Nguyên lý hoạt động và phân tích các nguồn sai số trong kỹ thuật đo cao vệ tinh

Posted by Unknown at 8:00 AM
Kỹ thuật đo cao vệ tinh (Satellite Altimetry) là một trong những kỹ thuật trắc địa không gian trọng lực vệ tinh tiên tiến nhất hiện nay. Kỹ thuật đo cao vệ tinh được ứng dụng để xác định hình dạng – kích thước Trái đất, trường trọng lực Trái đất, nghiên cứu bề mặt Geoid... Ngoài ra, nó còn được áp dụng trong nhiều lĩnh vực khoa học kỹ thuật như Hải dương học, Kỹ thuật Biển, Quản lý Tài nguyên Môi trường, Trắc địa Biển, Địa vật lý… Với mục tiêu bảo vệ chủ quyền biển đảo và chiến lược phát triển  kinh tế hướng ra biển của Việt Nam hiện nay, kỹ thuật đo cao vệ tinh là một công cụ đắc lực cần chú trọng nghiên cứu và phát triển. Trong bài báo, chúng tôi trình bày về lịch sử phát triển của kỹ thuật đo cao vệ tinh và những thành quả đã đạt được, nguyên lý hoạt động của đo cao vệ tinh, đồng thời phân tích các nguồn sai số trong đo cao vệ tinh.   
1. Lịch sử phát triển và những thông số kỹ thuật của các thế hệ vệ tinh hiện nay
Xác định hình dạng trái đất, trường trọng lực trái đất là một trong những nhiệm vụ quan trọng của Trắc địa. Như đã biết, diện tích đại dương chiếm hơn 70% bề mặt Trái đất, do dó công tác nghiên cứu đại dương bằng các thiết bị kỹ thuật đặt trên tàu thuyền không thể thực hiện được với quy mô toàn cầu. Vì vậy, ý tưởng về đo cao vệ tinh nảy sinh từ năm 1969, do W.M. Kaula -một GS Trắc địa vật lý- đề xuất. Sau đó, vào ngày 14/5/1973 cơ quan Hàng không vũ trụ Mỹ (NASA) đã phóng thành công vệ tinh đo cao đầu tiên với tên gọi “Phòng thí nghiệm không gian” – SKYLAB. Trải qua thời gian hơn 30 năm, nhiều nước đã lần lượt phóng các vệ tinh thế hệ tiếp theo, chủ yếu của các cơ quan Hàng không vụ trụ Mỹ, cơ quan Hàng không vũ trụ Châu Âu (ESA) và cơ quan Hàng không vũ trụ Pháp (CNES).
Các thế hệ vệ tinh do NASA phóng bao gồm vệ tinh địa cầu GEOS-3 (1975), vệ tinh nghiên cứu Biển SEASAT (1978), vệ tinh thực hiện các nhiệm vụ Trắc địa GEOSAT (1985), nhiệm vụ của 3 thế hệ vệ tinh này chủ yếu là nghiên cứu Trắc địa Biển, nghiên cứu bề mặt Geoid, khôi phục trường trọng lực Biển, trong đó số liệu do vệ tinh GEOSAT cung cấp có thể tính toán dị thường trọng lực với độ chính xác 3mgal.
Các thế hệ vệ tinh do ESA phóng bao gồm vệ tinh viễn thám thế hệ 1 ERS-1 (1991) vệ tinh viễn thám thế hệ 2 ERS-2 (1995). Năm 1992 hai cơ quan hàng không vũ trụ NASA và CNES phối hợp phóng thành công vệ tinh nghiên cứu địa hình mặt biển TOPEX/POSEIDON (T/P). Trên hai vệ tinh T/P và ERS-2 có mang theo nhiều thiết bị quan trắc viễn thám, trong đó có các thiết bị định vị toàn cầu GPS, và thiết bị kỹ thuật nghiên cứu mô hình trọng trường trái đất (JGM-3, EGM), về độ chính xác đo độ cao có thể đạt tới cm, độ phân giải của các dải quét là 10km. Nhiệm vụ chủ yếu của vệ tinh T/P là làm tăng độ chính xác xác định địa hình, động lực bề mặt biển, nghiên cứu các dòng Hải lưu trên toàn cầu. Độ chính xác xác định độ cao khi sử dụng số liệu trùng lặp của nhiều chu kỳ qua nhiều năm tính toán có thể đạt được 3cm.
