Nghiên cứu các phương pháp xác định chỉ số pwv bằng công nghệ đo gps

CÔNG TRÌNH ĐƯC HOÀN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH

Cán bộ hướng dẫn khoa học

:

TS. NGUYỄN NGỌC LÂU

Cán bộ chấm nhận xét 1

:

........................................................

Cán bộ chấm nhận xét 2

:

........................................................

Luận văn thạc só được bảo vệ tại
HỘI ĐỒNG BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, Ngày ........tháng ........năm ........


TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG
----------------

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHIÃ VIỆT NAM
Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc
---oOo--Tp. HCM, ngày . . . . . tháng . . . . . năm

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên học viên: TRANG CAO TUYÊN

Phái: Nam

Ngày, tháng, năm sinh: 14/10/1979

Nơi sinh: Vĩnh Long

Chuyên ngành: Kỹ thuật trắc địa.
MSHV: 02207400
1- TÊN ĐỀ TÀI:

NGHIÊN CỨU CÁC PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH CHỈ SỐ PWV
BẰNG CÔNG NGHỆ ĐO GPS.
2- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN:

 Giới thiệu tổng quan về cơ sở định vị trong hệ thống GPS.
 Tìm hiểu về ảnh hưởng của tầng đối lưu vào tín hiệu GPS và các phương pháp khắc
phục.
 Xác định độ trễ đối lưu từ trị đo pha GPS và đánh giá độ tin cậy giá trị vừa tính, so
sánh với dữ liệu được cung cấp bởi tổ chức IGS.
 Nghiên cứu phương pháp chuyển đổi từ độ trễ đối lưu thiên đỉnh (TZD) sang chỉ số
hơi nước (PWV).
 Đề xuất giải pháp trong việc xác định chỉ số hơi nước phục vụ công tác dự báo thời
tiết và xử lý trị đo GPS độ chính xác cao.

3- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 01/02/2009
4- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 30/11/2009
5- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Ghi đầy đủ học hàm, học vị ):
TS. NGUYỄN NGỌC LÂU
Nội dung và đề cương Luận văn thạc sĩ đã được Hội Đồng Chuyên Ngành thông qua.
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
(Họ tên và chữ ký)

TS. NGUYỄN NGỌC LÂU

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN
QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH
(Họ tên và chữ ký)

TS. NGUYỄN NGỌC LÂU

KHOA QL CHUYÊN NGÀNH
(Họ tên và chữ ký)


LỜI CÁM ƠN

Xin chân thành cám ơn toàn thể quý thầy cô Bộ môn Địa Tin học trường Đại học
Bách khoa TP.HCM và đặc biệt là Thầy TS.NGUYỄN NGỌC LÂU đã dành nhiều
tâm huyết, tận tình hướng dẫn, chỉ bảo, truyền đạt kiến thức cho tôi trong suốt thời
gian thực hiện Luận văn.
Tôi xin dành sự biết ơn sâu sắc gửi đến Ban lãnh đạo Chi nhánh Công ty cổ phần
Tư vấn xây dựng điện 3- Xí nghiệp Khảo sát và xây dựng điện đã tạo điều kiện và
động viên tôi trong thời gian thực hiện Luận văn.
Xin cám ơn tất cả các bạn học, đồng nghiệp đã giúp tôi giải quyết những vướng

mắc trong quá trình thực hiện.
Cuối cùng, xin cám ơn Gia đình đã hỗ trợ tinh thần và thời gian để tơi có thể hồn
thành tốt Luận văn này.
Tp. Hồ Chí Minh, tháng 11 năm 2009
Trang Cao Tuyên


TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ

Chỉ số hơi nước trong khí quyển (precipitable water vapor – PWV) rất cần thiết
trong công tác dự báo thời tiết, kỹ thuật Insar trong Viễn Thám… Việc xác định chỉ
số này một cách chính xác đang là vấn đề được quan tâm. Một kỹ thuật mới được
phát triển gần đây là dùng tín hiệu GPS để đo PWV thơng qua độ trễ của nó khi đi
qua tầng đối lưu [11, 13, 15, 18]. Trong Luận văn này, học viên tiến hành nghiên
cứu các phương pháp xác định độ trễ đối lưu thiên đỉnh, khảo sát hàm ánh xạ
chuyển đổi từ độ trễ đối lưu theo hướng thiên đỉnh sang độ trễ đối lưu theo hướng
bất kỳ, phương pháp chuyển đổi từ độ trễ đối lưu sang chỉ số PWV, sử dụng thuật
toán Kalman để xây dựng mơ hình liên tục từ các chỉ số rời rạc. Sau đó tiến hành
phân tích, so sánh kết quả tính tốn với dữ liệu được cung cấp miễn phí trên trạm
IGS gần nước Việt Nam nhất (trạm Cơn Minh – Trung Quốc). Áp dụng tính tốn
cho một số trạm đo GPS trên lãnh thổ Việt Nam và phân tích mối quan hệ của nó
với thời tiết diễn ra trong khu vực, đề xuất giải pháp trong xử lý trị đo GPS độ chính
xác cao.


MỤC LỤC
MỞ ĐẦU

....................................................................................................................1

