Khảo sát độ chính xác đo dài của máy toàn đạc điện tử và GPS thông dụng

000000000000000000000000000000 TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN KHẢO SÁT ĐỘ CHÍNH XÁC ĐO DÀI CỦA MÁY TOÀN ĐẠC ĐIỆN TỬ VÀ GP

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI

BÁO CÁO TỔNG KẾT

ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN

KHẢO SÁT ĐỘ CHÍNH XÁC ĐO DÀI CỦA MÁY TOÀN

ĐẠC ĐIỆN TỬ VÀ GPS THÔNG DỤNG

Nhóm ngành khoa học: Kỹ thuật xây dựng công trình giao thông

Hà nội, ngày 15 tháng 04 năm 2015

000000000000000000000000000000

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI

BÁO CÁO TỔNG KẾT

ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN

KHẢO SÁT ĐỘ CHÍNH XÁC ĐO DÀI CỦA MÁY TOÀN

ĐẠC ĐIỆN TỬ VÀ GPS THÔNG DỤNG

Thuộc nhóm ngành khoa học : Kỹ thuật xây dựng công trình giao thông

Sinh viên thực hiện : Đoàn Văn Hiếu Nam

Hà Văn Vương Nam

Lê Duy Ngọc Nam

Dân tộc: Kinh

Lớp: Công trình giao thông thành phố Khoa: Công trình Năm thứ: 2/4,5 năm Ngành học: Kỹ thuật xây dựng công trình giao thông

Sinh viên chịu trách nhiệm chính thực hiện đề tài: Đoàn Văn Hiếu

Người hướng dẫn: ThS Hồ Sỹ Diệp

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 3

1.1 MÁY TOÀN ĐẠC ĐIỆN TỬ 3

1.1.1 Giới thiệu tổng quan về cấu tạo máy toàn đạc điện tử 3

1.1.2 Nguyên lý đo khoảng cách bằng sóng điện từ 6

1.1.3 Các chương trình đo tiện ích của máy toàn đạc điện tử 7

1.2 THIẾT BỊ ĐO GPS 13

1.2.1 Hệ thống định vị toàn cầu GPS (Global Positioning System - GPS) 13

1.2.2 Các đại lượng đo GPS 18

1.2.3 Nguyên lý và kỹ thuật định vị vệ tinh 20

1.2.4 Kỹ thuật đo GPS 23

CHƯƠNG 2 29

KHẢO SÁT ĐỘ CHÍNH XÁC ĐO DÀI CỦA MÁY TOÀN ĐẠC ĐIỆN TỬ VÀ GPS THÔNG DỤNG 29

2.1 KHẢO SÁT ĐỘ CHÍNH XÁC ĐO DÀI CỦA MÁY TOÀN ĐẠC ĐIỆN TỬ VÀ GPS THÔNG DỤNG TRÊN LÝ THUYẾT 29

2.1.1 Cơ sở lý thuyết 29

2.1.2.Tính sai số đo khoảng cách theo lý thuyết 29

2.1.3 So sánh độ chính xác đo dài của Toàn Đạc điện tử và GPS thông dụng 31

2.2 THỰC NGHIỆM KHẢO SÁT ĐỘ CHÍNH XÁC CỦA MÁY TOÀN ĐẠC ĐIỆN TỬ VÀ GPS THÔNG DỤNG 32

2.2.1 Lập lưới khống chế mặt bằng bằng máy toàn đạc điện tử và máy GPS 32

2.2.2 Kết quả thực nghiệm 34

TÀI LIỆU THAM KHẢO 38

PHỤ LỤC 1 40

PHỤ LỤC 2 43

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GTVT

THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI

1.Thông tin chung:

- Tên đề tài: “Khảo sát độ chính xác đo dài của máy toàn đạc điện tử và GPS thông

dụng”

- Sinh viên thực hiện: Đoàn Văn Hiếu, Hà Văn Vương, Lê Duy Ngọc

- Lớp: Công trình giao thông thành phố Khoa: Công trình

- Năm thứ: 2 Số năm đào tạo: 4,5 năm

- Người hướng dẫn: ThS Hồ Sỹ Diệp

2.Mục tiêu đề tài:

Tìm hiểu về máy toàn đạc điện tử và GPS (cấu tạo, chức năng) trong đó, tập

trung nghiên cứu chức năng đo khoảng cách Từ đó, khảo sát độ chính xác đo dài của

máy Toàn đạc điện tử và GPS thông dụng trên lý thuyết Sau đó, tiến hành đo thực

nghiệm để so sánh độ chính xác giữa hai thiết bị đo

3 Tính mới và sáng tạo:

Nhóm sinh viên đã tiếp cận và áp dụng phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết

hợp với thực nghiệm để so sánh

4 Kết quả nghiên cứu:

Đã thực hiện được mục tiêu Cụ thể là:

