ĐỀ CƯƠNG MÁY TRẮC ĐỊA VÀ ĐO ĐẠC ĐIỆN TỬ

MÁY TRẮC ĐỊA VÀ ĐO ĐẠC ĐIỆN TỬ
I.

LÝ THUYẾT

Câu 1: Trình bày nguyên lý đo khoảng cách laser bằng
thiết bị phát quang học lưỡng tử loại bán dẫn Gali-Asen
(Ga-As).

Khác với các nguyên tử của các chất khác, trong hợp chất bán dẫn GaAs không
tồn tại các năng lượng riêng biệt mà chúng hợp thành các miền năng lượng
(hình 2.3b).
•

miền hoá trị (miền chứa đầy điện tử)

•

miền cấm (không chứa điện tử)

•

miền dẫn (là miền trống rỗng, và khi có điện tử tự nó sẽ trở thành miền dẫn
điện)
Khi có năng lượng cung cấp, các điện tử ở miền hoá trị sẽ vượt qua miền cấm
nhảy lên miền dẫn  ở miền hoá trị xuất hiện “lỗ hổng” còn ở miền dẫn xuất
hiện điện tử.


Mặt khác, khi cho diot GaAs phân cực thuận thì tại lớp tiếp giáp p – n “lỗ hổng”
và điện tử sẽ chuyển động ngược chiều nhau và chúng sẽ tái hợp với nhau.

Quá trình tái hợp phát ra năng lượng dưới dạng foton.
Cũng giống như trường hợp laser khí, nhờ các hốc cộng hưởng quang học và
với mật độ dòng điện để phóng vào vùng p – n thích hợp mà tạo ra dòng foton.
•

Nếu mật độ dòng điện nhỏ thì sẽ nhận được dòng ánh sáng kết hợp, không
nhóm và công suất nhỏ, nhưng nếu dòng điện quá cao dễ làm cháy diot.

 Vì thế, thường phải làm sạch diot (bằng cách đặt vào bình chứa nitơ lỏng hoặc

chỉ cho diot làm việc với công suất vừa phải), làm cho dòng foton đủ mạnh để
xuyên qua lớp kính mỏng trở thành tia laser.

Câu 2: Trình bày nguyên lý đo khoảng cách laser sử
dụng thiết bị phát quang học lưỡng tử loại khí Heli –
Neon (He-Ne).
Dựa vào thuyết miền năng lượng của cơ học lượng tử, có thể
giải thích nguyên lý tạo thành chùm tia laser He – Ne sơ lược
như sau:


Khi nguồn nuôi (6) phóng điện vào ống (1) sẽ kích thích
làm các nguyên tử khí He nhảy từ mức E1 lên mức E4. Sau đó,
chúng va chạm và truyền năng

lượng cho các nguyên tử Ne.

Các nguyên tử Ne cũng phải chuyển sang trạng thái tương ứng
với mức năng lượng cao nhất E4. Vì, Ne là chất hoạt tính có thời
gian “sống” ở E4 rất ngắn (10-3 s), nên các điện tử của nó lập

tức phản xạ tự nhiên trở về E3, và ở đây xẩy ra hiện tượng
bức xạ tự kích làm cho chúng liên tục nhảy xuống mức
năng lượng thấp hơn E2. Lúc này, các điện tử Ne sẽ “vứt bỏ”
phần năng lượng thừa vừa tiếp nhận từ He dưới dạng các dòng
foton ánh sáng lượng tử) với vận tốc:
V=

Hay bước sóng:
Trong đó : h – hằng số plank; c – tốc độ ánh sáng trong
chân không.
Dòng foton sẽ thoát ra khỏi hai tấm kính (2) dưới góc
Briuter tạo thành dòng ánh sáng phân cực thẳng. Khi gặp hốc
cộng hưởng (4) và (5) có hệ số phản xạ toàn phần, chúng bị
phản xạ qua lại nhiều lần trong ống (1). Vì thế, sự va chạm giữa
các thành phần trong (1) tăng lên dần và các dòng foton tự
khuếch đại mỗi lúc một lớn. Và, cho đến một lúc nào đó, các hạt
foton đủ năng lượng thoát khỏi gương phẳng (4) tạo thành
chùm tia sóng có mật độ năng lượng lớn được gọi là chùm tia
laser.


Câu 3: Trình bày nguyên lý chung đo khoảng cách bằng
sóng điện từ.
Nguyên lý chung xác định khoảng cách bằng sóng điện từ là bài
toán chuyển động đều, nghĩa là mối tương quan giữa khoảng
cách D với tốc độ v và thời gian t:
D =v.

