Sử dụng hệ toạ độ vuông góc không gian địa diện chân trời trong thành lập lưới khống chế thi công bằng công nghệ gps

Trang 1 HOÀNG VĂN TUẤN SỬ DỤNG HỆ TỌA ĐỘ VUÔNG GÓC KHÔNG GIAN ĐỊA DIỆN CHÂN TRỜI TRONG LẬP LƯỚI KHỐNG CHẾ THI CÔNG BẰNG CÔNG NGHỆ GPS Chuyên ngành: Kỹ thuật Trắc địa Mã số: 60.52.85 LUẬN

HOÀNG VĂN TUẤN

SỬ DỤNG HỆ TỌA ĐỘ VUÔNG GÓC KHÔNG GIAN

ĐỊA DIỆN CHÂN TRỜI TRONG LẬP LƯỚI KHỐNG CHẾ THI CÔNG BẰNG CÔNG NGHỆ GPS

Chuyên ngành: Kỹ thuật Trắc địa

Mã số: 60.52.85

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

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 cứ một công trình nào khác

Hà nội, ngày tháng năm 2013

Tác giả luận văn

MỤC LỤC

Trang

Lời cam đoan ……… 1

Mục lục ………. 2

Danh mục các bảng ……… 4

Danh mục các hình vẽ ……… 5

MỞ ĐẦU ………. 7

Chương 1 - HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ GPS VÀ MỘT SỐ ỨNG DỤNG TRONG TRẮC ĐỊA 1.1 Cấu tạo của hệ thống định vị toàn cầu GPS ……… 10

1.2 Các đại lượng đo GPS ……… 15

1.3 Các nguyên lý định vị bằng GPS ……… 18

1.4 Các nguồn sai số trong đo GPS ……… 25

1.5 Một số ứng dụng của GPS trong trắc địa ……… 28

Chương 2 - ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ GPS TRONG THÀNH LẬP LƯỚI KHỐNG CHẾ THI CÔNG CÔNG TRÌNH 2.1 Một số vấn đề về lưới khống chế thi công công trình ……… 33

2.2 Lựa chọn hệ tọa độ và mặt chiếu cho lưới khống chế thi công ………… 40

2.3 Quy trình thành lập lưới khống chế thi công bằng công nghệ GPS …… 47

2.4 Tính toán bình sai lưới thi công ……… 56

Chương 3 - HỆ TỌA ĐỘ VUÔNG GÓC KHÔNG GIAN ĐỊA DIỆN CHÂN TRỜI VÀ MỘT SỐ BÀI TOÁN TÍNH CHUYỂN TRỊ ĐO VỆ TINH 3.1 Một số hệ tọa độ dùng trong trắc địa vệ tinh ……… 58

3.2 Một số bài toán chuyển đổi tọa độ vệ tinh ……… 66

3.3 Khảo sát biến dạng độ dài trong phép chiếu địa diện chân trời ………… 80

3.4 Khả năng ứng dụng hệ tọa độ địa diện chân trời trong thành lập lưới khống chế thi công bằng công nghệ GPS ……… 85

Chương 4 – THỰC NGHIỆM

4.1 Tính chuyển tọa độ lưới GPS về hệ tọa độ công trình ………… 89

4.2 Tính toán thực nghiệm ……… 93

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ……… 99

TÀI LIỆU THAM KHẢO ……… 101

DANH MỤC CÁC BẢNG

1 Bảng 2.1 Chỉ tiêu kỹ thuật của lưới tam giác thủy công 39

2 Bảng 2.2 Cấp hạng xây dựng công trình thủy điện 40

3 Bảng 2.3 Số hiệu chỉnh do chiếu cạnh đo lên mặt

5 Bảng 3.1 Tọa độ vuông góc không gian của các điểm 83

8 Bảng 3.4 So sánh các khoảng cách trọng tâm 84

9 Bảng 4.1 Kết quả tính chuyển tọa độ phẳng trong cung

10 Bảng 4.2 Thành quả tọa độ phẳng của các điểm 96

11 Bảng 4.3 Tọa độ vuông góc không gian của các điểm 96

14 Bảng 4.6

So sánh chiều dài cạnh trên mặt phẳng Gauss-Kruger và chiều dài cạnh trên mặt phẳng địa diện chân trời

98

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

3 Hình 1.3 Vị trí các trạm điều khiển và trạm theo dõi 13

4 Hình 1.4 Quan hệ giữa các đoạn trong hệ thống GPS 14

11 Hình 2.2 Lưới tạo thành vòng khép kín 35

12 Hình 2.3 Lưới khống chế công trình cầu 36

13 Hình 2.4 Lưới khống chế mặt bằng đường hầm 38

14 Hình 2.5 Lưới khống chế công trình thủy điện 39

15 Hình 2.6 Chiếu cạnh đo xuống mặt Ellipsoid 43

16 Hình 2.7 Chiếu cạnh từ Ellipsoid lên mặt phẳng 44

21 Hình 3.2 Hệ tọa độ trái đất tức thời 59

22 Hình 3.3 Hệ tọa độ trái đất quy ước 60

23 Hình 3.4 Hệ tọa độ toàn cầu WGS-84 61

24 Hình 3.5 Hệ tọa độ địa vuông góc phẳng

25 Bảng 3.6 Hệ tọa độ vuông góc phẳng UTM 64

26 Hình 3.7 Hệ tọa độ địa diện chân trời 67

27 Hình 3.8 Vị trí vệ tinh S trên bầu trời tại thời điểm

28 Hình 3.9 Tính chuyển tọa độ vuông góc phẳng 75

29 Hình 4.1 Phép chiếu Gauss-Kruger 88

31 Hình 4.3 Biến đổi đồng dạng theo độ cao mặt chiếu 91

32 Bảng 4.4 Sơ đồ mạng lưới GPS hạng IV Kỳ

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Trong tiến trình phát triển và ứng dụng công nghệ mới trong ngành trắc địa Đến nay, công nghệ GPS đang dần thay thế công nghệ truyền thống trong việc thành lập các mạng lưới tọa độ trắc địa và đặc biệt trong trắc địa công

trình, công nghệ này đã đạt được nhiều tính ưu việt hơn hẳn các phương pháp truyền thống

Tọa độ sử dụng trong trắc địa công trình là tọa độ phẳng, nếu sử dụng

phương pháp tính chuyển thông thường là phương pháp tính chuyển theo phép chiếu hình trụ ngang đồng góc thì đó là một quy trình tính chuyển dài và phức tạp đồng nghĩa với sự suy giảm độ chính xác Trong khi sử dụng hệ tọa

độ vuông góc không gian địa diện chân trời để tính chuyển tọa độ phẳng lại

có một quy trình tính đơn giản và thuận lợi hơn rất nhiều

Vì vậy, đề tài nghiên cứu “Sử dụng hệ tọa độ vuông góc không gian

địa diện chân trời trong thành lập lưới khống chế thi công bằng công nghệ GPS” là rất cần thiết

2 Mục đích của đề tài

Nghiên cứu sử dụng hệ tọa độ vuông góc không gian địa diện chân trời trong thành lập lưới khống chế thi công bằng công nghệ GPS

