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

Tr­êng §¹i häc Má - §Þa chÊt §å ¸n tèt nghiÖp

NguyÔn Kh¾c Dòng Líp C§ Tr¾c ®Þa A – K49 1

§Ò tµi: “Kh¶o s¸t øng dông c«ng nghÖ GPS trong tr¾c ®Þa c«ng tr×nh”

Chuyªn ®Ò: “ ChuyÓn trôc c«ng tr×nh lªn cao b»ng c«ng nghÖ GPS”

Ch­¬ng 1

Kh¸i qu¸t vÒ c«ng nghÖ GPS

1.1.CÊu tróc cña hÖ thèng ®Þnh vÞ GPS

1.2.Nguyªn lý ®Þnh vÞ vµ c¸c trÞ ®o GPS

1.3.C¸c ph­¬ng ph¸p ®Þnh vÞ GPS

1.4.Mét sè øng dông cña c«ng nghÖ GPS

Ch­¬ng 2

Tæng quan vÒ c«ng t¸c tr¾c ®Þa trong x©y dùng c«ng

tr×nh c«ng nghiÖp vµ nhµ cao tÇng

2.1. Thµnh lËp l­íi khèng chÕ thi c«ng

2.2. C«ng t¸c bè trÝ c«ng tr×nh c«ng nghiÖp vµ nhµ cao tÇng

2.3. C¸c ph­¬ng ph¸p chuyÓn trôc c«ng tr×nh lªn cao trong x©y dùng c«ng

nghiÖp vµ nhµ cao tÇng

Ch­¬ng 3

ChuyÓn trôc c«ng tr×nh lªn cao b»ng c«ng nghÖ GPS

3.1. §Æt vÊn ®Ò

3.2. Thùc nghiÖm

3.3. ChuyÓn trôc c«ng tr×nh lªn cao b»ng c«ng nghÖ GPS

KÕt LuËn

Tr­êng §¹i häc Má - §Þa chÊt §å ¸n tèt nghiÖp

NguyÔn Kh¾c Dòng Líp C§ Tr¾c ®Þa A – K49 2

Ch­¬ng 1

Kh¸i qu¸t vÒ c«ng nghÖ GPS

1.1. cÊu tróc cña hÖ thèng ®Þnh vÞ toµn cÇu GPS

HÖ thèng ®Þnh vÞ toµn cÇu GPS (Global Positioning System) gåm 3 bé

phËn: §o¹n kh«ng gian, ®o¹n ®iÒu khiÓn vµ ®o¹n sö dông.

§o¹n kh«ng gian

§o¹n ®iÒu khiÓn §o¹n sö dông

H×nh 1.1- S¬ ®å ho¹t ®éng cña hÖ thèng ®Þnh vÞ toµn cÇu GPS

1.1.1. §o¹n kh«ng gian (Space Segment)

§o¹n nµy gåm 24 vÖ tinh ph©n bè ®Òu trªn 6 quü ®¹o gÇn trßn, trªn mçi quü

®¹o cã 4 vÖ tinh, mÆt ph¼ng quü ®¹o nghiªng víi mÆt ph¼ng xÝch ®¹o mét gãc

550

. B¸n kÝnh quü ®¹o vÖ tÝnh xÊp xØ 26560 km, tøc vÖ tinh cã ®é cao so víi

mÆt ®Êt cì 20200 km. Chu kú chuyÓn ®éng cña quü ®¹o lµ 718 phót (~12 giê).

Sè l­îng vÖ tinh cã thÓ quan s¸t ®­îc tuú thuéc vµo thêi gian vµ vÞ trÝ quan

tr¾c trªn tr¸i ®Êt, nh­ng cã thÓ nãi r»ng ë bÊt kú thêi gian vµ vÞ trÝ nµo trªn mÆt

®Êt còng cã thÓ quan s¸t ®­îc tèi thiÓu 4 vÖ tinh vµ tèi ®a lµ 11 vÖ tinh.

