Ứng dụng hệ thống máy định vị DGPS và máy đo sâu hồi âm đơn tia trong đo đạc địa hình đáy biển

MỤC LỤC


DANH MỤC HÌNH ẢNH


MỞ ĐẦU
Như chúng ta đã biết, biển có vai trò, vị trí rất quang trọng, gắn bó mật
thiết và ảnh hưởng to lớn đến sự phát triển kinh tế - xã hội, bảo đảm quốc
phòng, an ninh, bảo vệ môi trường của nước ta. Sau hơn 20 năm thực hiên
công cuộc đổi mới dưới sự lãnh đạo của Đảng, tiềm lực kinh tế biển của nước
ta đã không ngừng lớn mạnh, phát triển với tốc độ khá nhanh và đã có những
đóng góp quan trọng vào nhịp độ tang trưởng kinh tế - xã hội theo hướng
công nghiệp hóa, hiện đại hóa.
Những thông tin quốc tế xác nhận bờ biển Việt Nam có chiều rộng đến
100km tính từ ven biển vào đất liền, theo đó, có tới 83% dân số Việt Nam
sống trong vùng duyên hải. Trong khi đó, bình quân chung thế giới chỉ có
khoảng 39% dân số sống trong vùng duyên hải. Các chuyên gia cho rằng, cần
xây dựng các dữ liệu biển, tính toán thiết lập các luận cứ khoa học, các tiêu
chí và chỉ tiêu liên quan đến biển để phục vụ chiến lược phát triển kinh tế–xã
hội, chiến lược biển và chính sách hội nhập quốc tế của đất nước.
Trong thời đại công nghệ phát triển, việc ứng dụng công nghệ GPS kết
hợp với máy đo sâu hồi âm để thành lập bản đồ địa hình đáy biển đã trở nên
phổ biến. GPS không những có khả năng định vị ở mọi nơi, mọi thời điểm
trên biển mà cò khắc phục được hầu hết các nhược điểm công nghệ truyền
thống, nâng cao độ chính xác và đạt năng xuất cao. Đặc biệt với công nghệ
DGPS lại càng nâng cao độ chính xác của GPS nhờ loại bỏ một số nguồn sai
số trong hệ thống.
Hiện nay, các máy thu GPS hiện đại có độ chính xác định vị cao nên
việc ứng dụng công nghệ GPS kết hợp với máy đo sâu hồi âm để thành lập
bản đồ địa hình đáy biển đã trở nên phổ biến trên thế giới. Tại Việt Nam bước

đầu đã du nhập và sử dụng công nghệ GPS để ứng dụng cho việc đo đạc
thành lập bản đồ địa hình đáy biển.

3


Cũng chính vì vậy, em đã lựa chọn nghiên cứu và thực hiện đồ án “ứng
dụng hệ thống máy định vị DGPS và máy đo sâu hồi âm đơn tia trong đo
đạc địa hình đáy biển” với nội dung gồm 3 chương:
Chương 1. Khái quát công nghệ GPS và phương pháp định vị vi
phân DGPS ứng dụng trong thành lập bản đồ địa hình đáy biển.
Chương 2. Cơ sở lý thuyết về song âm đơn tia và ứng dụng của sóng
âm đơn tia trong đo đạc.
Chương 3. Ứng dụng hệ thống định vị GPS và máy đo sâu hồi âm
đơn tia trong đo đạc địa hình đáy biển.
Hà Nội, tháng 5 năm 2016
Sinh viên thực hiện

Nguyễn Mạnh Tuấn

4


CHƯƠNG I. KHÁI QUÁT VỀ CÔNG NGHỆ GPS VÀ PHƯƠNG PHÁP
ĐỊNH VỊ VI PHÂN DGPS ỨNG DỤNG TRONG THÀNH LẬP BẢN ĐỒ
ĐỊA HÌNH ĐÁY BIỂN
1.1. Cấu Trúc Chung Về Hệ Thống Định Vị Toàn Cầu (GPS).
1.1.1. Giới thiệu về GPS.
a.Lịch sử phát triển.
Từ những năm 1960 cùng với sự tiến bộ của kỹ thuật điện tử, chế tạo

nguyên tử và lý thuyết định vị vệ tinh, người ta đã xây dựng được các hệ
thống định vị vệ tinh đầu tiên. Trước khi có hệ thống định vị toàn cầu Mỹ đã
dùng hệ thống định vị vệ tinh khu vực ( thuộc lãnh thổ Mỹ) như hệ thống
STAR-FIX OMINITRACS, ở châu Âu có hệ thống định vị vệ tinh Euteltracs
gồm các vệ tinh địa tĩnh.
Trước năm 1960, bộ quốc phòng Mỹ và các cơ quan hang không NASA
đã triển khai hệ thống đạo hang mang tên TRANSIT. Hệ thống này đã sớm
đạt được ưu các ưu điểm của một hệ thống đạo hàng hoàn chỉnh và chính thức
trở thành dịch vụ dẫn đường từ năm 1976, hệ thống TRANSIT hoạt động trên
nguyên lý Dopler. Các vệ tinh của hệ thống này phân bố trên 6 quỹ đạo có
mặt phẳng quỹ đạo vuông góc với mặt phẳng xích đạo có độ cao 1100km. Ở
độ cao này sự chuyển động của các vệ tinh là khá nhanh và chịu ảnh hưởng
khá lớn của lực hút trái đất. Các vệ tinh TRANSIT phát hai tín hiệu ở hai tần
số là 150MHz và 400MHz. Ở những tần số này các tín hiệu truyền từ vệ tinh
dễ bị tầng điện ly làm chậm và bị nhiễu. Để phục vụ cho nhiều công tác khác
nhau cần phải xây dựng một hệ thống định vị toàn cầu với các yêu cầu mới
như: Có thể định vị 24/24 giờ trong một ngày ở mọi nơi trên Trái Đất và trên
không gian,thời gian định vị nhanh và có độ chính xác cao.
Đứng trước yêu cầu cấp thiết đó.Bộ Quốc Phòng Mỹ đã giao cho
Không Quân kết hợp cùng Hải Quân nghiên cứu thiết lập một hệ thống định
vị hiện đại, có khả năng khắc phục những nhược điểm về thời gian và độ
5