- Hiểu biết thêm về máy toàn đạc điện tử và thiết bị GPS

- Kiểm nghiệm được độ chính xác của máy toàn đạc điện tử và thiết bị đo GPS so

với công thức lí thuyết

5.Đóng góp về mặt kinh tế - xã hội, giáo dục và đào tạo, an ninh quốc phòng và

khả năng áp dụng của đề tài :

Ngày 15 tháng 04 năm 2015

Sinh viên chịu trách nhiệm chính

thực hiện đề tài

Đoàn Văn Hiếu

Nhận xét của người hướng dẫn về những đóng góp khoa học của sinh viên thực hiện đề tài:

Thông qua việc thực hiện đề tài, nhóm sinh viên đã có thời gian nghiên cứu lý thuyết về chức năng, cấu tạo, độ chính xác và ứng dụng của máy toàn đạc điện tử và máy GPS

Đồng thời nhóm sinh viên đã được thực hiện các thao tác về máy toàn đạc điện tử

và máy GPS sâu hơn, đó là điều mà sinh viên khoa công trình rất cần khi ra làm ngoài thực tế sản xuất

Nhóm sinh viên đã đưa ra được những kết luận so sánh giữa nghiên cứu lý thuyết

và thực nghiệm về độ chính xác đo dài của máy toàn đạc điện tử và GPS

Trong quá trình làm đề tài, nhóm sinh viên nghiên cứu đã thể hiện được sự nghiêm túc, cách tiếp cận vấn đề mới và cách làm việc theo nhóm

Ngày 15 tháng 04 năm 2015

Người hướng dẫn

ThS Hồ Sỹ Diệp

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GTVT

THÔNG TIN VỀ SINH VIÊN CHỊU TRÁCH NHIỆM CHÍNH THỰC HIỆN ĐỀ TÀI

I.SƠ LƯỢC VỀ SINH VIÊN

Họ và tên: Đoàn Văn Hiếu

Sinh ngày: 16 tháng 11 năm 1994

Nơi sinh: An Đức – Ninh Giang – Hải Dương

Lớp: Công trình giao thông thành phố Khóa: 54

Khoa: Công trình

Địa chỉ liên hệ: Hoa Bằng – Cầu Giấy – Hà Nội

Điện thoại: 0985849413 Email: doanhieugtvtk54@gmail.com

1

MỞ ĐẦU

Trắc Địa là một ngành khoa học nghiên cứu về hình dạng, kích thước Trái đất và biểu diễn bề mặt của nó nên bản đồ, cũng như các phương pháp đo đạc chuyên môn để giai quyết trong những nhiệm vụ chuyên môn như quy hoạch đất đai, an ninh quốc phòng, thiết kế xây dựng, khai thác tài nguyên, môi trường…

Công tác Trắc địa thường được tiến hành bằng các thiết bị, dụng cụ chuyên môn khác nhau: Trên mặt đất, trên biển, ngoài vũ trụ…Vì vậy các dụng cụ đo phải được phát triển để đáp ứng các yêu cầu trong mỗi nhiệm vụ đo đạc

Trong đo đạc, một trong các yếu tố cần xác định đó là khoảng cách, nó là yếu tố quan trọng cần thiết trong cuộc sống và đặc biệt quan trọng trong các ngành kỹ thuật

Do vậy, đối với các quốc gia có nền khoa học kỹ thuật tiên tiến thì công việc này càng được quan tâm, thậm chí các quốc gia còn đưa ra đơn vị đo dài riêng của mình Từ việc nghiên cứu đo dài người ta đưa ra các phép đo và chế tạo các dụng cụ đo phù hợp

Từ năm 1320, người Hy Lạp đã biết sử dụng thước dây để đo chiều dài, sau này người ta đã chế tạo ra thước thép để nâng cao độ chính xác

Vào thế kỷ 17, khoa học kỹ thuật phát triển mạnh mẽ trong các lĩnh vực toán học, vật lý học, quang học, quang học, các nhà khoa học đã đưa ra hàng loạt các phát minh quan trọng Từ đó, các nhà chế tạo máy đã ứng dụng các thành tựu khoa học vào các thiết bị đo đạc và năm 1640 thì nhà bác học người Anh(Wild) đã chế tạo thành công

nâng cao hơn và cho ra đời các thiết bị đo hiện đại hơn, có độ chính xác cao hơn gấp nhiều lần