Tr­êng §¹i häc Má - §Þa chÊt §å ¸n tèt nghiÖp

NguyÔn Kh¾c Dòng Líp C§ Tr¾c ®Þa A – K49 3

H×nh 1.3- VÖ tinh GPS

H×nh 1.2- Ph©n bè vÖ tinh trªn 6 quü ®¹o

N¨ng l­îng cung cÊp cho ho¹t ®éng cña c¸c thiÕt bÞ trªn vÖ tinh lµ pin

mÆt trêi. Mçi vÖ tinh ®Òu cã ®ång hå nguyªn tö víi ®é æn ®Þnh tÇn sè 10-12, t¹o

ra tÝn hiÖu víi tÇn sè c¬ së f0 = 10.23 MHz vµ tõ ®ã t¹o ra hai tÇn sè t¶i:

L1 = 154.f0 = 1575.42 MHz ( cã b­íc sãng xÊp xØ 19

cm)

L2 = 120.f0 = 1227.60 MHz ( cã b­íc sãng xÊp xØ 24

cm)

C¸c t¶i L1

, L2

thuéc d¶i cùc ng¾n. Víi tÇn sè lín

nh­ vËy

c¸c tÝn hiÖu sÏ Ýt bÞ ¶nh h­ëng cña tÇng ®iÖn ly

(tÇng Ion) vµ

tÇng ®èi l­u v× møc ®é chËm tÝn hiÖu do tÇng ®iÖn ly tû

lÖ nghÞch víi b×nh ph­¬ng cña tû sè.

§Ó phôc vô cho c¸c môc ®Ých vµ ®èi t­îng kh¸c nhau, c¸c

tÝn hiÖu ph¸t ®i ®­îc ®iÒu biÕn mang theo c¸c code riªng biÖt lµ C/A code, P- code, vµ Y-code.

C¸c sãng t¶i ®­îc ®iÒu biÕn bëi hai lo¹i code kh¸c nhau:

Tr­êng §¹i häc Má - §Þa chÊt §å ¸n tèt nghiÖp

NguyÔn Kh¾c Dòng Líp C§ Tr¾c ®Þa A – K49 4

+ C/A – code (Coarse/Acquition code) ®­îc dïng cho môc ®Ých d©n sù

víi ®é chÝnh x¸c kh«ng cao vµ chØ ®iÒu biÕn sãng t¶i L1

. Chu kú lÆp l¹i cña

C/A – code lµ 1 miligi©y vµ mçi vÖ tinh ®­îc g¾n mét C/A – code riªng biÖt.

+ P – code (Presice code) ®­îc dïng cho môc ®Ých qu©n sù (Mü) víi ®é

chÝnhx¸c cao, ®iÒu biÕn c¶ sãng t¶i L1 vµ L2

. Mçi vÖ tinh chØ g¸n mét ®o¹n

code lo¹i nµy, do ®ã P – code rÊt khã bÞ gi¶i m· ®Ó sö dông nÕu kh«ng ®­îc

phÐp.

Ngoµi ra, c¶ hai sãng t¶i L1 vµ L2 cßn ®­îc ®iÒu biÕn bëi c¸c th«ng tin

®¹o hµng: Ephemerit vÖ tinh, thêi gian cña hÖ thèng, sè hiÖu chØnh ®ång hå vÖ

tinh, quang c¶nh ph©n bè vÖ tinh trªn bÇu trêi vµ t×nh tr¹ng cña hÖ thèng.

+ Y- code ®­îc phñ lªn P – code nh»m chèng b¾t ch­íc, gäi lµ kü thuËt

AS (Anti – Spoofing). Trong 3 nhãm vÖ tinh (I, II, II-A) ®· ®­îc ®­a lªn quü

®¹o th× chØ cã vÖ tinh thuéc nhãm II (sau n¨m 1989) míi cã kh¶ n¨ng nµy.

Ngoµi c¸c tÇn sè trªn, c¸c vÖ tinh GPS cßn cã thÓ trao ®æi víi c¸c tr¹m

®iÒu khiÓn mÆt ®Êt qua c¸c tÇn sè 1783.74MHz vµ 2227.5 MHz ®Ó truyÒn c¸c

th«ng tin ®¹o hµng vµ c¸c lÖnh ®iÒu khiÓn tíi vÖ tinh.

TÊt c¶ c¸c code ®­îc khëi t¹o l¹i sau mçi tuÇn lÔ GPS vµo ®óng nöa

®ªm thø bÈy, s¸ng chñ nhËt.

Trªn c¬ së C/A code, mçi vÖ tinh cßn ph¸t ®i mét “code tùa ngÉu

nhiªn” riªng cña vÖ tinh ®ã gäi lµ PRN – code (Pseudo Random Noise code)

code nµy dµi 37 tuÇn lÔ. Code ngÉu nhiªn lµ c¬ së ®Ó ®Þnh vÞ tuyÖt ®èi kho¶ng

c¸ch gi¶ vµ dùa vµo ®ã nhËn biÕt ®­îc sè liÖu cña vÖ tinh.