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài

Đề tài luận văn nghiên cứu chủ yếu tập trung vào đối tượng là Trắc địa công trình

Phạm vi nghiên cứu là sử dụng hệ tọa độ vuông góc không gian địa diện chân trời để thành lập lưới khống chế thi công bằng công nghệ GPS

4 Nội dung nghiên cứu của đề tài

Để đạt được các mục tiêu đề ra, nội dung chính của đề tài bao gồm:

5 Phương pháp nghiên cứu

Để thực hiện được những mục đích nghiên cứu, luân văn đã sử dụng các phương pháp nghiên cứu sau:

Phương pháp thống kê: thu thập, tổng hợp, xủ lý các thông tin và tài liệu liên quan

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 của đề tài

Với quy trình và thuật toán đơn giản, giảm thiểu đáng kể sai số do quá trình tính chuyển tọa độ đề tài đã khẳng định những ưu điểm vượt trội khi sử dụng hệ tọa độ vuông góc không gian địa diện chân trời trong thành lập lưới

khống chế thi công bằng công nghệ GPS Trong thực tế sản xuất với những

công trình phân bố trên phạm vi không quá lớn và tương đối vuông vắn, nên

áp dụng phép chiếu mặt địa diện chân trời để tính chuyển tọa độ lưới GPS về mặt phẳng

7 Cấu trúc của luận văn

Luận văn gồm 4 chương, tổng số … trang, trong đó có … hình vẽ và bảng biểu

Lời cảm ơn: Có được kết quả này ngoài sự cố gắng nỗ lực của bản

thân, tôi còn nhận được nhiều sự giúp đỡ, chỉ bảo tận tình của các thầy, cô

giáo trường Đại học Mỏ - Địa Chất Đặc biệt tôi xin chân thành cảm ơn thầy

giáo hướng dẫn, PGS.TS Nguyễn Quang Phúc – cán bộ giảng dạy Bộ môn

Trắc địa công trình, người đã đưa ra các định hướng nghiên cứu và đã đóng

góp những ý kiến quý báu sâu sắc về khoa học, giúp cho tôi hoàn thành được bản luận văn tốt nghiệp này

Chương 1

HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ GPS VÀ MỘT SỐ ỨNG DỤNG

TRONG TRẮC ĐỊA

1.1 CẤU TẠO CỦA HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ TOÀN CẦU GPS

Hệ thống định vị toàn cầu GPS có tên đầy đủ là NAVSRAR GPS là viết

tắt của các từ Navigation Satelite Timing and Ranging Global Positioning

System Hệ thống này được xây dựng từ năm 1973 Năm 1978, vệ tinh đầu

tiên được đưa lên quỹ đạo Năm 1993 đã phóng đủ 24 vệ tinh trên 6 mặt phẳng quỹ đạo như thiết kế Trước năm 1980, hệ thống này chỉ dùng cho mục đích quân sự của Mỹ Từ năm 1980, Chính phủ Mỹ cho phép sử dụng hệ thống này vào mục đích dân sự Ngày nay, GPS được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau, trong đó có Trắc địa

Hệ thống GPS có cấu tạo gồm 3 bộ phận chính (gọi là 3 đoạn): Đoạn

không gian, đoạn điều khiển và đoạn sử dụng

1.1.1 Đoạn không gian

Đoạn không gian gồm các vệ tinh (theo thiết kế là 24 vệ tinh, đến nay

có tới 32 vệ tinh) chuyển động trên 6 mặt phẳng quỹ đạo Độ cao của vệ tinh khoảng 20.200 km Quỹ đạo gần như tròn, chu kỳ chuyển động của vệ tinh quanh Trái đất là 718 phút (gần 12 giờ) Các mặt phẳng quỹ đạo nghiêng với mặt phẳng xích đạo Trái đất 550 Với cách bố trí như trên thì tại mọi vị trí trên Trái đất vào mọi thời điểm đều có thể quan sát được ít nhất 4 vệ tinh, đây là

điều kiện tối thiểu để định vị (Hình 1.1)

Các vệ tinh GPS có trọng lượng khoảng 1.600 kg khi phóng và 800 kg khi bay trên quỹ đạo Tuổi thọ theo thiết kế là 7,5 năm Trên vệ tinh có các

tấm pin Mặt trời gắn ở cánh vệ tinh để cung cấp năng lượng cho vệ tinh hoạt động (Hình 1.2) Mỗi vệ tinh được trang bị 4 đồng hồ nguyên tử có thể đo

thời gian với độ chính xác 10 -12 giây Vệ tinh tạo ra tần số dao động chuẩn là

f0 = 10,23 MHz

Hình 1.1 - Cấu tạo đoạn không gian

Từ tần số chuẩn, vệ tinh tạo ra 2 tần số sóng tải là L 1 có tần số f 1 = 154f0 = 1575,42 MHz tương ứng bước sóng λ 1 = 19,032 cm, và L 2 có tần số

f2 = 120f0 = 1227,60 MHz tương ứng với bước sóng λ 2 = 24,42 cm

Hình 1.2 - Vệ tinh GPS

Các sóng tải L1 và L2 thuộc dải sóng cực ngắn, với tần số lớn làm nhiệm vụ vận tải tín hiệu vệ tinh có tác dụng làm giảm ảnh hưởng của tầng điện li vì ảnh hưởng của tầng điện li tỉ lệ nghịch với bình phương của tần số tín hiệu

Để phục vụ các mục đích khác nhau, các sóng tải lại được điều biến bởi các mã (code) khác nhau như: C/A code, P code hay Y code

C/A code (Coarse/ Acquisition) là mã thô, cho phép sử dụng rộng rãi Mã này được tạo bởi một chuỗi các chữ số 0 và 1 sắp xếp theo qui luật tựa ngẫu nhiên với tần số bằng 1/10 tần số chuẩn (1,023 MHz), và được lặp lại sau mỗi miligiây Mỗi vệ tinh được gán một mã C/A riêng biệt C/A code chỉ điều biến sóng tải L1 và dùng cho mục đích dân sự

P code (Precise) là mã chính xác Mã này được tạo bởi một chuỗi các

chữ số 0 và 1 sắp xếp theo qui luật tựa ngẫu nhiên với tần số bằng tần số chuẩn (10,23 MHz) Độ dài toàn phần của mã này là 267 ngày (nghĩa là chỉ

sau 267 ngày mới lặp lại) Người ta chia mã này thành các đoạn, mỗi đoạn dài

7 ngày và gán cho mỗi vệ tinh một đoạn, sau một tuần lại đổi lại Bằng cách

này thì P code rất khó bị giải mã nếu không được phép của Mỹ P code điều

biến cả sóng tải L1 và sóng tải L2 và chỉ dùng cho mục đích quân sự của Mỹ

Y code là mã bí mật, trong điều kiện cần thiết sẽ được phủ lên P code

làm cho P code càng khó giải mã hơn

Ngoài ra, các vệ tinh còn trao đổi thông tin với các trạm điều khiển qua các tần số 1.783,74 MHz và 227,50 MHz để truyền thông tin đạo hàng và nhận các lệnh điều khiển từ trạm điều khiển