τ

Trong thực tế để xác định khoảng thời gian

τ

, người ta ghi

nhận thời điểm phát tín hiệu (t1) và thời điểm thu (t2) bằng một
bộ thu phát đặt tại một điểm đầu khoảng cách D. Lúc này:

Như vậy, độ chính xác xác định D phụ thuộc vào độ chính
xác xác định v (hay n) trong môi trường đo và độ chính
xác đo thời gian. Theo lý thuyết sai số

Vì tốc độ truyền sóng điện tử rất lớn nên để nhận được
khoảng cách D với độ chính xác theo yêu cầu trắc địa mD thì
trị số

τ

là cực kỳ nhỏ và phải xác định với m

τ

rất cao.

Câu 4: Trình bày nội dung phương pháp mã hoá bàn độ
trong các máy kinh vĩ điện tử.


Các máy kinh vĩ số sử dụng phương pháp mã hóa bàn độ được

gọi là các máy kinh vĩ mã hóa. Trong các máy kinh vĩ mã hóa bàn độ
đứng và bàn độ ngang không được chia vạch như các máy thông thường. Phần
ngoài của bàn độ (nơi người ta khắc vạch đối với các máy kinh vĩ thông thường)
được chia thành các vòng tròn đồng tâm (thường là 5 vòng) trên đó người ta vẽ
các hình vuông trong suốt và không trong suốt theo một mã nhất định. Hình
vuông trong suốt khi chiếu ánh sáng đi qua sẽ cho chúng ta tín hiệu (tương
đương với số 1) còn hình vuông không trong suốt thì không cho ánh sáng đi qua
(tương đương với số 0). Như vậy mỗi ô vuông sẽ là một đơn vị thông tin (1 bit).
Trong các máy kinh vĩ mã hóa người ta thường sử dụng mã truy hồi tuần hoàn.
Bàn độ của một máy kinh vĩ mã hóa có dạng như hình 3.2a.

Đối với một bàn độ như thế này thì mỗi vị trí bàn độ sẽ tương
ứng với một mã số nhất định và để đọc số trong trƣờng hợp này
ngƣời ta thay du xích thông thường bằng một cửa sổ có bề rộng
là 8 bit. Hình ảnh của bàn độ sẽ được dẫn tới bộ giải mã và số
đọc sẽ được hiện trên màn hình của máy.


Ưu điểm: Có thể dễ dàng nâng cao độ phân giải của bàn độ để
nâng cao độ chính xác đọc số. Việc này có thể thực hiện được
bằng cách tăng số vòng tròn (strack) trên bàn độ. Ví dụ, nếu
dùng 4 strack thì với một mã có chiều dài 8 bit (1byte) độ phân
giải màn hình sẽ là 10’ (Số đọc nhỏ nhất máy cho phép đọc
được là 10’). Nếu tăng số strack từ 4 lên 5 thì độ phân giải của
bàn độ đạt được đến cấp giây (Số đọc nhỏ nhất đạt tới 1”). Hiện
nay các máy toàn đạc điện tử cho phép đo góc chính xác tới
0.01”.
Nhược điểm: Bàn độ phải được gia công với độ chính xác rất
cao nên rất khó chế tạo.

Câu 5: Trình bày nguyên lý đo khoảng cách bằng sóng
điện từ.
Câu 6: Trình bày nội dung phương pháp xung đo khoảng
cách.
Cách 1:
Nội dung của phương pháp xung là xác định trực tiếp khoảng
thời gian truyền xung điện từ trên hai lần khoảng cách và độ
dài D được xác định theo công thức:
D=
Các xung được chọn để đo khoảng cách phải đạt hai tiêu chẩn
là có độ dài hẹp và độ rỗng lớn. Cụ thể, trong các máy đo xa
loại xung hiện nay sử dụng xung laser có ns và > 1000. Trong
khi bức xạ xung máy phát chỉ làm việc trong khoảng thời gian
bằng độ dài của xung (hình 1.10a).


