đề tài “ chuyền độ cao qua sông bằng công nghệ gps.”

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP





Đề tài


Chuyền độ cao qua sông
bằng công nghệ GPS
Bộ môn Trắc địa công trình Đồ án tốt nghiệp
Vũ Phơng Thảo - 1 - Cao Đẳng Trắc địa A K49
mục lục Trang
Mục lục 1
Mở đầu 2
Chơng 1 khái quát về công nghệ gps 4
1.1 Cấu trúc của hệ thống định vị toàn cầu GPS 4
1.2 Các trị đo GPS 5
1.3 Các nguồn sai số trong đo GPS 7
1.4 Các phơng pháp định vị và trạng thái đo GPS 9
1.5 Thiết kế kỹ thuật đo GPS 11
1.6 Tổng quan về các ứng dụng của công nghệ GPS 20
1.7 ứng dụng GPS trong trắc địa công trình 23
Chơng 2 các hệ thống độ cao và các phơng pháp đo
c ao trong trắc địa 24
2.1 Lới khống chế độ cao trong trắc địa công trình 24
2.2 Các hệ thống độ cao 32

2.3 Các phơng pháp đo cao truyền thống 36
2.4 Chuyền độ cao qua sông trong xây dựng công trình 44
Chơng 3 chuyền độ cao qua sông bằng công nghệ gps 50
3.1 Đặt vấn đề 50
3.2 Thực nghiệm chuyền độ cao qua sông bằng công nghệ GPS 51
Kết luận 60
Tài liệu tham khảo 61
Phụ lục
Bộ môn Trắc địa công trình Đồ án tốt nghiệp
Vũ Phơng Thảo - 2 - Cao Đẳng Trắc địa A K49
Lời mở đầu
Ngày nay, chúng ta đang tiến hành mở rộng quan hệ hợp tác quốc tế.
Do vậy vấn đề giao lu hợp tác văn hóa- kinh tế, khoa học kỹ thuật ngày càng
đợc đẩy mạnh. Để đáp ứng yêu cầu đó chúng ta đang tiến hàng xây dựng
nhiều công trình vợt sông vợt biển nối hai bờ trở thành một yêu cầu cấp
thiết. Để đảm bảo xây dựng công trình này thì chúng ta phải chuyền độ cao
qua sông. Chính vì vậy các đơn vị thi công phải lựa chọn áp dụng các thành
tựu khoa học kỹ thuật mới nhằm đảm bảo độ chính xác yêu cầu chuỳên độ cao
qua sông. Với nhiệm vụ trên, đợc sự giúp đỡ và tận tình chỉ bảo của TS
.nguyễn quang phúc tôi đợc giao đề tài: Khảo sát ứng dụng công nghệ
GPS trong trắc địa công trình chuyên đề: Chuyền độ cao qua sông bằng
công nghệ GPS.
Nội dung của đề tài gồm những vấn đề sau:
Chơng 1- Khái quát về hệ thống GPS.
Trong chơng trình này, tôi sẽ trình bày cấu trúc hệ thống định vị GPS,
nguyên lý định vị GPS, các nguồn sai số trong đo GPS và ứng dụng công nghệ
GPS.
Chơng 2- Hệ thống độ cao và các phơng pháp đo cao trong trăc địa.
ở chơng này ta sẽ giới thiệu về lới khống chế độ cao, các phơng
pháp đo cao truyền thống và sự cần thiết phải chuyền độ cao trong xây dụng

công trình.
Chơng 3 Chuyền độ cao qua sông bằng công nghệ GPS
Trong chơng 3 chúng ta sẽ đa ra lý do tại sao ta áp dụng công nghệ
GPS để chuyền độ cao qua sông thay thế cho các phơng pháp đo cao truyền
thống. Đồng thời tiến hành đo mạng lới thực nghiệm bằng công nghệ GPS và
phơng pháp truyền thống, trên cơ sở đó đánh giá phân tích khả năng ứng
dụng của công nghệ GPS.
Bộ môn Trắc địa công trình Đồ án tốt nghiệp
Vũ Phơng Thảo - 3 - Cao Đẳng Trắc địa A K49
để hoàn thành đồ án này tôi đã nhận đợc rất nhiều sự giúp đỡ của các
bạn đồng nghiệp, các thầy cô trong khoa trắc địa và đặc biệt là sự hớng dẫn
tận tình chỉ bảo của TS .Nguyễn Quang Phúc. Tuy nhiên do thời gian và
trình độ chuyên môn cũng nh kinh nghiệm sản xuất còn nhiều hạn chế do
vậy trong bản đồ án này không thể tránh khỏi có thiếu sót. Chính vì vậy tôi rất
mong nhận đợc những ý kiến đóng góp của các bạn đồng nghiệp và các thầy
cô giúp cho đồ án của tôi đợc hoàn thiện hơn.
Tôi xin chân thành cảm ơn !
Bộ môn Trắc địa công trình Đồ án tốt nghiệp
Vũ Phơng Thảo - 4 - Cao Đẳng Trắc địa A K49
H ỡnh 1.2 Tr
m iu
h
thng GPS
Chơng 1
khái quát về công nghệ GPS
1.1. Cấu trúc của hệ thống định vị toàn cầu GPS
Hệ thống định vị toàn cầu GPS (Global Positioning System) gồm 3 bộ
phận: Đoạn không gian, đoạn điều khiển và đoạn sử dụng.
1.1.1. Đoạn không gian (Space segment)
Hình 1.1- Phân bố vệ tinh trên 6 quỹ đạo

