Đang tải... (xem toàn văn)
Khảo sát ứng dụng công nghệ GPS trong trắc địa công trình - Nguyễn Khắc Dũng
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Đề tài Khảo sát ứng dụng công nghệ GPS trong trắc địa công trình Trờng Đại học Mỏ - Địa chất Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Khắc Dũng Lớp CĐ Trắc địa A K49 1 Đề tài: Khảo sát ứng dụng công nghệ GPS trong trắc địa công trình Chuyên đề: Chuyển trục công trình lên cao bằng công nghệ GPS Chơng 1 Khái quát về công nghệ GPS 1.1.Cấu trúc của hệ thống định vị GPS 1.2.Nguyên lý định vị và các trị đo GPS 1.3.Các phơng pháp định vị GPS 1.4.Một số ứng dụng của công nghệ GPS Chơng 2 Tổng quan về công tác trắc địa trong xây dựng công trình công nghiệp và nhà cao tầng 2.1. Thành lập lới khống chế thi công 2.2. Công tác bố trí công trình công nghiệp và nhà cao tầng 2.3. Các phơng pháp chuyển trục công trình lên cao trong xây dựng công nghiệp và nhà cao tầng Chơng 3 Chuyển trục công trình lên cao bằng công nghệ GPS 3.1. Đặt vấn đề 3.2. Thực nghiệm 3.3. Chuyển trục công trình lên cao bằng công nghệ GPS Kết Luận Trờng Đại học Mỏ - Địa chất Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Khắc Dũng Lớp CĐ Trắc địa A K49 2 Chơng 1 Khái quát về công nghệ GPS 1.1. cấu trúc của hệ thống định vị toàn cầu GPS Hệ thống định vị toàn cầu GPS (Global Positioning System) gồm 3 bộ phận: Đoạn không gian, đoạn điều khiển và đoạn sử dụng. Đoạn không gian Đoạn điều khiển Đoạn sử dụng Hình 1.1- Sơ đồ hoạt động của hệ thống định vị toàn cầu GPS 1.1.1. Đoạn không gian (Space Segment) Đoạn này gồm 24 vệ tinh phân bố đều trên 6 quỹ đạo gần tròn, trên mỗi quỹ đạo có 4 vệ tinh, mặt phẳng quỹ đạo nghiêng với mặt phẳng xích đạo một góc 55 0 . Bán kính quỹ đạo vệ tính xấp xỉ 26560 km, tức vệ tinh có độ cao so với mặt đất cỡ 20200 km. Chu kỳ chuyển động của quỹ đạo là 718 phút (~12 giờ). Số lợng vệ tinh có thể quan sát đợc tuỳ thuộc vào thời gian và vị trí quan trắc trên trái đất, nhng có thể nói rằng ở bất kỳ thời gian và vị trí nào trên mặt đất cũng có thể quan sát đợc tối thiểu 4 vệ tinh và tối đa là 11 vệ tinh. Trờng Đại học Mỏ - Địa chất Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Khắc Dũng Lớp CĐ Trắc địa A K49 3 Hình 1.3- Vệ tinh GPS Hình 1.2- Phân bố vệ tinh trên 6 quỹ đạo Năng lợng cung cấp cho hoạt động của các thiết bị trên vệ tinh là pin mặt trời. Mỗi vệ tinh đều có đồng hồ nguyên tử với độ ổn định tần số 10 -12 , tạo ra tín hiệu với tần số cơ sở f 0 = 10.23 MHz và từ đó tạo ra hai tần số tải: L 1 = 154.f 0 = 1575.42 MHz ( có bớc sóng xấp xỉ 19 cm) L 2 = 120.f 0 = 1227.60 MHz ( có bớc sóng xấp xỉ 24 cm) Các tải L 1 , L 2 thuộc dải cực ngắn. Với tần số lớn nh vậy các tín hiệu sẽ ít bị ảnh hởng của tầng điện ly (tầng Ion) và tầng đối lu vì mức độ chậm tín hiệu do tầng điện ly tỷ lệ nghịch với bình phơng