Nói chung, trong các máy đo xa loại xung cũng sử dụng tín hiệu
dưới dạng điều biến, cụ thể là năng lượng được bức xạ dưới
dạng sóng mang cao tần mà trong đó các xung được “xếp đặt”
theo một quy luật nhất định. Hình 1.10b và hình 1.10c biểu thị
dạng của các xung điều biên và các xung điều tần.
Để khoảng cách D trong nhận được là đơn trị thì cần phải
chọn chu kỳ của xung lớn hơn khoảng thời gian vì để cho xung
phản hồi (xung phát thứ nhất) trở về sớm hơn xung phát tiếp đi
(xung phát thứ hai) tránh sự trùng nhau khi chúng gặp nhau.
Khoảng cách D càng ngắn thì tần số theo dõi của xung càng
cao.
Độ chính xác yêu cầu xác định khoảng thời gian được suy ra từ
công thức xác định độ dài D:

và chỉ có các xung laser cực hẹp (có và như đã nêu trên) mới
đáp ứng đựơc yêu cầu độ chính xác đối với công tác trắc địa (đo
khống chế). Đồng thời các xung laser cho công suất bức xạ
lớn hơn các xung điện từ (xung radio, xung điện…) nên
phương pháp xung cho phép đo được khoảng cách xa hơn các
phƣơng pháp khác. Ngoài ra, nó còn có các ƣu điểm như trình
tự đo nhanh kết quả đo là đơn trị (không yêu cầu biết trước trị
gần đúng của khoảng cách) và trong nhiều trường hợp không
cần bộ phản xạ v.v… Tuy vậy, so với các phương pháp khác,
phương pháp xung đạt độ chính xác thấp hơn, vì thế trước đây
nó chỉ ứng dụng trong các máy đo cao radio, các hệ thống định
vị radio, các hệ thống trắc địa vệ tinh.


Những năm gần đây đã xuất hiện một vài máy đo xa loại xung
hoặc loại xung –
pha đạt độ chính xác tương đối cao (cm).
Cách 2:
Bản chất của phương pháp xung là quan hệ giữa khoảng cách D
với số lượng xung phát đi m trong khoảng thời gian giữa hai
thời điểm phát (tp) và thu (tt).
Giả sử số lượng xung đếm được là m. Chu kỳ xung T X tỷ lệ
nghich với tần số f nên thời gian lan truyền xung trên khoảng
cách 2D là:
τ 2 D = m.TX =

m
f

(2.3)

Thay vào (2.1) ta có:
D=

v
.m
2f

Để tiện cho việc tính toán khi thiết kế người ta chọn f =
v/2 nên số xung đếm được chính là trị số khoảng cách D cần
xác định.
D=

v
v 2
m = . .m = m
2f
2 v

(2.4)


Do sự phát triển của kỹ thuật điện tử nên khối EDM loại
xung có hai dạng. Trước đây sử dụng xung điều biến và dùng
đồng hồ thạch anh, đồng hồ nguyên tử, hoặc ống tia điện tử để
τ
đo khoang thời gian . Sau khi kỹ thuật điện tử tạo xung laser
σ=

τX

TX
τX

có độ dài
hẹp, chu kỳ TX lớn và độ rỗng
lớn, đồng thời
dùng khóa điện tử và bộ đếm xung thì khoảng cách D được xác
định theo công thức (2.4). Tuy nhiên, sử dụng phương pháp này
thì tầm hoạt động của máy đo xa điện tử bị hạn chế ( khoảng 4
- 5 km)
E

t

TX

τX

t

Hiện nay khối EDM của nhiều máy TĐ ĐT hoạt động theo
phương pháp xung.

Câu 7: Trình bày nguyên lý cấu tạo máy toàn đạc điện tử
và mục đích sử dụng của thiết bị đó trong công tác trắc
địa.
Nguyên lý cấu tạo máy TĐĐT

Hình thức máy TĐ ĐT cũng giống như máy kinh vĩ quang học thông
thường, có nghĩa là cũng có bộ phận ống kính, định tâm cân bằng, các ốc khóa,
ốc vi động… Tuy nhiên cấu tạo bên trong khác máy kinh vĩ thông thường rất
nhiều. Có thể tóm lại một thiết bị TĐ ĐT gồm có ba khối như hình vẽ trên.
Trong đó:
- khối 1: đo khoảng cách điện tử EDM, có chức năng tự động đo khoảng
cách nghiêng D từ tâm máy đến tâm gương phản xạ ( hoặc đến điểm ngắm trên
bề mặt phản xạ)
- Khối kinh vĩ số ( DT) đơ hướng hoặc đo góc bằng, góc đứng ( góc thiên
đỉnh)
- khối vi xử lý trung tâm 3: cài đặt các phần mềm tiện ích để giải các bài
toán trắc địa. Dựa vào dữ liệu đo của khối EDM và DT cùng với các dữ liệu
khác như tọa độ của điểm gốc, độ cao của điểm đặt máy, chiều cao máy, chiều
cao gương cũng như các yếu tố hiệu chỉnh vào kết quả đo như nhiệt độ, áp
suất… CPU sẽ giải bài toán xác định tọa độ và độ cao của các điểm chi tiết.
Ngoài ra nó còn có chức năng quản lý dữ liệu, giao tiếp với máy tính nhờ
sự trợ giúp của các phần mềm chuyên dụng .
Gương phản xạ: nhận và phản xạ tín hiệu.
Mục đích:
Hiện nay, máy toàn đạc đóng vai trò rất quan trọng trong lĩnh
vực xây dựng nói riêng và một vài lĩnh vực đo đạc nói chung, cụ
thể hơn máy toàn đạc điện tử được ứng dụng trong:


Các công tác đo đạc địa chính, đo đạc khảo sát địa hình,
trong xây dựng dân dụng như nhà cao tầng, cầu đường
giao thông...
- Đo vẽ bản đồ địa hình và xuất sang các định dạng file số
liệu khác nhau như file CAD để dễ dàng quản lý trên hệ
thống máy tính điện tử.

- Được sử dụng trong công tác bố trí điểm (chuyển tọa độ
điểm từ thiết kế ra thực địa) trong xây dựng.
-

Câu 8: Trình bày nguyên lý cấu tạo máy toàn đạc điện tử.
So sánh sự giống và khác nhau của máy toàn đạc điện tử
với máy kinh vĩ quang học.
Nguyên lý cấu tạo máy TĐĐT

Hình thức máy TĐ ĐT cũng giống như máy kinh vĩ quang học thông
thường, có nghĩa là cũng có bộ phận ống kính, định tâm cân bằng, các ốc khóa,
ốc vi động… Tuy nhiên cấu tạo bên trong khác máy kinh vĩ thông thường rất
nhiều. Có thể tóm lại một thiết bị TĐ ĐT gồm có ba khối như hình vẽ trên.
Trong đó:
- khối 1: đo khoảng cách điện tử EDM, có chức năng tự động đo khoảng
cách nghiêng D từ tâm máy đến tâm gương phản xạ ( hoặc đến điểm ngắm trên
bề mặt phản xạ)
- Khối kinh vĩ số ( DT) đơ hướng hoặc đo góc bằng, góc đứng ( góc thiên
đỉnh)


- khối vi xử lý trung tâm 3: cài đặt các phần mềm tiện ích để giải các bài
toán trắc địa. Dựa vào dữ liệu đo của khối EDM và DT cùng với các dữ liệu
khác như tọa độ của điểm gốc, độ cao của điểm đặt máy, chiều cao máy, chiều
cao gương cũng như các yếu tố hiệu chỉnh vào kết quả đo như nhiệt độ, áp
suất… CPU sẽ giải bài toán xác định tọa độ và độ cao của các điểm chi tiết.
Ngoài ra nó còn có chức năng quản lý dữ liệu, giao tiếp với máy tính nhờ
sự trợ giúp của các phần mềm chuyên dụng .
Gương phản xạ: nhận và phản xạ tín hiệu.
b. so sánh máy toàn đạc điện tử với kinh vĩ quang học .

* Giống nhau: Đều là thiết bị đo đạc, sữ dụng trong trắc địa có
chức năng đo góc , đo khoảng cách,
Nội dung
Khái
niệm

Chức
năng

Máy kinh vĩ quang học
May kinh vĩ quang học
là thiết bị đo đạc quang
cơ.

Máy toàn đạc điện tử
Máy toàn đạc điện tử là
một thiết bị quang học
điện tử đa năng được sử
dụng để khảo sát và xây
dựng công trình. Máy toàn
đạc là 1 máy kinh vĩ điện
tử tích hợp với đo khoảng
cách điện tử (EDM), nhằm
đọc được khoảng cách giữa
2 cao điểm (điểm đứng
máy, và điểm cần đo
khác).
Đo góc: Máy kinh vĩ
- Đo góc: Máy toàn đạc
quang học có thể đo

điện tử cũng tương tự như
góc đứng và góc bằng.
máy kinh vĩ ở chức năng
này là đo được góc đứng
- Đo khoảng cách: Máy
và góc bằng.
sẽ kết hợp với mia đo
- Đo khoảng cách: Máy
khoảng cách và trên cao toàn đạc kết hợp với gương
theo phương pháp đo
hoặc các vật phản xạ đo
cao lượng giác. Dùng
khoảng cách từ máy đến
phương pháp này sẽ có gương, điểm phản xạ hoặc
sai số lớn.
giữa các gương, điểm phản
xạ với nhau một cách dễ
dàng và chính xác cao với
3 khoảng cách cơ bản là:
Đứng, bằng, nghiêng.