chính xác của hệ thống TRANSIT. Đến năm 1973, 6 vệ thinh NAVASATS
đầu tiên đã được sản xuất phóng lên quỹ đạo từ bang Kasas để phục vụ cho
chương trình thử nghiệm. Kết quả thử nghiệm tốt đẹp, hệ thống này tiếp tục
được xây dựng và hoàn thành năm 1986.
Trước năm 1980, hệ thống GPS chỉ được dung cho mục đíc quân sự do
bộ quốc phòng Mỹ quản lý từ những năm đầu thập kỷ 80, quân đội Mỹ cho

phép sử dụng hệ thống GPS cho dân sự. Các vệ tinh đầu tiên của hệ thống
được phóng lên quỹ đạo vào tháng 2 năm 1978 .Toàn bộ hệ thống được đưa
vào hoạt động hoàn chỉnh vào tháng 5 năm 1994.Chi phí cho việc thiết lập hệ
thống này cỡ 12 tỷ USD . Ngày nay, GPS được ứng dụng vào nhiều lĩnh vực
khác nhau trên hầu hết các quốc gia trên thế giới.
b.Hoạt đông của GPS.
Các vệ tinh GPS bay vòng quanh trái đất hai lần trong một ngày theo
một quỹ đạo rất chính xác và phát tín hiệu có thông tin xuống Trái Đất. Về
bản chất máy thu GPS so sánh thời gian tín hiệu được phát đi từ vệ tinh với
thời gian thu được tín hiệu ở máy thu.Sai lệch về thời gian cho biết máy thu
GPS ở cách vệ tinh bao xa. Đồng thời, với nhiều khoảng cách đo được từ
nhiều vệ tinh, máy thu có thể tính được vị trí của người dung và hiển thị lên
bản đồ điện tử của máy.
Máy thu phải nhận được tín hiệu của ít nhất ba vệ tinh để tính ra vị trí
hai chiều (kinh độ và vĩ độ ) và có thể theo dõi chuyển động. Khi nhận được
tín hiệu của ít nhất 4 vệ tinh thì máy thu có thể tính được vị trí ba chiều (kinh
độ,vĩ độ và độ cao). Một khi vị trí người dùng đã tính được thì máy thu GPS
có thể tính các thông tin khác, như tốc độ,hướng chuyển động, khoảng hành
trình, khoảng cách tới điểm đến, thời gian mặt trời mọc, lặn và nhiều thứ khác
nữa.
c. Tín Hiệu GPS.
Vệ tinh GPS phát hai tín hiệu vô tuyến công suất thấp dải L1 và L2
( dải L là phần song cực ngắn của phổ điện từ trải rộng từ 0,39 tới 1,55 GHz).
6


GPS dân sự dùng tần số L1 1575.42 MHz trọng tải UHF. Tín hiệu truyền trực
thị, có nghĩa là chúng sẽ xuyên qua đám mây, thủy tinh và nhựa nhưng ko qua
phần lớn các đối tượng cứng như núi và nhà.
1.1.2. Cấu Trúc Của Hệ Thống GPS.

Hệ thống định vị GPS bao gồm 3 bộ phận cấu thành ,đó là:
- Phần không gian (space segment)
- Phần điều khiển (control segment)
- Phần người sử dụng (user segment)
Mô hình ba thành phần của GPS như hình 1.1

Hình 1.1. Sơ đồ liên quan giữa ba phần của hệ thống
a.Phần không gian (space segment).
Đoạn không gian bao gồm các vệ tinh chuyển động trên 6 mặt phẳng
quỹ đạo ở độ cao khoảng 20.200km. Mặt phẳng quỹ đạo nghiêng với mặt
7


phẳng xích đạo trái đất một góc 50 độ. Vệ tinh GPS chuyển động trên quỹ đạo
gần như tròn với chu kỳ là 718 phút. Theo thiết kế,hệ thống gồm 24 vệ tinh
mỗi quỹ đạo có 4 vệ tinh ,sự phân bố vệ tinh trên quỹ đạo như vậy để đảm
bảo rằng trong bất kỳ thời gian nào và ở bất kỳ vị trí quan trắc nào trên trái
đất cũng có thể quan trắc được ít nhất 4 vệ tinh GPS.

Hình 1.2. Chuyển động vệ tinh nhân tạo xung quanh trái đất
Chương trình đưa các vệ tinh GPS lên quỹ đạo đã được chia làm các
khối (BLOCK) như sau : khối I ,II ,II-A, II-R,II-F. Tính đến năm 1998 chỉ
còn 3 vệ tinh của khối I cùng với các vệ tinh của khối II cùng II- A làm việc.
Năng lượng cung cấp cho hoạt động của các thiết bị trên vệ tinh là năng lượng
pin mặt trời.
Các vệ tinh GPS có trọng lượng khoảng 1600kg khi phóng và khoảng
800km trên quỹ đạo. Theo thiết kế tuổi thọ của các vệ tinh khoảng 7,5 năm.
Các vệ tinh của các khối sau có trọng lượng lớn hơn và tuổi thọ cũng
dài hơn các vệ tinh trước đó. Thí dụ vệ tinh khối I chỉ có trọng lượng là 845kg
xong vệ tinh khối II có trọng lượng là 1500kg và đến khối II-R vệ tinh có

8


trọng lượng 2000kg. Tuổi thọ của vệ tinh được kéo dài từ 7,5 năm đến trên
10 năm.
Block
I
I
I
I
I
I
I
I
I
I
II
II
II
II
II
II
II
II
II
IIA
IIA
IIA
IIA
IIA

