Nghiên cứu hoàn thiện phương pháp tính chuyển toạ độ gps về hệ toạ độ thi công trong công trình

bộ giáo dục và đào tạo
trờng đại học mỏ - địa chất
---------- * * * ----------

Phạm văn Tuấn

Nghiên cứu hoàn thiện
phơng pháp tính chuyển tọa độ gps
về hệ tọa độ thi công trong công trình

luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Hà néi - 2012


1

BỘ GIÁO DỤC VÀ ðÀO TẠO
TRƯỜNG ðẠI HỌC MỎ-ðỊA CHẤT
---------- * * * ----------

PHẠM VĂN TUẤN

NGHIÊN CỨU HOÀN THIỆN PHƯƠNG PHÁP
TÍNH CHUYỂN TỌA ðỘ GPS VỀ HỆ TỌA ðỘ
THI CƠNG TRONG CƠNG TRÌNH

Chun ngành: Kỹ thuật trắc địa
Mã số:

60.52.85

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
TS. TRẦN VIẾT TUẤN

Hà Nội - 2012


2

LỜI CAM ðOAN

Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng tôi, các số
liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng ñược ai cơng bố
trong bất kỳ cơng trình khác.

Tác giả luận văn

Phạm Văn Tuấn


3

MỤC LỤC
Trang
Lời cam ñoan

2

Mục lục

3

Danh mục các bảng

6

Danh mục các hình vẽ

8

Mở đầu

9

Chương 1. GIỚI THIỆU CHUNG

12

1.1. Các giai đoạn khảo sát, thiết kế và thi công xây dựng công trình

12

1.1.1. Cơng tác khảo sát trắc địa phục vụ thiết kế cơng trình

12

1.1.2. Cơng tác trắc địa phục vụ thi cơng xây lắp cơng trình

12

1.1.3. Cơng tác trắc địa phục vụ quan trắc biến dạng cơng trình

13

1.2. Lưới khống chế thi cơng trắc địa cơng trình

13

1.2.1. Các đặc điểm của lưới khống chế thi cơng trong trắc địa cơng trình

13

1.2.2. Các dạng lưới

13

1.2.3. ðộ chính xác và mật độ điểm

16

1.2.4. Vai trị của lưới trắc địa cơng trình trong từng giai đoạn

17

1.3. Cơng nghệ GPS

18

1.3.1. Cơ sở lý thuyết của công nghệ GPS

18

1.3.2. Cấu trúc của hệ thống GPS

20

1.3.3. Các ñại lượng ño GPS

24

1.3.4. Nguyên lý và kỹ thuật ño GPS

28

1.3.5. Kỹ thuật ño GPS

32

1.3.6. Các loại sai số trong ño GPS

35

1.4. Ứng dụng công nghệ GPS trong trắc ñịa cơng trình

38

1.4.1. ðặc điểm của lưới khống chế thi cơng thành lập bằng công nghệ GPS

38

1.4.2. Ứng dụng GPS trong giai đoạn khảo sát thiết kế cơng trình

40

1.4.3. Ứng dụng GPS trong giai đoạn trong thi cơng xây dựng cơng trình

40


4

1.4.4. Ứng dụng GPS trong giai ñoạn quan trắc chuyển dịch cơng trình

41

1.4.5. Ưu điểm

42

1.4.6. Nhược điểm

42

Chương 2: TÍNH CHUYỂN TỌA ðỘ LƯỚI ðO GPS TRONG TRẮC ðỊA
CƠNG TRÌNH

43

2.1.Các hệ toạ độ thường dùng trong trắc địa cơng trình

43

2.1.1. Hệ tọa độ tồn cầu WGS-84

43

2.1.2. Hệ tọa độ vng góc khơng gian địa tâm

44

2.1.3. Hệ tọa độ trắc địa

45

2.1.4. Hệ tọa độ vng góc khơng gian địa diện chân trời

46

2.1.5. Hệ tọa độ phẳng vng góc

47

2.1.6. Hệ toạ độ HN-72 và VN-2000

48

2.2. Sự cần thiết phải tính chuyển toạ độ lưới đo GPS

50

2.3.Một số phương pháp tính chuyển toạ độ lưới đo GPS

51

2.3.1. Bài tốn tính chuyển giữa 2 hệ tọa độ vng góc phẳng

51

2.3.2. Bài tốn tính chuyển từ hệ tọa ñộ ñịa tâm về hệ tọa ñộ ñịa diện chân trời 57
2.4. Những vấn ñề cần nghiên cứu tiếp tục hồn thiện bài tốn tính chuyển toạ
độ lưới GPS
Chương 3: NGHIÊN CỨU HỒN THIỆN PHƯƠNG PHÁP TÍNH CHUYỂN
TỌA ðỘ LƯỚI ðO GPS VỀ HỆ TỌA ðỘ THI CÔNG TRONG CƠNG TRÌNH
3.1. ðặt vấn đề

64

3.2. Nghiên phương hồn thiện pháp và thuật tốn tính chuyển tọa độ lưới GPS

64

3.2.1. Xác định phương pháp và thuật tốn tính chuyển tọa độ lưới GPS có
phạm vi rộng
3.2.2. Thuật tốn tính chuyển toạ ñộ lưới GPS về mặt thuỷ chuẩn khu vực

