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 hướng dẫn khoa học : TS NGUYỄN NGỌC LÂU Cán chấm nhận xét : Cán chấm nhận xét : Luận văn thạc só bảo vệ 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 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 sở định vị hệ thống GPS  Tìm hiểu ảnh hưởng tầng đối lưu vào tín hiệu GPS phương pháp khắc phục  Xác định độ trễ đối lưu từ trị đo pha GPS đánh giá độ tin cậy giá trị vừa tính, so sánh với liệu cung cấp tổ chức IGS  Nghiên cứu phương pháp chuyển đổi từ độ trễ đối lưu thiên đỉnh (TZD) sang số nước (PWV)  Đề xuất giải pháp việc xác định số nước phục vụ công tác dự báo thời tiết xử lý trị đo GPS độ 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 đề cương Luận văn thạc sĩ Hội Đồng Chuyên Ngành thông qua CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Họ tên chữ ký) TS NGUYỄN NGỌC LÂU CHỦ NHIỆM BỘ MÔN QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH (Họ tên chữ ký) TS NGUYỄN NGỌC LÂU KHOA QL CHUYÊN NGÀNH (Họ tên chữ ký) LỜI CÁM ƠN Xin chân thành cám ơn tồn thể q thầy Bộ mơn Địa Tin học trường Đại học Bách khoa TP.HCM đặc biệt Thầy TS.NGUYỄN NGỌC LÂU dành nhiều tâm huyết, tận tình hướng dẫn, bảo, truyền đạt kiến thức cho suốt thời gian thực Luận văn Tôi xin dành 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 xây dựng điện tạo điều kiện động viên thời gian thực Luận văn Xin cám ơn tất bạn học, đồng nghiệp giúp giải vướng mắc trình thực Cuối cùng, xin cám ơn Gia đình hỗ trợ tinh thần thời gian để hồn thành tốt Luận văn Tp Hồ Chí Minh, tháng 11 năm 2009 Trang Cao Tun TĨM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ Chỉ số nước khí (precipitable water vapor – PWV) cần thiết công tác dự báo thời tiết, kỹ thuật Insar Viễn Thám… Việc xác định số cách xác vấn đề quan tâm Một kỹ thuật phát triển gần dùng tín hiệu GPS để đo PWV thơng qua độ trễ qua tầng đối lưu [11, 13, 15, 18] Trong Luận văn này, học viên tiến hành nghiên cứu 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 số PWV, sử dụng thuật toán Kalman để xây dựng mơ hình liên tục từ số rời rạc Sau tiến hành phân tích, so sánh kết tính tốn với liệu cung cấp miễn phí trạm IGS gần nước Việt Nam (trạm Côn Minh – Trung Quốc) Áp dụng tính tốn cho số trạm đo GPS lãnh thổ Việt Nam phân tích mối quan hệ với thời tiết diễn khu vực, đề xuất giải pháp xử lý trị đo GPS độ xác cao MỤC LỤC MỞ ĐẦU 1 TÍNH CẦN THIẾT CỦA ĐỀ TÀI MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU NỘI DUNG NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 5 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN 6.1 Ý NGHĨA KHOA HỌC 6.2 Ý NGHĨA THỰC TIỂN CHƯƠNG 1: CƠ SỞ ĐỊNH VỊ GPS .7 1.1 KHÁI QUÁT VỀ GPS 1.1.1 Bộ phận không gian 1.1.2 Bộ phận trạm điều khiển 1.1.3 Bộ phận người sử dụng 1.1.4 Ứng dụng 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 sách Bộ Quốc Phịng 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 tượng đa đường 20 1.4.7 Sai số 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 hai máy thu vệ tinh 24 1.5.2.2 Hiệu hai vệ tinh máy thu 25 1.5.2.3 Hiệu đôi hai vệ tinh hai máy thu 26 1.5.2.4 Sử dụng L3 để loại bỏ ảnh hưởng tầng điện ly 27 1.5.2.5 Sử dụng trị đo hiệu L3 hai vệ tinh máy thu 28 1.5.2.6 Sử dụng sóng dải rộng dải hẹp để xác định trị nguyên đa trị kiểm soát thay đổi tầng điện ly 28 1.5.2.7 Thiết lập L4, L5 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 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 HÓA ẢNH HƯỞNG CỦA TẦNG ĐỐI LƯU VÀO TRỊ ĐO GPS 43 2.3 CÁC MƠ HÌNH HIỆU CHỈNH TẦNG ĐỐI LƯU 44 2.3.1 Mơ hình độ trễ đối lưu cho thành phần khơ 44 2.3.1.1 Mơ hình Saastamoinen 44 2.3.1.2 Mơ hình Mops 46 2.3.1.3 Mơ hình Hopfield 48 2.3.1.4 Mô 