Tài liệu đề tài nghiên cứu khoa học nghiên cứu ứng dụng công nghệ gps trong thành lập lưới khống chế thi công công trình thuỷ điện

Tr-êng ®¹i häc Má ®Þa chÊt Khoa : Tr¾c ®Þa MỤC LỤC Chương 1 Yêu cầu, đặc điểm đối với lưới khống chế thi công 2 1.1 Một số khái niệm về bố trí công trình 2 1.2 Một số yêu cầu chung đối với mạng lưới thi công thủy điện 3 1.3 Phân tích các phương pháp thành lập lưới 8 1.4 Lựa chọn hệ quy chiếu đối với các mạng lưới thi công 9 Tổng quan về công nghệ định vị GPS 11 2.1 Cấu trúc chung của hệ thống định vị toàn cầu GPS 11 2.2 Phướng pháp định vị GPS 13 2.3 Phương pháp liên kết lươi GPS 15 2.4 Ứng dụng GPS trong lưới trắc địa công trình Thủy điện 17 Thiết kế phương án Xử lý số liệu 28 3.1 Xử lý số liệu GPS bằng phần mềm GPSURVEY 2.35 28 3.2 Tính chuyển tọa độ đo GPS về hệ tọa độ công trình 42 3.3 Thực nghiệm Chương 2 Chương 3 Kết luận Tài liệu tham khảo Nghiªn cøu khoa häc sinh1 viªn Líp : Tr¾c ®Þa B - 52 Tr-êng ®¹i häc Má ®Þa chÊt Khoa : Tr¾c ®Þa LỜI MỞ ĐẦU Ngày nay vấn đề ứng dụng công nghệ GPS vào lĩnh vực trắc địa nói chung và trắc địa công trình nói riêng đã trở nên phổ biến. Với các trị đo cạnh ngắn và liên kết trong một mạng lưới chặt chẽ, công nghệ GPS có tiềm năng đạt được độ chính xác cao về vị trí tương hỗ giữa các điểm trong lưới đáp ứng được nhiều tiêu chuẩn chặt chẽ của các mạng lưới 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 lưới khống chế là hoàn toàn hợp lý và đạt hiệu quả cao hơn so với các phương pháp truyền thống trước đây. Với mục đích nghiên cứu việc ứng dụng công nghệ GPS vào thực tiễn xây dựng các công trình thuỷ điện tôi đã chọn đề tài: Nghiên cứu ứng dụng công nghệ GPS trong thành lập lưới khống chế thi công công trình thuỷ điện. Bố cục của đề tài gồm 3 phần: Chương 1: Yêu cầu, đặc điểm đối với lưới khống chế thi công công trình thủy điện. Chương 2: Ứng dụng công nghệ GPS vào thành lập lưới khống chế thi công công trình thủy điện Chương 3: Thực nghiệm xử lý số liệu của lưới. Trong thời gian thực hiện đề tài này được sự nhiệt tình giúp đỡ của PGS.TS Trần Khánh cùng các thầy cô trong khoa, sự đóng góp ý kiến của các bạn đặc biệt là sự nỗ lực hết mình của các thành viên trong nhóm. Chúng em đã hoàn thành đề tài nghiên cứu khoa học này. Mặc dù đã rất cố gắng nhưng do kiến thức còn hạn hẹp, kinh nghiệm thực tế chưa nhiều, thời gian nghiên cứu ít nên không tránh khỏi những thiếu sót. Chúng em mong được sự đóng góp ý kiến của quý Thầy cô và các bạn để nghiên cứu khoa học này được hoàn thiện hơn. Em xin chân thành cảm ơn! Nghiªn cøu khoa häc sinh2 viªn Líp : Tr¾c ®Þa B - 52 Tr-êng ®¹i häc Má ®Þa chÊt Khoa : Tr¾c ®Þa Hà Nội tháng 3 năm 2011 Chương 1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ LƯỚI KHỐNG CHẾ THI CÔNG CÔNG TRÌNH THỦY ĐIỆN 1.1. MỘT SỐ KHÁI NIỆM VỀ BỐ TRÍ CÔNG TRÌNH 1.1.1. Khái niệm chung Bố trí công trình là công tác trắc địa được tiến hành ở ngoài thực địa để xác định vị trí mặt bằng và độ cao của các điểm, độ cao thẳng đứng của các kết cấu, các mặt phẳng đặc trưng của công trình để xây dựng theo đúng thiết kế. Lưới khống chế thi công thường được thành lập dưới dạng lưới tự do vì : - Độ chính xác yêu cầu trong giai đoạn bố trí thi công công trình cao hơn độ chính xác của lưới cơ sở được thành lập trong giai đoạn khảo sát thiết kế. - Hệ tọa độ trong giai đoạn khảo sát là hệ tọa độ nhà nước còn trong giai đoạn bố trí công trình thường sử dụng hệ tọa độ quy ước riêng. - Lưới khống chế thi công thường được quy chiếu lên mặt phẳng có độ cao trung bình của khu vực thi công - Công trình thủy điện thường trải dài trên 1 khu vực rộng lớn, mật độ bố trí tại mỗi