Ứng dụng công nghệ gps trong xây dựng lưới khống chế thi công công trình dân dụng công nghiệp

Mục đích nghiên cứu của đề tài - Nghiên cứu nguyên lý hoạt động của hệ thống GPS - Khảo sát đặc điểm ứng dụng, các phương pháp đo GPS từ đó đề xuất các biện pháp bảo đảm hiệu quả và độ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ ĐỊA CHẤT

ĐINH BÁ SƠN

ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ GPS TRONG XÂY DỰNG LƯỚI KHỐNG CHẾ THI CÔNG CÔNG TRÌNH DÂN DỤNG - CÔNG NGHIỆP

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

HÀ NỘI - 2013

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ ĐỊA CHẤT

ĐINH BÁ SƠN

ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ GPS TRONG XÂY DỰNG LƯỚI KHỐNG CHẾ THI CÔNG CÔNG TRÌNH DÂN DỤNG - CÔNG NGHIỆP

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

………

Chuyên ngành: Kỹ thuật Trắc địa - Bản đồ

Mã số: 60520503

LUẬN VĂN THẠC SĨ KINH TẾ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

TS Nguyễn Việt Hà

HÀ NỘI – 2013

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là luận văn của riêng tôi với đề tài nghiên cứu "Ứng

dụng công nghệ GPS trong xây dựng lưới khống chế thi công công trình dân dụng - công nghiệp" là công trình nghiên cứu khoa học của riêng cá nhân

tôi Các số liệu có nguồn gốc rõ ràng, kết quả trong luận văn là trung thực và kết luận khoa học của luận văn chưa từng công bố bất kỳ công trình nghiên cứu khoa học nào trước đây

Hà Nội, ngày 21 tháng 10 năm 2013

Tác giả

Đinh Bá Sơn

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

MỤC LỤC

Trang phụ bìa

Lời cam đoan Lời cảm ơn Mục lục Danh mục các chữ viết tắt Danh mục các bảng biểu Danh mục các hình vẽ MỞ ĐẦU 1

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ GPS VÀ KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG 4 TRONG NGÀNH TRẮC ĐỊA 4

1.1 Giới thiệu cấu trúc của hệ thống định vị GPS 4

1.1.1 Đoạn không gian (Space Segment) 5

1.1.2 Đoạn điều khiển (Control Segment) 6

1.1.3 Đoạn sử dụng (User segment) 8

1.2 Các đại lượng đo GPS 10

1.2.1 Đo khoảng cách giả theo C/A - code và P- code 10

1.2.2 Đo pha của sóng tải 11

1.3 Các phương pháp và kỹ thuật đo GPS 12

1.3.1 Phương pháp đo tuyệt đối 12

1.3.2 Phương pháp đo tương đối 15

1.4 Các nguồn sai số trong đo GPS 21

1.4.1 Các nguồn sai số do hệ thống 21

1.4.2 Các nguồn sai số do môi trường 22

1.4.3 Sai số do đồ hình vệ tinh 25

1.4.4 Sai số do người đo 27

2.1 Lưới khống chế mặt phẳng trong trắc địa công trình 28

2.1.1 Đặc điểm của lưới khống chế mặt phẳng trắc địa công trình 28

2.1.2 Đặc điểm của lưới khống chế trắc địa trong xây dựng một số loại công trình 29

2.2 Đặc điểm chung của lưới khống chế thi công công trình dân dụng - công nghiệp 31

2.3 Phương pháp thành lập lưới khống chế thi công công trình 33

2.3.1Thành lập lưới khống chế thi công bằng phương pháp đo mặt đất 33

Chương 3: YÊU CẦU KỸ THUẬT ĐỐI VỚI MẠNG LƯỚI THI CÔNG CÔNG TRÌNH DÂN DỤNG VÀ CÔNG NGHIỆP 37

3.1 Mục đích, yêu cầu của lưới khống chế thi công công trình dân dụng - công nghiệp 37

3.2 Phương pháp ước tính độ chính xác và số bậc phát triển của mạng lưới 37

3.3 Hệ quy chiếu cho mạng lưới khống chế thi công công trình dân dụng - công nghiệp 38

3.3.1 Nguyên tắc chọn hệ quy chiếu 38

3.3.2 Hệ quy chiếu cho mạng lưới khống chế thi công 39

3.4 Nội dung công tác trắc địa trong xây dựng dân dụng - công nghiệp 43

3.4.1 Giai đoạn quy hoạch công trình dân dụng - công nghiệp 43

3.4.2 Giai đoạn tiền khả thi 43

3.4.3 Giai đoạn khả thi 44

3.4.4 Giai đoạn thiết kế kỹ thuật 44

3.4.5 Giai đoạn thi công 44

3.4.6 Giai đoạn vận hành 45

3.5 Lưới khống chế thi công công trình dân dụng - công nghiệp 45

3.5.1 Đặc điểm lưới khống chế thi công 45

3.5.2 Xác định yêu cầu độ chính xác và số bậc phát triển lưới 46

3.5.3 Phân bố mốc 50

3.5.4 Các phương pháp thành lập lưới khống chế thi công 50

Chương 4: ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ GPS TRONG THÀNH LẬP LƯỚI THI CÔNG XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH DÂN DỤNG VÀ CÔNG NGHIỆP 53

4.1 Thiết kế đồ hình lưới 53

4.1.1 Liên kết điểm: 53

4.1.2 Liên kết cạnh: 54

4.1.3 Liên kết lưới: 54

4.1.4 Liên kết hỗn hợp cạnh - điểm: 54

4.2 Ước tính độ chính xác lưới GPS 55

4.2.1 Ước tính với các trị đo cạnh S và phương vị α 55

4.3 Đặc điểm tổ chức đo đạc ngoại nghiệp 60

4.3.1 Các yêu cầu kỹ thuật cơ bản 60

4.3.2 Quy trình đo GPS 61

4.3.3 Các điểm cần chú ý để đảm bảo độ chính xác trong khi đo GPS 64

CHƯƠNG 5: TÍNH TOÁN XỬ LÝ SỐ LIỆU LƯỚI KHỐNG CHẾ THI CÔNG ĐO BẰNG CÔNG NGHỆ GPS 65

5.1 Đặc điểm tính toán xử lý số liệu lưới khống chế thi công 65

5.1.1 Yêu cầu 65

5.1.2 Các phương án tính toán bình sai 65

5.2 Thuật toán bình sai lưới GPS trong hệ tọa độ vuông góc không gian địa tâm .66

5.3 Xử lý số liệu lưới khống chế bằng phần mềm TBC 69

5.3.1 Giới thiệu tổng quan phần mềm TBC 69

5.4 Thực nghiệm thiết kế lưới thi công công trình nhà máy xi măng Bút Sơn 77

5.4.1 Tổng quan nhà máy xi măng Bút Sơn 77

5.4.2 Thiết kế mạng lưới 79

5.4.3 Tính toán xử lý số liệu đo GPS 80

5.4.4 Tính chuyển tọa độ 80

KẾT LUẬN 85

TÀI LIỆU THAM KHẢO

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1: Tính năng kỹ thuật của một số loại máy thu GPS đang được sử dụng rộng

rãi ở Việt Nam 9

Bảng 1.2: Bảng so sánh việc sử dụng sóng tải và các mã (C/A, P) 12

Bảng 1.3: Quan hệ giữa PDOP và chất lượng tọa độ điểm quan sát 26

Bảng 2.1 Mối quan hệ giữa tỷ lệ bản đồ và sai số giới hạn 29

Bảng 3.1: Thông số kỹ thuật của lưới khống chế thi công 38

Bảng 3.2: Giá trị hiệu độ cao của cạnh đo và độ cao mặt chiếu 40

Bảng 3.3: Giá trị khoảng cách từ kinh tuyến trục đến công trình 41

Bảng 3.4: Sai số trung phương khi lập lưới khống chế thi công 47

Bảng 3.5: Sai số trung phương khi lập lưới bố trí công trình 48

Bảng 3.6: Sai số trung phương chuyển trục và độ cao lên các mặt bằng xây lắp 49

Bảng 4.1: Yêu cầu kỹ thuật cơ bản khi đo GPS 61

Bảng 5.1: Thành quả tọa độ phẳng bình sai 81

Bảng 5.2: Các tham số 82

Bảng 5.3: Thành quả tọa độ tính chuyển 82

Bảng 5.4: Tọa độ điểm song trùng 83

Bảng 5.5: Các tham số 83

Bảng 5.6: Thành quả tọa độ tính chuyển 83

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1: Tổng quan về cấu trúc của hệ thống GPS 4