1. TÍNH CẦN THIẾT CỦA ĐỀ TÀI ................................................................. 1
2. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU........................................................................... 4
3. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU........................................................................... 5
4. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU.................................................................. 5
5. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU ............................................... 5
6. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN .................................................... 6
6.1 Ý NGHĨA KHOA HỌC ............................................................................... 6
6.2. Ý NGHĨA THỰC TIỂN .............................................................................. 6
CHƯƠNG 1: CƠ SỞ ĐỊNH VỊ GPS ...............................................................................7
1.1. KHÁI QUÁT VỀ GPS................................................................................. 7
1.1.1. Bộ phận không gian................................................................................ 7
1.1.2. Bộ phận trạm điều khiển......................................................................... 8
1.1.3. Bộ phận người sử dụng........................................................................... 9
1.1.4. Ứng dụng ............................................................................................... 9
1.2. TÍN HIỆU VÀ TRỊ ĐO GPS..................................................................... 10
1.2.1. Tín hiệu................................................................................................ 10
1.2.2. Trị đo ................................................................................................... 11
1.2.2.1 Mã giả khoảng cách...................................................................... 12
1.2.2.2 Pha sóng tải.................................................................................. 12
1.3. NGUYÊN TẮC ĐỊNH VỊ BẰNG VỆ TINH............................................. 13
1.3.1 Cơng thức tốn học ............................................................................... 13
1.3.2 Các chính sách của Bộ Quốc Phòng Mỹ ................................................ 14
1.4. CÁC NGUỒN SAI SỐ............................................................................... 15
1.4.1. Sai số quỹ đạo vệ tinh........................................................................... 16
1.4.2. Sai số đồng hồ vệ tinh .......................................................................... 17
1.4.3. Sai số đồng hồ máy thu ........................................................................ 18
1.4.4. Sai số tầng điện ly ................................................................................ 18
1.4.5. Sai số tầng đối lưu ................................................................................ 20

1.4.6. Sai số do hiện tượng đa đường.............................................................. 20
1.4.7. Sai số do độ nhiễu tín hiệu.................................................................... 21
1.5 PHƯƠNG TRÌNH TRỊ ĐO VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP KẾT HỢP........ 21
1.5.1 Phương trình trị đo ................................................................................ 21
1.5.2 Các phương pháp kết hợp ...................................................................... 24
1.5.2.1 Hiệu giữa hai máy thu và một vệ tinh............................................ 24
1.5.2.2 Hiệu giữa hai vệ tinh và một máy thu............................................ 25
1.5.2.3 Hiệu đôi giữa hai vệ tinh và hai máy thu....................................... 26
1.5.2.4 Sử dụng L3 để loại bỏ ảnh hưởng của tầng điện ly ........................ 27
1.5.2.5 Sử dụng trị đo hiệu L3 giữa hai vệ tinh và một máy thu ................. 28
1.5.2.6 Sử dụng các sóng dải rộng và dải hẹp để xác định các trị nguyên đa
trị và kiểm soát sự thay đổi của tầng điện ly ............................................. 28
1.5.2.7 Thiết lập L4, L5 và L6 để sửa chữa trượt chu kỳ phase ................... 32
1.6 CÁC SẢN PHẨM CỦA TỔ CHỨC IGS ................................................... 34
1.6.1 Tọa độ vệ tinh và sai số đồng hồ vệ tinh ................................................ 34
1.6.2 Tổng độ trễ tầng đối lưu theo hướng thiên đỉnh ..................................... 37
1.7 TÓM TẮT VÀ KẾT LUẬN ....................................................................... 39
CHƯƠNG 2: TÌM HIỂU VỀ TẦNG ĐỐI LƯU VÀ CÁC MƠ HÌNH HIỆU CHỈNH 40
2.1. SỰ HÌNH THÀNH TẦNG ĐỐI LƯU VÀ ẢNH HƯỞNG CỦA TÍN HIỆU
GPS ............................................................................................................ 40
2.2. MƠ HÌNH HĨA ẢNH HƯỞNG CỦA TẦNG ĐỐI LƯU VÀO TRỊ ĐO
GPS ............................................................................................................ 43
2.3 CÁC MÔ HÌNH HIỆU CHỈNH TẦNG ĐỐI LƯU ................................... 44
2.3.1 Mơ hình độ trễ đối lưu cho thành phần khô............................................ 44
2.3.1.1 Mô hình Saastamoinen.................................................................. 44
2.3.1.2 Mơ hình Mops.............................................................................. 46
2.3.1.3 Mơ hình Hopfield......................................................................... 48
2.3.1.4 Mơ hình Hopfield cải tiến ............................................................. 50
2.3.2 Mơ hình độ trễ đối lưu cho thành phần ướt ............................................ 53
2.3.2.1 Mơ hình Ifadis: ............................................................................ 53

2.3.2.2 Mơ hình Mendes: ......................................................................... 53


2.3.2.3 Mơ hình Mops: ............................................................................ 53
2.3.2.4 Mơ hình Hopfield: ........................................................................ 54
2.3.2.5 Mơ hình Hopfield cải tiến: ........................................................... 55
2.3.3 Mơ hình khí quyển chuẩn ...................................................................... 55
2.4 HÀM ÁNH XẠ ........................................................................................... 57
2.4.1 Hàm ánh xạ CfA-2.2 ............................................................................. 58
2.4.2 Hàm ánh xạ Ifadis ................................................................................. 59
2.4.3 Hàm ánh xạ MTT .................................................................................. 59
2.4.4 Hàm ánh xạ NMF.................................................................................. 60
2.4.5 Hàm ánh xạ GMF.................................................................................. 61
2.5 TÓM TẮT VÀ KẾT LUẬN ....................................................................... 64
CHƯƠNG 3: THUẬT TOÁN XÁC ĐỊNH ĐỘ TRỄ ĐỐI LƯU THIÊN ĐỈNH VÀ
CHỈ SỐ HƠI NƯỚC TẠI CÁC TRẠM ĐO GPS .................................. 65
3.1. CƠ SỞ LÝ THUYẾT ................................................................................ 65
3.1.1 Các phương pháp xử lý số liệu đo GPS.................................................. 65
3.1.1.1 Phương pháp xử lý tương đối....................................................... 65
3.1.1.2 Phương pháp xử lý tuyệt đối ......................................................... 66
3.1.2 Bộ lọc Kalman ...................................................................................... 66
3.1.2.1 Giới thiệu về bộ lọc Kalman ......................................................... 66
3.1.2.2 Cơng thức Kalman:...................................................................... 68
3.1.2.3 Thuật tốn Kalman:..................................................................... 70
3.2 XÁC ĐỊNH ĐỘ TRỄ ĐỐI LƯU THIÊN ĐỈNH BẰNG PHƯƠNG PHÁP
XỬ LÝ TUYỆT ĐỐI................................................................................. 72
3.2.1 Xác định ma trận số hạng tự do L .......................................................... 72
3.2.2 Các mơ hình chức năng ......................................................................... 73
3.2.3 Mơ hình sai số ....................................................................................... 74
3.3 THUẬT TỐN XÁC ĐỊNH ĐỘ TRỄ ĐỐI LƯU THIÊN ĐỈNH BẰNG

PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ TUYỆT ĐỐI ................................................... 76
3.4 XÁC ĐỊNH ĐỘ TRỄ ĐỐI LƯU THIÊN ĐỈNH TẠI TRẠM ĐO IGS ..... 78
3.4.1 Số liệu sử dụng...................................................................................... 78
3.4.2 Kết quả.................................................................................................. 79


3.5 PHƯƠNG PHÁP CHUYỂN ĐỔI ĐỘ TRỄ ĐỐI LƯU THIÊN ĐỈNH
SANG CHỈ SỐ HƠI NƯỚC ..................................................................... 81
3.5.1 Cơ sở lý thuyết ...................................................................................... 81
3.5.2 Kết quả.................................................................................................. 82
3.5.3 Kỹ thuật lọc nhiễu ................................................................................. 82
3.6 TÓM TẮT VÀ KẾT LUẬN ....................................................................... 85
CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ XỬ LÝ TẠI MỘT SỐ TRẠM ĐO Ở VIỆT NAM ............... 87
4.1 THIẾT KẾ LƯỚI....................................................................................... 87
4.2 KẾT QUẢ ................................................................................................... 89
4.2.1 Giá trị TZD ........................................................................................... 89
4.2.2 Giá trị PWV .......................................................................................... 92
4.2.3 Nhận xét................................................................................................ 95
4.3 SỰ LIÊN HỆ GIỮA GIÁ TRỊ PWV VÀ ĐIỀU KIỆN THỜI TIẾT TRÊN
KHU VỰC ................................................................................................. 96
4.4 TÓM TẮT VÀ KÉT LUẬN ....................................................................... 99
CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN ............................................................................................ 100
5.1 CÁC VẤN ĐỀ ĐẠT ĐƯỢC ..................................................................... 100
5.2 NHỮNG KHÓ KHĂN VÀ HẠN CHẾ .................................................... 101
5.3 HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI ............................................................. 102
TÀI LIỆU THAM KHẢO............................................................................................ 103


Trang 1

MỞ ĐẦU

1. TÍNH CẦN THIẾT CỦA ĐỀ TÀI
Chỉ số hơi nước (precipitable water vapor – PWV) là số lượng toàn bộ hơi
nước tại một điểm trên bề mặt trái đất, được biểu diễn là độ cao của một cột chất
lõng tương đương.
Chỉ số hơi nước và độ trễ điện ly rất cần thiết trong công tác dự báo thời tiết,
xử lý trị đo GPS chính xác cao, kỹ thuật INSAR (kỹ thuật dựa trên độ lệch pha của
tín hiệu radar để tính tốn và xử lý ảnh)...
 Trong dự báo thời tiết, người ta rất muốn theo dõi tiến triển của các cơn
bão, mưa nên người ta thường dùng bóng thám khơng, sóng water vapor
radiometer (WVR) [10]. Nhưng cả hai phương pháp trên đều có những trở
ngại riêng: bóng thám khơng thì được sử dụng ít, đắt tiền và tuổi thọ khơng
cao; cịn sóng WPR thì khơng dùng được trong lúc trời mưa... Vì vậy dùng
GPS như là cơng cụ để lấy chỉ số PWV phục vụ dự báo thời tiết.
+ Những thập niên gần đây, thiên tai đã tàn phá dữ dội trái đất của chúng
ta: sóng thần ở Thái Lan, lũ lụt ở Ấn Độ... gần đây nhất là động đất ở
Trung Quốc đã gây hậu quả rất nghiêm trọng: làm chết rất nhiều người,
thiệt hại rất nhiều tiền của, tàn phá thiên nhiên, tài nguyên, môi trường..
Chúng ta có thể làm giảm bớt được hậu quả của thiên tai bằng dự báo
trước các khả năng xảy ra của thiên tai để có cách đối phó, xử lý hợp lý.
+ Có nhiều cách để dự báo thiên tai: theo kinh nghiệm thực tế: nhìn trời
âm u thì đốn sẽ có mưa, sau khi mưa thì trời sẽ có nắng...; theo kinh
nghiệm của cha ơng: “chuồn chuồn bay thấp thì mưa, bay cao thì nắng,
bay vừa thì râm”, bìm bịp kêu thì nước lớn...; theo khoa học: đo địa
chấn của đất, nghiên cứu quy luật di chuyển của một số loài động vật để
dự báo về động đất, lũ lụt...; ngành thiên văn học ngắm sự di chuyển
các vì sao trên trời để dự báo về thời tiết; ngành khí tượng thủy văn sử

Trang 2
dụng bóng thám khơng để đo nhiệt độ, áp suất, độ ẩm... của tầng đối lưu
để phục vụ dự báo thời tiết (trong đó các thơng số về độ ẩm là quan
trọng nhất); đặt các trạm quan trắc tại một số khu vực đặt biệt để theo
dõi các thông số về khí tượng, thủy văn; tạo ra các vườn cây để nghiên
cứu sự thay đổi của cây theo thời tiết... Ngồi ra, người ta cịn dùng ảnh
vệ tinh để dự báo thời tiết.
+ Việc dự báo thời tiết chiếm vai trò rất quan trọng trong hầu hết đời sống
sinh hoạt hàng ngày của con người: nông dân cần biết diễn biến của
thời tiết trong ngày hay ngày hôm sau để bố trí cơng việc đồng áng
thuận lợi; ngư dân cần biết diễn biến thời tiết để quyết định thời điểm ra
khơi đánh cá và thời điểm để trở về đất liền; nhà thầu xây dựng cần biết
diễn biến thời tiết để có kế hoạch thực hiện cơng việc của mình tốt
hơn... Vì vậy hầu hết mọi người đều xem dự báo thời tiết để sắp xếp
công việc được thuận lợi hơn.
+ Một nhu cầu cần thiết là cần có một công cụ khác để phục vụ dự báo
thời tiết, người ta đang nghiên cứu một phương thức khác để thay thế
bóng thám khơng sao cho có lợi về kinh tế nhưng vẫn đảm bảo độ chính
xác dự báo tương đương.
 Trong việc xử lý các trị đo bằng công nghệ GPS địi hỏi độ chính xác cao,
hoặc xử lý các đường đáy dài, độ trễ đối lưu là chướng ngại rất lớn trong
việc xác định độ cao và chiếm vai trị quan trọng trong việc nâng cao độ
chính xác kết quả xử lý. Để cải thiện điều này, ta cần hiểu biết chính xác về
tầng đối lưu, các mơ hình hiệu chỉnh độ trễ đối lưu có sẵn và ưu nhược
điểm của nó.
+

