Nguyên lý hoạt động và phân tích các nguồn sai số trong kỹ thuật đo cao vệ tinh

Nội dung text: Nguyên lý hoạt động và phân tích các nguồn sai số trong kỹ thuật đo cao vệ tinh

1. NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG VÀ PHÂN TÍCH CÁC NGUỒN SAI SỐ TRONG KỸ THUẬT ĐO CAO VỆ TINH Đoàn Văn Chinh - NCS Đại học Vũ Hán, Trung Quốc Bùi Thị Kiên Trinh - Đại học Thủy Lợi Tóm tắt: Kỹ thuật đo cao vệ tinh (Satellite Altimetry) là một trong những kỹ thuật trắc địa không gian trọng lực vệ tinh tiên tiến nhất hiện nay. Kỹ thuật đo cao vệ tinh được ứng dụng để xác định hình dạng – kích thước Trái đất, trường trọng lực Trái đất, nghiên cứu bề mặt Geoid Ngoài ra, nó còn được áp dụng trong nhiều lĩnh vực khoa học kỹ thuật như Hải dương học, Kỹ thuật Biển, Quản lý Tài nguyên Môi trường, Trắc địa Biển, Địa vật lý Với mục tiêu bảo vệ chủ quyền biển đảo và chiến lược phát triển kinh tế hướng ra biển của Việt Nam hiện nay, kỹ thuật đo cao vệ tinh là một công cụ đắc lực cần chú trọng nghiên cứu và phát triển. Trong bài báo, chúng tôi trình bày về lịch sử phát triển của kỹ thuật đo cao vệ tinh và những thành quả đã đạt được, nguyên lý hoạt động của đo cao vệ tinh, đồng thời phân tích các nguồn sai số trong đo cao vệ tinh. 1. Lịch sử phát triển và những thông số kỹ viễn thám thế hệ 2 ERS-2 (1995). Năm 1992 hai thuật của các thế hệ vệ tinh hiện nay cơ quan hàng không vũ trụ NASA và CNES Xác định hình dạng trái đất, trường trọng lực phối hợp phóng thành công vệ tinh nghiên cứu trái đất là một trong những nhiệm vụ quan trọng địa hình mặt biển TOPEX/POSEIDON (T/P). của Trắc địa. Như đã biết, diện tích đại dương Trên hai vệ tinh T/P và ERS-2 có mang theo chiếm hơn 70% bề mặt Trái đất, do dó công tác nhiều thiết bị quan trắc viễn thám, trong đó có nghiên cứu đại dương bằng các thiết bị kỹ thuật các thiết bị định vị toàn cầu GPS, và thiết bị kỹ đặt trên tàu thuyền không thể thực hiện được thuật nghiên cứu mô hình trọng trường trái đất với quy mô toàn cầu. Vì vậy, ý tưởng về đo cao (JGM-3, EGM), về độ chính xác đo độ cao có vệ tinh nảy sinh từ năm 1969, do W.M. Kaula - thể đạt tới cm, độ phân giải của các dải quét là một GS Trắc địa vật lý- đề xuất. Sau đó, vào 10km. Nhiệm vụ chủ yếu của vệ tinh T/P là làm ngày 14/5/1973 cơ quan Hàng không vũ trụ Mỹ tăng độ chính xác xác định địa hình, động lực bề (NASA) đã phóng thành công vệ tinh đo cao mặt biển, nghiên cứu các dòng Hải lưu trên toàn đầu tiên với tên gọi “Phòng thí nghiệm không cầu. Độ chính xác xác định độ cao khi sử dụng gian” – SKYLAB. Trải qua thời gian hơn 30 số liệu trùng lặp của nhiều chu kỳ qua nhiều năm, nhiều nước đã lần lượt phóng các vệ tinh năm tính toán có thể đạt được 3cm. thế hệ tiếp theo, chủ yếu của các cơ quan Hàng Hiện nay, thế hệ sau của vệ tinh GEOSAT là không vụ trụ Mỹ, cơ quan Hàng không vũ trụ Geosat Follow On (GFO) được phóng lên quỹ đạo Châu Âu (ESA) và cơ quan Hàng không vũ trụ vào năm 1998, thế hệ sau của vệ tinh T/P là Jason- Pháp (CNES). 