Đồ án tốt nghiệp
Đề tài
Khảo sát độ chính xác
đo giả động bằng máy thu
hai hệ, hai tần
TOPCONGB - 1000
Đồ án tốt nghiệp Bộ môn: Trắc địa cao cấp
SV: Nguyễn Trọng Mạnh Lớp: Trắc địa A_K48
1
Mở đầu
Sự ra đời của hệ thống định vị toàn cầu GPS (Global Positioning
System) đã mang lại một diện mạo mới cho ngành trắc địa. Từ những năm 80,
khi mà hệ thống định vị toàn cầu GPS đợc phía Mỹ cho phép khai thác trong
lĩnh vực dân sự thì các ứng dụng của nó trong trắc địa có những u điểm hơn
hẳn với công nghệ đo đạc truyền thống. Đó là khả năng đo nhanh, độ chính
xác cao và đo trong mọi điều kiện thời tiết, bất kỳ thời điểm trên phạm vi toàn
cầu. Sau Mỹ, Nga cũng xây dựng hệ thống định vị toàn cầu Glonass (Global
Navigation satellite system) với nguyên lý hoạt động tơng tự hệ thống GPS.
GPS đợc đa vào nớc ta sử dụng từ năm 1990 và chủ yếu phục vụ xây

Sinh viên:
Nguyễn Trọng Mạnh
Đồ án tốt nghiệp Bộ môn: Trắc địa cao cấp
SV: Nguyễn Trọng Mạnh Lớp: Trắc địa A_K48
3
Chơng 1
Giới thiệu về công nghệ GPS
1.1. Khái quát chung về công nghệ GPS
1.1.1. Cấu trúc và nguyên lý hoạt động của hệ thống GPS
a. Đoạn không gian (Space Segment)
Đoạn không gian gồm 24 vệ tinh chuyển động trên 6 mặt phẳng quỹ
đạo (mỗi mặt phẳng có 4 vệ tinh), nghiêng với mặt phẳng xích đạo Trái đất
một góc khoảng 55
0
. Vệ tinh có độ cao cỡ 20200km so với bề mặt Trái đất
chuyển động trên quỹ đạo gần tròn với chu kỳ 718 phút. Do sự phân bố vệ tinh
nh vậy mà bất kỳ thời điểm nào, ở bất cứ vị trí nào trên Trái đất cũng có thể
quan trắc đợc ít nhất 4 vệ tinh.
Hình 1.1. Chuyển động của vệ tinh trên quỹ đạo
Chơng trình đa các vệ tinh lên quỹ đạo đợc chia làm các khối (Block). Các
vệ tinh của khối sau có trọng lợng và tuổi thọ lớn hơn. Năng lợng cung cấp
cho hoạt động của các thiết bị vệ trên vệ tinh là năng lợng pin mặt trời. Mỗi
vệ tinh đều đợc trang bị đồng hồ nguyên tử độ chính xác rất cao (cỡ 10
-12
).
Tất cả các vệ tinh GPS đều có thiết bị tạo dao động với tần số chuẩn cơ sở là
f
0
= 10,23 MHz. Dựa trên f
0

