Nghiên cứu ứng dụng công nghệ gps để thành lập lới khống chế thi công đầu mối công trình thuỷ điện

Bộ giáo dục và đào tạo
Trờng đại học mỏ - địa chất
----------------------

Nguyễn Huy quang

Nghiên cứu ứng dụng công nghệ GPS
để thành lập lới khống chế thi công đầu mối
công trình thủy điện

Chuyên ngành: Kỹ thuật Trắc địa
MÃ số: 60.52.85

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Ngời hớng dẫn khoa học:
PGS.TS. Trần Khánh

Hà Néi – 2007


1

Lời cam đoan

Tôi xin cam đoan tòan bộ luận văn này là do tôi nghiên cứu và viết ra,
hòan tòan không sao chép ở bất kỳ một tài liệu nào. Các kết quả nghiên cứu và
thực nghiệm đa ra trong luận văn là hoàn toàn trung thực cha đợc ai công
bố trong công trình nào.
Hà Nội, ngày 14 tháng 8 năm 2007
Tác giả

Nguyễn Huy Quang


2
Danh mục các hình
Hình 1.2: Qũy đạo Vệ tinh .............................................................................. 10
Hình 1.3: Vệ tinh ............................................................................................. 10
Hình 1.4: Các loại tín hiệu của vệ tinh GPS .................................................... 11
Hình 1.5: Các trạm điều khiển của hệ thống GPS ........................................... 12
Hình 1.6: Nguyên lý điều khiển của hệ thống GPS......................................... 13
Hình 1.7: Hình ảnh một số loại máy thu GPS hiện đại ................................... 15
Hình 1.9: Nguyên lý đo tuyệt đối .................................................................... 19
Hình 1.10: Nguyên lý đo tơng đối................................................................. 22
Hình 1.13: Sai số do hiện tợng đa đờng ...................................................... 28
Hình 1.15: Giá trị PDOP ................................................................................. 29
Hình 1.16: Đo lới khống chế thi công khu đầu mối thủy điện Pleykrong .... 34
Hình 2-1: Bản vẽ thiết kế mốc tam giác thủy công ......................................... 41
Hình 2-2: Toàn cảnh mốc tam giác thủy công ................................................ 41
Hình 2.3. Chuỗi tam giác ................................................................................ 42
Hình 2.9. Lập kế hoạch đo .............................................................................. 60
Hình 2.10. Chọn thời gian đo .......................................................................... 60
Hình 3.1: Giao diện chính của Modul manager .............................................. 71
Hình 3.2: Các lựa chọn trong project menu .................................................... 72
Hình 3.3: Các lựa chọn trong Plan Menu ........................................................ 72
Hình 3.4: Các lựa chọn trong Load Menu ....................................................... 73
H×nh 3.5: Process Menu .................................................................................. 74
H×nh 3.6: Adjust Menu.................................................................................... 74
H×nh 3.7: View Menu ...................................................................................... 75
H×nh 3.8: Utilities Menu ................................................................................. 75

Hình 3.9: Help Menu....................................................................................... 76
Hình 3.10. Sơ đồ quy trình xử lý số liệu bằng phần mềm GPSurvey 2.35 ...... 77
H×nh 3.11. Modul b×nh sai l−íi ....................................................................... 80
Hình 3.12. Trị đo baseline .............................................................................. 86
Hình 3.13. Tính chuyển giữa hai hệ tọa độ phẳng .......................................... 92
Hình 4.1: Sơ đồ lới khống chế thi công thuỷ điện An Khê ........................... 97


3
Danh mục các bảng
Bảng 1.1: Tính năng kỹ thuật của một số loại máy thu GPS ........................... 15
Bảng 1. 2: Bảng so sánh việc sử dụng sóng tải và các mh (C/A, P) ............... 18
Bảng 1.3. ......................................................................................................... 29
Bảng 2.1: Phân cấp lới khống chế thi công [12] .......................................... 37
Bảng 2.2: Th«ng sè kü tht cđa l−íi khèng chÕ thi c«ng [12] .................... 37
Bảng 2.3.Yêu cầu độ chính xác bổ trí các hạng mục công trình..................... 39
Bảng 2.4.Giá trị hiệu độ cao của cạnh đo và độ cao mặt chiếu....................... 46
Bảng 2.5.Giá trị khoảng cách từ kinh tuyến trục đến công trình .................... 48
Bảng 2.6. Yêu cầu kỹ thuật cơ bản khi đo GPS [5] ......................................... 57
Bảng 3.1: Kết quả tính khái lợc bằng phần mềm WAVE ............................. 79
Bảng 4.1 Tọa ®é ®iĨm gèc ............................................................................... 99
B¶ng 4.2 Täa ®é thiÕt kÕ và sai số vị trí điểm ............................................... 100
Bảng 4.3: Kết quả toạ độ sau bình sai GPS ................................................... 102
Bảng 4. 4 ........................................................................................................ 104
B¶ng 4.5 ......................................................................................................... 104
B¶ng 4.6 ......................................................................................................... 105
B¶ng 4.7 ......................................................................................................... 105


