Các yếu tố ảnh hưởng đến kết quả đo đạc và xử lý dữ liệu GPS

Việc nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến kết quả đo đạc và xử lý dữ liệu GPS độ chính xác cao cho phép hoàn thiện các quy trình đo đạc và lựa chọn các phần mềm thích hợp để xử lý tính toán dữ liệu GPS đảm bảo nhận được các véc tơ không gian (véc tơ Baseline) độ chính xác cao (ở mức cm, thậm trí dưới mm) trên các khoảng cách lớn đến 1000km hoặc hơn nữa.

Trong bài toán nghiên cứu chuyển dịch của vỏ quả đất bằng công nghệ GPS đặt ra yêu cầu đo đạc GPS đảm bảo độ chính xác cao cả về vị trí mặt bằng lẫn độ cao. Việc đáp ứng yêu cầu nêu trên đòi hỏi phải nhanh chóng tiếp cận các tiến bộ mới trong việc phát triển công nghệ GPS để hoàn thiện các quy trình đo đạc và xử lý dữ liệu GPS.

Khi đo đạc GPS độ chính xác cao trên các khoảng cách từ vài chục km cho đến vài ngàn km, các nguồn sai số cơ bản như các hiệu ứng phản xạ của tầng điện ly, tầng đối lưu, sai số quĩ đạo vệ tinh và các hiện tường triều của Trái đất (dưới ảnh hưởng của sức hút Mặt trăng, Mặt trời) trở nên các nguồn sai số chính ảnh hưởng  đến việc nâng cao độ chính xác đo đạc GPS. Đối với trường hợp khoảng cách lớn giữa các điểm GPS, ảnh hưởng của mỗi nguồn sai số cơ bản nêu trên đều lớn hơn ảnh hưởng của các sai số của bản thân máy thu (sai số đồng hồ máy thu, độ nhiễu của máy thu, sai số do ảnh hưởng của hiện tượng đa đường truyền, sai số do độ lệch tâm pha của ăng ten, sai số của trị đo phase,...). Ngoài  ra cần phải tính đến thời gian thu tín hiệu vệ tinh cần thiết nhằm đảm bảo đủ số các trị đo sai phân kép để giải các giá trị nguyên đa trị.

Để đạt được độ chính xác của véc tơ Baseline ở mức một vài mm cần tính đến hàng loạt các yếu tố ảnh hưởng khác như sự lệch tâm pha của ăng ten máy thu so với tâm hình học của ăng ten; sự lệch tâm ăng ten phát của vệ tinh so với trọng tâm của vệ tinh; ảnh hưởng của hiện tượng đa đường truyền (multipath)...v...v...

Trong phần này sẽ xem xét các yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác đo GPS trên các khoảng cách lớn.

Độ chính xác cao của véc tơ Baseline đạt được nhờ phương pháp đo GPS tương đối và dựa trên cơ sở xử lý phase của sóng mang trong bank tần số L được truyền từ các vệ tinh GPS.

Sự không ổn định của tần số phát của tín hiệu vệ tinh trên đường truyền sóng là yếu tố cần tính đến trong phương  trình trị đo pha do ảnh hưởng của hiệu ứng có chọn lọc SA (Selective Availability) [27,115]. Tuy nhiên, kể từ ngày 1/5/2000 chính phủ Mỹ đã tuyên bố chấm dứt việc áp dụng hiệu ứng này trong công nghệ GPS. Điều này cho phép không đánh giá các tham số đặc trưng cho sự không ổn định của tần số phát của tín hiệu vệ tinh trong phương trình trị đo phase.

Gọi t_{r, j} - thời điểm chính xác thu tín hiệu vệ tinh i tại máy thu j theo thang thời gian GPS (GPS Time GPST), t_j - thời điểm thu tín hiệu vệ tinh i tại máy thu j theo chỉ số đồng hồ của máy thu. Do sai số dT_j của đồng hồ máy thu j so với GPST nên khoảng cách địa diện giữa vệ tinh i và máy thu j vào thời điểm thu tín hiệu vệ tinh xác định được biểu diễn theo công thức [115, p.250]:

    (1.1)

ở đây p(i, j, t_j) - tốc độ thay đổi khoảng cách do sai số đồng hồ máy thu

Theo [115, p.259], nếu sai số đồng hồ máy thu dT_j không vượt quá 0,1 microsec thì thành phần thứ hai bên phải của biểu thức (1.1) nhỏ bỏ qua. Thực tế sai số đồng hồ máy thu được giữ ở mức nêu trên. Do đó việc không tính đến thành phần p(i, j, t_j)  trong phương trình trị đo pha làm đơn giản hóa quá trình xử lý phase trong công nghệ GPS.