Hiện nay, người ta sử dụng các tham số hiệu chỉnh tầng đối lưu chủ
yếu dựa vào các mơ hình hiệu chỉnh có sẵn, hoặc kết kết quả từ trung
tâm IGS. Những mơ hình có sẵn như HOPFIELD, MENDES, MOPS...

cung cấp các tham số này với độ chính xác tương đối. Cịn việc lấy kết
quả từ trung tâm IGS thì cho kết quả chính xác tại các vị trí đặt trạm đo,


Trang 3
nhưng các trạm này đặt rất xa nước ta và phải mất nhiều thời gian mới
cung cấp kết quả chính xác được.
+ Việc loại bỏ sai số này là vấn đề cần thiết, vì vậy ảnh hưởng của tầng
đối lưu cũng phải được xem xét như là một ẩn số để giải trong q trình
tính tốn.
 Trong việc xử lý kỹ thuật INSAR, người ta rất cần biết ảnh hưởng của tầng
đối lưu vào sự lan truyền tín hiệu, để hiệu chỉnh dữ liệu đo.
+ Trong kỹ thuật INSAR, phase của tín hiệu xung phản hồi được so sánh
với phase của sóng tham chiếu. Trên thực tế, phase của SAR chỉ là hiệu
phase giữa phase tín hiệu xung phản hồi và phase tín hiệu tham chiếu.
Hiệu phase này được hình thành do độ dài đường truyền sóng từ mục
tiêu tới bộ cảm biến có thể đã thay đổi theo chênh cao, điều kiện tầng
khí quyển, nhiễu và trị biến dạng…
+ Hai thơng tin hợp thành hình ảnh InSAR bao gồm:
 Cường độ của tín hiệu phản hồi, tức là có bao nhiêu sóng đã phản
hồi về phía vệ tinh và có bao nhiêu sóng đã bị hấp thu trên đường đi.
 Giá trị phase trên đường đi của sóng.
+ Mỗi điểm trên ảnh vệ tinh đều có hai thơng tin về cường độ và phase
của sóng:
 Cường độ được dùng để mơ tả vật liệu đã phản xạ sóng và phương
vị đã có.
 Giá trị phase được dùng bằng cách khác, khi vệ tinh rada trở lại quét
ngay trên cùng vị trí Trái đất đã được quét và xác định phase lần
trước thì hiệu phase sẽ được xác định: nếu phase thay đổi thì có
nghĩa là đã có một ngoại lực nào đó đã tác động vào phản xạ trên

vùng đất. Từ đó, chúng ta có thể đo được mức độ và hướng chuyển
động của đối tượng trên vùng đất này.
+ Các nguồn sai số liệt kê dưới đây có thể ảnh hưởng đến giá trị phase:
 Nhiễu nhiệt độ.


Trang 4
 Sai số phase do công nghệ xử lý.
 Sai số phase do chênh lệch chút ít về vị trí quan sát.
 Sai số phase do biến đổi phase giữa các lần thu thập dữ liệu.
 Sai số phase do thay đổi khí quyển giữa các lần thu thập dữ liệu.
 Sai số phase do tình trạng quá dài của các đường đáy vng góc.
+ Trong đó sai số do ảnh hưởng của tầng khí quyển là quan trọng nhất. Vì
vậy để giảm bớt ảnh hưởng của tầng khí quyển (bao gồm cả tầng đối
lưu lẫn tầng điện ly), người ta đang nghiên cứu xây dựng các mơ hình
chính xác để loại trừ ảnh hưởng này trong trị đo phase.
Xuất phát từ các nhu cầu thực tiễn trên, đề tài tập trung nghiên cứu các phương
pháp xác định độ trễ đối lưu từ trị đo GPS, từ đó chúng ta sẽ ứng dụng vào các lĩnh
vực quan tâm như: xứ lý trị đo pha GPS, dự báo thời tiết, kỹ thuật INSAR trong
Viễn thám...
Từ độ trễ đối lưu, ta có thể chuyển đổi sang chỉ số PWV – là một yếu tố quan
trọng trong công tác dự báo thời tiết. Trên cơ sở đó, cung cấp cho các nhà dự báo
thời tiết một công cụ mới về việc xác định các yếu tố khí tượng thủy văn.
Cơng nghệ GPS đã trở nên rất thông dụng, được ứng dụng rộng rãi trong nhiều
lĩnh vực khoa học kỹ thuật cũng như là sản xuất của các Cơng ty, Nhà máy, Xí
nghiệp trên tồn lãnh thổ Việt Nam; là cơng cụ khơng thể thiếu của các cơng ty có
liên quan đến Trắc địa, Bản đồ.
2. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU
 Nghiên cứu các phương pháp xác định độ trễ đối lưu từ trị đo GPS, từ đó
chọn lựa ra phương pháp thích hợp nhất trong điều kiện Việt Nam.

 Nghiên cứu phương pháp chuyển đổi từ độ trễ đối lưu sang chỉ số hơi nước
(PWV).
 Nghiên cứu kỹ thuật lọc nhiễu để cải thiện độ chính xác giá trị PWV.
 Đề xuất sử dụng phương pháp mới trong công tác dự báo thời tiết.