4

Mục lục
Mục lục ......................................................................................................... 2
Danh mục các hình ................................................................................. 2
Danh mục các bảng................................................................................ 3
Mở đầu ........................................................................................................... 6
Chơng 1:Tổng quan về công nghệ GPS và khả năng ứng
dụng trong ngành Trắc ®Þa–Thđy ®iƯn ..................................... 9
1.1 .Giíi thiƯu cÊu tróc cđa hƯ thống định vị GPS ........................................ 9
1.2. Các đại lợng đo GPS ........................................................................... 16
1.3. Các phơng pháp và kỹ thuật đo GPS .................................................. 18
1.4. Các nguồn sai số trong đo GPS ............................................................ 26
1.5. Đặc điểm công tác trắc địa trong thủy điện ......................................... 30
1.6. Tình hình ứng dụng công nghệ GPS trong công tác trắc địa thủy điện. 32
Chơng 2:thành lập lới khống chế thi công khu đầu
mối công trình thủy điện bằng công nghệ GPS ................... 36
2.1. Lới khống chế thi công khu vực đầu mối thủy điện ............................. 36
2.2. Chän hƯ quy chiÕu cho m¹ng l−íi khèng chÕ thi công khu đầu mối thủy
điện .............................................................................................................. 45
2.3. Phơng pháp thiết kế và Ước tính độ chính xác lới thi công thành lập
bằng công nghệ GPS.................................................................................... 49
2.4. Qui trình đo và các yếu tố ảnh hởng đến độ chính xác trong đo GPS
lới khống chế thi công ............................................................................... 57
2.5. Giới thiệu một số mạng lới thi công khu đầu mối công trình thuỷ điện
ở Việt Nam .................................................................................................. 62
Chơng 3:Tính toán xử lý số liệu lới KHốNG CHế thi
công ĐO BằNG CÔNG NGHệ GPS ......................................................... 66
3.1. Đặc Điểm tính toán xử lý sè liƯu l−íi khèng chÕ thi c«ng .................. 66
3.2. Thuật toán bình sai gián tiếp lới GPS trong hệ tọa độ vuông góc không
gian địa tâm ................................................................................................. 67
3.3. Xử lý lới khống chế thi công bằng phần mềm GPSURVEY 2.35 ..... 70

3.4 . TÝnh chun täa ®é .............................................................................. 92


5
Chơng 4: phần thực nghiệm ........................................................... 95
4.1. Giới thiệu công trình thuỷ điện An Khê ............................................... 96
4.2. Thiết kế sơ đồ lới và kết cấu mốc ....................................................... 96
4.3. Ước tính ®é chÝnh x¸c l−íi thiÕt kÕ ...................................................... 98
4.4. Tỉ chøc đo đạc ngoại nghiệp.............................................................. 101
4.5. Công tác tính toán bình sai ................................................................. 102
Kết luận và kiến nghị ....................................................................... 107
1- Kết luận ................................................................................................. 107
2- Kiến nghị ............................................................................................... 107
Tài liệu tham khảo ............................................................................. 109


6
Mở đầu

1. Tính cấp thiết của đề tài
Công nghệ GPS ngày nay đh trở nên phổ biến ở Việt nam cũng nh tại
nhiều Quốc gia khác. Về vấn đề ứng dụng công nghệ GPS vào mục đích
thành lập các loại lới khống chế đh trở nên quen thuộc với chúng ta. Cho đến
nay khoa học phát triển khả năng sử dụng công nghệ GPS ngày càng cao hơn,
các phần mềm xử lý số liệu ngày càng u việt và đáp ứng các yêu cầu đa dạng
của thực tế sản xuất.
Đặc biệt trong các công trình thuỷ điện, việc xây dựng các mốc khống chế
thi công có độ chính xác cao (lới tam giác thuỷ công) tại khu vực đầu mối
bằng các phơng pháp truyền thống trớc đây còn gặp nhiều khó khăn ngoài
thực địa nh: công tác chọn điểm, thông hớng, thời gian đo đạc, vv... do điều

kiện địa hình, vị trí địa lí rất phức tạp.
sử dụng công nghệ GPS xây dựng lới khống chế thi công khu đầu mối
các công trình thuỷ điện có ý nghĩa khoa học và thực tiễn vì khi áp dụng công
nghệ này chúng ta tiết kiệm đợc thời gian sản xuất, giảm bớt nhân công, giải
quyết đợc một số vấn đề khó khăn nêu trên.
Vì vậy, việc nghiên cứu đề tài Nghiên cứu ứng dụng công nghệ GPS
để thành lập lới khống chế thi công đầu mối công trình thuỷ điện là rất
cần thiết, sẽ giải quyết đợc những vấn đề khó khăn nêu trên.
2. Mục đích nghiên cứu của đề tài
Nghiên cứu nguyên lý hoạt động của hệ thống GPS
Nghiên cứu các phơng pháp đo GPS , u nhợc điểm của từng phơng
pháp, từ đó sẽ chọn phơng pháp đo hợp lí và đảm bảo độ chính xác đối với
lới khống chế thi công khu đầu mối công trình thuỷ điện
Nghiên cứu đặc điểm, yêu cầu kỹ thuật của lới khống chế thi công mặt
bằng trong công trình thuỷ điện.


7
Nghiên cứu quy trình đo đạc lới khống chế thi công khu vực đầu mối
công trình thuỷ điện bằng công nghệ GPS.
Xử lí số liệu GPS bằng phần mềm chuyên dụng.
Tiến hành đo đạc thực nghiệm tại công trờng thuỷ điện, xử lý số liệu,
tính toán bình sai trên phần mềm hiện có và đánh giá kết quả.
3. Nhiệm vụ của đề tài
- Thu thập, nghiên cứu các tài liệu liên quan về ứng dụng công nghệ GPS
trong xây dựng công trình, độ chính xác và các tiêu chuẩn trong xây dựng.
- Thu thập các số liệu thực tế từ việc xây dựng lới khống chế thi công
tại các công trình thuỷ điện: Sông Ba Hạ, Sơn La, An Khê-Kanak, ...
- Xây dựng quy trình đo đạc và xử lí số liệu GPS trong thành lập lới
không chế thi công.

- Sử dụng phần mềm GPSurvey2.35 để tính toán bình sai lới khống chế
mặt bằng.
- Tổng hợp các kết quả thu đợc, so sánh, đánh giá và đa ra các kết luận.
4. Đối tợng và phạm vi nghiên cứu
- Đo đạc và tính toán bình sai lới khống chế thi công khu đầu mối công
trình thuỷ điện Sông Ba Hạ, An Khê-Kanak...
- Nghiên cứu ứng dụng phần mềm GPSurvey 2.35 để xư lÝ sè liƯu GPS
5. Néi dung nghiªn cøu
- Nghiªn cứu công nghệ GPS
- Nghiên cứu phơng pháp thành lập lới khống chế thi công khu đầu
mối công trình thuỷ điện.
- Nghiên cứu phơng pháp tính toán xử lý số liệu lới khống chế thi công
đo bằng công nghệ GPS.
- Nghiên cứu quy trình công nghệ đo đạc và xử lý số liệu lới khống chế
thi công khu đầu mối thuỷ điện.
6. Phơng pháp nghiên cứu
- Phơng pháp thống kê: thu thập, tổng hợp, xử lý các thông tin và tài
liệu liên quan.
- Phơng pháp phân tích: sử dụng các phơng tiện và các công cụ tiện