Hiện nay, thế hệ sau của vệ tinh GEOSAT là Geosat Follow On (GFO) được phóng lên quỹ đạo vào năm 1998, thế hệ sau của vệ tinh T/P là Jason-1 phóng năm 2001, năm 2002 vệ tinh thế hệ sau của ERS-1/2 là ENVISAT-1 cũng đã phóng thành công. Các vệ tinh này được phóng nhằm giải quyết đa mục tiêu như nghiên cứu dự báo về El Nino, La Nina và Hải băng, nghiên cứu thành lập bản đồ Biển, nghiên cứu thủy văn, quản lý Tài nguyên Môi trường Biển, giám sát tàu thuyền, ứng dụng trong quản lý khai thác Nông Lâm Ngư nghiệp, giám sát cảnh báo thiên tai lũ lụt, ô nhiễm… Các thông số kỹ thuật về các thế hệ vệ tinh và nhiệm vụ Trắc địa cơ bản của các thế hệ vệ tinh này được trình bày trong bảng 1.
Bảng 1:Các thông số cơ bản và nhiệm vụ Trắc địa của các thế hệ vệ tinh
Thế hệ vệ tinh
Cơ quan chủ quản
Thời gian phóng lên quỹ đạo
Thông số quỹ đạo
Thời gian trùng lặp
(ngày)
Độ chính xác xác định độ cao
(cm)
Mục đích và phạm vi sử dụng đối với nhiệm vụ nghiên cứu trái đất
Độ cao
(km)
Góc nghiêng
(0)
Skylab
NASA
73.05.14
425
50
——
85-100
Thực nghiệm nguyên lý, nghiên cứu mặt GEOID
Geos-3
NASA
75.04.09
840
115
2
25-50
Nghiên cứu GEOID, Tốc độ gió, sóng biển, Hải băng, Hải lưu
Seasat
NASA
78.06.28
800
108
3/17
20-30
Nghiên cứu GEOID, tốc độ gió, Hải lưu
Geosat
U.S.Navy
85.03.15
800
108
23/17
10-20
Nghiên cứu GEOID, địa hình mặt biển, giám sát hoạt động trên biển
ERS-1
ESA
91.07.17
785
98.5
3/35/168
10
Nghiên cứu địa hình mặt biển, hoạt động trên biển, Môi trường Biển, Hải băng
T/P
NASA
CNES
92.08.10
1336
66
10
6
Nghiên cứu GEOID, Địa hình mặt biển, Chuyển động tuần hoàn đại dương
ERS-2
ESA
95.04
785
98.5
3/35/168
10
Nghiên cứu địa hình mặt biển, hoạt động trên biển, Môi trường Biển, Hải băng
GFO
U.S.Navy
98.02.10
800
108
17
——
Nghiên cứu GEOID, địa hình mặt biển, hoạt động trên biển
Jason-1
NASA
CNES
2001.12
1336
66
10
2.5
Đo cao so với mặt nước biển, địa hình mặt biển, chuyển động tuần hoàn đại dương
Envisat-1
ESA
2002.02
799.8
98.5
35
——
Như ERS-1/2, đồng thời giám sát môi trường biển
ICEsat
ESA
2003.01
590
94
183
4.5
Nghiên cứu địa hình mặt biển, Môi trường Biển, Hải băng, mây
Jason-2
NASA
CNES
2008.06
1336
66
10
2.5
Đo cao so với mặt nước biển, địa hình mặt biển, chuyển động tuần hoàn đại dương
Cryosat-2
ESA
2010.04
717
92
369
2.5
Nghiên cứu địa hình mặt biển, Môi trường Biển, Hải băng

