ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Đề tài Chuyền độ cao qua sông bằng công nghệ GPS Bộ môn Trắc địa công trình Đồ án tốt nghiệp Vũ Phơng Thảo - 1 - Cao Đẳng Trắc địa A K49 mục lục Trang Mục lục 1 Mở đầu 2 Chơng 1 khái quát về công nghệ gps 4 1.1 Cấu trúc của hệ thống định vị toàn cầu GPS 4 1.2 Các trị đo GPS 5 1.3 Các nguồn sai số trong đo GPS 7 1.4 Các phơng pháp định vị và trạng thái đo GPS 9 1.5 Thiết kế kỹ thuật đo GPS 11 1.6 Tổng quan về các ứng dụng của công nghệ GPS 20 1.7 ứng dụng GPS trong trắc địa công trình 23 Chơng 2 các hệ thống độ cao và các phơng pháp đo c ao trong trắc địa 24 2.1 Lới khống chế độ cao trong trắc địa công trình 24 2.2 Các hệ thống độ cao 32 2.3 Các phơng pháp đo cao truyền thống 36 2.4 Chuyền độ cao qua sông trong xây dựng công trình 44 Chơng 3 chuyền độ cao qua sông bằng công nghệ gps 50 3.1 Đặt vấn đề 50 3.2 Thực nghiệm chuyền độ cao qua sông bằng công nghệ GPS 51 Kết luận 60 Tài liệu tham khảo 61 Phụ lục Bộ môn Trắc địa công trình Đồ án tốt nghiệp Vũ Phơng Thảo - 2 - Cao Đẳng Trắc địa A K49 Lời mở đầu Ngày nay, chúng ta đang tiến hành mở rộng quan hệ hợp tác quốc tế. Do vậy vấn đề giao lu hợp tác văn hóa- kinh tế, khoa học kỹ thuật ngày càng đợc đẩy mạnh. Để đáp ứng yêu cầu đó chúng ta đang tiến hàng xây dựng nhiều công trình vợt sông vợt biển nối hai bờ trở thành một yêu cầu cấp thiết. Để đảm bảo xây dựng công trình này thì chúng ta phải chuyền độ cao qua sông. Chính vì vậy các đơn vị thi công phải lựa chọn áp dụng các thành tựu khoa học kỹ thuật mới nhằm đảm bảo độ chính xác yêu cầu chuỳên độ cao qua sông. Với nhiệm vụ trên, đợc sự giúp đỡ và tận tình chỉ bảo của TS .nguyễn quang phúc tôi đợc giao đề tài: Khảo sát ứng dụng công nghệ GPS trong trắc địa công trình chuyên đề: Chuyền độ cao qua sông bằng công nghệ GPS. Nội dung của đề tài gồm những vấn đề sau: Chơng 1- Khái quát về hệ thống GPS. Trong chơng trình này, tôi sẽ trình bày cấu trúc hệ thống định vị GPS, nguyên lý định vị GPS, các nguồn sai số trong đo GPS và ứng dụng công nghệ GPS. Chơng 2- Hệ thống độ cao và các phơng pháp đo cao trong trăc địa. ở chơng này ta sẽ giới thiệu về lới khống chế độ cao, các phơng pháp đo cao truyền thống và sự cần thiết phải chuyền độ cao trong xây dụng công trình. Chơng 3 Chuyền độ cao qua sông bằng công nghệ GPS Trong chơng 3 chúng ta sẽ đa ra lý do tại sao ta áp dụng công nghệ GPS để chuyền độ cao qua sông thay thế cho các phơng pháp đo cao truyền thống. Đồng thời tiến hành đo mạng lới thực nghiệm bằng công nghệ GPS và phơng pháp truyền thống, trên cơ sở đó đánh giá phân tích khả năng ứng dụng của công nghệ GPS. Bộ môn Trắc địa công trình Đồ án tốt nghiệp Vũ Phơng Thảo - 3 - Cao Đẳng Trắc địa A K49 để hoàn thành đồ án này tôi đã nhận đợc rất nhiều sự giúp đỡ của các bạn đồng nghiệp, các thầy cô trong khoa trắc địa và đặc biệt là sự hớng dẫn tận tình chỉ bảo của TS .Nguyễn Quang Phúc. Tuy nhiên do thời gian và trình độ chuyên môn cũng nh kinh nghiệm sản xuất còn nhiều hạn chế do vậy trong bản đồ án này không thể tránh khỏi có thiếu sót. Chính vì vậy tôi rất mong nhận đợc những ý kiến đóng góp của các bạn đồng nghiệp và các thầy cô giúp cho đồ án của tôi đợc hoàn thiện hơn. Tôi xin chân thành cảm ơn ! Bộ môn Trắc địa công trình Đồ án tốt nghiệp Vũ Phơng Thảo - 4 - Cao Đẳng Trắc địa A K49 H ỡnh 1.2 Tr m iu h thng GPS 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. 