Lựa chọn máy thu GPS ứng dụng đo đạc khảo sát công trình giao thông

Từ năm 1990 đến 1992 quá trình nghiên cứu và thử nghiệm để ứng dụng
công nghệ GPS vào đo đạc bản đồ ở nước ta đã rút ra kết luận quan trọng về những
đặc điểm chủ yếu của công nghệ định vị GPS là: Tự động hóa cao quá trình đo đạc
ngoại nghiệp và xử lý tính toán kết quả đo; độ chính xác cao hơn từ hai đến ba lần so
với công nghệ truyền thống; mở rộng khả năng kỹ thuật: đo đạc trên vài nghìn km,
xây dựng lưới tọa độ trên biển; định vị những đối tượng chuyển động, đo đạc thành
lập bản đồ, dẫn đường trong giao thông vận tải... Nhờ việc ứng dụng công nghệ GPS
mà quá trình đo đạc hầu như không chịu ảnh hưởng của thời tiết, khí hậu; tiết kiệm
thời gian đo nhiều lần so với công nghệ truyền thống, không phải dựng cột tiêu, phát
cây thông hướng; kinh phí xây dựng lưới giảm từ hai đến ba lần so với công nghệ
truyền thống; tạo điều kiện đáp ứng nhanh, đầy đủ, chính xác thông tin, phục vụ kịp
thời yêu cầu quản lý Nhà nước và phát triển kinh tế - xã hội, quốc phòng, anh ninh.
Từ đó đến nay, việc ứng dụng công nghệ GPS đã có những bước phát triển
rất lớn. Từ chỗ chỉ có 3 máy thu GPS 1 tần số của hãng TRIMBLE, đến nay ở Việt
Nam đã có rất nhiều máy thu GPS các loại của các hãng khác nhau, từ máy thu đặt
trên máy bay, máy thu 2 tần số, máy đo động đến máy có độ chính xác trung bình. Các
lĩnh vực ứng dụng công nghệ GPS hiện nay cũng rất đa dạng, từ ứng dụng để xây
dựng các mạng lưới toạ độ nhà nước, độ chính xác cao, khoảng cách lớn; ứng dụng
trong dẫn đường và xác định toạ độ tim tuyến, đo vẽ mặt cắt, tính khối lượng; xây
dựng các mạng lưới toạ độ, độ cao đường chuyền cấp 1, 2; dẫn đường và xác định toạ
độ đo vẽ bản đồ địa hình đáy biển; đo toạ độ độ cao các mốc quốc giới; xây dựng,
định vị các mạng lưới công trình v.v...


2.1. Giới thiệu hệ thống định vị toàn cầu GPS


Nguyên lý định vị GPS

Định vị tuyệt đối

Định vị tương đối

•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
vệ tinh đã biết toạ độ. Từ đó xác định
ngay ra toạ độ của điểm quan sát trong
hệ toạ độ WGS 84 quốc tế, có thể là các
thành phần toạ độ vuông góc không
gian (X, Y, Z) hoặc các thành phần toạ
độ trắc địa (B, L, H).

Đo GPS tương đối được thực hiện trên
cơ sở sử dụng đại lượng đo là pha
sóng tải. Trong phương pháp này sử
dụng ít nhất là hai máy thu GPS đặt ở
hai điểm quan sát khác nhau để xác
định ra hiệu tọa độ vuông góc không
gian (∆X, ∆Y, ∆Z) hay hiệu tọa độ trắc
địa (∆B, ∆L, ∆H) giữa chúng trong hệ
WGS 84 quốc tế.


Các phương pháp đo GPS

Đo GPS tuyệt đối

Đo GPS tương đối

Là kỹ thuật xác định toạ độ của điểm đặt
máy thu tín hiệu vệ tinh trong hệ toạ độ
toàn cầu WGS – 84. Kỹ thuật định vị này
là việc tính toạ độ của điểm đo nhờ việc
giải bài toán giao hội nghịch không gian
trên cơ sở khoảng cách đo được từ các vệ
tinh đến máy thu và toạ độ của các vệ tinh
tại thời điểm đo. Do nhiều nguồn sai số
nên độ chính xác vị trí điểm thấp, không
dùng được cho việc xác định chính xác,
dùng chủ yếu cho việc dẫn đường, và các
mục đích đo đạc có yêu cầu độ chính xác
không cao. Đối với phương pháp này sử
dụng một máy thu tín hiệu vệ tinh.