Đoạn không gian gồm 24 vệ tinh phân bố trên 6 quỹ đạo gần tròn, trên
mỗi quỹ đạo có 4 vệ tinh, mặt phẳng quỹ đạo nghiêng với mặt phẳng xích đạo
một góc 55
0
. Bán kính quỹ đạo vệ tinh xấp xỉ 26560 km, tức vệ tinh có cao độ
so với mặt đất cỡ 20200km. Chu kỳ chuyển động của vệ tinh trên quỹ đạo là
718 phút ( 12 giờ). Số lợng vệ tinh có thể quan sát đợc tuỳ thuộc vào thời
gian và vị trí quan trắc trên trái đất, nhng có thể nói rằng ở bất kỳ thời gian
và vị trí nào trên trái đất cũng có thể quan trắc đợc tối thiểu 4 vệ tinh và tối
đa 11 vệ tinh.
1.1.2. Đoạn điều khiển (Control Segment)
Đoạn điều khiển gồm 4 trạm quan sát trên mặt
đất đặt tại Hawaii (Thái bình dơng). Assension Island
(Đại tây dơng), Diego Garcia (ấn độ dơng),
Bộ môn Trắc địa công trình Đồ án tốt nghiệp
Vũ Phơng Thảo - 5 - Cao Đẳng Trắc địa A K49
Hỡnh 1.3- M ỏy thu GPS
Kwajalein (Tây Thái bình dơng) và một trạm điều khiển trung tâm đặt tại căn
cứ không quân Mỹ gần Colorado Spring.
Đoạn điều khiển có nhiệm vụ điều khiển toàn bộ hoạt động của các vệ
tinh trên cơ sở theo dõi quỹ đạo chuyển động của vệ tinh và hoạt động của
đồng hồ vệ tinh. Tất cả các trạm đều có máy thu GPS theo dõi liên tục các vệ
tinh, đồng thời đo các số liệu khí tợng. Trạm trung tâm xử lý các số liệu đợc
truyền về từ các trạm cùng với số liệu đo đợc của chính nó. Kết quả xử lý
cho ra ephemerit chính xác hoá của các vệ tinh và số hiệu chỉnh cho các đồng
hồ vệ tinh. Các số liệu này đợc truyền từ trạm điều khiển trung tâm tới các
trạm quan sát, từ đó truyền tiếp lên các vệ tinh cùng với các lệnh điều khiển
khác. Việc chính xác hoá thông tin đợc tiến hành 3 lần trong một ngày.
1.1.3. Đoạn sử dụng (User segment)
Đoạn này 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. Đó có thể là một máy thu
riêng biệt, hoạt động độc lập (trờng hợp định vị tuyệt
đối) hay một nhóm từ hai máy thu trở lên hoạt động đồng
thời theo một lịch trình nhất định (trờng hợp định vị tơng đối) hoặc hoạt
động theo chế độ một máy thu đóng vai trò máy chủ phát tín hiệu vô tuyến
hiệu chỉnh cho các máy thu khác (định vị vi phân).
Nguyên lý định vị GPS là sử dụng các vệ tinh GPS nh các điểm chuẩn
di động có toạ độ đã biết để xác định vị trí của các điểm trên mặt đất, mặt biển
hoặc trên không trung bằng phơng pháp giao hội cạnh không gian.
Trong công nghệ GPS đã đặt ra yêu cầu phải thu tín hiệu từ 4 vệ tinh,
điều này liên quan đến việc tính số hiệu chỉnh đồng hồ.
Để xác định chính xác khoảng cách từ máy thu GPS đến vệ tinh đòi hỏi
phải xác định chính xác thời gian truyền sóng và phải biết đợc vị trí chính
Bộ môn Trắc địa công trình Đồ án tốt nghiệp
Vũ Phơng Thảo - 6 - Cao Đẳng Trắc địa A K49
xác của vệ tinh. Hai vấn đề cơ bản này của định vị GPS đợc giải quyết bởi
"đoạn điều khiển", cấu tạo của máy thu và cấu tạo của vệ tinh GPS.
1.2. Các trị đo GPS
Trị đo GPS là những số liệu mà máy thu GPS nhận đợc từ tín hiệu của
vệ tinh truyền tới. Mỗi vệ tinh GPS phát 4 thông số cơ bản dùng cho việc đo
đạc và đợc chia thành 2 nhóm:
+ Nhóm trị đo code: C/A- code, P- code.
+ Nhóm trị đo pha: L
1
, L
2
và tổ hợp L
1
/L