vị trí là khác nhau.Thường tại khu vực nhà máy có khối lượng công tác bố trí nhiều hơn khu vực xây dựng đập Cơ sở hình học để chuyển bản thiết kế ra ngoài thực địa là các trục bố trí, vị trí của chúng chỉ rõ trên bản thiết kế, người ta phân biệt một số trục bố trí như trục chính, trục cơ bản, trục chi tiết… - Trục chính là các trục đối xứng của công trình, đối với công trình dạng tuyến đó là trục dọc của công trình. - Trục cơ bản là trục tạo nên hình dạng và kích thước theo chu vi công trình. Nghiªn cøu khoa häc sinh3 viªn Líp : Tr¾c ®Þa B - 52 Tr-êng ®¹i häc Má ®Þa chÊt Khoa : Tr¾c ®Þa - Trục chi tiết, trục trung gian là những trục để bố trí các phần chi tiết của công trình. Để tiến hành bố trí công trình, cần xây dựng trên thực địa một hệ thống các điểm mặt bằng và độ cao gọi là lưới khống chế thi công, tọa độ và độ cao của chúng được xác định với độ chính xác cần thiết. Sau đó tiến hành tính toán và lập các bản vẽ bố trí dựa trên tọa độ và độ cao các điểm trong lưới và các số liệu thiết kế. 1.1.2. Trình tự thực hiện công tác bố trí công trình Công tác bố trí công trình được tiến hành theo ba giai đoạn: - Bố trí cơ bản: từ điểm khống chế trắc địa bố trí trục chính của công trình. Từ trục chính bố trí trục cơ bản. - Bố trí chi tiết: từ trục chính và trục cơ bản bố trí các trục dọc trục ngang của các bộ phận công trình, đồng thời bố trí các điểm và mặt phẳng theo độ cao thiết kế. - Bố trí công nghệ: công tác trong giai đoạn này nhằm đảm bảo lắp đặt và điều chỉnh các kết cấu xây dựng và thiết bị kỹ thuật. 1.2. MỘT SỐ YÊU CẦU CHUNG ĐỐI VỚI MẠNG LƯỚI THI CÔNG TRONG XÂY DỰNG THỦY ĐIỆN. 1.2.1. Đặc điểm cấu trúc chung của công trình thủy điện. Các công trình thuỷ lợi được xây dựng để sử dụng các tài nguyên thuỷ năng và nguồn dự trữ nước vào việc giải quyết một số vấn đề của nền kinh tế quốc dân. Một số vấn đề quan trọng đó là: - Sử dụng năng lượng dòng chảy ở các trạm thuỷ điện. - Giải quyết vấn đề giao thông bằng cách xây dựng hệ thống các kênh dẫn và âu thuyền. - Tưới và tiêu nước cho các vùng đất canh tác. - Cấp nước cho các thành phố và các Sở giao thông, Công Nông nghiệp. Nghiªn cøu khoa häc sinh4 viªn Líp : Tr¾c ®Þa B - 52 Tr-êng ®¹i häc Má ®Þa chÊt Khoa : Tr¾c ®Þa Tập hợp các công trình thuỷ lợi để giải quyết đồng thời các vấn đề trên được gọi là đầu mối thuỷ lợi. Một đầu mối thuỷ lợi lớn có thể bao gồm những công trình sau: - Đập chắn bằng bê tông cốt sắt có sân tràn hoặc đập đất không sân tràn. - Các công trình để thông thương dòng chảy (như các âu thuyền hoặc kênh nổi và ngầm). - Các công trình để cá qua lại giữa thượng và hạ lưu. - Hồ chứa nước cùng với công trình thoát nước và các kênh dẫn để cấp thoát nước cho đồng ruộng. Các công trình thủy điện được phân loại như sau: - Nhà máy sau đập: các nhà máy kiểu này thì có đập được xây dựng ở gần nhà máy, như nhà máy thủy điện Hòa Bình,Sơn La, thủy điện Thác Bà… - Nhà máy đường dẫn: thủy điện được xây dựng theo phương pháp này thì đập được bố trí xây dựng cách xa nhà máy, nước được dẫn qua ống dẫn vào nhà máy, như thủy điện A Lưới. Các tuyến đập thì được phân loại theo hình dạng: có đập cong ( hình 1.1a), đập thẳng ( hình 1.1b). (Hình 1.1a) ( Hình 1.1b) Hình 1.1: Đập nhà máy thủy điện Hòa Bình và Sơn La Các đường hầm thì có: dạng kênh, đường hầm ( hình 1.2a), đường ống dẫn nước ( hình 1.2b). Nghiªn cøu khoa häc sinh5 viªn Líp : Tr¾c ®Þa B - 52 Tr-êng ®¹i häc Má ®Þa chÊt Khoa : Tr¾c ®Þa 1.2a: Nhà máy thuỷ điện 1.2b:Đường ống áp lực Hình 1.2: Nhà máy thuỷ điện và đường ống áp lực 1.2.2. Lưới tam giác thủy công Do các mạng lưới trắc địa được xây dựng trước đây trong thời kì