của tỷ số. Để phục vụ cho các mục đích và đối tợng khác nhau, các tín hiệu phát đi đợc điều biến mang theo các code riêng biệt là C/A code, P- code, và Y-code. Các sóng tải đợc điều biến bởi hai loại code khác nhau: Trờng Đại học Mỏ - Địa chất Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Khắc Dũng Lớp CĐ Trắc địa A K49 4 + C/A code (Coarse/Acquition code) đợc dùng cho mục đích dân sự với độ chính xác không cao và chỉ điều biến sóng tải L 1 . Chu kỳ lặp lại của C/A code là 1 miligiây và mỗi vệ tinh đợc gắn một C/A code riêng biệt. + P code (Presice code) đợc dùng cho mục đích quân sự (Mỹ) với độ chínhxác cao, điều biến cả sóng tải L 1 và L 2 . Mỗi vệ tinh chỉ gán một đoạn code loại này, do đó P code rất khó bị giải mã để sử dụng nếu không đợc phép. Ngoài ra, cả hai sóng tải L 1 và L 2 còn đợc điều biến bởi các thông tin đạo hàng: Ephemerit vệ tinh, thời gian của hệ thống, số hiệu chỉnh đồng hồ vệ tinh, quang cảnh phân bố vệ tinh trên bầu trời và tình trạng của hệ thống. + Y- code đợc phủ lên P code nhằm chống bắt chớc, gọi là kỹ thuật AS (Anti Spoofing). Trong 3 nhóm vệ tinh (I, II, II-A) đã đợc đa lên quỹ đạo thì chỉ có vệ tinh thuộc nhóm II (sau năm 1989) mới có khả năng này. Ngoài các tần số trên, các vệ tinh GPS còn có thể trao đổi với các trạm điều khiển mặt đất qua các tần số 1783.74MHz và 2227.5 MHz để truyền các thông tin đạo hàng và các lệnh điều khiển tới vệ tinh. Tất cả các code đợc khởi tạo lại sau mỗi tuần lễ GPS vào đúng nửa đêm thứ bẩy, sáng chủ nhật. Trên cơ sở C/A code, mỗi vệ tinh còn phát đi một code tựa ngẫu nhiên riêng của vệ tinh đó gọi là PRN code (Pseudo Random Noise code) code này dài 37 tuần lễ. Code ngẫu nhiên là cơ sở để định vị tuyệt đối khoảng cách giả và dựa vào đó nhận biết đợc số liệu của vệ tinh. Nếu không có can thiệp chủ động nào khác vào các tín hiệu của vệ tinh, tức cỡ 1 3 m. Chính vì thế trớc đây Bộ Quốc Phòng Mỹ đã đa vào dữ liệu thời gian của vệ tinh GPS một loại nhiễu SA (Selecke Availability) để giảm độ chính xác định vị tuyệt đối xuống cỡ 50 100 m. Nhng ngày 2/5/2000, chính phủ Mỹ đã tuyên bố bỏ SA. Điều đó có nghĩa là độ chính xác định vị tuyệt đối thời gian sau khi bỏ SA đã đợc cải thiện. 1.1.2. Đoạn điều khiển (Control Segment) Trờng Đại học Mỏ - Địa chất Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Khắc Dũng Lớp CĐ Trắc địa A K49 5 Hình 1.5- Máy thu GPS Hình 1.4- Trạm điều khiển của hệ thống GPS Đoạn điều khiển gồm 4 trạm quan sát trên mặt đất tại Hawaii (Thái Bình Dơng), Assension Island (Đại Tây Dơng), Diego Garcia (ấn Độ Dơng), Kwajalein (tây Thái Bình Dơng) và một trạm điều khiển trung tâm đặt tại căn cứ không quân Mỹ gần Colorado Spring. Đoạn điều khiển có nhiệm vụ điều khiển toàn bộ hoạt động của các vệ tinh trên cơ sở theo dõi quỹ đạo chuyển động của vệ tinh và hoạt động của đồng hồ vệ tinh. Tất cả các trạm điều khiển có máy thu GPS theo dõi liên tục các vệ tinh, đồng thời đo các số liệu khí tợng. Trạm trung tâm xử lý các số liệu đợc truyền về từ các trạm cùng với số liệu đo đợc của chính nó. Kết quả xử lý cho ra ephemerit chính xác hoá của các vệ tinh và số hiệu chỉnh cho các đồng hồ vệ tinh. Các số liệu này đợc truyền từ trạm điều khiển trung tâm tới các trạm quan sát, từ đó truyền tiếp lên các vệ tinh cùng với các lệnh điều khiển khác. Việc chính xác hoá thông tin đợc tiến hành 3 lần trong một ngày. Ngoài ra, trạm trung tâm còn điều khiển hiệu chỉnh quỹ đạo, khởi động vệ tinh dự phòng khi cần thiết thay thế vệ tinh đã ngừng hoạt động. 1.1.3. Đoạn sử dụng (User Segment) Đoạn này gồm tất cả các máy móc, thiết bị thu nhận thông tin từ vệ tinh để khai thác sử dụng cho các mục đích và yêu cầu khác nhau. Đó có thể là một máy thu riêng biệt, hoạt động độc lập (trờng hợp định vị tuyệt đối) hay mộtnhóm từ hai máy thu trở lên hoạt động Trờng Đại học Mỏ - Địa chất Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Khắc Dũng Lớp CĐ Trắc địa A K49 6 đồng thời theo một lịch trình nhất định (trờng hợp định vị tơng đối) hoặc hoạt động theo chế độ một máy thu đóng vai trò máy chủ phát tín hiệu vô tuyến hiệu chỉnh cho các máy thu khác (định vị vi phân). 1.2. Nguyên lý định vị và các trị đo GPS 1.2.1. Nguyên lý định vị GPS Nguyên lý định vị GPS là sử dụng các vệ tinh GPS nh các điểm chuẩn di động có toạ độ đã biết để xác định vị trí của các điểm trên mặt đất, mặt biển hoặc trên không trung bằng phơng pháp giao hội cạnh không gian. Giả sử đo đợc chính xác khoảng cách từ điểm đặt máy thu đến 3 vệ tinh thì vị trí điểm cần xác định (điểm đặt máy) là một trong 2 giao điểm của mặt cần có bán kính là khoảng cách từ máy thu đến vệ tinh thứ 3 và vòng tròn giao tuyến của hai mặt cầu có bán kính là khoảng cách từ máy thu đến vệ tinh thứ nhất và thứ hai. Thông thờng, một trong hai giao điểm đó sẽ cho một đáp số vô lý (hoặc quá xa hoặc phải dịch chuyển với tốc độ không tởng) và phải loại bỏ. Trong công nghệ GPS đã đặt ra yêu cầu phải thu tín hiệu từ 4 vệ tinh điều này liên quan đến việc tính số hiệu chỉnh đồng hồ. Để xác định chính xác khoảng thời gian truyền sóng và phải biết đợc vị trí chính xác của vệ tinh. Hai vấn đề cơ bản này của định vị GPS đợc giải quyết bởi đoạn điều khiển, cấu tạo của máy thu và cấu tạo của vệ tinh GPS. 1.2.2. Các trị đo GPS Trị đo GPS là những số liệu máy thu GPS nhận đợc từ tín hiệu của vệ tinh truyền tới. Mỗi vệ tinh GPS phát 4 thông số cơ bản cho việc đo đạc và chỉ chia thành hai nhóm: - Nhóm trị đo code: C/A code, P code. - Nhóm trị đo pha: L 1 , L 2 và tổ hợp L 1 /L 2 Các trị đo này có thể sử dụng riêng biệt hoặc kết hợp để xác định khoảng cách từ vệ tinh đến máy thu. Trờng Đại học Mỏ - Địa chất Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Khắc