2
Các trị đo này có thể sử dụng riêng biệt hoặc kết hợp để xác định khoảng cách
từ vệ tinh đến máy thu.
1.2.1. Trị đo code
Trong trờng hợp này, máy thu nhận đợc code phát đi từ vệ tinh, so
sánh với code tơng tự do máy thu tạo ra nhằm xác định thời gian truyền tín
hiệu từ vệ tinh đến máy thu và từ đó khoảng cách từ máy thu đến vệ tinh đợc
xác định theo công thức:
D = c.t + ct + (1-1)
Trong đó:
c là vận tốc truyền sóng (ánh sáng) = 299792458 m/s;
t là thời gian truyền tín hiệu (sóng);
t là số hiệu chỉnh do sự không đồng bộ đồng hồ máy thu và vệ tinh;
là số hiệu chỉnh do môi trờng.
Hiện nay, độ chính xác định vị với trị đo code có thể đạt tới 30m. Với
độ chính xác đó, trị đo code đợc sử dụng trong định vị đạo hàng và trong đo
đạc độ chính xác thấp.
Bộ môn Trắc địa công trình Đồ án tốt nghiệp
Vũ Phơng Thảo - 7 - Cao Đẳng Trắc địa A K49
1.2.2. Trị đo pha sóng tải
Sóng tải đợc phát đi từ vệ tinh có chiều dài bớc sóng không đổi. Nếu
gọi là chiều dài bớc sóng thì khoảng cách giữa vệ tinh và máy thu GPS là
D = N. +

(1-2)
Trong đó: N là số nguyên lần bớc sóng;


là phần lẻ bớc sóng.
Trị đo pha chính là phần lẻ bớc sóng thể hiện qua độ di pha giữa sóng

tải thu đợc từ vệ tinh và sóng tải do máy thu tạo ra. Phần lẻ này có thể đo
đợc với độ chính xác cỡ 1% bớc sóng, tức vài mm.
Biểu thức xác định độ di pha:
= R + c(t - T) - .N +
atm
+ (1-3)
Trong đó:
R =
222
)()()(
rSrSrS
ZZYYXX
R là khoảng cách đúng từ vệ tinh đến máy thu;
X
S
, Y
S
, Z
S
là toạ độ không gian 3 chiều của vệ tinh;
X
r
, Y
r
, Z
r
là toạ độ không gian 3 chiều của vị trí anten máy thu;
c là tốc độ truyền sóng (ánh sáng);
là độ lệch đồng hồ máy thu;
T là độ lệch đồng hồ vệ tinh;

là bớc sóng của sóng tải;
N là số nguyên lần bớc sóng từ vệ tinh đến anten máy thu;

atm
là sai số do khí quyển;
là tổng hợp các sai số khác.
Bộ môn Trắc địa công trình Đồ án tốt nghiệp
Vũ Phơng Thảo - 8 - Cao Đẳng Trắc địa A K49
Định vị với trị đo pha sóng tải có độ chính xác cao hơn định vị với trị đo
code. Vấn đề chính trong trờng hợp này là xác định số nguyên lần bớc sóng
(số nguyên đa trị N) giữa anten máy thu và vệ tinh.
1.3. Các nguồn sai số trong đo GPS
Định vị GPS về thực chất đợc xây dựng trên cơ sở giao hội không gian
các khoảng cách đo đợc từ máy thu đến các vệ tinh có toạ độ đã biết. Khoảng
cách đo đợc 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 hởng trực tiếp của
các sai số của vệ tinh, của máy thu, của môi trờng lan truyền tín hiệu và các
nguồn sai số khác. Các nguồn sai số đó có tính chất hệ thống và tính chất
ngẫu nhiên ảnh hởng đến kết quả đo GPS.
1.3.1. Sai số đồng hồ
Sai số đồng hồ gồm sai số đồng hồ vệ tinh, đồng hồ máy thu và sự
không đồng bộ giữa chúng. Đồng hồ vệ tinh là đồng hồ nguyên tử, độ chính
xác cao nhng không phải hoàn toàn không có sai số. Trong đó sai số hệ
thống lớn hơn sai số ngẫu nhiên rất nhiều, nhng có thể dùng mô hình để cải
chính sai số hệ thống, do đó sai số ngẫu nhiên trở thành chỉ tiêu quan trọng để
đánh giá độ chính xác của đồng hồ. Khi hai trạm đo tiến hành quan trắc đồng
bộ đối với vệ tinh thì ảnh hởng của sai số đồng hồ vệ tinh đối với trị đo của 2
trạm là nh nhau.
Đồng hồ máy thu là đồng hồ thạch anh. Cùng một máy thu, khi quan
trắc đồng thời nhiều vệ tinh thì sai số đồng hồ máy thu có ảnh hởng nh