64
65

3.3. Xây dựng quy trình và phần mềm tính chuyển toạ ñộ lưới GPS

68

3.3.1. Xây dựng quy trình và sơ ñồ khối thuật tốn tính chuyển

68

3.3.2. Xây dựng phần mềm tính chuyển tọa ñộ

75

63
64

Chương 4: MỘT SỐ KẾT QUẢ ðO ðẠC VÀ TÍNH TỐN THỰC NGHIỆM 79


5

4.1. Bài tốn tính chuyển giữa hai hệ tọa độ phẳng

79

4.2. Bài tốn tính chuyển từ hệ tọa độ địa tâm về hệ tọa ñộ ñịa diện chân trời

81

4.3. Bài tốn tính chuyển tọa độ GPS về mặt thủy chuẩn khu vực

85

Kết luận và kiến nghị

92

Danh mục cơng trình cơng bố của tác giả

94

Tài liệu tham khảo

95

Phụ lục


6

DANH MỤC CÁC BẢNG
Trang
Bảng 2.1. Tọa ñộ các ñiểm khống chế cầu Bắc Luân hệ tọa ñộ Trung Quốc

52

Bảng 2.2. Tọa ñộ các ñiểm khống chế cầu Bắc Luân hệ tọa ñộ Việt Nam

52

Bảng 2.3. Bảng so sánh chiều dài cạnh tứ giác cầu tính trong múi 108 và

58

múi 107 với chiều dài đo bằng máy tồn đạc điện tử
Bảng 2.4. Bảng so sánh chiều dài cạnh lưới tứ giác cầu Nhật Tân tính
o

63

o

trong múi 105 00’ và múi 105 30’
Bảng 4.1. Bảng thống kê tọa ñộ các ñiểm khống chế bờ Trung Quốc

80

chuyển ñổi về hệ tọa ñộ Việt Nam
Bảng 4.2. Bảng so sánh chiều dài cạnh lưới tứ giác cầu Nhật Tân

81

tính trong múi 105o00’ và múi 105o30’
Bảng 4.3. Bảng tọa độ vng góc khơng gian địa diện chân trời

82

Bảng 4.4. Bảng tọa độ tính chuyển về hệ tọa độ cơng trình

83

o

(hệ tọa độ VN2000 - KTT 105 30’)
Bảng 4.5. Bảng so sánh chiều dài tính chuyển về múi 105o30’

83

Với cạnh đo bằng máy tồn đạc điện tử
Bảng 4.6. Bảng tọa độ vng góc khơng gian địa diện chân trời

84

Bảng 4.7. Bảng tọa ñộ 4 ñiểm ñã chuyển về múi 108

84

Bảng 4.8. Bảng so sánh kết quả chiều dài cạnh trong múi 108 với chiều

85

dài đo (đã tính chuyển về hệ tọa độ cơng trình)
Bảng 4.9. So sánh kết quả đo cạnh lưới GPS khu cơng nghiệp n Phong

86

Bảng 4.10. Bảng tọa độ vng góc khơng gian địa diện chân trời

87

Bảng 4.11. Bảng tọa ñộ phẳng kinh tuyến trục 105o30’

88

Bảng 4.12. So sánh kết quả ño cạnh lưới GPS khu cơng nghiệp n Phong 89
(sau tính chuyển )
Bảng 4.13. Bảng tọa độ tính chuyển về mặt thủy chuẩn khu vực

90

Bảng 4.14. Bảng so sanh chiều dài cạnh 2 các phương pháp tính chuyển

90

cà cạnh đo bằng máy tồn ñạc


7

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Trang
Hình 1.1. Sơ đồ lưới khống chế thi cơng cầu vượt

15

Hình 1.2. Ngun tắc cơ bản của bài tốn định vị tuyệt đối bằng vệ tinh

19

Hình 1.3. Phân bố vệ tinh trên quỹ đạo

21

Hình 1.4. Vệ tinh GPS

21

Hình 1.5. C/A-code (Coarse/Acquisition code)

21

Hình 1.6. P-code (Precision code)

22

Hình 1.7. Các thơng tin điều biến sóng tải L1, L2

22

Hình 1.8. Sơ đồ vị trí các trạm theo dõi và trạm điều khiển GPS

23

Hình 1.9. Thiết bị thu tín hiệu vệ tinh

24

Hình 1.10. ðo khoảng cách giả theo mã C/A-code và P-code

27

Hình 1.11. ðịnh vị tuyệt đối

28

Hình 1.12. Ngun lý ñịnh vị tương ñối

30

Hình 1.13. Sai phân bậc một

31

Hình 1.14. Sai phân bậc hai

31

Hình 1.15. Sai phân bậc ba

32

Hình 2.1. Hệ tọa độ địa tâm WGS-84

44

Hình 2.2. Hệ tọa độ vng góc khơng gian địa tâm

44

Hình 2.3. Hệ tọa độ trắc địa

45

Hình 2.4. Hệ tọa độ vng góc khơng gian địa diện chân trời

46

Hình 2.5. Hệ tọa độ vng góc phẳng Gauss-Kruger

47

Hình 2.6. Hệ tọa độ UTM

48

Hình 2.7. Sơ đồ lưới khống chế cầu Bắc Ln

52

Hình 2.8. Chuyển đổi tọa độ vng góc phẳng

55

Hình 2.9. Lưới khống chế cầu Bãi Cháy

58

Hình 2.10. Hệ tọa độ địa tâm và hệ tọa ñộ ñịa diện chân trời

62

Hình 3.1. Mối liên hệ ñộ cao mặt quy chiếu và ñộ cao của ñiểm khống chế

65

Hình 3.2. Sơ đồ khối thuật tốn tính chuyển tọa ñộ giữa 2 hệ tọa ñộ phẳng

69

Hình 3.3. Sơ ñồ khối thuật tốn chuyển đổi từ hệ tọa độ địa tâm về hệ tọa

71

ñộ ñịa diện chân trời


8

Hình 3.4. Thuật tốn tính chuyển tọa độ GPS về mặt thủy chuẩn cơng trình 75
Hình 3.5. Giao diện chính của chương trình tính chuyển tọa độ

76

Hình 3.6. Module tính chuyển từ hệ tọa ñộ ñịa tâm vầ hệ tọa độ địa diện

77

chân trời
Hình 3.7. Module tính chuyển giữa 2 hệ tọa độ phẳng

78

Hình 4.1. Sơ đồ lưới khống chế cầu Bắc Ln

79

Hình 4.2. Lưới thi cơng cầu Nhật Tân

81

Hình 4.3. Sơ đồ lưới GPS khu cơng nghiệp n Phong

85

Hình 4.4. Sơ ñồ lưới Yên Phong dạng tuyến

89


9

MỞ ðẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Hiện nay cơng nghệ GPS (Global Position System) ñã và ñang trở lên rất
phổ biết trên thế giới và ñược ứng dụng vào nhiều lĩnh vực khác nhau bởi nhiều
ưu ñiểm vượt trội mà nó mang lại. Trong trắc địa nói chung cơng nghệ GPS
ñược ứng dụng rất ña dạng như thành lập lưới khống chế liên lục ñịa ñể nghiên
cứu sự dịch chuyển của vỏ trái ñất, lưới khống chế quốc gia, cho đến việc đo vẽ
chi tiết các cơng trình.
Trong lĩnh vực trắc địa cơng trình ở Việt Nam, cơng nghệ GPS ñược ứng

dụng ñể thành lập lưới khống chế tọa ñộ trong các giai ñoạn khảo sát thiết kế, thi
công xây lắp cơng trình và quan trắc biến dạng cơng trình.
Lưới khống chế thi cơng đóng một vai trị quan trọng trong q trình thi
cơng xây lắp các cơng trình. Chất lượng của lưới khống chế thi cơng sẽ đảm bảo
độ chính xác của cơng trình trong q trình xây dựng và hồn thiện. ðể đảm bảo
tính chính xác bố trí cơng trình ra thực địa thì lưới khống chế thi cơng phải đảm
bảo u cầu về tính đồng nhất hệ tọa ñộ thiết kế và hệ tọa ñộ thi công, sự biến
dạng về chiều dài các cạnh của lưới khống chế thi cơng được thành lập bằng
cơng nghệ GPS so với chiều dài cạnh ño ñược trên bề nặt cơng trình là nhỏ nhất.
Do đó, khi ứng dụng cơng nghệ GPS thành lập lưới khống chế thi công cần phải
tính chuyển tọa độ các điểm đo GPS về hệ tọa độ thi cơng cơng trình nhằm đảm
bảo tính đồng nhất giữa tọa ñộ thiết kế và tọa ñộ thi cơng.
Vấn đề tính chuyển tọa độ GPS về hệ tọa độ thi cơng cơng trình ở Việt
Nam hiện nay đã có một số đề tài nghiên cứu cụ thể như “Nghiên cứu ứng dụng
cơng nghệ GPS trong trắc địa cơng trình điều kiện Việt Nam” [9] có đề cập đến
vấn ñề tính chuyển tọa ñộ GPS về hệ tọa ñộ thi cơng cơng trình. Tuy nhiên
những nghiên cứu trước đây vẫn chưa giải quyết được vấn đề tính chuyển tọa độ
đối với các dạng lưới cơng trình dạng tuyến có chiều dài lớn. Trong khuôn khổ
nghiên cứu của luận văn này tơi đi sâu nghiên cứu hồn thiện thêm về phương


10

pháp tính chuyển tọa độ GPS về hệ tọa độ thi cơng cơng trình, đặc biệt là đối với
các cơng trình dạng tuyến có chiều dài lớn.
ðược sự hướng dẫn của Tiến sĩ Trần Viết Tuấn tơi thực hiện đề tài
“Nghiên cứu hồn thiện phương pháp tính chuyển tọa độ GPS về hệ tọa độ
thi cơng trong cơng trình”
2. Mục đích nghiên cứu
- Nghiên cứu khả năng ứng dụng cơng nghệ GPS thành lập lưới khống

chế thi cơng
- Hồn thiện phương pháp tính chuyển tọa độ các điểm đo GPS về hệ tọa
độ thi cơng cơng trình
- Xây dựng phần mền tính chuyển tọa độ trong trắc địa cơng trình
- Kết quả nghiên cứu của luận văn sẽ ñược áp dụng vào thực tế góp phần
nâng cao độ chính xác và rút ngắn thời gian tính chuyển tọa độ.
3. ðối tượng và phạm vi nghiên cứu của ñề tài
Luận văn tập trung nghiên cứu phương pháp tính chuyển tọa độ cho các
dạng lưới khống chế thi cơng trong cơng trình.
Phạm vi nghiên cứu là lưới khống chế thi công cầu và lưới khống chế thi
cơng đường.
4. Nội dung nghiên cứu
- Nghiên cứu khả năng ứng dụng công nghệ GPS trong trắc địa cơng trình;
- Nghiên cứu phương pháp và thuật tốn tính chuyển tọa độ GPS về hệ tọa
độ thi cơng cơng trình;
- Thành lập phầm mềm và quy trình tính chuyển tọa độ GPS về hệ tọa độ
thi cơng cơng trình nhằm nâng cao độ chính xác và hiệu quả ứng dụng GPS
trong cơng trình.
5. Phương pháp nghiên cứu
ðể thực hiện được những mục đích nghiên cứu, luận văn ñã sử dụng các
phương pháp nghiên cứu sau:


11

- Phương pháp thống kê: Thu thập, tổng hợp các tài liệu liên quan ñến ñề
tài nghiên cứu;
- Phương pháp phân tích: Tổng hợp, xử lý các tài liệu, phân tích và giải
quyết các vấn đề mà đề tài đặt ra;
- Phương pháp thực nghiệm: Tiến hành thực nghiệm ño đạc và tính tốn

trên các các lưới và cơng trình cụ thể;
- Phương pháp so sánh: So sánh ñối chiếu giữa kết quả của phương pháp
tính chuyển truyền thống với phương pháp tính chuyển về mặt thủy chuẩn khu
vực từ ñó ñưa ra kết luận.
6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của ñề tài
- Ý nghĩa khoa học:
Khẳng ñịnh khả năng ứng dụng cơng nghệ GPS trong trắc địa cơng trình,
đặc biệt trong việc thành lập lưới khống chế thi cơng;
Góp phần hồn thiện cơng tác sử lý số liệu GPS trong trắc địa cơng trình.
- Ý nghĩa thực tiễn:
Kết quả thực hiện đề tài góp phần đánh giá khả năng ứng dụng cơng nghệ
GPS trong trắc địa cơng trình nhằm nâng cao hiệu quả kinh tế khi thành lập các
dạng lưới thi cơng, đảm bảo độ chính xác cần thiết và tiến độ thi cơng các cơng
trình;
Phần mềm tính chuyển tọa độ các điểm đo GPS về hệ tọa độ thi cơng
cơng trình cho phép đảm bảo độ chính xác bố trí cơng trình xây dựng.
7. Cấu trúc của luận văn
Luận văn hồn thành được trình bày trong 95 trang, gồm 4 chương với 19
bảng, 37 hình vẽ và 4 phụ lục tính.


12

Chương 1
GIỚI THIỆU CHUNG
1.1. CÁC GIAI ðOẠN KHẢO SÁT, THIẾT KẾ VÀ THI CƠNG XÂY DỰNG
CƠNG TRÌNH
Cơng tác trắc địa là một khâu công việc quan trọng và không thể thiếu
trong tồn bộ các cơng tác khảo sát, thiết kế, thi cơng xây lắp cơng trình trên mặt
bằng xây dựng. Chúng ñược thực hiện theo một ñề cương hoặc một phương án

kỹ thuật đã được cấp có thẩm quyền phê duyệt và phù hợp với tiến ñộ chung của
các giai ñoạn khảo sát, thiết kế, xây lắp và ñánh giá độ ổn định của trì cơng
trình.
Bản thiết kế cơng trình ñược ñưa ra trên cơ sở nghiên cứu các tài liệu
khảo sát thực ñịa. Một trong những nhiệm vụ chủ yếu nhất của việc khảo sát khu
vực xây dựng công trình là chọn trong vùng quy định một địa điểm thỏa mãn
đầy đủ nhất các điều kiện hoạt động bình thường của cơng trình, đồng thời bảo
đảm chi phí nhỏ nhất cho quy hoạch mặt bằng, ñộ cao và thi cơng cơng trình.
Trong giai đoạn khảo sát, thiết kế cơng trình cơng tác trắc địa ln ln cung
cấp các tài liệu khảo sát kịp thời và chính xác cho các nhà thiết kế và thi cơng
cơng trình.
Cơng tác trắc địa phục vụ xây dựng cơng trình gồm 3 giai đoạn chính:
1.1.1. Cơng tác khảo sát Trắc địa phục vụ thiết kế cơng trình
Trong giai đoạn này cơng tác Trắc địa bao gồm:
Thành lập lưới khống chế mặt bằng và ñộ cao phục vụ cho việc ño vẽ bản
ñồ tỷ lệ lớn, ño vẽ trắc dọc, trắc ngang, lập báo cáo nghiên cứu khả thi và thiết
kế kỹ thuật thi công.
1.1.2. Cơng tác trắc địa phục vụ thi cơng xây lắp cơng trình
Trong giai đoạn này cơng tác trắc địa bao gồm:
- Thành lập lưới khống chế mặt bằng và ñộ cao phục vụ bố trí chi tiết và
thi cơng xây lắp cơng trình;


13

- Kiểm tra kích thước hình học và căn chỉnh các kết cấu cơng trình;
- ðo vẽ hồn cơng cơng trình.
1.1.3. Cơng tác trắc địa phục vụ quan trắc biến dạng cơng trình
Trong giai đoạn này thường thành lập hệ thống lưới khống chế 2 cấp ñộc
lập nhằm xác ñịnh ñầy ñủ, chính xác các giá trị chuyển dịch, phục vụ việc đánh

giá độ ổn định và bảo trì cơng trình.
1. Cấp lưới cơ sở: Bao gồm các điểm khống chế cơ sở bố trí ngồi cơng
trình, nơi có điều kiện địa chất ổn định, có thế bảo quản được lâu dài và thuận
tiện cho việc quan trắc tới các điểm gắn trên cơng trình. Các điểm của lưới cơ sở
dùng làm gốc khởi tính tọa độ cho các điểm của lưới quan trắc, vì vậy thường có
u cầu rất cao về ñộ ổn ñịnh.
2. Cấp lưới quan trắc: Bao gồm các điểm kiểm tra đặt tại những vị trí đặc
trưng trên cơng trình và chuyển dịch cùng cơng trình.
Như vậy ñặc ñiểm của lưới khống chế trong các giai đoạn là địi hỏi độ
chính xác cao và thời gian thi cơng ngắn.
1.2. LƯỚI KHỐNG CHẾ THI CƠNG TRẮC ðỊA CƠNG TRÌNH
1.2.1. Các đặc điểm của lưới khống chế thi cơng trong trắc địa cơng trình
Lưới khống chế thi cơng là một mạng lưới gồm các điểm có tọa độ ñược
xác ñịnh chính xác và ñược ñánh dấu bằng các mốc kiên cố trên mặt bằng xây
dựng và ñược dùng làm cơ sở để bố trí các hạng mục cơng trình từ bản vẽ thiết
kế ra thực địa, lưới khống chế thi cơng được xây dựng sau khi đã giải phóng và
san lấp mặt bằng.
Lưới khống chế mặt bằng và ñộ cao ñược thành lập ở khu vực thành phố,
khu công nghiệp, khu năng lượng, sân bay, bến cảng, cầu cống, ñường hầm… là
cơ sở trắc ñịa phục vụ cho khảo sát thiết kế, thi công xây dựng các công trình,
được gọi là lưới khống chế thi cơng cơng trình.