khảo sát không đáp ứng được yêu cầu về độ chính xác cũng như mật độ điểm. Bởi vậy, trên khu vực xây dựng công trình đầu mối người ta thành lập các mạng lưới trắc địa chuyên dùng mà độ chính xác của chúng phụ thuộc chủ yếu vào hạng mục của các công trình đầu mối, lưới này có tên gọi là lưới tam giác thủy công. Lưới tam giác thủy công và thủy chuẩn thủy công được thiết kế và xây dựng làm cơ sở cho công tác: - Đưa tim mốc thiết kế công trình ra thực địa - Là hệ tọa độ, độ cao cơ sở để đo vẽ các loại bản đồ, mặt cắt trong quá trình thành lập bản vẽ thi công, thi công công trình - Kiểm tra độ chính xác quá trình thi công, xây lắp và hoàn công các hạng mục công trình - Là cơ sở để xây dựng mạng lưới biến dạng trắc địa công trình bằng phương pháp trắc địa. Lưới tam giác thủy công được chia làm 3 cấp hạng: I, II, III. Các thông số kĩ thuật và độ chính xác của các cấp lưới tam giác thủy công được nêu trong bảng 1.1. Nghiªn cøu khoa häc sinh6 viªn Líp : Tr¾c ®Þa B - 52 Tr-êng ®¹i häc Má ®Þa chÊt Khoa : Tr¾c ®Þa Bảng 1.1: Độ chính xác của các cấp lưới tam giác thủy công Cấp thiết kế của công trình Công suất nhà máy điện (kW) Cấp hạng lưới tam Chiều dài S.S.T.P giác cạnh (km) đo góc (“) thủy công I ≥ 300 I 0.5 – 1.5 II 50- 300 II III-IV- V < 50 III Sai số khép tam giác Sai số chiều dài cạnh yếu nhất ±1.0 ±3.5 ” 1: 200000 0.3 – 1.0 ±1.5 ± 5.0 ” 1: 150000 0.2 – 0.8 ± 2.0 ±7.5 ” 1: 70000 Ngoài ra phải xét đến tính phức tạp của công trình, các hạng mục của công trình phân tán hay tập chung, mức độ khó khăn của điều kiện địa hình mà tăng hoặc chia cấp hạng lưới tam giác thủy công để đảm bảo độ chính xác cần thiết cho công trình. Căn cứ vào mặt bằng công trình và điều kiện địa hình mà có thể xây dựng 1 hoặc 2 bậc lưới tam giác thủy công. Nếu xây dựng 2 bậc lưới tam giác thủy công thì lưới bậc 1 là lưới tam giác cơ sở cho toàn bộ công trình. Lưới bậc 2 là lưới tam giác cho hạng mục công trình cục bộ. Hệ quy chiếu của lưới tam giác thủy công phải được lựa chọn phù hợp để đảm bảo lưới có độ biến dạng nhỏ nhất so với thực địa và các sai số do phép chiếu gây lên không ảnh hưởng đến độ chính xác của các cấp lưới đã chọn. Lưới được xây dựng phải phù hợp với kích thước, hình dạng mặt bằng công trình đảm bảo lưới có độ biến dạng ít nhất. Hệ tọa độ của lưới phải phù hợp (gần đúng nhất) với hệ tọa độ đã dùng trong giai đoạn khảo sát, thiết kế công trình. Số lượng, mật độ điểm lưới tam giác thủy công cho từng công trình cần được tính toán, bố trí sao cho mỗi điểm tim tuyến có thể được xác định độc lập Nghiªn cøu khoa häc sinh7 viªn Líp : Tr¾c ®Þa B - 52 Tr-êng ®¹i häc Má ®Þa chÊt Khoa : Tr¾c ®Þa từ ít nhất 2 điểm tam giác. Mốc lưới tam giác thủy công được thiết kế xây dựng là loại mốc hình trụ bền vững, mặt mốc dạng định tâm bắt buộc. Xung quanh mốc có tường vây bảo vệ. Máy trắc địa sử dụng để đo lưới tam giác thủy công phải có độ chính xác cao và ổn định. Có thể sử dụng các máy toàn đạc điện tử và máy thu vệ tinh GPS. Trước và sau khi đo phải thực hiện công tác kiểm nghiệm, hiệu chỉnh máy theo đúng quy định của quy phạm nhà nước. Công tác đo ngoại nghiệp phải chọn thời gian thích hợp để giảm tối thiểu ảnh hưởng do thời tiết đến sai số đo đạc và tuân thủ nghiêm ngặt quy trình đo đạc lưới trắc địa với yêu cầu độ chính xác cao. Tính toán xử lý số liệu của lưới phải được thực hiện theo nguyên tắc sau: - Luôn bảo toàn cấu trúc nội tại lưới loại trừ ảnh hưởng của sai số số liệu gốc đối với kết quả bình sai. - Tất cả các bậc lưới phải được tính toán trong hệ tọa độ phù hợp với hệ đã được sử dụng trong giai đoạn khảo sát công trình. 