- Đo tọa độ: Máy toàn đạc
điện tử đo đạc và tính toán
chính xác tọa độ các điểm
gương, phản xạ & máy một
cách nhanh chóng theo 3
trục: x, y, z.
===>>> Bên cạnh đó
máy toàn đạc điện tử còn

rất nhiều các menu hỗ trợ
khác để phục vụ cho công
tác đo đạc khảo sát và thi
công các công trình xây
dựng, giao thông, thủy lợi...

Câu 9: Trình bày nội dung cấu tạo của máy thu GPS.
Sơ đồ cấu tạo của máy thu GPS được thể hiện theo hình sau:
An ten

Thiết bị điều khiển

Bộ tần số radio (RF)

Thiết bị ghi

Bộ vi xử lý

Bộ nguồn

a. Anten máy thu có tính đa hướng, tức là có thể thu được tín
hiệu của tất cả các vệ tinh trên chân trời ở các hướng khác
nhau. Chỉ tiêu quan trọng trong thiế kế anten là bảo đảm chính
xác tâm anten. Tâm điện tử của anten phải khép kín và trùng
với tâm hình học đồng thời không bị tác động của hiện tượng
quay và nghiêng. Yêu cầu này cần thiết cho trường hợp đo
động, khi đó anten di động trong suốt quá trình đo. Thêm vào


đó, anten cũng phải có khả năng tự loại bỏ các tín hiệu có góc

cao thấp và tín hiệu đa đường dẫn. Điều này có thể thực hiện
được nhờ anten có dạng hình nón xoáy tròn. Hiện nay phổ biến
nhất là loại anten nhỏ để trần.
b. Bộ tần số radio (RF) Bộ phận này có khả năng phân
tích logic để phân biệt các vệ tinh theo nguyên tắc giám sát
hiệu ứng Doppler. Bộ tần số radio xử lý tín hiệu đã vào các
kênh. Các máy 1 tần chỉ nhận và xử lý tín hiệu L1, các máy hai
tần sẽ nhận và xử lý cả hai tín hiệu L1 và L2. Các số liệu nhận
được bởi máy thu 2 tần sẽ được phối hợp để tính toán và loại bỏ
khúc xạ tần ion. Số lượng kênh đóng vai trò quan trọng của RF
và do vậy nó quyết định số lượng vệ tinh có thể theo dõi đồng
thời.
c. Bộ vi xử lý
Có chức năng thực hiện các phép tính theo chương trình
đã lập sẵn. Ví dụ như tính toán đạo hàng tức thời từ các trị đo
khoảng cách giả. Hiện nay, các bộ vi xử lý có tốc độ xử lý rất
cao.
Bộ vi xử lý có thể tìm ra thông tin chỉ đường hoặc chuyển các
tọa độ từ mốc đo WGS 84 chuẩn sang một mốc đo tương
đương. Nó cũng quản lý các lệnh đầu vào từ người sử dụng,
hiển thị thông tin và truyền dữ liệu qua cổng thông tin của
chúng.
d. Thiết bị điều khiển
Thiết bị điều khiển thực hiện khả năng phối hợp giữa người
đo và máy thu. Các lệnh được đưa vào từ các phím chức năng
như vào số hiệu điểm đo, độ cao anten… Ngoài các phím
"cứng" máy thu còn có các phím mềm thực hiện các lệnh trên
màn hình.
e. Thiết bị ghi
Có nhiệm vụ ghi lại các trị đo và thông tin đạo hàng để

phục vụ cho công tác xử lý sau này. Thiết bị ghi GPS bảo đảm


không bị mất khi tắt nguồn điện. Dung lượng bộ nhớ của máy
thu sẽ quyết định thời gian thu liên tục. Dung lượng bộ nhớ
thường đảm bảo ghi liên tục số liệu đo trong nhiều giờ với số
lượng vệ tinh trung bình (5-7 vệ tinh) và tần suất ghi mặc định
(15s).
f. Bộ nguồn
Bộ nguồn của máy thu GPS là pin hoặc ắc quy sạc điện.
Dòng điện sử dụng cho máy thu là dòng 1 chiều có điệp áp từ 6
đến 20 vôn.