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 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 lọc Kalman 66 3.1.2.2 Công thức Kalman: 68 3.1.2.3 Thuật toán 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 L 72 3.2.2 Các mô hình chức 73 3.2.3 Mơ hình sai số 74 3.3 THUẬT TOÁN 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 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 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 MỞ ĐẦU TÍNH CẦN THIẾT CỦA ĐỀ TÀI Chỉ số nước (precipitable water vapor – PWV) số lượng toàn nước điểm bề mặt trái đất, biểu diễn độ cao cột chất lõng tương đương Chỉ số nước độ trễ điện ly cần thiết công tác dự báo thời tiết, xử lý trị đo GPS xác cao, kỹ thuật INSAR (kỹ thuật dựa độ lệch pha tín hiệu radar để tính tốn xử lý ảnh)  Trong dự báo thời tiết, người ta muốn theo dõi tiến triển bão, mưa nên người ta thường dùng bóng thám khơng, sóng water vapor radiometer (WVR) [10] Nhưng hai phương pháp có trở ngại riêng: bóng thám khơng sử dụng ít, đắt tiền tuổi thọ khơng cao; cịn sóng WPR khơng dùng lúc trời mưa Vì dùng GPS công cụ để lấy số PWV phục vụ dự báo thời tiết + Những thập niên gần đây, thiên tai tàn phá dội trái đất chúng ta: sóng thần Thái Lan, lũ lụt Ấn Độ gần động đất Trung Quốc gây hậu nghiêm trọng: làm chết nhiều người, thiệt hại nhiều tiền của, tàn phá thiên nhiên, tài nguyên, môi trường Chúng ta làm giảm bớt hậu thiên tai dự báo trước khả xảy 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 đốn có mưa, sau mưa trời có nắng ; theo kinh nghiệm cha ơng: “chuồn chuồn bay thấp mưa, bay cao nắng, bay vừa râm”, bìm bịp kêu nước lớn ; theo khoa học: đo địa chấn đất, nghiên cứu quy luật di chuyển số loài động vật để dự báo động đất, lũ lụt ; ngành thiên văn học ngắm di chuyển trời để dự báo thời tiết; ngành khí tượng thủy văn sử Trang dụng bóng thám khơng để đo nhiệt độ, áp suất, độ ẩm tầng đối lưu để phục vụ dự báo thời tiết (trong thơng số độ ẩm quan trọng nhất); đặt trạm quan trắc số khu vực đặt biệt để theo dõi thơng số khí tượng, thủy văn; tạo vườn để nghiên cứu thay đổi 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 quan trọng hầu hết đời sống sinh hoạt hàng ngày người: nông dân cần biết diễn biến thời tiết ngày hay ngày hôm sau để bố trí cơng việc đồng thuận lợi; ngư dân cần biết diễn biến thời tiết để định thời điểm khơi đánh cá thời điểm để trở đất liền; nhà thầu xây dựng cần biết diễn biến thời tiết để có kế hoạch thực cơng việc tốt Vì hầu hết người xem dự báo thời tiết để xếp công việc thuận lợi + Một nhu cầu cần thiết cần có cơng cụ khác để phục vụ dự báo thời tiết, người ta nghiên cứu phương thức khác để thay bóng thám khơng cho có lợi kinh tế đảm bảo độ xác dự báo tương đương  Trong việc xử lý trị đo công nghệ GPS địi hỏi độ xác cao, xử lý đường đáy dài, độ trễ đối lưu chướng ngại lớn việc xác định độ cao chiếm vai trò quan trọng việc nâng cao độ xác kết xử lý Để cải thiện điều này, ta cần hiểu biết xác tầng đối lưu, mơ hình hiệu chỉnh độ trễ đối lưu có sẵn ưu nhược điểm + Hiện nay, người ta sử dụng tham số hiệu chỉnh tầng đối lưu chủ yếu dựa vào mơ hình hiệu chỉnh có sẵn, kết kết từ trung tâm IGS Những mơ hình có sẵn HOPFIELD, MENDES, MOPS cung cấp tham số với độ xác tương đối Cịn việc lấy kết từ trung tâm IGS cho kết xác vị trí đặt trạm đo, ... 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 sở định vị hệ thống GPS  Tìm hiểu ảnh hưởng tầng đối lưu vào tín hiệu GPS phương. .. TIÊU NGHIÊN CỨU  Nghiên cứu phương pháp xác định độ trễ đối lưu từ trị đo GPS, từ chọn lựa phương pháp thích hợp điều kiện Việt Nam  Nghiên cứu phương pháp chuyển đổi từ độ trễ đối lưu sang số. .. 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