1.1.2 Đoạn điều khiển

Đoạn này gồm 1 trạm điều khiển trung tâm đặt tại căn cứ quân sự của

Mỹ ở Colorado Spring và 4 trạm theo dõi đặt tại Hawaii (Thái Bình Dương),

Ascension Island (Đại Tây Dương), Diego Garcia (Ấn Độ Dương) và Kwajalein (Tây Thái Bình Dương) Các trạm này tạo thành một vành đai bao

Hình 1.3 - Vị trí các trạm điều khiển và trạm theo dõi

Các số liệu này được truyền về trạm trung tâm Trạm trung tâm xử lý

tính toán ra lịch vệ tinh, các số hiệu chỉnh đồng hồ vệ tinh …

Từ đây các số liệu lại được truyền ngược lại các trạm theo dõi, từ trạm theo dõi phát lên vệ tinh cùng với các lệnh điều khiển Như vậy các thông tin đạo hàng thường xuyên được chính xác hóa (đối với GPS là 3lần/ngày) và được truyền đến người dùng thông qua sóng tải L1 và L2

Hiện nay, cơ quan bản đồ thuộc Bộ quốc phòng Mỹ kết hợp với một số nước khác để xây dựng mạng lưới theo dõi vệ tinh GPS trên toàn cầu nhằm

nâng cao độ chính xác xác định lịch vệ tinh

1.1.3 Đoạn sử dụng

Đoạn sử dụng bao gồm tất cả các máy móc thiết bị thu nhận thông tin

từ vệ tinh để khai thác sử dụng vào các mục đích khác nhau Hiện nay trên thị trường có nhiều loại máy thu khác nhau về chủng loại, độ chính xác và giá tiền Theo cấu tạo có thể chia thành hai loại:

- Máy thu một tần số: là loại máy chỉ thu được tín hiệu trên 1 tần số L1

- Máy thu hai tần số: có thể thu đầy đủ tín hiệu trên hai tần số L1 và L2 Theo độ chính xác, có thể chia làm ba loại:

- Độ chính xác cao: là loại máy thu hai tần số đắt tiền nhất hiện nay

được dùng trong trắc địa Thiết bị phần cứng phức tạp nên việc sử dụng

khó khăn

Ví dụ: Trimble 4800, Topcon Legacy, Topcon Hiper Series, Topcon GB-500, Topcon GB-1000, Leica system 500, …

- Độ chính xác trung bình: là loại máy thu một tần số, có cấu tạo đơn

giản dễ mang vác và dễ sử dụng cho thu thập dữ liệu phục vụ bản đồ và GIS

Ví dụ: Trimble Geo-explorer XT, Ashtech Reliance

- Độ chính xác thấp: là loại máy thu một tần số nhưng có cấu tạo gọn

nhẹ nhất (thường là máy cầm tay) và rẻ tiền nhất, thường được dùng cho các

mục đích như định vị hàng hải, du lịch, …

Ví dụ: Lowrance 200, Garmin III+, Magenlan

Đoạn không gian và đoạn điều khiển có quan hệ hai chiều với nhau Đoạn sử dụng và đoạn không gian quan hệ với nhau một chiều Đoạn điều khiển và đoạn sử dụng không có quan hệ gì với nhau (Hình 1.4)

Hình 1.4 - Quan hệ giữa các đoạn trong hệ thống GPS

1.2 CÁC ĐẠI LƯỢNG ĐO GPS

1.2.1 Đo khoảng cách giả theo pha sóng tải

Đo khoảng cách giả (PseudoRange) theo pha sóng tải L 1 và L2 cho độ chính xác cao nên được áp dụng chủ yếu trong trắc địa

Việc đo khoảng cách giả theo pha sóng tải được thực hiện như sau: máy thu GPS thu tín hiệu GPS và đo hiệu số giữa pha của sóng tải của vệ tinh với pha của tín hiệu do chính máy thu tạo ra

Ký hiệu φS(t) là pha của sóng tải thu được ở tần số f S và φR(t) là pha sóng tải được tạo ra trong máy thu ở tần số fR, ta có:

S S

S

c t f

R R

R(t) f .t 0

   (1.2) Trong đó: ρ là khoảng cách hình học từ máy tới vệ tinh

C là vận tốc ánh sáng, c = 3.108m/s Pha ban đầu sóng tải của vệ tinh và của máy thu S

0

 , R

0

 chịu ảnh hưởng của sai số đồng hồ vệ tinh và sai số đồng hồ máy thu t S, t R:

S S

S f . t

0

R R

R f . t

0

 (1.4)

Sự khác biệt giữa các tần số f S, fR so với tần số chấp nhận f là rất nhỏ

Do đó hiệu số pha của chúng là:

R S R

S R

S S

c t f t t

) (

R S

S R

t t t

t f c f t

N là số nguyên lần chu kỳ Kết hợp (1.5) và (1.6) ta được:

N t

(λ: bước sóng của sóng tải)

Từ hiệu pha này, dễ dàng xác định được khoảng cách giả từ máy thu tới vệ tinh

Đo cạnh theo pha sóng tải có thể đạt được độ chính xác cỡ 1% độ dài bước sóng, tức cỡ 1.9mm với sóng tải L 1, với sóng tải L 2 thì kém hơn nhưng tác dụng chủ yếu của nó là kết hợp với sóng tải L 1 để làm giảm ảnh hưởng của tầng điện li đến độ chính xác xác định cạnh, đồng thời xác định số nguyên

N đơn giản hơn

1.2.2 Đo khoảng cách giả theo mã (C/A code và P – code)

C/A code và P- code là mã tựa ngẫu nhiên được phát đi từ vệ tinh cùng với sóng tải, máy thu GPS cũng tạo ra mã tựa ngẫu nhiên đúng như vậy Bằng cách so sánh mã thu được từ vệ tinh và mã của chính máy thu tạo ra sẽ xác

định được khoảng thời gian lan truyền tín hiệu từ vệ tinh đến máy thu và từ đây tính được khoảng cách từ vệ tinh đến máy thu

khi đó, khoảng cách từ vệ tinh đến máy thu được xác định theo công thức:

Trong đó: R – khoảng cách từ vệ tinh đến máy thu

C – vận tốc truyền tín hiệu

Δt – thời gian truyền tín hiệu

Do đồng hồ trong máy thu là đồng hồ thạch anh có độ chính xác 10 -4nên gây ra sai số đồng hồ máy thu là dT Đồng hồ trên vệ tinh cũng có sai số

dt, do đó sinh ra sai số không đồng bộ giữa đồng hồ vệ tinh và đồng hồ máy

thu là Δ«t Khi đó khoảng cách từ vệ tinh đến máy thu được tính theo công

thức:

R = ρ + C Δ«t = ρ + C (dt – dT) (1.9) Trong đó: ρ là khoảng cách hình học (khoảng cách thực) từ vệ tinh đến máy thu

Tín hiệu truyền từ vệ tinh đến máy thu qua tầng điện li và tầng đối lưu

làm cho tốc độ truyền tín hiệu bị thay đổi gây ra sai số về khoảng cách Khi

đó khoảng cách từ vệ tinh đến máy thu được tính theo công thức:

R = ρ + C (dt – dT) + dion + dTrop (1.10) Trong đó: dion – sai số tầng điện li (ion)

dTrop – sai số tầng đối lưu (Trop)

Do khoảng cách đo được từ vệ tinh đến máy thu có chứa các sai số (sai

số đồng hồ vệ tinh, đồng hồ máy thu, do tầng điện li, do tầng đối lưu) nên gọi

là khoảng cách có lệch hay gọi là khoảng cách giả Sai số đồng hồ vệ tinh thường rất nhỏ và thường xuyên được đoạn điều khiển hiệu chỉnh (3lần/ ngày), sai số tầng điện li và tầng đối lưu thì được làm giảm bằng cách dùng

các mô hình cải chính Do đó, trong những trường hợp yêu cầu độ chính xác

không cao lắm công thức biểu diễn khoảng cách giả được viết như sau:

R = ρ – C dT (1.11)

1.2.3 Đo khoảng cách giả theo tần số Doppler

Theo phương pháp này, khi vệ tinh phát đi tần số f 0, máy thu thu được tần số fr, hiệu tần số của chúng chính là tần số Doppler:

Δf = f0 - fr (1.12) Đồng thời Δf lại được xác định theo công thức:

c f

R  (1.15)

Từ đây ta xác định được khoảng cách giả từ máy thu tới vệ tinh

1.3 CÁC NGUYÊN LÝ ĐỊNH VỊ BẰNG GPS

1.3.1 Định vị tuyệt đối

1.3.1.1 Nguyên lý định vị tuyệt đối

Định vị tuyệt đối sử dụng ít nhất một máy thu, thu tín hiệu vệ tinh, xác định tọa độ tuyệt đối trong hệ tọa độ WGS-84

Hình 1.5 - Định vị GPS tuyệt đối

Nguyên lý định vị tuyệt đối dựa trên việc đo các khoảng cách giả từ các

vệ tinh đến máy thu Khoảng cách giả R từ các vệ tinh đến máy thu được biểu diễn theo công thức:

Ri = ρi – C.dT (1.16)

Ta cần xác định chính xác tọa độ của điểm đặt máy (chính xác là tâm anten):

Gọi: XP, YP, ZP là tọa độ của điểm P cần xác định (điểm đặt máy)

Xi, Yi, Zi là tọa độ của vệ tinh thứ i (nhận được từ lịch vệ tinh)

Ta sẽ có khoảng cách hình học từ vệ tinh đến máy thu được tính theo công thức:

2 2

Ta thấy trong công thức (1.18) có 4 ẩn số là: tọa độ điểm đặt máy X P,

YP, ZP và sai số đồng hồ máy thu dT Để giải được 4 ẩn số này ta có ít nhất 4 phương trình như (1.18), nghĩa là ta phải quan sát được ít nhất 4 vệ tinh

Nếu quan sát được số vệ tinh nhiều hơn 4, thì bài toán này được giải theo nguyên lý số bình phương nhỏ nhất Khi đó ta có phương trình số hiệu chỉnh như sau:

i i

P i i

P i i

P i

0 0

0 0

0





Trong đó: X i0 ,Y i0 ,Z i0 là tọa độ gần đúng của điểm P

dx, dy, dz, là số hiệu chỉnh tọa độ

i = 1, 2, 3, …n (n>4)

0 2

0 2

0 1

0 1

) (

) (

) (

n

P n

P P

X X

X X

X X







0 0

0 2

0 2

0 1

0 1

) (

) (

) (

n

P n

P P

Y Y

Y Y

Y Y

0 2

0 2

0 1

0 1

) (

) (

) (

n

P n

P P

Z Z

Z Z

Z Z

2 1

Từ trên ta có hệ phương trình số hiệu chỉnh dạng ma trận như sau:

Coi các trị đo khoảng cách giả có độ chính xác như nhau (có cùng trọng số), ta có hệ phương trình chuẩn:

(AT.A).X + (AT.L) = 0 (1.22) Giải hệ phương trình trên ta được:

X = -(AT.A)-1 (AL.L) (1.23) Nghĩa là ta xác định được dX, dY, dZ, d T Tọa độ điểm đặt máy P sẽ được tính bằng công thức:

khoảng 5 lần sẽ nhận được tọa độ chính xác

Hiện nay phương pháp định vị GPS tuyệt đối đạt được độ chính xác cỡ

±3m đến ±10m khi định vị điểm đơn với thời gian ngắn Để nâng cấp độ chính xác hơn nữa các nhà nghiên cứu đã đưa ra phương pháp định vị vi phân

1.3.1.2 Đo vi phân

Theo phương pháp này, một máy thu GPS đặt tại điểm A đã biết tọa độ chính xác trong hệ tọa độ WGS-84 (XA, YA, ZA), gọi là trạm chủ Các máy thu GPS khác đặt tại các điểm P cần xác định tọa độ, gọi là trạm phụ (trạm này có thể cố định hoặc di chuyển) Cả trạm chủ và trạm phụ đồng thời thu tín hiệu

vệ tinh và định vị theo nguyên lý định vị tuyệt đối Tại điểm A ta xác định

được tọa độ X’A, Y’A, Z’A Tại điểm P ta xác định được tọa độ X’P, Y’P, Z’P

Do có sai số nên tọa độ điểm A đo được khác với tọa độ điểm A có trước, sai số này được tính như sau:

A A

A A

A A

Z Z Z

Y Y Y

X X X

(1.25)

Coi các sai số ảnh hưởng đến điểm A và điểm P là như nhau Như vậy, tọa độ điểm P cũng được hiệu chỉnh một lượng là X, Y, Z Ta được tọa độ điểm P chính xác hơn:

Y Y Y

X X

X

P P

P P

P P

' ' '

(1.26)

Hình 1.6 - Định vị GPS vi phân

1.3.2 Định vị tương đối

1.3.2.1 Nguyên lý định vị tương đối

Phương pháp đo tương đối được áp dụng để xác định tọa độ của các điểm so với một điểm khác dựa trên thành phần của vector cạnh (Baseline) giữa chúng, bằng cách sử dụng hai máy thu GPS đặt ở hai điểm quan sát khác nhau, để xác định ra hiệu tọa độ vuông góc không gian ( X, Y, Z ) hoặc hiệu tọa độ mặt cầu (B, L, H) giữa chúng trong hệ tọa độ WGS-84

Nguyên lý đo tương đối được thực hiện trên cơ sở sử dụng trị đo pha sóng tải Để đạt được độ chính xác cao cho kết quả xác định hiệu tọa độ (hay

vị trí tương hỗ) giữa hai điểm xét, người ta đã tạo ra và sử dụng các sai phân khác nhau cho pha sóng tải để làm giảm ảnh hưởng của các nguồn sai số như: sai số đồng hồ vệ tinh, đồng hồ máy thu, lịch vệ tinh, số nguyên đa trị …

Hình 1.7 - Định vị GPS tương đối

Đo GPS tương đối được chia làm 3 phương pháp đo cơ bản là: phương pháp đo tĩnh, phương pháp đo động, phương pháp đo giả động