Trang 5
 Cung cấp số hiệu chỉnh tầng đối lưu phục vụ xử lý trị đo GPS độ chính xác
cao.
3. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
 Nghiên cứu phương pháp xác định độ trễ thiên đỉnh tầng đối lưu: xác định
độ trễ thành phần ướt, độ trễ thành phần khô theo hướng thiên đỉnh.
 Khảo sát hàm ánh xạ để tìm độ trễ đối lưu theo hướng bất kỳ: phương pháp
chuyển từ độ trễ đối lưu theo hướng thiên đỉnh sang độ trễ đối lưu theo
hướng bất kỳ.
 Tìm hiểu phương pháp chuyển đổi từ độ trễ đối lưu sang chỉ số PWV.
 Áp dụng kỹ thuật lọc để nhận được kết quả chính xác hơn.
 So sánh kết quả tính tốn với dữ liệu được cung cấp miễn phí trên trạm IGS
gần nước Việt Nam nhất (trạm Côn Minh).
 Đề xuất giải pháp trong việc xác định chỉ số hơi nước phục vụ công tác dự
báo thời tiết, xử lý trị đo GPS độ chính xác cao.
4. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
 Xây dựng mơ hình tính các giá trị tổng độ trễ đối lưu theo hướng thiên đỉnh
(TZD) theo từng thời điểm.
 Nội suy chỉ số hơi nước (PWV) dựa vào các số liệu ở trên.
 Chỉ nghiên cứu hậu xử lý, không nghiên cứu xử lý thời gian thực.
5. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU
 Thực hiện nghiên cứu từ các kết quả đo trên toàn lãnh thổ Việt Nam từ
ngày 23/09/2007 đến ngày 30/09/2009.
 Các số liệu đã có sẵn tại 05 trạm: Khu vực Hà Nội 03 điểm (Hà Nội, Quảng

Ninh, Điện Biên); miền Trung 01 điểm (Đà Nẵng) và 01 điểm tại trạm Côn
Minh – Trung Quốc.


Trang 6
6. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN
6.1 Ý NGHĨA KHOA HỌC
 Đánh giá mức độ ảnh hưởng của tầng đối lưu tại lãnh thổ Việt Nam
 Kết quả nghiên cứu này sẽ cho thấy độ chính xác của chỉ số hơi nước PWV
của mơ hình xây dựng sẽ tốt hơn dữ liệu lấy từ IGS do các trạm IGS đặt rất
xa Việt Nam (trạm gần nhất là trạm Cơn Minh – Trung Quốc).
 Chúng ta có thể khảo sát được độ chính xác của các dữ liệu cho từ mơ hình
và loại bỏ những dữ liệu có sai số lớn.
6.2. Ý NGHĨA THỰC TIỂN
 Trong lĩnh vực dự báo thời tiết:
+ Sử dụng phương pháp này sẽ tiết kiệm được nhiều chi phí, kinh phí đầu
tư chỉ có 01 lần.
+ Phương pháp này sẽ cung cấp cho ta số liệu liên tục bất kể ngày đêm,
bất kể điều kiện thời tiết xấu tốt…
 Trong lĩnh vực GPS: cung cấp dữ liệu độ trễ đối lưu chính xác hơn dữ liệu
cho từ trạm IGS lân cận.
 Trong lĩnh vực Viễn thám: cung cấp các chỉ số PWV phục vụ kỹ thuật
INSAR (Interferometry Synthetic Aperture Radar).
Tóm lại, với những tính cần thiết và ý nghĩa như đã nêu trên, rất cần khảo sát
các chỉ số hơi nước bằng công nghệ đo GPS để xem xét, đề xuất phương pháp
mới ứng dụng trong các lĩnh vực quan tâm. Các chương mục sau sẽ làm rõ các
vấn đề nêu trên.


Trang 7

CHƯƠNG 1: CƠ SỞ ĐỊNH VỊ GPS

1.1. KHÁI QUÁT VỀ GPS
GPS có tên đầy đủ tiếng Anh là: NAVigation System with Time And Ranging
Global Positioning System. Đây là một hệ thống radio hàng hải dựa vào các vệ tinh
để cung cấp thơng tin về vị trí 3 chiều và thời gian chính xác.
GPS là kết quả phối hợp của hai đề án độc lập đã bắt đầu vào đầu những năm
1960: chương trình TIMATION của Hải quân Mỹ và đề án 621B của Không lực
Mỹ. Vệ tinh GPS đầu tiên được phóng vào quỹ đạo vào năm 1973.
GPS trước hết là một hệ thống hàng hải quân sự, được thiết kế, hỗ trợ tài
chính, khai thác và điều khiển bởi Bộ Quốc Phòng Mỹ. GPS sẵn sàng cho sử dụng
dân sự vào năm 1984. Hiện nay GPS được sử dụng miễn phí cho cộng đồng dân sự
nhưng ở một mức độ giới hạn.
1.1.1. Bộ phận không gian
Theo thiết kế ban đầu:
 Vệ tinh GPS ở các quỹ đạo gần trịn.
 Góc nghiêng 55 độ.
 6 mặt phẳng quỹ đạo.
 4 vệ tinh trên mỗi mặt phẳng quỹ đạo.
 Độ cao khoảng 20200 km.
 21 vệ tinh hoạt động và 3 vệ tinh dự trữ.
Hiện nay số lượng vệ tinh tăng dần lên 32 cái (2009).