Thực chất của phương pháp đo là xác định
hiệu toạ độ không gian của hai điểm đo
đồng thời đặt trên hai đầu của khoảng cách
cần đo (Baseline). Độ chính xác của phương
pháp này rất cao do loại trừ được nhiều
nguồn sai số nên được sử dụng trong đo đạc
xây dựng lưới khống chế trắc địa và công
tác đo đạc bản đồ các loại tỷ lệ. Do bản chất
của phương pháp nên cần tối thiểu 2 máy
thu vệ tinh trong một thời điểm đo. Phụ

thuộc vào quan hệ của các trạm đo trong
thời gian đo mà người ta chia thành các loại
đo tương đối sau:


- Đo GPS
tĩnh (Static)
Đo
GPS
tương đối

Đây là phương pháp chính xác nhất vì nó sử dụng cả hai trị đo code và phase
sóng tải. Hai hoặc nhiều máy thu đặt cố định thu tín hiệu GPS tại các điểm cần đo toạ
độ trong khoảng thời gian thông thường từ 1 giờ trở lên.
Thời gian đó kéo dài để đạt được sự thay đổi đồ hình vệ tinh, cung cấp trị đo
dư và giảm được nhiều sai số khác nhằm mục đích đạt độ chính xác cao nhất. Đo
GPS tĩnh tương đối đạt độ chính xác cỡ centimet dùng cho các ứng dụng có độ chính
xác cao nhất, như thành lập lưới khống chế trắc địa, quan trắc biến dạng công trình....
- Đo GPS tĩnh nhanh (Fast static)
Phương pháp này bản chất giống như đo GPS tĩnh nhưng thời gian đo ngắn
hơn. Gọi là đo nhanh – tăng tốc độ là do giải nhanh được số nguyên đa trị. Phương
pháp đòi hỏi dữ liệu trị đo pha sóng tải và trị đo code. Phương pháp đo tĩnh nhanh với
máy thu GPS 2 tần số chỉ có hiệu quả trên cạnh ngắn. Thời gian đo tĩnh nhanh thay
đổi từ 8’÷ 30’ phụ thuộc vào số vệ tinh và đồ hình vệ tinh. Số nhiều hơn đảm bảo trị
đo dư với đồ hình vệ tinh phân bố đều sẽ hỗ trợ việc tìm nhanh số nguyên đa trị và
giảm thời gian định vị.
Hiện nay các hãng sản xuất đã có loại máy thu đo tĩnh nhanh với tần số L1 – C/A
Code. Hãng Trimble đã phát triển kỹ thuật đo tĩnh nhanh với máy thu 4600 LS (tần số
L1). 4800 (tần số L1, L2) và đặc biệt với máy thu GPSR7 GNSS thu được cả 3 tần số
L1, L2, L2C.

Đo GPS
động tức
thời (Kinematic).
Đo
GPS
tương
đối

Phương pháp được tiến hành với một
máy đặt tại trạm cố định (Base
station) và một hoặc nhiều các máy
khác (Rover stations) di động đến
các điểm cần đo toạ độ thu tín hiệu
vệ tinh đồng thời. Đo GPS động tức
thời là giải pháp nhằm giảm tối thiểu
thời gian đo so với phương pháp
GPS tĩnh nhưng vẫn đạt độ chính xác
cỡ cm.
Tuỳ thuộc vào thời điểm xử lý số liệu
đo – xử lý ngay tại thực địa hay
trong phòng sau khi đo, người ta chia
thành 2 dạng đo GPS động:
- Đo GPS động thời gian thực (GPS
RTK – Real Time Kinematic GPS).
- Đo GPS động xử lý sau (GPS PPK
– Post Processing Kinematic GPS).

Phương pháp đo GPS giả động.