Hình 1.2: Quỹ đạo vệ tinh 5

Hình 1.3: Nguyên lý điều khiển của hệ thống GPS 7

Hình 1.4: Hình ảnh một số loại máy thu GPS hiện đại 9

Hình 1.5: Nguyên lý đo tuyệt đối 13

Hình 1.6: Nguyên lý đo tương đối 16

Hình 1.7: Sai số do hiện tượng đa đường dẫn 24

Hình 1.8: Sai số do cấu hình vệ tinh 25

Hình 1.9: Giá trị PDOP 26

Hình 2.1: Một số mốc có kết cấu bê tông 34

Hình 4.2 Liên kết cạnh 54

Hình 4.3 Liên kết cạnh – điểm 54

Hình 5.1: Giao diện phần mềm Trimble Business Center 70

Hình 5.2: Menu file 71

Hình 5.3: Cửa sổ tạo Project mới 71

Hình 5.4: Hộp thoại mở file 72

Hình 5.5: Hộp thoại chọn thư mục 72

Hình 5.6: Hộp thoại hiển thị file 72

Hình 5.7: Xử lý cạnh đo và hình vẽ kết quả sau xử lý 73

Hình 5.8: Lựa chọn hệ tọa độ tham chiếu 74

Hình 5.9: Hộp thoại Select Coordinate System 74

Hình 5.10: Hộp thoại lựa chọn hệ tọa độ tham chiếu 75

Hình 5.11: Hộp thoại lựa chọn hệ tọa độ tham chiếu 75

Hình 5.12: Hộp thoại lựa chọn hệ tọa độ tham chiếu 76

Hình 5.13: Hình vẽ sau bình sai 76

Hình 5.14: Chương trình hiện văn bản và kết quả bình sai 77

Hình 5.15: Nhà máy xi măng Bút Sơn 78

Hình 5.16: Sơ đồ lưới khống chế thi công nhà máy xi măng Bút Sơn 79

Hình 5.17: Đồ hình lưới và bản vẽ thiết kế nhà máy trước khi tính chuyển 84

Hình 5.17: Đồ hình lưới và bản vẽ thiết kế nhà máy sau khi tính chuyển 84

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Đối với mỗi quốc gia, công cuộc đô thị hóa và công nghiệp hóa để phục

vụ cho sự phát triển kinh tế đất nước là hết sức quan trọng và luôn được coi là vấn đề trọng điểm của quốc gia đó Việt Nam là một nước đang phát triển, khả năng cung cấp nguyên vật liệu, nhà ở phục vụ sản xuất và sinh hoạt đang rất thiếu so với nhu cầu thực tế Sản xuất nguyên vật liệu là một nhiệm vụ hết sức nặng nề đối với ngành công nghiệp trong nhiều thập kỷ tới

Hiện nay, việc ứng dụng công nghệ GPS trong trắc địa đã rất phổ biến, đặc biệt trong ứng dụng dụng vào mục đích thành lập các loại lưới khống chế

Sự phát triển nhanh của khoa học công nghệ giúp cho khả năng ứng dụng công nghệ GPS 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

Sử dụng công nghệ GPS để xây dựng lưới khống chế thi công công trình dân dụng - công nghiệp 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: "Ứng dụng công nghệ GPS trong xây dựng lưới khống chế thi công công trình dân dụng - công nghiệp" 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 nguyên lý hoạt động của hệ thống GPS

- Khảo sát đặc điểm ứng dụng, các phương pháp đo GPS từ đó đề xuất các biện pháp bảo đảm hiệu quả và độ chính xác trong quá trình thành lập lưới khống chế thi công các công trình dân dụng - công nghiệp

- Nghiên cứu đặc điểm, yêu cầu kỹ thuật của lưới thi công mặt bằng

- Nghiên cứu quy trình đo đạc lưới thi công bằng công nghệ GPS

- Xử lý số liệu GPS bằng phần mềm chuyên dụng

- Tiến hành đo đạc thực nghiệm tại công trường dân dụng - công nghiệp, xử lý số liệu, tính toán bình sai trên phần mềm hiện có và đánh giá kết quả

- Kết quả của đề tài sẽ được áp dụng vào thực tế sản xuất góp phần nâng cao chất lượng xây dựng các công trình dân dụng - công nghiệp ở Việt Nam

3 Nhiệm vụ của đề tài

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

- Thu thập các số liệu thực tế từ việc xây dựng lưới khống chế thi công tại các công trình dân dụng - công nghiệp

- Xây dựng quy trình đo đạc và xử lý số liệu GPS trong thành lập lưới khống chế thi công

- Sử dụng phần mềm TBC để tính toán bình sai lưới khống chế mặt bằng

- Tổng hợp kết quả thu được, so sánh, đánh giá và đưa ra các kết luận

4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

- Đo đạc, tính toán bình sai lưới khống chế thi công công trình dân dụng

- công nghiệp nhà máy xi măng Bút Sơn

- Nghiên cứu ứng dụng phần mềm TBC để xử lý số liệu GPS và đưa tọa

độ sau bình sai về hệ tọa độ công trình

5 Nội dung nghiên cứu

- Nghiên cứu công nghệ GPS

- Phương pháp thành lập lưới khống chế thi công công trình dân dụng - công nghiệp

- Phương pháp tính toán xử lý số liệu lưới khống chế thi công đo bằng

công nghệ GPS

- Quy trình công nghệ đo đạc, xử lý số liệu lưới

6 Phương pháp nghiên cứu

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

- Phương pháp phân tích: sử dụng các phương tiện và các công có 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 đa ra các kết luận chính xác về vấn đề đặt ra

7 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

Qua nghiên cứu chúng ta thấy rằng độ chính xác trong định vị bằng công nghệ GPS tương đối trên khoảng cách ngắn đạt độ chính xác cao xấp xỉ bằng độ chính xác đo chiều dài bằng các máy toàn đạc điện tử thông dụng Trong một số trường hợp, điều kiện đo ngoài thực địa bị hạn chế về khả năng thông hướng, việc sử dụng GPS trong để tác xây dựng các mạng lưới trắc địa

công trình đã tỏ ra linh hoạt, mang lại hiệu quả cao về kinh tế và kỹ thuật

Công nghệ GPS đã mở ra nhiều khả năng ứng dụng trong trắc địa nói chung và trắc địa công trình nói riêng Với các trị đo cạnh ngắn và liên kết trong một mạng lưới chặt chẽ, công nghệ GPS có tiềm năng đạt được độ chính xác cao về vị trí tương hỗ giữa các điểm trong lưới, đáp ứng được nhiều tiêu chuẩn chặt chẽ của các mạng lưới chuyên dùng trong Trắc địa công trình Đối với các công trình dân dụng - công nghiệp có địa hình phức tạp, quy mô công trình lớn, thì việc ứng dụng công nghệ GPS trong xây dựng thành lập các loại lưới khống chế là hoàn toàn hợp lí và đạt hiệu quả cao hơn

so với các phương pháp truyền thống trước đây

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ GPS VÀ KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG

TRONG NGÀNH TRẮC ĐỊA

1.1 Giới thiệu cấu trúc của hệ thống định vị GPS

Hệ thống định vị toàn cầu GPS (Global Positioning System) được bắt đầu triển khai từ những năm 1970 do quân đội Mỹ thực hiện Nhiệm vụ chủ yếu của hệ thống là xác định tọa độ không gian và tốc độ chuyển động của tàu

vũ trụ, máy bay, tàu thủy và các chuyển động trên đất liền, phục vụ cho bộ quốc phòng Mỹ và các cơ quan dân sự của Mỹ Vào đầu thập kỷ 80, hệ thống GPS đã chính thức cho phép sử dụng rộng rãi trên thế giới Từ đó các nhà khoa học của nhiều nước đã nghiên cứu phát triển công nghệ GPS để đạt được những thành quả cao nhất trong việc phát huy nguồn tiềm năng to lớn này

Ở Việt Nam, công nghệ GPS đã có mặt từ đầu những năm 90 của thế

kỷ trước, chủ yếu được nghiên cứu ứng dụng để thành lập lưới tọa độ quốc gia và lưới địa chính cơ sở Trong những năm gần đây, công nghệ GPS bắt đầu được nghiên cứu ứng dụng trong một số lĩnh vực của trắc địa công trình

Hệ thống định vị toàn cầu GPS gồm 3 phần chính: Đoạn không gian, đoạn điều khiển và đoạn sử dụng

Hình 1.1: Tổng quan về cấu trúc của hệ thống GPS

Khái quát về các bộ phận cấu thành của hệ thống GPS và chức năng

của chúng có thể được tóm tắt như sau:

1.1.1 Đoạn không gian (Space Segment)

Mô tả cấu trúc của các quỹ đạo vệ tinh, số lượng vệ tinh trên một mặt phẳng quỹ đạo, các loại tín hiệu được phát đi từ vệ tinh

Gồm 24 vệ tinh quay trên 6 mặt phẳng quỹ đạo cách đều nhau và có góc nghiêng 55o so với mặt phẳng xích đạo của trái đất Quỹ đạo của vệ tinh hầu như là tròn và ở độ cao khoảng 20.200 km Chu kỳ quay của vệ tinh là

518 phút, như vậy vệ tinh sẽ bay qua đúng điểm cho trước trên mặt đất một ngày một lần

Hình 1.2: Quỹ đạo vệ tinh

Việc bố trí này nhằm mục đích để sao cho tại mỗi thời điểm và mỗi vị trí trên trái đất máy thu đều có thể quan sát được ít nhất 4 vệ tinh

Mỗi vệ tinh được trang bị máy phát tần số chuẩn nguyên tử có độ chính xác cao cỡ 10-12 Máy phát này tạo ra các tín hiệu tần số cơ sở là 10,23 MHZ,

và từ đây tạo ra các sóng tải tần số L1 = 1575,42 MHZ và L2 = 1227,60 MHZ

Người ta sử dụng tần số tải để làm giảm ảnh hưởng của tầng điện ly

Các sóng tải được điều biến bởi 2 loại code là: C/A - code và P - code:

- C/A - code (Coarse/Acquisition code): là code thô, được sử dụng cho mục đích dân sự và chỉ điều biến sóng tải L1 Code này được tạo bởi một chuỗi các chữ số 0 và 1 được sắp xếp theo quy luật tựa ngẫu nhiên với tần số 1,023 MHZ tức là bằng 1/10 tần số cơ sở và được lặp lại sau mỗi một miligiây Mỗi vệ tinh được gán cho một C/A - code riêng biệt

- P - code (precice code): là code chính xác, được sử dụng cho các mục đích quân sự, đáp ứng yêu cầu chính xác cao và điều biến cả 2 sóng tải L1 và

L2 Code này được tạo bởi nhiều chuỗi các chữ số 0 và 1 sắp xếp theo quy luật tựa ngẫu nhiên với tần số 10,23 MHZ; độ dài toàn phần của code là 267 ngày, nghĩa là chỉ sau 267 ngày P- code mới lặp lại Tuy vậy, người ta chia code này thành các đoạn có độ dài 5 ngày và gán cho mỗi vệ tinh một trong các đoạn code như thế, cứ sau một tuần lại thay đổi Bằng cách này P - code rất khó bị giải mã để sử dụng nếu không được phép

Cả hai sóng tải L1 và L2 còn được điều biến bởi các thông tin đạo hàng bao gồm: tọa độ theo thời gian của vệ tinh (ephermeris), thời gian của hệ thống, số hiệu chỉnh cho đồng hồ của vệ tinh, đồ hình phân bố vệ tinh trên bầu trời và tình trạng của hệ thống

Ngoài hai sóng tải L1 và L2 phục vụ mục đích định vị cho người sử dụng (khách hàng), các vệ tinh còn dùng hai sóng tần số 1783,74 MHZ và 2227,5 MHZ để trao đổi thông tin với các trạm điều khiển trên mặt đất

1.1.2 Đoạn điều khiển (Control Segment)

Mô tả mạng lưới trắc địa vũ trụ bao gồm các trạm quan sát vệ tinh với mục đích xác định chính xác quỹ đạo chuyển động của các vệ tinh, truyền các thông tin điều khiển và các dữ liệu cần thiết lên vệ tinh

Gồm các trạm quan sát trên mặt đất, trong đó có một trạm điều khiển

trung tâm đặt tại Colorado Springs (Căn cứ không quân Mỹ); 4 trạm theo dõi đặt tại Hawaii (Thái Bình Dương), Ascension Island (Đại Tây Dương), Diego Garcia (Ấn Độ Dơng) và Kwajalein (Tây Thái Bình Dương) tạo thành một vành đai bao quanh trái đất

Các trạm này điều khiển toàn bộ hoạt động và chức năng của các vệ tinh trên cơ sở theo dõi chuyển động quỹ đạo của vệ tinh và hoạt động của đồng hồ trên đó Tất cả các trạm đều có máy thu GPS để tiến hành đo khoảng cách và sự thay đổi khoảng cách tới tất cả các vệ tinh có thể quan sát được, đồng thời đo các số liệu khí tượng Các số liệu đo nhận được ở các trạm điều khiển tự động được truyền về trạm trung tâm Tại trạm trung tâm, các số liệu thu nhận từ các trạm được xử lý kết hợp với số liệu đo của chính nó, kết quả cho ra các ephemerit chính xác hóa của vệ tinh và số hiệu chỉnh cho các đồng

hồ trên vệ tinh Các số liệu đã xử lý này được tự động truyền từ trạm trung tâm trở lại các trạm quan sát, từ đó truyền tiếp lên các vệ tinh

Như vậy các thông tin đạo hàng và thông tin thời gian trên vệ tinh thường xuyên được chính xác hóa và được cung cấp cho người sử dụng thông qua các sóng tải L1 và L2 Việc chính xác hóa thông tin được tiến hành 3 lần trong một ngày

Hình 1.3: Nguyên lý điều khiển của hệ thống GPS

Mạng lưới các trạm kiểm soát và điều khiển nêu trên là mạng lưới

chính thức để xác định lịch vệ tinh, phát tín hiệu và các số cải chính đồng hồ

vệ tinh, hệ thống này do Bộ quốc phòng Mỹ quản lý

Lưới trắc địa đặt trên 4 trạm điều khiển được xác định bằng phương pháp giao thoa đường đáy dài (VLBI) Trạm trung tâm làm nhiệm vụ tính toán lại tọa độ của các vệ tinh theo số liệu của 4 trạm theo dõi thu được từ vệ tinh Các số liệu sau tính toán được gửi từ trạm trung tâm tới 3 trạm hiệu chỉnh số liệu, từ đó gửi tiếp lên vệ tinh

1.1.3 Đoạn sử dụng (User segment)

Đoạn khai thác sử dụng bao gồm các loại máy thu tín hiệu vệ tinh được đặt trên máy bay, tàu thủy hoặc trên mặt đất, các phần mềm xử lý tín hiệu vệ tinh

