Ứng dụng GNSSR trong đo cao mực nước

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

Nguyễn Phương Bắc

ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ GNSS-R TỪ
MÁY THU ĐA TẦN TRONG ĐO CAO
MẶT NƯỚC
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY
Ngành: Cơng nghệ Hàng khơng vũ trụ

HÀ NỘI 2022


ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

Nguyễn Phương Bắc

ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ GNSS-R TỪ
MÁY THU ĐA TẦN TRONG ĐO CAO
MẶT NƯỚC

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY
Ngành: Cơng nghệ Hàng khơng vũ trụ
Cán bộ hướng dẫn: TS. Hà Minh Cường

HÀ NỘI 2022


TĨM TẮT

Tóm tắt: Hệ thống vệ tinh dẫn đường tồn cầu (GNSS) được phát triển từ những năm
1970 với mục đích định vị và dẫn đường chính xác. Tuy nhiên, hiện nay GNSS đã được
phát triển cho nhiều ứng dụng khác nhau sử dụng tín hiệu phản xạ (vốn được coi là nguồn
sai số đối với định vị truyền thống) để nghiên cứu và theo dõi các đặc tính khác của Trái
đất, như giám sát môi trường, dự báo thời tiết, nghiên cứu khí hậu. Nguyên lý của phép
đo phản xạ GNSS (GNSS-R) dựa trên việc phân tích độ trễ pha giữa tín hiệu trực tiếp
do vệ tinh phát ra và tín hiệu phản xạ để tính tốn các thơng số của bề mặt phản xạ.
Nghiên cứu này sử dụng dữ liệu phản xạ GNSS thu được từ trạm GNSS đặt tại phá Tam
Giang - Thừa Thiên Huế để đo cao mực nước (từ tháng 3 năm 2021 đến tháng 4 năm
2021). Kết quả độ cao mực nước từ GNSS-R được so sánh với dữ liệu đo từ cảm biến đo
mực nước đặt cùng vị trí với trạm GNSS-R. Mặc dù vẫn cịn ở giai đoạn thử nghiệm, với
độ chính xác trung bình đạt được dưới 10cm sau khi lấy trung bình trong 1 giờ cho thấy
kết quả đầy hứa hẹn so với các trạm đo mực nước khác. Hơn nữa, hệ thống hiện tại đang
hoạt động liên tục và sẽ thu được nhiều dữ liệu hơn, cho phép giám sát mực nước đa thời
gian và điều này sẽ dẫn đến nhiều dữ liệu hơn với thời lượng dài hơn, cho phép cải thiện
hiệu suất của hệ thống trong tương lai.
Từ khóa: GNSS phản xạ (GNSS-R), Mực nước, Tỷ lệ tín hiệu trên tạp âm (SNR),
Kỹ thuật mẫu giao thoa (IPT)


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đồ án tốt nghiệp “ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ GNSS-R TỪ MÁY
THU ĐA TẦN TRONG ĐO CAO MẶT NƯỚC” là cơng trình nghiên cứu khoa học của
tơi. Mọi sự giúp đỡ trong q trình thực hiện đã được cảm ơn, các thơng tin trích dẫn
trong đồ án đã được chỉ rõ và được phép công bố. Các số liệu nghiên cứu khoa học và kết
quả nghiên cứu trong đồ án là trung thực. Nếu phát hiện bất kỳ sự sai sót nào trong đồ
án tơi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm.
Hà Nội, ngày.........tháng.........năm.........

Nguyễn Phương Bắc

i


LỜI CẢM ƠN
Để hoàn thành tốt bài nghiên cứu này, trước tiên em xin gửi lời cảm ơn chân thành
đến quý Thầy, Cô, Giảng viên viện Hàng không vũ trụ của trường Đại học Công Nghệ Đại học Quốc gia Hà Nội.
Em xin gửi lời cảm ơn đến TS. Hà Minh Cường - giảng viên Viện Công nghệ Hàng
không Vũ trụ, trường Đại học Công nghệ. Cảm ơn thầy đã trực tiếp hướng dẫn em trong
quá trình học tập và hồn thành đồ án tốt nghiệp. Bên cạnh đó em cũng xin được cảm ơn
TS. Vũ Phương Lan - giảng viên khoa Địa lý, trường Đại học Khoa học Tự nhiên. Cảm
ơn cơ đã hỗ trợ, giúp đỡ em hồn thành bản đồ án tốt này.
Em xin chân thành cảm ơn đề tài NAFOSTED mã số 105.08-2020.17 đã cung cấp
thiết bị, dữ liệu và tài trợ cho nghiên cứu này.
Cuối cùng, em xin được gửi lời cảm ơn tới gia đình, bạn bè đã giúp đỡ, chia sẻ cùng
em trong q trình học tập cũng như hồn thành đồ án tốt nghiệp. Một lần nữa, em xin
được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới tất cả mọi người.
Qua quá trình nghiên cứu em đã có cơ hội học tập, trải nghiệm, bổ sung được những
kiến thức mới vô cùng bổ ích. Vì kiến thức của bản thân cịn hạn chế, trong q trình
nghiên cứu, hồn thiện đồ án này em vẫn cịn những sai sót khó tránh khỏi. Kính mong
nhận được ý kiến, đóng góp từ hội đồng.
Một lần nữa em xin chân thành cảm ơn!

ii


Mục lục

Mục lục

iv

Danh sách hình vẽ

vi

Danh sách bảng

vii

Danh mục các từ viết tắt

viii

Mở đầu

1

1 Tổng quan về GNSS-R trong đo cao mặt nước

4

1.1

1.2

Tổng quan về GNSS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4

1.1.1

Nguyên lý của định vị GNSS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

5

1.1.2

Các hệ thống vệ tinh GNSS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

5

1.1.3

Tín hiệu vệ tinh . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

9

1.1.4

Các nguồn sai số trong phép đo GNSS . . . . . . . . . . . . . . . .

