Xử lý số liệu GLONASS phục vụ nghiên cứu địa động lực7

Tạp chí Các khoa học trái đất 32(4), 343-347 12-2010 Xư Lý Sè LIƯU GLONASS PHơC Vơ NGHI£N CøU ĐịA ĐộNG LựC VY QUốC HảI I Mở ĐầU Văn liệu giới thờng đề cập ba hệ định vị toàn cầu (Global Positionning System - GPS) chủ yếu HƯ NAVSTAR GPS Mü qu¶n lý, hƯ GLONASS Liên Xô (cũ) thiết lập hệ Gallieo đợc cộng đồng châu Âu đa vào hoạt động Cho đến nay, quy mô nh u thơng mại, ứng dụng chủ yếu triển khai hệ NAVSTAR GPS, hệ định vị toàn cầu thờng đợc hiểu NAVSTAR GPS đợc gọi tắt GPS Hệ GLONASS đợc thiết lập từ năm 1970 Sau thời gian gặp nhiều trở ngại (kinh tế, ổn định trị) từ năm 2000 trở lại hệ đợc củng cố phát triển Hệ Galileo đà đợc triển khai tích cực, dự kiến 2010 đa vào hoạt động Về bản, hệ chia làm ba đoạn (segment) : đoạn điều khiển, đoạn không gian đoạn sử dụng ; việc hoạt động nớc (tổ chức) sở hữu điều hành tất nhiên ngời sử dụng phụ thuộc lớn vào việc điều hành Vì vậy, nớc tổ chức cố gắng thiết lập phát triển hệ định vị toàn cầu cho riêng (ngoài hệ GPS hệ GLONASS, hệ Galileo có hệ Trung Quốc, ấn Độ, ) Với vai trò ngời sử dụng, việc ứng dụng đồng thời nhiều hệ định vị mang lại nhiều lợi ích : TiÕt kiƯm kinh phÝ : cïng mét tỉ hợp thiết bị thu đợc khối lợng số liệu lớn ; Nâng cao hiệu ứng dụng : kÕt qu¶ xư lý tÝn hiƯu hai hƯ cã thĨ bổ sung, hỗ trợ kiểm tra độ tin cậy, rút ngắn độ dài ca đo nâng cao độ xác ; Hạn chế việc phụ thuộc vào độc quyền hệ Trên giới, để đáp ứng nhu cầu trên, thời gian gần đây, hÃng sản xuất thiết bị thu tín hiệu đà tung thị trờng máy thu không thu đợc tín hiệu GPS mà ghi tín hiệu hệ khác [4] (trớc mắt tÝn hiƯu cđa hƯ GLONASS, tiÕp theo cã thĨ lµ Galileo) Mét sè tæ chøc quèc tÕ (IGS - International GPS Service : tỉ chøc dÞch vơ GPS qc tÕ), nh nớc đà sử dụng thiết bị cho thu thập số liệu nớc ta công nghệ định vị toàn cầu đợc du nhập ứng dụng từ năm 1990 Trong thời gian gần đây, số đơn vị đà trang bị số máy thu hai loại tín hiệu GPS vµ GLONASS ViƯc xư lý sè liƯu GPS ë n−íc ta đà mang lại thành công định ; GPS đà đợc ứng dụng trắc địa, đồ Đặc biệt, với thiết bị phần mềm mạnh (GPSurvey, Bernese, Gamit), công nghệ GPS công cụ thiếu nghiên cứu chuyển dịch đại nói riêng, địa động lực nói chung Tuy vậy, việc xử lý số liệu GLONASS sở văn liệu công bố gần nh cha đợc đề cập Vì vậy, việc tìm hiểu, xử lý số liệu GLONASS Gallileo (trong tơng lai) thực nhu cầu cấp bách Về bản, thuật toán nh quy trình xử lý số liệu GLONASS tơng tự nh số liệu GPS, song có khác biệt số, liệu hỗ trợ Với quy mô không gian nhỏ độ xác không cao, liền với máy thu, thông thờng có phần mềm xử lý Các ứng dụng nghiên cứu địa động lực thờng có yêu cầu độ xác cao có thể, quy mô không gian lớn Bởi vậy, dịp việc xử lý số liệu GLONASS đợc thực theo phơng thức chuyển đổi sang dạng RINEX xử lý phần mềm chuyên dụng (khoa học) đợc cập nhật số liệu hỗ trợ nhằm phục vụ hớng nghiên cứu Quy trình xử lý số liệu nêu hoàn toàn đáp ứng yêu cầu ứng dụng thông thờng II Số LIệU Và PHƯƠNG áN Xử Lý Khởi đầu, nh