1.2.3. Yêu cầu độ chính xác bố trí tim tuyến công trình thủy điện Công tác đưa tim các trục chính (tim tuyến) công trình từ bản vẽ thiết kế ra thực địa là nhiệm vụ của tổ chức thiết kế. Các điểm tim tuyến công trình chỉ được đo đạc định vị thực địa khi có cơ sở gốc là các điểm lưới tam giác thủy công. Số lượng các điểm tim tuyến do chủ nhiệm đề án yêu cầu, có tham khảo ý kiến của kĩ sư chính và chủ nhiệm địa hình công trình. Yêu cầu độ chính xác xem bảng 1.2. Bảng 1.2: Độ chính xác công tác đưa tim tuyến Hạng mục công trình Sai số tuyến (cm) Chiều dọc Chiều ngang I. Công trình cấp I, II Nghiªn cøu khoa häc sinh8 viªn Líp : Tr¾c ®Þa B - 52 Ghi chú Độ chính xác tương đường chuyền hạng 4 Tr-êng ®¹i häc Má ®Þa chÊt Khoa : Tr¾c ®Þa nhà nước 1. Đập dâng, tràn 1 -2 1 -2 “ 2. Tuyến năng lượng 2 -5 2 -5 “ 3. Trục các tổ máy 1 -5 1 -5 “ Độ chính xác tương đương đường chuyền cấp 1 Nhà nước II. Công trình cấp III, IV, V 1. Đập, tràn 5 5 “ 2. Kênh, tuyến năng lượng 7 7 “ 3. Nhà máy 1 -5 1 -5 “ Các tim tuyến công trình sau khi đưa ra thực địa cần xây dựng mốc tương đương các mốc khống chế: đường chuyền hạng IV và đường chuyền cấp 1 theo độ chính xác tương ứng với từng tim tuyến. 1.3. PHÂN TÍCH CÁC PHƯƠNG PHÁP THÀNH LẬP LƯỚI Lưới tam giác thủy công được thành lập theo một trong những phương pháp sau: Phương pháp lưới tam giác đo góc cạnh kết hợp; Phương pháp lưới GPS; Phương pháp kết hợp lưới GPS và tam giác đo góc cạnh. 1.3.1. Phương pháp lưới tam giác đo góc cạnh kết hợp Trong lưới đo góc cạnh kết hợp có thể đo tất cả hoặc một phần các góc và cạnh của lưới. So với các lưới tam giác đo góc và đo cạnh, lưới tam giác đo góc cạnh ít phụ thuộc hơn vào kết cấu hình học của lưới, giảm đáng kể giữa dịch vị dọc và dịch vị ngang, đảm bảo kiểm tra chặt chẽ trị đo góc và cạnh. Lưới đo góc cạnh cho phép tính tọa độ các điểm chính xác hơn ( khoảng 1.5 lần) so với lưới tam giác đo góc hoặc đo cạnh. Khi bình sai lưới đo góc cạnh nảy sinh vấn đề lựa chọn quan hệ giữa sai số đo góc và đo cạnh. Quan hệ này được coi là hợp lý khi đảm bảo điều kiện: Nghiªn cøu khoa häc sinh9 viªn Líp : Tr¾c ®Þa B - 52 Tr-êng ®¹i häc Má ®Þa chÊt Khoa : Tr¾c ®Þa m   mS  S Trong thực tế nên đảm bảo quan hệ này trong phạm vi: m 1  S  . 3 3  m S 1.1 1.2  Lưới tam giác đo góc cạnh ít phụ thuộc hơn vào kết cấu hình học của lưới, giảm đáng kể sự phụ thuộc giữa dịch vị dọc và dịch vị ngang, đảm bảo kiểm tra chặt chẽ các trị đo góc và cạnh. Lưới đo góc cạnh cho phép tính tọa độ các điểm chính xác hơn khoảng 1,5 lần so với lưới tam giác đo góc hoặc đo cạnh. 1.3.2. Phương pháp lưới GPS Hiện nay công nghệ GPS được ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực trắc địa, trong đó có ngành trắc địa công trình, bởi vì công nghệ này có nhiều ưu điểm nổi bật và đạt hiệu quả công tác cao. Theo các tiêu chuẩn máy thu hiện có, có thể ứng dụng GPS để thành lập các mạng lưới khống chế thi công công trình. Khi thiết kế lưới, ngoài việc đảm bảo các điều kiện cần thiết đối với lưới GPS, cần lưu ý để các điểm được chọn phải đảm bảo sử dụng có hiệu quả trong thi công công trình. Muốn vậy lưới cần được thiết kế trên tổng bình đồ công trình.Vì lưới khống chế thi công được thành lập trên khu vực xây dựng với các đối tượng cản trở tầm ngắm trên bầu trời, tạo sự phát xạ nhiệt và sang điện từ, do vậy cần lưu ý chọn vị trí các điểm GPS chịu ảnh hưởng ít nhất của tác động trên. Các vật cản xung quanh điểm đo có góc cao không quá 15 0 (hoặc có thể là 200) để tránh cản trở tín hiệu GPS. 1.4. LỰA CHỌN HỆ QUY CHIẾU ĐỐI VỚI CÁC MẠNG LƯỚI THI CÔNG Lưới khống chế thi công có một vai trò rất quan trọng trong quá trình xây dựng công