9

Tổng quan các nghiên cứu sử dụng công nghệ GNSS-R trong đo cao mực
nước . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.2.1

Trên thế giới

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

1.2.2

Ở Việt Nam . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

2 Cơ sở khoa học ứng dụng GNSS-R để chiết tách chuỗi thời gian mực
nước
2.1

13

Tín hiệu phản xạ GNSS (GNSS-R) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.1.1

Tín hiệu đa đường - multipath . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

2.1.2

Phản xạ toàn phần và tán xạ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
iii


2.2

Kỹ thuật đo GNSS-R . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

2.3

Kỹ thuật mẫu giao thoa (IPT) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

2.4

Ước tính chuỗi thời gian mực nước từ dữ liệu GNSS-R . . . . . . . . . . . 21

2.5

Ứng dụng ngôn ngữ R trong phân tích và xử lý dữ liệu GNSS-R . . . . . . 25
2.5.1

Giới thiệu chung về ngôn ngữ R . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

2.5.2

Ngơn ngữ R trong phân tích và xử lý dữ liệu . . . . . . . . . . . . . 26

2.5.3

Các hàm họ apply . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

2.5.4

Tự định nghĩa hàm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

3 Kết quả thực nghiệm
3.1

3.2

3.3

31

Khu vực nghiên cứu và dữ liệu thực nghiệm . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
3.1.1

Khu vực nghiên cứu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

3.1.2

Thiết bị GNSS đa tần . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

3.1.3

Vị trí trạm GNSS-R . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

3.1.4

Dữ liệu sử dụng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

Phân tích, xử lý tín hiệu GNSS-R trong đo cao mực nước . . . . . . . . . . 36
3.2.1

Xử lý dữ liệu đầu vào . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

3.2.2

Dữ liệu trung gian FST

3.2.3

Tách tín hiệu SN Rm từ SNR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

3.2.4

Phân tích xử lý tín hiệu SN Rm bằng IPT . . . . . . . . . . . . . . 43

3.2.5

Ước tính độ cao mực nước . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

Phân tích và đánh giá kết quả . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
3.3.1

Chuỗi thời gian mực nước từ dữ liệu GNSS-R tại đầm phá Tam
Giang, Thừa Thiên Huế . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

3.3.2

Đánh giá độ chính xác của chuỗi thời gian mực nước từ GNSS-R . . 48

iv


Danh sách hình vẽ
2.1

Hiện tượng đa đường trong tín hiệu GNSS . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

2.2

Phản xạ gương và phản xạ khuếch tán . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

2.3

Nguyên lý GNSS-R với ăng-ten kép . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

2.4

Nguyên lý GNSS-R với ăng-ten tiêu chuẩn . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

2.5

Biểu đồ pha của tín hiệu GNSS nhận được thể hiện mối quan hệ giữa các
thành phần pha (I) và vng góc (Q) của tín hiệu . . . . . . . . . . . . . . 19

2.6

Mơi tương quan giữa độ lợi của ăng-ten và góc cao vệ tinh . . . . . . . . . 20

2.7

a) Quy trình xử lý dữ liệu SNR theo phương pháp IPT để ước tính chuỗi
thời gian mực nước. b) Ví dụ về chuỗi thời gian của dữ liệu SNR thơ (dữ
liệu đầu vào); c) Ví dụ về chuỗi thời gian dữ liệu SNR đã đường (SNRm)
theo quỹ đạo vệ tinh đi lên/xuống và đi qua thiên đỉnh của ăngten. . . . . 22

2.8

Nguyên lý của phương pháp đảo ngược LMS được sử dụng để xác định h
và h˙ dựa trên các ước lượng LSP của f . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

2.9

Ví dụ về tệp chứa các giá trị ngăn cách bởi dấu tab . . . . . . . . . . . . . 28

3.1

Thiết bị Alpha+ Polaris . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

3.2

Vị trí trạm GNSS lắp đặt xã Hải Dương và Quảng Công, Thừa Thiên Huế

3.3

Trạm GNSS lắp đặt xã Hải Dương và Quảng Công, Thừa Thiên Huế ngày

33

09/11/2021 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
3.4

mơ phỏng SP từ tín hiệu vệ tinh GPS, Glonass để xác định giới hạn góc
cao vệ tinh và góc phương vị . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

3.5

Chiết tách tín hiệu đa đường(màu xanh lam) từ tín hiệu SNR(màu đỏ) của
vệ tinh GPS thu được bởi thiết bị thu GNSS. . . . . . . . . . . . . . . . . 43

3.6

Biểu đồ chu kỳ LSP của tín hiệu SNR đa đường từ vệ tinh GLONASS
PRN07 ngày 12/04/2022 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
v


3.7

Kết quả chuỗi thời gian mực nước từ dữ liệu phản xạ tại khu vực thực
nghiệm. PC, PE, PG, PR tương ứng là các vệ tinh BeiDOU, Galileo, GPS,
Glonass và số lượng các trị đo. (a)SN Rall : chuỗi thời gian mực nước tổng
hợp; (b)SN RL1 : chuỗi thời gian mực nước tính từ tín hiệu SNR băng tần
L1; (c)SN RL2 : chuỗi thời gian mực nước tính từ tín hiệu SNR băng tần
L2; (d)SN Rcom chuỗi thời gian mực nước tính từ tín hiệu SNR băng tần
Lcom; . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49

3.8

Mơ phỏng vị trí các điểm phản xạ trước và sau khi lọc . . . . . . . . . . . 49

3.9

Kết quả chuỗi thời gian mực nước từ dữ liệu phản xạ (a)SN Rall , (b)SN RL1 ,
(c)SN RL2 và (d)SN Rcom sau khi thực hiện lọc nhiễu khu vực nghiên cứu
từ ngày 10/04/2022 đến ngày 21/04/2022. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50

3.10 Chuỗi thời gian mực nước sử dụng phương pháp LSM (đường màu đỏ) và
mực nước in-situ (đường màu xanh) vào thời điểm mưa (từ ngày 10/04
đến15/04) và thời điểm không mưa (16/04-21/04) và biểu đồ phân tán
tương ứng với hai thời điểm. (a) SN Rall , (b) SN RL1 , (c) SN RL2 , (d)
SN Rcom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51

vi


Danh sách bảng
3.1

Bảng so sánh tốc độ đọc/ghi dữ liệu theo các phương thức/định dạng khác
nhau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

3.2

Bảng kết quả tính Am , ϕm và f bằng phương pháp IPT ngày 17/04/2022
khu vực thực nghiệm trạm đo đầm phá Tam Giang - Tỉnh Thừa Thiên Huế 45

3.2

Bảng kết quả tính Am , ϕm và f bằng phương pháp IPT ngày 17/04/2022
khu vực thực nghiệm trạm đo đầm phá Tam Giang - Tỉnh Thừa Thiên Huế 46