NÕu kh«ng cã can thiÖp chñ ®éng nµo kh¸c vµo c¸c tÝn hiÖu cña vÖ tinh,

tøc cì 1 3 m. ChÝnh v× thÕ tr­íc ®©y Bé Quèc Phßng – Mü ®· ®­a vµo d÷ liÖu

thêi gian cña vÖ tinh GPS mét lo¹i nhiÔu SA (Selecke Availability) ®Ó gi¶m ®é

chÝnh x¸c ®Þnh vÞ tuyÖt ®èi xuèng cì 50 100 m. Nh­ng ngµy 2/5/2000, chÝnh

phñ Mü ®· tuyªn bè bá SA. §iÒu ®ã cã nghÜa lµ ®é chÝnh x¸c ®Þnh vÞ tuyÖt ®èi

thêi gian sau khi bá SA ®· ®­îc c¶i thiÖn.

1.1.2. §o¹n ®iÒu khiÓn (Control Segment)

Tr­êng §¹i häc Má - §Þa chÊt §å ¸n tèt nghiÖp

NguyÔn Kh¾c Dòng Líp C§ Tr¾c ®Þa A – K49 5

H×nh 1.5- M¸y thu GPS

H×nh 1.4- Tr¹m ®iÒu khiÓn cña hÖ thèng GPS

§o¹n ®iÒu khiÓn gåm 4 tr¹m quan s¸t trªn mÆt ®Êt t¹i Hawaii (Th¸i

B×nh D­¬ng), Assension Island (§¹i T©y D­¬ng), Diego Garcia (Ên §é

D­¬ng), Kwajalein (t©y Th¸i B×nh D­¬ng) vµ mét tr¹m ®iÒu khiÓn trung t©m

®Æt t¹i c¨n cø kh«ng qu©n Mü gÇn Colorado Spring.

§o¹n ®iÒu khiÓn cã nhiÖm vô ®iÒu khiÓn toµn bé ho¹t ®éng cña c¸c vÖ

tinh trªn c¬ së theo dâi quü ®¹o chuyÓn ®éng cña vÖ tinh vµ ho¹t ®éng cña

®ång hå vÖ tinh. TÊt c¶ c¸c tr¹m ®iÒu khiÓn cã m¸y thu GPS theo dâi liªn tôc

c¸c vÖ tinh, ®ång thêi ®o c¸c sè liÖu khÝ t­îng. Tr¹m trung t©m xö lý c¸c sè

liÖu ®­îc truyÒn vÒ tõ c¸c tr¹m cïng víi sè liÖu ®o ®­îc cña chÝnh nã. KÕt qu¶

xö lý cho ra ephemerit chÝnh x¸c ho¸ cña c¸c vÖ tinh vµ sè hiÖu chØnh cho c¸c

®ång hå vÖ tinh. C¸c sè liÖu nµy ®­îc truyÒn tõ tr¹m ®iÒu khiÓn trung t©m tíi

c¸c tr¹m quan s¸t, tõ ®ã truyÒn tiÕp lªn c¸c vÖ tinh cïng víi c¸c lÖnh ®iÒu

khiÓn kh¸c. ViÖc chÝnh x¸c ho¸ th«ng tin ®­îc tiÕn hµnh 3 lÇn trong mét ngµy.

Ngoµi ra, tr¹m trung t©m cßn ®iÒu khiÓn hiÖu chØnh quü ®¹o, khëi ®éng vÖ

tinh dù phßng khi cÇn thiÕt thay thÕ vÖ tinh ®· ngõng ho¹t ®éng.

1.1.3. §o¹n sö dông (User Segment)

§o¹n nµy gåm tÊt c¶ c¸c m¸y mãc, thiÕt bÞ thu

nhËn th«ng tin tõ vÖ tinh ®Ó khai th¸c sö dông cho c¸c

môc ®Ých vµ yªu cÇu kh¸c nhau. §ã cã thÓ lµ mét m¸y

thu riªng biÖt, ho¹t ®éng ®éc lËp (tr­êng hîp ®Þnh vÞ

tuyÖt ®èi) hay métnhãm tõ hai m¸y thu trë lªn ho¹t ®éng

Tr­êng §¹i häc Má - §Þa chÊt §å ¸n tèt nghiÖp

NguyÔn Kh¾c Dòng Líp C§ Tr¾c ®Þa A – K49 6

®ång thêi theo mét lÞch tr×nh nhÊt ®Þnh (tr­êng hîp ®Þnh vÞ t­¬ng ®èi) hoÆc

ho¹t ®éng theo chÕ ®é mét m¸y thu

®ãng vai trß m¸y chñ ph¸t tÝn hiÖu v« tuyÕn hiÖu chØnh cho c¸c m¸y thu kh¸c

(®Þnh vÞ vi ph©n).