GPS, hệ GLONASS đợc thiết lập nhằm phục vụ mục đích quân Do nhiều lý do, việc phát triển hệ thống không đợc liên tục, có nhiều gián đoạn Đến năm 2005, toàn 343 hệ thống có 14 vệ tinh hoạt động sử dụng cho trắc địa dẫn đờng Theo chơng trình phát triển GLONASS 2001-2010, đến 2008 hệ thống có 18 vệ tinh gồm ba loại : GLONASS, GLONASS-M GLONASS-K [1, 4], hoµn thiƯn toµn bé hƯ thèng cã 24 vƯ tinh Kh¸c víi GPS, c¸c vƯ tinh GLONASS phân bố ba quỹ đạo (GPS có sáu quỹ đạo) tín hiệu đợc truyền tần số bản, song có hiệu chỉnh theo số hiệu vệ tinh Trên sở quan điểm nêu trên, số liệu đo trạm IGS lân cận nớc ta, cụ thể điểm : BAKO, COCO LHAZ đợc lựa chọn đa vào xử lý Cũng xin lu ý, cho dù khu vực có nhiều điểm IGS, song có điểm có số liệu ®o GLONASS Sè liƯu cđa ca ®o liªn tơc có DOY (ngày năm) 094, 095, 096, 097 098 năm 2010 điểm BAKO, COCO LHAZ đà đợc khai thác (bảng 1) GLONASS sử dụng ellipsoid PZ-90 (GLONASS) với vai trò hệ quy chiếu cho toàn hệ thống Ngoài thực địa, 33 điểm phân bố chủ yếu lÃnh thổ Liên Xô (cũ) thiết lập ghi nhận hệ tọa độ này, phục vụ cho việc xác định vị trí nh cung cấp lịch vệ tinh quảng bá Bảng Các thông số số liệu khai thác Tơng tự nh GPS, việc xác định lịch vƯ tinh chÝnh x¸c (Precise GLONASS ephemerides) cã ý nghÜa quan träng viƯc xư lý sè liƯu cã quy mô không gian lớn có độ xác cao Hiện nay, khuôn khổ IGS, có 50 trạm liên tục, thiết lập lới quan trắc vệ tinh GLONASS, bốn trung tâm xử lý nhằm tính toán lịch vệ tinh xác Vì vậy, lịch vệ tinh xác đạt sai số cỡ cm, hoàn toàn đáp øng viƯc xư lý hËu kú ViƯc lùa chän sè liệu đa vào xử lý dịp yêu cầu nhiều cân nhắc Về nguyên tắc, xử lý ca ®o cã sè liÖu GLONASS bÊt kú, vËy sè liệu điểm IGS đợc lựa chọn có nhiều u : - Hạ tầng thiết bị điểm đạt chuẩn IGS, đảm bảo số lợng nh chất lợng số liệu, thông tin minh bạch thuận lợi cho việc khai báo cho phần mềm xử lý - Có tọa độ hệ tọa độ toàn cầu, có độ xác cao đợc công bè chÝnh thøc, cã thĨ khai th¸c miƠn phÝ tõ Internet - Độ dài cạnh cỡ hàng ngàn kilomet, thích hợp cho việc thử nghiệm xử lý lới có quy mô không gian lớn với độ xác cao có thể, đáp ứng yêu cầu nghiên cứu chuyển dịch đại Điểm Máy thu Anten Số tƯp ®o BAKO LEICA GRX1200GGPRO COCO TRIMBLE NETR5 LHAZ TPS E_GGD LEIAT504GG LEIS AOAD/M_T NONE ASH701941.B SNOW 5 Phần mềm Bernese đợc lựa chọn xử lý chuỗi số liệu đà khai thác, : - Phần mềm có khả cập nhật, sử dụng hàng loạt số, liệu hỗ trợ : lịch vệ tinh xác, tâm pha anten (máy thu, vệ tinh), chuyển động cực, địa triều, thủy triều, mô hình khí đáp ứng yêu cầu cho việc xử lý số liệu lới có không gian lớn - Phần mềm đà đợc khai thác thành công xử lý số liệu GPS hàng loạt lới khảo sát chuyển dịch vỏ Trái Đất nớc ta nh khu vực : lới dọc theo đứt gẫy Sông Hồng, Sông Đà [2], Lai Châu - Điện Biên khảo sát chuyển dịch vỏ Trái Đất lân cận chấn tâm động đất Sumatra ngày 26-12-2004 [3] III KếT QUả Và BàN LN ViƯc xư lý sè liƯu b»ng phÇn mỊm Bernese đợc tiến hành theo bớc : - Từ điểm IGS khai thác xử lý ca đo liên tục ngày-đêm (độ dài ca đo 24 giờ) với số lợng ca đo đủ lớn, để đạt độ xác định xử lý lới khu vực - Khai thác v chuẩn bị số liệu : số liệu đo điểm IGS đợc khai thác từ Internet, giải nén nhận đợc dạng Rinex Tọa độ điểm IGS05 đợc khai thác tính chuyển liên quan tới thời điểm ca đo - Bên cạnh yếu tố kỹ thuật thuận lợi trên, tất số liệu khai thác miễn phí, nên tiết kiệm đợc nhiều kinh phí phải tổ chức đo đạc, thu thập số liệu thực địa - Khai thác cập nhật tệp số liệu hỗ trợ : khai thác chuẩn bị tệp lịch vệ tinh xác dạng thích hợp với phần mềm Khai thác cập nhật tệp số liệu hỗ trợ phần mềm (tệp 344 trạng vệ tinh, chuyển động cực, tâm pha anten, thđy triỊu ) - Xư lý theo tõng bớc đến kết bình sai : xử lý số liệu phần mềm Bernese gồm công đoạn : chuyển đổi số liệu sang dạng thích hợp với Bernese, chuyển đổi lịch vệ tinh, xác định sai số đồng hồ, thiết lập phơng trình cạnh, tính cạnh cuối bình sai toàn lới Tất bớc đợc thực theo trình đơn theo phơng thức đối thoại ngời-máy - Kiểm tra kết xử lý : viƯc xư lý sÏ diƠn theo tõng ca ®o, qua bớc phải kiểm tra, đảm bảo thành bớc đáp ứng chất lợng cho bớc sau Việc bình sai toàn lới (kết hợp ca đo) thực ca đo đợc xử lý đạt yêu cầu Sau khai thác, giải nén số liệu đo, thu thập liệu hỗ trợ số liệu đà đợc xử lý theo trình đơn cho ngày đo tổng hợp cho đợt đo Kết cuối tọa độ bình sai, song để phân tích độ xác cách đầy đủ, kết xác định độ dài cạnh đợc tập hợp bảng Trong bảng 2, số liệu cột độ dài cạnh tính từ tọa độ điểm nhận đợc từ IGS IGS05 (gọi tắt độ dài IGS) Cột độ dài tính từ số liệu GLONASS ca đo (gọi tắt độ dài GLONASS) sai số liên quan (cột 5) Cột hiệu chỉnh độ dài ca đo so với giá trị trung bình sai số liên quan Cột hiệu độ dài tính từ GLONASS so với độ dài IGS Nhận xét chung nhÊt cã thĨ rót : sè liƯu GLONASS ®· đợc xử lý thành công phần mềm Bernese Các bớc xử lý đà đợc tiến hành chặt chẽ theo trình đơn, qua bớc đợc kiểm tra đà đạt đợc kết cuối Về chất lợng xử lý (vấn đề then chốt) cần phân tích đánh giá dựa : - Độ xác tính cạnh theo phần mềm thông báo ; - So sánh độ dài cạnh nhận đợc từ xử lý số liệu cạnh tính đợc từ tọa độ điểm ; - So sánh tọa độ bình sai tọa ®é IGS Tõ sè liƯu b¶ng cã thĨ thÊy : - Sai số tính cạnh từ phần mềm (cột 5) dới cm khoảng cách 1265 km, 2-3 cm độ dài 4.500 km ; sai số tơng đối trung bình xấp xỉ : 150.000.000 Đây thông số thể độ xác cao, cho dù sai số tính cạnh phần mềm thông báo thờng "quá xác" Bảng Tổng hợp kết tính cạnh Cạnh Ca đo (1) (2) IGS (3) Độ dài cạnh GLONASS (4) RMS (5) Hiệu chỉnh (6) Hiệu (4) - (3) (7) BAKO-COCO 1265326.754 1265326.754 1265326.754 1265326.754 1265326.754 1265326.754 1265326.771 1265326.775 1265326.757 1265326.718 1265326.779 1265326.760 0.007 0.005 0.007 0.008 0.009 0.011 0.015 -0.003 -0.042 0.019 0.025 0.016 0.020 0.002 -0.036 0.025 0.005 BAKO-LHAZ 4257262.182 4257262.182 4257262.182 4257262.182 4257262.182 4257262.182 4257262.311 4257262.343 4257262.235 4257262.164 4257262.410 4257262.292 0.023 0.017 0.018 0.020 0.029 0.019 0.051 -0.057 -0.128 