3.3

Kết quả so sánh chuỗi thời gian mực nước ước tính từ cơng nghệ GNSS-R
và mực nước tham chiếu in-situ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51

vii


Danh mục các từ viết tắt
AltBOC

Alternative BOC

BOC luân phiên

API

Application Programming Inter-

Giao diện lập trình ứng dụng

face
AS
Authorized Service
BEIDOU/COMPASS

Dịch vụ được uỷ quyền
Hệ thống vệ tinh dẫn đường (Trung
Quốc)

Bias

Thiên kiến

BLE

BOC

Bluetooth Low Energy
Binary Offset Carrier

Bluetooth năng lượng thấp
Sóng mang dịch nhị phân

CDMA

Code-division Multiple Access

kỹ thuật "Đa truy cập phân chia theo
mã"

CS
CSV

Commercial Service
Comma-Separated Values

Dịch vụ thương mại
comma-separated values

ESA

European Space Agency

Cơ quan vũ trụ Châu Âu

FDMA

Frequency Division Multiple Ac- Đa truy cập phân chia theo tần số
cess

FST

Lightning Fast Serialization of

định dạng truy cập nhanh khung dữ

Data Frames

liệu FST

Galileo in Orbit Validation Ele-

Hệ thống vệ tinh dẫn đường (Châu Âu)
Vệ tinh Galileo A

GALILEO
GIOVE-A

ment - A
GIOVE-B

Galileo in Orbit Validation Ele- Vệ tinh Galileo A

GIS

ment - B
Geographic Information System

GLONASS

Hệ thống thơng tin đại lý

Ãëỵáàëüíàÿ
Íàâèãàưèỵííàÿ Hệ thống vệ tinh dẫn đường tồn cầu
Đïóịíèêỵâàÿ Đèđịåìà (chuyển (Nga)
ngữ: Globalnaya Navigatsionnaya
Sputnikovaya Sistema)

viii


GNSS

Global Navigation Satellite Sys- Hệ thống vệ tinh dẫn đường toàn cầu
tem

GNSS-R

GNSS Reflectometry

Phép đo phản xạ GNSS

GPS
HDFS

Global Positioning System
Hadoop Distributed File System

Hệ thống định vị toàn cầu (Hoa Kỳ)

IPCC

Intergovernmental Panel on Cli- Uỷ ban liên chính phủ về biến đổi khí
mate Change

IPT
IRNSS

hậu

Interference Pattern Technique
kỹ thuật đo phản xạ theo mẫu giao thoa
Indian Regional Navigation Satel- Hệ thống vệ tinh định vị khu vực của
lite System
Aerospace

Ấn Độ

JAXA

Japan

Exploration Cơ quan thăm dò hàng không vũ trụ

JSON

Agency
JavaScript Object Notation

Nhật Bản
kiểu dữ liệu mở trong JavaScript

LHCP

Le0ft-Hand Circular Polarized

phân cực tròn bên trái

LSM

Least Square Method

phương pháp bình phương tối thiểu

LSP
MBOC

Lomb Scargle periodogram
Multiplex BOC

biểu đồ chu kỳ Lomb Scargle
Sóng mang dịch nhị phân phức hợp

MGEX

Multi GNSS Experiment

Thử nghiệm đa GNSS

NMEA

National Marine Electronics As-

OS

sociation Format
Open Service

Dịch vụ mở

PCA

Principal component analysis

Phân tích thành phần chính

PRN

Pseudo Random Noise

Mã giả ngẫu nhiên

PRS
QZSS

Public Regulated Service
Quassi-Zenith Satellite system

Dịch vụ điều tiết công cộng
Hệ thống vệ tinh Quassi-Zenith

RHCP

Right-hand circular polarized

phân cực tròn bên phải

RINEX

Receiver Independent Exchange Định dạng trao đổi độc lập với máy thu

RMSE

Format
Root Mean Square Error

Lỗi trung bình bình phương gốc

RTCM

Radio Technical Commission for

Ủy ban kỹ thuật vô tuyến cho các dịch

Maritime Services

vụ hàng hải

RTK
SAR

Real-time kinematic positioning
Search and Rescue

Định vị động thời gian thực
Tìm kiếm và cứu nạn

SNR

Signal to Noise Ratio

Tỷ lệ tín trên tạp

SoL

Safety of Life

Safety of Life

SQL

Structured Query Language

Ngơn ngữ truy vấn cơ sở dữ liệu

ix


UART

universal asynchronous receiver- Truyền thông nối tiếp không đồng bộ
transmitter

WISDOM

The Water-related Information

Hệ thống thông tin liên quan đến nước

System for the Sustainable Devel- cho sự phát triển bền vững của đồng
opment Of the Mekong Delta
bằng sông Cửu Long
XML

Extensible Markup Language

x

Ngôn ngữ đánh dấu có thể mở rộng


Mở đầu
Đặt vấn đề
Theo đánh giá của ủy ban liên chính phủ về biến đổi khí hậu (IPCC), Việt Nam là
một trong 5 quốc gia trên thế giới bị ảnh hưởng nghiêm trọng do nước biển dâng và biến

đổi khí hậu. Các hiểm họa ven biển, như sóng thần, nước dâng do bão và triều cường, là
mối đe dọa nghiêm trọng đối với các cộng đồng ven biển, gây thiệt hại đáng kể về người
và tài sản. Để giảm thiểu tác động của chúng, sự thay đổi mực nước theo thời gian cần
được theo dõi thích hợp. Ngồi ra, việc xác định xu hướng biến động mực nước biển rất
quan trọng trong việc xây dựng cơ sở chính xác cho các dự báo trong tương lai.
Hiện nay có rất nhiều phương pháp đo mực nước. Phương pháp chủ yếu là sử dụng
các trạm đo thủy triều, với một hệ thống gồm một ống kim loại dài để làm giảm ảnh
hưởng của sóng và một đồng hồ đo sự thay đổi của mực nước, được đặt trong các trạm
cố định. Ngày nay các đồng hồ cũ dần được thay thế bởi các cảm biến sử dụng sóng siêu
âm, với độ chính xác cao hơn, tính được cả các yếu tố thủy triều, tốc độ gió, hướng gió,
áp suất khí quyển, cùng với nhiệt độ khơng khí và nhiệt độ bề mặt nước. Mặc dù các
trạm này cho phép đo liên tục nhưng hạn chế về mặt không gian và không bố trí được
tại những nơi có nền địa chất yếu.
Cơng nghệ đo cao vệ tinh ra đời và phát triển mạnh từ những năm 1990 mở ra kỷ
nguyên đo độ cao chính xác. Cơng nghệ này đánh dấu một bước ngoặt trong các nghiên
cứu về mực nước đại dương và các lưu vực sông lớn. Bằng cách cung cấp các phép đo
nhanh chóng, liên tục và lặp lại của độ cao bề mặt nước biển, những dữ liệu này đã thực
sự cách mạng hóa ngành hải dương học và vật lý hiện đại. Tuy nhiên, hạn chế của phương
pháp là chu kỳ lặp dài, khơng đủ để nắm bắt hồn tồn các hiện tượng thủy văn cực đoan
diễn ra trong thời gian ngắn (như lũ quét, triều cường, nước dâng do bão v.v.). Vì vậy,
cần phải có các hệ thống đo lường thay thế để hỗ trợ cho máy đo thủy triều trong trường
hợp dự phòng (như bị hỏng hoặc bổ sung những khu vực thiếu trạm đo, v.v.).
Việc sử dụng tín hiệu cơ hội từ hệ thống GNSS để đo cao mực nước giúp giải quyết
các vấn đề còn tồn tại của hai phương pháp trên. Bằng việc sử dụng một máy thu GNSS
đa tần, có thể chiết tách thơng tin độ cao mặt nước từ tín hiệu phản xạ. Phương pháp
1