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

từ vệ tinh để khai thác sử dụng cho các mục đích và yêu cầu khác nhau của khách hàng, kể cả trên trời, trên biển và trên đất liền Có thể là một máy thu riêng biệt, hoạt động độc lập hay một nhóm gồm từ 2 máy thu trở lên hoạt động đồng thời theo một lịch trình thời gian nhất định hoặc hoạt động theo chế độ một máy thu đóng vai trò máy chủ phát tín hiệu vô tuyến để hiệu chỉnh cho các máy thu khác

Các thiết bị thu phục vụ cho công tác trắc địa gồm 2 nhóm máy:

- Các máy thu một tần số (L1);

- Các máy thu hai tần số (L1, L2)

Các máy thu một tần số phù hợp cho đo các cạnh có chiều dài nhỏ hơn

10 km và chỉ thu được tín hiệu trên sóng tải tần số L1 Các tính năng định vị của máy được thực hiện trên cơ sở các đại lượng đo là C/A-code và pha của sóng tải L1

Các máy thu hai tần số phù hợp với khoảng cách dài, thu được tín hiệu trên cả hai sóng tải với các tần số L1 và L2 Các tính năng định vị được thực hiện theo cả C/A-code và P-code, cũng như theo pha của cả hai sóng tải Máy thu hai tần loại trừ được đáng kể ảnh hưởng của tầng điện ly nên được sử dụng chủ yếu để đáp ứng yêu cầu định vị chính xác cao ở khoảng cách lớn

Bảng 1.1: Tính năng kỹ thuật của một số loại máy thu GPS đang được sử

dụng rộng rãi ở Việt Nam

Loại

máy

Hãng sản xuất

Sai số khoảng cách

Tầm hoạt động (Km)

Sai số phương vị

Loại máy thu

4800LS

Trimble

2 tần L1, L2 GPS

5700LS

Trimble

2 tần L1, L2

GPS R7 Trimble

3 tần L1, L2, L2C

M¸y thu Trimble 4600LS

Máy thu Trimble R7 và anten

Hình 1.4: Hình ảnh một số loại máy thu GPS hiện đại

Máy Trimble 4600LS

Máy Trimble 4800

1.2 Các đại lượng đo GPS

Việc định vị bằng GPS được thực hiện trên cơ sở sử dụng hai dạng đại lượng đo cơ bản là khoảng cách giả theo các code tựa ngẫu nhiên (C/A - code

và P - code) và pha sóng tải (L1 và L2)

1.2.1 Đo khoảng cách giả theo C/A - code và P- code

Code tựa ngẫu nhiên được phát đi từ vệ tinh cùng với sóng tải, máy thu GPS cũng tạo ra code tựa ngẫu nhiên đúng nh vậy Bằng cách so sánh code thu được từ vệ tinh và code của chính máy thu, ta xác định được khoảng thời gian lan truyền của tín hiệu code, từ đây tính được khoảng cách từ vệ tinh đến máy thu Do có sự không đồng bộ giữa đồng hồ của vệ tinh và của máy thu, cũng như ảnh hưởng của môi trường lan truyền tín hiệu nên khoảng cách tính theo khoảng thời gian đo được không phải là khoảng cách thực giữa vệ tinh

và máy thu

Ký hiệu tọa độ của vệ tinh là XS ,YS , ZS ; tọa độ của điểm xét (máy thu)

là X, Y, Z; thời gian lan truyền tín hiệu từ vệ tinh đến điểm xét là t; sai số giữa đồng hồ trong máy thu và đồng hồ trên vệ tinh là Dt; khoảng cách đo được từ vệ tinh tới máy thu là R

Khi đó ta có thể viết:

R = c(t + Dt) = (Xs−X)2+(Ys−Y)2+(Zs−Z)2 + c.Dt (1.1) Trong đó: c là tốc độ lan truyền tín hiệu

Trong trường hợp sử dụng C/A - code, theo dự tính của các nhà thiết kế

hệ thống GPS, kỹ thuật đo khoảng thời gian lan truyền sóng tín hiệu chỉ có thể đảm bảo được độ chính xác đo khoảng cách tương ứng cỡ 30 m Nếu tính đến ảnh hưởng của điều kiện môi trường lan truyền tín hiệu, sai số đo khoảng cách theo C/A - code sẽ ở mức 100 m là mức có thể chấp nhận để cho khách hàng dân sự khai thác Song kỹ thuật xử lý tín hiệu code này đã được phát triển đến mức có thể đảm bảo độ chính xác đo khoảng cách tới cỡ 3 m, tức là

hầu như không thua kém so với trường hợp sử dụng P - code (chỉ để dùng với mục đích quân sự) Chính vì lí do này Mỹ đã phải đa ra giải pháp SA để hạn chế khả năng thực tế của C/A - code Đây là hệ thống làm nhiễu (Selective Availability) dựa trên cơ sở tạo ra nhiều biến thiên trong tần số cơ sở của đồng hồ vệ tinh Khi bị làm nhiễu bởi SA, tọa độ vệ tinh có độ chính xác cỡ

từ 2 - 50 m, tọa độ mặt bằng đạt độ chính xác cỡ 100 m (với mức SA cỡ 95%)

Để dùng phương pháp đo khoảng cách giả đạt độ chính xác cao, các nhà trắc địa đã đa ra phương pháp định vị tương đối Với phương pháp này, sai số tín hiệu vệ tinh do hệ nhiễu SA gây ra sẽ không ảnh hưởng đến các hiệu tọa độ giữa hai máy thu nên được áp dụng rộng rãi trong công tác trắc địa

1.2.2 Đo pha của sóng tải

Các sóng tải L1 và L2 được sử dụng cho việc định vị với độ chính xác cao Với mục đích này người ta tiến hành đo hiệu số giữa pha của sóng tải do máy thu nhận được từ vệ tinh và pha của tín hiệu đồng hồ chính máy thu tạo

ra Ký hiệu hiệu số pha do máy thu đo được là f (0 < f < 2P)

R: Khoảng cách giữa vệ tinh và máy thu

l: Bước sóng của sóng tải

N: Số nguyên lần bước sóng l chứa trong R

Dt: Sai số không đồng bộ giữa đồng hồ của vệ tinh và của máy thu N: được gọi là số nguyên đa trị, thường không được biết trước mà cần phải xác định trong quá trình đo

Trong trường hợp đo pha theo sóng tải L1 có thể xác định khoảng cách giữa vệ tinh và máy thu với độ chính xác tới cỡ milimet Sóng tải L2 cho độ

chính xác thấp hơn sóng tải L1, nhưng tác dụng chủ yếu của nó là cùng với

sóng tải L1 tạo ra khả năng làm giảm ảnh hưởng của tầng điện ly và làm cho

việc xác định số nguyên đa trị (N) được đơn giản hơn

Trong bảng 1.2 đa ra so sánh việc sử dụng sóng tải và các mã (C/A, P)

1.3 Các phương pháp và kỹ thuật đo GPS

Có hai phương pháp đo đạc GPS cơ bản là phương pháp đo tuyệt đối

(absolưute) và phương pháp đo tương đối (relative)

1.3.1 Phương pháp đo tuyệt đối

1.3.1.1.Nguyên lý đo GPS tuyệt đối

Trong đo GPS tuyệt đối, người ta sử dụng máy thu GPS để xác định tọa

độ không gian của điểm quan sát trong hệ thống tọa độ WGS - 84 Đó có thể

là các thành phần tọa độ vuông góc không gian (X, Y, Z) hoặc các thành phần

tọa độ mặt cầu (B, L, H) Hệ tọa độ WGS - 84 là hệ tọa độ cơ sở của hệ thống

GPS, nó được lập gắn với ellipxoid có kích thước như sau:

a = 6378137 m ; 1/α = 298.257223563 Tọa độ của vệ tinh cũng như của điểm quan sát đều được lấy theo hệ

thống tọa độ này

Việc đo GPS tuyệt đối được thực hiện trên cơ sở sử dụng đại lượng đo

là khoảng cách giả từ vệ tinh đến máy thu theo nguyên tắc giao hội không gian từ các điểm đã biết tọa độ là các vệ tinh