Trong những năm gần đây, công nghệ điện tử phát triển mạnh mẽ và được ứng dụng trong nhiều ngành kỹ thuật, trong đó có Trắc địa Ứng dụng công nghệ điện tử hàng loạt các dụng cụ đo đạc hiện đại được ra đời Các thiết bị đo điện tử như: Máy đo góc điện tử T100, T1800, TM1100, TM1800, TM2002 của Thụy Sỹ , DT5,DT6 của Nhật Bản… Máy đo dài điện tử DI1001, DI1600, DI2002 của Thụy Sỹ, EOK2000 của Đức… Các máy toàn đạc điện tử TC605, TC 1800, TC 2002 của Thụy Sỹ, NTS662… Các thiết bị đo GPS…

Trong các thiết bị đo hiện nay được sử dụng rộng rãi và có độ chính xác cao đó là máy toàn đạc điện tử và thiết bị đo GPS Các thiết bị đo hiện đại này cho phép chúng

ta thực hiện nhiều chức năng đo, trong đó có chức năng đo dài( đo khoảng cách) với

độ chính xác cao Từ đó, nảy sinh vấn đề: liệu trong đo dài thiết bị nào cho chúng ta độ

chính xác cao hơn? Chính vì vậy chúng tôi đã nghiên cứu đề tài: “Khảo sát độ chính

xác đo dài của máy toàn đạc điện tử và GPS thông dụng”

2

Trong này đề tài sẽ gồm 2 chương:

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ MÁY TOÀN ĐẠC ĐIỆN TỬ VÀ GPS THÔNG DỤNG

CHƯƠNG 2: KHẢO SÁT ĐỘ CHÍNH XÁC ĐO DÀI CỦA MÁY TOÀN ĐẠC ĐIỆN

TỬ VÀ GPS THÔNG DỤNG

- Xác định trên cơ sở lý thuyết

- Tiến hành đo thực nghiêm

3

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU VỀ MÁY TOÀN ĐẠC ĐIỆN TỬ VÀ GPS THÔNG DỤNG

1.1 MÁY TOÀN ĐẠC ĐIỆN TỬ

1.1.1 Giới thiệu tổng quan về cấu tạo máy toàn đạc điện tử

Hiện nay, máy toàn đạc điện tử dần là thiết bị đo đạc chủ yếu trong trắc địa vì nó cho phép thực hiện đồng thời đo các đại lượng cơ bản: đo góc, đo khoảng cách và đo cao với độ chính xác cao Đồng thời, với các phần mềm tiện ích được tích hợp sẵn trong máy cho phép giải các bài toán cơ bản của trắc địa ngay ngoài thực địa

Có nhiều hãng trên thế giới sản xuất máy toàn đạc điện tử, nhưng đều có cấu tạo

và các chức năng tương tự nhau Hình bên dưới mô tả các bộ phận chính của máy toàn

đo xa điện tử EDM;

13-Nạp pin GAD39 6 cell;

14-Pin Geb 121 ; 15-Màn hình hiển thị;

4

Hình 1.2: Một số loại máy toàn đạc điện tử

Về tổng quan, máy toàn đạc được chia thành 3 khối chính: Khối 1 - Máy đo khoảng cách bằng kỹ thuật điện tử; Khối 2 - Máy kinh vĩ số và Khối 3 - Các chương trình đo tiện ích và phần mềm xử lý số liệu

Hình 1.3: Sơ đồ khối của máy toàn đạc điện tử Khối 1: Máy đo khoảng cách điện tử (Electronic DistanceMeter - EDM) thực

hiện đo khoảng cách từ máy đến gương phản xạ, chiều dài đo được trung bình từ 3km đối với một gương và 3-5km đối với gương chùm tùy theo từng loại máy Độ

hệ số a, b = 1÷5mm và D là chiều dài giữa hai điểm tính theo đơn vị km Kết quả đo

được hiển thị trên màn hình của máy dạng khoảng cách ngang hoặc khoảng cách

nghiêng và được lữu trữ vào bộ nhớ của máy

Khối 2: Máy kinh vĩ số (Digital Theodolite - DT) thực hiện phép đo góc bằng,

5

góc đứng hoặc góc thiên đỉnh Máy kinh vĩ điện tử có cấu tạo tương tự như máy kinh

vĩ kinh vĩ quang cơ thông thường, sự khác biệt đó là khi đo góc không phải thực hiện các thao tác thông thường như chập vạch hoặc đọc số trên thang đọc số mà giá trị được thể hiện trên màn hình của máy Độ chính xác đo góc của máy m = 1 ÷5’’

Để thực hiện việc tự động hóa quá trình đọc số trên bàn độ người ta có thể sử dụng hai phương án: phương án mã hóa bàn độ và phương án xung Các máy kinh vĩ

sử dụng phương án mã hóa được gọi là máy kinh vĩ mã hóa (CODE THEODOLITE), còn các máy sử dụng phương án xung là các máy loại xung

