Đồ án Phương án kinh tế kỹ thuật xây dựng lưới khống chế cơ sở bằng công nghệ GPS cho khu đô thị tại xã Vân Canh – Hoài Đức – Hà Nội
®å ¸N TèT NGHIÖP
TR-êng ®¹i häc má - ®Þa ch©t
LỜI MỞ ĐẦU
Trong giai đoạn hiện nay, trước sự phát triển như vũ bão của khoa học
công nghệ, việc áp dụng các thành tựu khoa học kỹ thuật tiên tiến vào trong
tất cả các lĩnh vực của đời sống xã hội là một tất yếu khách quan. Trong trắc
địa cũng vậy, công nghệ GPS đã mở ra một kỷ nguyên mới, đã thay thế công
nghệ truyền thống trong việc thành lập và xây dựng các mạng lưới toạ độ các
cấp.
Ứng dụng công nghệ GPS cho phép chúng ta thành lập các mạng lưới
toạ độ trên diện rộng, không những bao phủ toàn quốc mà còn cho phép liên
kết với các mạng lưới trên thế giới. Công nghệ GPS đã giúp các nhà quản lý
giải quyết được bài toán vĩ mô mang tính toàn cầu.
Chúng ta ứng dụng công nghệ GPS trong hơn 10 năm qua đã giải quyết
được các bài toán lớn như (xây dựng hệ VN2000, thành lập được mạng lưới
Địa chính cơ sở phủ trùm toàn quốc, ghép nối toạ độ VN2000 với các hệ toạ
độ khác, xây dựng trạm DGPS…).
Khi xây dựng khu đô thị, công tác trắc địa đóng vai trò rất quan trọng ,
phục vụ cho công tác quy hoạch và công tác bố trí công trình. Nhằm tìm hiểu
vân đề này, em nhận đề tài: “Phương án kinh tế kỹ thuật xây dựng lưới
khống chế cơ sở bằng công nghệ GPS cho khu đô thị tại xã Vân Canh –
Hoài Đức – Hà Nội ”.
Đồ án gồm 3 chương:
Chương I: Khái quát về công nghệ GPS
Chương II: Thiết kế lưới khống chế cơ sở khu đô thị Vân Canh – Hoài
Đức – Hà Nội.
Chương III: Hạch toán kinh tế.
1
SV: NGUYỄN HỒNG HẢI
LỚP: TRẮC ĐỊA A- K50
®å ¸N TèT NGHIÖP
TR-êng ®¹i häc má - ®Þa ch©t
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
Trong quá trình nghiên cứu, em đã nhận được sự hướng dẫn nhiệt tình
của TS. Lê Minh Tá và các thầy cô giáo trong bộ môn trắc địa cao cấp, cũng
như các thầy cô giáo trong khoa Trắc địa – Trường Đại học Mỏ-Địa Chất.
Mặc dù đã có nhiều cố gắng, nhưng do trình độ còn hạn chế nên bản đồ
án này không thể tránh khỏi những sai sót, rất mong nhận được sự chỉ bảo của
các thầy cô giáo và sự đóng góp của các bạn đồng nghiệp để bản đồ án của
em được hoàn thiện hơn.
Em xin chân thành cảm ơn!
Hà Nội, tháng 10 năm 2011
Sinh viên thực hiện
Nguyễn Hồng Hải
2
SV: NGUYỄN HỒNG HẢI
LỚP: TRẮC ĐỊA A- K50
®å ¸N TèT NGHIÖP
TR-êng ®¹i häc má - ®Þa ch©t
MỤC LỤC
LỜI MỞ ĐẦU ...................................................................................................1
MỤC LỤC.........................................................................................................3
I.1.1. Đoạn không gian ...............................................................................6
1.1.2. Đoạn điều khiển................................................................................7
1.1.3. Đoạn sử dụng....................................................................................7
1.2. Các nguyên lý định vị .............................................................................8
1.2.1. Các đại lượng đo...............................................................................8
I.3.2. Đo tĩnh (Static)................................................................................14
II.1. Mục đích, yêu cầu ................................................................................26
II.2. Đặc điểm, tình hình khu đo..................................................................28
3
SV: NGUYỄN HỒNG HẢI
LỚP: TRẮC ĐỊA A- K50
®å ¸N TèT NGHIÖP
TR-êng ®¹i häc má - ®Þa ch©t
II.3. Thiết kế lưới GPS.................................................................................29
II.3.2. Thiết kế đồ hình lưới......................................................................31
III.1. Căn cứ pháp lý ....................................................................................35
III.2. Dự toán kinh phí .................................................................................35
III.2.1. Chi phí trực tiếp A........................................................................36
III.2.3. Thuế giá trị gia tăng......................................................................41
4
SV: NGUYỄN HỒNG HẢI
LỚP: TRẮC ĐỊA A- K50
®å ¸N TèT NGHIÖP
TR-êng ®¹i häc má - ®Þa ch©t
CHƯƠNG I: KHÁI QUÁT VỀ CÔNG NGHỆ GPS
Từ những năm 1960, Bộ Quốc phòng Mỹ và cơ quan hàng không quốc
gia (NASA) đã triển khai hệ thống đạo hành mang tên TRANSIT. Hệ thống
này đã sớm đạt được các ưu điểm của hệ thống đạo hàng và trở thành dịch vụ
dẫn đường từ năm 1967. Hệ thống TRANSIT hoạt động trên nguyên lý
Dopper, các vệ tinh của TRANSIT phát tín hiệu ở hai tần số là 150 MHz và
400MHz. Với tần số này các tín hiệu truyền từ vệ tinh dễ bị tầng điện ly làm
chậm và bị nhiễu. Việc quan sát vệ tinh TRANSIT chỉ kéo dài trong 20’,
trong khi đó yêu cẩu của định vị điểm phải quan sát vệ tinh 1h-3h. Theo ước
tính có khoảng 80.000 đơn vị dân sự đã sử dụng hệ thống TRANSIT cho đạo
hàng. Hệ thống TRANSIT kết thúc sử dụng vào năm 1996.