1.3.2.2 Phương pháp đo tĩnh (Static)

Định vị tương đối trạng thái tĩnh (Static Relative Positioning) gọi tắt là

đo tĩnh (Static) là phương pháp đo thực hiện theo nguyên lý định vị tương đối Hai máy thu đặt cố định và đồng thời quan sát cùng số vệ tinh chung trong thời gian dài từ vài chục phút đến vài giờ, thậm chí vài ngày

Đo tĩnh có độ chính xác cao, sai số tương đối đo cạnh có thể đạt cỡ 10 -6đến 10-9 trên chiều dài cỡ hàng nghìn km Đo tĩnh chủ yếu được ứng dụng để xây dựng lưới khống chế

* Đo tĩnh nhanh (fast static)

Là phương pháp đo có nguyên lý giống đo tĩnh nhưng thời gian đo ngắn hơn (vài phút đến vài chục phút) Đo tĩnh nhanh có độ chính xác kém

hơn đo tĩnh, thường được dùng vào các công việc có độ chính xác không cao lắm

1.3.2.3 Phương pháp đo động (Kinematic)

Là phương pháp đo thực hiện theo nguyên lý định vị tương đối, sử dụng ít nhất hai máy thu, một máy đặt cố định tại điểm đã biết tọa độ gọi là

trạm Base liên tục thu tín hiệu vệ tinh, một máy vừa di chuyển vừa thu tín hiệu vệ tinh gọi là trạm Rover

Kết quả đo động cho ta tọa độ tương đối giữa điểm trạm Base và nhiều

điểm trạm Rover Độ chính xác của

phương pháp đo động kém hơn

phương pháp đo tĩnh và đo tĩnh

nhanh, thường được dùng vào việc

đo thành lập bản đồ hoặc những

việc có độ chính xác tương tự

Hình 1.8 - Phương pháp đo động

1.3.2.4 Phương pháp đo giả động

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 vị không cao bằng phương pháp đo động Trong phương pháp

này không cần làm thủ tục khởi đo, tức là không cần sử dụng cạnh đáy đã biết Máy cố định cũng phải tiến hành thu tín hiệu vệ tinh liên tục trong suốt

chu kỳ đo

Sau khi đo hết lượt, máy di động được đưa trở về điểm suất phát (điểm

đo đầu tiên) và đo lặp lại tất cả các điểm theo đúng trình tự trước đó, nhưng

phải đảm bảo sao cho khoảng thời gian giãn cách giữa hai lần đo tại mỗi điểm

là từ một giờ đồng hồ trở lên Chính trong khoảng thời gian này, đồ hình phân

bố vệ tinh đã thay đổi, đủ để xác định được số nguyên đa trị Còn hai lần đo,

mỗi lần kéo dài từ 5 đến 10 phút, và giãn cách nhau một tiếng đồng hồ, có tác dụng tương đương phép đo tĩnh kéo dài trong một tiếng Yêu cầu cần thiết của phương pháp này là phải có được ít nhất ba vệ tinh chung cho cả hai lần đo tại mỗi điểm quan sát

Điều đáng chú ý của phương pháp này là máy di động không nhất thiết phải thu tín hiệu liên tục từ vệ tinh trong suốt chu kỳ đo, mà chỉ cần thu trong vòng 5 đến 10 phút tại mỗi điểm đo, nghĩa là có thể tắt máy trong lúc vận chuyển từ điểm nọ sang điểm kia Điều này cho phép áp dụng phương pháp cả

ở khu vực có nhiều vật che khuất Về mặt thiết kế, tổ chức đo thì chỉ nên chọn

và bố trí khu vực đo tương đối nhỏ với số lượng điểm vừa phải để có thể đo lặp tại mỗi điểm sau một tiếng đồng hồ và đảm bảo số lượng vệ tinh chung cho cả hai lần đo như đã nêu trên

1.4 CÁC NGUỒN SAI SỐ TRONG ĐO GPS

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

1.4.1 Những nguồn sai số liên quan đến vệ tinh

Do sai số SA của Mỹ thì trong lịch vệ tinh còn có sai số do người chủ động gây ra (năm 2000 đã bỏ chế độ này) Sai số này ảnh hưởng đến kết quả

đo của hai trạm gần nhau thì như nhau Các vệ tinh khác nhau thì sai số này là độc lập với nhau, nếu có nhiễu SA thì tính chất này có thể bị phá vỡ

1.4.1.2 Sai số đồng hồ vệ tinh

Trong vệ tinh sử dụng đồng hồ nguyên tử có độ chính xác rất cao

nhưng vẫn có sai số Sai số này gồm cả sai số hệ thống và sai số ngẫu nhiên,

sai số hệ thống thì lớn hơn nhưng có thể dùng mô hình để cải chính Các trạm

điều khiển luôn phát đi các số hiệu chỉnh để cải chính đồng hồ vệ tinh

Các vệ tinh khác nhau thì có sai số đồng hồ vệ tinh được coi là độc lập

khác nhau Khi hai trạm đo cùng quan sát 1 vệ tinh thì sai số đồng hồ vệ tinh

ảnh hưởng đến kết quả đo là như nhau

1.4.1.3 Sai số do hiệu ứng thuyết tương đối

Sai số này gây ra do tốc độ chuyển động và vị trí trọng lực của đồng hồ

vệ tinh khác với đồng hồ máy thu, dẫn đến sai số tương hỗ giữa đồng hồ vệ

tinh và đồng hồ máy thu Những sai số liên quan đến vệ tinh có ảnh hưởng

như nhau đến kết quả đo khoảng cách giả và đo pha sóng tải

1.4.2 Những sai số liên quan đến sự truyền tín hiệu

1.4.2.1 Sai số do tầng điện li

Khi tín hiệu truyền qua tầng điện li thì tốc độ truyền bị thay đổi, gây ra

sai số hệ thống đến kết quả đo

Độ lớn của sai số tầng điện li phụ thuộc vào những điều kiện như: thời

gian đo, địa điểm đo, chu lỳ hoạt

động của vệt đen mặt trời và phụ

thuộc vào tần số sóng tải, tần số

càng lớn thì sai số càng nhỏ

Sai số tầng điện li ảnh

hưởng đến kết quả đo khoảng cách

giả và đo pha sóng tải là như nhau

về độ lớn nhưng ngược dấu

Hình 1.9 - Cấu tạo khí quyển

1.4.2.2 Sai số do tầng đối lưu

Khi tín hiệu truyền qua tầng đối lưu thì tốc độ truyền bị thay đổi, gây

sai số hệ thống đến kết quả đo

Độ lớn của sai số do tầng đối lưu phụ thuộc vào nhiệt độ, áp suất và độ

ẩm Sai số do tầng đối lưu ảnh hưởng như nhau đến kết quả đo khoảng cách

giả và đo pha sóng tải

1.4.2.3 Sai số do nhiễu đường truyền tín hiệu (sai số đa đường truyền)

Đây là hiện tượng sóng điện từ sau khi phản xạ trên bề mặt nào đó rồi

mới truyền đến máy thu, trộn với tín hiệu trực tiếp đến từ vệ tinh gây ra sai số đến kết quả đo Sai số này ảnh hưởng đến kết quả đo khoảng cách giả nghiêm trọng hơn đo pha sóng tải