8
ích, phân tích có lôgíc các t liệu, số liệu hiện có làm cơ sở để giải quyết các
vấn đề đặt ra.
- Phơng pháp so sánh: tổng hợp các kết quả, so sánh đánh giá và đa ra
các kết luận chính xác về vấn đề đặt ra.
7. ý nghĩa khoa học và thực tiễn
Qua nghiên cứu chúng ta thấy rằng độ chính xác định vị GPS tơng đối
trên khoảng cách ngắn đạt độ chính xác cao xấp xỉ độ chính xác đo chiều dài
bằng các máy toàn đạc điện tử thông dụng hiện nay. Trong một số trờng hợp,

điều kiện đo trên công trờng xây dựng bị hạn chế về khả năng thông hớng,
việc sử dụng GPS trong công tác xây dựng các mạng lới trắc địa công trình
đh tỏ ra linh hoạt, mang lại hiệu quả cao về kinh tế và kỹ thuật.
Công nghệ GPS đh mở ra nhiều khả năng ứng dụng trong chuyên ngành
trắc địa công trình. Với các trị đo cạnh ngắn và liên kết trong một mạng lới
chặt chẽ, công nghệ GPS có tiềm năng đạt đợc độ chính xác cao về vị trí
tơng hỗ giữa các điểm trong lới đáp ứng đợc nhiều tiêu chuẩn chặt chẽ của
các mạng lới chuyên dùng trong TĐCT.
Đối với các công trình thuỷ điện có địa hình phức tạp, độ dốc lớn, quy
mô công trình lớn, kéo dài theo dọc sông thì việc ứng dụng công nghệ GPS
trong xây dựng thành lập các loại lới khống chế là hoàn toàn hợp lí và đạt
hiệu quả cao hơn so với các phơng pháp truyền thống trớc đây.
Luận văn này đợc hoàn thành tại Trờng Đại học Mỏ - Địa Chất, dới
sự hớng dẫn của PGS.TS. Trần Khánh.
Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đối với thầy hớng dẫn, ngời đh tận tình
chỉ bảo và giúp đỡ tôi hoàn thành luận văn này. Trong quá trình nghiên cứu và viết
luận văn, tôi đh nhận đợc nhiều sự giúp đỡ, đóng góp quý báu từ các thầy cô
trong bộ môn Trắc địa công trình, Khoa Trắc địaTrờng ĐH Mỏ Địa Chất, Phòng
Kỹ thuật Địa hìnhCông ty t vấn xây dựng điện 1- Tập đoàn điện lực Việt Nam
Do thời gian hạn chế, kinh nghiệm và kiến thức có hạn nên bản luận văn
này không tránh khỏi thiếu sót. Tôi rất mong nhận đợc những ý kiến đóng góp
quý báu để cho những kết quả nghiên cứu của luận văn này đợc hoàn thiện hơn.


9
Chơng 1
Tổng quan về công nghệ GPS và khả năng ứng dụng
trong ngành Trắc địaThủy điện

1.1. Giới thiệu cấu trúc của hệ thống định vị GPS

Hệ thống định vị toàn cầu GPS (Global Positioning System) đợc bắt
đầu triển khai từ những năm 1970 do quân đội Mỹ thực hiện. Nhiệm vụ chủ
yếu của hệ thống là xác định tọa độ không gian và tốc độ chuyển động của tàu
vũ trụ, máy bay, tàu thủy và các chuyển động trên đất liền, phục vụ cho bộ
quốc phòng Mỹ và các cơ quan dân sự của Mỹ. Vào đầu thập kỷ 80, hƯ thèng
GPS ®h chÝnh thøc cho phÐp sư dơng réng rhi trên thế giới. Từ đó các nhà khoa
học của nhiều nớc đh nghiên cứu phát triển công nghệ GPS để đạt đợc
những thành quả cao nhất trong việc phát huy nguồn tiềm năng to lớn này.
Đối với Việt Nam, công nghệ GPS đh có mặt từ đầu những năm 90 của
thế kỷ trớc, chủ yếu đợc nghiên cứu ứng dụng để thành lập lới tọa độ quốc
gia và lới địa chính cơ sở. Trong những năm gần đây, công nghệ GPS bắt đầu
đợc nghiên cứu ứng dụng trong một số lĩnh vực của trắc địa công trình.
Hệ thống định vị toàn cầu GPS bao gồm 3 phần chính:
- Phần không gian: mô tả cấu trúc của các quỹ đạo vệ tinh, số lợng vệ
tinh trên một mặt phẳng quỹ đạo, các loại tín hiệu đợc phát đi từ vệ tinh.
- Phần điều khiển:
Phần không gian
(Space Segment)

mô tả mạng lới trắc địa vũ
trụ bao gồm các trạm quan
sát vệ tinh với mục đích

Các trạm giám sát
(Monitor Stations)

Phần sử dụng
(User Segment)

xác định chính xác quỹ đạo

chuyển động của các vệ

Phần điều khiển
(Control Segment)

tinh, truyền các thông tin
điều khiển và các dữ liệu
cần thiết lên vệ tinh.
Hình 1.1: Tổng quan về cấu tróc cđa hƯ thèng GPS


10
- Phần sử dụng: đây là phần khai thác sử dụng bao gồm các loại máy
thu tín hiệu vệ tinh đợc đặt trên máy bay, tàu thủy hoặc trên mặt đất, các
phần mềm xử lý tín hiệu vệ tinh.
Khái quát về các bộ phận cấu thành của hệ thống GPS và chức năng của
chúng có thể đợc tóm tắt nh sau :
1.1.1 Phần không gian (Space Segment)
Phần này gồm 24 vệ tinh, trong
đó có 3 vệ tinh dự trữ, quay trên 6
mặt phẳng quỹ đạo cách đều nhau và
có góc nghiêng 55o so với mặt phẳng
xích đạo của trái đất. Quỹ đạo của vệ
tinh hầu nh là tròn và ở độ cao
khoảng 20.200 km. Chu kỳ quay của
vệ tinh là 718 phót, nh− vËy vƯ tinh
sÏ bay qua ®óng ®iĨm cho trớc trên
mặt đất một ngày một lần.
Hình 1.2: Qũy đạo Vệ tinh
Mỗi vệ tinh đợc trang bị máy phát tần số chuẩn nguyên tử chính xác cao

cỡ 10-12. Máy phát này tạo ra các tín hiệu tần số cơ sở 10,23 MHZ, và từ đây
tạo ra các sóng tải tần số L1 = 1575,42 MHZ và L2 = 1227,60 MHZ. Ngời ta sử
dụng tần số tải để làm giảm ảnh hởng của tầng điện ly.