IIA
IIA
IIA
IIA
IIA
IIA
IIA
IIA
IIA
IIA
IIA
IIA

Số hiệu vệ tinh
4
7
6
8
5
9
11
13
12
3
14
2
16
19
17
18

20
21
15
23
24
25
28
26
27
1
29
22
31
7
9
5
4
6
3
10

Ngày phóng
22/02/78
13/05/78/
06/10/78
11/12/78
09/02/80
26/4/80
14/07/83
13/06/84

08/09/84
09/10/85
14/02/89
10/06/89
17/08/89
20/10/89
11/12/89
24/01/90
25/03/90
02/08/90
01/11/90
26/11/90
03/07/91
23/02/92
10/04/92
07/07/92
09/09/92
22/11/92
18/12/92
03/02/93
30/03/93
13/05/93
26/06/93
30/08/93
26/10/93
10/03/94
28/03/96
15/08/96
9

Trạng thái hoạt động
Chết ngày 28/01/80
Chết ngày 30/7/80
Chết ngày 19/4/92
Chết ngày 27/10/86
Chết ngày 28 /11/83
Chết ngày 10/12/90
Chết ngày04/05/93
Chết ngày 28/02/94
Chết ngày 18/11/95
Chết ngày 27/02/94
Đang hoạt động
Đang hoạt động
Đang hoạt động
Đang hoạt động
Đang hoạt động
Đang hoạt động
Đang hoạt động
Đang hoạt động
Đang hoạt động
Đang hoạt động
Đang hoạt động
Đang hoạt động
Đang hoạt động
Đang hoạt động
Đang hoạt động
Đang hoạt động
Đang hoạt động
Đang hoạt động
Đang hoạt động

Đang hoạt động
Đang hoạt động
Đang hoạt động
Đang hoạt động
Đang hoạt động
Đang hoạt động
Đang hoạt động


IIA

30

01/10/96

Đang hoạt động

Mỗi vệ tinh thuộc khối I (BLOCK) được trang bị 4 đồng hồ nguyên tử,
2 đồng hồ thuộc loại Censium và 2 đồng hộ thuộc loại Rubidium. Người ta sử
dụng 4 đồng hộ không chỉ với mục đích dự phòng mà còn để tạo ra một cơ sở
giám sát thời gian và cung cấp giờ chính xác nhất. Hệ thống giám sát thời
gian đã được thực hiện đối với các vệ tinh GPS thuộc khối II và khối II-R.
Đồng hồ nguyên tử rubium có độ ổn định kém hơn một chút so với đồng hồ
nguyên tử Censium trong thời gian dài. Việc hiệu chỉnh tần số đông hồ trên
vệ tinh có thể thực hiện từ mặt đất nhờ các trạm điều khiển. Trên các vệ tinh
GPS thuộc khối II, người ta đã nâng cấp thiết bị bởi 3 đồng hồ Censium. Hệ
thống giám sát các đồng hồ vệ tinh là một trong những chức năng của đoạn
điều khiển. Các số hiệu chỉnh này được gửi lên vệ tinh và sau đó truyền tới
các máy thu cùng với thông tin trong Ephemeris.
Tất cả các đồng hồ của hệ thống GPS hoạt động ở tần số 10,3MHz, các

mã (code) tín hiệu và tần số sóng tải được dựa trên tần số đồng hồ cơ sở
chuẩn.
b. Phần điều khiển (control segment).
Phần điều khiển là để duy trì hoạt động của toàn bộ hệ thống GPS cũng
như hiệu chỉnh tín hiệu thông tin của vệ tinh hệ thống GPS. Phần điều khiển
có 5 trạm quan sát có nhiệm vụ như sau:
• Giám sát và điều khiển hệ thống vệ tinh liên tục.
• Quy định thời gian hệ thống GPS.
• Dự đoán dữ liệu lịch thiên văn và hoạt động của đồng hồ trên vệ tinh.
• Cập nhật định kỳ thông tin dẫn đường cho từng vệ tinh cụ thể.
Có một trạm điều khiển chính (Master Control Station) ở Colorado
Springs bang Colarado của Mỹ và 4 trạm giám sát (monitor stations) và ba
trạm ăng ten mặt đất dùng để cung cấp dữ liệu cho các vệ tinh GPS. Bản đồ
trong Hình 1.3- cho biết vị trí các trạm điều khiển và giám sát hệ thống GPS.
10


Gần đây có thêm một trạm phụ ở Cape Cañaveral (bang Florida, Mỹ) và một
mạng quân sự phụ (NIMA) được sử dụng để đánh giá đặc tính và dữ liệu thời
gian thực.

Hình 1.3.Vị trí các trạm điều khiển và giám sát hệ thống GPS
c. Phần người sử dụng (user segment).
Phần sử dụng GPS có thể được coi gồm 3 bộ phận chính:
- Phần cứng .
- Phần mềm.
- Phần triển khai công nghệ.
Phần cứng bao gồm máy thu, mạch điện tử, và các bộ dao động tần số
vô tuyến RF (RADIO FRIQUENCY) , các ăng ten và các thiết bị ngoại vi cần
thiết để hoạt động máy thu. Đặc điểm chính yếu của bộ phận này là tính chắc

chắn, có thể sách tay, tin cậy khi làm việc ngoài trời và dễ thao tác.