Sai số này phụ thuộc vào chất lượng của anten và môi trường xung quanh điểm đo

Ngoài những sai số trên thì sai số xác định số nguyên đa trị N cũng được xếp vào sai số liên quan đến đường truyền tín hiệu

1.4.3 Những sai số liên quan đến máy thu

1.4.3.1 Sai số đồng hồ máy thu

Đồng hồ sử dụng trong máy thu là đồng hồ thạch anh có độ chính xác

thấp (10-4) nên gây ra sai số đồng hồ máy thu

Độ lớn của sai số này phụ thuộc vào chất lượng của đồng hồ và môi trường sử dụng Sai số này ảnh hưởng như nhau đến kết quả đo khoảng cách

giả và đo pha sóng tải Các máy thu khác nhau thì các sai số này độc lập với

nhau Một máy thu quan sát nhiều vệ tinh thì sai số đồng hồ máy thu ảnh hưởng đến kết quả quan sát là như nhau

1.4.3.2 Sai số do vị trí máy thu tại các trạm điều khiển

Khi tính lịch vệ tinh thì vị trí máy thu tại các trạm ở đoạn điều khiển

được coi là đã biết và nó cũng có sai số Sai số này sẽ gây ra sai số lịch vệ

tinh và số hiệu chỉnh đồng hồ vệ tinh Sai số này có ảnh hưởng giống nhau đến kết quả đo khoảng cách và đo pha sóng tải

1.4.3.3 Sai số định tâm, cân bằng và đo cao anten

Khi đo đạc ta phải định tâm, cân bằng và đo chiều cao anten Nếu việc làm này sai cũng dẫn đến sai số ảnh hưởng đến kết quả đo Sai số định tâm ảnh hưởng chủ yếu đến tọa độ mặt bằng, sai số đo cao anten ảnh hưởng chủ yếu đến độ cao

1.5 MỘT SỐ ỨNG DỤNG CỦA GPS TRONG TRẮC ĐỊA

Cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, công nghệ GPS hiện nay ngày càng nâng cao độ chính xác, và được áp dụng rộng trong công tác trắc địa nói chung, cũng như trong trắc địa công trình

Về mặt bằng công nghệ GPS hoàn toàn đáp ứng được các yêu cầu của công tác trắc địa công trình trong cả ba giai đoạn (khảo sát thiết kế, thi công xây dựng và quan trắc chuyển dịch biến dạng công trình) Về độ cao, đáp ứng được các yêu cầu đo vẽ bản đồ địa hình tỷ lệ lớn và bố trí thi công xây dựng các công trình

1.5.1 Trong giai đoạn khảo sát thiết kế công trình

Trong giai đoạn này nhiệm vụ chủ yếu là đo đạc, thành lập bản đồ địa hình các loại tỷ lệ khác nhau để làm tài liệu cung cấp cho thiết kế công trình Công việc này thường được thực hiện theo các phương pháp truyền thống với việc sử dụng các thiết bị đo góc và đo cạnh để thành lập mạng lưới khống chế

Với những tính chất ưu việt, công nghệ GPS đã được ứng dụng rộng rãi

để thành lập lưới khống chế phục vụ đo vẽ bản đồ địa hình công trình Hiện nay ở Việt Nam, trong những điều kiện trang thiết bị cho phép, các đơn vị sản xuất đều sử dụng công nghệ GPS để thành lập lưới khống chế dùng trong đo

vẽ địa hình

Để đo vẽ chi tiết địa hình, với độ chính xác của các máy GPS và kỹ thuật đo GPS động hoàn toàn có thể thay thế các phương pháp truyền thống

để đo vẽ chi tiết thành lập bản đồ địa hình tỷ lệ lớn

Trong trắc địa công trình, tùy thuộc vào giai đoạn thiết kế, mức độ phức tạp của địa hình, địa vật … mà người ta sử dụng bản đồ ở các tỷ lệ và

khoảng cao đều khác nhau như: 1: 10.000, 1: 5.000, 1: 2.000, 1: 500

Yêu cầu độ chính xác vị trí mặt bằng thường được quy định:

+ Sai số giới hạn vị trí điểm của lưới khống chế đo vẽ so với điểm của lưới cấp cao hơn không được vượt quá ± 0.2mm trên bản đồ

+ Sai số giới hạn vị trí điểm địa vật quan trọng so với điểm khống chế

đo vẽ gần nhất không được vượt quá ± 0.4mm trên bản đồ

Yêu cầu độ chính xác độ cao thường được quy định: Sai số độ cao điểm chi tiết không được vượt quá 1/5 khoảng cao đều ở vùng đồng bằng và 1/3 khoảng cao đều ở vùng đồi núi

Có nhiều phương pháp để đo đạc thành lập bản đồ tỷ lệ lớn nhưng quy trình cơ bản vẫn bao gồm: Lập lưới khống chế và đo vẽ chi tiết

Khi đo vẽ truyền thống, thường sử dụng máy kinh vĩ hoặc toàn đạc điện

tử để đo theo phương pháp toàn đạc Với kỹ thuật đo động “Stop and Go”, có thể thực hiện đo chi tiết để thành lập bản đồ tỷ lệ lớn Tuy nhiên cần đảm bảo một điều kiện bắt buộc là trong quá trình đo chi tiết bằng GPS động, phải liên tục theo dõi tín hiệu của ít nhất 4 vệ tinh Vì thế khu đo phải thông thoáng lên bầu trời, không bị cây to che phủ hoặc nhà cửa cao tầng che chắn tín hiệu vệ tinh Để đo chi tiết bằng GPS động, ta không cần bố trí điểm khống chế đo vẽ như phương pháp truyền thống vì trạm Base có thể đặt tại điểm đã có tọa độ -

độ cao cách khu đo tới 10km Như vậy, có thể sử dụng ngay các điểm tam

giác hạng IV thậm chí hạng III hoặc điểm địa chính cơ sở để làm trạm tĩnh

trong đo GPS động, tiết kiệm được kinh phí và thời gian xây dựng lưới

Một số kết quả thực nghiệm cho thấy, khi trạm Base cách khu đo không quá 10 km, độ chính xác đo động bằng máy thu Trimble 4600LS có sai số trung phương vị trí mặt bằng cỡ 3 – 5cm, sai số độ cao 5 đến 7cm Độ chính

xác này đủ để đo vẽ bản đồ tỷ lệ lớn

1.5.2 Trong giai đoạn thi công công trình

Ứng dụng hiệu quả nhất của công nghệ GPS trong giai đoạn thi công

công trình là thành lập lưới khống chế thi công Hiện nay, hầu như tất cả các

dạng lưới khống chế thi công trên công trình xây dựng đều được thành lập

bằng công nghệ GPS đem lại hiệu quả kinh tế rõ rệt so với các phương pháp

thành lập khác

Nội dung chủ yếu trong giai đoạn này là chuyển bản thiết kế công trình

ra thực địa (bố trí công trình), trong đó bao gồm thành lập lưới khống chế thi

công, bố trí trục chính, trục phụ trợ và bố trí chi tiết từng phần của công trình