1 phóng năm 2001, năm 2002 vệ tinh thế hệ sau Các thế hệ vệ tinh do NASA phóng bao gồm của ERS-1/2 là ENVISAT-1 cũng đã phóng thành vệ tinh địa cầu GEOS-3 (1975), vệ tinh nghiên công. Các vệ tinh này được phóng nhằm giải cứu Biển SEASAT (1978), vệ tinh thực hiện các quyết đa mục tiêu như nghiên cứu dự báo về El nhiệm vụ Trắc địa GEOSAT (1985), nhiệm vụ Nino, La Nina và Hải băng, nghiên cứu thành lập của 3 thế hệ vệ tinh này chủ yếu là nghiên cứu bản đồ Biển, nghiên cứu thủy văn, quản lý Tài Trắc địa Biển, nghiên cứu bề mặt Geoid, khôi nguyên Môi trường Biển, giám sát tàu thuyền, ứng phục trường trọng lực Biển, trong đó số liệu do dụng trong quản lý khai thác Nông Lâm Ngư vệ tinh GEOSAT cung cấp có thể tính toán dị nghiệp, giám sát cảnh báo thiên tai lũ lụt, ô thường trọng lực với độ chính xác 3mgal. nhiễm Các thông số kỹ thuật về các thế hệ vệ Các thế hệ vệ tinh do ESA phóng bao gồm vệ tinh và nhiệm vụ Trắc địa cơ bản của các thế hệ vệ tinh viễn thám thế hệ 1 ERS-1 (1991) vệ tinh tinh này được trình bày trong bảng 1. 95
2. Bảng 1:Các thông số cơ bản và nhiệm vụ Trắc địa của các thế hệ vệ tinh Thông số quỹ đạo Thời Độ chính Thời gian Mục đích và phạm vi sử Thế hệ vệ Cơ quan Góc gian xác xác phóng lên Độ cao dụng đối với nhiệm vụ tinh chủ quản nghiêng trùng lặp định độ quỹ đạo (km) nghiên cứu trái đất (0) (ngày) cao (cm) Thực nghiệm nguyên lý, Skylab NASA 73.05.14 425 50 —— 85-100 nghiên cứu mặt GEOID Nghiên cứu GEOID, Tốc độ Geos-3 NASA 75.04.09 840 115 2 25-50 gió, sóng biển, Hải băng, Hải lưu Nghiên cứu GEOID, tốc độ Seasat NASA 78.06.28 800 108 3/17 20-30 gió, Hải lưu Nghiên cứu GEOID, địa Geosat U.S.Navy 85.03.15 800 108 23/17 10-20 hình mặt biển, giám sát hoạt động trên biển Nghiên cứu địa hình mặt ERS-1 ESA 91.07.17 785 98.5 3/35/168 10 biển, hoạt động trên biển, Môi trường Biển, Hải băng Nghiên cứu GEOID, Địa NASA T/P 92.08.10 1336 66 10 6 hình mặt biển, Chuyển động CNES tuần hoàn đại dương Nghiên cứu địa hình mặt ERS-2 ESA 95.04 785 98.5 3/35/168 10 biển, hoạt động trên biển, Môi trường Biển, Hải băng Nghiên cứu GEOID, địa GFO U.S.Navy 98.02.10 800 108 17 —— hình mặt biển, hoạt động trên biển Đo cao so với mặt nước biển, NASA Jason-1 2001.12 1336 66 10 2.5 địa hình mặt biển, chuyển CNES động tuần hoàn đại dương Như ERS-1/2, đồng thời Envisat-1 ESA 2002.02 799.8 98.5 35 —— giám sát môi trường biển Nghiên cứu địa hình mặt ICEsat ESA 2003.01 590 94 183 4.5 biển, Môi trường Biển, Hải băng, mây Đo cao so với mặt nước biển, NASA Jason-2 2008.06 1336 66 10 2.5 địa hình mặt biển, chuyển CNES động tuần hoàn đại dương Nghiên cứu địa hình mặt biển, Cryosat-2 ESA 2010.04 717 92 369 2.5 Môi trường Biển, Hải băng 2. Nguyên lý hoạt động của kỹ thuật đo nước biển, sau đó sóng xung này phản hồi lại hệ cao vệ tinh thống sẽ xác định được thời gian lan truyền, biết Nguyên lý hoạt động chính của kỹ thuật đo cao được tốc độ lan truyền xung, hoàn toàn có thể vệ tinh dựa trên nguyên lý bài toán vật lý tính tính được khoảng cách từ vệ tính đến bề mặt quãng đường khi đã biết vận tốc và thời gian: phản hồi (xem hình 1). t Để tính khoảng cách từ mặt nước biển đến bề c. (1) 2 mặt Ellipsoid trái đất. người ta sử dụng công Từ vệ tinh có lắp đặt thiết bị phát đi tín hiệu thức sau [1]: rada dạng xung (tần số 13.5 GHz) [1] đến bề bặt h r rE CR (2) 96