Hệ thống định vị toàn cầu GPS được viết đầy đủ là NAVSTAR GPS
(Navigation Satellite Timing and Global Positioning System). Ngày 22 tháng
2 năm 1978 vệ tinh đầu tiên của hệ thống định vị toàn cầu GPS đã đưa lên
quỹ đạo. Từ năm 1978-1985 có 11 vệ tinh Block I được phóng lên quỹ đạo.
Hiện nay, hầu hết số vệ tinh thuộc Block I đã hết thời hạn sử dụng. Việc
phóng vệ tinh thế hệ Block II bắt đầu vào năm 1989, sau giai đoạn này hệ
thống gồm 24 vệ tinh triển khai trên 6 quỹ đạo nghiêng 550 so với mặt phẳng
xích đạo trái đất với chu kỳ 12h ở độ cao khoảng 20.200km. Loại vệ tinh thế
hệ II (Block IIR) được đưa lên quỹ đạo vào năm 1995 [10], cho đến nay có 32
vệ tinh GPS đang hoạt động.
Trước năm 1980 hệ thống GPS chỉ được sử dụng cho mục đích quân
sự, sau năm 1980 chính phủ Mỹ đã cho phép đưa vào sử dụng trong các lĩnh
vực về phi quân sự.
I.1. Cấu trúc và nguyên lý hoạt động của hệ thống GPS
Hệ thống định vị toàn cầu GPS gồm 3 bộ phận chính là:
5
SV: NGUYỄN HỒNG HẢI
LỚP: TRẮC ĐỊA A- K50
®å ¸N TèT NGHIÖP
Đoạn không gian (Space Segment)
TR-êng ®¹i häc má - ®Þa ch©t
Đoạn điều khiển (Control Segment)
Đoạn sử dụng (User Segment)
I.1.1. Đoạn không gian
Đoạn không gian bao gồm 24 vệ tinh chuyển động trên 6 mặt phẳng
quỹ đạo ở độ cao khoảng 20200km. Mặt phẳng quỹ đạo nghiêng với mặt
phẳng xích đạo trái đất một góc 550. Vệ tinh GPS chuyển đông trên quỹ đạo
gần như tròn đều với chu kỳ 718 phút (12 giờ). Với sự phân bố vệ tinh trên
quỹ đạo, như vậy trong suốt thời gian nào và bất kỳ vị trí quan sát nào trên
trái đất cũng có thể quan sát được tối thiểu 4 vệ tinh.
Hình 1:Các vệ tinh GPS trên bầu trời
trong 24 giờ
Hình 2: Số lượng vệ tinh trong từng
thời điểm
Các vệ tinh GPS có trọng lượng khoảng 1600 kg khi phóng và khoảng
800kg trên quỹ đạo. Theo thiết kế, tuổi thọ của vệ tinh khoảng 7,5 năm. Năng
lượng cung cấp cho hoạt động của các thiết bị trên vệ tinh là năng lượng mặt
trời. Mỗi vệ tinh được trang bị 4 đồng hồ nguyên tử, trong đó có 2 đồng hồ
loại Censium và 2 đồng hồ loại Radium có độ chính xác thời gian là 10-12s.
Các đồng hồ này không chỉ có mục đích dự phòng mà còn tạo ra cơ sở giám
sát thời gian và cung cấp giờ. Thêm vào đó, mỗi vệ tinh còn được trang bị bộ
tạo dao động thạch anh với độ chính xác rất cao.
Các vệ tinh GPS đều có thiết bị tạo dao động với tần số cơ sở chuẩn
6
SV: NGUYỄN HỒNG HẢI
LỚP: TRẮC ĐỊA A- K50
®å ¸N TèT NGHIÖP
TR-êng ®¹i häc má - ®Þa ch©t
f0 = 10.24 MHz. Từ tần số cơ sở thiết bị sẽ tạo ra 2 tần số sóng tải
L1,L2.
L1 = 154 f0 = 1575.42 MHz có bước sóng λ1 = 19.032 m
L2 = 120 f0 = 1227.60 MHz có bước sóng λ2 = 24.142 m
1.1.2. Đoạn điều khiển
Đoạn điều khiển gồm 5 trạm mặt đất phân bố đều quanh trái đất trong
đó có trạm chủ (Master Station) đặt tại căn cứ không quân Falcon ở Colorado
Spring, bang Colorado, USA.