14

1.2.2. Các dạng lưới
Mỗi cơng trình có một đặc điểm khác nhau về hình dáng, kích thước, diện
tích khu vực xây dựng và độ chính xác cần thiết. Do đó, lưới khống chế trắc địa
trong thi cơng cũng rất đa dạng, lưới khống chế thi cơng phụ thuộc vào đặc điểm
của từng cơng trình và trang thiết bị hiện có của ñơn vị :

1. Lưới khống chế ở khu vực thành phố
Ở thành phố không thành lập lưới chuyên dùng mà sử dụng lưới khống
chế nhà nước làm cơ sở, nhưng chiều dài cạnh rút ngắn 1,5 ÷ 2 lần để có mật độ
1 điểm/(5 ÷ 15)Km2. Lưới được tăng dày ñể bảo ñảm ño vẽ bản ñồ tỷ lệ 1:500.
Loại và dạng của lưới phụ thuộc vào diện tích và hình dạng của thành
phố. Thành phố có dạng kéo dài thì thành lập chuỗi tam giác đơn hoặc kép.
Thành phố có dạng trải rộng thì thành lập lưới có dạng đa giác trung tâm và có
thể đo thêm các đường chéo. Thành phố lớn có diện tích rộng thì thành lập lưới
gồm nhiều ña giác trung tâm.
2. Lưới khống chế khu vực cơng nghiệp
Lưới khống chế trên tồn khu vực ñược thành lập trong giai ñoạn khảo sát
là cơ sở ñể ño vẽ bản ñồ, ñồng thời cũng dựa vào đó để thành lập lưới bố trí
cơng trình.
ðối với khu vực cơng nghiệp có diện tích trên 30 km2, cơ sở khống chế là
các ñiểm của lưới nhà nước.
ðối với khu vực nhỏ hơn thì thành lập lưới cục bộ có độ chính xác như
lưới hạng IV nhà nước.
ðể bố trí cơng trình, ở khu vực cơng nghiệp thường thành lập lưới ô
vuông xây dựng.
3. Lưới khống chế cho cơng trình cầu vượt
Cơ sở ước tính độ chính xác cần thiết của lưới là u cầu về độ chính xác
đo chiều dài cầu và độ chính xác vị trí trụ cầu, thường từ 1÷3 cm. ðồ hình cơ
bản của lưới thường là tứ giác trắc ñịa ñơn hoặc kép. Một hoặc hai cạnh ñáy


15

được đo với độ chính xác 1: 200 000 ÷ 1: 300 000; góc đo với độ chính xác
mβ=1÷2”.

Hình 1.1. Sơ đồ lưới khống chế thi cơng cầu vượt
Ngày nay, máy ño dài ñiện tử ñược sử dụng rộng rãi, lưới trắc địa trong
xây dựng cầu thường đo góc - cạnh kết hợp. Trong trường hợp này đồ hình lưới
có thể ñơn giản hơn mà vẫn ñảm bảo yêu cầu.
Với sự phát triển của cơng nghệ GPS thì lưới khống chế thi cơng cầu có
thể được thành lập hồn tồn bằng cơng nghệ GPS hoặc kết hợp trị đo GPS và
trị đo cạnh của máy tồn đạc điện tử. Khi đó đồ hình lưới có thể được bố trí linh
hoạt, thường là lưới tứ giác trắc ñịa.
4. Lưới khống chế thành lập cho khu ñầu mối thủy lợi - thủy ñiện
Lưới trắc ñịa thường ñược thành lập ở khu ñầu mối thủy lợi - thủy ñiện là
lưới tam giác ño góc cạnh. ðặc điểm của lưới tam giác trong khu vực này là
cạnh ngắn (0,5 ÷ 1,5Km), đo góc và cạnh đáy với độ chính xác cao:
mβ= 1” ÷ 1”,5
mS = 1: 200 000 ÷ 1: 250 000
Sai số vị trí điểm cỡ 5 mm.
Hình dạng lưới phụ thuộc vào chiều dài, hình dạng của đập, chiều rộng
của sơng và địa hình hai bên bờ sơng.
Xu hướng chính thành lập lưới khống chế khu vực ñầu mối thủy lợi - thủy
điện là:
- Các điểm được bố trí gần các trục cơ bản của cơng trình, một cạnh trùng
với trục đập;


16

- ðo góc - cạnh kết hợp để đơn giản hóa kết cấu của lưới mà độ chính xác
vẫn bảo ñảm;
- Khi xây dựng ñập bê tông cao, các ñiểm của lưới khống chế cần ñược
phân bố ở hai bờ, có độ cao khác nhau để tiện bố trí đập.
Ngày nay ta có thể thành lập lưới khống chế khu vực đầu mối thủy lợi thủy điện bằng cơng nghệ ñịnh vị GPS. Với phương pháp GPS thì ñồ hình của