nhau đối với các trị đo tơng ứng và các sai số đồng hồ của các máy thu có thể
đợc coi là độc lập với nhau.
Nh đã biết vận tốc truyền tín hiệu xấp xỉ 3.10
8
m/s, do đó nếu đồng hồ
thạch anh có sai số 10
-4
giây thì sai số tơng ứng của khoảng cách là 30.000m;
Bộ môn Trắc địa công trình Đồ án tốt nghiệp
Vũ Phơng Thảo - 9 - Cao Đẳng Trắc địa A K49
nếu đồng hồ nguyên tử có sai số 10
-7
giây thì sai số tơng ứng của khoảng
cách là 30m.
Trong định vị GPS tơng đối, sử dụng các sai phân bậc 1, 2, 3, có thể
loại trừ hoặc giảm thiểu ảnh hởng sai số đồng hồ trong kết quả đo.
1.3.2. Sai số quỹ đạo vệ tinh
Do sự thay đổi của trọng trờng Trái đất, sức hút Mặt trăng, Mặt trời và
các thiên thể khác tác động lên vệ tinh, nên chuyển động của vệ tinh trên
quỹ đạo không hoàn toàn tuân theo định luật Kepler. Đó là nguyên nhân gây
nên sai số quỹ đạo vệ tinh hay còn gọi là sai số vị trí của vệ tinh. Trong định
vị GPS cần phải sử dụng lịch quỹ đạo vệ tinh (Ephemerit). Các trạm điều
khiển quan trắc liên tục để xác định quỹ đạo chuyển động của vệ tinh và đa
ra lịch dự báo, gọi là lịch vệ tinh quảng bá, cung cấp đại trà cho ngời sử dụng
bằng cách thu trực tiếp nhờ máy thu GPS. Lịch vệ tinh quảng bá cho phép xác
định vị trí tức thời của vệ tinh với độ chính xác cỡ 20 - 100 m.
Ngoài lịch vệ tinh quảng bá còn có lịch vệ tinh chính xác (Precise
Ephemerit). Lịch vệ tinh này đợc thành lập từ kết quả hậu xử lý số liệu quan
trắc ở các thời điểm trong khoảng thời gian quan trắc, có độ chính xác toạ độ
vệ tinh cỡ 10 - 50m.

Sai số vị trí của vệ tinh chịu ảnh hởng gần nh trọn vẹn đến độ chính
xác toạ độ điểm định vị tuyệt đối (định vị điểm đơn), nhng lại đợc loại trừ
về cơ bản trong kết quả định vị tơng đối.
1.3.3. Sai số do tầng điện ly và tầng đối lu
Tầng đối lu đợc tính từ mặt đất tới độ cao 50km và tầng điện ly ở độ
cao từ 50km đến 1000km. Tín hiệu truyền từ vệ tinh qua tầng điện ly, tầng đối
lu đến máy thu, bị khúc xạ và thay đổi tốc độ lan truyền.
Đối với tầng điện ly, giá trị sai số tăng tỷ lệ thuận với mật độ điện tử tự
do và tỷ lệ nghịch với bình phơng của tần số tín hiệu. Đối với tín hiệu GPS,
Bộ môn Trắc địa công trình Đồ án tốt nghiệp
Vũ Phơng Thảo - 10 - Cao Đẳng Trắc địa A K49
số hiệu chỉnh khoảng cách theo hớng thiên đỉnh có thể đạt giá trị tối đa là
50m, theo hớng có góc cao 20
0
, có thể đạt đến 150m. Để giảm thiểu sai số do
tầng điện ly thờng dùng máy thu 2 tần số, dùng mô hình hiệu chỉnh hoặc
dùng hiệu các trị đo đồng bộ.
Đối với tầng đối lu, sự khúc xạ của đờng truyền tín hiệu càng phức
tạp hơn, phụ thuộc vào sự biến đổi của khí hậu mặt đất, áp lực không khí,
nhiệt độ và độ ẩm, ảnh hởng của khúc xạ trong tầng đối lu phụ thuộc vào
góc cao của đờng truyền tín hiệu. Giá trị ảnh hởng sai số theo hớng thiên
đỉnh có thể đạt đến 2-3m, theo hớng có góc cao 10
0
có thể đạt đến 20m. Để
giảm thiểu sai số do tầng đối lu có thể dùng mô hình hiệu chỉnh đa thêm
tham số phụ ớc tính ảnh hởng của tầng đối lu vào quá trình xử lý số liệu để
tính hoặc dùng hiệu các trị đo đồng bộ.
1.3.4. Sai số do nhiễu tín hiệu
Tín hiệu từ vệ tinh đến máy thu GPS có thể bị nhiễu do một số nguyên
nhân nh: Tín hiệu phản xạ từ các vật khác (kim loại, bê tông, mặt nớc ) ở