Các trạm theo dõi tại Hawai (Thái Bình Dương), Ascension Island (Đại
Tây Dương), Diego Garcia (Ấn Độ Dương) và Kwajalein (Tây Thái Bình
Dương) có nhiệm vụ theo dõi liên tục tất cả các vệ tinh có thể quan sát được.
Trạm chủ là nơi nhận và xử lý các tín hiệu thu từ các vệ tinh tại 4 trạm
theo dõi. Sau khi số liệu GPS được thu thập, xử lý, toạ độ và độ lệch đồng hồ
của từng vệ tinh được tính toán và hiệu chỉnh tại trạm chủ và sau đó truyền tới
các vệ tinh hàng ngày qua các trạm theo dõi.
1.1.3. Đoạn sử dụng
Gồm tất cả các máy móc thiết bị nhận thông tin từ vệ tinh để khai thác,
sử dụng cho mục đích và yêu cầu khác nhau như dẫn đường trên biển, trên
không và đất liền, phục vụ cho các công tác đo đạc ở nhiều nơi trên thế giới.
Máy thu GPS là phần cứng quan trọng trong đoạn sử dụng. Nhờ các
tiến bộ kỹ thuật trong lĩnh vực điện tử viễn thông và kỹ thuật thông tin tín
hiệu số, các máy thu GPS ngày một hoàn thiện. Một số hãng chế tạo cũng cho
ra đời các máy thu có thể thu đồng thời tín hiệu vệ tinh GPS và GLONASS.
Cùng với máy thu còn có các phần mềm phục vụ xử lý thông tin như
Trimvec, Trimnet Plus, GPSurvey,…. Các phần mềm này ngày càng hoàn
thiện, nâng cao độ chính xác và hiệu quả tính toán, xử lý.
7
SV: NGUYỄN HỒNG HẢI
LỚP: TRẮC ĐỊA A- K50
®å ¸N TèT NGHIÖP
TR-êng ®¹i häc má - ®Þa ch©t
1.2. Các nguyên lý định vị
1.2.1. Các đại lượng đo
Việc định vị bằng GPS thực hiện trên cơ sở sử dụng hai dạng đại lượng
đo cơ bản, đó là đo khoảng cách giả theo các code tựa ngẫu nhiên (C/A-code
và P-code) và đo pha của sóng tải (L1, L2).
Đo khoảng cách giả theo C/A code và P-code
Code tựa ngẫu nhiên được phát đi từ vệ tinh cùng với sóng tải. Máy thu
GPS cũng tạo ra code tựa ngẫu nhiên đúng như vậy. Bằng cách so sánh code
thu từ vệ tinh và code của chính máy thu tạo ra có thể xác định được khoảng
cách thời gian lan truyền của tín hiệu code, từ đó dễ dàng xác định được
khoảng cách từ vệ tinh đến máy thu (đến tâm anten của máy thu). Do có sự
không đồng bộ giữa đồng hồ của vệ tinh và máy thu, do có ảnh hưởng của
môi trường lan truyền tín hiệu nên khoảng cách tính theo khoảng thời gian đo
được không phải là khoảng cách thực giữa vệ tinh và máy thu, đó là khoảng
cách giả.
Nếu ký hiệu toạ độ của vệ tinh là xs, ys, zs; toạ độ của điểm xét (máy
thu) là x, y, z; thời gian lan truyền tín hiệu từ vệ tinh đến điểm xét là t, sai số
không đồng bộ giữa đồng hồ trên vệ tinh và trong máy thu là ∆t, khoảng cách
giả đo được là R, ta có phương trình:
R = c(t+∆t) =
+ c∆t (1.1)
Trong đó c là tốc độ lan truyền tín hiệu.
8
SV: NGUYỄN HỒNG HẢI
LỚP: TRẮC ĐỊA A- K50
®å ¸N TèT NGHIÖP
TR-êng ®¹i häc má - ®Þa ch©t
Hình 3: Nguyên lý xác định vị trí bằng GPS
Trong trường hợp sử dụng C/A code, theo dự tính của các nhà thiết kế
hệ thống GPS, kỹ thuật đo khoảng cách thời gian lan truyền tín hiệu chỉ có thể
đảm bảo độ chính xác đo khoảng cách tương ứng cỡ 30m. Nếu tính đến ảnh
hưởng của điều kiện lan truyền tín hiệu, sai số đo khoảng cách theo C/A code
sẽ ở mức 100m là mức có thể chấp nhận được để cho khách hàng dân sự được
khai thác. Song kỹ thuật xử lý tín hiệu code này được phát trển đến mức có
thể đảm bảo độ chính xác đo khoảng cách cỡ 3m, tức là hầu như không thua
kém so với trường hợp sử dụng P-code vốn không dành cho khách hàng đại
trà. Chính vì lý đo này mà Mỹ đã đưa ra giải pháp SA để hạn chế khả năng
thực tế của C/A code. Nhưng ngày nay do kỹ thuật đo GPS có thể khắc phục
được nhiều SA, Chính phủ Mỹ tuyên bố bỏ nhiễu SA trong trị đo GPS từ
tháng 5 năm 2000.
b. Đo pha sóng tải
Các sóng tải L1, L2 được sử dụng cho việc định vị với độ chính xác cao.