1.2. Nguyªn lý ®Þnh vÞ vµ c¸c trÞ ®o GPS

1.2.1. Nguyªn lý ®Þnh vÞ GPS

Nguyªn lý ®Þnh vÞ GPS lµ sö dông c¸c vÖ tinh GPS nh­ c¸c ®iÓm chuÈn

di ®éng cã to¹ ®é ®· biÕt ®Ó x¸c ®Þnh vÞ trÝ cña c¸c ®iÓm trªn mÆt ®Êt, mÆt biÓn

hoÆc trªn kh«ng trung b»ng ph­¬ng ph¸p giao héi c¹nh kh«ng gian.

Gi¶ sö ®o ®­îc chÝnh x¸c kho¶ng c¸ch tõ ®iÓm ®Æt m¸y thu ®Õn 3 vÖ

tinh th× vÞ trÝ ®iÓm cÇn x¸c ®Þnh (®iÓm ®Æt m¸y) lµ mét trong 2 giao ®iÓm cña

mÆt cÇn cã b¸n kÝnh lµ kho¶ng c¸ch tõ m¸y thu ®Õn vÖ tinh thø 3 vµ vßng trßn

giao tuyÕn cña hai mÆt cÇu cã b¸n kÝnh lµ kho¶ng c¸ch tõ m¸y thu ®Õn vÖ tinh

thø nhÊt vµ thø hai. Th«ng th­êng, mét trong hai giao ®iÓm ®ã sÏ cho mét ®¸p

sè v« lý (hoÆc qu¸ xa hoÆc ph¶i dÞch chuyÓn víi tèc ®é kh«ng t­ëng) vµ ph¶i

lo¹i bá.

Trong c«ng nghÖ GPS ®· ®Æt ra yªu cÇu ph¶i thu tÝn hiÖu tõ 4 vÖ tinh

®iÒu nµy liªn quan ®Õn viÖc tÝnh sè hiÖu chØnh ®ång hå.

§Ó x¸c ®Þnh chÝnh x¸c kho¶ng thêi gian truyÒn sãng vµ ph¶i biÕt ®­îc

vÞ trÝ chÝnh x¸c cña vÖ tinh. Hai vÊn ®Ò c¬ b¶n nµy cña ®Þnh vÞ GPS ®­îc gi¶i

quyÕt bëi “®o¹n ®iÒu khiÓn”, cÊu t¹o cña m¸y thu vµ cÊu t¹o cña vÖ tinh GPS.

1.2.2. C¸c trÞ ®o GPS

TrÞ ®o GPS lµ nh÷ng sè liÖu m¸y thu GPS nhËn ®­îc tõ tÝn hiÖu cña vÖ tinh

truyÒn tíi. Mçi vÖ tinh GPS ph¸t 4 th«ng sè c¬ b¶n cho viÖc ®o ®¹c vµ chØ chia

thµnh hai nhãm: - Nhãm trÞ ®o code: C/A – code, P – code. - Nhãm trÞ ®o pha: L1

, L2 vµ tæ hîp L1

/L2

C¸c trÞ ®o nµy cã thÓ sö dông riªng biÖt hoÆc kÕt hîp ®Ó x¸c ®Þnh

kho¶ng c¸ch tõ vÖ tinh ®Õn m¸y thu.

Tr­êng §¹i häc Má - §Þa chÊt §å ¸n tèt nghiÖp

NguyÔn Kh¾c Dòng Líp C§ Tr¾c ®Þa A – K49 7

1.2.2.1. TrÞ ®o code

Trong tr­êng hîp nµy, m¸y thu nhËn ®­îc code ph¸t ®i tõ vÖ tinh, so s¸nh víi

code tù do m¸y thu t¹o ra nh»m x¸c ®Þnh thêi gian truyÒn tÝn hiÖu tõ vÖ tinh

®Õn m¸y thu vµ tõ ®ã kho¶ng c¸ch tõ m¸y thu tíi vÖ tinh ®­îc x¸c ®Þnh theo

c«ng thøc:

D = c.t + c.t +  (1.1)

Trong ®ã:

c : lµ vËn tèc truyÒn sãng (¸nh s¸ng) = 299792458 m/s

t : lµ thêi gian truyÒn tÝn hiÖu (sãng)

t : lµ sè hiÖu chØnh do sù kh«ng ®ång bé ®ång hå m¸y thu vµ vÖ tinh

 : lµ sè hiÖu chØnh do m«i tr­êng.