Hình 1.3: Vệ tinh


11
Các sóng tải đợc điều biến bởi 2 loại code khác nhau là: C/A - code
và P - code.
- C/A - code (Coarse/Acquisition code) là code thô, nó đợc sử dụng cho
mục đích dân sự và chỉ điều biến sóng tải L1. Code này đợc tạo bởi một chuỗi
các chữ số 0 và 1 đợc sắp xếp theo quy luật tựa ngẫu nhiên với tần số 1,023
MHZ tức là bằng 1/10 tần số cơ sở và đợc lặp lại sau mỗi một miligiây. Mỗi
vệ tinh đợc gán cho một C/A - code riêng biệt.
- P - code (precice code) là code chính xác, đợc sử dụng cho các mục
đích quân sự, đáp ứng yêu cầu chính xác cao và điều biến cả 2 sóng tải L1 và
L2. Code này đợc tạo bởi nhiều chuỗi các chữ số 0 và 1 đợc sắp xếp theo
quy luật tựa ngẫu nhiên với tần số 10,23 MHZ; độ dài toàn phần của code là
267 ngµy, nghÜa lµ chØ sau 267 ngµy P- code míi lặp lại. Tuy vậy, ngời ta
chia code này thành các đoạn có độ dài 7 ngày và gán cho mỗi vệ tinh một
trong các đoạn code nh thế, cứ sau một tuần lại thay đổi. Bằng cách này P code rất khó bị giải mh để sử dụng nếu không đợc phép.
L1: C/A-code 1.023 MHz
P - code 10.23 MHz
Thông tin đạo hàng
L2: P - code 10.23 MHz
Thông tin đạo hàng

Hình 1.4: Các loại tín hiệu của vệ tinh GPS
Cả hai sóng tải L1 và L2 còn đợc điều biến bởi các thông tin đạo hàng

bao gồm: tọa độ theo thời gian cđa vƯ tinh (ephermeris), thêi gian cđa hƯ
thèng, sè hiệu chỉnh cho đồng hồ của vệ tinh, quang cảnh phân bố vệ tinh trên
bầu trời và tình trạng của hÖ thèng.


12
Ngoài hai sóng tải L1 và L2 phục vụ mục đích định vị cho ngời sử dụng
(khách hàng), các vệ tinh còn dùng hai sóng tần số 1783,74 MHZ và 2227,5
MHZ để trao đổi thông tin với các trạm điều khiển trên mặt đất.
1.1.2. Phần điều khiển (Control Segment)
Phần này gồm các trạm quan sát trên mặt đất, trong đó có một trạm điều
khiển trung tâm đặt tại Colorado Springs (Căn cứ không quân Mỹ); 4 trạm
theo dõi đặt tại Hawaii (Thái Bình Dơng), Ascension Island (Đại Tây
Dơng), Diego Garcia (ấn Độ Dơng) và Kwajalein (Tây Thái Bình Dơng).
Các trạm này tạo thành một vành đai bao quanh trái đất.

Hình 1.5: Các trạm điều khiển của hệ thống GPS
Nhiệm vụ của các trạm này là điều khiển toàn bộ hoạt động và chức năng
của các vệ tinh trên cơ sở theo dõi chuyển động quỹ đạo của vệ tinh và hoạt
động của đồng hồ trên đó. Tất cả các trạm đều có máy thu GPS để tiến hành
đo khoảng cách và sự thay đổi khoảng cách tới tất cả các vệ tinh có thể quan
sát đợc, đồng thời đo các số liệu khí tợng. Tất cả các số liệu đo nhận đợc ở
các trạm điều khiển tự động đợc truyền về trạm trung tâm 15 phút một lần.
Tại trạm trung tâm, các số liệu truyền về từ các trạm đợc xử lý kết hợp với số
liệu đo của chính trạm đó, kết quả cho ra các ephemerit chính xác hóa của vệ
tinh và số hiệu chỉnh cho các đồng hồ trên vệ tinh. Từ trạm trung tâm này các


13
số liệu đợc tự động truyền trở lại cho các trạm quan sát từ đó truyền tiếp lên

các vệ tinh.
Nh vậy các thông tin đạo hàng và thông tin thời gian trên vệ tinh
thờng xuyên đợc chính xác hóa và chúng đợc cung cấp cho ngời sử dụng
thông qua các sóng tải L1 và L2. Việc chính xác hóa thông tin đợc tiến hành
3 lần trong một ngày.

Hình 1.6: Nguyên lý điều khiển của hệ thống GPS
Mạng lới các trạm kiểm soát và điều khiển nêu trên là mạng lới chính
thức để xác định lịch vệ tinh, phát tín hiệu và các số cải chính đồng hồ vệ tinh.
Hệ thống này do bộ quốc phòng Mỹ quản lý.
Với mục đích xác định lịch vệ tinh chính xác phục vụ cho công tác đo
đạc trắc địa và để giải quyết các bài toán khác đh tồn tại các mạng lới thu tín
hiệu vệ tinh riêng lẻ. Cơ quan đo đạc trắc địa quốc gia của Mỹ đh phát triển
mạng lới GPS phối hợp quốc tế, tính đến năm 1994 đh có 48 trạm trên lhnh
thổ của nhiều quốc gia. Các dữ liệu thu đợc lập tức truyền đến tất cả các
nớc tham gia để tính toán lịch vệ tinh chính xác cho riêng các nớc đó hoặc
phối hợp với các dữ liệu đo GPS từ các máy thu nhằm tính tọa ®é c¸c ®iĨm
GPS víi ®é chÝnh x¸c cao.