Phương pháp đo giả động cũng 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,
tại mỗi điểm thu tín hiệu trong 5 – 10 phút.
Sau khi đo hết lượt máy di động quay 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. 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 5 – 10 phút
tại mỗi điểm đo, nghĩa là có thể tắt máy trong lúc
vận chuyển từ điểm nọ sang điểm kia. Điều này
cho phép áp dụng phương pháp cả ở khu vực có
nhiều vật che khuất.


Cấu
hình
GPS
Độ
chính
xác
Ảnh hưởng

của hình
cấu hình học
hình học
vệ tinhvà
được
thể hiện
bằng các
suy giảm chính xác
DOP (Dilution of Precision) và được tính bằng tỉ số giữa độ chính xác định vị và độ
chính xác đo, hoặc: σ = DOP. σo
Trong đó σo là độ chính xác của trị số đo (độ tán xạ tiêu chuẩn)
σ là độ chính xác định vị (độ tán xạ tiêu chuẩn trong một trị số tọa độ)
Các trị số DOP thường dùng nhất là:
VDOP. σo là độ chính xác tiêu chuẩn trong cao độ.
HDOP. σo là độ chính xác vị trí mặt phẳng 2D.
PDOP. σo là độ chính xác vị trí không gian 3D.
TDOP. σo là độ chính xác tiêu chuẩn trong thời gian.
THDOP. σo là độ chính xác mặt phẳng và thời gian.
GDOP. σo là độ chính xác vị trí không gian 3D và thời gian.


Các loại sai số trong đo GPS


Sai số do vệ tinh



Sai số do môi trường



Sai số do máy thu



Sai số do đồng hồ



Sai số do quĩ đạo vệ tinh



Sai số do tầng điện ly và tầng đối lưu



Sai số do nhiễu tín hiệu



Sai số do người đo


2.2 Giới thiệu máy thu GPS


Hiện nay trên thị trường Việt Nam có rất nhiều loại máy thu GPS như:
Trimble(Mỹ); Leica(Thụy Sĩ); Topcon(Nhật); South(Trung Quốc)…. Các

hãng máy này đều có các loại máy đo 1 tần, 2 tần… Nhưng thông dụng
và phổ biến, phần mềm dễ sử dụng, quen thuộc với người làm trắc địa tại
Việt Nam là hãng Trimble(Mỹ). Đây là loại máy đã được ứng dụng đầu
tiên tại Việt Nam để thành lập mạng lưới tọa độ cấp hạng cao nhà nước
với độ chính xác rất cao.



Các loại máy thu GPS của Trimble phục vụ công tác trắc địa hiện có bán
trên thị trường Việt Nam như: Trimble R3 System; Trimble R4 System;
Trimble R5 System; Trimble R6 System; Trimble R7 System; Trimble R8
System (có catalog và báo giá kèm theo)


2.3 Yêu cầu kỹ thuật khảo sát công trình giao thông


Lưới đường chuyền cấp 2 (ĐC2) với các chỉ tiêu kỹ thuật ghi trong được
đo đạc bằng máy toàn đạc điện tử (Total Station) và gương phản chiếu có
chân cố định.

- độ chính xác đo góc : ± 5".
- độ chính xác đo dài : ± ( 5mm+3ppm x D).
- chiều dài cạnh của lưới không nhỏ hơn 80 m và không lớn hơn 350 m. Tốt
nhất là từ 150m đến 250m.
- độ chính xác đo góc : m ≤ ± 10".
- độ chính xác đo cạnh : ms/s ≤ ± 1: 5000.
- sai số khép tương đối đường chuyền:
fx : sai số khép gia số toạ độ theo trục x.
fy : sai số khép gia số toạ độ theo trục y.

S : chiều dài giữa 2 điểm GPS hạng IV.
- sai số khép góc :

≤ 20" (n là số góc đo)

- sai số vị trí điểm:

≤ 50mm

: [ S] ≤ 1: 5000.