Trang 8

Hình 1.1: Hình minh họa các vệ tinh bay xung quanh mặt đất
1.1.2. Bộ phận trạm điều khiển
Để có thể theo dõi, quan trắc các vệ tinh GPS và truyền dữ liệu này về trạm

điều khiển chính (Master Control Stration - MCS), hệ thống các trạm GPS được
thiết kế và lắp đặt tại các vị trí khắp nơi trên thế giới. Đầu tiên, Không lực Mỹ đã
đặt 5 trạm quan trắc tại Colorado Springs (Tây Bắc Mỹ) , Hawaii (Đơng Thái Bình
Dương), Ascension (Nam Đại tây Dương), Diego Garcia (giữa Ấn Độ Dương) và
Kwajalein (Tây Thái Bình Dương). Các trạm này được mang tên đầy đủ là AirForce Tracking Station. Trong 5 trạm nói trên thì trạm Colorado Springs là trạm
điều khiển chính.
Sau khi đưa 5 trạm nói trên vào hoạt động, Cục Bản đồ và ảnh Quốc gia Mỹ
(NIMA – National Imagery and Mapping Agency) đã thiết lập bổ sung thêm 07
trạm quan trắc nữa tại Washington D.C (Đơng Bắc Mỹ), Ecuador (phía Bắc của
Nam Mỹ), Argentina (phía Nam của Nam Mỹ), Anh (Tây âu), Barain (Trung Đông
Châu á), Bắc Kinh (Trung Quốc), Australia (phía Nam của Austrailia). Các trạm
này có tên là NIMA Tracking Station.

Hình 1.2: Các trạm điều khiển GPS trên thế giới


Trang 9
1.1.3. Bộ phận người sử dụng
Là các máy thu đặt trên mặt đất, bao gồm phần cứng lẫn phần mềm:
 Phần cứng có nhiệm vụ thu tín hiệu vệ tinh để rút ra trị đo khoảng cách từ
máy thu đến vệ tinh và tọa độ vệ tinh ở thời điểm đo.
 Phần mềm có nhiệm vụ xử lý các thông tin trên để cung cấp tọa độ của máy
thu.
1.1.4. Ứng dụng
Hiện nay, cùng với các ưu điểm của GPS như các vệ tinh có thể được quan sát
trên một vùng lãnh thổ rộng lớn như quốc gia hay lục địa để ứng dụng định vị thời
gian thực và vị trí bất kỳ khơng chỉ trên biển mà cịn ở trên mặt đất, trong không
gian cho đối tượng đứng yên hay chuyển động và đặc biệt là có thể xác định vào bất
cứ thời điểm nào trong 24h/ngày, trong mọi điều kiện thời tiết. GPS được ứng dụng
rộng rãi trong nhiều lĩnh vực:

 Phục vụ trong các ngành giao thông: hàng hải, đường sắt, đường bộ giúp
các tàu thuyền, xe cộ, tàu lửa có thể định vị, xác định vị trí khi lưu thơng dễ
dàng;
 Phục vụ trong ngành hàng không dùng để điều khiển hướng bay.
 Phục vụ trong lãnh vực viễn thám, GIS như xây dựng bản đồ, thu thập các
lớp dữ liệu chuyên đề, giám sát các đối tượng di động, ứng dụng định vị địa
lý, ứng dụng địa động lực học, theo dõi sự chuyển động của lớp vỏ trái đất
Trong đó, việc ứng dụng GPS trong lãnh vực Trắc Địa được xem là bước đột
phá, góp phần thúc đẩy sự phát triển mạnh mẽ của ngành này, giúp cải tiến phương
pháp đo truyền thống như khơng địi hỏi tính thơng hướng giữa các trạm đo, độ
chính xác định vị cao và ngày một được cải thiện …
Bên cạnh đó cịn có cơng nghệ đo động RTK giúp cho việc xác định vị trí của
một đối tượng được dễ dàng và chính xác như ứng dụng GPS đo động trong cơng
tác quản lý xe Taxi, tìm đường đi thông qua công nghệ bản đồ GPS MAP, …


Trang 10
1.2. TÍN HIỆU VÀ TRỊ ĐO GPS
1.2.1. Tín hiệu
Mỗi vệ tinh GPS phát cùng một loại tín hiệu trên hai tần số của quang phổ điện
từ: L1 ở 1575.42 MHz và L2 ở 1227.60 MHz.
Ở giải tần sóng cực ngắn này, tín hiệu truyền đi rất tập trung theo hướng phát,
do đó dễ bị khóa và phản xạ từ các vật rắn và mặt nước. Tín hiệu dễ dàng xuyên qua
các đám mây. Tín hiệu bao gồm 3 thành phần cơ bản:
 Hai sóng tải L-band.
 Mã đo khoảng cách điều biến trên các sóng tải.
 Thơng báo hàng hải.

Hình 1.3: Cấu trúc tín hiệu vệ tinh GPS

Trang 11
1.2.2. Trị đo
Tín hiệu phát ra từ antenna GPS là tín hiệu phức tạp trộn lẫn trên hai tần số
sóng tải là hai mã đo khoảng cách C/A, P và thông báo hàng hải. Nhiệm vụ của
máy thu là thực hiện một quá trình ngược (giải mã) với những gì đã diễn ra ở vệ
tinh (mã hóa). Tức tách ra các thành phần từ tín hiệu phức hợp và máy thu sẽ cung
cấp các trị đo khoảng cách dựa vào mã PRN và sóng tải.
Bảng 1.1: Các trị đo GPS
STT

Thành phần

Tần số (MHz)

Chip
length (m)

1.

Tần số cơ bản

f0

=10.23

Sóng tải L1

154.f0

=1575.42
(=19.0cm)

2.

Sóng tải L2

120.f0

=1227.60
(=24.4cm)

3.

Mã P

f0

=10.23

29.3

4.

Mã C/A

f0/10

= 1.023

293

5.

Thông báo hàng f0/204 600

=50.10-6

hải
Theo [1] và [25]:
 Mã C/A (C/A-code) với ý nghĩa là “clear/access” hay “coarse/acquisition”
được tham khảo như mã thơ (độ chính xác thấp). Mã C/A trộn với thông
báo hàng hải (Navigation message) được dùng để điều biến sóng tải L1.
 Mã P (P-code) với ý nghĩa là “private” hay “precise” được tham khảo như
mã tinh (độ chính xác cao). Mã P trộn với thông báo hàng hải được sử dụng
để điều biến hai sóng L1 và L2.