Khi lưu ý các vấn đề nêu trên, phương trình trị đo pha đối với vệ tinh i và máy thu j vào thời điểm thu tín hiệu vệ tinh t có dạng sau[ 67, 115]:

                       

 (1.2)

ở đây f - tần số của sóng mang; c - tốc độ ánh sáng; dt_i -sai số đồng hồ vệ tinh vào thời điểm phát tín hiệu từ vệ tinh so với thang GPST; N_ij - trị nguyên đa trị; I(i, j, t)- sai số do hiệu ứng chiết quang của tầng điện ly; T(i, j, t)- sai số do hiệu ứng chiết quang của tầng đối lưu; m_(i,j) -sai số do ảnh hưởng của hiệu ứng đa đường truyền (multipath); δ(i, t) và δ(j, t) -các sai số (trong đơn vị thời gian) do sự chậm pha trong các thiết bị phần cứng của vệ tinh và máy thu; φ₁(t₀) và φ_j(t₀) -các đại lượng cố định của  các pha ban đầu của sóng  mang  từ vệ tinh i và bản copy của nó trong máy thu j; ε_ij  - sai số ngẫu nhiên của trị đo pha.

Trị đo pha trong (1.2) có đơn vị là chu kỳ (cycle). Quá trình xử lý pha được thực hiện theo kỹ thuật sai phân dựa trên cơ sở xác định các hiệu của các phương trình pha dạng (1.2) tương ứng với các cặp  máy thu - vệ tinh.

Nếu một máy thu thu được đồng thời tín hiệu từ 2 vệ tinh vào thời điểm t, thì lập

được 2 phương trình đo pha dạng (1.2). Hiệu hai phương trình này tạo nên một phương trình hiệu pha đơn mà trong đó sai số đồng hồ máy thu dT, sai số δ(j, t) do sự chậm pha trong máy thu và trị pha ban đầu φ_j(t₀) của bản copy sóng mang trong máy thu đều bị triệt tiêu.

Nếu từ hai máy thu đồng thời thu tín hiệu từ 2 vệ tinh thì sẽ lập được 2 phương trình hiệu pha đơn. Hiệu của 2 phương trình này cho một phương trình hiệu pha kép trong đó các sai số của đồng hồ các vệ tinh, các máy thu, các trị phase ban  đầu của các sóng mang từ các vệ tinh và các trị pha ban đầu của các bản copy của các sóng mang trong các thiết bị phần cứng của các vệ tinh và các máy thu đều  bị triệt tiêu. Trong phương trình hiệu pha kép, các hiệu của các sai số do sự phản xạ của tầng điện ly, tầngđối lưu và ảnh hưởng của hiện tượng đa đường truyền đều cực tiểu hoá. Do đó các phương trình hiệu pha kép được sử dụng để xác định các trị nguyên đa trị.

Nếu từ 2 máy thu đồng thời thu tín hiệu từ hai vệ tinh vào 2 thời điểm (epoch) liên tục, thì sẽ lập được 2 phương  trình hiệu pha kép. Hiệu của 2 phương trình này tạo thành một phương trình hiệu pha bội mà trong  đó chỉ còn lại các hiệu của các sai số do phản xạ của tầng điện ly, tầng đối lưu và ảnh hưởng của hiện tượng đa đường truyền đến các pha của các sóng mang. Vì lý do này phương trình hiệu pha bội thường được áp dụng để kiểm tra sự trượt chu kỳ (cycle Slip) trong các dữ liệu đo pha.

Việc phân tích kỹ thuật xử lý pha dựa trên kỹ thuật sai phân cho thấy một thực tế quan trọng trong việc nâng cao độ chính xác đo đạc GPS liên quan đến việc áp dụng các kỹ thuật và mô hình toán học để làm giảm hoặc loại bỏ các sai số do phản xạ của tầng điện ly, tầng đối lưu và do ảnh hưởng của hiện tượng đa đường truyền.

Bài tiếp theo:
Ảnh hưởng độ chính xác của lịch vệ tinh 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