này khơng những nhỏ gọn, dễ lắp đặt, có thể đặt ở mọi nơi mà còn đo được các vùng
nước nhỏ trong lục địa. Ngoài ra việc sử dụng một máy thu đa tần duy nhất cũng giảm

rất nhiều chi phí so với việc xây dựng trạm thủy văn. Hơn nữa, việc sử dụng tín hiệu cơ
hội từ vệ tinh GNSS vừa tận dụng được nguồn lợi miễn phí, vừa mở ra một hướng mới
trong nghiên cứu về hệ thống dẫn đường toàn cầu.
Cho tới hiện tại, các nghiên cứu ứng dụng GNSS phản xạ trong đo cao mặt nước
đã được thực hiện và cho kết quả tốt ở nhiều nước trên thế giới nhưng vẫn chưa được
ứng dụng rộng rãi tại Việt Nam. Do đó, đồ án “ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ GNSS-R TỪ
MÁY THU ĐA TẦN TRONG ĐO CAO MẶT NƯỚC” đã được chọn để thực hiện với
mong muốn kết quả nghiên cứu sẽ là cơ sở khoa học và tài liệu tham khảo quan trọng
cho các nghiên cứu tiếp theo về ứng dụng của GNSS-R.

Mục tiêu và nội dung nghiên cứu
Mục tiêu
ˆ Thiết lập cơ sở khoa học ứng dụng công nghệ GNSS-R trong đo cao mặt nước.
ˆ Xây dựng quy trình phân tích và xử lý tín hiệu GNSS-R để ước tính chuỗi thời gian

mực nước trên cơ sở thiết bị thu GNSS đa tần chi phí thấp sử dụng ngôn ngữ R.

Nội dung nghiên cứu
ˆ Tổng quan về ứng dụng công nghệ GNSS-R trong đo cao mực nước.
ˆ Thu thập, phân tích và xử lý dữ liệu phản xạ GNSS và các dữ liệu liên quan (dữ

liệu mực nước tham chiếu tại chỗ, dữ liệu quỹ đạo vệ tinh).
ˆ Sử dụng R để giải mã thông tin, tách tín hiệu SNR đa đường và tính độ cao mực

nước.
ˆ Thử nghiệm và đánh giá kết quả tại trạm đo GNSS-R đầm phá Tam Giang, tỉnh

Thừa Thiên Huế.

Phạm vi nghiên cứu

ˆ Phạm vi không gian: đầm phá Tam Giang, Thừa Thiên Huế .
ˆ Phạm vi thời gian: Số liệu được thu thập và phân tích trong giai đoạn từ 10/04/2022

đến 21/04/2022.
2


ˆ Phạm vi khoa học: Nghiên cứu ứng dụng công nghệ GNSS-R từ máy thu đa tần chi

phí thấp sử dụng ngơn ngữ lập trình R để đo cao mực nước tại khu vực đầm phá
Tam Giang, tỉnh Thừa Thiên Huế.

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
Đồ án “ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ GNSS-R TỪ MÁY THU ĐA TẦN TRONG
ĐO CAO MẶT NƯỚC” được nghiên cứu với hy vọng mở ra một cơ hội mới trong việc
quan sát sự thay đổi mực nước nói riêng và quan trắc mơi trường nói chung. Kết quả
của nghiên cúu góp phần bổ sung dữ liệu cho các mơ hình dự báo, cảnh báo lũ lụt, thiên
tai. . . Ngoài ra đây cũng là tiền đề cho việc chiết tách các thông số khác như độ pH, độ
mặn của nước, áp xuất khí quyển. . . từ tín hiệu phản xạ GNSS và hướng tới mục tiêu bổ
sung, tăng dày mạng lưới các trạm quan trắc tại những nơi khó tiếp cận và xây dựng
trạm thủy văn bằng trạm GNSS-R chi phí thấp.

Cấu trúc của khóa luận
Ngồi phần Mở đầu, Kết luận, Danh mục tài liệu tham khảo, nội dung chính của
Luận văn gồm 3 chương như sau:
Chương 1: Tổng quan về GNSS-R trong đo cao mặt nước
Chương 2: Cơ sở khoa học ứng dụng GNSS-R chiết tách chuỗi thời gian mực nước
Chương 3: Kết quả thực nghiệm tại khu vực Đầm Phá, Thừa Thiên Huế

