Chơng 3 Chuyển trục công trình lên cao bằng Công Nghệ gps
3.1 Hệ thống định vị toàn cầu GPS và một số ứng dụng của nó
3.1.1 Cấu tạo của hệ thống định vị toàn cầu GPS
Hệ thống định vị toàn cầu GPS có tên đầy đủ là NAVSTAR GPS là viết tắt của các từ Navigation Satelite Timing and Ranging Global Positioning System. Hệ thống này đợc xây dựng từ năm 1973. Năm 1978 vệ tinh đầu tiên
đợc đa lên quỹ đạo. Năm 1993 đã phóng đủ 24 vệ tinh trên 6 mặt phẳng quỹ
đạo nh thiết kế. Trớc 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 đợc 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.
3.1.1.1. Đoạn không gian (Space Segment)
Đoạn không gian gồm 24 vệ tinh chuyển động trên 6 mặt phẳng quỹ đạo (mỗi mặt phẳng có 4 vệ tinh), nghiêng với mặt phẳng xích đạo Trái đất một góc khoảng 550. Vệ tinh có độ cao cỡ 20200km so với bề mặt Trái đất chuyển
động trên quỹ đạo gần tròn với chu kỳ 718 phút. Do sự phân bố vệ tinh nh vậy mà bất kỳ thời điểm nào, ở bất cứ vị trí nào trên Trái đất cũng có thể quan trắc
đợc ít nhất 4 vệ tinh.
Hình 3.1: Chuyển động của vệ tinh trên quỹ đạo
Chơng trình đa các vệ tinh lên quỹ đạo đợc chia làm các khối (Block). Các vệ tinh của khối sau có trọng lợng và tuổi thọ lớn hơn. Năng lợng cung cấp cho hoạt động của các thiết bị vệ trên vệ tinh là năng lợng pin mặt trời. Mỗi vệ tinh đều đợc trang bị đồng hồ nguyên tử độ chính xác rất cao (cỡ 10-12).
Hình 3.2: Vệ tinh GPS
Tất cả các vệ tinh GPS đều có thiết bị tạo dao động với tần số chuẩn cơ sở là f0= 10,23 MHz. Dựa trên f0 thiết bị sẽ tạo ra hai tần số sóng tải L1 và L2:
L1= 154.f0= 1575,42 MHz (Bíc sãng λ1=19.032cm) L2= 120.f0= 1227,60 MHz (Bíc sãng λ2= 24.420cm)
Các sóng tải L1, L2 thuộc dải sóng cực ngắn, với tần số lớn nh vậy thì
các tín hiệu sẽ ít bị ảnh hởng của tầng điện ly và tầng đối lu.
Để phục vụ cho các mục đích khác nhau, tín hiệu phát đi đợc điều biến bởi 3 loại code:
+ C/A - code (Coarse/Acquisition code) là code thô đợc sử dụng rộng rãi.
C/A code có tính chất code tựa ngẫu nhiên. Tín hiệu mang code này có tần số thấp (1,023 MHz). C/A code chỉ điều biến sóng tải L1. Chu kỳ của C/A code là 1 miligiây, trong đó chứa 1023 bite, mỗi một vệ tinh phát đi một C/A code khác nhau.
+ P - code (Precision code) là code chính xác đợc sử dụng cho các mục
đích quân sự của Mỹ và chỉ dùng cho mục đích khác khi đợc phía Mỹ cho phép. P - code điều biến cả hai sóng tải L1 và L2, có độ dài cỡ 1014 bite và là code tựa ngẫu nhiên. Tín hiệu của P – code có tần số đúng bằng tần số chuẩn f0 (10,23 MHz), tơng ứng với bớc sóng 29,3m. Mỗi vệ tinh chỉ đợc gán một
đoạn code này, do vậy rất khó bị giải mã để sử dụng nếu không đợc phép.
+ Y - code là code bí mật đợc phủ lên P – code nhằm chống bắt chớc, gọi là kỹ thuật AS (Anti Spoosing). Chỉ có các vệ tinh thuộc các khối từ sau năm 1989 (khối 2) mới có khả năng này.