14
1.1.3. PhÇn sư dơng (User segment)
PhÇn sư dơng bao gåm 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 của
khách hàng, kể cả trên trời, trên biển và trên đất liền. Đó có thể là một máy
thu riêng biệt, hoạt động độc lËp hay mét nhãm gåm tõ 2 m¸y thu trë lên hoạt
động đồng thời theo một lịch trình thời gian nhất định hoặc hoạt động theo
chế độ một máy thu đóng vai trò máy chủ phát tín hiệu vô tuyến để hiệu chỉnh
cho các máy thu khác.
Các thiết bị thu phục vụ cho công tác trắc địa có thể đợc phân thành 2

nhóm máy:
- Các máy thu 1 tần số (L1);
- Các máy thu 2 tần số (L1, L2).
Máy thu GPS phục vụ cho công tác trắc địa bao gồm 3 bộ phận cơ bản:
ăng ten, máy thu và nguồn điện. Hiện nay các máy thu GPS đợc chế tạo ở
nhiều nớc khác nhau trên thế giới, chúng rất đa dang về chủng loại. Gần đây
ngời ta chế tạo các máy thu GPS có kích thớc gọn nhẹ và tiêu tốn ít năng
lợng, thuận lợi cho công tác đo GPS nh 4600LS, 4800, 5800 vv...
Các máy thu 1 tần số phù hợp cho đo các cạnh có chiều dài nhỏ hơn 10
km và chỉ thu đợc tín hiệu trên sóng tải tần số L1. Các tính năng định vị của
máy đợc thực hiện trên cơ sở các đại lợng đo là C/A-code và pha của sóng
tải L1.
Các máy thu 2 tần số phù hợp với khoảng cách dài, thu đợc tín hiệu
trên cả hai sóng tải với các tần số L1 và L2. Các tính năng định vị đợc thực
hiện theo cả C/A-code và P-code, cũng nh theo pha của cả hai sóng tải. Máy
thu hai tần có khả năng loại trừ đáng kể ảnh hởng của tầng điện ly và do vậy
đợc sử dụng chủ yếu để đáp ứng yêu cầu định vị chính xác cao ở khoảng
cách lớn.
Trong bảng 1.1 đa ra thông số kỹ thuật của một số loại máy thu GPS
hiện đang đợc sử dụng rộng rhi trong thực tế sản xuất trắc địa ở Việt Nam.


15
Bảng 1.1: Tính năng kỹ thuật của một số loại máy thu GPS
Loại

Hhng

Sai số khoảng

Tầm hoạt

Sai số

Loại

máy

sản xuất

cách

động

phơng vị

máy thu

1"+5/D

1 tần

(Km)
GPS

Trimble

4600LS

Mĩ

GPS

Trimble

4800LS

Mĩ

GPS

Trimble

5700LS

Mĩ

GPS R7

Trimble

5mm+1ppm

10

L1
5mm+0.5ppm

10

1"+5/D

2 tần
L1, L2

5mm+0.5ppm

10

1"+5/D

2 tần
L1, L2

5mm+0.5ppm

Mĩ

10

1"+5/D

3 tần
L1, L2, L2C

Máy thu Trimble 4600LS

Máy Trimble 4600LS

Máy thu Trimble R7 và anten

Máy Trimble 4800

Hình 1.7: Hình ảnh một số loại máy thu GPS hiện đại


16
1.2. Các đại lợng đo GPS
Việc định vị bằng GPS đợc thực hiện trên cơ sở sử dụng hai dạng đại
lợng đo cơ bản là khoảng cách giả theo các code tựa ngẫu nhiên (C/A - code
và P - code) và pha sóng tải (L1 và L2).
1.2.1. Đo khoảng cách giả theo C/A - code và P- code
Code tựa ngẫu nhiên đợc phát đi từ vệ tinh cùng với sóng tải, máy thu
GPS cũng tạo ra code tựa ngẫu nhiên đúng nh vậy. Bằng cách so sánh code
thu đợc từ vệ tinh và code của chính máy
thu, ta có thể xác định đợc khoảng thời
gian lan truyền của tín hiệu code và từ đây
tính đợc khoảng cách từ vệ tinh đến máy
thu. Do có sự không đồng bộ giữa đồng hồ
của vệ tinh và của máy thu, cũng nh ảnh
hởng của môi trờng lan truyền tín hiệu
nên khoảng cách tính theo khoảng thời
gian đo đợc không phải là khoảng cách
thực giữa vệ tinh và máy thu.

Hình 1.8. Nguyên lý đo khoảng
cách giả.

Ký hiệu tọa độ của vệ tinh là XS ,YS ,
ZS ; tọa độ của điểm xét (máy thu) lµ X, Y, Z; thêi gian lan trun tÝn hiƯu từ

vệ tinh đến điểm xét là t; sai số giữa đồng hồ trong máy thu và đồng hồ trên vệ
tinh là t; khoảng cách đo đợc là R.
Khi đó ta cã thÓ viÕt:
R = c(t + ∆t) = ( Xs − X ) 2 + (Ys − Y ) 2 + ( Zs − Z ) 2 + c.∆t

(1.1)

trong ®ã: c - tốc độ lan truyền tín hiệu.
Trong trờng hợp sư dơng C/A - code, theo dù tÝnh cđa c¸c nhà thiết kế hệ
thống GPS, kỹ thuật đo khoảng thời gian lan truyền sóng tín hiệu chỉ có thể
đảm bảo độ chính xác đo khoảng cách tơng ứng cỡ 30 m. Nếu tính đến ảnh
hởng của điều kiện môi trờng lan truyền tín hiệu, sai số đo khoảng cách theo