3

Chương 1
Tổng quan về GNSS-R trong đo cao
mặt nước
1.1

Tổng quan về GNSS
Hệ thống vệ tinh dẫn đường toàn cầu đã được phát triển vào những năm 1970 với

hai chòm sao tiên phong là GPS và GLONASS cho phép đo định vị và dẫn đường chính
xác cho cả mục đích quân sự và dân sự. Tuy nhiên, GNSS đã được phát triển và được sử
dụng cho nhiều ứng dụng khác sử dụng tín hiệu GNSS để nghiên cứu và theo dõi các đặc
tính khác của Trái đất, ví dụ như giám sát mơi trường, dự báo thời tiết, nghiên cứu khí
hậu. Hệ thống này đã chứng minh hiệu suất cao trong đo đạc, khí tượng và nhiều lĩnh
vực địa vật lý[1].
Về cơ bản, hệ thống GNSS bao gồm ba phân đoạn giống như hệ thống GPS:
- Phân đoạn không gian: Bao gồm chịm sao vệ tinh và các tín hiệu được phát đi.
- Phân đoạn điều khiển: Bao gồm 5 trạm mặt đất đặt tại Hawaii, Đảo Ascension,
Diego Garcia, Kwajalein (Quần đảo Marshall) và Colorado Springs. Các trạm này
liên tục ghi lại các tín hiệu vệ tinh, tiến hành các phép đo khí tượng và gửi dữ liệu
đến Trạm Điều khiển Chính (Trạm Colorado Spring).
- Phân đoạn người dùng: bao gồm người dùng (cả quân sự và dân sự). Một phần
quan trọng của phân khúc người dùng là các tổ chức quốc gia và quốc tế duy trì các
mạng GNSS lâu dài của riêng họ, bao gồm các máy thu và ăng-ten trên mặt đất,
cung cấp dữ liệu và sản phẩm cho người dùng.

4

1.1.1

Nguyên lý của định vị GNSS

Nguyên tắc chính của định vị GNSS là đo khoảng cách đến một số vệ tinh với các
vị trí đã biết dựa trên sự lan truyền tín hiệu từ mỗi vệ tinh đến máy thu [1]. Mỗi vệ tinh
GNSS liên tục phát một sóng band L (dải tần từ 1,1 GHz đến 1,7 GHz, bước sóng ∼ 1
cm đến ∼25 cm) có tần số cơ bản được điều biến. Để xác định được vị trí của mình, máy
thu phải thu nhận được các tín hiệu vệ tinh. Việc thu nhận tín hiệu vệ tinh đối với các
ứng dụng dân sự là miễn phí, liên tục và không chịu ảnh hưởng của thời tiết.
Giả thiết rằng các đồng hồ vệ tinh và đồng hồ máy thu được đồng bộ hóa, máy thu
sẽ có thể tính tốn được chính xác thời gian truyền tín hiệu dựa trên thơng tin về thời
điểm bắt đầu phát tín hiệu trong dữ liệu định vị (navigation data) được phát xuống cho
máy thu và thời điểm thu nhận được tín hiệu tại máy thu. Từ đó, khoảng cách từ vệ tinh
tới máy thu được tính tốn chính xác bằng cách nhân thời gian truyền với tốc độ truyền
ánh sáng đã biết (3.108 m/s).
Để xác định được vị trí của mình, tức là giải được ba ẩn số (Xr , Yr , Zr ) hoặc kinh
độ, vĩ độ và cao độ, máy thu phải cần thu được tín hiệu của ít nhất ba vệ tinh. Vị trí
máy thu sẽ là giao điểm duy nhất của 3 hình cầu có tâm là 3 vệ tinh phát tín hiệu này
và bán kính là các khoảng cách từ vệ tinh đến máy thu tương ứng đã đo được.
Tuy nhiên, giả thiết ban đầu là các đồng hồ của vệ tinh và của máy thu đều được
đồng bộ hóa với nhau. Đây là một giả thiết rất khó đạt được trong thực tế. Do đó, tiêu
chuẩn thời gian nguyên tử cho phép lưu trữ thời gian chính xác đến khoảng nano giây đã
được sử dụng. Công nghệ này đang được sử dụng cho các đồng hồ lắp đặt tại các vệ tinh.
Tuy nhiên, công nghệ này không được sử dụng rộng rãi cho đồng hồ ở máy thu vì giá
thành rất cao. Các đồng hồ ở máy thu thường dựa trên công nghệ Quarzt và việc đồng
bộ hóa thời gian giữa vệ tinh và máy thu trở nên khó thực hiện được. Sai số thời gian
nếu khơng được ước lượng tốt sẽ ảnh hưởng rất nhiều đến độ chính xác của kết quả ước
tính vị trí máy thu.
Trong trường hợp cơ bản, máy thu cần thu nhận các tín hiệu của ít nhất 4 vệ tinh

để có thể xác định được vị trí của nó. Sau khi xác định được các phép đo khoảng cách,
máy thu sẽ dùng phần mềm tương ứng để xác định vị trí, vận tốc và thời gian.

1.1.2

Các hệ thống vệ tinh GNSS

Hệ thống GPS (Global Positioning System)
Hệ thống Định vị Toàn cầu (GPS) là một tiện ích thuộc sở hữu của Mỹ cung cấp
cho người dùng các dịch vụ định vị (positioning), điều hướng (navigation) và xác định

5


thời gian vệ tinh (timing). Hệ thống này bao gồm ba phân đoạn: phân đoạn không gian,
phân đoạn điều khiển và phân đoạn người dùng. Quân đội không quân Mỹ phát triển,
duy trì và vận hành các phân đoạn khơng gian và điều khiển.
ˆ Phân đoạn không gian: bao gồm một chòm sao gồm 24 vệ tinh đang hoạt động

truyền tín hiệu một chiều cung cấp vị trí và thời gian vệ tinh GPS hiện tại.
ˆ Phân đoạn điều khiển: bao gồm các trạm điều khiển và giám sát trên tồn cầu nhằm

duy trì các vệ tinh ở quỹ đạo thích hợp của chúng thơng qua các thao tác chỉ huy
không thường xuyên và điều chỉnh đồng hồ vệ tinh. Nó theo dõi các vệ tinh GPS,
tải lên dữ liệu điều hướng cập nhật và duy trì tình trạng và sức khỏe của chòm sao
vệ tinh.
ˆ Phân đoạn người dùng: bộ thu phân đoạn người dùng bao gồm thiết bị thu GPS,

thiết bị nhận tín hiệu từ vệ tinh GPS và sử dụng thơng tin được truyền để tính
tốn vị trí và thời gian ba chiều của người dùng.