11


Hình 1.4. Máy thu GPS trong kỹ thuật đo RTK
Phần mềm bao gồm những chương trình tính dùng để xử lý số liệu cụ
thể, chuyển đổi những thông báo GPS thành những thông tin định vị hoặc dẫn
đường đi hữu ích. Những chương trình này cho phép người sử dụng tác động
khi cần để có thể lợi dụng được những ưu điểm của nhiều đặc tính định vị
GPS. Những chương trình này có thể sử dụng được trong điều kiện ngoại
nghiệp và được thiết kế sao cho có thể cung cấp những thông báo hữu ích về
trạng thái và sự tiến bộ của hệ thống tới người điều hành.
Ngoài ra, trong phần mềm còn bao gồm những chương trình phát triển
tính độc lập của máy thu GPS, có thể đánh giá được độ chính xác các nhân tố
như tính sẵn sang của vệ tinh và mức độ tin cậy của độ chính xác.
Đoạn sử dụng bao gồm các máy thu GPS, máy hoạt động để thu tín hiệu
vệ tinh GPS phục vụ cho mục đích khác nhau như: dẫn đường trên biển, trên
không, trên mặt đất, và phục vụ công tác đo đạc ở nhiều nơi trên thế giới.
Trong việc khai thác sử dụng công nghệ GPS người ta có thể liên kết nối các
thiết bị thu tín hiệu GPS với một số thiết bị thu phát khác để thực hiện các kỹ
thuật đo động,thời gian thực ( Real time kinematic –RTK), đo vi phân DGPS
(Differrential – GPS ), đo vi phân diện rộng WADGPS còn sử dụng vệ tinh
viễn thông thương mại ( Commmercial communication satellite) như là một
phương tiện trung gian để truyền số cài chính vi phân cho các trạm đo.
12


Máy thu GPS là phần cứng quan trọng trong đoạn sử dụng. Nhờ các
tiến bộ khoa học kỹ thuật trong lĩnh vực điện tử,viễn thông và kỹ thuật thông

tin tín hiệu số, các máy thu GPS đã ngày một hoàn thiện.
1.2. Các đại lượng đo.
Trị đo GPS là những số liệu mà máy thu GPS nhận được từ tín hiệu của
vệ tinh truyền tới. Mỗi vệ tinh GPS phát 4 thông số cơ bản dùng cho việc đo
đạc chia thành 2 nhóm bao gồm:
+ Nhóm trị đo khoảng cách giả theo các code tựa ngẫu nhiên
- C/A.Code,
- P.Code.
+ Nhóm trị đo pha của sóng tải (L1 và L2).
- L1-Carrier,
- L2-Carrier.
- Tổ hợp L1/L2.
Các trị đo này có thể sử dụng riêng biệt hoặc kết hợp để xác định
khoách cách đến từng vệ tinh.
1.2.1. Đo khoảng cách giả theo C/A-code và P-code.
Ký hiệu tS là thời điểm tính theo đồng hộ vệ tinh khi phát tín hiệu và t R
là thời điểm tính theo đồng hồ máy thu khi nhận tín hiệu. Tương tự ta ký hiệu
độ sai của các đồng hồ tính trong hệ thống giờ GPS là δ S và δR. Vào thời điểm
tS, tín hiệu code tựa ngẫu nhiên (PRN code) được phát đi. Hiệu số giữa các
thời điểm ghi được tương đương với độ sai lệch thời gian Δt được xác định
nhờ sự sắp xếp nào đó của code tín hiệu vệ tinh nhận được và code tín hiệu
tham khảo tương tự do máy thu tạo ra khi xử lý tương quan code trong máy
thu. Đo khoảng cách giả là phương pháp đo khoảng cách một chiều (one –
way ranging system), khác với các nguyên tắc đo khoảng cách hai chiều của
máy đo dài điện tử.
Nếu như đồng hồ vệ tinh và đồng hồ máy thu đồng bộ, thì chúng ta sẽ
đo chính xác khoảng thời gian lan truyền tín hiệu, và từ đó sẽ tính được
13

khoảng cách từ máy thu đến vệ tinh. Song trên thực tế, đồng hồ vệ tinh và
đồng hồ máy thu không đồng bộ do đó nhà sản xuất phải tính toán đồng bộ
thời gian đồng hồ của máy thu và đồng hồ của vệ tinh.
Định vị với trị đo pha sóng tải có độ chính xác cao hơn định vị với trị đo
code. Vấn đề chính trong trường hợp này là xác định số nguyên lần bước sóng
(số nguyên đa trị N) giữa anten máy thu và vệ tinh.
Giải pháp này cho kết quả định vị chính xác hơn giải pháp chỉ dùng trị
đo Code. Khó khăn chính là xác định số nguyên lần bước sóng giữa Anten
máy thu và vệ tinh. Một khi máy thu bắt được tín hiệu của một vệ tinh nào đó
nó sẽ đếm số bước sóng trôi qua sau thời điểm đó, do vậy điều cần thiết duy
nhất là tính được số đa trị nguyên ban đầu.
Tuy nhiên nếu việc thu tín hiệu vệ tinh bị gián đoạn – sự cố trượt chu kỳ
xảy ra số nguyên đa trị bị thay đổi, cần phải xác định lại Sự trượt chu kỳ phát
sinh do vật cản, do tín hiệu yếu, anten di động nhanh hoặc tác động mạnh của
tầng ion, Đây chính là trị đo dùng trong định vị tương đối.
1.3. Các Phương Pháp Định Vị GPS.
1.3.1. Phương pháp định vị GPS tuyệt đối.
Là kỹ thuật xác định tọa độ của điểm đặt máy thu tín hiệu vệ tinh trong
hệ tọa độ toàn cầu WGS -84. Kỹ thuật định vị này là việc tính toán tọa độ các
điểm đo nhờ giải các bài toán giao hội nghịch không gian trên cơ sở khoảng
cách đo được từ vệ tinh đến các máy thu và tọa độ của các vệ tinh tại thời
điểm đo. Do nhiều nguồn sai số nên có độ chính xác vị trí điểm thấp, không
dùng được cho việc xác định chính xác, dùng chủ yếu cho việc dẫn đường, và
các mục đích đo đạc có yêu cầu độ chính xác không cao. Đối với phương
pháp này sử dụng một máy thu tín hiệu vệ tinh.
1.3.2. Phương pháp định vị GPS tương đối.
Đo GPS tương đối là trường hợp sử dụng 2 máy thu GPS đặt tại 2 điểm
quan sát khác nhau xác định hệ tọa độ không gian(∆X, ∆Y, ∆Z) hay hiệu tọa
độ trắc địa (∆B, ∆L, ∆H) giữa các điểm đó trong hệ tọa độ WGS-84.
14