lưới không khác nhiều so với các mạng lưới trắc ñịa truyền thống.
5. Lưới không chế trắc ñịa cho công trình đường hầm
Hình dạng lưới khống chế trắc địa cho ñường hầm phụ thuộc vào hình
dạng của tuyến hoặc hệ thống ñường hầm.
ðối với một tuyến ñường hầm, thường thành lập chuỗi tam giác, ño cạnh
ñáy ở hai ñầu chuỗi tam giác đo góc - cạnh kết hợp. ðể chuyền tọa độ và
phương vị xuống hầm, cần phải có điểm của lưới khống chế ở gần miệng giếng
ñứng và cửa hầm.
6. Cơng trình địi hỏi độ chính xác cao
ðối với cơng trình địi hỏi độ chính xác cao như nhà máy gia tốc hạt, cơng
trình cao, tháp vơ tuyến… nhưng phạm vi nhỏ thì thành lập lưới tam giác nhỏ đo
cạnh (25 ÷ 50 m) độ chính xác rất cao (0,1 ÷ 0,5 mm).
Lưới khống chế trắc địa cơng trình có thể được thành lập dưới dạng lưới
tam giác đo góc, đường chuyền (đa giác), lưới đo góc - cạnh kết hợp, lưới tam
giác đo cạnh độ chính xác cao hoặc lưới ơ vng xây dựng, trong những năm
gần đây nhờ áp dụng cơng nghệ định vị vệ tinh GPS vào cơng tác lập lưới khống
chế nên ta có thêm một phương pháp thành lập lưới mới đó là phương pháp định
vị GPS.
1.2.3. ðộ chính xác và mật độ điểm
u cầu về độ chính xác và mật độ điểm của lưới trắc địa cơng trình tùy
thuộc vào u cầu nhiệm vụ phải giải quyết trong từng giai ñoạn khảo sát, thiết
kế, thi cơng và sử dụng cơng trình.


17

Trong giai ñoạn khảo sát, nhiệm vụ chủ yếu của trắc địa là cung cấp bản
đồ địa hình các loại tỉ lệ. Khi đó lưới khống chế được thành lập với độ chính xác
tùy thuộc tỉ lệ bản đồ cần ño vẽ.
Trong giai ñoạn thi công, nhiệm vụ của trắc ñịa là trực tiếp phục vụ thi

công. ðể xác ñịnh độ chính xác của lưới khống chế thi cơng phải dựa trên cơ sở
đảm bảo độ chính xác cần thiết bố trí các hạng mục cơng trình.
Trong trường hợp chung nhất, lưới trắc địa cơng trình được thành lập,
phát triển nhằm bảo đảm cơng tác bố trí cơ bản và đo vẽ bản đồ địa hình tỷ lệ
1:500. Ngồi ra lưới trắc địa cơng trình cịn nhằm mục đích bảo đảm độ chính
xác bố trí chi tiết cơng trình và quan trắc chuyển dịch, biến dạng cơng trình. Vì
vậy, cần phải xét ñến hai trường hợp:
1. Yêu cầu về ñộ chính xác của lưới bố trí cơng trình tương đương ñộ
chính xác của lưới ño vẽ.
Trong trường hợp này, lưới trắc địa cơng trình được phát triển theo
ngun tắc từ tổng thể ñến cục bộ như lưới nhà nước và có thể dựa vào các điểm
của lưới nhà nước đã có trên khu vực xây dựng cơng trình.
2. u cầu độ chính xác của lưới bố trí cơng trình cao hơn hẳn so với độ
chính xác đo vẽ bản đồ.
Trong trường hợp này phải thành lập lưới chuyên dùng cho cơng trình.
Các điểm của lưới nhà nước đã có trong khu vực chỉ ñược dùng làm số liệu gốc
cần thiết tối thiểu để nối lưới trắc địa cơng trình vào hệ thống tọa độ nhà nước.
1.2.4. Vai trị của lưới trắc địa cơng trình trong từng giai đoạn
Vị trí, mật ñộ ñiểm và ñộ chính xác của lưới trắc ñịa cơng trình chun
dùng sẽ tùy thuộc vào u cầu và đặc điểm của từng cơng trình và giai đoạn xây
dựng cơng trình. Do đó, vai trị của lưới khống chế trắc địa trong từng giai đoạn
cũng khác nhau. Thí dụ khi xây dựng ñầu mối thủy lợi - thủy ñiện:
+ Giai ñoạn khảo sát, thiết kế: lưới khống chế trắc ñịa phục vụ ño vẽ bản ñồ.
+ Giai ñoạn thi cơng: lưới khống chế trắc địa phục vụ cho bố trí cơng trình.


18

+ Giai đoạn sử dụng cơng trình: lưới khống chế ñược sử dụng ñể quan
trắc chuyển dịch, biến dạng công trình.

ðặc điểm của lưới khống chế thi cơng cơng trình là rất ña dạng và phụ
thuộc rất nhiều vào ñiều kiện thực tế của từng cơng trình, địa hình… Lưới khống
chế thi cơng có các đặc điểm khác so với lưới khống chế ño vẽ bản ñồ là:
Phạm vi khống chế nhỏ, mật độ điểm dầy, u cầu độ chính xác cao;
Số lần sử dụng nhiều;
Chịu ảnh hưởng của thi cơng.
Lưới khống chế thi cơng được phép phát triển theo hai giai đoạn:
Lưới khống chế thi cơng mặt bằng và lưới khống chế độ cao chính;
Lưới khống chế thi cơng mặt bằng và lưới khống chế ñộ cao chi tiết phát
triển từ lưới khống chế thi công mặt bằng và lưới khống chế độ cao chính bằng
phương pháp đo tam giác, giao hội, ñường chuyền kinh vĩ và ño cao kỹ thuật.
Như vậy, u cầu về độ chính xác tăng dần. Việc phát triển xây dựng lưới
phải linh hoạt, hợp lý sao cho có thể sử dụng tối đa kết quả của giai ñoạn trước
vào các giai ñoạn sau của q trình xây dựng cơng trình.
1.3. CƠNG NGHỆ GPS
1.3.1. Cơ sở lý thuyết của công nghệ GPS
ðể giải quyết nhiệm vụ xác định vị trí điểm trên bề mặt trái ñất dựa vào
quan sát vệ tinh, người ta ñưa ra hai ngun tắc đó là ngun tắc hình học và
ngun tắc ñộng học.
Trước ñây người ta ñưa lên quỹ ñạo một số vệ tinh nhân tạo đóng vai trị
như những mục tiêu di động phát sáng. Nhờ đó các trạm quan sát trên mặt đất có
thể ghi nhận được vị trí bằng chụp ảnh vệ tinh trên nền sao. Bằng cách này
người ta có thể tiến hành xác định vị trí điểm quan sát trên mặt đất mà khơng
cần biết vị trí trính xác của vệ tinh. Các vệ tinh này ñược gọi là các vệ tinh thụ
ñộng (Passive Satellites). Và bài tốn xác định trong trường hợp này được giải
quyết theo nguyên tắc hình học. Những thời gian sau này, nhờ sự phát triển của