Mỹ cam kết thực hiện một chương trình hiện đại hóa sâu rộng, bao gồm việc triển
khai tín hiệu dân sự thứ hai và thứ ba trên vệ tinh GPS. Tín hiệu dân sự thứ hai sẽ cải
thiện độ chính xác của dịch vụ dân sự và hỗ trợ một số ứng dụng an tồn trong cuộc
sống. Tín hiệu thứ ba sẽ nâng cao hơn nữa năng lực dân sự và chủ yếu được thiết kế cho
các ứng dụng an toàn trong cuộc sống, chẳng hạn như hàng không.
Hệ thống GLONASS (Globalnaya Navigatsionnaya Sputnikovaya Sistema)
Một chòm sao hoạt động đầy đủ khác là GLONASS (Globalnaya Navi gatsionnaya
Sputnikovaya Sistema), bắt đầu hoạt động vào năm 1976 bởi Liên Xô cũ. Cuối cùng, hệ
thống bắt đầu đạt được mục tiêu của mình vào năm 2001. Sau đó, nhiều vệ tinh mới đã
được phóng lên và chòm sao đã cung cấp khả năng định vị tồn cầu kể từ năm 2007.
Chịm sao hiện có 24 vệ tinh hoạt động trên ba mặt phẳng quỹ đạo nghiêng 64,8°. Độ
nghiêng của quỹ đạo cao hơn quỹ đạo GPS, cho phép chúng quan sát các vùng cực tốt
hơn. Các quỹ đạo gần tròn nằm trên độ cao 19.100 km so với bề mặt Trái đất và chu kỳ
của quỹ đạo là 11 giờ 15 phút với độ lặp lại là 8 ngày (một ngày = 23 giờ 56 phút). Hệ
thống của Nga sử dụng đa truy cập phân chia theo mã CDMA trong băng tần L3 (vệ
tinh đầu tiên được phóng vào năm 2010) giống như các chịm sao khác nhưng một trong
những điểm đặc biệt, đối với các băng tần L1 và L2, là GLONASS đã sử dụng đa truy
cập phân chia theo tần số (FDMA) quyền truy cập để nhận dạng vệ tinh và mã PRN là
giống nhau đối với tất cả các vệ tinh, về lý thuyết cho phép hệ thống GLONASS có khả
năng chống lại các tín hiệu nhiễu tốt hơn. Tần số L1 và L2 có thể được xác định như sau:
f1 = 1, 601M Hz + k.0, 5625M Hz
6


f2 = 1, 246M Hz + k.0, 5625M Hz
trong đó k là số kênh đã sử dụng. Con số này đã thay đổi theo thời gian: đến năm
1998, k dao động từ 0 đến 12; từ 1998 đến 2005, k được thay đổi từ -7 đến 12 và cuối
cùng năm 2005, cấu hình cuối cùng của nó chỉ sử dụng 12 giá trị từ -7 đến 4 và hai kênh
dự trữ: 5 và 6 có thể được sử dụng đặc biệt. Tỷ lệ /, đối với mỗi vệ tinh, là không đổi và
bằng 9/7. Những phát triển gần đây trong hệ thống GLONASS là sự xuất hiện của sóng

tải L5 mới có tần số = 1176,45 MHz.
Hệ thống Galileo
Galileo là hệ thống định vị vệ tinh toàn cầu của Châu Âu, được thiết kế và phát
triển trên cơ sở dân sự, đồng thời tích hợp các biện pháp bảo vệ an ninh cần thiết. Được
bắt đầu vào những năm 1990, dự án thực sự bắt đầu phát triển từ ngày 26 tháng 3 năm
2002, khi hội đồng bộ trưởng bộ giao thông vận tải liên minh Châu Âu xác nhận giai
đoạn phát triển của chương trình Galileo. Vệ tinh xác thực đầu tiên GIOVE-A (Galileo
In Orbit Validation Element) được phóng vào cuối năm 2005, trước khi được gia nhập
bởi GIOVE-B thứ hai vào tháng 4 năm 2008. Hai vệ tinh này (GIOVE-A và GIOVE-B
hoạt động trên quỹ đạo thấp là 23.222 km) chứng minh khả năng tương tác của hệ thống
Galileo và GPS có khả năng thay thế, minh bạch đối với người dùng. Bốn vệ tinh Galileo
sau đó được phóng vào tháng 10 năm 2011 và 2012. Galileo đang được Cơ quan Vũ trụ
Châu Âu (ESA) phát triển sẽ bao gồm một chòm sao gồm 30 vệ tinh đặt trong ba mặt
phẳng quỹ đạo đặt cách nhau 120° và nghiêng 56° so với xích đạo ở độ cao 23.616 km và
chu kỳ quỹ đạo vệ tinh là 14 giờ 21 phút. Khả năng tương thích được duy trì giữa cả hệ
thống GPS và Galileo thông qua sự tồn tại của các sóng mang chung (ví dụ, L1 = E1 =
1575,42 MHz).
Trong giai đoạn vận hành, hệ thống Galileo sẽ cung cấp 5 dịch vụ:
ˆ Dịch vụ mở (OS): dịch vụ hồn tồn mở, miễn phí, dành cho các chế độ tiêu chuẩn

của hệ thống định vị hàng hải và đất liền, có chế độ làm việc tiêu chuẩn và chính
xác. Độ chính xác đảm bảo trong mặt phẳng ngang là 4m, trong khi mặt phẳng
thẳng đứng là 8 m;
ˆ Dịch vụ thương mại (CS): phương pháp tiếp cận thương mại, giới thiệu hai tín hiệu

được mã hóa bổ sung, mức độ chính xác đủ cho nơng nghiệp, đo đạc khảo sát, v.v.
Tính liên tục của dịch vụ được đảm bảo. Độ chính xác của xác định tọa độ khơng
gian trong chế độ CS là ở cấp độ centimet;
ˆ Safety of Life (SoL): có tất cả các chức năng của các dịch vụ OS, người dùng được

ủy quyền và tính liên tục của dịch vụ được đảm bảo, thích hợp cho việc điều hướng
7


hàng hải, đường bộ và hàng hải xuyên cảng. Độ chính xác tương tự dịch vụ OS;
ˆ Dịch vụ điều tiết cơng cộng (PRS): truy cập được ủy quyền, tín hiệu mã hóa cho

PVT, với mức độ ưu tiên cao của việc sử dụng dịch vụ liên tục, cơ sở hạ tầng chiến
lược và an tồn. Độ chính xác đảm bảo trong mặt phẳng ngang là 6,5 m, trong khi
mặt phẳng thẳng đứng là 12 m;
ˆ Tìm kiếm và Cứu nạn (SAR): bản địa hóa hiện tại của các cuộc gọi khẩn cấp, hoạt

động cứu hộ, v.v. Các dịch vụ được ủy quyền có quyền truy cập.
Hệ thống COMPASS-BeiDou
Nhằm khắc phục sự phụ thuộc vào GPS của Hoa Kỳ, Trung Quốc đã bắt đầu rất
nhanh chóng thiết lập một hệ thống tự do trong khu vực: BeiDou. Hệ thống này, được
khởi xướng vào đầu những năm 1990, được hiện thực hóa bằng việc phóng hai vệ tinh
BeiDou-1A và BeiDou-1B đầu tiên vào năm 2000. Hệ thống này gần đây đã phát triển
thành một hệ thống toàn diện được gọi là BEIDOU-2 hoặc COMPASS. Chòm sao bao
gồm ba loại quỹ đạo: 5 vệ tinh trên quỹ đạo địa tĩnh, 3 vệ tinh trong quỹ đạo địa đồng
bộ nghiêng (55°) và 27 vệ tinh trong quỹ đạo Trái đất trung bình. BEIDOU-2 đã hoạt
động từ cuối năm 2012 với phạm vi phủ sóng bao gồm cả Trung Quốc và các quốc gia
xung quanh. Vào đầu năm 2015, hơn 10 vệ tinh đã ở trên quỹ đạo. Hệ thống BEIDOU
cung cấp hai dịch vụ:
ˆ Dịch vụ được ủy quyền (AS): dịch vụ công cộng có độ chính xác dưới 10m, hoạt

động kể từ ngày 14 tháng 1 năm 2013;
ˆ Dịch vụ dành riêng cho độ chính xác khơng xác định. Cấu trúc của tín hiệu đủ gần

với các hệ thống khác có đường truyền CDMA với chức năng tương quan BOC,

nhưng cũng có những hệ thống phức tạp hơn như MBOC và AltBOC giúp cải thiện
chủ yếu độ chính xác của phép đo độ cao và điều chế QKSP mới.
Hệ thống định vị vệ tinh khu vực QZSS và IRNSS
Hệ thống vệ tinh Quasi-Zenith (QZSS) là một hệ thống định vị vệ tinh khu vực
(quỹ đạo Tundra bay qua Nhật Bản và Úc) được phát triển bởi cơ quan vũ trụ Nhật Bản
JAXA với mục đích cung cấp các dịch vụ định vị chính xác và ổn định cao trong khu vực
Châu Á - Châu Đại Dương, tương thích với GPS. QZSS chứa sáu tín hiệu: tần số L1C
thơng thường sử dụng mã C / A (1.575,42 MHz), L2C (1.227,6 MHz), L5 (1.176,45 MHz)
cũng như tần số L1-SAIF (1.575,42 MHz), được sử dụng bởi phần tăng thêm hệ thống

8


(SBAS) cho thời gian thực. Sóng mang LEX (1.278,75 MHz) là tín hiệu có độ chính xác
cao (3cm) tương thích với tín hiệu Galileo E6.
Hệ thống vệ tinh định vị khu vực của Ấn Độ (IRNSS) cũng là một hệ thống định
vị vệ tinh khu vực đang được phát triển. Phạm vi khu vực của nó tập trung vào Ấn Độ
và vùng ngoại vi của nó lên đến khoảng cách ≈ 2.000km từ biên giới của Ấn Độ.

1.1.3

Tín hiệu vệ tinh

Mỗi vệ tinh GNSS truyền liên tục một vi sóng band L (tần số 1-2 GHz, bước sóng
từ 15 đến 25cm) có thể điều chỉnh được tần số cơ bản. Sự điều chỉnh này cho phép vệ
tinh gửi đi:
ˆ Một thông điệp dẫn đường (navigation): (các thông số quỹ đạo Keplerian và các

dẫn xuất đầu tiên theo thời gian), đơn giản hóa các hệ số mơ hình tầng điện ly tồn
cầu, tình trạng của vệ tinh và tiêu chuẩn giữa thời gian GNSS và UTC.

ˆ Một mã ngẫu nhiên PRN (Pseudo Random Noise) cụ thể cho mỗi vệ tinh để có thể

phân biệt các vệ tinh nhờ hệ thống code CDMA (Code Division Multiple Access),
được sử dụng bởi tất cả các chòm sao, ngoại trừ các trường hợp đặc biệt của hệ
thống GLONASS có chức năng FDMA (Frequency Division Multiple Access).
ˆ Sóng mang (carrier): Các vệ tinh GPS truyền các tín hiệu liên tục dùng 2 tần số

trong band L (L1, L2, L5. . . .)
Trong thực tế, việc định vị GNSS có thể được thực hiện theo hai cách khác nhau: đo mã
và đo pha. Cả hai phương pháp địi hỏi phải xác định chính xác vị trí của mỗi vệ tinh.

1.1.4

Các nguồn sai số trong phép đo GNSS

Các nguồn sai số của tín hiệu vệ tinh GNSS được chia thành 4 nguồn chính:
ˆ Sai số do vệ tinh gồm sai số đồng hồ vệ tinh và các nhiễu trong công nghệ vệ tinh
ˆ Sai số gây ra tại các trạm điều khiển, cụ thể là sai số trong việc dự đốn và tính

tốn quỹ đạo của vệ tinh. Thông tin này sẽ được truyền lên vệ tinh để mã hóa vào
tín hiệu và truyền xuống cho máy thu
ˆ Sai số trong q trình truyền tín hiệu, bao gồm sai số do tầng điện ly, tầng đối lưu,

sai số do việc tín hiệu bị phản xạ làm cho máy thu thu nhận được những tín hiệu
phản xạ (hiện tượng đa đường) và nhiễu gây ra do việc truyền phát các tín hiệu
khác.
9


ˆ Sai số do máy thu, do nhiễu tại máy thu hay sai số đồng hồ của máy thu

Mỗi sai số có trong q trình sử dụng hệ thống GNSS là rất đặc thù và mức độ tác động
của chúng lên kết quả định vị phụ thuộc vào nhiều yếu tố và các hoàn cảnh khác nhau.
Điều quan trọng dành cho người sử dụng là cần phải phân tích để xác định được khả năng
ảnh hưởng của các sai số cho trường hợp riêng biệt. Đối với mỗi sai số, hai đặc tính quan
trọng nhất cần phải chú ý là cường độ và sự biến đổi của cường độ sai số theo không gian
và thời gian.