Trong các máy kinh vĩ dùng toàn bộ theo phương án mã hóa thì các bàn độ ngang và bàn độ đứng không chia vạch theo các máy thông thường, phần ngoài của bàn độ( nơi khắc vạch của các máy 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 mỗi hình vuông quy định một mã nhất định Hình vuông trong suốt khi chiếu ánh sáng đi qua, chúng sẽ cho ta một tín hiệu( tương ứng với số 1) còn hình vuông không trong suốt không cho ánh sáng đi qua (tương ứng với số 0) Như vậy, mỗi hình vuông cho chúng ta 1 đơn vị thông tin( 1 bit) Bàn độ thường sử dụng trong máy kinh vĩ mã hóa có dạng:

Hình 1.4: Bàn độ thường được sử dụng trong máy kinh vĩ mã hóa

Đối với một bàn độ như vậy thì mỗi vị trí bàn độ sẽ tương ứng với một mã số nhất định, và để đọc số trong trường hợp này người 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 hiển thị trên màn hình máy

6

Ưu điểm của phương pháp mã hóa bàn độ là có thể nâng cao độ phân giải của bàn độ để nâng cao độ chính xác đọc số Việc này có thể thực hiện bằng cách tăng số vòng tròn trên bàn độ

Đối với các máy có bàn độ hoạt động theo phương án xung thì vùng khác vạch của bàn độ được chia các vạch trong suốt và không trong suốt xen kẽ nhau, để khi 1 tia sáng hẹp qua vùng này chúng ta sẽ nhận được các xung Các xung điện được dẫn tới

bộ đếm xung, bộ đếm xung sẽ đếm và xác định được số xung đi qua và so sánh với xung chuẩn để tính ra góc đo Như vậy góc đo là hàm của số xung đếm được, nếu gọi

số xung đếm được là m thì giá trị góc α = f(m)

Các máy toàn đạc điện tử hiện nay đều được chế tạo theo phương pháp xung vì

nó có ưu điểm là độ chính xác cao, công nghệ chế tạo đơn giản, gọn nhẹ và ít tốn năng lượng điện

Khối 3: Các chương trình đo tiện ích và phần mềm xử lý số liệu

Các chương trình tiện ích được cài đặt ở trong khối này để xử lý các bài toán cơ bản của trắc địa như tính chuyển khoảng cách nghiêng về khoảng cách ngang, đo

chênh cao giữa 2 điểm bằng phương pháp đo cao lượng giác, tính tọa độ XYH của các

điểm đo, tính tọa độ điểm đặt máy, đo diện tích, đo chiều cao công trình, bố trí điểm ra thực địa Ngoài ra toàn bộ số liệu đo được ghi lại trong bộ nhớ, thẻ nhớ của máy và được truyền sang máy tính một cách dễ dàng

Như vậy kết hợp 3 khối trên lại thành một máy toàn đạc điện tử đa chức năng cho phép đo các yếu tố với độ chính xác cao, giải quyết các bài toán ngay tại hiện trường một cách nhanh chóng Nhờ những tính năng ưu việt đó mà hiện nay máy toàn đạc được sử dụng phổ biến để thành lập lưới khống chế trắc địa, đo vẽ bản đồ địa hình, trong xây dựng các công trình, quan trắc biến dạng công trình

1.1.2 Nguyên lý đo khoảng cách bằng sóng điện từ

Nguyên lý chung của phương pháp đo khoảng cách bằng sóng điện từ là dựa vào

bài toán chuyển động đều, mối quan hệ giữa khoảng cách D với tốc độ v và thời gian t:

D = v.At

thời điểm thu (t2) bằng một bộ thu phát đặt tại một điểm đầu khoảng cách D Lúc này:

số cố định, vì vậy để đo được khoảng cách D với độ chính xác cao đòi hỏi độ chính xác xác định thời gian t cũng phải rất cao

Với yêu cầu đo thời gian với độ chính xác như trên, đòi hỏi phải có phương pháp

đo thời gian với độ chính xác rất cao Trong kỹ thuật điện tử hiện nay có hai phương pháp là đo trực tiếp thời gian (phương pháp xung) và đo một đại lượng là tham số của sóng điện từ (phương pháp đo hiệu pha, phương pháp tần số)

Nguyên lý chế tạo máy đo xa điện tử là một tín hiệu phát đi được chia làm hai thành phần Thành phần thứ nhất - đặc trưng cho thời điểm phát được 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 trưng 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) Như vậy, hai thành phần này được tạo ra cùng một tín hiệu chỉ khác là chúng truyền qua hai quãng đường 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

1.1.3 Các chương trình đo tiện ích của máy toàn đạc điện tử

Ngoài các đại lượng đo cơ bản như đo góc, đo chiều dài và đo chênh cao, máy toàn đạc còn tích hợp các chương trình đo tiện ích, dựa vào các đại lượng đo cơ bản