Câu 10: Trình bày nguyên lý cấu tạo máy thuỷ chuẩn
điện tử. So sánh sự giống và khác nhau của máy thủy
chuẩn điện tử với máy thủy chuẩn quang học.
Nguyên lý cấu tạo của máy thủy chuẩn điện tử.
Nhìn chung, hệ thống máy thuỷ chuẩn điện tử gồm 3 phần
•

Phần 1: Mia mã vạch Sokkia RAB ( Random Bi-directional
Code) Mã định hướng ngẫu nhiên hai chiều.
Phần 2: Hệ thống ống kính: Giống như ống kính của máy
thuỷ chuẩn thông thường. Gồm có kính vật, kính điều quang, hệ
thống lăng kính phân chia ánh sáng, kính mắt...
Phần 3: Bộ phận xử lý tín hiệu điện của máy thuỷ chuẩn kỹ
thuật số. Trong đó, quan trọng là bộ cảm biến CCD (Charge
Couple Device) biến tín hiệu ánh sáng thành tín hiệu điện.
-

*Giống nhau: máy thủy chuẩn quang học và máy thủy chuẩn
điện tử đều là thiết bị dùng trong công tác trắc địa, khảo sát,
xây dựng… với mục đích đo góc, đo khoảng cách và đo chênh
cao.
Khác nhau:
Nội
dung

Máy thủy chuẩn quang
học
Máy thủy chuẩn quang
cơ: là loại máy thủy

Máy thủy chuẩn điện tử
Máy thủy chuẩn điện tử:
được đo đạc bằng cách


chuẩn đo đạc bằng cách
đọc số trên mia bằng
mắt, ghi chép số liệu sổ
tay và tính toán trên các
số liệu ghi chép được.
Cân bằng sơ bộ bằng
ống thủy tròn , sau đó
cân bằng chính xác bằng
cách điều chỉnh vít
nghiêng để đưa bọt nước
ống thủy dài vào giữa thì
trục ngắm sẽ nằm

ngang.
Dùng mắt thường thực
hiện việc ngắm và đo
đạc, sau đó đọc các số
liệu đo được trên mia của
thiết bị.
Ghi chép vào sổ và tính
toán dựa vào các số liệu
đã thu thập được.
Số liệu thường có sai số
lớn, việc tính toán mất
thời gian mà không hiệu
quả.

đọc số trên mia mã vạch
bằng tia hồng ngoại, hiển
thị số đọc trên màn hình
LCD và dữ liệu được trút
ra máy tính để xử lý.
nguyên lý chung của hệ
cân bằng tự động là tính
tự cân bằng của con lắc
khi treo nó ở trạng thái tự
do.

Dùng tia hồng ngoại để
đọc các số liệu đã đo đạc
được trước đó.
Tự động tính toán dựa trên
các phép tính do người kĩ

sư lựa chọn
Hiển thị trên màn hình
LCD các số liệu tính toán.
Dữ liệu tính toán, đo đạc
có thể được lưu trữ ở bộ
nhớ trong của thiết bị này

Câu 11: Trình bày nội dung phân loại máy thu GPS và
mục đích sử dụng chúng trong các công tác trắc địa.
* Phân loại
Các máy thu có thể được phân loại theo các tiêu chí sau:
a. Theo mục đích sử dụng


Tùy thuộc vào mục đích sử dụng và yêu cầu độ chính xác
người ta đã chế tạo ra nhiều loại máy thu GPS khác nhau. Có
loại chuyên dùng để dẫn đường (đạo hàng) trên biển, trên máy
bay hoặc các phương tiện chuyển động khác. Có loại được chế
tạo gọn nhẹ (cầm tay) chuyên dùng để xác định gần đúng vị trí
điểm. Máy thu chuyên dụng cho trắc địa có những yêu cầu rất
cao về độ chính xác tâm pha anten, khả năng lọc nhiễu…
b. Phân loại theo phương thức theo dõi
Các máy thu cũ sử dụng một số lượng ít các kênh vật lý và
tự lựa chọn theo dõi lần lượt các vệ tinh với tần suất khoảng 20
mili giây trên mỗi kênh. Đây là nguyên tắc theo dõi lần lượt
chuyển nhanh.
Ngày nay, các máy thu được thiết kế sao cho mỗi kênh vật
lý theo dõi một vệ tinh và như vậy tất cả các vệ tinh đều được
quan trắc liên tục. Máy thu như vậy gọi là máy thu đa kênh hay
máy theo dõi song song.

Các máy thu phối hợp cả hai nguyên tắc trên gọi là máy
thu kết hợp.
c. Phân loại theo tần số sử dụng
Theo tần số có thể chia máy thu GPS thành các loại sau:
- Máy thu 1 tần (L1)
- Máy thu 2 tần ( L1 và L2)
Các máy thu 1 tần phù hợp cho đo các cạnh có chiều dài
nhỏ hơn 10 km hoặc đến 20 km. Các máy thu 2 tần phù hợp với
khoảng cách dài.
* Mục đích
Máy thu GPS thu nhận thông tin từ các vệ tinh, sau đó tính
toán ra vị trí của máy thu trên mặt đất.