Nguyên tắc đo GPS tương đối được thực hiện trên cơ sở sử dụng đại
lượng đo là pha sóng tải. Để đạt độ chính xác cao và rất cao, cho kết quả xác
định hiệu tọa độ (hay vị trí tương hỗ) giữa 2 điểm đang xét, người ta tạo ra và
sử dụng các sai phân khác nhau cho pha sóng tải nhằm làm giảm ảnh hưởng
của các nguồn sai số khác nhau như: sai số đồng hồ trên vệ tinh cũng như
trong máy thu…
Phụ thuộc vào quan hệ của các trạm đo trong thời gian đo mà người ta
chia thành các dạng đo tương đối sau:
* Đo GPS tĩnh (Static)
Đây là phương pháp chính xác nhất sử dụng 2 hoặc nhiều máy thu đặt
cố định thu tín hiệu GPS tại các điểm cần đo toạ độ trong khoảng thời gian
thông thường từ 1 giờ trở lên.
* Đo GPS động (Kinematic GPS)
Phương pháp dựa trên nguyên lý định vị tương đối, được tiến hành với 1
máy đặt cố định (base station) và một hoặc nhiều các máy khác (rover
stations) di động đến các điểm cần đo với thời gian rất ngắn, độ chính xác cỡ
cm.
Tuỳ thuộc vào thời điểm xử lý số liệu đo - xử lý ngay tại thực địa hay trong
phòng sau khi đo, người ta chia thành 2 dạng:
- Đo GPS động thời gian thực (GPS RTK - Real Time Kinematic GPS)
Phương pháp cho phép thu được toạ độ đúng tại thực địa trong hệ toạ độ điạ
phương bất kỳ với thời gian đo ngắn (1 trị đo - 1 giây).
- Đo GPS động xử lý sau (Post Procesed Kinematic GPS)Giống như
phương pháp GPS RTK, phương pháp này đo một loạt điểm với thời gian đo
ngắn 2 (trị đo). Toạ độ của các điểm đo có được sau khi xử lý số liệu trong
phòng.
1.4. Các Nguồn Sai Số GPS.
1.4.1.Sai số do vệ tinh.

15


Sai số liên quan đến vệ tinh bao gồm ba nguồn sai số chính đó là: sai số
đồng hồ vệ tinh, sai số quỹ đạo vệ tinh và nhiễu cố ý SA.
a.Sai số đồng hồ vệ tinh.
Sai số đồng hồ vệ tinh trực tiếp gây ra sai số trong xác định thời gian.
Trong đo khoảng cách bằng sóng ánh sáng hay sóng điện từ, sai số thời gian
ảnh hưởng đáng kể đến độ chính xác khoảng cách đo.
Cách khắc phục.
+ Đối với định vị tuyệt đối khoảng cách giả, sai số đồng hồ vệ tinh được
hiệu chỉnh vào khoảng cách giả trước khi sử dụng chúng để giải bài toán định vị.
Sai số đồng hồ vệ tinh được xác định nhờ vào đa thức đồng hồ vệ tinh được
cung cấp theo lịch vệ tinh, do đó tính được số hiệu chỉnh của đồng hồ vệ tinh.
+ Trong định vị tương đối, để loại bỏ ảnh hưởng do sai số đồng hồ vệ
tinh gây ra, người ta sử dụng phương trình sai phân bậc nhất của các trị đo
pha từ hai trạm quan sát đến cùng một vệ tinh.
b.Sai số do quỹ đạo vệ tinh.
Sai số do quỹ đạo vệ tinh gây ra được hiểu là khi ta tính được tọa độ của
vệ tinh nhưng lại không đúng với tọa độ thật của nó (chứa sai số khoảng
2,5m) đó chính là sai số quỹ đạo vệ tinh hay sai số lịch vệ tinh.

Cách khắc phục.
+ Trong định vị tuyệt đối, sai số này gần như ảnh hưởng trọn vẹn đến
kết quả định vị vệ tinh tuyệt đối.
+ Trong định vị tương đối sai số này được giảm thiểu đáng kể do ảnh
hưởng của sai số do quỹ đạo vệ tinh gây ra là như nhau nên có thể loại trừ.
c.Ảnh hưởng của nhiễu cố ý SA.
Nhiễu cố ý SA được tạo ra nhằm giảm độ chính xác định vị tuyệt đối

bằng cách làm sai lệch đồng hồ vệ tinh và tác động vào việc lập lịch vệ tinh.
Song từ ngày 20/5/2000, Mỹ đã chính thức bỏ chế độ nhiễu cố ý SA.
16


