Tín hiệu GPS truyền từ vệ tinh tới máy thu chịu ảnh hưởng của nhiều sai số khác nhau. Một trong số chúng là khúc xạ tầng đối lưu. Để hạn chế chúng, có thể áp dụng một số mô hình khí quyển trong quá trình xử lý cạnh. Bài viết xem xét tác động của việc áp dụng các mô hình khí quyển tới độ chính xác lời giải cạnh có tính đến độ lớn của khoảng cách và chênh cao giữa các điểm GPS.
KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ 19 ẢNH HƢỞNG CỦA MÔ HÌNH KHÍ QUYỂN ĐẾN LỜI GIẢI CẠNH GPS CĨ XÉT ĐẾN KHOẢNG CÁCH VÀ CHÊNH CAO INFLUENCE OF ATMOSPHERIC MODELS ON SOLUTION OF GPS BASELINE TAKING INTO ACCOUNT THE DISTANCE AND DIFFERENT IN HEIGHT THS VŨ NGỌC QUANG Trường Đại học Cơng nghệ Giao thơng vận tải Email: quangvn@utt.edu.vn TĨM TẮT: Tín hiệu GPS truyền từ vệ tinh tới máy thu chịu ảnh hưởng nhiều sai số khác Một số chúng khúc xạ tầng đối lưu Để hạn chế chúng, áp dụng số mơ khí q trình xử lý cạnh Bài báo xem xét tác động việc áp dụng mơ hình khí tới độ xác lời giải cạnh có tính đến độ lớn khoảng cách chênh cao điểm GPS TỪ KHÓA: Gps, mơ hình khí quyển, Hopfield, Saastamoinen ABSTRACT: GPS signal transmitted from satellites to receivers is influenced by many different sources of error One of them is the tropospheric refraction Some different atmospheric models can be used to restrict them when processing baselines This paper considers the impact of different models on precision of solution and dependence on the length, different height between GPS points KEYWORDS: Gps, Atmospheric models, Hopfield, Saastamoinen GIỚI THIỆU Các vệ tinh cách Trái đất khoảng 20,200Km Tín hiệu GPS truyền từ vệ tinh đến máy thu qua tầng điện ly tầng đối lưu bị trễ Điều làm cho khoảng cách từ vệ tinh đến máy thu dài khoảng cách hình học chúng Theo đó, khoảng cách mặt đất bị ảnh hưởng C Satirapod and P Chalermwattanachai [1] nghiên cứu “Ảnh hưởng mơ hình khí khác đến độ xác cạnh GPS” Trường hợp Thái Lan; P Wielgosz, S Cellmer, Z Rzepecka, Paziewski and D A Grejner-Brzezinska [2] nghiên cứu ảnh hưởng “Mơ hình tầng đối lưu cho định vị GPS tĩnh nhanh khu vực miền núi” Kết ảnh hưởng chúng đến độ xác cạnh GPS đáng ý CƠ SỞ LÝ THUYẾT [3] Ảnh hưởng tầng đối lưu định nghĩa Trop (n 1)dS (1) Thay số khúc xạ n mức khúc xạ: N Trop 106 (n 1) , (2) Khi (1) viết thành: Trop 10 6 N TropdS (3) Hopfield phân tích NTrop thành phần khô ẩm N Trop N d Trop Nw Trop , NỘI SAN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ GIAO THÔNG (4) Số 02/2016 KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ 20 Trong phần khơ ảnh hưởng phần khí khơ cịn phần ướt ảnh hưởng nước Tương ứng ta có quan hệ d Trop 10 6 N d Trop w Trop 10 6 N w Trop Trop d w Trop dS , (5) dS , (6) Trop 10 6 N d Trop dS 10 6 N w Trop dS (7) Trong công thức (7), khoảng 90% ảnh hưởng xuất từ phần khơ cịn 10% từ phần ướt 2.1 Mơ hình Hopfield Sử dụng liệu bao quanh trái đất, Hopfield biểu diễn chiết quang khô hàm độ cao h so với bề mặt sau Nd Trop ( h) N d , Trop hd h , hd (8) với giả thiết độ dày tầng polytropic đơn là: hd 40136 148,72(T 273,16) (m) (9) Thay (8) vào (5) ta có ảnh hưởng phần khô là: d Trop 6 10 N d ,0 Trop