Với mục đích này người ta tiến hành đo hiệu số giữa pha của sóng tải do máy
9
SV: NGUYỄN HỒNG HẢI
LỚP: TRẮC ĐỊA A- K50
®å ¸N TèT NGHIÖP
TR-êng ®¹i häc má - ®Þa ch©t
thu nhận được từ vệ tinh và pha của tín hiệu do chính máy thu tạo ra. Hiệu số
pha do máy thu đo được ký hiệu là Ф (0< Ф<2Π). Khi đó ta có thể viết:
Ф = (R-Nλ + c∆t)
(1.2)
Trong đó: R là khoảng cách giữa vệ tinh và máy thu;
λ là bước sóng của sóng tải;
N là số nguyên lần bước sóng λ chứa trong R;
∆t là sai số đồng bộ giữa đồng hồ của vệ tinh và máy thu;
N còn được gọi là số nguyên đa trị, thường không biết trước được mà
cần phải xác định trong thời gian đo.
Trong trường hợp đo pha theo sóng tải L1 có thể xác định khoảng cách
giữa vệ tinh và máy thu với độ chính xác cỡ cm thậm chí còn nhỏ hơn. Sóng
tải L2 cho độ chính xác thấp hơn nhiều, nhưng tác dụng của nó là cùng với L1
tạo ra khả năng làm giảm đáng kể tầng điện ly và việc xác định số nguyên đa
trị được đơn giản hơn.
1.2.2. Định vị tuyệt đối (Point Positioning)
Đây là trường hợp sử dụng máy thu GPS để xác định ngay toạ độ của
điểm quan sát trong hệ toạ độ WGS84. Đó có thể là các thành phần toạ độ
vuông góc không gian (X, Y, Z) hoặc các thành phần toạ độ mặt cầu ( B, L,
H). Hệ thống toạ độ WGS84 là hệ thống toạ độ cơ sở của GPS, toạ độ của vệ
tinh và điểm quan sát điều lấy theo hệ thống toạ độ này. Nó được thiết lập gắn
với elipxoid có kích thước như sau:
a = 6378137
1/α = 298,2572….
Việc 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 cạnh
không gian từ các điểm đã biết là toạ độ các vệ tinh.
Nếu biết chính xác khoảng cách thời gian lan truyền tín hiệu code tựa
ngẫu nhiên từ vệ tinh đến máy thu, ra sẽ tính được khoảng cách chính xác
10
SV: NGUYỄN HỒNG HẢI
LỚP: TRẮC ĐỊA A- K50
®å ¸N TèT NGHIÖP
TR-êng ®¹i häc má - ®Þa ch©t
giữa vệ tinh và máy thu. Khi đó 3 khoảng cách được xác định đồng thời từ 3
vệ tinh đến máy thu sẽ cho ta vị trí không gian đơn trị của máy thu. Song trên
thực tế cả đồng hồ trên vệ tinh và đồng hồ trong máy thu đều có sai số, nên
khoảng cách đo được không phải là khoảng cách chính xác. Kết quả là chúng
không thể cắt nhau tại một điểm, nghĩa là không thể xác định được vị trí của
máy thu. Để khắc phục tình trạng này cần sử dụng thêm một đại lượng đo
nữa, đó là khoảng cách từ vệ tinh thứ 4, ta có các phương trình (1.3) sau:
Với 4 phương trình 4 ẩn số (X, Y, Z, ∆t) ta sẽ tìm được nghiệm là toạ
độ tuyệt đối của máy thu, ngoài ra còn xác định được thêm số hiệu chỉnh của
đồng hồ (thạch anh) của máy thu.
Trên thực tế với hệ thống vệ tinh hoạt động đầy đủ như hiện nay, số
lượng vệ tinh mà các máy thu quan sát được thường từ 6-8 vệ tinh, khi đó
nghiệm của phương trình sẽ tìm theo nguyên lý số bình phương nhỏ nhất.
1.2.3. Định vị tương đối (Relative Positioning)
Đo GPS tương đối là trường hợp sử dụng hai máy thu GPS đặt ở hai
điểm quan sát khác nhau để xác định ra hiệu toạ độ vuông góc không gian
(∆X, ∆Y, ∆Z) hay hiệu toạ độ mặt cầu (∆B, ∆L, ∆H) giữa chúng trong hệ toạ
độ WGS84.
Nguyên tắc đo GPS tương đối được thực hiện trên cơ sở sử dụng đại
lượng đo là pha của sóng tải. Để đạt được độ chính xác cao và rất cao cho kết
quả xác định hiệu toạ độ giữa hai điểm xét, người ta đã tạo ra và sử dụng các
sai phân khác nhau cho pha sóng tải nhằm làm giảm ảnh hưởng đến các
nguồn sai số khác nhau như: Sai số của đồng hồ vệ tinh cũng như của máy
thu, sai số toạ độ vệ tinh, sai số số nguyên đa trị,…
11
SV: NGUYỄN HỒNG HẢI
LỚP: TRẮC ĐỊA A- K50
®å ¸N TèT NGHIÖP
TR-êng ®¹i häc má - ®Þa ch©t
Ta ký hiệu
là hiệu pha của sống tải từ vệ tinh j đo được tại trạm r
và thời điểm ti, khi đó nếu hai trạm đo 1 và 2 ta quan sát đồng thời vệ tinh j
vào thời điểm t, ta sẽ có sai phân bậc 1 được biểu diễn như sau:
(1.4)
Trong sai phân này hầu như không còn ảnh hưởng của sai số đồng hồ
vệ tinh.
