50Hz), t được xỏc định theo đồng hồ vệ tinh và mỏy thu theo mó C/A, c là hằng số tốc độ truyền súng điện từ.
Trong số trường hợp sử dụng C/A-code, theo dự tớnh của cỏc nhà thiết kế hệ thống GPS, kỹ thuật đo khoảng thời gian lan truyền tớn hiệu chỉ cú thể đảm bảo độ chớnh xỏc đo khoảng cỏch tương ứng cỡ 3m, tức là hầu như khụng thua kộm gỡ so với trường hợp sử dụng P-code vốn khụng dành cho khỏch hàng đại trà. Chớnh vỡ lý do này mà Mỹ đưa ra giải phỏp SA để hạn chế khả năng thực tế của C/A-code. Nhưng ngày nay do kỹ thuật đo GPS cú thể khắc phục được nhiễu SA, chớnh phủ Mỹ đó tuyờn bố bỏ nhiễu SA trong trị đo GPS từ thỏng 5 năm 2000.
2. Đo pha súng tải
Cỏc súng tải L1, L2 được sử dụng cho việc định vị với độ chớnh xỏc cao. Với mục đớch này người ta tiến hành đo hiệu số pha của súng tải do mỏy thu nhận được từ vệ tinh và pha của tớn hiệu do chớnh mỏy thu tạo ra.
Nguyờn lý đo pha của súng tải được mụ tả theo cụng thức sau
(2.2)Trong đú: Trong đú:
R: Khoảng cỏch giữa vệ tinh và mỏy thu
λ: Bước súng của súng tải
N: Số nguyờn lần bước súng λ chứa trong R (N được gọi là số nguyờn đa trị và được xỏc định trong quỏ trỡnh đo)
∆t: Số hiệu chỉnh đồng hồ
Trong trường hợp đo theo pha súng tải L1 cú thể xỏc định khoảng cỏch giữa vệ tinh và mỏy thu với độ chớnh xỏc cỡ centimet, thậm chớ nhỏ hơn. Súng tải L2 cho độ chớnh xỏc thấp hơn nhiều, nhưng tỏc dụng của nú là cựng với L1 tạo ra khả năng làm giảm đỏng kể sai số do tầng điện ly và việc xỏc định số nguyờn đa trị được đơn giản hơn.
3. Đo khoảng cỏch giả theo tần số Doppler
Sử dụng quan trắc Doppler là một trong những mụ hỡnh bài toỏn được sử dụng trong việc tớnh khoảng cỏch đo bằng cụng nghệ đo GPS( hệ thống
TRANSIT). Trong hệ thống này, hiệu tần số Doppler được sử dụng ( vớ dụ như hiệu pha) để xỏc định hiệu khoảng cỏch. Hiệu tần số Doppler xỏc định theo cụng thức:
f
∆ = fr –fe = -
c
1vρ.fe (2.3)
Trong đú: fe là tần số khi phỏt, fr là tần số mỏy thu được. Vρ vận tốc khaỏng cỏch tức thời( Vρ = dt dρ = ρ• ) . Từ cụng thức φ = λ 1 ρ + λ c δ ∆ + N ⇔ φ• λ= ρ• + c.∆δ• (2.4) Hiệu tần số Doppler nguyờn thuỷ cú độ chớnh xỏc thấp hơn tớch hợp
tương ứng vơớ sai số tốc đọ là 0.3 m/s trong trường hợp sử dụng hiệu tần số Doppler đối với C/A code.
Về nguồn sai số trong phương phỏp đo khoảng cỏch gải theo tần số Doppler chỉ phụ thuộc vào vận tốc thay đổi của sự thay đổi đồng hồ(∆δ• )
2.3.2. Những nguồn sai số trong đo GPS
1. Sai số của đồng hồ khi đo thời gian
Sai số này là do quỏ trỡnh chế tạo đồng hồ trờn vệ tinh, trong mỏy thu và sự khụng đồng bộ giữa chỳng. Sai số này được đoạn điều khiển trờn mặt đất theo dừi tại đú xử lý và phỏt đi cỏc số hiệu chỉnh cho cỏc mỏy thu theo tệp thụng tin đạo hàng.