D

8

thông qua các phần mềm cài sẵn trong máy để tính ra các giá trị đo cần thiết

 Chương trình đo khảo sát (Surveying)

+ Mục đích: Xác định tọa độ và độ cao của điểm C ngay ngoài thực nếu biết tọa

độ, độ cao điểm đặt máy và điểm định hướng hoặc ngược lại có thể đo góc bằng p, góc đứng (V, Z) và khảng cách S để tính tọa độ điểm C trong công tác nội nghiệp

+ Yêu cầu: phải biết tọa độ, độ cao điểm đặt máy A và tọa độ điểm định hướng B

tại điểm A, sau đó nhập tọa độ , độ cao và chiều cao máy Quay máy ngắm chính xác đến gương dựng tại điểm định hướng B, nhập tọa độ điểm định hướng Tiếp theo, quay máy ngắm đến gương dựng tại điểm cần chính xác Nhập chiều cao gương rồi ấn phím

đo Dựa vào tọa độ, độ cao hai điểm A, B, các kết quả đo góc, chiều dài, phần mềm trong máy tính sẽ tính ra tọa độ và hiển thị trực tiếp lên màn hình của máy, đông thời kết quả đo được lưu lại trong bộ nhớ hoặc thẻ nhớ trong máy

Hình 1.6: Đo tọa độ của điểm

+ Thao tác trên máy Leica TS02: Từ menu cơ bản trên màn hình, ấn số 2 chọn

Program (Prog), ấn F1 để chọn Suveying

9

 Chương trình bố trí điểm thiết kế ra thực địa (Stakeout)

+ Mục đích: Bố trí điểm có tọa độ thiết kế C ra thực địa

+ Yêu cầu: Phải biết tọa độ, độ cao điểm đặt máy A và tọa độ điểm định

hướng B ngoài thực địa

+ Trình tự tiến hành: Tiến hành định tâm, cân bằng máy và đo chiều cao máy i

tại điểm A, sau đó nhập tọa độ, độ cao và chiều cao máy Quay máy ngắm chính xác

đến gương dựng tại điểm định hướng B sau đó nhập tọa độ điểm định hướng Tiếp

theo, nhập tọa độ và độ cao điểm cần bố trí C, máy sẽ tự động tính các yếu tố bố trí Người đứng máy chỉ cần quay máy cho đến khi giá trị trên bàn độ ngang của máy hiện

Phần mềm trong máy sẽ so sánh chiều dài đo được và chiều dài thiết kế để tính ra độ

lệch AS = S TK - SĐo

Dựa theo dấu của giá trị AS, nếu mang dấu (+), nghĩa là điểm cần bố trí ở xa hơn

so với điểm hiện tại, như vậy cần phải dịch chuyển gương về gần máy một đoạn AS,

còn dấu (-) nghĩa là điểm cần bố trí ở gần máy hơn sơ với điểm hiện tại như vậy cần

phải dịch chuyển gương xa máy một đoạn AS Quá trình trên được thực hiện cho đến khi giá trị AS nằm trong giới hạn sai lệch cho phép, đánh dấu vị trí chân gương cho vị

trí điểm cần bố trí

-Ấn F1 để đặt tên cho công việc;

-Ấn F2 để nhập tên, tọa độ, chiều cao (i) điểm đặt máy;

-Ấn F3 để nhập tên tọa độ điểm định hướng;

-Ấn F4 để bắt đầu tiến hành đo

10

Để bố trí độ cao thiết kế, sau khi xác định được vị trí mặt bằng, dựa vào giá trị

AH dịch chuyển lên xuống cho tới khi AH nằm trong giới hạn sai lệch cho phép, đánh

dấu vị trí chân gương cho độ cao điểm cần bố trí

+ Thao tác trên máy Leica TS02: Từ menu cơ bản trên màn hình, ấn số 2 chọn

program (prog), ấn F2 để chọn stakeout

 Chương trình đo giao hội nghịch (Free station)

+ Mục đích: Xác định tọa độ, độ cao điểm đặt máy;

+ Yêu cầu: Phải biết tọa độ, độ cao của ít nhất hai điểm trên thực địa;

+ Trình tự tiến hành: Tiến hành định tâm, cân bằng máy và đo chiều cao máy hi tại điểm C Quay máy ngắm đến điểm A, nhập tọa độ, độ cao và chiều cao gương hr

rồi ấn phím đo để xác nhận điểm A Tiếp tục tương tự đối với các điểm khác, rồi gọi chương trình tính toán Trên màn hình máy sẽ hiển thị giá trị tọa độ, độ cao và các sai

số tương ứng của điểm đặt máy

-Ấn F1 để đặt tên cho công việc;