(10,23 MHz), tơng ứng với bớc sóng 29,3m. Mỗi vệ tinh chỉ đợc gán một
đoạn code này, do vậy rất khó bị giải mã để sử dụng nếu không đợc phép.
+ Y - code là code bí mật đợc phủ lên P code nhằm chống bắt chớc,
gọi là kỹ thuật AS (Anti Spoosing). Chỉ có các vệ tinh thuộc các khối từ sau
năm 1989 (khối 2) mới có khả năng này.
Ngoài các tần số trên, các vệ tinh GPS còn có thể trao đổi với các trạm
điều khiển mặt đất qua các tần số 1783,74 MHz và 2227,5 MHz để truyền
thông tin đạo hàng và lệnh điều khiển tới vệ tinh.
Tất cả các code đợc khởi tạo lại sau mỗi tuần lễ GPS vào đúng nửa
đêm thứ 7 chủ nhật, nh vậy tuần lễ GPS là đơn vị thời gian lớn nhất sử dụng
trong công nghệ GPS.
Đồ án tốt nghiệp Bộ môn: Trắc địa cao cấp
SV: Nguyễn Trọng Mạnh Lớp: Trắc địa A_K48
5
b. Đoạn điều khiển (Control Segment)
Hình 1.2. Sơ đồ bố trí các trạm điều khiển
Đoạn điều khiển đợc thiết lập để duy trì hoạt động của toàn bộ hệ
thống định vị GPS. Đoạn này gồm 1 trạm điều khiển trung tâm (MCS) đợc
đặt tại căn cứ không quân Mỹ gần Colorado spings và 4 trạm theo dõi đặt trên
mặt đất là: Hawaii (Thái Bình Dơng), Assension island (Đại Tây Dơng),
Diego garcia (ấn Độ Dơng), Kwajalein (Thái Bình Dơng).
Vai trò của đoạn điều khiển là rất quan trọng vì nó không chỉ theo dõi
các vệ tinh mà còn liên tục cập nhật chính xác các thông tin đạo hàng, đảm
bảo độ chính xác cho công tác định vị bằng hệ thống GPS.
c. Đoạn sử dụng (User Segment)
Đoạn sử dụng bao gồm tất cả máy móc, thiết bị để thu tín hiệu vệ tinh
GPS phục vụ cho các mục đích và yêu cầu khác nhau của ngời sử dụng nh
dẫn đờng trên biển, trên bầu trời, trên đất liền và cho công tác Trắc địa.
Máy thu GPS là phần cứng quan trọng trong đoạn sử dụng. Nhờ những
tiến bộ của khoa học kỹ thuật mà máy GPS ngày càng đợc hoàn thiện. Cùng

1
1
0
1
1
0
0
0
1
0
0
1
1
0
1
1
1
1
0
0
0
1
1
1
0
0
0
1
1
t

chính xác đo khoảng cách giả R với việc sử dụng các sóng tải L1, L2 và các
tín hiệu C/A-code, P-code.
Bảng 1.1
Tín hiệu
Bớc sóng
m
g
L1
0,20m
2,0mm
L2
0,25m
2,5mm
C/A-code
300m
3,0mm
P-code
30,0m
0,3mm
Theo đây để đo đạc GPS với độ chính xác cao, cần tiến hành đo hiệu
giữa pha sóng tải do máy thu nhận đợc từ vệ tinh và pha của tín hiệu do
chính máy tạo ra. Ký hiệu (0<<2) là hiệu số pha do máy thu đợc, ta
có thể viết:
N
c




1

tinh mà máy thu. Khi đó 3 khoảng cách đợc xác định đồng thời từ 3 vệ tinh
đến máy thu sẽ cho ta vị trí không gian đơn trị của máy thu. Song trên thực tế
cả đồng hồ vệ tinh và đồng hồ máy thu đều có sai số, nên các khoảng cách đo
đợc không phải là khoảng cách chính xác. Kết quả là chúng không thể cắt
nhau tại một điểm, nghĩa là không thể xác định đợc vị trí của máy thu. Để
khắc phục tình trạng này cần sử dụng thêm một đại lợng đo nữa đó là khoảng
x
o
M
Y
X
Z
G
z
y
Đồ án tốt nghiệp Bộ môn: Trắc địa cao cấp
SV: Nguyễn Trọng Mạnh Lớp: Trắc địa A_K48
9
cách từ một vệ tinh thứ t. Để thấy rõ điều này ta viết thêm một hệ gồm 4
phơng trình dạng:











thu ta có thể xác định đợc toạ độ tuyệt đối của máy thu, ngoài ra còn xác
định thêm đợc số hiệu chỉnh do đồng hồ (thạch anh) của máy thu nữa.
Quan sát đồng thời 4 vệ tinh là yêu cầu tối thiểu cần thiết để xác định
toạ độ không gian tuyệt đối của điểm quan sát. Tuy nhiên, nếu máy thu đợc
trạng bị đồng hồ chính xác cao thì khi đó chỉ còn 3 ẩn số là 3 thành phần toạ
độ điểm quan sát. Để xác định chúng ta chỉ cần quan sát đồng thời 3 vệ tinh.
b. Đo vi phân
Phần lớn khách hàng sử dụng máy thu GPS thờng có nhu cầu định vị
với độ chính xác từ cỡ đêximet đến vài chục mét. Nhng với chế độ can thiệp
SA (Selective Availabitily) thì hệ thống GPS chỉ cho độ chính xác định vị hạn
chế cỡ 100m. Để tháo gỡ sự hạn chế này, giới kỹ thuật và các nhà sản xuất
máy thu GPS đã đa ra một phơng pháp đo đợc gọi là đo GPS vi phân.
Theo phơng pháp này chỉ cần có một máy thu GPS có khả năng phát
tín hiệu vô tuyến đợc đặt tại điểm có toạ độ đã biết (gọi là máy cố định),
đồng thời có máy khác (gọi là máy di động) đặt ở vị trí cần xác định toạ độ,
đó có thể là điểm cố định hoặc điểm di động. Cả máy cố định và di động cần
tiến hành đồng thời thu tín hiệu từ các vệ tinh nh nhau. Nếu thông tin từ vệ
Đồ án tốt nghiệp Bộ môn: Trắc địa cao cấp
SV: Nguyễn Trọng Mạnh Lớp: Trắc địa A_K48
10
tinh bị nhiễu, thì kết quả xác định toạ độ của cả máy cố định và máy di động
cũng đều bị sai lệch. Độ sai lệch này, đợc xác định trên cơ sở so sánh toạ độ
tính ra theo tín hiệu thu đợc và toạ độ biết trớc của máy cố định và đợc
xem là nh nhau cho cả máy cố định và di động. Nó đợc máy cố định phát đi
qua sóng vô tuyến để máy di động thu nhận mà hiệu chỉnh cho kết quả xác
định toạ độ của mình.
Ngoài cách hiệu chỉnh cho toạ đôh, ngời ta còn tiến hành hiệu chỉnh
cho khoảng cách từ vệ tinh đến máy thu. Cách hiệu chỉnh thứ hai này đòi hỏi
máy thu cố định có cấu tạo phức tạp và tốn kém hơn, nhng lại cho phép
ngời sử dụng xử lý chủ động, linh hoạt hơn.

i
)=
J
2
(t
i
) -
J
i
(t
i
) (1.4)
Trong sai phân này hầu nh không còn ảnh hởng của sai số đồng hồ
trên vệ tinh.
Nếu xét 2 trạm tiến hành quan sát đồng thời hai vệ tinh J, k vào thời
điểm t
i
, ta sẽ có sai phân bậc 2:

2

J,k
(t
i
)=
k
(t
i
) -
J

i
)
1

J
2
(t
i
)
J

J
1
(t
i
)
2
1
2
k
j
1
j(t
i
)
2
j(t
i+1
)
k(t

- Độ dài của cạnh đo
- Số lợng vệ tinh có thể quan trắc
- Cấu hình vệ tinh
- Độ ổn định của tín hiệu vệ tinh thu đợc
Thông thờng khi vệ tinh càng nhiều thì cấu hình càng tốt và thời gian
quan trắc có thể rút ngắn hơn. Thời gian quan trắc cũng có thể rút ngắn đối với
cạnh đo có chiều dài ngắn hơn. Bảng 1.2 sau đây kiến nghị khoảng thời gian
Đồ án tốt nghiệp Bộ môn: Trắc địa cao cấp
SV: Nguyễn Trọng Mạnh Lớp: Trắc địa A_K48
13
đo hợp lý cho trờng hợp quan trắc từ 4 vệ tinh trở lên với điều kiện khí tợng
bình thờng.
Bảng 1.2
Chiều dài cạnh
(km)
Độ dài ca đo
(phút)
0 - 1
1 - 5
5 - 10
10 - 20
10 - 30
30 - 60
60 - 90
90 - 120
Thời gian phải kéo dài tới mức nhất định để có thể xác định đợc số
nguyên đa trị. Đối với cạnh ngắn (nhỏ hơn 1km), số nguyên đa trị có thể đợc
giải ra trong khoảng thời gian 5 - 10 phút khi sử dụng pha của tần số L1. Bằng
máy thu 2 tần số, khi sử dụng kỹ thuật cổng rộng (Wide lane), ở khoảng cách
đo là 15km có thể nhận đựơc kết quả chính xác với chỉ 2 phút số liệu đo