trình. Chất lượng của lưới khống chế thi công sẽ đảm bảo tính chính xác của công trình trong thời gian xây dựng. Vì vậy để đảm bảo độ chính xác bố trí công trình, lưới khống chế thi công được thành lập phải đảm bảo yêu cầu: sự đồng nhất giữa tọa độ thiết kế và hệ tọa độ thi công công trình. Do đó nhất thiết chúng ta phải lựa chọn hệ quy chiếu sao cho hợp lý. 10 Nghiªn cøu khoa häc sinh viªn Líp : Tr¾c ®Þa B - 52 Tr-êng ®¹i häc Má ®Þa chÊt Khoa : Tr¾c ®Þa 1.4.1. Chọn mặt chiếu Số hiệu chỉnh do chiếu cạnh AB xuống mặt chiếu AB (hình 1.4): S = A0B0 - AB được tính theo công thức: S    S Hm  H A Rm  (1.3) Trong đó : S là chiều dài cạnh đo được; Hm là độ cao trung bình của cạnh và HA là độ cao của mặt chiếu; B S B' A S1 Rm là bán kính trung bình của Ellipxoid (R= 6370 km) A1 A2 S2 Hm B2 mÆ t chiÕu c«ng B1 tr×nh Elipxoid Từ công thức trên, ta có: S h H  HA  m S Rm O Hình 1.4: Số hiệu chỉnh chiều dài Số hiệu chỉnh này ảnh hưởng không đáng kể đến tỷ lệ lưới, nếu H m  H A càng nhỏ. Để H m  H A nhỏ thì ta phải chọn sao cho độ cao mặt chiếu đi qua độ cao trung bình của khu vực xây dựng. 1.4.2. Chọn múi chiếu Số hiệu chỉnh chiều dài cạnh sẽ có dấu dương và tăng từ trục đến mép của múi chiếu. Khoảng cách Smp giữa hai điểm trên mặt phẳng được tính theo công thức:  ym2  Smp   k  1  S 2  2 R m   Trong đó: S- chiều dài cạnh trên Ellipxoid;Rm- bán kính trung bình của Ellipxoid; 11 Nghiªn cøu khoa häc sinh viªn Líp : Tr¾c ®Þa B - 52 Tr-êng ®¹i häc Má ®Þa chÊt Khoa : Tr¾c ®Þa yc  y d ym  2 là trị trung bình hoành độ điểm đầu và cuối của S.Để chọn hệ tọa độ cho lưới trắc địa công trình ta đặt điều kiện: Smp = 0 Từ công thức (1.4) sẽ tính được : ym  Rm 1  k0  .2 Hệ số k được chọn tùy theo phép chiếu. Với k = 1 ứng với phép chiếu Gauss (hệ tọa độ HN-72); k = 0.9996 ứng với phép chiếu UTM, múi chiếu 60; k = 0.9999 ứng với phép chiếu UTM, múi chiếu 30. Như vậy, khi dùng phép chiếu Gauus ( k=1) thì kinh tuyến trục sẽ cách khu đo không quá 20km. Nếu sử dụng phép chiếu UTM 60 ( k= 0.9996) thì kinh tuyến trục cách khu đo trong giới hạn 160 km đến 200 km, còn phép chiếu UTM 30 ( k= 09999) thì kinh tuyến trục cách khu đo trong giới hạn 70km đến 110km. Chương 2 TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ ĐỊNH VỊ GPS 2.1. CẤU TRÚC CHUNG CỦA HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ TOÀN CẦU (GPS) Với mục đích đạo hàng và dẫn đường trên biển phục vụ cho mục đích quân sự, vào khoảng những năm 60 các nhà khoa học Mĩ và Liên Xô đã chạy đua nghiên cứu về vệ tinh nhân tạo và đã đạt được những thành tựu to lớn trong việc sử dụng vệ tinh của mình để xác định vị trí điểm trên bề mặt trái đất hoặc 12 Nghiªn cøu khoa häc sinh viªn Líp : Tr¾c ®Þa B - 52 Tr-êng ®¹i häc Má ®Þa chÊt Khoa : Tr¾c ®Þa trên đại dương phục vụ cho việc dẫn đường cho tàu, thuyền và nhiều lĩnh vực khác. Trong những năm đó, các nhà khoa học của Liên Xô đã phóng thành công hệ thống định vị toàn cầu mang tên Glonass (Global - Navigation - Satellite System). Cùng với thời gian này, bộ quốc phòng Mỹ cũng đã xây dựng được một hệ thống đạo hàng vô tuyến vệ tinh mang tên: NAVSTAR GPS (Navigation Satellite Providing Timing and Ranging Global Positioning System). Hai hệ thống định vị và toàn cầu của Mỹ và Liên Xô đều có cấu trúc và nguyên lý hoạt động giống nhau bao gồm ba bộ phận cấu thành là: Đoạn không gian, đoạn điều khiển, đoạn sử dụng. 2.1.1. Đoạn không gian Đoạn không gian bao gồm các vệ tinh chuyển động trên 6 mặt phẳng quỹ đạo ở độ cao khoảng 20.200km. Mặt phẳng quỹ đạo nghiêng với mặt phẳng xích đạo trái đất một góc 550. Vệ tinh GPS chuyển động trên mặt phẳng quỹ đạo gần như là