính xác

Trạng thái kỹ thuật của vệ tinh vào thời điểm thu tín hiệu được phản ánh trong 3 tham số:

SNR ≥ 6

Tham số Health = OK

Tham số URA (User Range Accuracy) Khi URA ≤ 5,8 thì độ chính xác giả cự ly tốt Khi URA > 31 thì các vệ tinh đang bảo dưỡng kỹ thuật, lúc này không nên tiến hành

Các biện pháp để nâng cao chất lượng xử lý cạnh

- Cần đưa vào điểm tham chiếu ban đầu với độ chính xác càng cao càng tốt Quá trình xử lý cạnh cũng đồng thời tiến hành tính ra toạ độ của các điểm còn lại, chất lượng toạ độ của các điểm tính ra tương đương với điểm tham chiếu

- Có thể chọn lại số vệ tinh tham gia vào quá trình tính cạnh để loại bỏ các vệ tinh xấu: đó là các vệ tinh có quĩ đạo sát với ngưỡng cao, các vệ tinh có tín hiệu bị đứt quãng

do bị che bởi các vật cản

- Cắt bỏ các đoạn tín hiệu không tốt để xác định các đoạn tín hiệu không tốt và cắt

bỏ các đoạn tín hiệu bằng cách xác định lại giờ bắt đầu và giờ kết thúc

- Điều chỉnh các thông số phù hợp trong quá trình tính cạnh như có thể đặt lại các giá trị tham số lọc, góc ngưỡng cao thu tín hiệu vệ tinh, thiết lập mô hình khí quyển thích hợp

2.5.4 Tính toán và bình sai mạng lưới

2.5.4.1 Yêu cầu

Thông thường lưới khống chế trắc địa công trình là hệ thống lưới nhiều bậc, yêu cầu độ chính xác mỗi bậc lưới tăng dần và không chịu ảnh hưởng của sai số liệu gốc

Vì vậy lưới khống chế phải được tính toán xử lý theo các nguyên tắc sau:

- Xử lý như lưới độc lập, để tránh ảnh hưởng của sai số số liệu gốc

- Tất cả các bậc lưới phải được tính trong cùng một hệ thống tọa độ thống nhất đã được lựa chọn trong giai đoạn khảo sát trước

2.5.4.2 Các phương án tính toán bình sai

Những vấn đề để nâng cao chất lượng bình sai:

- Cần bình sai tự do với một điểm có B, L, H trên WGS-84, các điểm còn lại dùng làm các điểm kiểm tra So sánh, đối chiếu các điểm đã có tọa độ, nếu sai số nhỏ cho phép tiếp tục dùng các điểm đó làm gốc (FIXED) để bình sai lưới Nếu sự sai khác giữa các tọa

độ gốc mà lớn thì cần kiểm tra lại các công đoạn có liên quan để quyết định các bước tiếp theo xử lý lại hay đo lại Khi bình sai cần phải chú ý sử dụng trọng số của các trị đo một cách hợp lý, nhất là các mạng lưới trắc địa có đồ hình không chuẩn (các cạnh trong lưới

có chiều dài khác nhau nhiều)

- Tận dụng tối đa các cạnh đã đo được để đưa vào tham gia xây dựng lưới, tạo cho đồ hình lưới có nhiều trị đo thừa, khi đó đồ hình lưới có thể không giống với khi thiết kế

- Với qui trình xây dựng lưới theo công nghệ cũ cần phát triển lưới thành nhiều bậc, thi công xong cấp cao mới phát triển cấp thấp hơn do đó quá trình bình sai được thực hiện riêng rẽ cho từng cấp lưới là hợp lý Với công nghệ GNSS thời gian thi công nhanh, tính chất đo đạc không nhất thiết theo tuần tự (có thể gộp vào để đo chung theo một lịch đo) do đó nên bình sai chung các cấp lưới vừa đảm bảo nâng cao

độ chính xác các cấp lưới vừa giảm thiểu sự tích luỹ sai số số liệu gốc

Trên đây là những đề xuất một số giải pháp để nâng cao hiệu qủa của công nghệ GNSS đo đạc các mạng lưới trắc địa mặt bằng cạnh ngắn như lưới khống chế trắc địa công trình