Chuyển bản thiết kế công ra thực địa là một dạng thường gặp của công tác trắc địa công trình Các điểm cần đưa ra thực địa đã có tọa độ thiết kế x, y

Có thể sử dụng kỹ thuật đo GPS động (RTK) để nhanh chóng xác định các

điểm có tọa độ đã cho ở thực địa Tọa độ tức thời của điểm đo vẽ sẽ dẫn đường để chúng ta nhanh chóng xác định được vị trí các điểm thiết kế trên

thực địa theo phương pháp tọa độ - hoàn nguyên hoặc phương pháp gần đúng dần Đây chính là nguyên tắc để bố trí điểm công trình Đo GPS động càng tỏ

ra hiệu quả khi bố trí công trình giao thông, công trình biển (dàn khoan, cầu

cảng …), hoặc những nơi mà khả năng đo đạc theo phương pháp truyền thống

bị hạn chế

1.5.3 Trong quan trắc biến dạng công trình

Hiện nay ở các nước tiên tiến, ngoài việc sử dụng công nghệ truyền thống còn sử dụng công nghệ GPS để quan trắc chuyển dịch công trình

Ngoại trừ các công trình có yêu cầu độ chính xác đặc biệt trong thi công như nhà máy gia tốc hạt thì trong trắc địa công trình, quan trắc chuyển

dịch biến dạng có yêu cầu độ chính xác cao nhất Tùy theo mục đích quan trắc, loại hình, kết cấu công trình, điều kiện địa chất nền móng công trình mà

yêu cầu độ chính xác quan trắc chuyển dịch biến dạng có thể đạt cỡ mm

Trong quan trắc biến dạng các công trình công nghiệp và dân dụng thì

nội dung chủ yếu là quan trắc độ lún của nền móng và độ nghiêng của bản thân công trình

Trên thế giới, hiện nay ứng dụng công nghệ GPS rất có hiệu quả trong quan trắc chuyển dịch ngang cho các công trình thủy điện thủy lợi, vì công

nghệ GPS cho phép quan trắc liên tục không kể ngày hay đêm và sử dụng thời gian thực nên có thể dự báo biến dạng của công trình một cách chính xác, đáp ứng kịp thời yêu cầu cần thiết gia cố, bảo vệ công trình Ở nước ta việc quan

trắc biến dạng công trình bằng công nghệ GPS đang ở giai đoạn thử nghiệm

1.5.4 Trong đo vẽ thành lập mặt cắt và tính khối lượng

Đo GPS động cho phép xác định nhanh chóng tọa độ và độ cao của các điểm đo trong vòng vài giây đến vài phút Kỹ thuật đo động “Stop and Go” có thể áp dụng để đo vẽ mặt cắt địa hình ở những địa hình thoáng đãng, đủ điều

kiện để máy thu GPS nhận được tín hiệu của ít nhất 4 vệ tinh

Đo vẽ thành lập mặt cắt là dạng công tác trắc địa thường gặp trong khảo sát giao thông, thủy lợi, khảo sát địa chất … Khi đo vẽ mặt cắt, nếu không cần thiết xác định tọa độ cho các điểm trên mặt cắt mà chỉ cần xác định

độ cao của chúng, thì có thể chọn điểm độ cao gốc làm trạm Base Tọa độ của

điểm này sẽ được xác định gần đúng bằng định vị tuyệt đối Máy di động (Rover) sẽ lần lượt dựng tại các điểm địa hình đặc trưng trên mặt cắt (chỗ thay đổi độ dốc, điểm ngoặt, mép và chân tường …)

Sau khi đo xong sẽ dựng mặt cắt địa hình Để đo tính khối lượng đào

đắp, chúng ta sử dụng kỹ thuật đo GPS động đo trên toàn bộ diện tích cần đào đắp để được mô hình số địa hình ban đầu Sau khi đào hoặc đắp, tiến hành đo lại để thiết lập mô hình số lần sau Dựa vào hai mô hình số địa hình này để

tính ra khối lượng đã đào hoặc đắp

Chương 2 ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ GPS TRONG THÀNH LẬP LƯỚI

KHỐNG CHẾ THI CÔNG CÔNG TRÌNH

2.1 MỘT SỐ VẤN ĐỀ VỀ LƯỚI KHỐNG CHẾ THI CÔNG CÔNG TRÌNH

2.1.1 Khái lược về lưới khống chế trắc địa công trình

Lưới khống chế trắc địa công trình được thành lập ở khu vực thành phố, khu công nghiệp, khu năng lượng, sân bay, bến cảng, cầu cống, đường

hầm … làm cơ sở trắc địa phục vụ cho khảo sát, thiết kế, thi công xây dựng

các công trình

Yêu cầu về độ chính xác và mật độ điểm của lưới trắc địa công trình

tùy thuộc vào yêu cầu nhiệm vụ phải giải quyết trong từng giai đoạn khảo sát, thiết kế, thi công và sử dụng công trình

Trong trường hợp đo vẽ bản đồ, cơ sở để ước tính độ chính xác cần thiết của lưới khống chế mặt phẳng là yêu cầu về độ chính xác của lưới đo vẽ Yêu cầu đó là sai số giới hạn vị trí điểm của lưới đo vẽ so với điểm của lưới

Nhà nước và lưới tăng dày không được vượt quá 0,2mm trên bản đồ ở khu

vực chưa xây dựng Trên khu vực xây dựng sai số này không vượt quá quy

định sau: (Theo tiêu chuẩn “công tác trắc địa trong xây dựng công trình –

Yêu cầu chung” Bộ xây dựng ban hành năm 2005) [6]

Tỷ lệ bản đồ 1:500 1:1000 1:2000 Sai số giới hạn 0,10m 0,16m 0,30m

Bên cạnh hệ thống lưới trắc địa Nhà nước với 4 cấp hạng, do yêu cầu

của công tác địa chính, một hệ thống lưới mặt bằng cũng đã được thành lập

bao gồm lưới địa chính cơ sở, (tương đương lưới khống chế Nhà nước hạng

III), lưới địa chính cấp 1 và cấp 2, hệ thống lưới này có đủ độ chính xác bảo

đảm cho đo vẽ bản đồ tỷ lệ lớn 1:500, 1:2000 Do đó ở khu vực xây dựng

công trình, nếu đã có các điểm của lưới khống chế mặt phẳng Nhà nước hoặc các điểm của lưới địa chính thì cần tăng dày, phát triển để có mật độ điểm bảo đảm đo vẽ bản đồ phục vụ các giai đoạn khảo sát, thiết kế công trình

Lưới khống chế trắc địa công trình còn nhằm mục đích bảo đảm độ chính xác bố trí công trình, vì vậy cần phải xét đến hai trường hợp:

1 Yêu cầu về độ chính xác của lưới bố trí công trình tương đương độ

chính xác của lưới đo vẽ Trong trường hợp này, lưới trắc địa công trình được phát triển theo nguyên tắc từ tổng thể đến cục bộ như lưới Nhà nước và có thể