tròn với chu kì 718 phút. Hệ thống gồm 24 vệ tinh ( Hình 2.1 ), mỗi quỹ đạo có 4 vệ tinh. Hình 2.1.Vệ tinh và phân bố vệ tinh trên quỹ đạo Với sự phân bố vệ tinh trên quỹ đạo vệ tinh như vậy, ở bất kì vị trí quan trắc nào trên trái đất và trong bất kì thời gian nào cũng có thể quan trắc được ít nhất 4 vệ tinh GPS. Tất cả các vệ tinh đều có thiết bị dao động với tần số chuẩn cơ sở là f0 =10.23 MHz. Tần số này còn gọi là tần số chuẩn của đồng hồ nguyên tử, với độ chính xác cỡ 10-12. Từ tần số cơ sở f0 thiết bị sẽ tạo ra 2 tần sóng tải L1 và L2. 13 Nghiªn cøu khoa häc sinh viªn Líp : Tr¾c ®Þa B - 52 Tr-êng ®¹i häc Má ®Þa chÊt Khoa : Tr¾c ®Þa Bảng 2.1: Các thành phần tín hiệu vệ tinh Sóng tải Tần số (MHz) Bước sóng (cm) L1 154f0 = 1575.42 19.023 L2 120f0 = 1227.60 24.42 L3 120f0 = 1227.60 24.42 - Các sóng tải L1, L2 thuộc dải sóng cực ngắn và được điều biến bởi hai loại code khác nhau là: C\A – code và P – code. 2.1.2. Đoạn điều khiển ( Control Segment ) Hình 2.2: Các trạm điều khiển của hệ thống GPS Đoạn điều khiển được thiết lập để duy trì hoạt động của toàn bộ hệ thống định vị toàn cầu này. Một trạm điều khiển trung tâm có nhiệm vụ chủ yếu trong giai đoạn điều khiển, cập nhật thông tin đạo hàng truyền từ vệ tinh, cùng phối hợp với trạm điều khiển trung tâm là hệ thống hoạt động kiểm tra bao gồm 4 trạm theo dõi phân bố quanh trái đất. 2.1.3. Đoạn sử dụng ( User Segment) Phần sử dụng bao gồm các máy thu tín hiệu từ vệ tinh trên đất liền, máy bay hoặc tàu thủy. Các máy thu này phân ra làm 2 loại: máy thu 1 tần số và máy thu 2 tần số. 14 Nghiªn cøu khoa häc sinh viªn Líp : Tr¾c ®Þa B - 52 Tr-êng ®¹i häc Má ®Þa chÊt Khoa : Tr¾c ®Þa Hình 2.3: Máy Trimble 4600 LS 2.2. PHƯƠNG PHÁP ĐỊNH VỊ GPS 2.2.1. Nguyên lí định vị GPS Công tác định vị GPS được chia theo 2 nguyên tắc cơ bản là định vị tuyệt đối và định vị tương đối. Định vị tuyệt đối là sử dụng một máy thu để xác định tọa độ điểm đặt máy trong hệ tọa độ WGS-84. Kỹ thuật “tựa khoảng cách”- định vị tuyệt đối: C.t + C.t = ( x 3  x P ) 2  ( y 3  y P ) 2  ( z 3  z P ) 2 (2.1) Trong đó: s = [xs ys zs]- tọa độ vệ tinh; p=[xp yp zp]- tọa độ diểm mặt đất; C- vận tốc sóng; t- thời gian sóng đi từ vệ tinh tới máy thu; t- số hiệu chỉnh thời gian. Định vị tương đối là sử dụng ít nhất 2 máy thu để xác định vị trí tương đối giữa các điểm đồng thời đặt máy thu. Định vị tương đối: xác định pha sóng mang L1, L2: S = N +  (2.2) Trong đó:  - bước sóng (=c/f); f - tần số sóng; N - số nguyên lần bước sóng;  - Pha của sóng; S – Khoảng cách vệ tinh máy thu. 2.2.2. Các phương pháp đo GPS 1. Phương pháp đo GPS tuyệt đối Đo GPS tuyệt đối là sử dụng máy thu GPS để xác định ngay ra tọa độ điểm quan sát trong hệ thống tọa độ WGS-84. Đó có thể là các thành phần tọa độ vuông góc trong không gian (X, Y, Z) hoặc các thành phần tọa độ mặt cầu (B, L, H). Hệ thống tọa độ WGS-84 là hệ thống tọa độ cơ sở của hệ thống GPS; tọa độ của vệ tinh cũng như các điểm quan sát cũng lấy theo hệ thống tọa độ này. Hệ 15 Nghiªn cøu khoa häc sinh viªn Líp : Tr¾c ®Þa B - 52 Tr-êng ®¹i häc Má ®Þa chÊt Khoa : Tr¾c ®Þa tọa độ WGS-84 được lập gần giống với Ellipxid, WGS-84 có kích thước: a = 6378137.0m; và 1/ỏ = 298.2572 Để xác định tọa độ tuyệt đối của một điểm mặt đất chúng ta sử dụng kĩ thuật “tựa khoảng cách”. Kỹ thuật này được mô tả bằng công thức (2.3): C.t + C.t = ( x 3  x P ) 2  ( y 3  y P ) 2  ( z 3  z P ) 2 (2.3) 2. Phương pháp đo GPS tương đối Đo GPS tương đối là trường hợp sử dụng 2 máy thu GPS đặt tại 2 điểm quan sát khác nhau xác định hệ tọa độ không gian(X, Y, Z) hay hiệu tọa độ trắc địa (B, L, H) giữa các điểm đó trong hệ tọa độ WGS-84. Nguyên tắc đo GPS tương đối được thực hiện trên cơ sở sử dụng đại lượng đo là pha sóng tải. Để đạt độ chính xác cao và rất cao, cho kết quả xác định hiệu tọa độ (hay vị trí tương hỗ) giữa 2 điểm đang xét, người ta tạo ra và sử dụng các sai phân khác nhau cho pha sóng tải nhằm làm giảm ảnh hưởng của các nguồn sai số khác nhau như: sai số đồng hồ trên vệ tinh cũng như trong máy thu… 2.2.3. Các loại sai số trong kết quả đo GPS 1. Sai số đồng hồ Đây là sai số đồng hồ trên vệ tinh, đồng hồ trên máy thu và sự không đồng bộ của chúng. Đồng hồ trên vệ tinh là đồng hồ nguyên tử, độ chính xác cao nhưng không phải là không có sai số. Trong đó sai số hệ thống lớn hơn sai số ngẫu nhiên rất nhiều, nhưng 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. 2. Sai số quỹ đạo vệ tinh Chuyển động của vệ tinh trên quỹ đạo không tuân thủ nghiêm ngặt theo định luật Kepler do có nhiều tác động nhiễu như: tính không đồng nhất của trọng trường trái đất, ảnh hưởng sức hút mặt trăng, sức cản khí quyển… Vị trí tức thời của vệ tinh chỉ có thể xác định theo mô hình chuyển động xây dựng trên cơ sở các số liêu quan sát trên các trạm có độ chính xác cao trên mặt đất thuộc phần điều khiển của hệ thống GPS và đương nhiên có chứa sai số. 3. Sai số do tầng điện ly và tầng đối lưu 16 Nghiªn cøu khoa häc sinh viªn Líp : Tr¾c ®Þa B - 52 Tr-êng ®¹i häc Má ®Þa chÊt Khoa : Tr¾c ®Þa Được phát đi từ vệ tinh có độ cao 20.200km xuống tới máy thu trên mặt đất, các tín hiệu vô tuyến xuyên qua tầng điện ly và tầng đối lưu. Tốc độ lan truyền tín hiệu tăng tỉ lệ thuận với mật độ điện tử tự do trong tầng điện ly và tỷ lệ nghịch với tần số của tín hiệu.Tầng đối lưu được tính từ mặt đất đến độ cao 50km và tầng điện ly ở độ cao từ 50 – 1000km. Tín hiệu truyền từ vệ tinh qua tầng điện ly, tầng đối lưu đến máy thu bị khúc xạ và thay đổi tốc độ lan truyền. 4. Sai số do nhiễu tín hiệu Ăngten máy thu không chỉ thu tín hiệu đi thẳng từ vệ tinh tới mà còn nhận cả các tín hiệu phản xạ từ mặt đất và môi trường xung quanh. Sai số do hiện tượng này sinh ra được gọi là sai số do nhiễu tín hiệu vệ tinh. Để giảm sai số này, các nhà chế tạo máy thu không ngừng hoàn thiện cấu tạo của máy thu và ăngten. 5. Các nguồn sai số khác Gồm có: Sai số do ảnh hưởng tự xoay của trái đất, sai số do triều tịch của trái đât, sai số do hiệu ứng của thuyết tương đối, sai số vị trí của máy thu, sai số vị trí tâm ăngten của máy thu. 2.3. PHƯƠNG PHÁP LIÊN KẾT LƯỚI GPS Khi thiết kế đồ hình lưới, căn cứ vào mục đích sử dụng, thông thường có 4 phương thức cơ bản thành lập lưới.: liên kết điểm, liên kết cạnh, liên kết lưới, liên kết hỗ trợ cạnh điểm. Ngoài ra còn có liên kết hình sao, liên kết đường chuyền phù hợp, liên kết chuỗi tam giác. Lựa chọn phương thức nào là tùy thuộc độ chính xác yêu cầu của công trình, điều kiện bên ngoài thực địa và số lượng máy thu GPS. Dưới đây là một số đồ hình liên kết ( hình 2.4) : 2.4a. Đồ hình liên kết dạng điểm 2.4b. Đồ hình liên kết dạng cạnh 17 Nghiªn cøu khoa häc sinh viªn Máy thu GPS Líp : Tr¾c ®Þa B - 52 Tr-êng ®¹i häc Má ®Þa chÊt Khoa : Tr¾c ®Þa 2.4c. Đồ hình dạng liên kết chuỗi tam giác 2.4d: Đồ hình liên kết cạnh - điểm 2.4e: Đồ hình liên kết lưới đường chuyền 2.4f: Đồ hình dạng hình sao Hình 2.4:Một số đồ hình liên kết 2.4. ỨNG DỤNG GPS TRONG THÀNH LẬP LƯỚI TRẮC ĐỊA CÔNG TRÌNH THỦY ĐIỆN Ở Việt Nam, viêc khai thác sử dụng công nghệ GPS mới chỉ bắt đầu từ năm 1990. Song trong công tác trắc địa công trình, công nghệ GPS đã được ứng 18 Nghiªn cøu khoa häc sinh viªn Líp : Tr¾c ®Þa B - 52 Tr-êng ®¹i häc Má ®Þa chÊt Khoa : Tr¾c ®Þa dụng rộng rãi trong việc thành