19

kỹ thuật ñiện tử, các vệ tinh ñược trang bị nguồn phát tín hiệu vơ tuyến, gương
phản chiếu laser, đồng hồ chính xác..v.v . Trong q trình chuyển động trong
quỹ ñạo người ta xác ñịnh ñược vị trí trính xác của vệ tinh (trong hệ tọa độ). Từ
đó xác định ñược vị trí của các trạm thu tín hiệu vệ tinh hoặc trạm ño khoảng
cách tới vệ tinh bằng laser. Các vệ tinh như vậy gọi là các vệ tinh chủ động
(Active Satellites) và bài tốn định vị trong trường hợp này ñược giải quyết theo
nguyên tắc ñộng học. Các vệ tinh của hệ thống TRANSIT, GPS và GLONASS
thuộc nhóm vệ tinh chủ động.
ðể định vị, người ta có thể thực hiện ñịnh vị tuyệt ñối hoặc ñịnh vị tương
ñối. ðịnh vị tuyệt đối là xác định vị trí tuyệt ñối của ñiểm quan sát trong hệ tọa
ñộ quy ước, cịn định vị tương đối là xác định hiệu tọa ñộ (vị trí tương ñối) của
hai hoặc nhiều ñiểm quan sát trong hệ tọa độ đó.
Hình 1.2. Ngun tắc cơ bản của bài tốn định vị tuyệt đối bằng vệ tinh
S

S

ρ1

ρ

r

r

ρ2

M
M1

R

o

Hình 1.2a

∆R

o

M2

Hình 1.2b

Trên (hình 1.2b), S là vị trí của vệ tinh, nhờ thu tín hiệu từ vệ tinh ta xác
ñịnh ñược véc tơ từ ñiểm quan sát ñến vệ tinh, ký hiệu là ρ. Nếu vị trí của vệ


20

tinh vào thời điểm quan sát đã biết thì véc tơ địa tâm r hồn tồn xác định. Như
vật vị trí của điểm quan trắc M sẽ được xác định thơng qua biểu thức:
R=r-ρ

(1.1)

ðể định vị tương đối giữa hai ñiểm M1 và M2 trên mặt ñất (Hình 1.3),
người ta sử dụng phương pháp ño ñồng thời từ hai ñiểm quan trắc. Từ đó ta lập
được hai phương trình tại hai ñiểm quan trắc là :
R1 = r - ρ1

(1.2)

R2 = r - ρ2

(1.3)

Từ hai phương trình trên ta xác ñịnh ñược vị trí tương ñối giữa hai ñiểm:
∆R = R1- R2 = ρ2- ρ1

(1.4)

Có thể thấy rằng bằng phương pháp quan trắc đồng thời, ta có thể xác
định được vị trí tương đối giữa các điểm trên mặt đất mà khơng cần biết vị trí
chính xác của vệ tinh (r). Trong nguyên tắc ñộng học, nhờ quan sát ñồng thời hai
ñiểm nên ñã giảm ñược khá nhiều nguồn sai số, ñặc biệt là sai số của vệ tinh.
1.3.2. Cấu trúc của hệ thống GPS
Hệ thống định vị tồn cầu GPS bao gồm 3 bộ phận cấu thành 3 ñoạn (Segment)
ðoạn khơng gian (Space Segment);
ðoạn điều khiển (Control Segment);
ðoạn sử dụng (User Segment).
1. ðoạn không gian (Space Segment)
ðoạn không gian ñến nay bao gồm 24 vệ tinh chuyển ñộng trên 6 mặt
phẳng quỹ ñạo và 3 vệ tinh dự trữ. Vệ tinh chuyển ñộng ở ñộ cao khoảng
20180km. Mặt phẳng quỹ đạo nghiêng với mặt phẳng xích đạo trái đất một góc
55o, quỹ đạo của mỗi vệ tinh cách nhau 60o kinh. Chu kỳ chuyển ñộng của vệ
tinh là 12h ñồng hồ. Với sự phân bố quỹ ñạo trên vệ tinh như vậy, trong bất kỳ
thời gian nào và ở bất kỳ vị trí quan trắc nào trên trái đất cũng có thể quan trắc
được ít nhất 4 vệ tinh GPS. Hình dạng vệ tinh GPS được thể hiện ở (hình 1.4).