Nếu hai trạm cùng tiến hành quan sát đồng thời hai vệ tinh j và k vào
thời điểm t ta có phân sai bậc 2…..
(1.5)
Trong công thức này ta thấy không còn ảnh hưởng của sai số đồng bộ
giữa vệ tinh và máy thu.
Nếu xét hai trạm cùng tiến hành quan sát đồng thời hai vệ tinh j và k
vào thời điểm ti và ti+1, ta sẽ có phân sai bậc 3:
(1.6)
Sai phân này cho phép loại trừ sai số số nguyên đa trị.
Hiện nay hệ thống GPS có khoảng 27 - 28 vệ tinh hoạt động. Do vậy,
tại mỗi thời điểm ta có thể quan sát được số vệ tinh nhiều hơn 4. Bằng cách
tổng hợp theo từng cặp vệ tinh sẽ có rất nhiều trị đo, mặt khác thời gian thu
tín hiệu trong đo tương đối thường khá dài, vì vậy số lượng trị đo để xác định
ra hiệu toạ độ giữa hai điểm là rất lớn, khi đó bài toán sẽ giải theo phương
pháp số bình phương nhỏ nhất.
I.3. Các phương pháp đo và các nguồn sai số
Trong công tác khai thác và sử dụng hệ thống GPS hiện nay, tuỳ từng
tính chất công việc, độ chính xác các đại lượng cần tìm mà người ta sử dụng
phương pháp đo cho phù hợp. Hiện nay trong thực tế có một số kỹ thuật đo
như sau:
12
SV: NGUYỄN HỒNG HẢI
LỚP: TRẮC ĐỊA A- K50
®å ¸N TèT NGHIÖP
TR-êng ®¹i häc má - ®Þa ch©t
I.3.1. Đo cải chính phân sai GPS (Code – based Differential GPS)
Hiện nay do nhu cầu định vị với độ chính xác cỡ dm đến vài m trong
khi đó mặc dù chính phủ Mỹ đã khuyến cáo bỏ chế độ can thiệp SA nhưng độ
chính xác của định vị tuyệt đối vẫn không dưới 10m. Vì vậy, các nhà sản xuất
đã đưa ra phương pháp đo sai phân.
Trong phương pháp này cần một máy thu GPS được kết nối với một bộ
điều biến để phát tín hiệu tại điểm gốc, một số máy khác (máy di động) đặt tại
vị trí các điểm cần xác định toạ độ. Cả máy cố định và máy thu cùng thu tín
hiệu vệ tinh như nhau. Nếu thông tin từ vệ tinh bị nhiễu thì kết quả xác định
toạ độ của máy cố định và máy thu cùng bị sai lệch như nhau. Độ sai lệch này
được xác định trên cơ sở so sánh toạ độ tính theo tín hiệu và toạ độ của máy
cố định đã biết trước. Sai lệch đó ở máy cố định phát qua sóng vô tuyến để
máy di động nhận được và hiệu chỉnh kết quả cho các điểm đo.
Ngoài cách hiệu chỉnh toạ độ thì người ta còn tiến hành hiệu chỉnh
khoảng cách từ vệ tinh tới máy thu. Cách hiệu chỉnh này đòi hỏi máy thu cố
định có cấu tạo phức tạp và tốn kém hơn. Nhưng cho phép người sử dụng xử
lý chủ động và linh hoạt hơn.
Phương pháp này có hai cách xử lý số hiệu chỉnh tại điểm di động:
Phương pháp xử lý tức thời (Real time)
Phương pháp xử lý sau (Post processing).
Để đảm bảo độ chính xác cần thiết, các số hiệu chỉnh cần được xác định
và phát chuyển nhanh với tần suất cao, chẳng hạn để cho khoảng cách từ vệ
tinh đến máy thu được hiệu chỉnh toạ độ chính xác cỡ 5m thì số hiệu chỉnh
phải được phát chuyển đi với tần suất 15s/lần. Cũng với lý do này mà phạm vi
hoạt động có hiệu quả của một máy thu cố định không phải là tuỳ ý mà
thường hạn chế ở bán kính vài trăm km. Người ta đã xây dựng hệ thống GPS
vi phân diện rộng cũng như mạng lưới GPS vi phân gồm một số trạm cố định
để phục vụ nhu cầu định vị cho cả một lục địa hay đại dương với độ chính xác
13
SV: NGUYỄN HỒNG HẢI
LỚP: TRẮC ĐỊA A- K50
®å ¸N TèT NGHIÖP
TR-êng ®¹i häc má - ®Þa ch©t
cỡ 10m. Phương pháp định vị GPS vi phân có thể đảm bảo độ chính xác phổ
biến cỡ vài ba m đến dm.