hd h hd dS (10) Tích phân giải dọc theo phương thẳng đứng bỏ qua độ cong đường truyền tín hiệu Khi (10) trở thành h d Trop 10 6 N d ,0 Trop d (hd h) dh hd (11) Khi cận h = tương ứng với vị trí trạm quan sát bề mặt trái đất phần mẫu số rút gọn Sau lấy tích phân, ta có ảnh hưởng phần khô tầng đối lưu là: 10 6 Trop N d ,0 hd (12) Ảnh hưởng phần ướt khó để mơ hình thay đổi mạnh nước theo khơng gian thời gian Trường hợp mơ hình Hopfield sử dụng công thức cho phần ướt d Trop Nw Trop ( h) N w, Trop hw h hw (13) hw 11000m Lấy tích phân (13) hồn tồn tương tự (11) kết là: 106 Trop N w,0 hw Ảnh hưởng tổng hợp tầng đối lưu w Trop Trop 10 6 Trop Trop N d ,0 hd N w,0 hw NỘI SAN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ GIAO THÔNG (14) (15) Số 02/2016 KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ 21 Để ước tính ảnh hưởng tầng đối lưu với tín hiệu vệ tinh có góc cao bất kỳ, sử dụng công thức sau d Trop w Trop 10 6 77,64 P 40136 148,72(T 273,16) , (E) Sin E 6,25 T (E) 10 6 (12,96T 3,718.10 ) e 11000 T2 Sin E 2,25 (16) Đo đạc giá trị P, T, e vị trí điểm quan sát ước tính góc cao E , ảnh hưởng tổng hợp tầng đối lưu tính đơn vị mét 2.2 Mơ hình Saastamoinen Mức độ khúc xạ xem tn theo định luật khí Mơ hình Saatamoinen dựa khái niệm với ước lượng gần Mơ hình Saatamoinen cho ảnh hưởng tầng đối lưu hàm Z, p, T e Trong đó, Z góc thiên đỉnh vệ tinh, P áp suất khí tính milibar, T nhiệt độ Kelvin e áp lực nước tính milibar Mơ hình Saastamoinen có hai số hiệu chỉnh, phụ thuộc vào độ cao vị trí điểm quan sát cịn số hiệu chỉnh thứ hai phụ thuộc vào độ cao điểm quan sát góc thiên đỉnh vệ tinh Trop 0,002277 1255 p 0,05 .e B tan2 Z R cos Z T (17) THỰC NGHIỆM RMS chiều dài cạnh hai thông số quan trọng trọng lời giải GPS [4] Sự thay đổi chúng xem xét áp dụng không áp dụng mơ hình khí khác Các cạnh nghiên cứu có chiều dài từ 3km đến 20km chênh cao từ 10m đến 200m Các kết trình bày bảng Bảng Sự thay đổi thông số theo chiều dài cạnh Cạnh Không áp dụngHopfiled Không áp dụngSaastamoinen Hopfiled - Saastamoinen ΔRMS ΔS ΔRMS ΔS ΔRMS ΔS 0.0052 0.0289 0.0051 0.0286 -0.0001 -0.0003 0.0091 0.0264 0.0090 0.0262 -0.0001 -0.0002 0.0026 -0.0330 0.0026 -0.0330 0.0000 0.0000 0.0026 0.0200 0.0026 0.0200 0.0000 0.0000 0.0007 0.0150 0.0007 0.0150 0.0000 0.0000 ……… …… ……… ………… …………… ………… 21 0.0012 0.0100 0.0012 0.0110 0.0000 0.0010 22 -0.0002 0.0020 -0.0002 0.0030 0.0000 0.0010 23 0.0011 0.0080 0.0011 0.0070 0.0000 -0.0010 NỘI SAN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ GIAO THÔNG Số 02/2016 KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ 22 Bảng cho thấy giá trị RMS giảm sử dụng mô hình khí Tổng số cạnh có số RMS giảm 17/23 cạnh Các cạnh lại cần áp dụng biện pháp khác để xử lý Điều chứng tỏ cạnh tính tốn với độ xác cao sai lệch lớn tìm thấy cạnh có chiều dài lớn (Hình 1) Hình Sự thay đổi RMS (Cạnh dài nhất) Bảng Sự thay đổi thông số theo chênh cao cạnh Cạnh Không áp dụngHopfiled Không áp dụngSaastamoinen Hopfiled Saastamoinen Chênh cao ΔRMS ΔS ΔRMS ΔS ΔRMS ΔS -0.0019 0.0110 -0.0019 0.0120 0.0000 0.0010 -0.0022 0.0080 -0.0022 0.0070 0.0000 -0.0010 -0.0002 