Ngoài các tần số trên, các vệ tinh GPS còn có thể trao đổi với các trạm
điều khiển mặt đất qua các tần số 1783,74 MHz và 2227,5 MHz để truyền thông tin đạo hàng và lệnh điều khiển tới vệ tinh.
Tất cả các code đợc khởi tạo lại sau mỗi tuần lễ GPS vào đúng nửa đêm thứ 7 chủ nhật, nh vậy tuần lễ GPS là đơn vị thời gian lớn nhất sử dụng trong công nghệ GPS.
3.1.1.2 Đoạn điều khiển (Control Segment)
Hình 3.3:. Sơ đồ bố trí các trạm điều khiển
Đoạn điều khiển đợc thiết lập để duy trì hoạt động của toàn bộ hệ thống
định vị GPS. Đoạn này gồm 1 trạm điều khiển trung tâm (MCS) đợc đặt tại
căn cứ khụng quõn Mỹ gần Colorado spings và 4 trạm theo dừi đặt trờn mặt
đất là: Hawaii (Thái Bình Dơng), Assension island (Đại Tây Dơng), Diego garcia (ấn Độ Dơng), Kwajalein (Thái Bình Dơng).
Vai trò của đoạn điều khiển là rất quan trọng vì nó không chỉ theo dõi các vệ tinh mà còn liên tục cập nhật chính xác các thông tin đạo hàng, đảm bảo độ chính xác cho công tác định vị bằng hệ thống GPS.
3.1.1.3 Đoạn sử dụng (User Segment)
Đoạn sử dụng bao gồm tất cả máy móc, thiết bị để thu tín hiệu vệ tinh GPS phục vụ cho các mục đích và yêu cầu khác nhau của ngời sử dụng nh dẫn đờng trên biển, trên bầu trời, trên đất liền và cho công tác Trắc địa.
Máy thu GPS là phần cứng quan trọng trong đoạn sử dụng. Nhờ những tiến bộ của khoa học kỹ thuật mà máy GPS ngày càng đợc hoàn thiện. Cùng với các loại máy thu ngời ta còn sản xuất các phần mềm phục vụ xử lý thông tin mà máy thu nhận đợc từ vệ tinh.3.1.2. Thiết kế kỹ thuật đo GPS
Thiết kế kỹ thuật đo GPS là việc cơ bản nhất của định vị GPS. Hiện nay ở nớc ta vẫn cha có quy trình, quy phạm đo GPS của Nhà nớc. Vì vậy cần phải dựa vào mục đích sử dụng, yêu cầu chất lợng của lới GPS mà tiến hành thiết kế hình dạng lới, độ chính xác và gốc của lới.
3.1.1.4. Thiết kế gốc của lới GPS
Kết quả nhận đợc khi đo GPS là vector đờng đáy- số gia toạ độ không gian 3 chiều trong hệ toạ độ WGS-84. Còn thực tế cần thiết là toạ độ trong hệ toạ độ Nhà nớc hoặc trong hệ toạ độ độc lập, địa phơng. Do đó khi thiết kế lới GPS cần phải xỏc định rừ kết quả đo GPS đó dựng hệ toạ độ và số liệu gốc nào, tức phải thiết kế gốc của lới GPS.
Gốc của lới GPS bao gồm vị trí gốc, phơng vị gốc và kích thớc (chiều dài) gốc. Phơng vị gốc thờng lấy là phơng vị khởi tính đã cho hoặc cũng có thể là phơng vị của vector đờng đáy GPS. Kích thớc gốc thờng đợc lấy là cạnh
đo bằng máy đo dài ở mặt đất hoặc khoảng cách giữa các điểm khởi tính hoặc có thể lấy luôn chiều dài vector đờng đáy GPS. Vị trí gốc của lới GPS thờng đ-
ợc xác định từ toạ độ của điểm khởi tính đã cho. Do đó thiết kế gốc của lới GPS chủ yếu là xác định vị trí gốc của lới GPS.