I.3.2. Đo tĩnh (Static)
Đo tĩnh (Static) hay đo tĩnh nhanh (Fast - Static) là phương pháp đo
tương đối, sử dụng hai hoặc nhiều máy thu đồng thời tín hiệu trong một thời
gian dài để xác định ra hiệu toạ độ giữa các máy thu. Các trạm đo đồng thời
sẽ tạo thành các đoạn đo.
Đo tĩnh là phương pháp đo có độ chính xác cao nhất, với các máy thu
GPS 1 tần số và 2 tần số hiện nay cho độ chính xác rất cao phục vụ cho công
tác xây dựng các mạng lưới trắc địa nhà nước, nghiên cứu địa động,….
Ở khoảng cách dài từ vài chục đến vài trăm km, người ta thường sử
dụng máy đo hai tần số L1, L2 để khắc phục sai số đo tầng điện ly.
I.3.3. Kỹ thuật đo động (Kinematic)
Ra đời từ những năm 1985 song đến những năm 1990 mới được áp
dụng rộng rãi nhờ có tiến bộ trong lời giải OTS. Ở nước Mỹ kỹ thuật đo động
được triển khai thử nghiệm từ năm 1997. Phương pháp đo dựa trên nguyên lý
định vị tương đối.
Cơ sở của định vị động là dựa trên sự khác nhau của trị đo giữa hai chu
kỳ đo (epoch), được nhận bởi một máy thu tín hiệu của chính vệ tinh nào đó
chuyển đến. Sự thay đổi đó tương đương với sự thay đổi khoảng cách địa diện
đến vệ tinh.
Kết quả của định vị động là xác định được các điểm trên đường đi của
máy thu di động so với máy thu cố định. Trạm máy cố định được gọi là trạm
tham khảo (reference) hay còn gọi là trạm BASE. Máy thu đặt tại trạm phải
đảm bảo cố định trong suốt thời gian đo động. Máy thu di động gọi là Rover,
được di động trên các điểm đo cần xác định toạ độ (trên đất liền, trên không
trung, trên biển). Trong thời gian đo, cả hai máy phải đảm bảo thu được liên
tục ít nhất 4 vệ tinh. Định vị động có thể sử dụng đối với trị đo khoảng cách
14
SV: NGUYỄN HỒNG HẢI
LỚP: TRẮC ĐỊA A- K50
®å ¸N TèT NGHIÖP
TR-êng ®¹i häc má - ®Þa ch©t
giả hoặc trị đo pha sóng tải hoặc phối hợp cả hai loại trên. Trong các trường
hợp việc sử dụng pha sóng tải có độ chính xác cao hơn.
Định vị động cần thực hiện thủ tục khởi đo trên mặt đất nhờ cặp điểm
biết toạ độ. Cặp điểm này thường được xác định trước nhờ đo tĩnh hoặc tĩnh
nhanh. Ngoài ra có thể khởi đo nhờ kỹ thuật OTF. Trong quá trình đo, vì lý
do nào đó số vệ tinh thu được ít hơn 4, sẽ bị mất khởi đo, trong trường hợp
này phải thực hiện lại thủ tục khởi đo.
Khoảng cách từ trạm BASE đến trạm ROVER không được quá xa, đối
với máy thu một tần TRIMBLE 4600LS chỉ cho phép khoảng cách tối đa là
10km. Thời gian dừng máy tại điểm đo thường chỉ cần kéo dài vài giây đến
vài phút sao cho đủ ghi ít nhất hai số liệu đo, thời gian này phụ thuộc vào chế
độ mà người đo cài đặt. Một thiết bị khác đi cùng với chế độ đo động là bộ
điều khiển đo (Survey Controller).
Phương pháp đo động cũng được thực hiện theo hai chế độ là đo động
xử lý sau (Post Processing Kinematic- PPK) và đo động thời gian thực (Real
Time Kinematic - RTK). Trong phương pháp PPK, toạ độ sẽ được tính toán
xử lý trong phòng do vậy không cần thiết đến Radio Link, nhưng với RTK thì
thiết bị đó không thể thiếu được, nó đóng vai trò truyền đi tín hiệu chứa các số
hiệu chỉnh về toạ độ từ trạm máy BASE.
I.3.4. Kỹ thuật đo giả động (Pseudo - Kinematic)
Phương pháp đo giả động 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 trong suốt chu kỳ đo, máy
di động được chuyển tới các điểm cần xác định và mỗi điểm thu tín hiệu 5-10
phút.
15
SV: NGUYỄN HỒNG HẢI
LỚP: TRẮC ĐỊA A- K50
®å ¸N TèT NGHIÖP
TR-êng ®¹i häc má - ®Þa ch©t
Sau khi đo hết lượt máy di động quay trở về điểm xuất phát và đo lặp
lại tất cả các điểm theo đúng trình tự như trước, nhưng chú ý phải đảm bảo
khoảng thời gian giãn cách giữa hai lần đo tại mỗi thời điểm không ít hơn 1
tiếng đồng hồ. Yêu cầu nhất thiết của phương pháp này là phải có ít nhất 3 vệ
tinh chung cho cả hai lần đo tại mỗi điểm quan sát.
I.3.5. Các nguồn sai số trong định vị GPS
I.3.5.1. Sai số do độ sai lệch đồng hồ
Sai số do sự không đồng bộ giữa đồng hồ vệ tinh và máy thu gây ra sai
số rất lớn trong kết quả đo GPS, đặc biệt là trong định vị tuyệt đối.