1.2

1.2.1

Tổng quan các nghiên cứu sử dụng công nghệ
GNSS-R trong đo cao mực nước
Trên thế giới

Các hiểm họa ven biển, như sóng thần, nước dâng do bão và triều cường, là mối đe
dọa nghiêm trọng đối với các cộng đồng ven biển, dẫn đến thiệt hại đáng kể về người và
tài sản. Để giảm thiểu tác động của chúng, sự thay đổi mực nước theo sự kiện cần được
theo dõi thích hợp. Việc đo lường chính xác và liên tục mực nước sơng là một thách thức
để có được ước tính liên tục về lưu lượng sơng trên tồn thế giới. Hiện nay, các máy đo tại
chỗ cho phép đo liên tục nhưng hạn chế về mặt không gian trong khi thiết bị đo cao vệ
tinh giám sát chặt chẽ các vùng lãnh thổ rộng lớn nhưng với chu kỳ lặp dài, không đủ để
nắm bắt hoàn toàn các hiện tượng thủy văn cực đoan diễn ra trong thời gian ngắn (như
lũ quét, triều cường, nước dâng do bão v.v.). Vì vậy, cần phải có các hệ thống đo lường
thay thế để hỗ trợ cho máy đo thủy triều trong trường hợp dự phòng (như bị hỏng hoặc
bổ sung những khu vực thiếu trạm đo, v.v.). Hệ thống vệ tinh định vị toàn cầu (GNSS)
là một cảm biến đo mực nước mới xử lý các tín hiệu đa đường phản xạ từ bề mặt nước
được gọi là GNSS-Reflectometry (GNSS-R). GNSS, thuật ngữ chung cho Hệ thống định
vị toàn cầu (GPS) của Mỹ, hệ thống vệ tinh dẫn đường toàn cầu của Nga (GLONASS),

Beidou của Trung Quốc và hệ thống Galileo của Châu Âu là một công cụ vệ tinh với khả
năng cung cấp dữ liệu vị trí (khơng gian), cảm biến từ xa về bầu khí quyển (nhiệt độ và
áp suất) và đặc điểm bề mặt Trái đất, hỗ trợ xác định chính xác quỹ đạo của các vệ tinh
môi trường quay quanh trái đất, theo dõi các khu vực khó tiếp cận và vùng nước mặt.
Dữ liệu khơng gian của nó cũng có thể tích hợp với các dữ liệu viễn thám, kinh tế xã hội
và điều tra thực địa khác thông qua hệ thống thông tin địa lý (GIS) để cung cấp bộ dữ
liệu thời gian thực liên tục, mang lại lợi ích to lớn cho lĩnh vực giám sát môi trường đặc
biệt là nghiên cứu các hiện tượng thủy văn cực đoan. Trong định vị GNSS, tín hiệu đa
đường dẫn (multipath hay GNSS-R) được coi là một nguồn lỗi cần phải triệt tiêu. Nhưng
GNSS-R đã được sử dụng thành công để đo cao mực nước [2, 3] và theo dõi thời gian
10


thực về các biến đổi trữ lượng nước trên lục địa[4]. Trên thế giới, các trạm thu tín hiệu
GNSS cố định được đặt ở các khu vực ven biển có thể được sử dụng làm thước đo thủy
triều nhờ việc ghi lại dữ liệu SNR[5, 6]. Các tín hiệu phản xạ GNSS gây ra nhiễu có thể
được đo dưới dạng dao động của dữ liệu SNR (Signal-to-Noise Ratio) được ghi lại. Bằng
cách phân tích tần số của dao động SNR, chúng ta có thể ước tính khoảng cách thẳng
đứng từ mặt nước đến tâm pha ăng-ten GNSS [5]. Thực nghiệm đã chứng minh rằng mực
nước truy xuất từ một máy thu GNSS trắc địa duy nhất có độ chính xác tương đương
với các thiết bị đo thủy triều truyền thống [7]
Các nghiên cứu trên đã chứng minh tính khả thi của việc đo cao mực nước từ tín
hiệu phản xạ GNSS, đây sẽ là một công cụ viễn thám đầy hứa hẹn có thể khắc phục
những nhược điểm của máy đo thủy triều và đo cao vệ tinh. GNSS-R đáp ứng được các
yêu cầu về độ bao phủ không gian cao, thời gian lặp lại ngắn, chi phí và trọng lượng thấp
vì cảm biến GNSS-R là hệ thống đơn giản, thụ động và kinh tế.

1.2.2

Ở Việt Nam

Trong những năm gần đây, các nghiên cứu về ứng dụng của GNSS-R bắt đầu được
quan tâm tại Việt Nam. Đơn cử như nghiên cứu "Giám sát mực nước của đồng bằng sông
Mê Kông bằng kỹ thuật phản xạ GNSS" được thực hiện bởi J. Beckheinrich và cộng sự
(Beckheinrich, 2014). Hay nghiên cứu ứng dụng dữ liệu GNSS-R để so sánh sự thay đổi
mực nước trên sông Mê Kông kết hợp dữ liệu đo cao vệ tinh và dữ liệu thủy văn/thủy
triều của Vũ Phương Lan và cộng sự[8]
Một nghiên cứu khác về ứng dụng của GNSS-R trong nghiên cứu các hiện tượng
thủy văn cực đoan tại Việt Nam đã được thực hiện bởi Hà Minh Cường và cộng sự[9].
Nghiên cứu đã tiến hành thực nghiệm tại một trạm GNSS được lắp đặt trên sông Hồng,
khu vực Hà Nội để xác định các hiện tượng lũ lụt và các thay đổi hình thái liên quan
đến các hiện tượng thủy văn cực đoan. Các phép đo đầu tiên được thực hiện từ ngày
27 tháng 7 đến ngày 12 tháng 8 năm 2016, trong thời gian xảy ra cơn bão Mirinae và
Nida trên sông Hồng. Kết quả của nghiên cứu đã chứng minh giả thiết để thu được các
phép đo liên tục và không gian hữu ích về mực nước sông từ GNSS-R là đầy hứa hẹn.
Kết quả đạt được không chỉ là độ cao của sơng mà cịn thu được độ dốc cục bộ của mặt
nước và các khu vực bị ngập lụt. Ngoài ra cịn có dự án WISDOM (The Water-related
Information System for the Sustainable Development Of the Mekong Delta) hợp tác giữa
Việt Nam và Đức thực hiện nhiệm vụ xác minh tiềm năng của GNSS-R để giám sát mực
nước chính xác ở Đồng bằng sông Mê Kông như một sự bổ sung khả thi cho các cơng cụ
giám sát hiện có. Hai trạm đo GNSS đã được lắp đặt tại Cần Thơ vào tháng 2 năm 2012
và tháng 3 năm 2013 để đo chuỗi thời gian mực nước trung bình quan sát được từ tín

11


hiệu GNSS-R.

12