HiÖn nay, ®é chÝnh x¸c ®Þnh vÞ víi trÞ ®o code cã thÓ ®¸t tíi 30m. Víi

®é chÝnh x¸c ®ã trÞ ®o code ®­îc sö dông trong ®Þnh vÞ ®¹o hµng vµ trong ®o

®¹c ®é chÝnh x¸c thÊp.

1.2.2.2. TrÞ ®o pha sãng t¶i

Sãng t¶i ®­îc ph¸t ®i tõ vÖ tinh cã chiÒu dµi b­íc sãng kh«ng ®æi. NÕu

gäi  lµ chiÒu dµi b­íc sãng th× kho¶ng c¸ch gi÷a vÖ tinh vµ m¸y thu GPS lµ:

D = N. +  (1.2)

Trong ®ã:

N : lµ sè nguyªn lÇn b­íc sãng



: lµ phÇn lÎ b­íc sãng

TrÞ ®o pha chÝnh lµ phÇn lÎ b­íc sãng thÓ hiÖn qua ®é di pha gi÷a sãng

t¶i thu ®­îc tõ vÖ tinh vµ sãng t¶i do m¸y thu t¹o ra. PhÇn lÎ nµy cã thÓ ®o

®­îc víi ®é chÝnh x¸c cì 1% b­íc sãng, tøc kho¶ng vµi mm.

BiÓu thøc x¸c ®Þnh ®é di pha:

 = R + c(t - T) - .N + atm +  (1.3)

Trong ®ã:

R = 2 2 2 ( ) ( ) ( ) X s  Xr  Ys Yr  Zs  Zr

(1.4)

R : lµ kho¶ng c¸ch ®óng tõ vÖ tinh ®Õn m¸y thu

Tr­êng §¹i häc Má - §Þa chÊt §å ¸n tèt nghiÖp

NguyÔn Kh¾c Dòng Líp C§ Tr¾c ®Þa A – K49 8

Xs, Ys, Zs : lµ to¹ ®é kh«ng gian ba chiÒu cña vÖ tinh

Xr, Yr, Zr : lµ to¹ ®é kh«ng gian ba chiÒu cña vÞ trÝ anten m¸y thu

c : lµ tèc ®é truyÒn sãng (¸nh s¸ng)

t : lµ ®é lÖch ®ång hå m¸y thu

T : lµ ®é lÖch ®ång hå vÖ tinh

 : lµ b­íc sãng cña sãng t¶i

N : lµ sè nguyªn lÇn b­íc sãng tõ vÖ tinh ®Õn anten m¸y thu

atm : lµ sai sè do khÝ quyÓn

 : lµ tæng hîp c¸c sai sè kh¸c.

§Þnh vÞ víi trÞ ®o pha sãng t¶i cã ®é chÝnh x¸c cao h¬n ®Þn vÞ víi trÞ ®o

code. VÊn ®Ò chÝnh trong tr­êng hîp nµy lµ x¸c ®Þnh sè nguyªn lÇn b­íc sãng

(sè nguyªn ®a trÞ N) gi÷a anten m¸y thu vµ vÖ tinh.

1.3. C¸c ph­¬ng ph¸p ®Þnh vÞ GPS

1.3.1. §Þnh vÞ tuyÖt ®èi

H×nh 1.6- §Þnh vÞ tuyÖt ®èi

§Þnh vÞ tuyÖt ®èi cßn gäi lµ ®Þnh vÞ ®iÓm ®¬n, tøc lµ dùa vµo trÞ ®o kho¶ng

c¸ch tõ vÖ tinh ®Õn m¸y thu GPS ®Ó x¸c ®Þnh trùc tiÕp vÞ trÝ tuyÖt ®èi cña anten

m¸y thu trong hÖ to¹ ®é WGS – 84 (hÖ to¹ ®é cã ®iÓm gèc lµ t©m khèi l­îng

tr¸i ®Êt). §Þnh vÞ tuyÖt ®èi cßn ®­îc chia thµnh ®Þnh vÞ tuyÖt ®èi tÜnh vµ ®Þnh

vÞ tuyÖt ®èi ®éng. “TÜnh” hay “®éng” lµ nãi tr¹ng th¸i cña (anten) m¸y thu

trong qu¸ tr×nh ®Þnh vÞ.

v1

v2

v3

v4