-Ấn F2 để nhập tên, tọa độ, chiều cao (i) điểm đặt máy;

-Ấn F3 để nhập tên tọa độ điểm định hướng;

-Ấn F4 để bắt đầu tiến hành đo;

-ΔHz là độ lệch so với hướng thiết kế;

cách thiết kế;

trí;

11

Hình 1.7: Sơ đồ đo giao hội nghịch bằng máy toàn đạc điện tử

+ Thao tác trên máy Leica TS02: Từ menu cơ bản trên màn hình, ấn số 2 chọn

Program (Prog), ấn F3 để chọn Free station

 Chương trình đo và tính diện tích (Area & volume)

+ Mục đích: Xác định diện tích của một khu vực dựa vào tọa độ của các điểm đặc trưng bao quanh khu vực;

+ Yêu cầu: Phải biết tọa độ, độ cao của ít nhất hai điểm trên thực địa;

+ Trình tự tiến hành: Giống như chương trình đo tọa độ, tiến hành đo xác định

trên màn hình

+ Thao tác trên máy Leica TS02: Từ menu cơ bản trên màn hình, ấn số 2 chọn

Program (Prog), ấn F2 của trang màn hình thứ 2 để chọn Area & Volume

-Ấn F1 để đặt tên cho công việc;

-Ấn F2 để nhập độ chính xác cần thiết (giới hạn sai số);

-Ấn F4 tiến hành đo;

12

Hình 1.8: Sơ đồ đo giao hội nghịch bằng máy toàn đạc điện tử

 Chương trình đo chiều cao (Remote Hight)

+ Thao tác trên máy Leica TS02: Từ menu cơ bản trên màn hình, ấn số 2 chọn

Program (Prog), ấn F3 của trang màn hình thứ 2 để chọn Remote Hight Từ bước 1 đến bước 3 thực hiện giống như chương trình đo khảo sát, ấn phí F4 [Start] để tiến

hành đo chiều cao đối tượng

+ Mục đích: Xác định chiều cao của

đối tượng mà không thể đặt gương tại đó

được

+ Trình tự tiến hành: Đặt máy cách đối

tượng một đoạn sao cho ống kính có thể

nhìn thấy điểm cao nhất Tiến hành nhập

chiều cao máy, quay máy ngắm chính xác

đến điểm phía dưới, nhập chiều cao gương

hr sau đó ấn phím đo để xác nhận điểm

dưới Máy sẽ đo khoảng cách ngang từ máy

đến điểm đo, và góc đứng hoặc góc thiên

đỉnh Tiếp theo quay ống kính ngắm đến

điểm phía trên, trên màn hình máy sẽ hiện

chiều cao của đối tượng cần xác định

Hình 9 Sơ đồ đo chiều cao bằng máy

toàn đạc điện tử

13

1.2 THIẾT BỊ ĐO GPS

Từ những năm 60 của thế kỷ trước, cơ quan hàng không và vũ trụ của Mỹ, Nga

đã tiến hành các chương trình nghiên cứu, phát triển hệ thống dẫn đường và định vị bằng vệ tinh nhân tạo Hệ thống định vị dẫn đường bằng vệ tinh thế hệ đầu tiên là hệ thống TRANSIT (Mỹ) và SIKADA (Nga) Một thời gian ngắn sau đó các hệ thống định vị trên bắt đầu được ứng dụng trong trắc địa, tuy nhiên độ chính xác đạt được của các hệ thống trên là không cao

Theo thời gian, hệ thống định vị vệ tinh ngày càng được phát triển và hoàn thiện

cả về thiết bị thu phát cũng như phần mềm xử lý số liệu Trong ngành trắc địa, phạm

vi ứng dụng của công nghệ định vị vệ tinh cũng được mở rộng và đạt hiệu quả cao ở nhiều loại hình công việc Đối với chuyên ngành trắc địa công trình, công nghệ định vị

vệ tinh có tiềm năng rất lớn để giải quyết các công việc: định vị công trình, xây dựng các mạng lưới trắc địa chuyên dùng chính xác cao, quan trắc biến dạng công trình

Cho đến nay các hệ thống định vị vệ tinh có tiềm năng ứng dụng hiệu quả trong trắc địa là NAVSTAR - GPS (Mỹ), GLONASS (Nga), Galileo (Cộng đồng châu Âu) Các hệ thống định vị nêu trên có nguyên lý cấu trúc chung, bao gồm 3 thành phần (được gọi là đoạn) như sau:

1- Đoạn không gian (Space Segment): bao gồm một số vệ tinh trên quỹ đạo

2- Đoạn điều khiển (Control Segment): bao gồm một trạm điều khiển trung tâm

và một số trạm theo dõi phân bố tại những vị trí khác nhau trên Trái Đất

3- Đoạn sử dụng (User Segment): bao gồm các thiết thu và xử lý tín hiệu vệ tinh

1.2.1 Hệ thống định vị toàn cầu GPS (Global Positioning System - GPS)

Hệ thống định vị toàn cầu có tên đầy đủ là Navigation Satellite And Ranging Global Positioning System (NAVSTAR GPS) được bắt đầu triển khai từ những năm

1970 do quân đội Mỹ chủ trì Vào năm 1978 vệ tinh đầu tiên được phóng lên quĩ đạo

14

và đến 8/12/1993 trên 6 quĩ đạo đã có đủ 24 vệ tinh

Ban đầu, nhiệm vụ chủ yếu của hệ thống là xác định tọa độ không gian và tốc độ chuyển động của điểm xét trên tàu vũ trụ, máy bay, tàu thủy và trên đất liền phục vụ cho bộ quốc phòng Mỹ Vào đầu thập kỷ 80, hệ thống GPS đã chính thức cho phép sử dụng trong dân sự Từ đó, các nhà khoa học của nhiều nước đã tập trung nghiên cứu phát triển công nghệ GPS để đạt được những thành quả cao nhất trong việc phát huy nguồn tiềm năng to lớn này Hướng nghiên cứu chủ yếu đi vào các lĩnh vực:

Song song với hệ thống GPS của Mỹ, Liên Xô (cũ) cũng đã xây dựng một hệ thống định vị toàn cầu tương tự, mang tên GLONASS (Global Navigation Satellite System), được đưa vào sử dụng từ những năm 1982 Nhưng do nhiều điều kiện khách quan nên ít được phổ biến hơn Hiện nay, liên minh Châu Âu cùng một số nước phát triển cũng đã cho ra đời hệ thống định vị toàn cầu mang tên Galileo (GNSS) với mục đích sử dụng cho dân sự

15

Đoạn không gian đến nay bao gồm 24 vệ tinh chuyển động trên 6 mặt phẳng quỹ đạo và 3 vệ tinh dự trữ Vệ tinh chuyển động ở độ cao khoảng 20180km Mặt phẳng

tinh cách nhau 60 kinh Chu kỳ chuyển động của vệ tinh là gần 12h đồng hồ Tất cả

= 154f0 = 1575.42 MHz)

Hình 1.10: Quỹ Đạo vệ tinh GPS

Các sóng tải này được điều biến bởi các mã, mã C/A và mã P Sơ đồ liên hệ giữa các sóng tải và các mã điều biến được mô tả trong dưới

Mã C/A (Coarse/Accquisition code) là mã thô cho phép sử dụng rộng rãi Mã C /A là một chuỗi nhị phân mang tính tựa ngẫu nhiên, có tần số 1.023 MHz, tương ứng với bước sóng 293 m Chu kỳ của mã C/A là 1 mi-li-giây, mỗi vệ tinh phát đi một mã

Mã P (Precission code) là mã chính xác, được dùng cho mục đích quân sự là chủ yếu Mã P cũng là một chuỗi nhị phân nhưng phức tạp hơn, có tần số 10,23 MHz, tương ứng với bước sóng 29,3 m, có chu kỳ 267 ngày Người ta chia mã P thành 38 đoạn, mỗi đoạn dài 7 ngày và mỗi đoạn điều biến cho một vệ tinh, sau 7 ngày lại thay đổi Bằng cách chia và điều biến này mã P rất khó bị giải mã

Theo thiết kế, độ chính xác định vị GPS có thể đạt độ chính xác cỡ 1% độ dài bước sóng, nghĩa là chỉ với mã thô C/A cũng có thể đạt độ chính xác cỡ 3 m Chính vì thế phía mỹ đã chủ động làm nhiễu tín hiệu bằng kỹ thuật SA (Selective Availability) nhằm hạ thấp độ chính xác định vị Từ ngày 20 - 05 - 2000 Mỹ đã bỏ chế độ nhiễu SA

16

Hình 1.11: Các thông tin điều biến sóng tải L1, L2

Hình 1.12: Cấu trúc các kiểu tín hiệu GPS

tinh còn dùng hai sóng tần số 1783.74 MHz và 2227.5 MHz để trao đổi thông tin với các trạm điều khiển trên mặt đất

 Đoạn điều khiển

Đoạn điều khiển gồm một trạm điều khiển trung tâm đặt tại Colorado Springs và bốn trạm theo dõi phân bố đều quanh Trái Đất, đặt tại Hawaii (Thái Bình Dương), Ascension Island (Đại Tây Dương), Diego Garcia (Ân Độ Dương) và Kwajalein (Tây Thái Bình Dương)