lập lưới khống chế mặt bằng cơ sở, lưới thi công công trình, chuyển trục lên cao, quan trắc chuyển dịch ngang công trình cầu, nhà và các đập thủy điện, những công trình có kết cấu vững chắc đang phải hoạt động với áp lực lớn… Đặc biệt có khá nhiều lưới không chế thi công các công trình thủy điện được thành lập bằng công nghệ GPS như: thủy điện Hòa Bình. Yaly, Sông Hinh, Ba Hạ, Bắc Hà, Sông Tranh… Với những đặc điểm phù hợp và thuận lợi trong việc thành lập các mạng lưới khống chế mặt bằng phục vụ thi công công trình thủy điện nên công nghệ GPS đã và đang là công cụ quan trọng chủ yếu để thành lập các mạng lưới khống chế của loại công trình này. Dưới đây, sẽ giới thiệu một số mạng lưới GPS tại những công trình thủy điện điển hình đã được thực thi ở nước ta trong thời gian qua bằng công nghệ GPS: 2.4.1. Lưới khống chế mặt bằng công trình thủy điện Hủa Na Công trình thủy điện Hủa Na được thiết kế trên sông Chu, khu vực thuộc địa bàn xã Đồng Văn, huyện Quế Võ, tỉnh Nghệ An. Lưới tam giác hạng IV được xây dựng tại khu vực tuyến đập và nhà máy để làm cơ sở cho việc phát triển các mạng lưới cấp thấp, phục vụ cho đo đạc bản đồ tỷ lệ 1: 2000 và các công tác trắc địa khác. Lưới tam giác hạng IV gồm 11 điểm, xây dựng thành một mạng lưới chuỗi tam giác bao trùm toàn bộ khu vực dự kiến xây dựng công trình. Các điểm lưới tam giác hạng IV có kí hiệu điểm từ TG01  TG11, được đo nối với các điểm tam giác hạng IV ( HN02, HN05 và HN06) đã được lập trong giai đoạn trước. 2.4.2. Lưới tam giác thủy công công trình thủy điện Bản Chát Công trình thủy điện Bản Chát nằm trên sông Nậm Mu, thuộc địa phận xã Mường Kim, huyện Than Uyên, tỉnh Lai Châu. Lưới tam giác thủy công gồm 7 điểm hạng II, được đo nối với 3 điểm tam giác hạng IV cũ. Lưới được đo bằng máy toàn đạc điện tử kết hợp với đo công nghệ GPS. Việc tính toán bình sai được tiến hành bằng phần mềm GPSurvey 2.35. Kết quả đánh giá độ chính xác một số yếu tố của lưới thi công như sau: 19 Nghiªn cøu khoa häc sinh viªn Líp : Tr¾c ®Þa B - 52 Tr-êng ®¹i häc Má ®Þa chÊt Khoa : Tr¾c ®Þa Sai số trung phương trọng số đơn vị: M = 3.56, sai số vị trí điểm lớn nhất: (điểm DC01) mP = 0.003 m, sai số tương đối cạnh lớn nhất: mS/ S = 1/ 172064 (cạnh DC01- BC06, S = 313.4 m), sai số phương vị lớn nhất: (DC01- BC06) mφ = 1.46”. 2.4.3 Tính năng kĩ thuật của một số loại máy thu GPS Máy thu GPS là phần cứng thuộc đoạn sử dụng. Máy thu GPS cho phép thu nhận các tín hiệu từ các vệ tinh GPS để thực hiện nhiệm vụ định vị. Hiện nay có nhiều nước chế tạo các máy thu GPS, đầu tiên là Mỹ sau đó là các nước khác như Pháp, Đức, Canada, … Ở nước ta có nhiều loại máy của hãng Trimble Navigation (Mỹ) được nhập vào như: 4000 SE, 4000 ST, 4600 LS , 4000 SSE, 4000 SST, 4800 LS. Ngoài ra còn có của các hãng khác như Ashtech (Mỹ), Leica (Thụy Sĩ), Sercel (Pháp)… Trong đó máy thu 1 tần số sẽ thu các tín hiệu ở tần số L1, còn máy thu 2 tần sẽ thu tín hiệu ở tần số L1 và L2. Các tín hiệu nhân được mang các thông tin đạo hàng như Ephemerit, tín hiệu khoảng cách giả PRN- code, thời gian và tình trạng hệ thống, thông tin về tầng ion ( đối với máy thu 2 tần số )… Tính năng kỹ thuật của một số máy thu GPS được đưa ra trong bảng (2.2) Bảng 2.2: Thông số kỹ thuật của một số loại máy thu GPS Ký hiệu máy Tên hãng nước SX GPS 4600LS Trimble GPS 4800LS Trimble GPS 5700LS Trimble Mĩ Mĩ Mĩ Đo khoảng cách Tầm hoạt động Sai sô phương vị ±( 5mm + 1ppm) ≤ 10 ±( 1” + 5/D) ±( 5mm + 0.5ppm) ≥ 10 ±( 1” + 5/D) ±( 5mm + 0.5ppm) ≥ 10 ±( 1” + 5/D) SSTP 20 Nghiªn cøu khoa häc sinh viªn Líp : Tr¾c ®Þa B - 52 Loại máy Tần số thu 1 tần L1 2 tần L1, L2 2 tần L1, L2