ĐỀ CƯƠNG MÁY TRẮC ĐỊA VÀ ĐO ĐẠC ĐIỆN TỬ

MÁY TRẮC ĐỊA VÀ ĐO ĐẠC ĐIỆN TỬ
LÝ THUYẾT

I.

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.

1

1


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=
2

2


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:
τ
D =v.
τ
Trong thực tế để xác định khoảng thời gian , 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
τ
D với độ chính xác theo yêu cầu trắc địa mD thì trị số là cực kỳ nhỏ
τ
và phải xác định với m rất cao.

3

3


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.
4

4


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.
Nguyên lý chung xác định khoảng cách bằng sóng điện từ là bài toán
chuyển động đều, nghĩa là mối tƣơng quan giữa khoảng cách D với
tốc độ v và thời gian
τ: D = vτ
Trong thực tế để xác định khoảng thời gian τ, ngƣời 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:
τ = t2 − t1 và D = vτ/2

(1.2.1)
Nhƣ vậy, độ chính xác xác định D phụ thuộc vào độ chính xác xác
định v (hay n) trong môi trƣờng đo và độ chính xác đo thời gian. Theo
lý thuyết sai số, từ (1.2.1) ta có:
Vì tốc độ truyền sóng điện tử rất lớn (v ≈ 3.108 m/s) nên để nhận
đƣợc 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 mτ rất cao. Bản chất vật lý của
các phƣơng pháp đo khoảng cách là so sánh để xác định độ chênh
5

5


lệch của một tham số (SĐT) ở hai thời điểm trƣớc (phát) và sau (thu)
khi truyền nó. Thông thƣờng, nguyên lý chế tạo máy đo xa điện tử là
một tín hiệu phát đi đƣợc chia làm hai thành phần (xem hình 1.12b).
Thành phần thứ nhất - đặc trƣng cho thời điểm phát đƣợc truyền trực
tiếp trong máy qua các bộ phận đến bộ đo thời gian có tổng chiều dài
Do (kênh chủ) gọi là tín hiệu gốc hay tín hiệu chủ, còn thành phần thứ
hai - đặc trƣng cho thời điểm thu - truyền qua hai lần khoảng cách 2D
(kênh tín hiệu) gọi là tín hiệu đo hay tín hiệu phản hồi (trong các máy
đo xa dùng “quang tuyến chuẩn Do” trong nội bộ máy thì tín hiệu
truyền qua Do cũng là tín hiệu đo). Nhƣ vậy, hai thành phần này đƣợc
tạo ra cùng một tín hiệu chỉ khác là chúng truyền qua hai quãng
đƣờng khác nhau là Do và 2D, nghĩa là độ chênh lệch cần đo là một
hàm số của hiệu (2D − Do) trong đó có chứa khoảng cách D cần tìm
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
6

6


(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:
7

7


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,
τ
đồng hồ nguyên tử, hoặc ống tia điện tử để đo khoang thời gian . Sau
khi kỹ thuật điện tử tạo xung laser có độ dài
σ=

τX

hẹp, chu kỳ TX lớn và

TX
τX

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

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

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
TX

8

τX

t

8


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...
9

9


-

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.
10

10

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 Máy kinh vĩ quang học
Máy toàn đạc điện tử
Khái
May kinh vĩ quang học
Máy toàn đạc điện tử là một
niệm
là thiết bị đo đạc quang thiết bị quang học điện tử đa
cơ.
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).
Chức
Đo góc: Máy kinh vĩ
- Đo góc: Máy toàn đạc điện tử
năng
quang học có thể đo góc cũng tương tự như máy kinh vĩ
đứng và góc bằng.
ở chức năng này là đo được
góc đứng và góc bằng.

- Đo khoảng cách: Máy - Đo khoảng cách: Máy toàn
sẽ kết hợp với mia đo
đạc kết hợp với gương hoặc
khoảng cách và trên cao các vật phản xạ đo khoảng
theo phương pháp đo cao cách từ máy đến gương, điểm
lượng giác. Dùng
phản xạ hoặc giữa các gương,
phương pháp này sẽ có
điểm phản xạ với nhau một
sai số lớn.
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.
11

11


===>>> 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

12

12


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.
13

13


- 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
Máy thủy chuẩn quang
Máy thủy chuẩn điện tử
dung
học

Máy thủy chuẩn quang
Máy thủy chuẩn điện tử:
cơ: là loại máy thủy
được đo đạc bằng cách đọc
chuẩn đo đạc bằng cách
số trên mia mã vạch bằng
đọc số trên mia bằng mắt, tia hồng ngoại, hiển thị số
ghi chép số liệu sổ tay và đọc trên màn hình LCD và
tính toán trên các số liệu dữ liệu được trút ra máy
ghi chép được.
tính để xử lý.
Cân bằng sơ bộ bằng ống nguyên lý chung của hệ
thủy tròn , sau đó cân
cân bằng tự động là tính tự
bằng chính xác bằng cách cân bằng của con lắc khi
điều chỉnh vít nghiêng để treo nó ở trạng thái tự do.
đưa bọt nước ống thủy dài
vào giữa thì trục ngắm sẽ
nằm ngang.
Dùng mắt thường thực
Dùng tia hồng ngoại để đọc
hiện việc ngắm và đo đạc, các số liệu đã đo đạc được
sau đó đọc các số liệu đo trước đó.
được trên mia của thiết bị. Tự động tính toán dựa trên
Ghi chép vào sổ và tính
các phép tính do người kĩ
toán dựa vào các số liệu
sư lựa chọn
đã thu thập được.
Hiển thị trên màn hình