hành khởi đo lại cạnh đáy xuất phát hoặc sử dụng một cạnh đáy khác đợc
thiết lập dự phòng trên tuyến đo.
Phơng pháp đo động cho phép đạt độ chính xác định vị không thua kém
so với phơng pháp đo tĩnh. Song nó lại đòi hỏi khá ngặt nghèo về thiết kế và tổ
chức đo để đảm bảo yêu cầu về đồ hình phân bố cũng nh tín hiệu của vệ tinh.
1.3. Các nguồn sai số trong đo gps
1.3.1. Sai số của đồng hồ:
Đây là sai số của đồng hồ trên vệ tinh (đồng hồ nguyên tử), đồng hồ
trong máy thu (đồng hồ thạch anh) và sự không đồng bộ giữa chúng. Để ảnh
hởng sai số đồng hồ của vệ tinh và máy thu, ngời ta sử dụng hiệu các trị đo
giữa các vệ tinh cũng nh giữa các trạm quan sát.
1.3.2. Sai số của 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 nh tính không đồng nhất của
trọng trờng trái đất, ảnh hởng của sứ hút mặt trăng, mặt trời và các thiên thể
khác, sức cản của khi quyển, áp lực của bức xạ mặt trời Vị trí tức thời của vệ
tinh chỉ có thể đợc xác định theo mô hình chuyển động đợc xây dựng trên
Đồ án tốt nghiệp Bộ môn: Trắc địa cao cấp
SV: Nguyễn Trọng Mạnh Lớp: Trắc địa A_K48
15
cơ sở các số liệu quan sát đợc từ các trạm đo có độ chính xác cao trên mặt
đất thuộc phần điều khiển của hệ thống GPS và đơng nhiên có chứa sai số
1.3.3. Sai số do tầng điện ly và tầng đối lu:
Tín hiệu vệ tinh đợc phát đi từ vệ tinh ở độ cao 20200km xuống tới
máy thu trên mặt đất, các tín hiệu vô tuyến phải xuyên qua tầng điện ly và
tầng đối lu, tốc độ lan truyền tín hiệu tăng tỷ lệ nghịch và bình phơng với
tần số tín hiệu vì thế tạo ra sai số. Sai số này đợc loại trừ đáng kể bằng cách
sử dụng hai tần số khác nhau. Chính vì vậy để có đợc độ chính xác cao ngời
ta sử dụng máy thu GPS có hai tần số.
Hình 1.1. Sai số do tầng điện ly

đo cao anten cần thận trọng đọc số một cách chính xác trên thớc đo. Có thể
đọc số trên cả thang met và thang đơn vị inch.
Khi máy đang thu tín hiệu, không nên đứng vây xung quanh máy hoặc
che ô cho máy.
Đồ án tốt nghiệp Bộ môn: Trắc địa cao cấp
SV: Nguyễn Trọng Mạnh Lớp: Trắc địa A_K48
17
Chơng 2
Giới thiệu chung về máy topcoN gb - 1000
2.1. Giới thiệu về máy TOPCON GB - 1000
2.1.1. Các đặc tính chính của máy
GB - 1000 là loại máy thu GPS thế hệ mới nhất do hãng TOPCON
(Nhật Bản) sản xuất. Máy có khả năng thu và xử lý tín hiệu trên hai tần số
sóng mang L1, L2 của cả hai hệ thống GPS là NAVSTAR (Mỹ) và
GLONASS (Nga).
RTK - khả năng thực hiện và xử lý tín hiệu đo theo kỹ thuật đo động
thời gian thực (với các tần suất đo: 1Hz, 5 Hz, 10 Hz, 20 Hz).
AMR - Giảm nhiễu tín hiệu do hiện tợng phản xạ, tán xạ tín hiệu gây
nên (ảnh hởng tín hiệu đa đờng dẫn).
Kích thớc: Dài 150mm, rộng 63mm, cao 257mm
Khối lợng: 1kg (không có pin), 1,2kg (cả pin)
Nhiệt độ làm việc: từ -20
0
C đến +55
0
C.
Độ chính xác phép đo cho trong bảng 2:
Bảng 2
Đo tĩnh/tĩnh nhanh
Thu tín hiệu trên hai tần số