Khi thiết kế gốc của lới GPS cần phải xem xét các vấn đề sau đây:
- Để xác định toạ độ điểm GPS trong hệ toạ độ mặt đất thì cần chọn số liệu khởi tính trong hệ toạ độ mặt đất và đo nối với một số điểm khống chế mặt đất đã có để chuyển đổi toạ độ. Khi chọn điểm đo nối cần sử dụng t liệu cũ nhng không để lới GPS mới thành lập có độ chính xác cao phải chịu ảnh h- ởng của t liệu cũ có độ chính xác thấp. Do đó lới GPS ở thành phố lớn cần đợc
đo nối với ít nhất 3 điểm của lới Nhà nớc; lới GPS ở thành phố nhỏ hoặc khu vực xây dựng công trình có thể đo nối với 2- 3 điểm.
- Để đảm bảo đồng đều về độ chính xác của toạ độ lới GPS sau bình sai ràng buộc và giảm ảnh hởng sai số tỷ lệ kích thớc, các điểm cấp cao trùng hợp trong lới GPS cũng cần phải tạo thành từ hình có cạnh dài.
- Sau tính toán bình sai lới GPS, nhận đợc độ cao trắc địa của các điểm GPS. Để có độ cao thờng của các điểm GPS, có thể đo nối điểm độ cao. Các
điểm độ cao đo nối cần đợc phân bố đều trong lới. Đối với khu vực đồi núi,
điểm độ cao đo nối cần đợc phân bố phù hợp độ cao mặt cong địa hình. Để đo nối phải ứng dụng phơng pháp thuỷ chuẩn có độ chính xác không thấp hơn hạng IV.
- Hệ toạ độ của lới GPS mới thành lập cần cố gắng thống nhất với hệ toạ
độ đã đợc sử dụng trớc đó của khu đo. Nếu đã sử dụng hệ toạ độ độc lập địa phơng hoặc của công trình thì cần tìm hiểu các tham số sau đây:
a- Elipsoid tham khảo đã sử dụng;
b- Độ kinh của kinh tuyến trục của hệ toạ độ;
c- Hằng số cộng vào toạ độ;
d- Độ cao mặt chiếu của hệ toạ độ và trị trung bình của dị thờng độ cao khu ®o.
e- Toạ độ của điểm khởi tính.
3.1.1.5. Một số khái niệm về kết cấu và điều kiện đặc trng của lới GPS 1. Một số khái niệm cơ bản về kết cấu đồ hình lới GPS
a- Thời đoạn đo (session): khoảng thời gian liên tục từ khi bắt đầu thu tín hiệu vệ tinh đến khi kết thúc đo trên một trạm máy.
b- Đo đồng bộ: dùng 2 hoặc nhiều hơn 2 máy thu, đo đồng thời cùng một nhóm vệ tinh.
c- Vòng đo đồng bộ: vòng khép kín đợc tạo thành bởi các vector đờng đáy nhận đợc từ phép đo đồng bộ dùng 3 hoặc nhiều hơn 3 máy thu.
d- Vòng đo độc lập: vòng khép kín đợc tạo thành bởi các vector đờng đáy đợc
đo độc lập.
e- Vòng đo không đồng bộ: vòng khép kín hình đa giác đợc tạo thành bới các vector đờng đáy, trong số đó chỉ cần có vector đờng đáy đợc đo không đồng bé.
f- Đờng đáy độc lập: Vòng đo đồng bộ đợc tạo thành bởi N máy thu GPS sẽ có J đờng đáy đo đồng bộ, trong đó số đờng đáy độc lập là N-1.
g- Đờng đáy không độc lập: đờng đáy khác, ngoài các đờng đáy độc lập.
2. Điều kiện đặc trng của lới GPS
Số thời đoạn đo đợc tính theo công thức do R.Asany đề xuất:
C = n.m/N (3.1)
Trong đó:
C là số thời đoạn đo.
n là số điểm trong lới.
m là số lần đặt máy trung bình ở mỗi điểm.
N là số máy thu.
Trong líi GPS cã:
Tổng số đờng đáy: Jt = C.N(N -1)/2 (3.2)
Số đờng đáy cần thiết: Jct = n - 1 (3.3) Số đờng đáy độc lập: Jđl = C(N - 1) (3.4) Số đờng đáy đủ: Jd = C(N - 1) - (n - 1) (3.5) Theo các công thức trên đây có thể xác định đặc trng chủ yếu của kết cấu
đồ hình lới GPS.