Trang 12
 Thông báo hàng hải là 1 khung 5 khung con mỗi khung con có 10 words,
mỗi word có 30 bit; mỗi khung 4 và 5 mỗi khung gồm 25 trang; khung 5
chứa tình trạng và bản lịch của các vệ tinh từ 1 đến 24; khung 4 chứa tình
trạng và bản lịch của các vệ tinh từ 25 đến 32; khung 2 và 3 là các tham số
quỹ đạo, khung 1 là hệ số hiệu chỉnh đồng hồ.
 L1 và L2 khơng chứa thơng tin, các sóng tải L1 và L2 là sóng Radio phân
cực trịn có khả năng lan truyền qua khí quyển ở khoảng cách lớn.
 Mã C/A và mã P được xem như thước đo – chúng cung cấp phương tiện để
máy thu GPS có thể đo khoảng cách một chiều từ máy thu đến vệ tinh. Cả
hai loại mã này đều có đặc tính nhiễu ngẫu nhiên (random noise), nhưng
chúng thực chất được sinh ra bằng các thuật tốn tốn học. Do đó, chúng

cịn được gọi là “nhiễu giả ngẫu nhiên: pseudo random noise-PRN”).
1.2.2.1 Mã giả khoảng cách
Mã giả khoảng cách là “khoảng cách” giữa vệ tinh GPS ở thời điểm truyền tín
hiệu nào đó và máy thu ở thời điểm nhận nào đó. Vì thời gian truyền và nhận tín
hiệu khác nhau, khơng thể đo được khoảng cách thực tế giữa vệ tinh và máy thu.
Một định nghĩa cơ bản của trị giả khoảng cách pseudorange observable là:


TRUE

 c    

 

(1.1)

ρ là trị giả khoảng cách được tính từ phương trình thời gian ánh sáng ρTRUE là
hiệu khoảng cách giữa vị trí của máy thu tại thời điểm nhận tín hiệu thật và vị trí
của vệ tinh tại thời điểm truyền tín hiệu và cuối cùng là biases do sai số của đồng
hồ.
1.2.2.2 Pha sóng tải
Pha sóng mang của tín hiệu, không yêu cầu truyền thông tin thực, được định
nghĩa như sau:
 
 c      N

TRUE

 

với

(1.2)


Trang 13

  

Số chu kỳ N không được biết và khác nhau đối với mỗi bộ máy thu - vệ tinh.
Chỉ cần kết nối giữa máy thu và vệ tinh bị phá vỡ, N giữ nguyên hằng số trong khi
pha fractional beat thay đổi theo thời gian, vì bản chất nhập nhằng của N, có thể giải
bài tốn thơng qua việc dùng mã giả khoảng cách hoặc việc ước lượng. Việc mất
khóa tín hiệu giữa vệ tinh và máy thu được xem như là "cycle slip" . Nếu khóa tín
hiệu được thiết lập trở lại, một sự nhập nhằng mới sẽ tồn tại và buộc phải giải bài
toán theo cách tách biệt các trị nhập nhằng gốc.
1.3. NGUYÊN TẮC ĐỊNH VỊ BẰNG VỆ TINH
1.3.1 Cơng thức tốn học
Định vị GPS tuyệt đối là một kiểu định vị GPS thường được sử dụng, chỉ dùng
một máy thu GPS để quan trắc và xác định vị trí từ số liệu GPS quan trắc được.
Phần sau sẽ giới thiệu nguyên lý chung của máy thu dựa trên kiểu định vị này.
Cấu trúc tín hiệu GPS cho phép máy thu xác định trực tiếp một khoảng cách
giả pi. Đây là khoảng cách giữa vệ tinh và máy thu, cộng với một số sai số:
(1.3)

pi = c(tr - ts).
Trong đó:
‐

c là vận tốc ánh sáng (≈ 3*108 m/s);

‐

ts là thời gian truyền từ vệ tinh;

‐

tr là thời gian nhận được mã của máy thu.

Mặt khác:

p i  rr  ri  c  r   i


 x r  xi 2   y r  y i 2   z r  z i 2
Với:
‐

rr là vị trí của máy thu;

‐

ri là vị trí của vệ tinh tứ i;

 c r   i

(1.4)


Trang 14

‐

(xi, yi, zi) là vị trí của vệ tinh (tính được từ dữ liệu bản lịch vệ tinh) trong
WGS-84;

‐

(xr, yr, zr) là vị trí của máy thu (ẩn số cần xác định) trong WGS-84;

‐

 r là độ trôi đồng hồ máy thu (ẩn số);

‐

 i là tổng các trị sai số liên hệ đến vệ tinh thứ i, đây là nhiễu tương quan

hiện diện trong tín hiệu (đã được tính và biết trước từ dữ liệu GPS thơ).
Đây là một phương trình phi tuyến 4 ẩn số. Do vậy, tọa độ máy thu có thể
được xác định khi có được ít nhất 4 phương trình. Khoảng cách từ máy thu tới vệ
tinh được xác định dựa trên pha sóng mang hoặc trên mã giả khoảng cách. Trong
phần sau chỉ đề cập đến các trị đo khoảng cách giả dựa trên mã. Đây là tiền đề của
hệ thống định vị GPS.
Các hằng số liên quan sử dụng trong các công thức lý thuyết tính tốn:
‐

Vận tốc ánh sáng: c = 2.99792458 x 108 m/s.

‐

Hệ số vạn vật hấp dẫn của trái đất:  = 3.986005*1014 m3/s2.

‐

Tốc độ quay của trái đất:  e =7.2921151467*10-5 rad/s.

‐

Bán trục chính của trái đất: a = 6378137.0 m

‐

Bán trục nhỏ của trái đất: b = 6356752.31m

‐

 = 3.1415926535898.