Power key
Bật và tắt máy thu
Enter key
Xác nhận giá trị cài đặt và các giá trị số cho máy
Escape key
Trở về màn hình trớc đó trong chế độ menu,
cũng nh thoát khỏi các chế độ cài đặt khác nhau
Menu key
Kích hoạt các chế độ menu
Đồ án tốt nghiệp Bộ môn: Trắc địa cao cấp
SV: Nguyễn Trọng Mạnh Lớp: Trắc địa A_K48
19
Function key
Thực hiện các chức năng tơng ứng đợc hiển thị
tai hàng cuối cùng trong các màn hình menu
Cursor key
Đây là phím có 4 hớng dùng để chọn các tham
số, các giá trị cài đặt và các tuỳ chọn của menu
2.1.3. Màn hình hiển thị thông tin
GB - 1000 đợc thiết kế với một màn hình hiển thị tinh thể lỏng LCD, 4
hàng, 20 ký tự. Mỗi hàng để hiển thị các nội dung menu khác nhau cũng nh
các thông tin cần thiết khác, góc trên cùng bên phải là các biểu tợng hiển thị
tình trạng làm việc hiện tại của máy.
Hàng thông tin dới cùng đợc thực hiện thông qua các phím điều
khiển Funtion key tơng ứng.
- Điều chỉnh sự tơng phản màn hình - trong chế độ Setting, mức độ
tơng phản của màn hình có thể đợc điều chỉnh.
- Sấy màn hình tự động - màn hình hiển thị đợc thiết kế với một bộ sấy
tự động khi nhiệt độ môi trờng giảm xuống 0
0

2.2.1. Xử lý vector cạnh
Tuỳ thuộc vào phơng pháp đo: đo tĩnh, tĩnh nhanh hay đo động mà
việc xử lý để tính cạnh sẽ đợc thực hiện dựa trên cơ sở thời gian chung và vệ
tinh chung đối với hai máy thu.
Khoảng thời gian chung đợc tính từ thời điểm của máy thu bật sau dến
thời điểm của máy thu tắt trớc của hai máy thu trong cùng ca đo. Khoảng
thời gian đo thêm của máy tắt sau hay bật trớc đều không có giá trị tham gia
tính cạnh. Nh vậy trong khi thu tín hiệu nên đồng thời bật máy và tắt máy
trong ca đo.
Khi tính cạnh, chỉ có những vệ tinh có số liệu ghi chép trong hai tệp của
hai máy cùng ca đo mới có giá trị tham gia tính cạnh. Do đó, cần phải lu ý sao
cho các máy thu trong ca đo cùng quan sát số vệ tinh nh nhau. Để đảm bảo
điều kiện trên cần lu ý tới tình trạng che chắn tại các trạm máy. Khi chiều dài
cạnh càng dài (cỡ hàng trăm, hàng ngàn km) thì số vệ tinh chung càng ít.
Sau đây là các bớc thao tác tính toán xử lý vector cạnh:
a. Trút số liệu
Các máy thu loại mới hiện đại nhất hiện nay đều chứa số liệu quan trắc
vào bộ nhớ trong, trong khi các máy thu cũ hơn lại ghi số liệu vào đĩa mềm
hoặc băng từ. Bớc đầu tiên trong công đoạn xử lý là trút số liệu từ máy thu
vào ổ đĩa cứng của máy vi tính. Việc trút số liệu đợc thực hiện nhờ phần
Đồ án tốt nghiệp Bộ môn: Trắc địa cao cấp
SV: Nguyễn Trọng Mạnh Lớp: Trắc địa A_K48
21
mềm của hãng chế tạo máy thu cung cấp, ví dụ nh modul độc lập dùng trút
số liệu GPload của hãng Trimble hoặc chức năng Load của GPSurvey 2.35
Các tệp số liệu quan trắc đối với mỗi ca đo chứa các trị quan trắc pha và
trị quan trắc khác, đó là tệp chính, thêm vào đó là tệp lịch vệ tinh quảng bá và
tệp số liệu điểm đo bao gồm số hiệu điểm, độ cao anten, và có thể có cả vị trí
đạo hàng (toạ độ gần đúng của điểm). Khi thao tác trút số liệu cần vào chính
xác tên trạm đo và độ cao của anten. Ngoài ra còn cần phải có bảng tổng hợp