Để làm giảm ảnh hưởng của sai số đồng hồ cả của vệ tinh và mỏy thu, người ta sử dụng hiệu cỏc trị đo giữa cỏc trạm quan sỏt cũng như giữa cỏc vệ tinh 2. Sai số của quỹ đạo vệ tinh (Ephemeric)
vệ tinh chuyển động trờn quỹ đạo cú thể khụng tuõn thủ nghiờm ngặt định luật Kepler do nhiều tỏc động nhiễu như tớnh khụng đồng nhất của trọng trường trỏi đất, ảnh hưởng của sức hỳt mặt trăng, mặt trời và cỏc thiờn thể khỏc, sức cản của khớ quyển, ảnh hưởng của bức xạ mặt trời... làm cho sự chuyển động của vệ tinh bị nhiễu.
Sai số vị trớ của vệ tinh ảnh hưởng gần như trọn vẹn đến sai số xỏc định tọa độ điểm quan sỏt khi thực hiện định vị tuyệt đối điểm. Nhưng sai số này lại được loại trừ đỏng kể trong bài toỏn định vị tương đối giữa hai điểm
3. Sai số do tầng điện ly và tầng đối lưu a) Ảnh hưởng của tầng điện ly
Khi tớnh toỏn khoảng cỏch đến vệ tinh, đầu tiờn ta đo khoảng thời gian truyền tớn hiệu từ vệ tinh đến mỏy thu và sau đú nhõn khoảng thời gian này vớivận tốc ỏnh sỏng. Vấn đề ở đõy là vận tốc này thay đổi phụ thuộc vào tỡnh trạng của tầng khớ quyển. Lớp trờn của tầng khớ quyển gọi là tầng điện ly gồm cỏc hạt mang điện, gõy tỏc động làm chậm tớn hiệu mó và nhanh tớn hiệu súng mang.
Tỏc động của tầng điện ly đối với tớn hiệu điện tử phụ thuộc vào tần số của nú. Tần số càng cao thỡ ảnh hưởng càng ớt. Do đú ta cú thể sử dụng 2 tần số súng mang khỏc nhau để đo độ trễ, sai lệch giữa 2 tớn hiệu này và từ đú loại bỏđược ảnh hưởng của tầng điện ly.
b) Ảnh hưởng của tầng đối lưu:
Lớp thấp hơn của tầng khớ quyển chứa đựng hơi nước được gọi là tầng đối lưu, gõy tỏc động làm chậm cả tớn hiệu mó lẫn tớn hiệu súng mang.
Ảnh hưởng của tầng đối lưu phụ thuộc vào gúc ngưỡng cao của vệ tinh, độ cao của điểm quan sỏt so với mặt nước biển
Nếu lấy hiệu trị đo giữa hai điểm quan trắc thỡ ảnh hưởng của tầng này được giảm đỏng kể. Trờn thực tế để giảm ảnh hưởng của tầng đối lưu khi đo GPS phải tiến hành đo độ ẩm, ỏp suất, nhiệt độ sau đú tớnh hiệu chỉnh vào cỏc trị đo.
So với tầng điện ly, sai số do tầng đối lưu biến đổi chậm. Thụng thường mức độ thay đổi theo thời gian khụng quỏ 1cm/s đối với cỏc vệ tinh cú gúc cao trờn 30o
Để làm giảm ảnh hưởng của tầng điện ly và tầng đối lưu quy định chỉ quan sỏt vệ tinh cú gúc 15o trở lờn so với mặt phẳng chõn trời.
Anten của mỏy thu khụng chỉ thu tớn hiệu đi thẳng từ vệ tinh tới, mà cũn nhận được cả cỏc tớn hiệu phản xạ từ mặt đất và mụi trường xung quanh. Sai số do hiện tượng này gõy ra được gọi là sai số đa đường dẫn của tớn hiệu vệ tinh.