2. Nguyên lý hoạt động của kỹ thuật đo cao vệ tinh
Nguyên lý hoạt động chính của kỹ thuật đo cao vệ tinh dựa trên nguyên lý bài toán vật lý tính quãng đường khi đã biết vận tốc và thời gian: 
 
Từ vệ tinh có lắp đặt thiết bị phát đi tín hiệu rada dạng xung (tần số 13.5 GHz) [1] đến bề bặt nước biển, sau đó sóng xung này phản hồi lại hệ thống sẽ xác định được thời gian lan truyền, biết được tốc độ lan truyền xung, hoàn toàn có thể tính được khoảng cách từ vệ tính đến bề mặt phản hồi (xem hình 1).
Để tính khoảng cách từ mặt nước biển đến bề mặt Ellipsoid trái đất. người ta sử dụng công thức sau [1]:
Trong công thức (2a): e là độ dẹt của Ellipsoid, jS là vĩ độ của vệ tinh thời điểm xét. Lưu ý rằng e rất nhỏ mà bán kính quỹ đạo vệ tinh lại rất lớn nên CR tính theo (2a) sẽ rất nhỏ, do vậy số cải chính CR chỉ dùng trong phân tích lý thuyết. Chúng ta có thể tính h bằng công thức thực nghiệm sau:
      Các tham số trong công thức (3): Dr là sai số quỹ đạo, Dr là sai số trị quan trắc, robs là trị quan trắc trực tiếp từ bề mặt phản xạ đến thiết bị đặt trên vệ tinh, rc là khoảng cách từ vệ tinh đến tâm trái đất, có thể tính toán được nhờ các thông số lịch vệ tinh {Xs(t), Ys(t), Zs(t) hoặc Bs(t), Ls(t), Hs(t)} [1, 4].
Mặt khác khoảng cách mặt nước biển tức thời đến bề mặt Ellipsoid còn có thể được tính theo công thức sau:
                       
Trong công thức (4): N là độ cao của bề mặt Geoid, z là khoảng cách từ mặt nước biển trung bình đến mặt Geoid, zt là khoảng cách từ mặt nước biển tức thời đến mặt nước biển trung bình. t là số hiệu chỉnh thủy triều, w là số hiệu chỉnh khí tượng tổng hợp của sóng, gió và khí quyển¼ [1].
Căn cứ vào công thức (3) và công thức (4) ta có:
  
Trong công thức (9) Dh là chênh cao mặt biển, dùng trong tính toán xử lý số liệu địa hình mặt biển, đây cũng là mô hình toán học cơ bản của kỹ thuật đo cao vệ tinh. Các tham số chính trong công thức đã thể hiện được một số loại sai số ảnh hưởng đến trị đo, tuy nhiên vẫn chưa bao gồm ảnh hưởng của các yếu tố vật lý khác.
3. Phân tích ảnh hưởng của các nguốn sai số trong kỹ thuật đo cao vệ tinh
            Nguyên lý của đo cao vệ tinh là dùng sóng Rada, sóng Rada lan truyền trong không gian ở độ cao cách mặt phản xạ hàng nghìn km sẽ là nguyên nhân sinh ra các nguồn sai số do môi trường, ngoài ra còn kể đến các sai số do kỹ thuật thiết kế chế tạo hệ thống và các yếu tố vật lý khác. Có thể phân loại các nguồn sai số trong đo cao vệ tinh thành 3 loại: Sai số do kỹ thuật thiết kế hệ thống; Sai số quỹ đạo vệ tinh; Sai số do môi trường.
3.1. Sai số do kỹ thuật thiết kế hệ thống
Sai số do kỹ thuật thiết kế hệ thống là sai số không thể tránh khỏi của các ngành kỹ thuật nói chung và kỹ thuật đo cao vệ tinh nói riêng, bao gồm những nguồn sai số sau:
-        Sai lệch do hệ thống giám sát: Trong thiết kế tính toán và giám sát độ cao của quỹ đạo vệ tinh người ta dùng một loại sóng phản hồi liên lạc giữa trạm giám sát mặt đất và vệ tinh, tuy nhiên do sự ly tán sóng phản hồi dẫn đến sai lệnh độ cao quỹ đạo vệ tinh.
-        Sai số do méo tín hiệu: Cường độ và tốc độ của tín hiệu phát đi và thu về không giống nhau do ảnh hưởng của bộ điều khiển và tính toán của thiết bị gây ra.
-        Sai số do đồng hồ.
Sai số tổng hợp của thiết kế hệ thống trong đo cao vệ tinh hiện nay khoảng 2-3cm.
3.2. Sai số do quỹ đạo vệ tinh
Quỹ đạo vệ tinh khi vận hành thực tế sẽ không thể được như thiết kế về góc nghiêng, độ cao... do sự sai lệch giữa tọa độ vệ tinh {XS(t), YS(t), ZS(t) hoặc BS(t), LS(t), HS(t)} tính toán theo lịch vệ tinh và tọa độ thực tế của nó. Đây là nguyên nhân trực tiếp và cũng có ảnh hưởng lớn nhất đến kết quả của trị đo cao vệ tinh. Sai số quỹ đạo vệ tinh chủ yếu phân làm ba loại: Sai số bán kính quỹ đạo, Sai số khí áp, Sai số do ảnh hưởng của thủy triều. Nguyên nhân gây ra sai số quỹ đạo vệ tinh là do trọng trường trái đất, do khí áp, do hiện tượng thủy triều và lực hút giữa các hành tinh... làm cho tọa độ của vệ tinh thực tế và tọa độ của vệ tinh tính toán theo lịch vệ tinh có sai lệch. Từ các thế hệ vệ tinh đầu tiên như SKYLAB, GEOS-3, SEASAT đến các thế hệ gần đây, sai số này đã giảm được đáng kể, đặc biệt là với thế hệ vệ tinh Topex/Pseidon thì sai số này chỉ còn vài cm và có thể làm giảm nhỏ nữa khi sử dụng phần mềm có chức năng hậu xử lý [3].
3.3. Sai số do môi trường
Tín hiệu Rada truyền từ vệ tinh đến bề mặt phản xạ và phản hồi lại, đã lan truyền qua tầng điện ly, tầng đối lưu, tiếp xúc với sóng biển¼ là nguyên nhân gây ra loại sai số này. Sai số do môi trường chủ yếu được phân làm 3 loại: Sai số ảnh hưởng của điện từ, Sai số ảnh hưởng của tầng điện ly, Sai số do ảnh hưởng của tầng đối lưu. Nguồn sai số này đối với các thế hệ vệ tinh sau này đã được cải thiện đáng kể. Với các phần mềm mới dùng mô hình toán thông kê, sai số này có thể giảm xuống đáng kể chỉ còn 1cm [3, 4].
Trị đo cao vệ tinh bị ảnh hưởng của rất nhiều loại sai số, để ứng dụng được trong thực tế cần hiệu chỉnh trị đo, lúc này để tính toán khoảng cách từ vệ tinh đến bề mặt Ellipsoid chúng ta dùng công thức sau [4]:
 