3. Lựa chọn cấu hình đồng bộ và cạnh (đờng đáy) độc lập của lới GPS
Số cạnh GPS trong một thời đoạn đo của đồ hình đồng bộ khi dùng N máy thu là:
J = N(N - 1)/2 (3.6)
Trong đó chỉ có N - 1 cạnh GPS độc lập, các cạnh còn lại không độc lập.
đồ hình đo đồng bộ đợc tạo thành khi số máy thu N = 2 ∼ 5.
Hình 3-4
Tơng ứng với hình 3-4, cạnh GPS độc lập có thể đợc lựa chọn khác nhau (Hình 3-5).
Hình 3-5
Khi đo đồng bộ với số máy thu N ≥ 3 thì số vòng đo đồng bộ ít nhất là:
T = J - (N - 1) = (N - 1)(N - 2) / 2 (3.7) Quan hệ tơng ứng giữa số máy thu N, số cạnh GPS J và số vòng đo đồng bộ ít nhất T, nh bảng 3-1.
Bảng 3-1
N 2 3 4 5 6
J T
1 0
3 1
6 3
10 6
15 10 Về lý thuyết, tổng số gia toạ độ của các cạnh GPS trong một vòng đo
đồng bộ (sai số khép) phải bằng 0, nhng do các máy thu GPS không thực đồng bộ nên sai số khép của vòng đo đồng bộ không bằng 0. Có thể quy định giá trị giới hạn của sai số khép vòng đo đồng bộ và cần tuân thủ quy định này.
Cần chú ý khi sai số khép vòng đo đồng bộ tơng đối nhỏ, thờng chỉ có thể nói rằng việc tính vector đờng đáy GPS là hợp cách chứ cha có thể nói độ chính xác đo cạnh GPS là cao và cũng không thể phát hiện sai số thô do tín hiệu thu bị nhiễu.
Để đảm bảo độ tin cậy của kết quả đo GPS, phát hiện đợc sai số thô trong kết quả đo cần phải tạo thành vòng đo không đồng bộ từ 3 cạnh, 4 cạnh, 5 cạnh... Khi trong lới GPS có một số điểm khởi tính cũng có thể tạo thành tuyến phù hợp từ một số cạnh độc lập giữa hai điểm khởi tính.
Thiết kế đồ hình lới GPS chính là dựa vào yêu cầu độ chính xác của lới và các yêu cầu khác để thiết kế lới đợc tạo thành bởi các cạnh GPS độc lập.
Để tạo thành vòng đo không đồng bộ, thờng dựa vào đồ hình lới thiết kế mà chọn. Khi số máy thu nhiều hơn 3, có thể dựa vào khả năng của phần mềm
để tự động lựa chọn cạnh độc lập tạo thành vòng đo không đồng bộ.
3.1.1.6. Thiết kế đồ hình lới GPS
Trong trắc địa truyền thống, thiết kế đồ hình lới khống chế là việc cực kỳ quan trọng. Còn trong lới GPS, nói chung không yêu cầu giữa các điểm phải nhìn thông nhau nên thiết kế đồ hình lới GPS sẽ linh hoạt hơn. Thiết kế đồ hình lới GPS chủ yếu tuỳ thuộc yêu cầu sử dụng, kinh phí, thời gian, nhân lực, loại hình và số lợng máy thu và điều kiện bảo đảm hậu cần.
Căn cứ vào mục đích sử dụng, thờng có 4 phơng thức liên kết cơ bản để thành lập lới: liên kết điểm, liên kết cạnh, liên kết lới, liên kết hỗn hợp - cạnh-
điểm. Ngoài ra còn có thể liên kết hình sao, liên kết đờng chuyền, liên kết chuỗi tam giác.
1. Phơng thức liên kết điểm (Hình 3-6)
Liên kết điểm là dạng liên kết các vòng đo đồng bộ kề nhau bởi một
điểm chung. Cờng độ đồ hình của dạng liên kết điểm là rất yếu, không có hoặc có rất ít điều kiện khép hình không đồng bộ. Dạng liên kết điểm thờng không đợc sử dụng đơn độc.