Mặt ưu điểm khi sử dụng thiết bị này là cho phép chúng ta theo
dõi, nhận biết thông tin liên tục, với thời gian thực (Online –
Real Time). Thông tin sẽ năng cao giá trị khi thông tin đó trung
thực và có ngay khi cần, Thiết bị có thể thay con người thực
hiện một số lệnh như chụp ảnh, tắt hay khởi động máy từ xa …
Nhưng vì thế cũng có những điểm yếu của thiết bị, nếu không
có tín hiệu GPS, GPRS, GSM hay xấu nhất là không có các tín
hiệu đó cùng một lúc thì thiết bị coi như bị vô hiệu hóa. Mặc dù
trên thực tế tín hiệu GPS rất it khi mất (Khi chiến tranh xảy ra
Bộ Quốc phồng Mỹ mới tắt Hệ thống Định vị GPS), nhưng
trường hợp mất GPRS hay GSM thường hay xảy ra, điều này
phụ thuộc vùng phủ sóng và chất lượng mạng di động của các
nhà cung cấp mạng.
Câu 12: Trình bày cấu trúc của máy thu GPS và phương
pháp phân loại chúng trong công tác trắc địa.
* Cấu trúc

Để định vị GPS phải có máy thu GPS, có nhiều loại máy thu
GPS, mỗi loại được thiết kế theo yêu cầu định vị đặc thù như
định vị dẫn đường, đo đạc… Mặc dù chúng khác nhau song các
máy thu có nguyên tắc chung trong cấu tạo.
Sơ đồ cấu tạo của máy thu GPS được thể hiện theo hình
sau:
An ten

Thiết bị điều khiển

Bộ tần số radio (RF)
Bộ vi xử lý

Bộ nguồn

Thiết bị ghi


a. Anten máy thu có tính đa hướng, tức là có thể thu được tín
hiệu của tất cả các vệ tinh trên chân trời ở các hướng khác
nhau. Chỉ tiêu quan trọng trong thiế kế anten là bảo đảm chính
xác tâm anten. Tâm điện tử của anten phải khép kín và trùng
với tâm hình học đồng thời không bị tác động của hiện tượng
quay và nghiêng. Yêu cầu này cần thiết cho trường hợp đo
động, khi đó anten di động trong suốt quá trình đo. Thêm vào
đó, anten cũng phải có khả năng tự loại bỏ các tín hiệu có góc
cao thấp và tín hiệu đa đường dẫn. Điều này có thể thực hiện
được nhờ anten có dạng hình nón xoáy tròn. Hiện nay phổ biến
nhất là loại anten nhỏ để trần.
Tín hiệu từ anten sau đó được truyền tới bộ tần số radio

(RF _Bộ tần số RF được giới thiệu sau). Những giá trị tín hiệu ghi
lại bị hạn chế khi xử lý code tựa ngẫu nhiên đối với mỗi vệ tinh
do các tương quan chéo rất thấp, các tín hiệu này cần được
khuếch đại. Anten được thiết kế đối với sóng tải L1 hoặc cả hai
sóng tải L1, L2.
b. Bộ tần số radio (RF) được coi là trái tim của máy thu GPS.
Sau khi tín hiệu thu vào anten sẽ được xem xét phân biệt để
giữa lại C/A code. Các tín hiệu chuẩn đã được sắp xếp trước
thành các đơn vị đối với mỗi vệ tinh. Bộ phận này có khả năng
phân tích logic để phân biệt các vệ tinh theo nguyên tắc giám
sát hiệu ứng Doppler. Bộ tần số radio xử lý tín hiệu đã vào các
kênh. Các máy 1 tần chỉ nhận và xử lý tín hiệu L1, các máy hai
tần sẽ nhận và xử lý cả hai tín hiệu L1 và L2. Các số liệu nhận
được bởi máy thu 2 tần sẽ được phối hợp để tính toán và loại bỏ
khúc xạ tần ion. Số lượng kênh đóng vai trò quan trọng của RF
và do vậy nó quyết định số lượng vệ tinh có thể theo dõi đồng
thời.