Dũng Lớp CĐ Trắc địa A K49 7 1.2.2.1. Trị đo code Trong trờng hợp này, máy thu nhận đợc code phát đi từ vệ tinh, so sánh với code tự do máy thu tạo ra nhằm xác định thời gian truyền tín hiệu từ vệ tinh đến máy thu và từ đó khoảng cách từ máy thu tới vệ tinh đợc xác định theo công thức: D = c.t + c.t + (1.1) Trong đó: c : là vận tốc truyền sóng (ánh sáng) = 299792458 m/s t : là thời gian truyền tín hiệu (sóng) t : là số hiệu chỉnh do sự không đồng bộ đồng hồ máy thu và vệ tinh : là số hiệu chỉnh do môi trờng. Hiện nay, độ chính xác định vị với trị đo code có thể đát tới 30m. Với độ chính xác đó trị đo code đợc sử dụng trong định vị đạo hàng và trong đo đạc độ chính xác thấp. 1.2.2.2. Trị đo pha sóng tải Sóng tải đợc phát đi từ vệ tinh có chiều dài bớc sóng không đổi. Nếu gọi là chiều dài bớc sóng thì khoảng cách giữa vệ tinh và máy thu GPS là: D = N. + (1.2) Trong đó: N : là số nguyên lần bớc sóng : là phần lẻ bớc sóng Trị đo pha chính là phần lẻ bớc sóng thể hiện qua độ di pha giữa sóng tải thu đợc từ vệ tinh và sóng tải do máy thu tạo ra. Phần lẻ này có thể đo đợc với độ chính xác cỡ 1% bớc sóng, tức khoảng vài mm. Biểu thức xác định độ di pha: = R + c(t - T) - .N + atm + (1.3) Trong đó: R = 222 )()()( rsrsrs ZZYYXX (1.4) R : là khoảng cách đúng từ vệ tinh đến máy thu Trờng Đại học Mỏ - Địa chất Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Khắc Dũng Lớp CĐ Trắc địa A K49 8 X s , Y s , Z s : là toạ độ không gian ba chiều của vệ tinh X r , Y r , Z r : là toạ độ không gian ba chiều của vị trí anten máy thu c : là tốc độ truyền sóng (ánh sáng) t : là độ lệch đồng hồ máy thu T : là độ lệch đồng hồ vệ tinh : là bớc sóng của sóng tải N : là số nguyên lần bớc sóng từ vệ tinh đến anten máy thu atm : là sai số do khí quyển : là tổng hợp các sai số khác. Định vị với trị đo pha sóng tải có độ chính xác cao hơn địn vị với trị đo code. Vấn đề chính trong trờng hợp này là xác định số nguyên lần bớc sóng (số nguyên đa trị N) giữa anten máy thu và vệ tinh. 1.3. Các phơng pháp định vị GPS 1.3.1. Định vị tuyệt đối Hình 1.6- Định vị tuyệt đối Định vị tuyệt đối còn gọi là định vị điểm đơn, tức là dựa vào trị đo khoảng cách từ vệ tinh đến máy thu GPS để xác định trực tiếp vị trí tuyệt đối của anten máy thu trong hệ toạ độ WGS 84 (hệ toạ độ có điểm gốc là tâm khối lợng trái đất). Định vị tuyệt đối còn đợc chia thành định vị tuyệt đối tĩnh và định vị tuyệt đối động. Tĩnh hay động là nói trạng thái của (anten) máy thu trong quá trình định vị. v1 v2 v3 v4 Trờng Đại học Mỏ - Địa chất Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Khắc Dũng Lớp CĐ Trắc địa A K49 9 Độ chính xác của định vị tuyệt đối tĩnh ớc tính đạt tới cỡ mét, còn độ chính xác định vị tuyệt đối động khoảng 10 40 m. Trong định vị tuyệt đối tĩnh có thể quan trắc liên tục các vệ tinh khác nhau ở các thời điểm khác nhau để đo khoảng cách từ vệ tinh đến điểm trạm đo và có nhiều trị đo thừa, qua xử lý số liệu sẽ đợc toạ độ tuyệt đối của điểm trạm đo. Trong trờng hợp định vị tuyệt đối theo phơng pháp đo khoảng cách giả thì ở một thời điểm t i , từ một trạm đo, quan trắc đồng bộ 4 vệ tinh, j = 1, 2, 3, 4 ta có một hệ phơng trình đợc viết dới dạng ma trận A i .X + L i = 0 (1.5) Khi quan trắc đồng bộ với số lợng vệ tinh nhiều hơn 4 thì cần nghiệm theo phơng pháp số bình phơng nhỏ nhất. Lúc đó (1.5) đợc viết dới dạng hệ phơng trình sai số: V i = A i .X + L i (1.6) Nếu số lợng thời điểm quan trắc là n và bỏ qua sự thay đổi của đồng hồ máy thu theo thời gian thì từ (1.6) ta có hệ phơng trình sai số tơng ứng là: V = A.X +L (1.7) Trong đó: V = ( V 1 V 2 . . . V n ) T A = (A 1 A 2 . . . A n ) T L = (L 1 L 2 . . . L n ) T X = ( X Y Z T ) T Theo phơng pháp số bình phơng nhỏ nhất, ta có: X = -(A T .A) -1 .(A T .L) (1.8) Sai số trung phơng của ẩn số đợc tính theo công thức: ii X Q M i 0 (1.9) Trong đó: 0 : là sai số của trị đo khoảng cách giả (SSTP trọng số đơn vị) Q ii : là phần tử tơng ứng trên đờng chéo chính của ma trận hệ số Q X [...]... sở trắc địa công trình và lưới thi công công trình b) Đo các mạng lưới quan trắc biến dạng và chuyển dịch công trình c) Đo vẽ thành lập các mặt cắt và đo tính khối lượng d) Đo cắm chi tiết công trình 1.5.2 Các ứng dụng của công nghệ GPS trong cuộc sống Nguyễn Khắc Dũng 14 Lớp CĐ Trắc địa A K49 Trường Đại học Mỏ - Địa chất Đồ án tốt nghiệp Chương 2 Tổng quan về công tác trắc địa trong xây dựng công trình. .. các yếu tố sau: - Kích thước và chiều cao của công trình - Vật liệu xây dựng công trình - Tính chất và công dụng của công trình - Công nghệ và phương pháp thi công xây dựng công trình Các yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác xây dựng công trình: - Sai số đo đạc : mtđ - Sai số tính toán, thiết kế : mtk - Sai số thi công, xây lắp : mxl Như vậy sai số trung phương tổng hợp sẽ được tính theo công thức: m02... (2.10) Trong lưới tứ giác cần đo hai cạnh trong tứ giác đầu tiên Đối với các tứ giác tiếp theo chỉ cần đo một cạnh, vì cạnh còn lại có thể nhận được từ kết quả giải cạnh ở hình tứ giác trước đó 2.1.1 4 Phương pháp sử dụng công nghệ GPS Hiện nay công nghệ GPS được ứng dụng rộng rãi trong trắc địa, trong đó có trắc địa công trình, bởi vì công nghệ này có nhiều ưu điểm nổi bật và đạt hiệu quả công tác... Trục chính của công trình được đo nối với lưới trắc địa cơ sở Nguyễn Khắc Dũng 25 Lớp CĐ Trắc địa A K49 Trường Đại học Mỏ - Địa chất Đồ án tốt nghiệp - Trục cơ bản là trục của các bộ phận quan trọng của công trình và thường có quan hệ chặt chẽ với nhau Các trục cơ bản được xác định với độ chính xác cao hơn - Trục phụ là trục để bố trí các phần chi tiết của công trình Công tác bố trí công