1.1.1. Đoạn không gian (Space segment) Hình 1.1- Phân bố vệ tinh trên 6 quỹ đạo Đoạn không gian gồm 24 vệ tinh phân bố 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 tinh xấp xỉ 26560 km, tức vệ tinh có cao độ so với mặt đất cỡ 20200km. Chu kỳ chuyển động của vệ tinh trên 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 trái đất cũng có thể quan trắc đợc tối thiểu 4 vệ tinh và tối đa 11 vệ tinh. 1.1.2. Đoạn điều khiển (Control Segment) Đoạn điều khiển gồm 4 trạm quan sát trên mặt đất đặt tại Hawaii (Thái bình dơng). Assension Island (Đại tây dơng), Diego Garcia (ấn độ dơng), Bộ môn Trắc địa công trình Đồ án tốt nghiệp Vũ Phơng Thảo - 5 - Cao Đẳng Trắc địa A K49 Hỡnh 1.3- M ỏy thu GPS 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 đều 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. 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 một nhóm từ hai máy thu trở lên hoạt động 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). 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. 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 cách từ máy thu GPS đến vệ tinh đòi hỏi phải xác định chính xác thời gian truyền sóng và phải biết đợc vị trí chính Bộ môn Trắc địa công trình Đồ án tốt nghiệp Vũ Phơng Thảo - 6 - Cao Đẳng Trắc địa A K49 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. Các trị đo GPS Trị đo GPS là những số liệu mà máy thu GPS nhận đợc từ tín hiệu của vệ tinh truyền tới. Mỗi vệ tinh GPS phát 4 thông số cơ bản dùng cho việc đo đạc và đợc chia thành 2 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. 1.2.1. Trị đo code Trong trờng hợp này, máy thu nhận đợc code phát đi từ vệ tinh, so sánh với code tơng 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 đến vệ tinh đợc xác định theo công thức: D = c.t + ct + (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 đạt 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. Bộ môn Trắc địa công trình Đồ án tốt nghiệp Vũ Phơng Thảo - 7 - Cao Đẳng Trắc địa A K49 1.2.2. 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 vài mm. Biểu thức xác định độ di pha: = R + c(t - T) - .N + atm + (1-3) Trong đó: R = 222 )()()( rSrSrS ZZYYXX R là khoảng cách đúng từ vệ tinh đến máy thu; X S , Y S , Z S là toạ độ không gian 3 chiều của vệ tinh; X r , Y r , Z r là toạ độ không gian 3 chiều của vị trí anten máy thu; c là tốc độ truyền sóng (ánh sáng); 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. Bộ môn Trắc địa công trình Đồ án tốt nghiệp Vũ Phơng Thảo - 8 - Cao Đẳng Trắc địa A K49 Định vị với trị đo pha sóng tải có độ chính xác cao hơn định 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 nguồn sai số trong đo GPS Định vị GPS về thực chất đợc xây dựng trên cơ sở giao hội không gian các khoảng cách đo đợc từ máy thu đến các vệ tinh có toạ độ đã biết. Khoảng cách đo đợc là hàm của thời gian và tốc độ lan truyền tín hiệu trong không gian giữa vệ tinh và máy thu. Vì vậy kết quả đo chịu ảnh hởng trực tiếp của các sai số của vệ tinh, của máy thu, của môi trờng lan truyền tín hiệu và các nguồn sai số khác. Các nguồn sai số đó có tính chất hệ thống và tính chất ngẫu nhiên ảnh hởng đến kết quả đo GPS. 1.3.1. Sai số đồng hồ Sai số đồng hồ gồm sai số đồng hồ vệ tinh, đồng hồ máy thu và sự không đồng bộ giữa chúng. Đồng hồ vệ tinh là đồng hồ nguyên tử, độ chính xác cao nhng không phải hoàn toàn không có sai số. Trong đó sai số hệ thống lớn hơn sai số ngẫu nhiên rất nhiều, nhng có thể dùng mô hình để cải chính sai số hệ thống, do đó sai số ngẫu nhiên trở thành chỉ tiêu quan trọng để đánh giá độ chính xác của đồng hồ. Khi hai trạm đo tiến hành quan trắc đồng bộ đối với vệ tinh thì