đo nối các điểm của lưới trắc địa công trình vào hệ thống tọa độ Nhà nước

2 Yêu cầu về độ chính xác của lưới bố trí công trình cao hơn hẳn độ

chính xác của lưới đo vẽ Trong trường hợp này cập lập lưới chuyên dùng cho công trình Vị trí, mật độ điểm và độ chính xác của lưới trắc địa chuyên dùng

sẽ tùy thuộc yêu cầu và đặc điểm của từng công trình và giai đoạn xây dựng Nhìn chung, lưới chuyên dùng có yêu cầu độ chính xác tăng dần theo số bậc lưới, việc phát triển xây dựng lưới phải linh hoạt, hợp lý sao cho có thể sử dụng tối đa kết quả của giai đoạn trước vào các giai đoạn sau của quá trình

xây dựng công trình

2.1.2 Đặc điểm thành lập lưới trắc địa trong xây dựng một số loại công trình

Các công trình xây dựng thường rất đa dạng phức tạp Mỗi loại công trình xây dựng lại đòi hỏi một hình thức lưới khống chế thi công với những

đặc thù riêng thể hiện ở một số dạng công trình tiêu biểu sau đây:

÷ 2 lần so với lưới tam giác Nhà nước cùng cấp

Hình 2.1 - Chuỗi tam giác kép

2.1.2.2 Công trình công nghiệp

Vì các hạng mục công trình của các nhà máy trong khu công nghiệp tạo thành các lô, mảng có trục song song hoặc vuông góc với nhau và tương ứng song song với các trục cơ bản của khu xây dựng công trình nên trong thời kỳ thi công người ta thường lập lưới chuyên dùng dưới dạng lưới ô vuông xây dựng để bố trí công trình và đo vẽ hoàn công công trình Lưới ô vuông xây dựng trong thời kỳ này có những đặc điểm sau:

Hình 2.2 - Lưới tạo thành vòng khép kín

- Các cạnh của lưới được thiết kế song song với các trục công trình tạo

điều kiện thuận lợi cho việc cắm các điểm công trình bằng phương pháp tọa

Nhà nước Tuy nhiên, để thuận lợi cho việc tính chuyển về sau ta nên chọn

các hướng của hệ tọa độ giả định càng gần với hướng x, y tương ứng của hệ

tọa độ Nhà nước càng tốt

- Lưới được thành lập sao cho sai số trung phương tương đối chiều dài

cạnh phải nhỏ hơn 1:20.000 để đảm bảo độ chính xác bố trí công trình

2.1.2.3 Công trình cầu vượt

a - Lưới tứ giác trắc địa đơn b - Lưới tứ giác trắc địa kép

Hình 2.3- Lưới khống chế công trình cầu

Trong thời kỳ thi công phải lập lưới chuyên dùng dưới dạng lưới tam

giác cầu để bố trí chi tiết các trụ cầu và các đoạn cầu dẫn, trong đó độ chính

xác của lưới được xác định từ yêu cầu độ chính xác bố trí độc lập các tâm trụ

A

B

A

B

cầu Lưới tam giác cầu được xây dựng phổ biến dưới dạng tứ giác trắc địa đơn hoặc tứ giác trắc địa kép, có hai trong số các điểm thường được chọn nằm trên trục cầu Hiện nay, lưới được thiết kế theo phương pháp đo góc cạnh hỗn hợp với việc sử dụng máy toàn đạc điện tử Yêu cầu đặt ra là phải bố trí các

tâm trụ cầu với độ chính xác không được vượt quá ±2.0 cm Vì vậy, các điểm của lưới tam giác cầu với tư cách là điểm khống chế phải có độ chính xác cao hơn một bậc, tức là SSTP vị trí điểm yếu nhất của lưới không được vượt quá

m0≤ ±1.0 cm

2.1.2.4 Công trình đường hầm

Để đảm bảo độ chính xác xây dựng đường hầm và bố trí các vật kiến

trúc trong hầm thì lưới thi công trong xây dựng đường hầm bao gồm hai cấp: khống chế trên mặt đất và khống chế trong hầm Hai cấp lưới này nằm trong

cùng một hệ thống tọa độ, trong đó lưới mặt đất chủ yếu được lập theo phương pháp tam giác đo góc cạnh, ngoài ra người ta còn sử dụng lưới đường chuyền và lưới GPS Các điểm chủ yếu của đường hầm (cửa hầm, miệng giếng) phải được bao gồm trong lưới trên mặt đất Lưới khống chế trên mặt

đất có ít nhất 2 điểm nằm gần cửa hầm để truyền phương vị và tọa độ vào trong hầm và nhận 1 điểm trên cửa hầm làm gốc, hướng y là trục hầm

Do đường hầm có tiết diện không lớn, ánh sáng trong hầm không đủ nên không xây dựng được lưới tam giác Để khắc phục những nhược điểm trên thì người ta xây dựng lưới đường chuyền (phương pháp tối ưu nhất) gồm hai loại lưới là lưới duỗi thẳng và lưới gãy khúc Có hai loại đường chuyền cơ bản để xây dựng lưới trong hầm:

1 Đường chuyền thi công: Cạnh ngắn, điểm cuối đường chuyền liên tục được bố trí gần gương hầm để chỉ hướng đào hầm và bố trí gương hầm.Tuy nhiên, đường hầm càng dài thì độ chính xác điểm cuối càng kém do ảnh hưởng của góc phương vị

đào thông hầm đối hướng được quy định tùy thuộc vào chiều dài hầm

2.1.2.5 Công trình đầu mối thủy lợi – thủy điện

Vị trí xây dựng các công trình thủy điện thường ở những nơi có địa hình hiểm trở thường là vùng núi cao, giao thông liên lạc ở những khu vực

này gặp rất nhiều khó khăn phức tạp gây cản trở cho việc di chuyển và đo đạc Mặt khác, các công trình thủy điện được xây dựng trong thời gian dài,

chịu ảnh hưởng của dòng chảy, mực nước ngầm và có khối lượng thi công lớn Mạng lưới trắc địa phát triển trên khu vực xây dựng công trình là cơ sở

chuyển ra thực địa trục chính của các công trình nổi và ngầm, để bố trí các

công trình bằng bê tông, để lắp đặt các cấu kiện và thiết bị kỹ thuật cũng như

để quan trắc chuyển dịch biến dạng công trình Lưới khống chế lập trong thời

kỳ khảo sát không đáp ứng được độ chính xác khi bố trí công trình Vì vậy

cần phải lập lưới chuyên dùng để phục vụ các giai đoạn bố trí khác nhau

I A

Hình 2.5- Lưới khống chế công trình thủy điện

Bảng 2.1 - Chỉ tiêu kỹ thuật của lưới tam giác thủy công

Cấp hạng

công trình

Cấp lưới tam giác

Chiều dài cạnh (km)

SSTP đo góc (”)

Sai số khép tam giác

Sai số tương đối cạnh yếu

I II 0.5 ÷ 1.5 ± 1.0 ± 3.5 1:200000

II – III III 0.3 ÷ 1.0 ± 1.5 ± 5.0 1:150000 III IV 0.2 ÷ 0.8 ± 2.0 ± 7.0 1:70000