gần máy thu GPS; tín hiệu bị nhiễu do ảnh hởng của các sóng điện từ khác
(khi đặt máy thu ở gần các trạm phát sóng, gần đờng dây tải điện cao áp); tín
hiệu bị gián đoạn do bị che chắn bởi các vật cản (nhà cửa, cây cối ). Các tín
hiệu bị nhiễu nói trên chập với tín hiệu truyền trực tiếp từ vệ tinh đến máy thu
gây ra sai số đối với trị đo.
Để khắc phục sai số do nhiễu tín hiệu, cần phải đặt máy thu cách xa các
vật dễ phản xạ tín hiệu hoặc các đối tợng gây nhiễu tín hiệu; không thu tín
hiệu khi trời đầy mây, đang ma, không đặt máy thu ở dới các rặng cây.
Ngoài các nguồn sai số chủ yếu trên đây còn có các nguồn sai số khác
nh sai số do ảnh hởng xoay của Trái đất, do triều tịch của Trái đất, do hiệu
ứng của thuyết tơng đối, sai số vị trí của máy thu, sai số vị trí tâm pha của
Bộ môn Trắc địa công trình Đồ án tốt nghiệp
Vũ Phơng Thảo - 11 - Cao Đẳng Trắc địa A K49
anten. Trong định vị chính xác cao cần phải xem xét và tìm biện pháp giảm
ảnh hởng của các nguồn sai số này.
1.4. Các phơng pháp định vị và trạng thái đo gps
1.4.1. Định vị tuyệt đối
Định vị tuyệt đối còn gọi là định vị điểm đơn, tức là dựa vào trị đo
khoảng cách từ vệ tinh đến máy thu GPS để xác định trực tiếp vị trí tuyệt đối
của anten máy thu trong hệ toạ độ WGS-84 (hệ toạ độ có điểm gốc là tâm
khối lợng Trái đất). Định vị tuyệt đối còn đợc chia thành định vị tuyệt đối -
tĩnh và định vị tuyệt đối - động. "Tĩnh" hay "động" là nói trạng thái của
(anten) máy thu trong quá trình định vị.
Độ chính xác của định vị tuyệt đối- tĩnh ớc đạt cỡ mét, còn độ chính
xác định vị tuyệt đối- động khoảng 10- 40 mét.
1.4.2. Định vị tơng đối
Định vị tơng đối là trờng hợp dùng hai máy thu GPS đặt ở 2 điểm
khác nhau (2 điểm mút của một đờng đáy) quan trắc đồng bộ cùng các vệ
tinh để xác định vị trí tơng đối (X, Y, Z hoặc B, L, H) giữa 2 điểm
mút của đờng đáy hoặc vector đờng đáy trong hệ toạ độ WGS-84. Tơng tự,

nhiều máy thu đợc đặt ở các điểm mút của một số đờng đáy, quan trắc đồng
bộ cùng các vệ tinh GPS thì có thể xác định đợc một số vector đờng đáy đó.
Nếu đã biết toạ độ của một điểm thì có thể dùng vector đờng đáy để tính toạ
độ của điểm kia.
Định vị tơng đối cũng đợc phân chia thành định vị tơng đối - tĩnh và
định vị tơng đối - động. Trong định vị tơng đối trị đo thờng đợc sử dụng
là pha sóng tải.
Bộ môn Trắc địa công trình Đồ án tốt nghiệp
Vũ Phơng Thảo - 12 - Cao Đẳng Trắc địa A K49
1.4.3. Định vị sai phân
Định vị GPS sai phân còn gọi là định vị GPS vi phân (Differential GPS
viết tắt là DGPS). Trong phơng pháp này, một máy thu đặt tại một điểm đã
biết toạ độ, gọi là trạm gốc hoặc trạm tham khảo, đồng thời có máy thu khác
đặt ở điểm cần xác định toạ độ, gọi là trạm đo. Dựa vào toạ độ chính xác đã
biết của trạm gốc, tính số hiệu chỉnh khoảng cách từ trạm gốc đến vệ tinh và
số hiệu chỉnh này đợc máy GPS ở trạm gốc phát đi. Máy thu ở trạm đo, trong
khi đo đồng thời cũng thu đợc số hiệu chỉnh từ trạm gốc và tiến hành hiệu
chỉnh kết quả định vị, từ đó nâng cao độ chính xác định vị.
1.4.4. Các trạng thái đo GPS
1.4.4.1. Đo tĩnh
Đo tĩnh là đo trong trờng hợp máy thu ở trạng thái tĩnh trong khoảng
thời gian tơng đối dài, thờng từ 1 - 3 giờ, có khi còn dài hơn. Nếu máy thu ở
trạng thái tĩnh trong khoảng thời gian tơng đối ngắn hơn thì gọi là đo tĩnh
nhanh. Ví dụ nh với máy TRIMBLE 4600LS, thời gian thu tín hiệu khi đo
tĩnh nhanh đợc hớng dẫn là 30 phút, 20 phút tơng ứng với số vệ tinh đo
đợc là 4, 5 hoặc 6 trở lên.
Nh vậy, tơng ứng với định vị tuyệt đối và định vị tơng đối, cũng có
định vị tuyệt đối - tĩnh và định vị tơng đối - tĩnh. Định vị tơng đối - tĩnh là
phơng pháp định vị có độ chính xác cao nhất, với các máy thu GPS hiện đại
có thể đạt đợc độ chính xác tơng đối cỡ 10

