Ảnh hưởng của các yếu tố ăng ten đến kết quả đo GPS

vào lúc 02:29

1. Sự định hướng ăng ten và ảnh hưởng của độ lệch và sự biến thiên tâm pha của ăng ten.

Tâm vật lý của ăng ten là điểm mà các nhà sản xuất ăng ten GPS qui định. Tâm pha của ăng ten là một điểm mà tương ứng với nó thực hiện đo các tín hiệu điện từ. Về cơ bản, tâm pha không tương ứng với tâm vật lý của ăng ten. Tâm pha ăng ten máy thu lại không phải là một điểm duy nhất mà luôn thay đổi theo phương truyền sóng (antenna phase centre variation). Do đó độ lệch của tâm pha (antenna phase centre offset) so với tâm vật lý phụ thuộc vào góc nghiêng E của tín hiệu vệ tinh, phương vị của  hướng từ máy thu đến vệ tinh và cường  độ của tín hiệu vệ tinh, và khác nhau đối với các sóng mang L1, L2 [27]. Độ lệch của tâm pha phụ thuộc vào chất lượng của ăng ten do các hãng sản xuất. Độ lệch này thường được xác định trong phòng thí nghiệm [27, P. 123].

Độ chính xác của ăng ten chủ yếu phụ thuộc vào sự biến thiên của tâm pha. Tín hiệu vệ tinh có các trường  sóng hình cầu. Do bề mặt của ăng ten không hoàn toàn hình cầu và không hoàn toàn nhẵn, nên xẩy ra sự biến thiên của tâm pha [115, P. 315]. Chính sự biến thiên của tâm pha hạn chế khả năng nhận được các kết quả đo GPS ở mức mm, thậm trí đối với các baselines ngắn [115].
Sự biến thiên của tâm ăng ten có thể đạt tới 1 - 2 cm [27]. Rất khó mô hình hoá sự biến thiên này do sự khác nhau của các kiểu dạng ăng ten.
Để hạn chế ảnh hưởng của độ lệch và sự biến thiên của tâm pha, các hãng sản xuất đề xuất sử dụng các ăng ten cùng loại và được định hướng đồng thời về cùng một hướng (hướng qui ước là hướng Bắc) [115, P. 316].
Theo [41] việc sử dụng mô hình tâm pha IGS - 01 để hiệu chỉnh những  sự khác biệt giữa tâm vật lý và tâm pha ăng ten sẽ nâng cao độ chính xác đo GPS. Mô hình này bao gồm các số hiệu chỉnh (độ lệch và sự biến thiên) phụ thuộc vào góc E và phương vị của tín hiệu đối với các sóng mang tần số L1 và L2. Các số hiệu chỉnh này được đưa vào các phương trình pha. Để xây dựng mô hình này, mỗi ăng ten GPS cụ thể sẽ được kiểm nghiệm tương đối với một ăng ten ổn định nhất được giả sử là không có sai số có tên là Dorne-Margolin T.
Các ăng ten máy thu GPS loại COMPACT L1/2 W /GRND P được sử dụng rộng rãi ở Việt Nam thuộc loại  TRM22020.00+GP. Đối với loại ăng ten này mô hình IGS01 cho các số hiệu chỉnh như sau:
            L­1        83.4    2.4       -1.0
            0.0       0.0       -2.3     -0.6     1.2       2.8       4.2       5.3       5.9       6.2       6.1       5.7       4.9       3.8       2.7            1.5       0.6       .0.0      0.0
            L2        82.5    0.4       2.7
            0.0       0.0       -4.7     -3.4     -2.1     -0.8     0.3       1.2       1.7       1.9       1.8       1.3
            0.7       0.0       -0.8     -1.3     -1.6     -1.2     0.0
Dòng đầu tiên và dòng thứ tư là các số hiệu chỉnh từ tâm vật lý đến tâm pha trung bình theo phương đứng, bắc và đông  (đơn  vị mm). Dòng thứ 2, 3, 5 và 6 là số hiệu chỉnh từ tâm pha trung bình đến tâm pha  thực theo góc E từ 0°, 5°,
10°, 15°,20°,25°,30°,35°,40°,45°,50°,55°,60°,65°,70°,75°,80°,85°,90° cũng theo đơn  vị mm. Đối với một trị đo pha ở góc E bất kỳ, số hiệu chỉnh sẽ được nội suy từ những thời điểm chẵn ở trên.
ảnh hưởng của sự định hướng ăng ten đến pha của sóng  mang  lần đầu tiên được nghiên cứu trong [42]. Sóng điện từ được xem như từ trường quay lan truyền trong không gian từ ăng ten phát đến ăng ten thu. Trong trường hợp lý tưởng, phase đo được ở ăng ten máy thu bằng góc hình học giữa trường  điện từ ở ăng ten máy thu và hướng qui chiếu trên ăng ten. Sự thay đổi sự định hướng ăng ten sẽ làm thay đổi hướng qui chiếu và dẫn đến sự thay đổi pha đo được. Tương tự, thay đổi sự định hướng của ăng ten phát dẫn đến sự thay đổi hướng của trường điện từ ở cả ăng ten phát và ăng ten thu. Theo [42], ảnh hưởng của sự định  hướng ăng ten đến pha sóng mang có thể đạt đến 4 cm đối với baseline 4300 km và  chỉ 2 - 5 mm đối với baseline 480 km. Trong đo đạc GPS độ chính xác cao cần tính đến ảnh hưởng này.