1.4.2. Sai số phục thuộc vào môi trường lan truyền tín hiệu.
Tín hiệu vệ tinh truyền đến máy thu trên mặt đất phải xuyên qua khí
quyển gồm nhiều tầng, trong đó có tầng điện ly và tầng đối lưu là hai tầng ảnh
hưởng nhiều nhất tới sự lan truyền tín hiệu từ vệ tinh, đó được gọi là hiệu
ứng khí quyển ảnh hưởng đến tín hiệu vệ tinh. Ngoài ra do hiện tượng phản
xạ, tín hiệu vệ tinh GPS đến máy thu có thể bị ảnh hưởng của đa đường dẫn.
a.Ảnh hưởng của tầng điện ly.
Ảnh hưởng của tầng điện ly đến khoảng cách đo có giá trị trung bình
trong khoảng 5-10m, lớn nhất có thể đến 50m.
Cách khắc phục.
+ Trong định vị tương đối khoảng cách ngắn (nhỏ hơn 10km), ảnh
hưởng do tầng điện ly và tầng đối lưu cơ bản được loại bỏ vì ảnh hưởng này
được coi là như nhau đối với hai máy thu đặt gần nhau. Ở khoảng cách trên
10km, để làm giảm ảnh hưởng của tầng điện ly đến kết quả đo, người ta sử
dụng máy thu hai tần số.
b.Ảnh hưởng của tầng đối lưu.
Tầng đối lưu là tầng khí quyển tính từ mặt đất độ cao khoảng 50km.
Trong tầng đối lưu chứa nhiều hơi nước và bụi khí quyển. Ảnh hưởng của
tầng đối lưu đến tín hiệu điện từ không phụ thuộc vào tần số sóng tải, được
chia thành ảnh hưởng của phần khô (trên cao) và ảnh hưởng của phần ướt
(dưới thấp).
Cách khắc phục.
+ Để khắc phục ảnh hưởng của tầng đối lưu, người ta nghiên cứu xây
dựng mô hình khí quyển để dựa vào đó tính toán hiệu chỉnh trị đo nhằm loại
bỏ hoặc giảm thiểu nguồn sai số.

+ Ảnh hưởng của tầng đối lưu đến tín hiệu còn phụ thuộc vào góc cao E
của vệ tinh. Góc E cao càng nhỏ thì đường truyền tín hiệu trong tầng điện ly
và tầng đối lưu càng lớn. Chính vì vậy, trong quá trình đo đạc, để giảm bớt sai

17


số này người ta loại bỏ tín hiệu của vệ tinh có góc cao E < 15º (gọi là góc cao
giới hạn hay góc ngưỡng).
c.Ảnh hưởng da đa đường dẫn.
Hiện tượng đa đường dẫn là do tín hiệu vệ tinh đến máy thu qua nhiều
đường khác nhau do phản xạ tín hiệu. Nếu tín hiệu phản xạ đủ mạnh, máy thu
ghi nhận cả tín hiệu truyền thẳng từ vệ tinh đến máy thu và cả tín hiệu phản
xạ khi va đập vào các vật (nhà cửa, hàng rào, cột điện…) trên đường đi.
Cách khắc phục.
+ Cách tốt nhất loại bỏ sai số này là sử dụng anten máy thu có khả năng
giảm thiểu tín hiệu đa đường dẫn như loại anten gồm các vòng xoáy tròn.
+ Một cách khác là bố trí trạm đo GPS phải xa các vật dễ phản xạ tín
hiệu như vật liệu kim loại, bê tông…
1.4.3. Sai số liên quan tới máy thu.
a.Sai số đồng hồ máy thu.
Tinh thể thạch anh được dùng để chế tạo ra bộ tạo dao động của đồng hồ
máy thu GPS. Sai số đồng hồ máy thu gây ra sẽ gây ra sai số trong các kết
quả đo GPS.
Cách khắc phục.
+ Trong định vị tuyệt đối khoảng cách giả, ta coi sai số đồng hồ máy thu
là ẩn số thứ tư trong bài toán định vị, tính được sai số đồng hồ máy thu và
hiệu chỉnh.
+ Trong định vị tương đối theo pha sóng tải, sử dụng phương trình sai
phân bậc hai để loại bỏ ảnh hưởng của sai số đồng hồ máy thu.

b.Sai số do lệch tâm pha anten.
Khi chế tạo máy thu GPS, người ta chế tạo sao cho tâm điện tử của
anten trùng với tâm hình học của nó, nhưng trên thực tế hai tâm này không
trùng nhau và gây ra sai số lệch tâm anten.
Cách khắc phục.

18


+ Trong khi thao tác đo GPS, đặt máy tại điểm đo luôn quay logo máy
thu về hướng Bắc với sai số trong khoảng 5º sẽ giảm bớt sai số lệch tâm pha
anten.
c.Sai số do nhiễu tín hiệu.
Máy thu GPS là một thiết bị bao gồm phần cứng và phần mềm, do vậy
trong quá trình làm việc có thể gặp tình trạng máy thu làm việc không ổn
định. Trong môi trường lan truyền tín hiệu luôn có các nguồn sóng điện từ
phát ra sẽ gây nhiễu tín hiệu.
Cách khắc phục.
+ Người sử dụng cần nắm bắt được tình trạng của máy thu thông qua số
liệu đo được xử lý đánh giá để có biện pháp khắc phục, sửa chữa máy thu
GPS.
1.5. Phương pháp định vị DGPS (Đo cải chính phân sai).
1.5.1. Hệ thống DGPS.
DGPS (Differential GPS - định vị GPS vi phân) là 1 dạng nâng cao của
GPS do Bộ Quốc Phòng Hoa Kỳ thiết kế nhằm gỡ bỏ ảnh hưởng của nhiễu
cố ý SA.
Là phương pháp đo GPS sử dụng nguyên lý định vị tuyệt đối sử dụng trị
đo code và cả trị đo pha có độ chính xác đo toạ độ 1 – 3m, sử dụng 2 máy thu
tín hiệu vệ tinh trong đó 1 tại trạm gốc (Base station) có toạ độ biết trước và 1
trạm đo tại các điểm cần đo toạ độ (Rover station). Trên cơ sở độ lệch về toạ

độ đo so với toạ độ thực của trạm gốc để hiệu chỉnh vào kết quả đo tại các
trạm động theo nguyên tắc đồng ảnh hưởng.