sẽ nằm trong tất cả các vector và sai số sẽ đợc giữ lại. Phần mềm xử lý vector
đơn lẻ cho phép kiểm tra tốt hơn những cạnh sai hay điểm sai.
Việc xử lý bằng phần mềm cho từng vector đợc thực hiện theo trình tự sau:
1. Tạo các tệp quỹ đạo
2. Tính giá trị tốt nhất vị trí điểm theo phơng pháp giả khoảng cách
3. Đọc pha sóng tải để tạo số liệu pha (không hiệu số) và số liệu quỹ
đạo vệ tinh
4. Tạo hiệu pha và tính các hiệu chỉnh khác
5. Tính các giá trị ớc lợng vector sử dụng hiệu pha bậc 3. Phơng
pháp này cho phép phát hiện và bù lại hiện tợng trợt chu kỳ để nhận đợc
kết quả tốt nhất
6. Tính toán lời giải hiệu pha bậc 2 xác định vector và giá trị (thực) của pha
7. ớc lợng số nguyên đa trị của pha đã tính đợc từ bớc trớc, và có
thể tiếp tục tính số nguyên đa trị chính xác
8. Tính toán sai số lời giải dựa vào số nguyên đa trị chính xác nhất đã
đợc tính ở bớc trớc
9. Tính toán tiếp một số kết quả khác sử dụng số nguyên đa trị khác đi
một chút từ các giá trị đã chọn
10. Tính tỷ số phơng sai RATIO theo tiêu chuẩn thống kê giữa lời giải
xác định tốt nhất với lời giải tốt kế tiếp. Tỷ số ratio này phải ít nhất đạt giá trị
2 hoặc 3 lần so với các lời giải khác, có nh vậy mới có đủ độ tin cậy đối với
kết quả cuối cùng.
Đồ án tốt nghiệp Bộ môn: Trắc địa cao cấp
SV: Nguyễn Trọng Mạnh Lớp: Trắc địa A_K48
23
Xử lý đo động:
Các bớc cơ bản trong xử lý kết quả đo động tơng tự nh đối với đo
tĩnh. Các tệp số liệu đợc nhập từ máy thu vào máy tính cần đợc kiểm tra tên
tệp và độ cao anten. Trong tính toán cụ thể có những điểm khác tuỳ thuộc vào
phần mềm sử dụng, ví dụ nh phần mềm mới hơn thực hiện tính tự động còn

iY
n
i
iX
Zf
Yf
Xf
1
'
1
'
1
'
Sai số khép toàn phần đợc tính:
222
,, ZYXZYX
ffff
Đồ án tốt nghiệp Bộ môn: Trắc địa cao cấp
SV: Nguyễn Trọng Mạnh Lớp: Trắc địa A_K48
24
Sai số khép f
X
, f
Y
, f
Z
thực chất là hàm của các trị đo X, Y, Z (là
các thành phần của vector cạnh).
Dựa vào các hình khép kín chúng ta sẽ tính đợc sai số khép hình theo
các cạnh đã đo. Nếu các cạnh đợc xác định trong 1 ca đo thì sẽ tính đợc sai