17
C/A - code sÏ ë møc 100 m lµ møc có thể chấp nhận để cho khách hàng dân sự
khai thác. Song kỹ thuật xử lý tín hiệu code này đh đợc phát triển đến mức có
thể đảm bảo độ chính xác đo khoảng cách tới cỡ 3 m, tức là hầu nh không thua
kém so với trờng hợp sử dơng P - code (chØ ®Ĩ dïng víi mơc ®Ých quân sự).
Chính vì lí do này Mỹ đh phải đa ra giải pháp SA để hạn chế khả năng thực tế
của C/A - code. Đây là hệ thống làm nhiễu (Selective Availability) dựa trên cơ
sở tạo ra nhiều biến thiên trong tần số cơ sở của đồng hồ vệ tinh. Khi bị làm
nhiễu bởi SA, toạ độ vệ tinh có ®é chÝnh x¸c cì tõ 2 - 50 m, täa độ mặt bằng đạt
độ chính xác cỡ 100 m (với mức SA cỡ 95%).
Để dùng phơng pháp đo khoảng cách giả đạt độ chính xác cao, các nhà
trắc địa đh đa ra phơng pháp định vị tơng đối, sai số tÝn hiƯu vƯ tinh do hƯ
nhiƠu SA g©y ra sÏ không ảnh hởng đến các hiệu tọa độ giữa hai máy thu.
Phơng pháp này đợc áp dụng rộng rhi trong công tác trắc địa bằng hệ thống
định vị GPS.
1.2.2. Đo pha của sóng tải

Các sóng tải L1 và L2 đợc sử dụng cho việc định vị với độ chính xác
cao. Với mục đích này ngời ta tiến hành đo hiệu số giữa pha của sóng tải do
máy thu nhận đợc từ vệ tinh và pha của tín hiệu đồng hồ chính máy thu tạo ra.
Ký hiệu hiệu số pha do máy thu đo đợc là (0 < < 2Π).
Khi ®ã cã thĨ viÕt:

φ=

2∏

λ

(R - Nλ + c. ∆t )

(1.2)

trong đó:
R - khoảng cách giữa vệ tinh và máy thu
- bớc sóng của sóng tải
N - số nguyên lÇn b−íc sãng λ chøa trong R
∆t - sai sè không đồng bộ giữa đồng hồ của vệ tinh và của máy thu.
N đợc gọi là số nguyên đa trị, thờng không đợc biết trớc mà cần
phải xác định trong quá trình đo.


18
Trong trờng hợp đo pha theo sóng tải L1 có thể xác định khoảng cách
giữa vệ tinh và máy thu với độ chính xác tới cỡ minimet. Sóng tải L2 cho độ
chính xác thấp hơn sóng tải L1, nhng tác dụng chủ yếu của nó là cùng với
sóng tải L1 tạo ra khả năng làm giảm ảnh hởng của tầng điện ly và làm cho

việc xác định số nguyên đa trị (N) đợc đơn giản hơn.
Trong bảng 1.2 đa ra so sánh việc sử dụng sóng tải và các mh (C/A, P)
để xác định khoảng cách:
Bảng 1. 2: Bảng so sánh việc sử dụng sóng tải và các mà (C/A, P)
Tín hiệu

Bớc sóng

MP

L1

0.20m

2mm

L2

0.25m

2.5mm

C/A code

300m

3.0m

P code

30m

0.3m

1.3. Các phơng pháp và kỹ thuật đo GPS
Có hai phơng pháp đo đạc GPS cơ bản là phơng pháp đo tuyệt đối
(absolute) và phơng pháp đo tơng đối (relative).
1.3.1. Phơng pháp đo tuyệt ®èi
1.3.1.1.Nguyªn lý ®o GPS tut ®èi
Trong ®o GPS tut ®èi, ngời ta sử dụng máy thu GPS để xác định tọa
độ không gian của điểm quan sát trong hệ thống tọa độ WGS - 84. Đó có thể
là các thành phần tọa độ vuông góc không gian (X, Y, Z) hoặc các thành phần
tọa độ mặt cầu (B, L, H). Hệ tọa độ WGS - 84 là hệ tọa độ cơ sở của hệ thống
GPS, nó đợc lập gắn với ellipxoid cã kÝch th−íc nh− sau:
a = 6378137 m ; 1/ α = 298.257223563
Täa ®é cđa vƯ tinh cịng nh− của điểm quan sát đều đợc lấy theo hệ
thống tọa ®é nµy.


19
Việc đo GPS tuyệt đối đợc thực hiện trên cơ sở sử dụng đại lợng đo là
khoảng cách giả từ vệ tinh đến máy thu theo nguyên tắc giao hội không gian
từ các điểm đh biết tọa độ là các vệ tinh.

Hình 1.9: Nguyên lý đo tuyệt đối
Nếu biết chính xác khoảng thời gian lan truyền tín hiệu, code tựa ngẫu
nhiên từ vệ tinh đến máy thu, ta sẽ tính đợc khoảng cách chính xác giữa vệ
tinh và máy thu. Khi đó 3 khoảng cách đợc xác định đồng thời từ 3 vệ tinh
đến máy thu sẽ cho ta vị trí không gian đơn trị của máy thu. Song trong thực tế
cả đồng hồ trên vệ tinh và đồng hồ trong máy thu đều có sai số nên khoảng

cách đo đợc không phải là khoảng cách chính xác. Kết quả là chúng không
thể cắt nhau tại một điểm, nghĩa là không thể xác định đợc vị trí của máy
thu. Để khắc phục tình trạng này, cần sử dụng thêm một đại lợng đo nữa là
khoảng cách từ một vệ tinh thứ t. Để thấy rõ điều này, ta lập một hệ gồm 4
phơng trình cho 4 vệ tinh nh sau:
(XS1 - X)2 + (YS1 - Y)2+ (ZS1 - Z)2 = (R1 - c.∆t)2
(XS2 - X)2 + (YS2 - Y)2+ (ZS2 - Z)2 = (R2 - c.∆t)2

(1.3)

(XS3 - X)2 + (YS3 - Y)2+ (ZS3 - Z)2 = (R3 - c.∆t)2
(XS4 - X)2 + (YS4 - Y)2+ (ZS4 - Z)2 = (R4 - c.t)2
Trong hệ phơng trình trên chúng ta cần quan tâm đến 3 ẩn số là 3 thành
phần tọa độ X, Y, Z của máy thu (điểm xét). Khi đó ta chỉ cần 3 phơng trình