1.3.2 Các chính sách của Bộ Quốc Phịng Mỹ
 Chính sách SA (Selective Availibility)
SA bắt đầu tác dụng từ ngày 01/07/1991. Nó bao gồm hai thành phần:
+ Thành phần tham số quĩ đạo  tác động vào thông tin quĩ đạo trong
thông báo hàng hải sao cho tọa độ vệ tinh khơng thể tính tốn một cách
chính xác. Tuy nhiên không nhận thấy ảnh hưởng này trên dữ liệu thực.
+ Thành phần số hiệu chỉnh đồng hồ  làm “rung” tần số xuất của đồng
hồ vệ tinh. Từ đó ảnh hưởng trực tiếp vào cả trị đo giả cự ly và trị đo
pha. Sự tác động này làm cho đồng hồ vệ tinh xấu hơn 15-16 lần thông

thường.


Trang 15
Theo các tài liệu tham khảo, tác động này làm độ chính xác định vị tuyệt đối
sai đến 100m về mặt bằng và khoảng 150 – 170 m về độ cao. Tuy nhiên, qua kết
quả khảo sát thực tế cho thấy độ chính xác định vị chỉ tệ hơn khoảng 3 lần. Và vào
tháng 05 năm 2000, tổng thống Mỹ Bill Clinton đã tuyên bố ngừng chính sách này.
 Chính sách AS (Anti - Spoofing)
+ Dưới tác động của chính sách này, một mã W bí mật trộn vào mã P để
tạo ra mã Y. Chỉ có những máy thu đặt biệt (quân sự) mới biết được cấu
trúc của mã Y, do đó mới thu được đo giả cự ly trên mã này. Còn đối
với các máy thu GPS thông thường chỉ thu dược trị đo giả cự ly trên mã
C /A (C1) và sóng tải L1, nghĩa là tương đương máy thu GPS một tần
số.
+ Chính sách này bắt đầu áp dụng từ ngày 31 tháng 01 năm 1994 và cho
tới nay, nó vẫn cịn tồn tại. Các công ty sản xuất máy thu đã đầu tư rất
nhiều công sức, thời gian và tiền của để nghiên cứu các phương pháp
giải mã trên tần số f2 mà không cần có kiến thức về cấu trúc mã Y. Cho
đến hiện nay, có thể nói là họ đã thành cơng nhưng điều này làm cho
giá thành của máy thu trở nên rất đắt tiền.
1.4. CÁC NGUỒN SAI SỐ
Các tín hiệu GPS nhận được từ vệ tinh đến máy thu bị ảnh hưởng sai lệch bởi
nhiều nguồn sai số khác nhau. Có 07 nguồn sai số chính được liệt kê dưới đây:
 Sai số quỹ đạo vệ tinh.
 Sai số đồng hồ vệ tinh.
 Sai số đồng hồ máy thu.
 Sai số do ảnh hưởng của tầng điện ly.
 Sai số do ảnh hưởng của tầng đối lưu.
 Sai số do hiện tượng đa đường.

 Sai số do độ nhiễu tín hiệu.


Trang 16

Hình1.4: Các sai số ảnh hưởng đến trị đo GPS
1.4.1. Sai số quỹ đạo vệ tinh
Bản lịch phát tín được phát ra và cập nhật liên tục bởi 5 trạm điều khiển chính
trên mặt đất thì kết quả dự đốn dựa trên những thơng tin được cung cấp trong q
khứ. Vì vậy, vị trí của các vệ tinh GPS được tính từ bản lịch phát tín thì sai khác so
với vị trí thật sự mà vệ tinh di chuyển. Sự khác biệt này chính là sai số quĩ đạo vệ
tinh. Trước khi chính sách SA (Selective Availibility) được bãi bỏ, sai số quĩ đạo
bao gồm một sai số gọi là  tác động vào thông tin quĩ đạo trong thông báo hàng
hải sao cho tọa độ vệ tinh không thể tính tốn một cách chính xác. Vì vậy, sai số của
quĩ đạo vệ tinh rất lớn.
Lúc bấy giờ, độ chính xác của bản lịch phát tín quĩ đạo là khoảng 2m. Khi sử
dụng dữ liệu quĩ đạo vệ tinh được cung cấp từ tổ chức IGS, thì sai số này giảm đi
một cách đáng kể. Hiện giờ, theo thông báo từ tổ chức IGS cho biết, sai số quĩ đạo
vệ tinh khi sử dụng các bản lịch phát tín từ tổ chức này là 5cm.


Trang 17
Các lực tác động:
 Áp lực bức xạ mặt trời (Solar radiation pressure SRP): đây là lực tạo ra bởi
sự va chạm của phán xạ điện từ trường mặt trời với vệ tinh.
 Albedo (suất phân chiếu): lực do phản xạ từ trái đất của bức xạ trường điện
từ kết hợp các bức xạ nhiệt phát ra bởi trái đất.
 Lực tái phát xạ nhiệt (Thermal Re-radiation Force TRF): gây ra bởi bức xạ
không đẳng hướng của nhiệt phát ra từ vệ tinh.

Hình 1.5: Quỹ đạo vệ tinh bị nhiễu loạn bởi tác động của các photon trong
bức xạ mặt trời, ánh sáng phản xạ từ trái đất và phát xạ photon bởi nhiệt độ vệ tinh.
1.4.2. Sai số đồng hồ vệ tinh
Để làm giảm ảnh hưởng sai số đồng hồ, người ta sử dụng hiệu các trị đo giữa
các vệ tinh cũng như giữa các trạm quan sát.
Độ trôi đồng hồ nguyên tử vệ tinh gây ra các sai lệch về thời gian mà đồng hồ
gởi về cho máy thu và làm cho chu kỳ dao động nội trên vệ tinh thay đổi. Các thông
số hiệu chỉnh độ trôi đồng hồ vệ tinh cũng được trạm giám sát chủ dự đốn và được
phát đi kèm với các thơng số về quỹ đạo vệ tinh.
Phương pháp hiệu chỉnh sai số này:
 Trường hợp định vị điểm:
+ Dùng các thông số hiệu chỉnh đồng hồ trong IGS (Xử lý sau).