Hình 1.5: Nguyên lý đo tuyệt đối

Nếu biết chính xác khoảng thời gian lan truyền tín hiệu, code tựa ngẫu nhiên từ vệ tinh đến máy thu, ta sẽ tính được khoảng cách chính xác giữa vệ tinh và máy thu Khi đó 3 khoảng cách được xác định đồng thời từ 3 vệ tinh đến máy thu sẽ cho ta vị trí không gian đơn trị của máy thu Song trong thực

tế cả đồng hồ trên vệ tinh và đồng hồ trong máy thu đều có sai số nên khoảng cách đo được không phải là khoảng cách chính xác Kết quả là chúng không thể cắt nhau tại một điểm, nghĩa là không thể xác định được vị trí của máy thu Để khắc phục tình trạng này, cần sử dụng thêm một đại lượng đo nữa là khoảng cách từ một vệ tinh thứ t Để thấy rõ điều này, ta lập một hệ gồm 4 phương trình cho 4 vệ tinh nh sau:

(XS1 - X)2 + (YS1 - Y)2+ (ZS1 - Z)2 = (R1 - c.Dt)2

(XS2 - X)2 + (YS2 - Y)2+ (ZS2 - Z)2 = (R2 - c.Dt)2 (1.3)

(XS3 - X)2 + (YS3 - Y)2+ (ZS3 - Z)2 = (R3 - c.Dt)2

(XS4 - X)2 + (YS4 - Y)2+ (ZS4 - Z)2 = (R4 - c.Dt)2

Trong hệ phương trình trên chúng ta cần quan tâm đến 3 ẩn số là 3 thành phần tọa độ X, Y, Z của máy thu (điểm xét) Khi đó ta chỉ cần 3 phương trình ứng với 3 khoảng cách đo chính xác từ 3 vệ tinh đến máy thu Nhưng do

có sai số không đồng bộ giữa đồng hồ của vệ tinh và của máy thu là Dt chưa được biết nên ta phải coi nó là một ẩn số cần tìm Chính vì vậy cần phải có thêm một phương trình, tức là phải quan sát thêm một vệ tinh nữa

Như vậy, bằng cách đo khoảng cách giả đồng thời từ 4 vệ tinh đến máy thu ta có thể xác định được tọa độ tuyệt đối của máy, ngoài ra còn xác định được số hiệu chỉnh cho đồng hồ của máy thu Quan sát đồng thời 4 vệ tinh là yêu cầu tối thiểu để xác định tọa độ không gian tuyệt đối của điểm quan sát Với số lượng vệ tinh hoạt động đầy đủ như hiện nay, có thể quan sát đồng thời từ 6 đến 8 vệ tinh hoặc nhiều hơn tại bất kỳ vị trí nào trên trái đất Khi đó các ẩn số được xác định theo phương pháp số bình phương nhỏ nhất

Độ chính xác của phương pháp định vị tuyệt đối là 5 - 10 m, nếu dùng Ephemeris do chính phủ Mỹ cung cấp thì độ chính xác lên đến 1 m Để nâng cao độ chính xác hơn nữa các nhà nghiên cứu đã đa ra phương pháp định vị vi phân

1.3.1.2 Đo vi phân

Phương pháp này sử dụng một máy thu GPS có khả năng phát tín hiệu

vô tuyến đặt tại điểm có tọa độ đã biết (máy cố định), đồng thời có một máy

di động đặt ở vị trí cần xác định tọa độ, có thể là điểm cố định trên bề mặt trái đất hay điểm di động như máy bay, ô tô, tàu thủy Cả máy cố định và di động cần tiến hành thu tín hiệu đồng thời từ các vệ tinh như nhau Nếu tín hiệu từ vệ tinh bị nhiễu thì kết quả xác định tọa độ của máy cố định và máy di động đều bị sai, độ sai lệch này được xác định trên cơ sở so sánh tọa độ tính

được theo tín hiệu đã thu và tọa độ sẵn có của máy cố định và có thể coi đó là

độ sai lệch tọa độ đối với máy di động Giá trị lệch tọa độ được máy cố định phát đi qua sóng vô tuyến, máy di động thu nhận mà điều chỉnh cho kết quả xác định tọa độ của mình

Giả sử điểm cố định A có tọa độ XA, YA, ZA, nếu tọa độ tính được sau khi định vị là X9A, Y9A, Z9A thì số hiệu chỉnh là:

DX = XA - X9A

DZ = ZA - Z9A

Khi đó nếu tọa độ của điểm di động B được tính sau khi định vị là X9B,

Y9B, Z9B thì tọa độ chính xác của điểm B là:

vi phân diện rộng cũng nh mạng lưới GPS vi phân gồm một trạm cố định để phục vụ nhu cầu định vị cho cả một lục địa hay đại dương với độ chính xác cỡ 10m Phương pháp định vị GPS vi phân có thể đảm bảo đạt độ chính xác phổ biến cỡ vài ba mét, và có thể tới đềximét tương ứng với tầm hoạt động cỡ vài chục kilômét

1.3.2 Phương pháp đo tương đối

1.3.2.1 Nguyên lý đo GPS tương đối

Phương pháp đo tương đối là phương pháp xác định tọa độ của các điểm so với một điểm khác dựa trên việc đo các thành phần của véc tơ

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 (DX, DY, DZ) hoặc hiệu tọa độ mặt cầu (DB, DL, DH) giữa chúng trong hệ tọa độ WGS - 84 Nguyên tắc đo GPS tương đối được triển khai trên cơ sở sử dụng đại lượng đo là pha của sóng tải Để đạt được độ chính xác cao khi 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 nhiều nguồn sai số như: sai số của đồng hồ trên vệ tinh và trong máy thu, sai số của tọa độ vệ tinh, số nguyên đa trị

Hình 1.6: Nguyên lý đo tương đối

Ký hiệu pha (hiệu pha) của sóng tải từ vệ tinh j được đo tại trạm quan sát r vào thời điểm quan sát ti là Φj

r(ti) Khi đó, nếu từ hai trạm 1 và 2 tiến hành quan sát đồng thời vệ tinh j vào thời điểm ti, ta sẽ có sai phân bậc một được lập như sau:

DFj(ti) = Φj

2(ti) - Φj

1(ti) (1.6)

Trong sai phân này đã khử được sai số đồng hồ trên vệ tinh

Nếu tại hai trạm tiến hành quan sát đồng thời hai vệ tinh j, k vào cùng một thời điểm ti, ta sẽ có sai phân bậc hai:

D2Fj, k(ti) = DFk(ti) - DFj(ti) (1.7) Trong sai phân này hầu như không còn ảnh hưởng của sai số đồng hồ trên vệ tinh cũng như sai số của đồng hồ trong máy thu

Nếu tại hai trạm tiến hành quan sát đồng thời hai vệ tinh j, k vào các thời điểm ti và ti+1, ta sẽ có sai phân bậc ba:

D3Fj, k(ti) =D2Fj, k(ti+1) - D2Fj, k(ti) (1.8) Sai phân này cho phép loại trừ các số nguyên đa trị

Hiện nay, số vệ tinh GPS xuất hiện trên bầu trời thường nhiều hơn 4 (có khi lên đến trên 10 vệ tinh), bằng cách tổ hợp theo từng cặp vệ tinh ta sẽ

có nhiều trị đo Không những thế, quá trình đo GPS tương đối được thực hiện trong một thời gian khá dài, thường từ nửa giờ đến vài ba giờ Do đó trên thực

tế số lượng trị đo để xác định ra hiệu tọa độ giữa hai điểm quan sát sẽ rất lớn

và khi đó số liệu đo sẽ được xử lý theo nguyên tắc bình phương nhỏ nhất

Đo GPS tương đối được chia làm 3 nhóm phương pháp đo cơ bản là:

Phương pháp đo tĩnh (Static), Phương pháp đo động (Kinematic), Phương pháp đo giả động (Pseu - Kinematic)

1.3.2.2 Phương pháp đo tĩnh

Được sử dụng để xác định vị trí tương hỗ (hiệu tọa độ) giữa hai điểm xét với độ chính xác cao, thường là nhằm đáp ứng các yêu cầu của công tác trắc địa - địa hình Trong phương pháp đo tĩnh ta sử dụng hai máy thu: một máy đặt ở điểm đã biết tọa độ, máy kia đặt ở điểm cần xác định tọa độ Cả hai máy phải đồng thời thu tín hiệu từ một số vệ tinh chung liên tục trong một khoảng thời gian nhất định, thường là từ một tiếng đến hai, hoặc ba tiếng đồng hồ Số vệ tinh chung tối thiểu cho cả hai máy là 3 nhưng thường lấy là 4

để đề phòng trường hợp thu tín hiệu vệ tinh bị gián đoạn Khoảng thời gian quan sát chung của các máy thu phải kéo dài để đủ cho đồ hình phân bố vệ tinh thay đổi, từ đó ta có thể xác định được số nguyên đa trị của sóng tải và đồng thời để có nhiều trị đo nhằm đạt được độ chính xác cao và ổn định cho kết quả quan sát

Đây là phương pháp đo có độ chính xác cao nhất trong việc định vị tương đối bằng GPS, có thể đạt đến cỡ milimét ở khoảng cách giữa hai điểm xét tới hàng chục, hàng trăm kilômét Nhược điểm chủ yếu của phương pháp này là thời gian đo kéo dài nên tại mỗi điểm đo chỉ cần thu tín hiệu trong vòng một phút Trong phương pháp đo này cần có ít nhất hai máy thu Để xác định số nguyên đa trị của tín hiệu vệ tinh, cần phải có một cạnh đáy đã biết được gối lên điểm đã có tọa độ Sau khi đã xác định, số nguyên đa trị được giữ nguyên để tính khoảng cách từ vệ tinh đến máy thu cho các điểm đo tiếp sau trong suốt cả chu kỳ đo Nhờ vậy, thời gian thu tín hiệu tại điểm đo không không cần kéo dài mà có thể giảm xuống còn một vài phút mà vẫn đạt được

độ chính xác cao Với cạnh đáy đã biết, ta đặt một máy thu cố định ở điểm đầu cạnh đáy và cho tiến hành thu liên tục tín hiệu vệ tinh trong suốt chu kỳ

đo, máy này còn được gọi là máy cố định Ở điểm cuối cạnh đáy ta đặt máy thu thứ hai, cho tiến hành thu tín hiệu vệ tinh đồng thời với máy cố định trong một vài phút Việc làm này gọi là khởi đo (Initialization), máy thứ hai được gọi là máy di động Tiếp đó cho máy di động lần lượt chuyển đến các điểm đo cần xác định, tại mỗi điểm dừng lại để thu tín hiệu trong một vài phút và cuối cùng quay về điểm xuất phát là điểm cuối cạnh đáy để khép tuyến đo bằng lần thu tín hiệu thứ hai cũng kéo dài trong một vài phút tại điểm này Yêu cầu tối thiểu của phương pháp đo động là cả máy cố định và di động phải đồng thời thu tín hiệu từ ít nhất là 4 vệ tinh chung trong suốt chu kỳ đo, nên phải bố trí

tuyến đo ở khu vực thoáng đãng để không xảy ra tình trạng tín hiệu đo bị gián đoạn (cycle slip) Nếu xảy ra trường hợp này thì phải tiến hành đo lại tại điểm khởi đo của cạnh đáy xuất phát hoặc sử dụng một cạnh đáy khác được thiết lập dự phòng trên tuyến đo Cạnh đáy có thể dài từ 2 đến 5 km và độ chính xác cỡ centimét là đủ

Phương pháp đo động cho phép đạt độ chính xác định vị tương đối không thua kém so với phương pháp đo tĩnh, song lại đòi hỏi ngặt nghèo về thiết bị và tổ chức đo để đảm bảo yêu cầu về đồ hình phân bố cũng như tín hiệu vệ tinh nên phạm vi ứng dụng cũng có hạn chế

1.3.2.3 Phương pháp đo động

Phương pháp đo động cho phép xác định vị trí tương đối của hàng loạt điểm so với điểm đã biết, trong đó tại mỗi điểm đo chỉ cần thu tín hiệu trong vòng một phút Trong phương pháp đo này cần có ít nhất hai máy thu Để xác định số nguyên đa trị của tín hiệu vệ tinh, cần phải có một cạnh đáy đã biết được gối lên điểm đã có tọa độ Sau khi đã xác định, số nguyên đa trị được giữ nguyên để tính khoảng cách từ vệ tinh đến máy thu cho các điểm đo tiếp sau trong suốt cả chu kỳ đo Nhờ vậy, thời gian thu tín hiệu tại điểm đo không không cần kéo dài mà có thể giảm xuống còn một vài phút mà vẫn đạt được

độ chính xác cao Với cạnh đáy đã biết, ta đặt một máy thu cố định ở điểm đầu cạnh đáy và cho tiến hành thu liên tục tín hiệu vệ tinh trong suốt chu kỳ

đo, máy này còn được gọi là máy cố định Ở điểm cuối cạnh đáy ta đặt máy thu thứ hai, cho tiến hành thu tín hiệu vệ tinh đồng thời với máy cố định trong một vài phút Việc làm này gọi là khởi đo (Initialization), máy thứ hai được gọi là máy di động Tiếp đó cho máy di động lần lượt chuyển đến các điểm đo cần xác định, tại mỗi điểm dừng lại để thu tín hiệu trong một vài phút và cuối cùng quay về điểm xuất phát là điểm cuối cạnh đáy để khép tuyến đo bằng lần

thu tín hiệu thứ hai cũng kéo dài trong một vài phút tại điểm này Yêu cầu tối thiểu của phương pháp đo động là cả máy cố định và di động phải đồng thời thu tín hiệu từ ít nhất là 4 vệ tinh chung trong suốt chu kỳ đo, nên phải bố trí tuyến đo ở khu vực thoáng đãng để không xảy ra tình trạng tín hiệu đo bị gián đoạn (cycle slip) Nếu xảy ra trường hợp này thì phải tiến hành đo lại tại điểm khởi đo của cạnh đáy xuất phát hoặc sử dụng một cạnh đáy khác được thiết lập dự phòng trên tuyến đo Cạnh đáy có thể dài từ 2 đến 5 km và độ chính xác cỡ centimét là đủ

Phương pháp đo động cho phép đạt độ chính xác định vị tương đối không thua kém so với phương pháp đo tĩnh, song lại đòi hỏi ngặt nghèo về thiết bị và tổ chức đo để đảm bảo yêu cầu về đồ hình phân bố cũng như tín hiệu vệ tinh nên phạm vi ứng dụng cũng có hạn chế

1.3.2.4 Phương pháp đo giả động

Phương pháp này 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 xuất 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 dãn cách giữa hai lần đo tại mỗi điểm

là từ một giờ đồng hồ trở lên (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 5410 phút và dãn 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 là 3 vệ tinh chung cho cả hai lần đo tại mỗi

điểm quan sát

Điều đáng chú ý là máy di động không nhất thiết phải thu tín hiệu từ vệ tinh liên tục trong suốt chu kỳ đo mà chỉ cần thu trong vòng 5410 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 kịp 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

Định vị GPS về thực chất được xây dựng trên cơ sở giao hội không gian các khoảng cách đo được từ máy thu đến các vệ tinh có tọa độ đã biết Khoảng cách đo được là hàm của thời gian và tốc độ lan truyền tín hiệu trong không gian giữa vệ tinh và máy thu Vì vậy kết quả đo chịu ảnh hưởng trực tiếp của các sai số của vệ tinh, của máy thu, của môi trường lan truyền tín hiệu và các nguồn sai số khác