0.118 0.096 0.129 0.161 0.053 -0.018 0.228 0.111 COCO-LHAZ 4257262.182 4257262.182 4257262.182 4257262.182 4257262.182 4567097.719 4257262.311 4257262.343 4257262.235 4257262.164 4257262.410 4567097.811 0.023 0.017 0.018 0.020 0.029 0.019 0.051 -0.057 -0.128 0.118 0.088 0.129 0.161 0.053 -0.018 0.228 0.092 94 95 96 97 98 Trung bình sai số 94 95 96 97 98 Trung bình sai số 94 95 96 97 98 Trung bình sai số 345 - Bởi vậy, sai số tính từ cạnh ca đo đợc tập hợp lần lợt 2,5 cm độ dài 1.265 km, xấp xỉ cm cạnh có độ dài 4.500 km, sai số tơng đối xấp xỉ : 50.000.000 1.256 km, xÊp xØ 10 cm ë kho¶ng cách 4.500 km Điều quan trọng, theo phơng trình đờng thẳng hồi quy, coi độ dài GLONASS "dài hơn" so với độ dài IGS - Các sai số mang tính nội Từ góc nhìn khách quan, so sánh độ dài cạnh từ số liệu GLONASS với độ dài cạnh tính từ tọa độ nhận đợc từ IGS, độ lệch đợc tổng hợp cột biểu diễn trực quan hình So với giá trị trung bình tính từ ca đo, độ lệch mm khoảng cách Với phân tích trên, nói kết đạt độ xác cao, cho dù có so với kết xử lý số liệu GPS với quy mô lới tơng đơng Điều số lợng vệ tinh thu đợc tín hiệu vị trí, thời điểm hệ GLONASS so với hệ GPS 250.0 Độ lÖch (mm) 200.0 150.0 100.0 y = 0.0299x - 30.93 50.0 0.0 1000 -50.0 2000 Series1 3000 4000 Linear (Series1) 5000 Độ dài (km) Hình Độ lệch độ dài GLONASS IGS Bên cạnh việc so sánh cạnh, việc kiểm tra đánh giá theo tọa độ đợc tiến hành Bảng tập hợp kết bình sai với điều kiện tọa độ điểm BAKO đợc cố định Tọa độ trớc bình sai (A priori value) đợc tính từ tệp tọa độ IGS05 liên quan tới đợt đo Bảng Kết bình sai tọa độ Tên trạm đo COCO 50127M001 LHAZ 21613M002 Kiểu Toạ độ trớc bình sai Toạ độ sau bình sai Hiệu chỉnh Sai sè X Y Z -741950.6450 6190961.6737 -1337767.9267 -741950.6416 6190961.6762 -1337767.8984 0.0034 0.0025 0.0283 0.0016 0.0028 0.0007 U N E -35.2874 -121118.042256 9650 2.297134 -35.2913 -121118.041343 9650 2.297013 -0.0039 0.0282 -0.0037 0.0028 0.0007 0.0016 X Y Z -106941.6743 5549269.8374 3139215.0720 -106941.6775 5549269.8282 3139215.1094 -0.0032 -0.0092 0.0374 0.0069 0.0060 0.0021 0.0106 0.0372 0.0033 0.0058 0.0026 0.0069 U N E 3624.5972 293926.397700 91 614.500121 Theo kết bảng 3, tọa độ xác định tõ ca ®o GLONASS lƯch so víi täa ®é công bố IGS theo không gian chiều điểm COCO (cách điểm BAKO 1.265 km) 2,9 cm, ®iĨm LHAZ (c¸ch ®iĨm BAKO 4.257 km) 3,9 cm NÕu xét quan điểm sai số tơng đối, độ xác tọa độ đà đợc cải thiện so với độ xác cạnh 346 3624.6078 293926.398903 91 614.500246 Xin lu ý, độ lệch cạnh tọa độ nhận đợc từ xử lý số liệu GLONASS với giá trị tơng ứng tính đợc từ tọa độ IGS gồm hai thành phần : - Sai số trình xử lý số liệu ; - Tọa độ (và độ dài tính từ giá trị này) IGS đợc xác định từ việc quan trắc với thời gian dài (nhiều năm) bình sai toàn lới gồm nhiều điểm toàn cầu, tất nhiên có sai khác so với kết xử lý lới cục gồm điểm với số liệu ca đo Từ có thĨ coi sai sè kÕt qu¶ xư lý sè liƯu GLO-NASS nhỏ giá trị đà dẫn KếT LUậN Với việc lựa chọn phơng án nghiên cứu