20
ứng với 3 khoảng cách đo chính xác từ 3 vệ tinh đến máy thu. Nhng do có sai
số không đồng bộ giữa đồng hồ của vệ tinh và của máy thu là t cha đợc
biết nên ta phải coi nó là một ẩn số cần tìm. Chính vì vậy cần phải có thêm
một phơng trình, tức là phải quan sát thêm một vệ tinh nữa.
Nh vậy, bằng cách đo khoảng cách giả đồng thời từ 4 vệ tinh đến máy
thu ta có thể xác định đợc tọa độ tuyệt đối của máy, ngoài ra còn xác định
đợc số hiệu chỉnh cho đồng hồ của máy thu nữa. Quan sát đồng thời 4 vệ
tinh là yêu cầu tối thiểu để xác định tọa độ không gian tuyệt đối của điểm
quan sát.
Với số lợng vệ tinh hoạt động đầy đủ nh hiện nay, chúng ta có thể
quan sát đồng thời từ 648 vệ tinh hoặc nhiều hơn tại bất kỳ vị trí nào trên trái
đất. Khi đó các ẩn số đợc xác định theo phơng pháp số bình phơng nhỏ
nhất. Độ chính xác của phơng pháp định vị tuyệt đối là 5410 m, nÕu dïng

Ephemeris do chÝnh phñ Mü cung cÊp thì độ chính xác lên đến 1 m. Để nâng
cao độ chính xác hơn nữa các nhà nghiên cứu đh đa ra phơng pháp định vị
vi phân.
1.3.1.2. Đo vi phân
Theo phơng pháp này cần có một máy thu GPS có khả năng phát tín
hiệu vô tuyến đợc đặt tại điểm có tọa độ đh biết (thờng đợc gọi là máy cố
định), đồng thời có một máy khác (máy di động) đặt ở vị trí cần xác định tọa
độ, đó có thể là điểm cố định trên bề mặt trái đất hay điểm di động nh máy
bay, ô tô, tàu thủy... Cả máy cố định và máy di động cần tiến hành thu tín hiệu
đồng thời từ các vệ tinh nh nhau. Nếu thông tin từ vệ tinh bị nhiễu thì kết quả
xác định tọa độ của máy cố định và máy di động đều bị sai lệch. Độ sai lệch
này đợc xác định dựa trên cơ sở so sánh tọa độ tính đợc theo tín hiệu đh thu
và tọa độ sẵn có của máy cố định và có thể coi đó là độ sai lệch tọa độ đối với
máy di động. Giá trị lệch toạ độ đợc máy cố định phát đi qua sóng vô tuyến
để máy di động thu nhận mà điều chỉnh cho kết quả xác định tọa ®é cđa m×nh.


21
Giả sử điểm cố định A có tọa độ XA, YA, ZA, nếu tọa độ tính đợc sau khi
định vị là X9A, Y9A, Z9A thì số hiệu chỉnh là:
X = XA - X9A
∆Y = YA - Y9A
∆Z = ZA - Z9A
Khi ®ã nÕu täa ®é cđa ®iĨm di ®éng B đợc tính sau khi định vị là X9B,
Y9B, Z9B thì tọa độ chính xác của điểm B là:
XB = X9B + ∆X
YB = Y9B + ∆Y
ZB = Z9B + ∆Z
§Ĩ đảm bảo độ chính xác cần thiết, các số hiệu chỉnh cần đợc xác định
và phát, chuyển nhanh với tần suất cao. Chẳng hạn, để cho khoảng cách từ vệ

tinh đến máy thu đợc hiệu chỉnh đạt độ chính xác cỡ 5 m, số hiệu chỉnh phải
đợc phát chuyển với tần suất 15 giây/1 lần. Cũng với lí do này mà phạm vi
hoạt động có hiệu quả của một máy thu cố định rất hạn chế với bán kính
khoảng 5004700 km. Ngời ta đh xây dựng các hệ thống GPS vi phân diện
rộng cũng nh mạng lới GPS vi phân gồm một trạm cố định để phục vụ nhu
cầu định vị cho cả một lục địa hay đại dơng với độ chính xác cỡ 10m.
Phơng pháp định vị GPS vi phân có thể đảm bảo độ chính xác cỡ vài ba mét
và có thể tới đềximét ứng với tầm hoạt động cỡ vài chục kilômét.
1.3.2. Phơng pháp đo tơng đối
1.3.2.1. Nguyên lý đo GPS tơng đối
Phơng pháp đo tơng đối đợc áp dụng để xác định tọa độ của các điểm
so với một điểm khác dựa trên việc đo các thành phần của véc tơ Baseline giữa
chúng, bằng cách sử dụng 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) hoặc hiệu tọa
độ mặt cầu (B, L, H) giữa chúng trong hệ tọa độ WGS - 84.


22
Nguyên tắc đo GPS tơng đối đợc triển khai trên cơ sở sử dụng đại
lợng đo là pha của sóng tải. Để đạt đợc độ chính xác cao cho kết quả xác
định hiệu tọa độ (hay vị trí tơng hỗ) giữa hai điểm xét, ngời ta đh tạo ra và
sử dụng các sai phân khác nhau cho pha sóng tải để làm giảm ảnh hởng của
nhiều nguồn sai số nh: sai số của đồng hồ trên vệ tinh và trong máy thu, sai
số của tọa độ vệ tinh, số nguyên đa trị.