Đa đường dẫn là nguồn sai số chủ yếu đỏng quan tõm đối với kết quả định vị GPS. Cỏc tớn hiệu đi từ vệ tinh đến mỏy thu cú thể qua nhiều đường dẫn do hiện tượng phản xạ tớn hiệu. Hiện tượng đa đường dẫn gõy biến dạng tớn hiệu điều biến C/A code, P code và ảnh hưởng đến cỏc vị trớ đo pha song tải. Cỏc tớn hiệu đa đường dẫn cú thời gian phỏt đi cựng nhau từ vệ tinh, song khi đến mỏy thu sẽ bị thay đổi code và pha do hiện tượng phản xạ khỏc nhau và phụ thuộc vào chiều dài đường truyền tớn hiệu. Cỏc tớn hiệu đa đường dẫn bao giờ cũng đến mỏy thu chậm hơn so với tớn hiệu đi theo đường thẳng do phải trải qua một quóng đường dài hơn, chớnh là quóng đường đi của tớn hiệu phản xạ.
Đỏng lưu ý là cỏc nhiễu đa đường dẫn đến từ phớa dưới của mỏy thu. Dựa vào dạng của anten sử dụng ta phải lưu ý đếnbề mặt đất dưới mỏy thu. Thụng thường mặt dưới là bề mặt kim loại cú dạng hỡnh trũn hoặc hỡnh vuụng. Để làm giảm sai số đa đường dẫn thỡ tốt nhất phớa dưới mỏy thu phải cú cấu tạo dạng hỡnh xuyến ghộp lại. Đú là cỏc vũng kim loại nằm ngang với khoảng cỏch rộng cỡ 1,5 bước súng tải. Ngoài ra khi chọn điểm đo cần chỳ ý trỏnh cỏc tỏn cõy, cạnh cỏc nhà cao tầng, đường điện, cỏp thụng tin….
5. Ảnh hưởng của phõn bố đồ hỡnh vệ tinh
Độ chớnh xỏc của việc xỏc định vị trớ điểm bằn cụng nghờ GPS tuyệt đối phụ thuộc trực tiếp vào đồ hỡnh phõn bố vệ tinh vào thời điểm quan trắc. Sai số GPS từ đồ hỡnh vệ tinh được gọi là hệ số suy giảm độ chớnh xỏc GDOP
(Geometrical Dilution of Precision). GDOP càng nhỏ thỡ vị trớ điểm quan sỏt được xỏc định càng chớnh xỏc.
6. Cỏc sai số do người đo
-Định tõm cõn bằng mỏy thu tớn hiệu GPS thiếu chớnh xỏc. -Đo đạc sai chiều cao anten của mỏy thu tớn hiệu GPS.
Thụng thường lỗi thứ 2 dễ mắc phải hơn.Vỡ đo GPS là dữ liệu khụng gian ba chiều nờn sai số độ cao và mặt phẳng cú liờn hệ ,ảnh hưởng trực tiếp tới nhau do vậy việc đo đạc chớnh xỏc chiều cao anten của mỏy đo GPS rất quan trọng và thể hiện tớnh xỏc thực của trị đo GPS
2.4. CÁC PHƯƠNG PHÁP TRONG ĐO GPS
2.4.1. Nguyờn lý định vị tuyệt đối
Nguyờn lý chung của định vị GPS tuyệt đối được dựa trờn cơ sở giao hội khụng gian cỏc khoảng cỏch giả từ vệ tinh đến mỏy thu và tọa độ của cỏc vệ tinh đó biết để tớnh ra tọa độ của điểm quan sỏt trong hệ tọa độ GPS.
Hỡnh 2.6: kỹ thuật định vị tuyệt đối
Cỏc phương phỏp định vị tuyệt đối:
- Định vị GPS tuyệt đối bằng pha súng tải. - Định vị tuyệt đối bằng tần số Doppler.
Độ chớnh xỏc của định vị tuyệt đối phụ thuộc vào nhiều nguồn sai số, trong đú ảnh hưởng của sai số quỹ đạo vệ tinh gần như trọn vẹn đến kờt quả định vị. Do đú độ chớnh xỏc định vị tuyệt đối thấp và thường phục vụ vào cỏc cụng tỏc khụng cần độ chớnh xỏc cao. Từ đú ta cú thể thấy khụng sử dụng phương phỏp đo này trong quan trắc chuyển dịch ngang cụng trỡnh.