21

Tất cả các vệ tinh GPS đều có thiết bị tạo dao ñộng tần số chuẩn sơ sở
f0=10.23 MHz. Từ tần số cơ sở f0 sẽ tạo ra hai tần số sóng tải L1, L2.
Sóng tải
L1
L2

Tần số (MHz)
154f0 = 1575.42
120f0 =1227.60

Hình 1.3. Phân bố vệ tinh trên quỹ đạo

Bước sóng (cm)
19,023
24,42

Hình 1.4. Vệ tinh GPS

Các sóng tải L1, L2 thuộc dải sóng cực ngắn. Với tần số lớn như vậy các
tín hiệu sẽ ít bị ảnh hưởng của tầng điện li (tầng ion) và tần đối lưu vì mức độ
làm chậm tín hiệu do tầng điện li tỷ lệ nghịch với bình phương của tần số.
ðể phục vụ cho các mục đích và các đối tượng khác nhau. Các tín hiệu
phát ñi ñược ñiều biến mang theo các code riêng biệt, đó là C/A code và P-code.
Hình 1.5. C/A-code (Coarse/Acquisition code)

Là code thơ cho phép dùng rộng rãi. Tín hiệu mang code này có tần số
thấp (1.023MHz) tương ứng với bước sóng 293m. C/A-code chỉ điều biến sóng

tải L1, song nếu có sự can thiệp của các trạm điều khiển trên mặt đất có thể


22

chuyển sang cả L2. Chu kỳ của C/A-code là 1 mili giây, trong đó chứa 1023
bite, mỗi một vệ tinh phát đi C/A-code khác nhau.
Hình 1.6. P-code (Precision code)

P-code là code chính xác, được dùng trong mục đích qn sự địi hỏi độ
chính xác cao và chỉ được dùng cho mục đích khác khi phía Mỹ cho phép. Tín
hiệu của P-code có tần số đúng bằng tần số chuẩn f0 (10.23MHz), tương ứng với
bước sóng 29.3 m. P-code điều biến cả sóng L1 và L2.
L1:C/A-code 1.023 MHz
P-code 10.23 MHz
Thơng tin đạo hàng
L2: P-code 10.23 MHz
Thơng tin đạo hàng

Hình 1.7. Các thơng tin điều biến sóng tải L1, L2
2. ðoạn điều khiển (Control Segment)
ðoạn ñiều khiển ñược thiết lập ñể duy trì hoạt động của tồn bộ hệ thống
định vị này. Trạm ñiều khiển trung tâm (Master Control Station viết tắt là MCS)
được cài đặt tại căn cứ khơng qn của Mỹ gần Colorado springs. Trạm điều
khiển trung tâm này có nhiệm vụ chủ yếu trong giai ñoạn ñiều khiển, cập nhật
thơng tin đạo hàng truyền đi từ vệ tinh. Cùng phối hợp hoạt ñộng ñiều khiển với
trạm trung tâm là hệ thống hoạt ñộng kiểm tra (Openrational Control System
viết tắt là OCS) bao gồm 4 trạm theo dõi (monitoring stations) phân bố quanh

23

Trái đất. ðó là các trạm Hawaii (Thái Bình Dương), Ascension Islands (ðại Tây
Dương), Diego Garcia (ấn ðộ Dương) và Kwajalein (Tây Thái Bình Dương).

Hình 1.8. Sơ đồ vị trí các trạm theo dõi và trạm ñiều khiển GPS
Các trạm này theo dõi liên tục tất cả các vệ tinh có thể quan sát được. Các
số liệu quan sát được ở các trạm này ñược chuyển về trạm ñiều khiển trung tâm
ở Colorado Springs, tại đây việc tính tốn số liệu chung ñược thực hiện và kết
quả xử lý cho ra các Ephemerit chính xác hóa của vệ tinh và số hiệu chỉnh cho
các ñồng hồ trên vệ tinh. Từ trạm trung tâm các số liệu này ñược truyền trở lại
cho các trạm theo dõi để từ đó truyền tiếp lên cho vệ tinh cùng các lệnh ñiều
khiển khác
Như vậy, vai trị của người điều khiển trung tâm rất quan trọng vì nó
khơng chỉ theo dõi các vệ tinh mà cịn liên tục cập nhật để chính xác hóa các
thơng tin đạo hàng bảo đảm độ chính xác cho cơng tác ñịnh vị bằng hệ thống
GPS.
3. ðoạn sử dụng (User Segment)


24

Hình 1.9. Thiết bị thu tín hiệu vệ tinh
ðoạn sử dụng bao gồm các máy thu GPS, máy hoạt ñộng ñể thu tín hiệu
vệ tinh GPS phục vụ cho các mục đích khác nhau như dẫn đường trên biển, trên
khơng, trên đất liền, và phục vụ cho cơng tác đo ñạc ở nhiều nơi trên thế giới.
ðó có thể là một máy thu riêng biệt hoạt ñộng ñộc lập (trường hợp định vị tuyệt
đối) hay một nhóm gồm từ hai máy thu trở lên hoạt ñộng ñồng thời theo một
lịch trình thời gian nhất định (trường hợp định vị tương ñối) hoặc hoạt ñộng theo
chế ñộ một máy thu ñóng vai trị máy chủ phát tín hiệu vơ tuyến để hiệu chỉnh

cho các máy thu khác (trường hợp ñịnh vị vi phân). ðó cịn là cả một hệ thống
dịch vụ ñặt hàng GPS ña năng trên phạm vi toàn cầu hoặc ở từng khu vực ñang
ñược thiết lập ở một số nước phát triển.
1.3.3. Các ñại lượng ño GPS
1. ðo khoảng cách giả theo pha sóng tải
Mỗi vệ tinh được trang bị một máy phát tần số chuẩn nguyên tử với ñộ ổn
ñịnh rất cao. Tần số cơ sở là fo = 10,23 MHz, Từ tần số cơ sở này tạo ra hai
sóng tải (mang). Các sóng tải L1 và L2 được sử dụng cho việc định vị với độ
chính xác cao nên phương pháp ño này ñược ứng dụng nhiều hơn cả.