Ảnh hưởng của sự trượt chu kỳ đến kết quả đo GPS

Vào từng thời điểm thu được sóng mang tần số L₁ (hoặc L₂) từ một vệ tinh nào đó, thiết bị đo pha trong máy thu chỉ đo được phần lẻ của pha sóng mang (trong  đơn vị chu kỳ). Tuy nhiên, thiết bị đo pha không xác định được số nguyên đa lần bước sóng từ vệ tinh đó đến máy thu vào thời điểm đầu tiên thu được tín hiệu vệ tinh. Số nguyên lần bước sóng nêu trên được gọi là trị nguyên đa trị. Thiết bị đo pha có bộ đếm (counter) cho phép tích luỹ số các bước sóng trôi qua kể từ thời điểm đầu tiên thu được tín hiệu từ vệ tinh đó [43].

Trong thực tế đo đạc GPS có thể xẩy ra hiện tượng mất tín hiệu (loss of lock of the phase lock loop). Nguyên nhân của hiện tượng này bao gồm [27]:

- Sự cản tín hiệu vệ tinh của cây cối, các khối nhà, địa hình...,

- Sự nhiễu tín hiệu vệ tinh do các tuyến điện cao thế, các sóng cơ yếu hoặc vô tuyến truyền hình,...v...v;

- Sự nhiễu loạn của tầng điện ly và ảnh hưởng của hiện tượng đa đường truyền. Hệ quả của hiện tượng nêu trên dẫn đến đến sự nhảy vọt đột ngột trong các trị đo pha bởi số nguyên lần chu kỳ. Sự nhảy vọt này được gọi là sự trượt chu kỳ (cycle slip) [115, P. 352]. Kết quả là bộ đếm của thiết bị đo pha không tích luỹ được chính xác số các bước sóng trôi qua. Sự trượt chu kỳ gây ra các sai số thô trong các trị đo pha. Do đó việc kiểm tra sự có mặt của sự trượt chu kỳ và sửa chữa  trị đo pha do sự trượt chu kỳ là công việc bắt buộc đối với quá trình hiệu chỉnh toán học các trị đo pha trong bài toán xử lý dữ liệu GPS độ chính xác cao. Nếu tại thời điểm t xẩy ra hiện tượng trượt chu kỳ đối với trị đo pha của sóng  mang từ máy thu j đến vệ tinh i, thì trong tất cả các hiệu pha kép được tính sau thời điểm t và có sự tham gia của trị đo pha φ(i, j) đều  bị ảnh hưởng của sai số ∆ gây ra do sự trượt chu kỳ. Tuy nhiên chỉ có 1 hiệu pha bội bị ảnh hưởng của sai số ∆ [115, p. 353].

Do đó các hiệu pha bội thường được sử dụng để kiểm tra sự có mặt của hiện tượng trượt chu kỳ theo kỹ thuật đánh giá ổn định (Robust) khi coi sai số ∆ như sai số thô. Việc phát hiện thời điểm xẩy ra sự trượt chu kỳ có thể được thực hiện trên cơ sở phân tích hiệu các số cải chính của các hiệu pha bậc hai. Điều này sẽ cho biết trị đo pha chứa sai số ∆ vào thời điểm t.

Việc kiểm tra sự có mặt của sự trượt chu kỳ có thể được thực hiện nhờ phép lọc Kalman [115, P. 355].

Việc hiệu chỉnh trị đo pha do sự trượt chu kỳ là công việc rất khó khăn, bởi vì bắt buộc phải xác định chính xác số nguyên chu kỳ cần hiệu chỉnh. Việc  sử dụng các sóng mang hai tần số L₁ và L₂ mở ra các khả năng to lớn để giải quyết bài toán kiểm tra và hiệu chỉnh sự trượt chu kỳ.

Goi ∆N₁ và ∆N₂ là các đại lượng của sự trượt chu kỳ trong các pha φ₁ và φ₂ của các sóng mang tần số L₁ và L₂ vào thời điểm t.