ảnh hởng của sai số đồng hồ vệ tinh đối với trị đo của 2 trạm là nh nhau. Đồng hồ máy thu là đồng hồ thạch anh. Cùng một máy thu, khi quan trắc đồng thời nhiều vệ tinh thì sai số đồng hồ máy thu có ảnh hởng nh nhau đối với các trị đo tơng ứng và các sai số đồng hồ của các máy thu có thể đợc coi là độc lập với nhau. Nh đã biết vận tốc truyền tín hiệu xấp xỉ 3.10 8 m/s, do đó nếu đồng hồ thạch anh có sai số 10 -4 giây thì sai số tơng ứng của khoảng cách là 30.000m; Bộ môn Trắc địa công trình Đồ án tốt nghiệp Vũ Phơng Thảo - 9 - Cao Đẳng Trắc địa A K49 nếu đồng hồ nguyên tử có sai số 10 -7 giây thì sai số tơng ứng của khoảng cách là 30m. Trong định vị GPS tơng đối, sử dụng các sai phân bậc 1, 2, 3, có thể loại trừ hoặc giảm thiểu ảnh hởng sai số đồng hồ trong kết quả đo. 1.3.2. Sai số quỹ đạo vệ tinh Do sự thay đổi của trọng trờng Trái đất, sức hút Mặt trăng, Mặt trời và các thiên thể khác tác động lên vệ tinh, nên chuyển động của vệ tinh trên quỹ đạo không hoàn toàn tuân theo định luật Kepler. Đó là nguyên nhân gây nên sai số quỹ đạo vệ tinh hay còn gọi là sai số vị trí của vệ tinh. Trong định vị GPS cần phải sử dụng lịch quỹ đạo vệ tinh (Ephemerit). Các trạm điều khiển quan trắc liên tục để xác định quỹ đạo chuyển động của vệ tinh và đa ra lịch dự báo, gọi là lịch vệ tinh quảng bá, cung cấp đại trà cho ngời sử dụng bằng cách thu trực tiếp nhờ máy thu GPS. Lịch vệ tinh quảng bá cho phép xác định vị trí tức thời của vệ tinh với độ chính xác cỡ 20 - 100 m. Ngoài lịch vệ tinh quảng bá còn có lịch vệ tinh chính xác (Precise Ephemerit). Lịch vệ tinh này đợc thành lập từ kết quả hậu xử lý số liệu quan trắc ở các thời điểm trong khoảng thời gian quan trắc, có độ chính xác toạ độ vệ tinh cỡ 10 - 50m. Sai số vị trí của vệ tinh chịu ảnh hởng gần nh trọn vẹn đến độ chính xác toạ độ điểm định vị tuyệt đối (định vị điểm đơn), nhng lại đợc loại trừ về cơ bản trong kết quả định vị tơng đối. 1.3.3. Sai số do tầng điện ly và tầng đối lu Tầng đối lu đợc tính từ mặt đất tới độ cao 50km và tầng điện ly ở độ cao từ 50km đến 1000km. Tín hiệu truyền từ vệ tinh qua tầng điện ly, tầng đối lu đến máy thu, bị khúc xạ và thay đổi tốc độ lan truyền. Đối với tầng điện ly, giá trị sai số tăng tỷ lệ thuận với mật độ điện tử tự do và tỷ lệ nghịch với bình phơng của tần số tín hiệu. Đối với tín hiệu GPS, [...]... nhận được độ cao trắc địa của các điểm GPS Để có độ cao thường của các điểm GPS, có thể đo nối điểm độ cao Các Vũ Phương Thảo - 13 - Cao Đẳng Trắc địa A K49 Bộ môn Trắc địa công trình Đồ án tốt nghiệp điểm độ cao đo nối cần được phân bố đều trong lưới Đối với khu vực đồi núi, điểm độ cao đo nối cần được phân bố phù hợp độ cao mặt cong địa hình Để đo nối phải ứng dụng phương pháp thuỷ chuẩn có độ chính... phép của công trình và mục đích quan trắc biến dạng Vũ Phương Thảo - 33 - Cao Đẳng Trắc địa A K49 Bộ môn Trắc địa công trình Đồ án tốt nghiệp Trong quan trắc biến dạng các công trình công nghiệp và dân dụng thì nội dung chủ yếu là quan trẵc độ lún của nền móng và độ nghiêng của bản thân công trình Nếu quy định độ nghiêng cho phép của công trình là = 4%o của chiều cao công trình thì đối với một công trình... phương quan trắc không được vượt quá 1mm - 5mm Trừ các công trình có yêu cầu độ chính xác cực cao trong thi công xây dựng như nhà máy gia tốc hạt nhân, trong trắc địa công trình, quan trắc chuyển dịch biến dạng công trình có yêu cầu độ chính xác cao nhất Tuỳ thuộc mục đích quan trắc chuyển dịch biến dạng, loại hình và kết cấu công trình, điều kiện địa chất nền