- Do tính không đồng nhất của trọng trường trái đất, ảnh hưởng của sức hút mặt trăng, mặt trời và các thiên thể khác, sức cản của khí quyển, áp lực của bức xạ mặt trời Tất cả những tác động nhiễu đó làm cho chuyển động của vệ tinh trên quỹ đạo không tuân thủ nghiêm ngặt định luật Kepler Đó chính là nguyên nhân gây nên sai số quỹ đạo vệ tinh hay còn gọi là sai số vị trí vệ tinh

- Vị trí tức thời của vệ tinh chỉ có thể được xác định theo mô hình chuyển động được xây dựng trên cơ sở các số liệu quan sát từ các trạm có độ chính xác cao trên mặt đất thuộc phần điều khiển của hệ thống GPS, và đương nhiên có chứa sai số

Cách khắc phục:

Định vị theo phương pháp tương đối giữa hai điểm sẽ loại trừ được đáng kể nguồn sai số này

1.4.2 Các nguồn sai số do môi trường

1.4.2.1 Sai số do tầng điện ly và tầng đối lưu

Tầng đối lưu được tính từ mặt đất tới độ cao 50 km, tầng điện ly ở độ cao từ 50 km đến 1 000 km Do vậy, tín hiệu được phát từ vệ tinh (ở độ cao

20200 km) xuống tới máy thu trên mặt đất phải xuyên qua tầng điện ly và tầng đối lưu

a) Tầng điện ly

Nguyên nhân:

Ở tầng điện ly, tốc độ lan truyền tín hiệu tăng tỷ lệ thuận với mật độ điện tử tự do và tỷ lệ nghịch với bình phương tần số của tín hiệu, đối với tín hiệu GPS, số hiệu chỉnh khoảng cách theo hướng thiên đỉnh có thể đạt giá trị tối đa là 50m, theo hướng có góc cao 20o có thể đạt đến 150m

Cách khắc phục:

Để giảm thiểu sai số do tầng điện ly người ta thường dùng máy thu 2

tần số (dùng mô hình hiệu chỉnh hoặc dùng hiệu các trị đo đồng bộ) Trong trường hợp hai điểm quan sát ở gần nhau thì ảnh hưởng nhiễu phản xạ do hai tần số kết hợp sẽ lớn hơn so với một tần số, vì vậy nên dùng máy một tần số cho trường hợp định vị ở khoảng cách ngắn, với khoảng cách xa nên dùng máy thu hai tần số

Máy thu hai tần số có ưu điểm là:

- Loại bỏ được ảnh hưởng của tầng điện ly hoặc mô hình hóa được ảnh hưởng của tầng điện ly để cải chính vào đại lượng đo

- Phục hồi được số đếm số nguyên lần bước sóng từ vệ tinh đến máy thu khi xảy ra hiện tượng mất tín hiệu

- Các mô hình ảnh hưởng của tầng điện ly được cho trong thông báo vệ tinh chỉ tin cậy trong khoảng cách không quá 20km Do đó về nguyên tắc khi

đo GPS với khoảng cách > 20km thì phải dùng loại máy thu hai tần số Ảnh hưởng của tầng điện ly vào ban đêm sẽ nhỏ hơn tới 5-6 lần so với ban ngày

Cách khắc phục:

Để giảm thiểu sai số do tầng đối lưu có thể dùng mô hình hiệu chỉnh đa thêm tham số phụ ước tính ảnh hưởng của tầng đối lưu vào quá trình xử lý số liệu để tính hoặc dùng hiệu các trị đo đồng bộ, đồng thời quy định góc

ngưỡng để quan sát vệ tinh là 15o so với mặt phẳng chân trời

1.4.2.2 Sai số do nhiễu tín hiệu

Quãng đường truyền tín hiệu từ vệ tinh đến máy thu GPS có thể bị nhiễu do một số nguyên nhân như: tín hiệu phản xạ từ các vật khác (kim loại,

bê tông, mặt nước…) ở gần máy thu GPS (hiệu ứng đa đường dẫn); tín hiệu

bị nhiễu do ảnh hưởng của các sóng điện từ khác (khi đặt máy thu ở gần các trạm phát sóng, gần đường dây tải điện cao áp ) Các tín hiệu bị nhiễu nói trên chập với tín hiệu truyền trực tiếp từ vệ tinh đến máy thu sẽ gây ra sai số đối với trị đo

Cách khắc phục:

Để khắc phục sai số do nhiễu tín hiệu, cần phải đặt máy thu cách xa các vật phản xạ tín hiệu hoặc các đối tượng gây nhiễu tín hiệu; không thu tín hiệu khi trời đầy mây, đang mưa, không đặt máy thu dưới các rặng cây

Hình 1.7: Sai số do hiện tượng đa đường dẫn

1.4.3 Sai số do đồ hình vệ tinh

Nguyên nhân:

Do vị trí của điểm quan sát được xác định bởi phép giao hội khoảng cách từ các vệ tinh, nên độ chính xác của điểm đo phụ thuộc vào các góc giao hội, tức là phụ thuộc vào đồ hình phân bố vệ tinh so với điểm quan sát Sai số

vị trí điểm giao hội lớn hơn sai số của khoảng cách giao hội

Hình 1.8: Sai số do cấu hình vệ tinh

Cách khắc phục:

Để có được sai số vị trí điểm quan sát ta phải đem sai số của khoảng cách giao hội nhân với một hệ số lớn hơn 1, hệ số này đặc trưng cho đồ hình giao hội, tức là đồ hình phân bố của vệ tinh so với điểm quan sát và được gọi

là hệ số phân tản độ chính xác (Dilưution of Precision - DOP) Như vậy DOP càng nhỏ thì vị trí điểm quan sát được xác định càng chính xác

Hệ số DOP tổng hợp nhất là hệ số phân tản độ chính xác hình học GDOP (Geometric Dilưution of Precision) vì nó đặc trưng cho cả 3 thành phần tọa độ không gian X, Y, Z và yếu tố thời gian t

Nếu chỉ quan tâm đến ba thành phần tọa độ của điểm quan sát thì nên dùng

hệ số phân tản độ chính xác vị trí (Position Dilưution of Precising - PDOP)

Hình 1.9: Giá trị PDOP

Giá trị DOP sẽ được tính toán cụ thể và công bố cho từng điểm đo Để chọn được trị DOP tối ưu thì khi lập kế hoạch định vị ta cần phải dựa vào lịch

vệ tinh để chọn vệ tinh cho từng điểm máy

Trong thực tế đo đạc GPS thường dùng chỉ tiêu PDOP để đánh giá chất lượng xác định tọa độ điểm quan sát, mối quan hệ giữa giá trị PDOP và chất lượng tọa độ điểm quan sát được định ra trong bảng 1.3

Bảng 1.3: Quan hệ giữa PDOP và chất lượng tọa độ điểm quan sát

Các sai số do người đo có thể phạm phải trong quá trình đo GPS như:

- Việc dọi điểm, định tâm chưa tốt

- Nhầm lẫn tên điểm đo

- Nhầm lẫn khi đo chiều cao anten của máy thu…vv

Cách khắc phục:

Khi đo đạc ngoại nghiệp cần phải tuân thủ chặt chẽ quy định đo đạc ngoài thực địa, kiểm tra cẩn thận trước khi thu tín hiệu, ghi chép sổ sách rõ ràng để dễ tìm ra nguyên nhân khi phát hiện có sai sót

CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN VỀ LƯỚI KHỐNG CHẾ TRẮC ĐỊA CÔNG TRÌNH

2.1 Lưới khống chế mặt phẳng trong trắc địa công trình

2.1.1 Đặc điểm của lưới khống chế mặt phẳng trắc địa công trình

Trong quá trình thi công công trình không thể thiếu được vai trò của công tác trắc địa Các bản vẽ thiết kế cần được đưa ra thực địa theo đúng vị trí, kích thước Do đó, trong quá trình thi công công trình, người làm công tác trắc địa cần phải nhận biết được thông tin về vị trí, kích thước, kết cấu các chi tiết của công trình để có thể lắp đặt, thi công công trình được chính xác theo đúng thiết kế