17

Hình 1.13: Sơ đồ vị trí trạm theo dõi và trạm điều khiển

Các trạm điều khiển liên tục theo dõi sự hoạt động của các vệ tinh Đồng thời trên mỗi trạm theo dõi đều có các mãy thu GPS, cho phép đo khoảng cách, sự thay đổi khoảng cách và cả các số liệu khí tượng Các số liệu này được gửi tới trạm trung tâm

xử lý, kết quả tính toán là các lịch vệ tinh (Ephemerit) và số cải chính đồng hồ vệ tinh Sau đó các thông tin này được chuyển lên các vệ tinh, từ đó chuyển đến các máy thu của người sử dụng

Như vậy, nhiệm vụ của đoạn điều khiển là rất quan trọng, nó không chỉ điều

chỉnh, theo dõi mọi hoạt động của các vệ tinh mà còn liên tục cập nhật các loại thông

tin bổ trợ để chính xác hóa các thông tin đạo hàng, đảm bảo độ chính xác khi định vị

 Đoạn sử dụng

Đoạn sử dụng bao gồm tất cả các máy móc, thiết bị thu nhận thông tin từ vệ tinh

để khai thác sử dụng cho các mục đích và yêu cầu khác nhau cả ở trên biển, trên không và trên đất liền Đó có thể là một máy thu riêng hoạt động độc lập (định vị tuyệt đối) hay một nhóm gồm từ hai máy thu trở lên hoạt động đồng thời theo một lịch trình thời gian nhất định (định vị tương đối) hoặc hoạt động theo chế độ một máy thu đóng vai trò máy chủ phát tín hiệu vô tuyến hiệu chỉnh cho các máy thu khác (định vị vi phân)

18

Hình 1.14: Đoạn sử dụng

1.2.2 Các đại lượng đo GPS

 Đo khoảng cách giả theo pha sóng tải

Trong các công tác trắc địa, đo khoảng cách giả(PseudoRange) theo pha các sóng

cả

Việc đo khoảng cách giả theo pha sóng tải được thực hiện như sau: máy thu GPS

thu tín hiệu vệ tinh và đo hiệu số giữa pha của sóng tải của vệ tinh với pha của tín hiệu

do chính máy thu tạo ra Ký hiệu pha sóng tải là Ф (0 < Ф < 2 П ) sẽ có:

Trong đó:

R - là khoảng cách giữa vệ tinh và máy tâm anten máy thu;

λ- bước sóng của sóng tải;

N - số nguyên lần bước sóng chứa trong R, hoặc còn được gọi là số nguyên đa

trị N thường không biết trước mà phải xác định trong quá trình đo;

Δt - sai số không đồng bộ giữa đồng hồ của vệ tinh và của máy thu

Nếu kí hiệu p là khoảng cách hình học từ máy thu tới vệ tinh, c là vận tốc ánh

Người ta tìm cách xác định chắc chắn số nguyên lần chu kì N, và từ số lẻ hiệu

pha đo có thể xác định được khowngr cách giả R từ máy thu tới vệ tinh theo công

thức:

của tầng điện li đến độ chính xác xác định cạnh, đồng thời giúp xác định số nguyên N

đa trị được đơn giản hơn

a.Đo khoảng cách giả theo mã

Trong phương pháp này, mã tựa ngẫu nhiên được phát đi từ vệ tinh tới máy thu GPS, máy thu tiếp nhận tín hiệu vệ tinh và cũng phát ra mã tương tự Sau đó máy thu

so sánh mã thu được từ vệ tinh với mã của máy thu tạo ra để xác định ra thời gian lan truyền của tín hiệu vệ tinh Từ đó tính được khoảng cách từ máy thu tới vệ tinh theo công thức:

R = c(t + Δt) = ρ + c.Δt

Với t là thời gian lan truyền tín hiệu từ vệ tinh đến điểm xét, At là sai số không đồng bộ giữa đồng hồ vệ tinh và máy thu, R là khoảng cách giả đo được

Hình 1.15: Đo khoảng cách theo mã giả

Nếu ký hiệu Xs, Ys Zs - là tọa độ của vệ tinh; X, Y, Z - tọa độ của điểm quan sát Khi đó có thể viết:

1.2.3 Nguyên lý và kỹ thuật định vị vệ tinh

Nguyên lý định vị GPS

Định vị là việc xác định vị trí điểm cần đo (vị trí tâm pha của anten) Tùy thuộc vào đặc điểm cụ thể của việc xác định tọa độ mà chia thành 2 loại hình định vị cơ bản

là định vị tuyệt đối và định vị tương đối

 Định vị tuyệt đối (point positioning)

Khi đặt máy ở điểm bất kỳ thu tín hiệu từ các vệ tinh, từ đó xác định được khoảng cách tương ứng từ máy thu đến vệ tinh và tính được tọa độ của điểm đo trong