19


Hình 1.5. Định vị vi phân
1.5.2. Ứng dụng của DGPS trong việc thành lập bản đồ địa hình đáy biển.
Công nghệ GPS được đưa vào ứng dụng ở Việt Nam từ những năm đầu
của thập kỷ 90 và đã mang lại hiệu quả to lớn trong công tác đo đạc lưới
khống chế trắc địa. Nhưng năm gần đây, công nghệ GPS cho định vị các đối
tượng chuyển động đã được áp dụng ở Việt Nam. Đầu tiên, kỹ thuật DGPS
cho phép định vị các đối tượng chuyển động với độ chính xác cỡ 0,5m, tiếp
theo kỹ thuật RTK GPS để xác định các đối tượng chuyển động với độ chính
xác cao (cỡ centimet). Hiện nay, các máy thu GPS hiện đại có độ chính xác
định vị cao nên việc ứng dụng công nghệ GPS để ứng dụng cho việc đo đạc
thành lập bản đồ địa hình đáy biển, đi kèm theo đó là các phần mềm xử lý số
liệu đo xâu như HYPACK, HYDRO, GEONAV, NEPTUNE,…

20


CHƯƠNG II. CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ SÓNG ÂM ĐƠN TIA VÀ ỨNG
DỤNG CỦA SÓNG ÂM ĐƠN TIA TRONG ĐO ĐẠC
2.1. Tổng quan về máy đo sâu hồi âm.
2.1.1. Khái niệm máy đo sâu.
Máy đo sâu là một thiết bị điện dùng để xác định độ sâu của lớp nước
dưới đáy tàu. Để làm được điều này, người ta ứng dụng tính chất phản xạ của
sóng âm và thông qua việc đo thời gian lan truyền của sóng âm từ khi phát tới
khi thu được để tính ra độ sâu của đáy biển phía dưới tàu.

Hệ thống đo sâu hồi âm đơn tia là thiết bị xác định độ sâu bằng đo
khoảng cách thời gian giữa tín hiệu của một xung âm thanh phát với tin hiệu
của xung âm thanh nhận phản hồi từ đáy biể. Theo truyền thống, mục đích
của đo sâu hồi âm là để tạo một hồ sơ về đáy biển với đô phân giải cao. Các
dữ liệu hồi âm phải được giải đoán thận trọng, thâm trí phải xử lý bằng thủ
công, để xác nhận chính xác độ sâu dáy biển.
Máy đo sâu hồi âm có hai oại một tần và hai tần:
+ Máy hồi âm 1 tần số loại máy được chế tạo có 1 đầu phát tín hiệu tần
số dùng để đo sâu thông thường. Ví dụ: máy Odom Hydrotrac.
+ Máy hồi âm 2 tần số là loại máy được chế tạo có nhiều tính năng nổi
bật hơn so với máy hồi âm 1 tần số. Máy có 2 đầu thu phát tín hiệu: một đầu
phát tần số có khả năng xuyên sâu vào lớp bùn loãng, một đầu phát tần số
dùng để đo sâu thông thường. Ví dụ: máy Odom Echotrac MKIII
2.1.2. Sóng âm.
1. Khái niệm sóng âm.
Âm là hiện tượng vật lý, là trường hợp riêng của dao động cơ học của
chuyển động trong môi trường đàn hồi. Nguồn âm có thể là hệ thống dao
động cơ học đặt trong môi trường chất lỏng.
Trong quá trình dao động, hệ thống sẽ truyền một phần năng lượng tới
những phân tử của môi trường bao quanh nó. Những phân tử này bắt đầu lệch
21


khỏi vị trí ban đầu của chúng. Những phân tử của môi trường nối với nhau
bởi lực đàn hồi. Nếu một trong chúng lệch khỏi vị trí cân bằng thì các lực tác
động từ các phân tử bên cạnh làm cho nó trở lại vị trí ban đầu của nó. Sau đó,
theo quán tính nó sẽ chuyển động tiếp về phía ngược lại … Như vậy phần tử
sẽ dao động xung quanh vị trí cân bằng của nó. Bởi vì trong điều kiện thực tế,
trong môi trường không những chỉ có lựa đàn hồi tác dụng mà còn có lực ma
sát trong nên sau khi mất kích động thì dao động của phân tử tắt đi rất nhanh.

Sự dịch chuyển của mỗi phân tử làm cho những phân tử bên cạnh lệch đi khỏi
vị trí cân bằng của chúng. Từ đây ta thấy rằng sự kích động xảy ra ở 1 nơi
nhất định của môi trường sẽ dần dần truyền lan tới các phân tử ở xa nguồn
kích động. Quá trình đó gọi là truyền âm. Tốc độ truyền kích động từ phân tử
này dến phân tử khác gọi là tốc độ của âm. Nếu như lực kích động tác dụng
theo chu kỳ thì quá trình truyền âm cũng sẽ theo chu kỳ không những theo
thời gian mà cả không gian, nghĩa là nó mang tính chất sóng.
Bởi vì mỗi phân tử kế tiếp bắt đầu chuyển động chậm hơn phân tử trước
của nó, nên trong môi trường sẽ hình thành những vùng dày đặc và những
vùng thưa thớt cách nhau. Khi hình thành vùng dày đặc thì áp lực và nồng độ
của môi trường tang lên và ở vùng thưa thớ thì giảm. Không gian trong đó
hình thành âm áp gọi là trường âm.
2. Những đặc tính của trường âm.
Những đặc tính cơ bản của trường âm: sự truyền âm là một quá trình
phức tạp, gồm những hiện tượng vật lý khác nhau. Những đặc tính quan trọng
nhất đó là:
- Các phân tử của chất lỏng không ảnh hưởng tới song âm, chúng chỉ
dao động quanh vị trí cân bằng của chúng;
- Tốc độ của âm là tốc độ của dao động các phân tử môi trường, đó là
tốc độ truyền kích động từ ohân tử này đến phân tử khác;
- Khi truyền kích động trong trường âm sẽ hình thành những chuỗi dày
phân tử và những chuỗi thưa cách đều nhau. Quá trình đó dẫn tới sự thay đổi
22


áp lực và nồng độ của môi trường, Sự nén và kéo theo chu kỳ có thể phá vỡ
sự cân bằng nhiệt động của môi trường và như vậy sẽ gây nên sự thay đổi
nhiều hơn ở mức phân tử.
3. Phân loại sóng âm.
Sóng âm có thể phân theo hình dạng và tần số.