2. Ảnh hưởng độ lệch tâm pha ăng ten phát của vệ tinh đến kết quả đo GPS.

Tọa độ của vệ tinh đựoc tính theo lịch vệ tinh luôn tương ứng với tâm vật chất của  vệ tinh đó. Tuy nhiên, vị trí thực tế mà từ đó tín hiệu được truyền lại là tâm pha ăng ten phát của vệ tinh . Do đó bắt buộc phải  tính cải chính vị trí tâm pha ăng ten phát của vệ tinh trước khi tính khoảng cách từ máy thu đến vệ tinh.
Các số cải chính tâm pha ăng ten phát của vệ tinh được sử dụng trong phần mềm GAMIT [38] thể hiện ở bảng dưới đây.
Bảng 1.3 Các số cải chỉnh tâm pha của vệ tinh trong phần mềm GAMIT

Vệ tinh

dx (m)

dy (m)

dz (m)

Block I
Block II & IIA Block

0,210

0,2794

- 0,0031

0,000

0,000

- 0,0012

0,854

0,9519

1,2053

Các số cải chính dx, dy, dz được cho trong hệ toạ độ định vị vệ tinh, mà trong đó trục Z hướng theo ăng ten của hệ thống đạo hàng và hướng vào tâm Trái đất,  trục Y dọc theo tấm pin mặt trời và vuông góc với véc tơ vệ tinh - mặt trời, còn trục X bổ sung tạo nên hệ toạ độ tay phải.

3. Ảnh hưởng của độ cao ăng ten máy thu trong việc đo GPS.

Vấn đề xác định độ chính xác xác định độ cao ăng ten máy thu GPS là một trong những tiêu chuẩn kỹ thuật quan trọng của việc áp dụng công nghệ GPS trong thực tế đo đạc trắc địa. Trong hàng loạt tài liệu nước ngoài về công nghệ GPS, ví dụ [58, 59] đã chỉ rõ rằng “Sai số đo độ cao ăng ten là nguồn sai số tiềm tàng... công nghệ GPS không giải phóng được dạng sai số đo đạc này” hoặc “các sai lầm trong việc đo độ cao ăng ten là nguồn sai số chung nhất trong đo đạc với công nghệ GPS”.
Để hiểu biết được ảnh hưởng của độ cao ăng ten đến độ chính xác đo đạc GPS và xây dựng tiêu chuẩn kỹ thuật cho việc xác định độ cao ăng ten cần phải nghiên cứu và xác định mối quan  hệ giữa độ cao ăng ten máy thu GPS và các số gia toạ độ ∆Xpq, ∆Ypq, ∆Zpq, giữa 2 điểm p, q (được xác định theo công nghệ GPS).
Trong [92] đã xây dựng mối quan hệ giữa độ cao ăng ten của máy thu và các số gia
tọa độ và hình thành cơ sở cho việc tiêu chuẩn hoá độ chính xác đo độ cao ăng ten.

Hình1.2 Sơ đồ mô tả thu tín hiệu GPS
ở hình trên, M - Tâm mốc; N - tâm phase của ăng ten máy thu; h - độ cao ăng ten; NS = r - giả cự ly từ vệ tinh S đến tâm phase của ăng ten vào thời điểm thu tín hiệu t; E - góc nghiêng (elevation) của tín hiệu vệ tinh so với đường chân trời đi qua tâm phase N; ρ - giả cự ly cần xác định; Z - góc thiên đỉnh.
Vào thời điểm t khi thu đọc tín hiệu từ ít nhất 3 vệ tinh dựa vào các giá trị giả cự ly đo được r và theo phương pháp giao hội cạnh không gian hoàn toàn có thể xác định toạ độ không  gian của tâm pha N trong hệ thống GPS. Từ đây có thể xác định được góc thiên đỉnh Z và tiếp theo là góc E vào thời điểm t (E = 900 - Z). Từ tam giác MNS khi lưu ý h/r < 1 suy ra [92]:
ρ = r + h.sin E.                                                          (1.4)
Công thức (1.4) biểu diễn sự phụ thuộc giữa giả cự ly cần xác định với giả cự ly đo r, đo cao ăng ten h và góc E. Như vậy dựa trên công thức (1.4) chúng ta thấy rõ sự quan trọng của độ cao ăng ten trong công nghệ GPS: nhờ nó có thể thực hiện chuyển giả cự ly r từ vệ tinh đến tâm pha của ăng ten vào mỗi thời điểm thu tín hiệu vệ tinh thành giả cự ly ρ từ vệ tinh đến tâm mốc của điểm đặt máy thu vào thời điểm đó.
Đối với công tác đo đạc GPS độ chính xác cao, việc xác định độ cao ăng ten độ chính xác cao là công việc bắt buộc.  Chúng  ta xem xét tiếp theo việc xác định độ cao ăng ten và sử dụng nó trong quá trình xử lý dữ liệu đo GPS.
Trong thực tế để xử lý các dữ liệu đo GPS cần sử dụng độ cao ăng ten h3 được xác định theo công thức sau:

ở đây d- bán kính (radial) của vòng tròn đĩa ăng ten; b -khoảng cách từ mép dưới ăng ten đến tâm pha điện từ (electrical phase center);  h3 - độ cao từ tâm mốc trắc địa đến tâm pha điện từ. Các giá trị b và d được cho đối với mỗi mô hình ăng ten . Tuy nhiên đối với các phần mềm xử lý dữ liệu đo GPS khác nhau, độ cao ăng ten được đưa vào bởi người sử dụng sẽ khác nhau. Ví dụ đối với phần mềm BERNESE độ cao được đưa vào máy tính là h2 (độ cao từ tâm trắc địa đến đáy base của antenna), thêm vào đó
                                    h2 = h­3 - a,
  ở đây  a  - tham số được cho đối với mỗi mô hình ăng ten.
dưới ăng ten đến tâm pha điện từ (electrical phase center);  h3 - độ cao từ tâm mốc trắc địa đến tâm pha điện từ. Các giá trị b và d được cho đối với mỗi mô hình ăng ten. Tuy nhiên đối với các phần mềm xử lý dữ liệu đo GPS khác nhau, độ cao ăng ten được đưa vào bởi người sử dụng sẽ khác nhau. Ví dụ đối với phần mềm BERNESE độ cao được đưa vào máy tính là h2 (độ cao từ tâm trắc địa đến đáy base của ăng ten), thêm vào đó
                                    h2 = h­3 - a,
ở đây  a  - tham số được cho đối với mỗi mô hình ăng ten
Ở Việt Nam trong đo đạc GPS độ chính xác cao sử dụng rộng rãi loại ăng ten  COMPACT L1/L2 with ground plane tương ứng với mô hình ăng ten  TRM22020.00 + GP (22020-00I)  với các tham số d = 0,23340m;  a = 0,0625m và b = 0,0069m. Hoặc loại antenna ZEPHYR GEODETIC của loại máy thu TRIMBLE 5700. Đối với loại antenna này các tâm pha điện tử của các sóng mang L1 và L2 trùng nhau.
Các kết quả nghiên cứu trong [92] đối với các sóng mang tần số L khác nhau cho bảng sau (m - độ chính xác xác định giả cự ly theo các sóng mang):
Bảng 1.4 Ảnh hưởng độ cao ăng ten đến tín hiệu GPS
Tín hiệu GPS

mr
Độ chính xác đo độ cao ăng ten lớn hơn
E = 100
300
450
600
L1
L2
Dải rộng
Dải hẹp
0,2 cm
0,25 cm
0,862 cm
0,107 cm
0,4 cm
0,5 cm
1,6 cm
0,2 cm
0,1 cm
0,2 cm
0,6 cm
1 mm
1 mm
1 mm
4 mm
0,5 mm
1 mm
1 mm
3 mm
0,4 mm

Như đã thấy ở trên, khi đo đạc GPS bởi các máy thu 1 tần số và 2 tần số yêu cầu độ chính xác xác định độ cao ăng ten rất cao.
Đo đạc độ cao ăng ten  độ chính xác cao là yêu cầu không thể thiếu được trong công tác đo đạc GPS độ chính xác cao. Ảnh hưởng của sai số độ cao ăng ten δH đến sai số vị trí không gian của điểm GPS được đánh giá theo công thức sau:
δX = cosB.cosL.δH,
δY = cosB.sinL.δH,
δZ = sinB.δH
ở đây B và L -vĩ độ và kinh độ trắc địa của điểm.
Lãnh thổ Việt Nam nằm trong vùng với vĩ độ trắc địa thay đổi từ 8-240 và kinh độ trắc địa thay đổi từ 102-1110. Kết quả phân tích dựa trên công thức nêu trên cho thấy trên lãnh thổ Việt Nam, ảnh hưởng của sai số độ cao ăng ten δH đến thành phần δY (trong giá trị tuyệt đối) lớn gấp 3-4 lần ảnh hưởng của sai số đó đến các thành phần δX và δZ. Điều này cho phép kiểm tra sự đúng đắn của việc sử dụng độ cao ăng ten trong quá trình xử lý pha để tính các thành phần của véc tơ baseline theo các cao đo.
Bài tiếp theo: Ảnh hưởng của sự trượt chu kỳ đến kết quả đo GPS

Hãy like nếu bài viết có ích →
Kết bạn với gisgpsrs trên Facebook để nhận bài viết mới nóng hổi

Không có nhận xét nào:

Đăng nhận xét

Đăng nhận xét