-7
- 10
-8
trên khoảng cách dài.
1.4.4.2. Đo động
Đo động là đo trong trờng hợp máy thu ở trạng thái động. Trong
trờng hợp này máy thu đợc đặt trên vật thể đang chuyển động nh tàu
thuyền, ôtô, máy bay hoặc máy thu đợc ngời đo mang và di chuyển. Vì vậy
trạng thái động còn đợc chia thành chuyển động liên tục và "stop & go"
(dừng và đi). Đạo hàng là định vị động nghĩa rộng.
Bộ môn Trắc địa công trình Đồ án tốt nghiệp
Vũ Phơng Thảo - 13 - Cao Đẳng Trắc địa A K49
1.5. Thiết kế kỹ thuật đo GPS
Thiết kế kỹ thuật đo GPS là việc cơ bản nhất của định vị GPS. 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.
1.5.1. 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 xác định rõ kết quả đo GPS đã dùng 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 đợc 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
hởng 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.
- 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
Bộ môn Trắc địa công trình Đồ án tốt nghiệp
Vũ Phơng Thảo - 14 - Cao Đẳng Trắc địa A K49
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 gằng 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 đo
e- Toạ độ của điểm khởi tính.
1.5.2. Một số khái niệm về kết cấu và điều kiện đặc trng của lới GPS
1.5.2.1. Khái niệm 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 bộ.
Bộ môn Trắc địa công trình Đồ án tốt nghiệp
Vũ Phơng Thảo - 15 - Cao Đẳng Trắc địa A K49
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.
1.5.2.2. 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 (1-4)
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 lới GPS có:
Tổng số đờng đáy: J
t
= C.N(N -1)/2 (1-5)
Số đờng đáy cần thiết: J
ct
= n - 1 (1-6)
Số đờng đáy độc lập: J
đl
= C(N - 1) (1-7)
Số đờng đáy đủ: J

d
= C(N - 1) - (n - 1) (1-8)
Theo các công thức trên đây có thể xác định đặc trng chủ yếu của kết
cấu đồ hình lới GPS.
1.5.2.3. Lựa chọn cấu hình đồng bộ và đờng đáy độc lập của lới GPS
Theo (1-5) thì số cạnh GPS trong một thời đoạn đo của đồ hình đồng bộ
khi dùng N máy thu là
J = N(N - 1)/2 (1-9)
Trong đó chỉ có N - 1 cạnh GPS độc lập, các cạnh còn lại không độc
lập. Hình 1.1 là đồ hình đo đồng bộ đợc tạo thành khi số máy thu N = 2 5.
Bộ môn Trắc địa công trình Đồ án tốt nghiệp
Vũ Phơng Thảo - 16 - Cao Đẳng Trắc địa A K49
Hình 1.1- Một số đồ hình lới đo đồng bộ
Tơng ứng với (hình 1.1), cạnh GPS độc lập có thể đợc lựa chọn khác
nhau nh (Hình 1.2).
Hình 1.2- Một số đồ hình lới đo cạnh độc lập
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 (1-10)
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.
Bộ môn Trắc địa công trình Đồ án tốt nghiệp
Vũ Phơng Thảo - 17 - Cao Đẳng Trắc địa A K49
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 là dựa vào yêu cầu độ chính xác của lới và
các yêu cầu khác để thiết kế lới nhằm tạo thành bởi các cạnh GPS độc lập.