S1

S2

S3

S4

2
đD biết tọa độ

Cha biết tọa độ

Hình 1.10: Nguyên lý đo tơng đối
Ký hiệu pha (đúng hơn là hiệu pha) của sóng tải từ vệ tinh j đợc đo tại
trạm quan sát r vào thời điểm quan sát ti là



j
r

(ti). Khi đó, nếu từ hai trạm 1

và 2 tiến hành quan sát đồng thời vệ tinh j vào thời điểm ti, ta sẽ có sai phân
bậc một đợc lập nh sau:
j(ti) =



j
2

(ti) -

j

1

(ti)

(1.7)

Trong sai phân này đh khử đợc sai số đồng hồ trên vệ tinh
Nếu tại hai trạm tiến hành quan sát đồng thời hai vệ tinh j, k vào cùng
một thời điểm ti, ta sẽ có sai ph©n bËc hai:


23
2j, k(ti) = k(ti) - j(ti)

(1.8)

Trong sai phân này hầu nh không còn ảnh hởng của sai số đồng hồ
trên vƯ tinh cịng nh− sai sè cđa ®ång hå trong máy thu.
Nếu tại hai trạm tiến hành quan sát đồng thời hai vệ tinh j, k vào các thời
điểm ti và ti+1, ta sẽ có sai phân bậc ba:
3j, k(ti) =2j, k(ti+1) - 2j, k(ti)

(1.9)

Sai phân này cho phép loại trừ các số nguyên đa trị
Nh đh nói ở trên, số vệ tinh GPS xuất hiện trên bầu trời thờng nhiều

hơn 4 (có khi lên đến trên 10 vệ tinh), bằng cách tổ hợp theo từng cặp vệ tinh
ta sẽ có nhiều trị đo. Không những thế, quá trình đo GPS tơng đối đợc thực
hiện trong một thời gian khá dài, thờng từ nửa giờ đến vài ba giờ. Do đó trên
thực tế số lợng trị đo để xác định ra hiệu tọa độ giữa hai điểm quan sát sẽ rất
lớn và khi đó số liệu đo sẽ đợc xử lý theo nguyên tắc bình phơng nhỏ nhất.
Đo GPS tơng đối đợc chia làm 3 nhóm phơng pháp đo cơ bản là:
Phơng pháp đo tĩnh (Static), Phơng pháp đo động (Kinematic), Phơng pháp
đo giả động (Pseu - Kinematic).
1.3.2.2. Phơng pháp đo tĩnh
Phơng pháp đo tĩnh đợc sử dụng để xác định vị trí tơng hỗ (hiệu tọa
độ) giữa hai điểm xét với độ chính xác cao, thờng là nhằm đáp ứng các yêu
cầu của công tác trắc địa - địa hình. Trong trờng hợp này cần có hai máy thu,
một máy đặt ở điểm đh biết tọa độ còn máy kia đặt ở điểm cần xác định tọa
độ. Cả hai máy phải đồng thời thu tín hiệu từ một số vệ tinh chung liên tục
trong một khoảng thời gian nhất định, thờng là từ một tiếng đến hai ba tiếng
đồng hå. Sè vƯ tinh chung tèi thiĨu cho c¶ hai máy là 3 nhng thờng lấy là 4
để đề phòng trờng hợp thu tín hiệu vệ tinh bị gián đoạn. Khoảng thời gian
quan sát phải kéo dài để đủ cho đồ hình phân bố vệ tinh thay đổi, từ đó ta có
thể xác định đợc số nguyên đa trị của sóng tải và đồng thời để có nhiều trị đo
nhằm đạt đợc độ chính xác cao và ổn định cho kết quả quan sát.


24
Đây là phơng pháp đo có độ chính xác cao nhất trong việc định vị tơng
đối bằng GPS, có thể đatk đến cỡ milimét ở khoảng cách giữa hai điểm xét tới
hàng chục, hàng trăm kilômét. Nhợc điểm chủ yếu của phơng pháp này là
thời gian đo kéo dài nên năng suất không cao.
1.3.2.3. Phơng pháp đo động
Phơng pháp đo động cho phép xác định vị trí tơng đối của hàng loạt
điểm so với điểm đh biết, trong đó tại mỗi điểm đo chỉ cần thu tín hiệu trong

vòng một phút. Trong phơng pháp đo này cần có ít nhất hai máy thu. Để xác
định số nguyên đa trị của tín hiệu vệ tinh, cần phải có một cạnh đáy đh biết
đợc gối lên điểm đh có tọa độ. Sau khi đh xác định, số nguyên đa trị đợc giữ
nguyên để tính khoảng cách từ vệ tinh đến máy thu cho các điểm đo tiếp sau
trong suốt cả chu kỳ ®o. Nhê vËy, thêi gian thu tÝn hiƯu t¹i ®iĨm đo không
không cần kéo dài nh trong đo tĩnh mà có thể giảm xuống còn một vài phút
mà vẫn đạt đợc độ chính xác cao. Với cạnh đáy đh biết, ta đặt một máy thu
cố định ở điểm đầu cạnh đáy và cho tiến hành thu liên tục tín hiệu vệ tinh
trong suốt chu kỳ đo, máy này còn đợc gọi là máy cố định. ở điểm cuối cạnh
đáy ta đặt máy thu thứ hai, cho tiến hành thu tín hiệu vệ tinh đồng thời với
máy cố định trong một vài phút. Việc làm này gọi là khởi đo (Initialization),
máy thứ hai đợc gọi là máy di động. Tiếp đó cho máy di động lần lợt
chuyển đến các điểm đo cần xác định, tại mỗi điểm dừng lại để thu tÝn hiƯu
trong mét vµi phót vµ ci cïng quay vỊ điểm xuất phát là điểm cuối cạnh đáy
để khép tuyến ®o b»ng lÇn thu tÝn hiƯu thø hai cịng kÐo dài trong một vài phút
tại điểm này. Yêu cầu tối thiểu của phơng pháp đo động là cả máy cố định và
máy di động phải đồng thời thu tín hiệu tõ Ýt nhÊt lµ 4 vƯ tinh chung trong st
chu kỳ đo. Vì vậy phải bố trí tuyến đo ở khu vực thoáng đhng để không xảy ra
tình trạng tín hiệu đo bị gián đoạn (cycle slip). Nếu xảy ra trờng hợp này thì
phải tiến hành đo lại tại điểm khởi đo của cạnh đáy xuất phát hoặc sử dụng
một cạnh đáy khác đợc thiết lập dự phòng trên tuyến đo. Cạnh đáy có thể dài
từ 2 km đến 5 km và độ chính xác cỡ centimét là đủ.