trình được tiến... 1:3000 3 thi công theo cốp pha trượt, nhà 5 10 tầng, khẩu độ 6 36m, công trình cao 15 60m 4 Nhà dưới 5 tầng, khẩu độ dưới 6m, công trình cao dưới 15m, đóng cốp pha tại chỗ, nhà khung Nguyễn Khắc Dũng 28 Lớp CĐ Trắc địa A K49 Trường Đại học Mỏ - Địa chất Đồ án tốt nghiệp 2.2.5 Công tác bố trí trong xây dựng công trình công nghiệp 2.2.5.1 Lập bản vẽ bố trí công trình Trước khi chuyển ra thực địa bản thiết... 13 Lớp CĐ Trắc địa A K49 Trường Đại học Mỏ - Địa chất Đồ án tốt nghiệp ứng của thuyết tương đối, sai số vị trí của máy thu, sai số vị trí tâm pha của anten Trong định vị chính xác cao cần phải xem xét và tìm biện pháp giảm ảnh hưởng của các nguồn sai số 1.5 Các ứng dụng của công nghệ GPS 1.5.1 Các ứng dụng của GPS trong trắc địa 1.5.1.1 Xây dựng lưới khống chế mặt bằng Có thể nói, những ứng dụng đầu... được giữ lại trên thực địa bằng các cọc gỗ tạm thời nên có khả năng dễ bị hư hại, mất mát 2.2 Công tác bố trí trong xây dựng công trình công nghiệp và nhà cao tầng 2.2.1 Khái niệm chung về bố trí công trình Bố trí công trình là công tác trắc địa nhằm chuyển bản thiết kế công trình ra thực địa Nội dung của công tác bố trí là xác định vị trí mặt bằng, độ cao của các điểm, độ thẳng ứng của các kết cấu,... khống chế thi công là một trong những nội dung cơ bản, quan trọng của công tác trặc địa trong xây dựng công trình 2.1.1.2 Đặc điểm của lưới khống chế thi công Lưới khống chế thi công là một hệ thống các điểm khống chế mặt bằng và độ cao được lưu giữ trên khu vực xây dựng bằng những dấu mốc trắc địa trong suốt quá trình thi công công trình Lưới khống chế thi công có những đặc điểm cơ bản sau: - Lưới được... thiết kế công trình xây dựng cần phải thực hiện việc tính toán, giải thích các yếu tố bố trí, từ đó lập bản vẽ bố trí công trình Để chuyển các công trình ra thực địa, cần thành lập trên khu vực xây dựng lưới khống chế trắc địa dùng cho bố trí công trình Sau đó phải xác định được toạ độ các điểm cơ bản (các điểm xác định kích thước hình học) của công trình trong hệ toạ độ dùng để thi công công trình bằng... thành lập lưới khống chế thi công bằng công nghệ GPS: a) Thiết kế lưới Trong lưới GPS không yêu cầu nhìn thông giữa các điểm, nhưng xét đến việc tăng dày lưới và ứng dụng các điểm GPS cho mục đích thi công, nên thiết kế để mỗi điểm của lưới phải nhìn thông hướng đến ít nhất một điểm khác Để tính toạ độ các điểm GPS trong hệ toạ độ mặt đất đã sử dụng trong giai đoạn khảo sát thiết kế, cần tiến hành đo . tài Khảo sát ứng dụng công nghệ GPS trong trắc địa công trình Trờng Đại học Mỏ - Địa chất Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Khắc Dũng Lớp CĐ Trắc địa A K49 1 Đề. tài: Khảo sát ứng dụng công nghệ GPS trong trắc địa công trình Chuyên đề: Chuyển trục công trình lên cao bằng công nghệ GPS Chơng 1 Khái quát về công nghệ