1.5.3. 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.
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. Liên kết điểm (Hình 1-3)
Hình 1.3- Liên kết điểm Hình 1.4- Liên kết cạnh
Bộ môn Trắc địa công trình Đồ án tốt nghiệp
Vũ Phơng Thảo - 18 - Cao Đẳng Trắc địa A K49
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.
2. Liên kết cạnh (hình 1-4)
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. 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. 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 lập lới GPS.
Hình 1-5 dựa trên cơ sở phơng thức liên kết điểm ở hình 1-3, 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 1-4.
Bộ môn Trắc địa công trình Đồ án tốt nghiệp
Vũ Phơng Thảo - 19 - Cao Đẳng Trắc địa A K49
Hình 1.5 Hình 1.6
5. 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 1-6). 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.
6. 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 đợc ứng dụng thích hợp khi yêu cầu độ chính xác
thấp. Phơng thức này có thể kết hợp với phơng thức liên kết điểm. Hình 1-7.
Hình 1.7 Hình 1.8
Bộ môn Trắc địa công trình Đồ án tốt nghiệp
Vũ Phơng Thảo - 20 - Cao Đẳng Trắc địa A K49
7. Liên kết 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, liên kết 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 1-8).
Trong thiết kế lới GPS còn cần phải chú ý các nguyên tắc sau đây:
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.
c- Lới GPS cần phải đợc tạo thành một số vòng khép không đồng bộ hoặc
một số tuyến phù hợp từ các cạnh đo độc lập. Số cạnh trong mỗi vòng khép
hoặc trong mỗi tuyến phù hợp của các cấp lới GPS đợc quy định ở bảng 1-1.
Bảng 1-1
Hạng, cấp lới
II
III
IV
Cấp 1
Cấp 2
Số cạnh trong mỗi vòng khép
hoặc tuyến phù hợp
6
8
10
10
10

Bộ môn Trắc địa công trình Đồ án tốt nghiệp
Vũ Phơng Thảo - 21 - Cao Đẳng Trắc địa A K49
1.5.4. Phơng pháp ớc tính độ chính xác vị trí mặt bằng điểm lới GPS
Trong khi thiết kế lới GPS cần phải xem xét lới thiết kế có đáp ứng
đợc các yêu cầu về chất lợng của lới hay không. Một chỉ tiêu quan trọng
và thờng dùng nhất để đánh giá chất lợng lới khống chế mặt bằng là độ
chính xác vị trí điểm.
So với các dạng lới khống chế truyền thống thì lới GPS có những đặc
điểm riêng; GPS đợc ứng dụng trong trắc địa công trình lại phải đáp ứng các
yêu cầu riêng của trắc địa công trình. Vì vậy cần phải có phơng pháp thích
hợp để ớc tính độ chính xác của lới.
Có phơng pháp ớc tính gần đúng và phơng pháp ớc tính chặt chẽ.
Cả hai phơng pháp ớc tính đều có thể dựa trên cơ sở bình sai điều kiện hoặc
bình sai gián tiếp. Ngày nay, các máy tính điện tử đã đợc sử dụng rất rộng rãi
nên thờng ớc tính độ chính xác của lới theo phơng pháp chặt chẽ dựa trên
cơ sở của bình sai gián tiếp. Lới GPS ứng dụng trong trắc địa công trình
thờng cần phải ớc tính độ chính xác vị trí mặt bằng điểm lới. Trong trờng
hợp này, phơng pháp ớc tính dựa trên cơ sở bình sai gián tiếp lại càng có
lợi, vì trong phơng pháp bình sai này thờng chọn toạ độ điểm làm ẩn số.
Ước tính độ chính xác vị trí mặt bằng điểm lới GPS đợc tiến hành
theo các bớc sau đây:
- Chọn ẩn số là toạ độ của các điểm lới.
- Viết phơng trình số hiệu chỉnh của các trị đo trong lới.
- Xác định trọng số của các trị đo và lập hệ phơng trình chuẩn.
- Tính ma trận nghịch đảo Q
X
của ma trận hệ số hệ phơng trình chuẩn.
- Tính sai số trung phơng của toạ độ x
i
, y

i
của các điểm lới:
i
y
i
y
i
x
i
x
QmQm ;
(1-11)
và sai số trung phơng vị trí điểm:
Bộ môn Trắc địa công trình Đồ án tốt nghiệp
Vũ Phơng Thảo - 22 - Cao Đẳng Trắc địa A K49
i
y
i
x
i
y
i
x
i
P
QQmmm
22
(1-12)
Trong đó là sai số trung phơng trọng số đơn vị đã chọn khi tính trọng số
của các trị đo.

a- Phơng trình số hiệu chỉnh của các trị đo trong lới GPS
Trong định vị GPS, khoảng cách giả và pha sóng tải có thể đợc xem là
đại lợng đo trực tiếp.
Trong định vị tơng đối, hai máy thu đặt ở hai điểm i và k khác nhau,
quan trắc đồng bộ cùng một nhóm các vệ tinh để xác định X, Y, Z (hoặc
B, L, H) giữa hai điểm của vector đờng đáy D
ik
trong hệ toạ độ WGS-84.
Nh vậy, có thể xem X, Y, Z là các trị đo trong định vị tơng đối. Tất
nhiên X, Y và Z là tơng quan theo nghĩa của lý thuyết xác suất. Nhng
khi ớc tính độ chính xác của lới thiết kế, có thể xem một cách gần đúng là
chúng độc lập với nhau.
Về phơng diện mặt bằng, thay vì X và Y giữa hai điểm i và k, có
thể sử dụng chiều dài cạnh D
ik
và góc phơng vị
ik
đợc tính từ X, Y, nh
là các trị đo. Tất nhiên giữa D
ik
và
ik
cũng tơng quan theo nghĩa của lý
thuyết xác suất, và cũng đợc xem một cách gần đúng là chúng độc lập với
nhau khi ớc tính độ chính xác của lới GPS.
Với các ký hiệu quen thuộc, phơng trình số hiệu chỉnh chiều dài cạnh
D
ik
đợc viết:
V