Hình 3-6. Liên kết điểm Hình 3-7. Liên kết cạnh
2. Phơng thức liên kết cạnh (Hình 3-7)
Liên kết cạnh là dạng liên kết giữa các vòng đo đồng bộ kề nhau bởi một cạnh chung. Lới đợc thành lập theo dạng này có cờng độ đồ hình tơng đối cao, có nhiều cạnh đo lặp và có nhiều điều kiện khép hình không đồng bộ. Với số lợng máy thu nh nhau, số thời đoạn đo sẽ tăng hơn nhiều so với phơng thức liên kết điểm.
3. Phơng thức liên kết lới
Liên kết lới là dạng liên kết giữa các đồ hình đo đồng bộ bởi 2 điểm chung trở lên. Trong phơng thức liên kết này, số lợng máy thu cần phải có từ 4 trở lên. Lới đợc thành lập theo phơng thức này có cờng độ đồ hình và độ tin cậy cao, nhng tốn kinh phí và thời gian đo nhiều hơn, thờng chỉ ứng dụng để thành lập lới khống chế có yêu cầu độ chính xác cao.
4. Phơng thức liên kết hỗn hợp cạnh - điểm
Liên kết hỗn hợp cạnh - điểm là dạng kết hợp phơng thức liên kết cạnh và phơng thức liên kết điểm. Phơng thức này có thể bảo đảm cờng độ đồ hình,
nâng cao độ tin cậy của lới vừa có thể giảm khối lợng công tác ngoại nghiệp, hạ giá thành. Đây là phơng thức liên kết thích hợp thờng đợc dùng để thành lËp líi GPS.
Hình 3-8 dựa trên cơ sở phơng thức liên kết điểm ở hình 3-6, tăng thêm 4 thời đoạn đo để đợc phơng án thiết kế lới có cờng độ đồ hình đợc cải thiện hơn, khối lợng công tác ngoại nghiệp cũng giảm so với phơng thức liên kết cạnh ở hình 3-7.
5. Phơng thức liên kết chuỗi tam giác (hoặc đa giác)
Liên kết chuỗi tam giác là dạng liên kết liên tiếp bởi điểm hoặc cạnh giữa các tam giác đo đồng bộ ( Hình 3-9). Thành lập lới GPS theo phơng thức liên kết này rất thích hợp cho khu đo hẹp, kéo dài nh khi khảo sát tuyến đờng sắt, đờng bộ, đờng ống.
Hình 3-8 Hình 3-9 6. Phơng thức liên kết lới đờng chuyền
Lới GPS đợc tạo thành bởi sự liên kết các hình đồng bộ dạng kéo dài nh
đờng chuyền, các cạnh độc lập tạo thành dạng khép kín để kiểm tra độ tin cậy của điểm GPS.
Lới GPS dạng này ứng dụng thích hợp khi yêu cầu độ chính xác thấp. Ph-
ơng thức này có thể kết hợp với phơng thức liên kết điểm (Hình 3-10) 7. Hình sao
Dạng hình sao rất đơn giản, các cạnh đo trực tiếp không tạo thành hình khép kính nào. Do đó khả năng kiểm tra và phát hiện sai số thô còn kém hơn phơng thức liên kết điểm. Nhng chỉ cần 2 máy thu là đợc. Nếu có 3 máy thu thì một máy đặt cố định, 2 máy khác có thể đo luân lu mà không hạn chế bởi
điều kiện đo đồng bộ.
Vì tốc độ nhanh, giản tiện, phơng pháp hình sao đợc ứng dụng trong trắc
địa có yêu cầu độ chính xác thấp, trong địa chất, vật lý địa cầu, đo biên giới,
đo địa chính, đo điểm chi tiết thành lập bản đồ ( Hình 3-11).
Hình 3-10 Hình 3-11
Trong thực tế thiết kế lới GPS còn cần phải chú ý các nguyên tắc sau ®©y:
a- Mặc dù không yêu cầu nhìn thông giữa các điểm GPS, nhng xét đến yêu cầu tăng dày bằng phơng pháp truyền thống nên mỗi điểm GPS nên nhìn thông đến ít nhất một điểm khác.
b- Để sử dụng t liệu trắc địa và bản đồ hiện có, cần sử dụng hệ toạ độ vốn đã
đợc sử dụng để tạo lập nên t liệu ấy. Các điểm cũ phù hợp yêu cầu của điểm GPS, cần phải lợi dụng mốc của nó.