hợp lý, khai thác số liệu phù hợp, làm chủ phần mềm tiên tiến, số liệu GLONASS đợc xử lý thành công đến kết cuối lới có quy mô không gian lớn Dựa lựa chọn tọa độ điểm nhận đợc từ IGS liên quan tới thời gian tiến hành ca đo sở để so sánh, việc phân tích độ xác kết xử lý đà cho thấy : - Với khoảng cách 4.500 km, sai số tuyệt đối tính cạnh cỡ cm, sai số tọa độ bình sai (có cạnh tham gia) đà nhỏ 3,9 cm ; - Với khoảng cách trên, sai số tơng đối xác định cạnh nhỏ 1: 50.000.000 Từ kinh nghiƯm xư lý sè liƯu GPS l−íi cã quy m« tơng tự, bớc đầu nhận xét độ xác kết xử lý GLONASS có so với độ xác kết xử lý số liệu GPS Tuy vậy, liên quan tới vấn đề cần có khảo sát chi tiết Một lần nữa, xin nhấn mạnh, việc xử lý thành công số liệu GLONASS với độ xác cao bớc khởi đầu quan trọng, mở hội ứng dụng nhiều hệ định vị toàn cầu khác thời gian tiÕp theo ë n−íc ta TµI LIƯU DÉN [1] E Alexei Zinoviev, Topcon Positioning Systems CIS, LLC (2005) : Using GLONASS in combined GNSS Receivers : Current Status ION GNSS 18th International Technical Meeting of the Satellite Division, 13-16 September 2005, Long Beach, CA [2] Vy Quốc Hải, Trần Đình Tô, Dơng Chí Công, 2005 : Xác định chuyển dịch đại đới đứt gẫy Sông Đà đới ®øt gÉy S¬n La - BØm S¬n b»ng sè liƯu GPS Tạp chí Các Khoa học Trái Đất 4, 306-311, Hà Nội [3] Vy Quốc Hải, 2009 : Nghiên cứu đặc điểm chuyển dịch vỏ Trái Đất theo thời gian lân cận chấn tâm động đất Sumatra 26-12-2004 từ số liệu IGS Tạp chí Các Khoa học Trái §Êt, 2, 184-190 [4] M.P Stewart, M Tsakiri, J Wang and J.F Monico, 2000 : The contribution of GLONASS measurements to regional and continental scale geodetic monitoring regimes Earth Planets Space, 52, 877-880 SUMMARY Processing GLONASS data for geodynamics study The application of two (or more) global positioning systems offers many practical benefits In recent times, outside the GPS, GLONASS system was developed, to meet the surveying, navigation requirements, so the GLONASS data processing has become necessary In this paper, some GLONASS data of IGS sites have been processed by Bernese software The processing results achieved satisfactory accuracy with relative errors of approximately 1:50 000 000 This success set the stage for the application of the systems (GLONASS system and the immediate future Galileo) for works in large spatial scale with high accuracy Ngày nhận : 10-9-2010 Viện Địa chÊt 347 ... xư lý l−íi cơc bé gåm điểm với số liệu ca đo Từ ®ã cã thĨ coi sai sè kÕt qu¶ xư lý số liệu GLO-NASS nhỏ giá trị đà dẫn KếT LUậN Với việc lựa chọn phơng án nghiên cứu hợp lý, khai thác số liệu. .. số liệu hỗ trợ phần mềm (tệp 344 trạng vệ tinh, chuyển động cùc, t©m pha anten, thđy triỊu ) - Xư lý theo bớc đến kết bình sai : xử lý số liệu phần mềm Bernese gồm công đoạn : chuyển đổi số liệu. .. Xin lu ý, độ lệch cạnh tọa độ nhận đợc từ xử lý số liệu GLONASS với giá trị tơng ứng tính đợc từ tọa độ IGS gồm hai thành phần : - Sai số trình xử lý số liệu ; - Tọa độ (và độ dài tính từ giá trị