Số liệu thường có sai số
LCD các số liệu tính toán.
lớn, việc tính toán mất
Dữ liệu tính toán, đo đạc
thời gian mà không hiệu có thể được lưu trữ ở bộ
14

14


quả.

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
15

15


a. Xây dựng lưới khống chế mặt bằng
Ưu điểm chủ yếu và quan trọng nhất của công nghệ GPS là xác định
véc tơ cạnh giữa các điểm khống chế trắc địa với độ chính xác cao mà
không đòi tầm thông hướng giữa các điểm đó. Bằng kỹ thuật đo tương
đối tĩnh, người ta có thể xây dựng các mạng lưới có cạnh dài cả ngàn
km. Trên thế giới , khung tọa độ ITRF chính là một mạng lưới như
vậy. Ở Việt Nam, chúng ta đã xây dựng mạng lưới GPS cấp "0" có
chiều dài cạnh trung bình 120 km. Đây là mạng lưới "xương sống" là
cơ sở để hoàn chỉnh mạng lưới thiên văn - trắc địa của nước ta.
b. GPS phục vụ cho đo vẽ địa chính
Công nghệ GPS đã được ứng dụng rộng rãi trong công tác đo đạc
địa chính. Trước hết là mạng lưới khống chế địa chính cơ sở, lưới địa
chính các cấp được phát triển từ lưới khống chế tọa độ hạng I, II Nhà

nước.
c. Đo vẽ chi tiết bản đồ địa hình, bản đồ địa chính tỷ lệ lớn và tỷ lệ
trung bình
Để thành lập bản đồ địa hình, bản đồ địa chính tỷ lệ 1:200 đến
1:2000, thông thường chúng ta đo trực tiếp theo phương pháp toàn
đạc, trong đó sử dụng máy kinh vĩ hoặc toàn đạc điện tử để đo các
điểm chi tiết.
Với kỹ thuật đo động Stop - and - go, người ta có thể thực hiện đo
chi tiết thành lập bản đồ, với độ chính xác và tốc độ không thua kém
các thiết bị đo khác. Tuy nhiên cần phải đảm bảo một điều kiện bắt
buộc là trong quá trình đo chi tiết bằng GPS phải theo dõi tín hiệu
liên tục của ít nhất 4 vệ tinh.
d. GPS phục vụ trắc địa công trình
- Đo các mạng lưới khống chế thi công công trình, đo nối lưới
khống chế Trắc địa Nhà nước với hệ thống lưới khống chế công
trình….
- Chuyển trục công trình lên cao
- Đo các mạng lưới quan trắc chuyển dịch và biến dạng công trình
- Đo vẽ thành lập các mặt cắt và đo tính khối lượng.
- Đo cắm điểm chi tiết công trình

16

16


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:

17

17


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.
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.
18

18


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
f1, f2 sẽ nhân theo mô hình toán học có dạng đơn giản như sau:
a1 a 2
[ cos(( f1 − f 2 )t ) + cos(( f1 + f 2 )t )]
2

Y=y1.y2=a1cos(f1t )a2cos(f2t) =
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 (f 1 - 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

19

19


- 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 Geoexplorer 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.
Câu 13: Trình bày cấu tạo và cơ sở toán học của máy quét laser

3D
- Cấu tạo : gồm 2 phần
+ phần cứng bao gồm máy đo khoảng cách laser, bộ cảm biến hình
ảnh và máy tính
+phần mềm bao gồm các chương trình tính tọa độ điểm chi tiết ,mô
phỏng hình ảnh của đối tượng
- Cơ sở toán học
Tọa độ của một điểm (đối tượng 3D) được quét và đo bằng laser.
Trước hết xây dựng một hệ tọa độ không gian 3 chiều. Trục Z song
zong với tia laser, mặt phẳng XY vuông góc với Z.
20

20


Một đối tượng có khoảng cách L tới tâm nguồn quét. Như vậy giá trị
tọa độ điểm chi tiết được hiển thị theo giá trị tọa độ tính được trong hệ
tọa độ không gian 3 chiều

- Các thành phần của hệ thống

Hệ thống bao gồm phần cứng và phần mềm. Hệ thống phần cứng
chủ yếu bao gồm máy đo khoảng cách laser, bộ cảm biến hình ảnh và
máy tính. Phần mềm bao gồm các chương trình tính tọa độ điểm chi
tiết, mô phỏng hình ảnh của đối tượng.

II.

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

21

21