Các yếu tố cơ bản của RF là bộ duy trì tạo các tần số
chuẩn, sau đó qua bộ nhận để có tần số cao hơn, tiếp theo tín
hiệu được lọc để loại bỏ các tần số không mong muốn và thực
hiện trộn tần. Sau đó, từ 2 tín hiệu duy trì y1, y2 với các biên độ
khác nhau và các tần số khác nhau f 1, f2 sẽ nhân theo mô hình
toán học có dạng đơn giản như sau:

Y=y1.y2=a1cos(f1t )a2cos(f2t) =

a1 a 2
[ cos(( f1 − f 2 )t ) + cos(( f1 + f 2 )t )]

2

Kết quả là trong tín hiệu y chứa cả các tần số thấp và tần
số cao. Sau khi sử dụng lọc dải thấp, phần tần số cao được loại
bỏ. Phần tần số thấp còn lại được sử dụng để xử lý. Hiệu số giữa
(f1 - f2) giữa các tần số thường được gọi là tần số trung gian hay
tần số phách.
c. Bộ vi xử lý
Bộ vi xử lý thực hiện điều khiển mọi hoạt động của máy
thu. Chức năng đó bao gồm: thu nhận các tín hiệu vệ tinh một
cách nhanh nhất có thể khi máy thu được bật lên, đồng bộ mã
và pha của tín hiệu, giải mã lịch vệ tinh quảng bá, xác định các
tọa độ tuyệt đối của điểm đặt máy và theo dõi các vệ tinh khác.
d. Thiết bị điều khiển
Thiết bị điều khiển thực hiện khả năng phối hợp giữa người
đo và máy thu. Các lệnh được đưa vào từ các phím chức năng
như vào số hiệu điểm đo, độ cao anten… Ngoài các phím
"cứng" máy thu còn có các phím mềm thực hiện các lệnh trên
màn hình.
e. Thiết bị ghi
Có nhiệm vụ ghi lại các trị đo và thông tin đạo hàng để
phục vụ cho công tác xử lý sau này. Thiết bị ghi GPS bảo đảm
không bị mất khi tắt nguồn điện. Dung lượng bộ nhớ của máy
thu sẽ quyết định thời gian thu liên tục. Dung lượng bộ nhớ
thường đảm bảo ghi liên tục số liệu đo trong nhiều giờ với số


lượng vệ tinh trung bình (5-7 vệ tinh) và tần suất ghi mặc định
(15s).
f. Bộ nguồn

Bộ nguồn của máy thu GPS là pin hoặc ắc quy sạc điện.
Dòng điện sử dụng cho máy thu là dòng 1 chiều có điệp áp từ 6
đến 20 vôn.
* Phân loại trong trắc địa
a. Theo chức năng sử dụng
- Định vị, dẫn đường (đxc thấp): Máy đơn kênh, mã C/A, độ
chính xác <100m
- Dùng cho vẽ bản đồ, dẫn đường độ chính xác cao:
+ Máy 1 tần, đa kênh (4-12 kênh), mã C/A, đcx là <100m
(không hỗ trợ) hoặc 3-5m (DGPS).
+ Máy đa tần, đa kênh (8-12 kênh), song mang L1/L2, đcx tới
cỡ mm(DGPS).
b. Phân loại theo độ chính xác
- Độ chính xác cao: là loại máy thu đa tần số đắt tiền nhất hiện
nay được sử dụng trong trắc địa. Thiết bị phần cứng phức tạp
nên dùng khó khan : Trimble 4800, Topcon Legacy, Topcon
Hiper Series….cũng là loại máy thu 1 tần nhưng có cấu tạo gọn
nhẹ nhất ( thường là máy thu cầm tay) và rẻ tiền nhất thường
được dung cho các mục đích định vị hằng hải, du lịch,…
Lowrance 200, Garmin III+, Magenlan…
- Đcx TB: Là loại máy thu 1 tần số, có cấu tạo đơn giản dễ
mang vác và dễ sử dụng cho thu thập DL phục vụ bản đồ và
GIS: Trimble Geo-explorer XT, Ashtech Reliance…
Đcx thấp:
c. Phân loại theo tần số sử dụng
Theo tần số có thể chia máy thu GPS thành các loại sau:


- Máy thu 1 tần (L1) chỉ nhận dược các mã phát đi với sóng
mang L1.

- Máy thu 2 tần ( L1 và L2) nhận được cả 2 loại song mang
L1 và L2.
Các máy thu 1 tần phù hợp cho đo các cạnh có chiều dài
nhỏ hơn 10 km hoặc đến 20 km. Các máy thu 2 tần phù hợp với
khoảng cách dài.

II.

BÀI TẬP

Các dạng bài về tính sai số trung phương đo nhiều lần 1 góc, 1
cạnh