Trong trường hợp riêng, người ta phân sóng theo ba dạng sóng dọc,
sóng ngang, sóng phức tạp. Trong các chất lỏng, độ lệch không bị biến dạng,
chỉ có thể truyền lan sóng dọc.
Hình dạng của sóng âm được xác định bởi dạng của làn sóng. Làn sóng
là vùng mặt mà các điểm trong đó đều có cùng một pha dao động. Đường
vuông góc với làn sóng trùng với hướng truyền làn sóng gọi là tia âm.
Sóng siêu âm là sóng âm có tần só dao động lớn hơn 16kHz. Trong hàng
hải thường sử dụng sóng siêu âm có tần số dao động lớn hơn 20kHz.
Trong đo sâu ta ứng dụng sóng âm dạng tần số.
4. Ứng dụng của song âm.
Sóng âm được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực kinh tế quốc dân,
quốc phòng, đặc biệt là sóng siêu âm có tác dụng rất lớn.
Trong ngành hàng hải, người ta dùng sóng âm để đo sâu, đo sâu kết hợp
với dò cá, chế tạo ra máy đo độ dày tôn, dùng sóng siêu âm để kiểm tra chất
lượng mối hàn.
2.2. Cấu trúc và nguyên lý hoạt động của máy đo sâu hồi âm đơn tia.
2.2.1. Cấu tạo và vị trí lắp đặt trên tàu.
Nhìn chung máy đo sâu gồm 3 khối chính là khổi nguồn, khối điều
khiển và chỉ báo và khối thu phát.
a. Khối nguồn: có nhiệm vụ chuyển đổi nguồn điện của tàu thành các
dạng điện áp phù hợp để cung cấp cho sự hoạt động của máy đo sâu. Khối
này thường được lắp đặt trên buồng lái, trong phòng thiết bị điện.
b. Khối điều khiển và chỉ báo: có nhiệm vụ điều khiển sự hoạt động
thống nhất toàn bộ máy đo sâu và hiển thị độ sâu đo được.
23


Sự hoạt động thống nhất thể hiện ở chỗ:
- Trong thời gian phát xung thì mạch ngừng hoạt động và khi phát xong
thì lập tức chuyển sang thu tín hiệu phản xạ trở về.

- Vệt đánh dấu không độ sâu phải tương ứng với vị trí 0 trên thang đo.
Việc chỉ báo độ sâu có thể được thực hiện bằng những cách sau:
- Chỉ báo bằng số: giá trị độ sâu được hiển thị bằng số tương ứng với
đơn vị độ sâu đã chọn.
- Chỉ báo bằng đèn (phương pháp chỉ thị): tín hiệu phản xạ trở về thu
được sẽ làm sang đèn mặt chỉ báo và ta có độ sâu đo được tương ứng với vị trí
đèn sáng của thang đo.
- Chỉ báo bằng cách ghi lại vệt độ sâu trên bằng giấy (phương pháp tự
ghi): tín hiệu phản xạ trở về thu được sẽ làm cháy bang giấy tự ghi và để lại
một vệt đen. Đó là hình ảnh đường viền đáy biển. Độ sâu của đáy biển chính
là chỉ số trên thang đo tương ứng với vị trí bang giấy bị đốt cháy.
- Phương pháp điện tử: tín hiệu phản xạ trở về thu được sẽ làm xuất hiện
vệt sáng ngang trên màn hình và chỉ số trên thang đo tương ứng với vị trí vệt
sáng là độ sâu đo được.
Khối này được lắp đặt trên buồng lái, trong phòng hải đồ.
c. Khối thu phát: có nhiệm vụ tạp xung siêu âm phát vuông góc với
đáy tàu về phía đáy biển và thu tín hiệu phản xạ trở về, biến nó thành tín hiệu
điển để chuyển tới khối điều khiển và chỉ báo. Khối này thường gồm bộ tạo
xung điện áp cao, màng dao động thu, phát và bộ khuếch đại. Màng dao động
thường dùng là màng giao động gião từ. Khối này thường được đặt trong một
khoang nhỏ dưới đáy tàu. Khoang này thường được đặt trước mặt phẳng sườn
giữa, cạnh ki tàu. Thông thường người ta khoét một lỗ nhỏ ở đáy tàu và màng
dao động được đặt trong đó với màng bảo vệ bên ngoài và cơ cấu định vị chắc
chắn nó với vỏ đáy tàu.

24


2.2.2. Nguyên lý hoạt động của máy đo sâu hồi âm đơn tia.
Đo sâu hồi âm đơn tia (Single-Beam Echosounder – SBES)hoạt động

bằng các chuyển đổi năng lượng điện từ máy phát xung thành năng lượng âm
thanh.
Các dầu dò không truyền âm thanh đi mọi hướng mà chỉ truyền theo
môt hướng vào trong nước dưới dạng trùm tia thẳng đứng.

Hình 2.1. Nguyên lý hoạt động của máy đo sâu hồi âm đơn tia
Xung âm thanh truyền qua cột nước va chạm đáy biển. Sau quá trình
tương tác với đáy biển, xung âm thanh phản hồi lại và đồng thời cũng bị tán
xạ nhiều. Năng lượng phản hồi trở lại đầu dò và được đầu dò cảm nhận. Sức
mạnh (cường độ) của âm phản hồi giảm nhanh theo thời gian. Do vậy, cần
một bộ tự động hiệu chỉnh năng lượng gọi là kiểm soát hiệu tích tự động
(Automatic Gain Control – AGC) được cài đặt sẵn từ trong nhà máy, và một
bộ Biến đổi hiệu ích theo thời gian (Time Variable Gain -TVG) để bù đắp cho
sự sụt giảm của âm phản hồi theo thời gian. Sau khi nhận âm phản hồi, máy
25