Dik
= -cos
0
ik

i
- sin
0
ik

i
+ cos
0
ik

k
+ sin
0
ik

k
+ l
Dik
(1-13)
Phơng trình số hiệu chỉnh góc phơng vị
ik
đợc viết:
V
ik
= a

ik

i
+ b
ik

i
- a
ik

k
- b
ik

k
+ l

ik
(1-14)
Trong đó
0
0
0
0
cos
,
sin
ik
ik
ik

ik
ik
ik
D
b
D
a





Bộ môn Trắc địa công trình Đồ án tốt nghiệp
Vũ Phơng Thảo - 23 - Cao Đẳng Trắc địa A K49
b- Trọng số của các trị đo trong lới GPS
Sai số trung phơng chiều dài cạnh và sai số trung phơng phơng vị
cạnh trong lới GPS thờng đợc ớc tính theo các công thức có dạng tổng
quát nh sau:

)"(
)()(
2
2
22
D
b
am
mmbDam
D


(1-15)
Trong đó:
a - Hằng số cố định;
b - Hệ số tỷ lệ;
D - Chiều dài cạnh (tính theo km).
Trong trờng hợp định vị tơng đối - tĩnh:
a = 5 , b = 1
a

= 1 , b

= 5
Trọng số tơng ứng của các trị đo đợc tính theo công thức tổng quát:
2
i

i
m
C
P
(1-16)
Sai số trung phơng của các trị đo đợc tính theo các công thức (1-15)
đợc hiểu là sai số trung phơng chiều dài và phơng vị cạnh đợc đo trong
một thời đoạn (session).
1.6. tổng quan về các ứng dụng của công nghệ gps
1.6.1. ứng dụng GPS trong trắc địa cao cấp
Công nghệ GPS với các u điểm nổi bật nh độ chính xác cao, đo
nhanh, kinh phí thấp, thao tác đơn giản đã đợc ứng dụng rộng rãi để thành
lập lới trắc địa.
Bộ môn Trắc địa công trình Đồ án tốt nghiệp
Vũ Phơng Thảo - 24 - Cao Đẳng Trắc địa A K49
Đến nay công nghệ GPS đã dần dần thay thế các phơng pháp đo góc,
đo cạnh truyền thống trong việc thành lập lới trắc địa. Có thể chia lới GPS
thành hai loại:
Loại thứ nhất là lới GPS độ chính xác cao có tính chất toàn quốc hoặc
toàn cầu. Trong loại lới này khoảng cách giữa các điểm lân cận vào khoảng
mấy nghìn hoặc mấy chục nghìn km. Nhiệm vụ chủ yếu của lới là xây dựng
hệ toạ độ cho cả một quốc gia hay toàn cầu phục vụ cho nghiên cứu khoa học
về động lực học và khoa học không gian, nghiên cứu quy luật biến dạng của
vỏ trái đất và vận động mảng lục địa.
Loại thứ hai là lới GPS có tính chất khu vực nh lới GPS thành phố,
khu mỏ, lới GPS công trình. Trong loại lới này khoảng cách giữa các điểm
lân cận vào khoảng mấy km đến mấy chục km. Tác dụng của loại lới này là
thành lập mới lới khống chế mặt đất, kiểm tra cải thiện hoặc tăng dày lới đã
có, làm phù hợp mặt geoid khu vực.
1.6.2. ứng dụng GPS trong trắc địa ảnh hàng không

Một trong hai nhiệm vụ chủ yếu của trắc địa ảnh là thành lập tam giác
ảnh không gian, trong đó cần phải đo một số điểm khống chế ở mặt đất. Trớc
đây, công việc này đợc thực hiện bằng phơng pháp truyền thống với máy
kinh vĩ, máy đo dài hoặc toàn đạc điện tử. Trong phơng pháp truyền thống,
giữa các điểm khống chế lân cận cần phải nhìn thông nhau nên thờng gặp
nhiều khó khăn. Với các u điểm nổi bật, công nghệ GPS đã nhanh chóng
thay thế công nghệ truyền thống và trở thành biện pháp chủ yếu để đo điểm
khống chế mặt đất trong trắc địa ảnh hàng không.
ứng dụng GPS trong thành lập tam giác ảnh không gian còn là việc xác
định tâm pha anten máy thu GPS gắn trên máy bay chụp ảnh, từ đó xác định
toạ độ điểm trạm chụp. Độ chính xác vị trí điểm trạm chụp đợc xác định
bằng GPS hoàn toàn có thể đáp ứng đợc yêu cầu ddộ chính xác trong đo tam