2.3 Yêu cầu kỹ thuật khảo sát công trình giao thông
Theo quy trình TCN-263-2000 khảo sát đường ô tô thì công tác đo đạc cần thực hiện:

Đối

với đường làm mới có cấp kỹ thuật 60 - 80 và đồng thời thuộc cấp quản lý I - II - III;
cũng như các cấp của đường cao tốc theo TCVN 5729-1997. Đối với đường hiện hữu do
Cấp quyết định đầu tư quyết định có hoặc không khảo sát theo toạ độ. Đường các cấp này
chủ yếu là các trục lộ quan trọng của quốc gia, công trình đường có liên quan đến quy
hoạch xây dựng cũng như các công trình dân dụng hiện hữu của nhiều ngành khác như
thuỷ điện, thuỷ lợi v.v... do vậy bình đồ cao độ tuyến đường phải gắn vào hệ toạ độ X,Y,
và độ cao quốc gia.

Để

đạt được yêu cầu này cần xây dựng hệ thống lưới khống chế mặt bằng trên toàn tuyến
gồm:
- Lưới khống chế mặt bằng hạng IV.

- Lưới đường chuyền cấp 2.
- Lưới độ cao hạng IV.
- Lưới độ cao cấp kỹ thuật.

Lưới

khống chế mặt bằng hạng IV được thực hiện bằng công nghệ GPS hoặc công nghệ
đo đạc thông thường với các chỉ tiêu độ chính xác trong hệ quy chiếu Gauss quy định
trong Quy phạm tạm thời của Tổng cục Địa chính ban hành năm 1996


2.3
Yêu
cầu
kỹ
thuật
khảo
sát
công
trình
giao
thông


Lưới khống chế độ cao hạng IV được xây dựng theo tiêu chuẩn cấp nhà
nước.

Các mốc cao độ này hoặc xây dựng độc lập hoặc sử dụng chung với các mốc
của lưới khống chế mặt bằng hạng IV ở Điều 7-32. Các mốc độ cao hạng
IV được tiến hành đo theo phương pháp đo cao hình học

Sai số khép cao độ phải thoả mãn yêu cầu : f h ≤ ± 20 (mm).
( L là chiều dài đường đo tính bằng km)


Lưới độ cao cấp kỹ thuật sử dụng hệ mốc ĐC2 và đo theo phương pháp đo
cao hình học.
Sai số khép cao độ phải thoả mãn yêu cầu:
* Đối với đồng bằng:
* Đối với miền núi:

fh ≤ ± 30
fh ≤ ± 50

(mm).

(mm).

( L là chiều dài đường đo tính bằng km).
Trong trường hợp địa hình quá dốc (1km phải đặt >25 trạm máy ) thì:
sai số khép cao độ cũng không được vượt quá f hcp ≤ ± 10
(trong đó n là số trạm máy trong đường đo).






Với những tính năng của các máy thu GPS Trimble như R3; R4; R5;
R6; R7; R8 đã được đề cập trong catalog cũng như các thực nghiệm ta
nhận thấy hoàn toàn đáp ứng được các yêu cầu kỹ thuật của công tác

khảo sát công trình giao thông. Độ chính xác cao, giảm chi phí thực
địa, rút ngắn thời gian thi công, đem lại hiệu quả kinh tế rất cao
Trong số các máy thu GPS trên thì R3 rất phù hợp cho công tác khảo
sát công trình giao thông bởi vì R3 có được những tính năng ứng dụng
như:
- Đo đạc thành lập lưới khống chế tọa tọa từ hạng III trở xuống
- Đo đạc xác định độ cao với độ chính xác tương đương thủy chuẩn kỹ
thuật (có thể đạt thủy chuẩn hạng III, IV nếu sử dụng thuật toán phù hợp)
- Đo đạc chi tiết thành lập bản đồ địa hình tỉ lệ lớn, khu vực ít bị che khuất
bởi các công trình xây dựng và tán cây.
- Đo đạc xác định mặt cắt địa hình, tính toán khối lượng đào đắp…




Khi kết hợp máy thu GPS R3 với máy toàn đạc điện tử là sự kết hợp
hoàn thiện để ứng dụng vào đo đạc khảo sát công trình giao thông.
Chi phí để mua máy R3 rẻ hơn rất nhiều so với R4; R5; R6; R7; R8. Ví
dụ như máy thu GPS R3 rẻ hơn máy thu GPS R4: 8,35 lần và rẻ hơn
máy thu GPS R5: 10,97 lần