móng công trình mà yêu cầu độ chính xác quan... ứng dụng công nghệ GPS để thành lập lưới khống chế thi công xây dựng công trình Tuy nhiên, để bố trí chi tiết công trình thì công nghệ truyền thống và toàn đạc điện tử hiện đại vẫn tiện lợi và có hiệu quả cao. ứng dụng GPS để chuyển trục công trình lên cao sẽ không phải chừa các lỗ thủng trên các sàn như khi dùng máy chiếu đứng quang học và có thể chuyển trục lên các độ cao không hạn chế với độ chính... chính xác gần như đồng đều cho các sàn với những độ cao khác nhau 1.7.4 ứng dụng GPS trong quan trắc chuyển dịch biến dạng công trình Có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác của quan trắc chuyển dịch, biến dạng công trình Trong đó, các yếu tố cơ bản nhất là sự phân bố các điểm quan trắc, độ chính xác và chu kỳ quan trắc, thời gian quan trắc trong mỗi chu kỳ Yêu cầu độ chính xác quan trắc chuyển dịch,... toạ độ của lưới GPS mới thành lập cần cố gằng thống nhất với hệ toạ độ đã được sử dụng trước đó của khu đo Nếu đã sử dụng hệ toạ độ độc lập địa phương hoặc của công trình thì cần tìm hiểu các tham số sau đây: a- Elipsoid tham khảo đã sử dụng b- Độ kinh của kinh tuyến trục của hệ toạ độ c- Hằng số cộng vào toạ độ d- Độ cao mặt chiếu của hệ toạ độ và trị trung bình của dị thường độ cao khu đo e- Toạ độ. .. trong giai đoạn quản lý vận hành công trình: chủ yếu là quan trắc chuyển dịch, biến dạng công trình Trong đó gồm quan trắc lún, quan trắc chuyển dịch ngang, quan trắc độ nghiêng, độ vặn xoắn, độ dao động của công trình 1.7.2 ứng dụng GPS trong đo đạc, thành lập bản đồ địa hình Trong trắc địa công trình, tuỳ thuộc giai đoạn thiết kế, mức độ phức tạp của địa vật, địa hình, mật độ của các đường ống, dây dẫn... được vượt quá 1/4 khoảng cao đều ở vùng bằng phẳng và không được vượt quá 1/3 khoảng cao đều ở vùng địa hình dốc Đối với bản đồ địa hình công trình thường chọn khoảng cao đều: Vũ Phương Thảo - 28 - Cao Đẳng Trắc địa A K49 Bộ môn Trắc địa công trình Đồ án tốt nghiệp h = 0,5m cho tỷ lệ bản đồ 1:500, 1:1000 ở đồng bằng và vùng có độ dốc địa hình < 60; 1:2000, 1:5000 ở đồng bằng h = 1,0m cho tỷ lệ bản... Phương Thảo - 30 - Cao Đẳng Trắc địa A K49 Bộ môn Trắc địa công trình Đồ án tốt nghiệp công trình mà xác lập quan hệ tỷ lệ giữa sai số của lưới khống chế thi công và sai số bố trí; từ đó ước tính độ chính xác cần thiết của lưới khống chế thi công Sau đây sẽ nêu ra độ chính xác cần thiết của lưới khống chế thi công một số loại công trình tiêu biểu 1.7.3.1 Đối với lưới khống chế thi công cầu vượt Nhiệm... chế thi công công trình đầu mối thuỷ lợi - thuỷ điện không được vượt quá 8mm 1.73.3 Đối với lưới khống chế thi công công trình công nghiệp Lưới khống chế thi công công trình công nghiệp thường được chia làm 2 cấp Cấp đầu tiên khi ứng dụng công nghệ truyền thống, thường được thành lập dưới dạng lưới ô vuông (chữ nhật) có chiều dài cạnh trung bình khoảng 200m phủ trùm toàn bộ khu vực xây dựng công trình . chế độ cao trong trắc địa công trình 24 2.2 Các hệ thống độ cao 32 2.3 Các phơng pháp đo cao truyền thống 36 2.4 Chuyền độ cao qua sông trong xây dựng công trình 44 Chơng 3 chuyền độ cao qua sông. độ cao qua sông bằng công nghệ gps 50 3.1 Đặt vấn đề 50 3.2 Thực nghiệm chuyền độ cao qua sông bằng công nghệ GPS 51 Kết luận 60 Tài liệu tham khảo 61 Phụ lục Bộ môn Trắc địa công trình Đồ án. thiệu về lới khống chế độ cao, các phơng pháp đo cao truyền thống và sự cần thiết phải chuyền độ cao trong xây dụng công trình. Chơng 3 Chuyền độ cao qua sông bằng công nghệ GPS Trong chơng 3 chúng