trong công thức (10): H là khoảng cách từ vệ tinh đến mặt Ellipsoid, r là trị quan trắc, h0 là độ cao địa hình mặt biển so với mặt Ellipsoid, Dhsg là sai số quy tâm thiết bị, Dhm là sai số do máy móc, Dha là sai số do khí áp, DhEMbias là sai số điện từ, Dhg là sai số do mặt geoid, Dht là sai số do Thủy triều, e là các sai số khác.
Một số loại sai số cụ thể của các thế hệ vệ tinh đo cao được thống kê trong bảng 2.
 
4. Kết luận
Kỹ thuật đo cao vệ tinh hiện nay đã đạt được nhiều thành tựu vượt bậc, như ứng dụng liên hợp số liệu của vệ tinh Jason-1 và Envisat-1 để xác định trường trọng lực Biển trên phạm vi toàn cầu đạt độ chính xác 3mgal - 5mgal [1, 6]; hay nghiên cứu ứng dụng liên hợp số liệu của nhiều thế hệ vệ tinh đo cao trong xây dựng mô hình QuasiGeoid 2000 ở Trung Quốc với độ chính xác 1dm [1]¼ Tuy nhiên ở Việt Nam, đo cao vệ tinh là kỹ thuật khá mới mẻ. Điều này đặt ra sự cần thiết nghiên cứu về lý thuyết xử lý số liệu cũng như khả năng ứng dụng trong điều kiện nước ta. Đặc biệt cần đi sâu nghiên cứu phương pháp xử lý kết hợp số liệu của các thế hệ vệ tinh đo cao với số liệu trọng lực mặt đất và số liệu GPS thủy chuẩn trong xác định mô hình thủy triều, mô hình Geoid, trường trọng lực Trái đất
                                                     Bùi Thị Kiên Trinh – Đại học Thủy Lợi 
Labels:

0 comments:

Subscribe to: Post Comments (Atom)