Các vệ tinh được trang bị đồng hồ nguyên tử có độ chính xác cao, tính
đồng bộ về thời gian giữa các đồng hồ vệ tinh được giữ khoảng 20nano giây.
Còn các máy thu GPS được trang bị đồng hồ thạch anh chất lượng cao (1/104)
đặt bên trong.
Chúng ta biết rằng vận tốc truyền tín hiệu khoảng 3. 108m/s, nếu sai số
đồng hồ thạch anh là 10-4s thì sai số khoảng cách tương ứng là 30km, nếu
đồng hồ nguyên tử sai 10-7s thì khoảng cách sai là 30km.
Với ảnh hưởng như trên, người ta đã sử dụng nguyên tắc định vị tương
đối để loại trừ ảnh hưởng của sai số đồng hồ.
I.3.5.2. Sai số quỹ đạo vệ tinh
Chúng ta đã biết vệ tinh chuyển động trên quỹ đạo xung quanh trái đất
chịu nhiều sự tác động như ảnh hưởng của sự thay đổi trọng trường trái đất,
ảnh hưởng của sức hút mặt trăng, mặt trời. Các ảnh hưởng trên sẽ tác động tới
quỹ đạo của vệ tinh, khi đó vệ tinh sẽ không chuyển động hoàn toàn tuân theo
đúng ba định luật Kepler. Sai số quỹ đạo vệ tinh ảnh hưởng gần như trọn vẹn
tới kết quả định vị tuyệt đối, song được khắc phục về cơ bản trong định vị
tương đối hoặc vi phân.
16
SV: NGUYỄN HỒNG HẢI
LỚP: TRẮC ĐỊA A- K50
®å ¸N TèT NGHIÖP
TR-êng ®¹i häc má - ®Þa ch©t
Để biết được vị trí của vệ tinh trên quỹ đạo thì người sử dụng có thể
căn cứ vào lịch vệ tinh.Tuỳ thuộc vào mức độ chính xác của thông tin, lịch vệ
tinh được chia thành 3 loại:
Lịch vệ tinh dự báo (Almanac): phục vụ cho lập lịch và xác định quang
cảnh nhìn thấy của vệ tinh tại thời điểm quan sát, lịch vệ tinh này có sai số cỡ
vài km.
Lịch vệ tinh quảng bá (Broadcast ephemeris): được tạo lập dựa trên 5
trạm quan sát thuộc đoạn điều khiển của hệ thống GPS, hiện nay khi chế độ
nhiễu SA đã được bỏ thì lịch vệ tinh quảng bá có sai số cỡ từ 2-5m.
Lịch vệ tinh chính xác: được lập dựa trên cơ sở các số liệu quan trắc
trong mạng lưới giám sát và được tính toán nhờ một số tổ chức khoa học, loại
lịch này cho sai số nhỏ hơn 0.5m.
I.5.3.3. Ảnh hưởng điều kiện khí tượng
Tín hiệu vệ tinh đến máy thu đi qua một quãng đường lớn hơn
20.000km, trong đó có tầng điện ly cao từ 50km-500km và tầng đối lưu từ độ
cao 50km đến mặt đất. Khi tín hiệu đi qua các tầng này có thể bị thay đổi (tán
xạ) phụ thuộc vào mật độ điện tử tự do trong tầng điện ly và tình trạng hơi
nước, nhiệt độ và các bụi khí quyển trong tầng đối lưu.
Người ta ước tính rằng, do ảnh hưởng của tầng điện ly, khi định vị tuyệt
đối có thể bị sai số 12m, còn ảnh hưởng của tầng đối lưu có thể sai số cỡ 3m.
Các vệ tinh GPS phát tín hiệu ở tần số cao (sóng cực ngắn) do đó ảnh
hưởng của tầng điện ly đã được giảm nhiều, tuy vậy cần lưu ý tới đặc tính của
sóng cực ngắn là truyền thẳng và dễ bị che chắn.
Ảnh hưởng của tầng điện lý tỷ lệ với bình phương tần số, vì vậy khi sử
dụng máy thu hai tần sẽ khắc phục được ảnh hưởng này.
Tuy vậy, ở khoảng cách ngắn (<10km) tín hiệu tới hai máy coi như đi
trong cùng môi trường, sai số sẽ được loại trừ trong các công thức tính hiệu
toạ độ, do vậy ta nên sử dụng máy một tần trong khi đó nếu sử dụng máy hai
tần có thể bị nhiễu làm kết quả kém chính xác.
17
SV: NGUYỄN HỒNG HẢI
LỚP: TRẮC ĐỊA A- K50
®å ¸N TèT NGHIÖP
TR-êng ®¹i häc má - ®Þa ch©t
Để khắc phục ảnh hưởng của tầng đối lưu, người ta quy định chỉ sử
dụng tín hiệu vệ tinh có góc cao trên 15độ hoặc trên 10 độ.
Hiện nay người ta đã sử dụng một số mô hình khí quyển, trong đó có
mô hình của Hopfield được dùng rộng rãi.