2.4.2. Nguyờn lý định vị tương đối.
Nguyờn lý định vị GPS tương đối là việc xỏc định hiệu tọa độ giữa hai điểm khi cú hai mỏy thu GPS đặt ở hai điểm quan sỏt khỏc nhau.
Hỡnh 2.7: kỹ thuật định vị tương đối
Nguyờn tắc đo GPS tương đối được thực hiện trờn cơ sở sử dụng đại lượng đo là pha của súng tải. Nhằm đạt được độ chớnh xỏc cao nhất cho kết quả xỏc định hiệu tọa độ hay vị trớ tương hỗ giữa hai điểm người ta tạo ra và sử dụng cỏc sai phõn khỏc nhau cho pha súng tải nhằm làm giảm ảnh hưởng của cỏc nguồn sai số như sai số đồng hồ, sai số do quỹ đạo vệ tinh, số nguyờn đa trị,…
1. Định vị tương đối tĩnh.
Phương phỏp đo tĩnh được sử dụng để xỏc định hiệu toạ độ (vị trớ tương hỗ) giữa hai điểm xột với độ chớnh xỏc cao, thường là nhằm đỏp ứng cỏc yờu cầu của cụng tỏc trắc địa - địa hỡnh.
Trong trường hợp này cần cú hai mỏy thu GPS đặt cố định tại hai điểm, một mỏy đặt tại điểm đó biết toạ độ, mỏy cũn lại đặt ở điểm cần xỏc định. Cả hai mỏy đồng thời thu tớn hiệu từ một số vệ tinh chung liờn tục trong suốt thời gian của ca đo (session).
Định vị tương đối tĩnh cho độ chớnh xỏc rất cao cỡ 1mm trờn 1 km. Thời gian thu tớn hiệu trong mỗi ca đo thường từ 10 đến 120 phỳt phụ thuộc vào khoảng cỏch đo, số lượng vệ tinh quan sỏt được, vào cấu trỳc hỡnh học và phương phỏp sử dụng trong đo đạc và xử lý số liệu GPS.
Cỏc ứng dụng của định vị tương đối tĩnh được phục vụ cho cụng tỏc đo đạc với độ chớnh xỏc cao như đo lưới khống chế, đo biến dạng…
2. Định vị tương đối động.
Trong định vị tương đối động cần hai mỏy thu, một mỏy được đặt cố định tại một điểm đó biết tọa độ của một cạnh đỏy cố định. Mỏy thu thứ hai được di chuyển và vị trớ của nú sẽ được xỏc định trong mọi thời diểm bất kỳ. Phương phỏp đo động cho phộp xỏc định vị trớ tương đối của hàng loạt điểm so với điểm đó biết trong đú tại mỗi điểm đo chỉ cần thu tớn hiệu trong vũng một phỳt bởi số nguyờn đa trị sau khi đó xỏc định thỡ được giữ nguyờn để tớnh khoảng cỏch từ vệ tinh đến mỏy thu cho cỏc điểm đo tiếp sau trong suốt cả chu kỳ đo.
Kỹ thuật đo tương đối động về nguyờn tắc gần giống như phương phỏp đo tĩnh nhanh. Phương phỏp này tốt nhất là thực hiện với mỏy thu hai tần số trong
đú sử dụng cỏc trị đo là code và pha súng tải ở cả hai tần. Tuy nhiờn phương phỏp này đũi hỏi cao về thiết bị và tổ chức đo để đảm bảo yờu cầu về đồ hỡnh cũng như tớn hiệu của vệ tinh.
Cú cỏc kỹ thuật đo động khỏc nhau như: Đo động liờn tục (continuous), đo dừng và đi (stop and go)…
Ở khoảng cỏch 20 km, bằng phương phỏp đo tương đối động cú thể xỏc định được cỏc cạnh đỏy với độ chớnh xỏc cỡ cm nờn phương phỏp này gặp nhiều hạn chế trong đo quan trắc chuyển dịch.