Khi đó đối với sóng dải rộng, công thức tính sự trượt chu kỳ trong sóng dải rộng (còn gọi là tổ hợp L₅) có dạng:

∆N_w = ∆N₁ - ∆N₂.      (1.5)

Từ công thức:  

chúng ta có thể viết công thức sự trượt chu kỳ đối với sóng mang L₃:

(1.6)

Theo [39], dựa trên việc xử lý pha sóng dải rộng có thể đánh giá đại lượng ∆N_w (1.5) trên mỗi thời điểm thu tín hiệu vệ tinh. Khi xử lý các phase của sóng L₃ và sóng dải rộng có thể đánh giá được các đại lượng ∆N_w và ∆N₃. Khi đó các đại lượng trượt chu kỳ trong các sóng mang L₁ và L₂, dựa trên (1.5) và (1.6), được xác định theo các công thức sau:

Ngoài ra có thể sử dụng chỉ phase của sóng mang L₃ để kiểm tra và hiệu chỉnh sự trượt chu kỳ trên các sóng mang L₁ và L₂.

Tồn tại rất nhiều các phương pháp khác nhau để kiểm tra và hiệu chỉnh sự trượt chu kỳ trong các pha của các sóng mang dựa trên việc sử dụng các tổ hợp của các phases sóng mang và các giả cự ly được xác định theo các mã P₁ và P₂.

Khi biểu diễn phương trình trị đo pha trong đơn vị met, thay cho (1.2) thường sử

dụng phương trình có dạng sau:

Đối với các pha của các sóng mang L₁ và L₂ có thể tạo được sóng mang L₄ dưới dạng sau:

ở đây

Trong tổ hợp sóng mang L₄ không có tham số hình học (các tọa độ của vệ tinh và máy thu), các số cải chính đồng hồ của máy thu và vệ tinh. Do đó tổ hợp sóng mang L₄ được sử dụng để kiểm tra và sửa chữa độ trượt chu kỳ trong trường hợp các tọa độ vệ tinh và máy thu không biết hoặc biết không  chính xác.

Tổ hợp sóng mang L₅ được tạo như sau:

Trong tổ hợp trên, số cải chính tầng đối lưu bị triệt tiêu. Tổ hợp này được sử

dụng để xác định sự trượt chu kỳ và giải đa trị với việc xác định N₅(i,j) = N₁(i,j)-N₂(i,j), ở đây

C - tốc độ ánh sáng.

Tổ hợp sóng mang L₆ được tạo như sau:

ở đây R₁ và R₂ ký hiệu các giả cự ly được xác định theo các mã P₁ và P₂. Cuối cùng

Tổ hợp phase sóng mang L₆ được Melbourne và Wubbena  đề xuất và được gọi là tổ hợp tuyến tính Melbourne – Wubbena. Đại  lượng N₅(i,j) bằng đại lượng N_W(i,j) đối với sóng dải rộng.

Trong tổ hợp này hoàn toàn loại bỏ tất cả các nguồn sai số cơ bản trong công nghệ GPS và không chứa các giá trị tọa độ của máy thu và vệ tinh. Do đó tổ hợp này đươc áp dụng rất hiệu quả để kiểm tra và sửa chữa các độ trượt chu kỳ của các trị  đo pha trong file RINEX. Việc kiểm tra và sửa chữa độ trượt chu kỳ trong các trị đo pha đòi hỏi phải sử dụng tất cả các tổ hợp sóng mang đã được nghiên cứu ở trên.

Bởi vì đối với sóng mang L₃ đại lượng N₃(i,j) có thể được biểu diễn dưới dạng

nên trong modul GUST sử dụng tổ hợp tuyến tính Melbourne – Wubbena để xác định trị nguyên đa trị N₅(i,j) = N₁(i,j) - N₂(i,j), và tiếp theo tiến hành xử lý sóng mang L₃ để xác định trị nguyên đa trị N₂(i,j) của sóng mang L₂. Trị nguyên đa trị N₁(i,j) của sóng mang L₁ được xác định theo công thức N₁(i,j) = N₅(i,j) - N₂(i,j).

Bài tiếp theo: Ảnh hưởng của các yếu tố địa vật lý đến chất lượng đo GPS với khoảng cách lớn-Phần 1

Hãy like nếu bài viết có ích →

Kết bạn với gisgpsrs trên Facebook để nhận bài viết mới nóng hổi