Trên công trường, bên cạnh người làm các công việc về xây dựng, máy móc thiết bị phục vụ cho xây dựng cũng có người làm công tác trắc địa, máy móc thiết bị đo đạc Công việc của người làm đo đạc được thực hiện theo từng giai đoạn thi công công trình

Lưới khống chế mặt phẳng trắc địa công trình được thành lập ở các khu công nghiêp, các khu đô thị, công trình cầu, cống, đường hầm, là cơ sở trắc địa cho khảo sát, thiết kế và thi công công trình

Lưới khống chế mặt phẳng trắc địa công trình thường được thành lập dưới dạng lưới tam giác đo góc, tam giác đo góc cạnh kết hợp, đường chuyền kinh vĩ, lưới ô vuông xây dựng…

Yêu cầu độ chính xác của lưới tuỳ thuộc vào quy mô công trình, yêu cầu nhiệm vụ trong từng giai đoạn khảo sát, thiết kế và thi công và sử dụng công trình

Trong trường hợp đo vẽ bản đồ, cơ sở để ước tính độ chính xác của lưới khống chế trắc địa công trình là yêu cầu về ước tính độ chính xác của lưới đo

vẽ Yêu cầu đó là sai số vị trí điểm so với lưới nhà nước và lưới tăng dày không

được vượt quá 0,2 mm nhân với tỷ lệ bản đồ Trên khu vực xây dựng, yêu cầu này được thể hiện như trong bảng sau:

Bảng 2.1 Mối quan hệ giữa tỷ lệ bản đồ và sai số giới hạn

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

Lưới khống chế mặt phẳng trắc địa công trình cũng nhằm mục đích đảm bảo độ chính xác bố trí công trình, quan trắc chuyển dịch, biến dạng công trình Vì vậy cần phải xét tới hai trường hợp:

- Yêu cầu độ chính xác của lưới bố trí công trình tương đương với độ chính xác của lưới đo vẽ Trong trường hợp này, lưới khống chế TĐCT được thành lập theo nguyên tắc từ tổng thể đến cục bộ

- Yêu cầu độ chính xác bố trí công trình cao hơn độ chính xác của lưới

đo vẽ Trường hợp này phải lập lưới chuyên dụng Các điểm của lưới khống chế nhà nước chỉ được dùng làm số liệu gốc cần thiết tối thiểu để nối lưới TĐCT vào hệ thống tọa độ nhà nước

2.1.2 Đặc điểm của lưới khống chế trắc địa trong xây dựng một số loại công trình

2.1.2.1 Khu vực thành phố

Khu vực thành phố thường sử dụng lưới khống chế nhà nước làm cơ

sở Lưới tăng dày đảm bảo đo vẽ bản đồ tỷ lệ 1:500

Lưới khống chế trắc địa có hình dạng và kích thước phụ thuộc vào hình dạng và kích thước của thành phố Nếu thành phố có dạng kéo dài thì lưới có dạng chuỗi tam giác đơn hoặc kép Thành phố có dạng trải rộng thì lưới có dạng đa giác trung tâm Lưới cấp đầu tiên của thành phố có thể là lưới tam giác hạng II hoặc III, được tăng dày bằng lưới hạng IV hoặc lưới cấp 1, 2

Lưới khống chế mặt phẳng trắc địa công trình cũng nhằm mục đích

đảm bảo độ chính xác bố trí công trình, quan trắc chuyển dịch, biến dạng công trình Vì vậy cần phải xét tới hai trường hợp:

- Yêu cầu độ chính xác của lưới bố trí công trình tương đương với độ chính xác của lưới đo vẽ Trong trường hợp này, lưới khống chế TĐCT được thành lập theo nguyên tắc từ tổng thể đến cục bộ

- Yêu cầu độ chính xác bố trí công trình cao hơn độ chính xác của lưới

đo vẽ Trường hợp này phải lập lưới chuyên dùng Các điểm của lưới khống chế nhà nước chỉ được dựng làm số liệu gốc cần thiết tối thiểu để nối lưới TĐCT vào hệ thống tọa độ nhà nước

2.1.2.3 Khu vực công nghiệp

Lưới khống chế khu vực được thành lập làm cơ sở để đo vẽ bản đồ, đồng thời cũng dựa vào đó để thành lập lưới bố trí công trình Đối với khu vực có diện tích lớn hơn 30 Km2, cơ sở khống chế là các điểm lưới nhà nước Đối với khu vực nhỏ hơn thì thành lập lưới cục bộ Để bố trí công trình thường thành lập lưới ô vuông xây dựng

2.1.2.4 Công trình cầu vượt

Cơ sở để thành lập lưới khống chế là yêu cầu về độ chính xác đo chiều dài cầu và độ chính xác vị trí trụ cầu Đồ hình cơ bản của lưới khống chế công trình cầu thường là lưới tứ giác trắc địa đơn hoặc kép Một trong hai cạnh đáy được đo với độ chính xác cỡ 1:200000 đến 1:300000, góc đo với độ chính xác

mβ=1"÷2" Ngày nay, lưới khống chế công trình cầu cũng có thể được đo bằng công nghệ định vị vệ tinh GPS

2.1.2.5 Khu vực đầu mối thủy lợi, thủy điện

Trong giai đoạn khảo sát, thiết kế công trình, lưới khống chế phục vụ cho đo vẽ bản đổ tỷ lệ lớn Vì vậy, có thể sử dụng lưới khống chế nhà nước và phát triển theo hướng thông thường với độ chính xác và mật độ cần thiết Hình dạng của lưới phụ thuộc bào chiều dài, hình dạng của của công

trình, chiều rộng của sông và địa hình hai bờ

2.1.2.6 Công trình đường hầm

Cơ sở để ước tính độ chính xác cần thiết là sai số trung phương hướng ngang đào thông hầm đối hướng Hình dạng của lưới khống chế trắc địa đường hầm phụ thuộc vào hình dạng đường hầm Đối với một tuyến đường hầm, thường thành lập lưới tam giác, đo cạnh đáy ở hai đầu hoặc chuỗi tam giác đo góc cạnh kết hợp Để chuyển tọa độ và phương vị xuống hầm cần phải có các điểm khống chế ở gần cửa hầm hoặc giếng đứng, giếng nghiêng 2.1.2.7 Công trình độ chính xác cao

Đối với công trình độ chính xác cao có diện tích nhỏ thường thành lập lưới khống chế trắc địa dạng tam giác nhỏ đo cạnh (25 - 50 m) , độ chính xác rất cao (0,1 - 0,5 mm)

2.2 Đặc điểm chung của lưới khống chế thi công công trình dân dụng - công nghiệp

Trong giai đoạn thi công công trình, người làm trắc địa có nhiệm vụ bố trí công trình nhằm chuyển bản thiết kế ra thực địa

Yêu cầu độ chính xác bố trí công trình dựa trên cơ sở hạn sai xây dựng tức dung sai hoàn công công trình so với thiết kế Trong đó dung sai hoàn công công trình bao gồm các thành phần như:

Sai số thi công( sai số chế tạo cấu kiện và sai số lắp đặt cấu kiện)

Sai số bố trí ( sai số của điểm khống chế cơ sở, sai số bố trí trục chính, trục cơ bản, trục chi tiết…

Sau khi xác định yêu cầu độ chính xác bố trí công trình, có thể dựa vào điều kiện thành lập lưới khống chế thi công và bố trí công trình mà xác lập tỷ

số mối quan hệ giữa sai số bố trí và sai số lập lưới khống chế thi công công trình Từ đó ước tính độ chính xác lập lưới thi công công trình Lưới khống chế thi công công trình được thành lập để bố trí trục chính, trục cơ bản, trục