3. Đo giả động.
Ngoài phương phỏp đo tương đối động cũn phương phỏp đo tương đối giả động ( pseudokinematic relative positioning ). Phương phỏp này gần với phương phỏp đo tĩnh. Kỹ thuật đo này cũng cho phộp xỏc định vị trớ tương đối của hàng loạt điểm so với điểm đó biết trong khoảng thời gian ngắn.
Phương phỏp đo này cú thể đạt độ chớnh xỏc dưới cm do đú nú được sử dụng để đo khống chế ảnh, đo khống chế cấp thấp, đo đạc mỏ…
Chương 3
KHẢO SÁT ĐỘ CHÍNH XÁC CỦA CễNG NGHỆ GPS TRONG QUAN TRẮC CHUYỂN DỊCH CễNG TRèNH
3.1. THIẾT KẾ LƯỚI QUAN TRẮC CHUYỂN DỊCH NGANG BẰNG CễNG NGHỆ GPS
Định vị GPS chỉ cú thể thực hiện được khi vị trớ mỏy thu đặt ở những vị trớ thuận lợi cho thu tớn hiệu từ vệ tinh GPS. Như đó biết tớn hiệu GPS thuộc giải súng radio cực ngắn, dễ bị che chắn, do vậy cần đảm bảo sự thụng thoỏng giữa vệ tinh và mỏy thu.
Khi thiết kế và chọn điểm GPS cần lưu ý tới 3 điều cơ bản sau:
Cỏc vật cản xung quanh điểm đo cú gúc cao khụng quỏ 150(hoặc cú
thể 200) để trỏnh cản tớn hiệu GPS.
Khụng quỏ gần cỏc bề mặt phản xạ như: cấu kiện kim loại, cỏc
hang rào, mặt nước…, vỡ chỳng cú thể gõy hiện tượng đa đường dẫn.
Khụng quỏ gần cỏc thiết bị điện (như trạm phỏt súng, đường dõy
cao ỏp…) cú thể gõy nhiễu tớn hiệu.
Ngoài ra cũn lưu ý bố trớ điểm gần cỏc đường giao thụng dễ đi lại, rỳt ngắn thời gian đo đạc lưới. Thờm vào đú nờn lưu ý bố trớ điểm GPS ở những nơi cú nền đất ổn định và trỏnh khả năng nhầm lẫn mốc.
3.1.2. Thiết kế đo GPS.
Trong thiết kế đo GPS tựy thuộc vào mục đớch sử dụng số liệu đo mà nội dung thiết kế cú thể khỏc nhau, ở đõy ta đi thiết kế lưới GPS trong quan trắc chuyển dịch cụng trỡnh, bao gồm cỏc bước cơ bản sau:
+Thiết kế mạng lưới GPS (trong đo tĩnh)
+ lập kế hoạch đo, gồm cỏc cụng tỏc chuẩn bị trước như lựa chọn thiết bị mỏy thu cựng cỏc phụ kiện, chuẩn bị nhõn lực, phương tiện đi lại. lựa chọn thời gian đo thớch hợp (lập lịch đo…). Khảo sỏt thực địa khu đo và lờn kế hoạch di chuyển mỏy giữa cỏc thời đoạn đo.
Mạng lưới quan trắc chuyển dịch ngang cụng trỡnh bằng cụng nghệ GPS cũng như lưới quan trắc chuyển dịch ngang bằng cỏc trị đo mặt đất thường được cấu thành bởi hai cấp lưới độc lập: cấp lưới cơ sở và cấp lưới quan trắc.
a. lưới cơ sở
Cỏc điểm khống chế cơ sở được bố trớ ngoài cụng trỡnh, ở nơi cú điều kiện địa chất ổn định, bảo quản được lõu dài và thuận tiện cho việc quan trắc tới cỏc điểm gắn trờn cụng trỡnh. Cỏc điểm lưới cơ sở dựng làm gốc khởi tớnh toạ độ cho cỏc điểm lưới quan trắc nờn yờu cầu cú độ ổn định cao.