0.0020 -0.0002 0.0030 0.0000 0.0010 0.0012 0.0100 0.0012 0.0110 0.0000 0.0010 0.0011 0.0080 0.0011 0.0070 0.0000 -0.0010 0.0091 0.0264 0.0090 0.0262 -0.0001 -0.0002 … ……… ………… ………… ……… ……… ……… 20 0.0008 0.0090 0.0008 0.0090 0.0000 0.0000 21 0.0007 0.0150 0.0007 0.0150 0.0000 0.0000 22 -0.0002 0.0040 -0.0002 0.0040 0.0000 0.0000 23 0.0000 0.0050 0.0000 0.0050 0.0000 0.0000 200 100 NỘI SAN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ GIAO THÔNG 70 50 ˂ 10 Số 02/2016 KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ 23 Trong bảng 2, áp dụng mơ hình khí giá trị RMS nhỏ không áp dụng mô hình Tuy nhiên độ lệch khoảng cách xét đến chênh cao không giống xét đến chiều dài cạnh Kết độ lệch lớn nằm cạnh có chênh cao 50m, khơng phải cạnh lớn Ngược lại cạnh dài thể bảng Sự phụ thuộc độ lệch vào khoảng cách chênh cao minh họa hai biểu đồ Hình Sự thay đổi phụ thuộc vào chiều dài cạnh Hình Sự thay đổi phụ thuộc vào chênh cao NỘI SAN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ GIAO THÔNG Số 02/2016 24 KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ KẾT LUẬN Sử dụng mơ hình khí cần thiết xử lý cạnh có chiều dài lớn Giá trị hiệu chỉnh phụ thuộc vào chiều dài cạnh nhiều vào chênh cao chúng Các điểm khống chế quốc gia nên chọn cho chúng phân bố tương đối thiết kế lưới Điều nhằm làm giảm khác chiều dài cạnh mạng lưới Giá trị hiệu chỉnh vào chiều dài cạnh mơ hình Hopfield Saastamoinen tương đương Khi xử lý số liệu áp dụng hai mơ hình Trong mạng lưới ảnh hưởng tầng đối lưu yếu tố ảnh hưởng đến độ xác lời giải cạnh Việc sử dụng biện pháp can thiệp chuyên sâu khác cần thiết để đạt kết tốt đáp ứng yêu cầu độ xác REFERENCES [1] C Satirapod, P Chalermwattanachai, (2005), Impact of Different Tropospheric Models on GPS Baseline Accuracy: Case Study in Thailand, J of Global Positioning Systems Vol 4, No 1-2: 36-40 [2] P Wielgosz, S Cellmer, Z Rzepecka, Paziewski, D A Grejner-Brzezinska, (2011), Troposphere modeling for precise GPS rapid static positioning in mountainous areas, Meas Sci Technol.22 045101 (1-10) [3] Hofmann-Wellenhof, Lichtenegger, Walse, (2008) Global Navigation satellite systemsGPS, GLONASS, Galileo & more (128-135) [4] Bộ Xây Dựng, (2012), Kỹ thuật đo xử lý số liệu GPS trắc địa cơng trình Ngƣời phản biện: TS Đinh Cơng Hịa - Phó trƣởng Bộ mơn trắc địa phổ thơng sai số Trƣờng Đại học Mỏ - Địa chất NỘI SAN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ GIAO THÔNG Số 02/2016 ... giống xét đến chiều dài cạnh Kết độ lệch lớn nằm cạnh có chênh cao 50m, khơng phải cạnh lớn Ngược lại cạnh dài thể bảng Sự phụ thuộc độ lệch vào khoảng cách chênh cao minh họa hai biểu đồ Hình. .. dài cạnh hai thông số quan trọng trọng lời giải GPS [4] Sự thay đổi chúng xem xét áp dụng không áp dụng mơ hình khí khác Các cạnh nghiên cứu có chiều dài từ 3km đến 20km chênh cao từ 10m đến. .. thuộc vào chiều dài cạnh Hình Sự thay đổi phụ thuộc vào chênh cao NỘI SAN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ GIAO THÔNG Số 02/2016 24 KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ KẾT LUẬN Sử dụng mơ hình khí cần thiết xử lý cạnh có