I.3.5.4. Sai số đo nhiễu tín hiệu
Tín hiệu vệ tinh tới máy thu có thể bị nhiễu do một số nguyên nhân sau:
Tín hiệu bị phản xạ từ các vật (kim loại, bê tong) gần máy thu
Tín hiệu bị nhiễu do ảnh hưởng của các tín hiệu sóng điện từ khác
Máy thu GPS đặt gần các đường dây tải điện cao áp
Tín hiệu bị gián đoạn do các vật che chắn tín hiệu
Để khắc phục sai số nhiễu tín hiệu, khi thiết kế điểm đo cần bố trí xa
các trạm phát sóng, các đường dây cao thế,…không bố trí máy thu dưới các
rặng cây.
I.3.5.5. Sai số do người đo
Người đo có thể phạm các sai lầm như trong đo chiều cao anten, dọi
điểm định tâm không tốt, đôi khi ghi nhầm chế độ đo cao anten. Để tránh các
sai số này thì người đo GPS cần thận trọng trong định tâm và đo chiều cao
Anten.
Cần chú ý là sai số do đo chiều cao anten không những ảnh hưởng tới
độ cao của điểm đo mà còn ảnh hưởng tới vị trí mặt bằng.
Trong khi thu tín hiệu không nên đứng vây quanh máy thu, không che ô
cho máy.
Điều đáng chú ý nhất trong phương pháp này là máy di động không cần
thu tín hiệu vệ tinh liên tục trong suốt chu kỳ đo như phương pháp đo động,
tại mỗi điểm đo máy chỉ đo 5-10 phút sau đó có thể tắt máy trong lúc di
chuyển tới điểm khác. Điều này cho phép áp dụng cả ở những khu vực có
nhiều vật che khuất.
18
SV: NGUYỄN HỒNG HẢI
LỚP: TRẮC ĐỊA A- K50
®å ¸N TèT NGHIÖP
TR-êng ®¹i häc má - ®Þa ch©t
I.4. Các phương pháp cơ bản thành lập lưới
Trong trắc địa truyền thống, thiết kế đồ hình lưới khống chế là việc cực
kỳ quan trọng. Còn trong lưới GPS, nói chung không yêu cầu giữa các điểm
phải nhìn thông nhau nên thiết kế đồ hình lưới GPS sẽ linh hoạt hơn. Thiết kế
đồ hình lưới GPS chủ yếu tuỳ thuộc vào yêu cầu sử dụng, kinh phí, thời gian,
nhân lực, loại hình và số lượng máy thu.
Căn cứ vào mục đích sử dụng, thường có 4 phương thức liên kết cơ bản
để thành lập lưới: liên kết điểm, liên kết cạnh, liên kết lưới, liên kết hỗn hợp
cạnh – điểm. Ngoài ra còn có thể liên kết hình sao, liên kết đường chuyền,
liên kết chuối tam giác.
Liên kết điểm
Liên kết dạng điểm là dạng liên kết các ca đo đồng hồ kể nhau bởi một
điểm chung. Cường 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 thường
không được sử dụng đơn độc. Ví dụ với 3 máy thu:
1
2
Hình 4: Liên kết điểm
Liên kết cạnh
Liên kết cạnh là dạng liên kết giữa các vòng đo đồng bộ kề nhau bởi
một cạnh chung. Lưới được thành lập theo dạng này có cường độ đồ hình
tương đối cao, có nhiều cạnh đo lặp và có nhiều điều kiện khép hình không
19
SV: NGUYỄN HỒNG HẢI
LỚP: TRẮC ĐỊA A- K50
®å ¸N TèT NGHIÖP
TR-êng ®¹i häc má - ®Þa ch©t
đồng bộ. Với số lượng máy thu như nhau, số thời đoạn đo sẽ tăng hơn nhiều
so với phương thức liên kết điểm.
Ví dụ với 3 máy thu:
1
3
2
Hình 5: Liên kết cạnh
Liên kết hỗn hợp cạnh – điểm
Liên kết hỗn hợp cạnh – điểm là dạng kết hợp phương thức liên kết
cạnh và phương thức liên kết điểm. Phương thức này có thể đảm bảo cường
độ đồ hình, nâng cao độ tin cậy của lưới vừa có thể giảm khối lượng công tác
ngoại nghiệp, hạ giá thành. Đây là phương thức liên kết thích hợp thường
được sử dụng để thành lập lưới GPS.
Liên kết lưới đường chuyền
Lưới GPS được tạo thành bởi sự liên kết các hình đồng bộ dạng kéo dài
như đường chuyền, các cạnh độc lập tạo thành dạng khép kín, để kiểm tra độ
tin cậy của điểm GPS.
2
1
3
4
5
Hình 7: Lưới đường chuyền
20
SV: NGUYỄN HỒNG HẢI
LỚP: TRẮC ĐỊA A- K50
Tải về để xem bản đầy đủ
50 trang
13660
Free
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Đồ án Phương án kinh tế kỹ thuật xây dựng lưới khống chế cơ sở bằng công nghệ GPS cho khu đô thị tại xã Vân Canh – Hoài Đức – Hà Nội", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
File đính kèm:
- do_an_phuong_an_kinh_te_ky_thuat_xay_dung_luoi_khong_che_co.doc