3. Vệ tinh S Z Mặt biển trung bình Mặt biển tức thời r Mặt Geoid P N h Mặt S Ellipsoid rE S XY O Hình 1 trong đó: theo công thức sau: h: là khoảng cách từ mặt nước biển tức thời h N   t  w (4) đến bề mặt Ellipsoid. Trong công thức (4): N là độ cao của bề mặt r: là bán kính quỹ đạo vệ tinh. Geoid,  là khoảng cách từ mặt nước biển trung : là khoảng cách từ bề mặt nước biển tức bình đến mặt Geoid,  là khoảng cách từ mặt thời đến vệ tinh. t nước biển tức thời đến mặt nước biển trung r : là bán kính vector điểm xét trên mặt E bình.  là số hiệu chỉnh thủy triều, w là số hiệu Ellipsoid. chỉnh khí tượng tổng hợp của sóng, gió và khí CR: là số cải chính chuyển rE về với phương của r, được tính theo công thức: quyển [1]. Căn cứ vào công thức (3) và công thức (4) ta có: rE rE 4 C 1 e sin(2 ) (2a) rc obs rE r N   t  w R 8 r s Nếu như thay hc = rc - obs - rE ta sẽ được: Trong công thức (2a): e là độ dẹt của h c N   t  w r Ellipsoid, là vĩ độ của vệ tinh thời điểm xét. S Trong đó h là độ cao mặt nước biển, trong Lưu ý rằng e rất nhỏ mà bán kính quỹ đạo vệ c công thức (6) nếu thay N = N + Nc+ N0 [2] tinh lại rất lớn nên C tính theo (2a) sẽ rất nhỏ, 0 R chúng ta có: do vậy số cải chính CR chỉ dùng trong phân tích h N N c N 0    w r lý thuyết. Chúng ta có thể tính h bằng công thức c 0 t thực nghiệm sau: Ta cũng có: h h N h rc obs rE r (3) c 0 Các tham số trong công thức (3): r là Thay công thức (8) vào công thức (7) ta được: c 0 sai số quỹ đạo, là sai số trị quan trắc, obs là h N N   t  w r trị quan trắc trực tiếp từ bề mặt phản xạ đến Trong công thức (9) h là chênh cao mặt thiết bị đặt trên vệ tinh, rc là khoảng cách từ vệ biển, dùng trong tính toán xử lý số liệu địa hình tinh đến tâm trái đất, có thể tính toán được nhờ mặt biển, đây cũng là mô hình toán học cơ bản các thông số lịch vệ tinh {Xs(t), Ys(t), Zs(t) hoặc của kỹ thuật đo cao vệ tinh. Các tham số chính Bs(t), Ls(t), Hs(t)} [1, 4]. trong công thức đã thể hiện được một số loại sai Mặt khác khoảng cách mặt nước biển tức số ảnh hưởng đến trị đo, tuy nhiên vẫn chưa bao thời đến bề mặt Ellipsoid còn có thể được tính gồm ảnh hưởng của các yếu tố vật lý khác. 97
4. 3. Phân tích ảnh hưởng của các nguốn sai Nguyên nhân gây ra sai số quỹ đạo vệ tinh là do số trong kỹ thuật đo cao vệ tinh trọng trường trái đất, do khí áp, do hiện tượng Nguyên lý của đo cao vệ tinh là dùng sóng thủy triều và lực hút giữa các hành tinh làm cho Rada, sóng Rada lan truyền trong không gian ở tọa độ của vệ tinh thực tế và tọa độ của vệ tinh độ cao cách mặt phản xạ hàng nghìn km sẽ là tính toán theo lịch vệ tinh có sai lệch. Từ các thế nguyên nhân sinh ra các nguồn sai số do môi hệ vệ tinh đầu tiên như SKYLAB, GEOS-3, trường, ngoài ra còn kể đến các sai số do kỹ SEASAT đến các thế hệ gần đây, sai số này đã thuật thiết kế chế tạo hệ thống và các yếu tố vật giảm được đáng kể, đặc biệt là với thế hệ vệ tinh lý khác. Có thể phân loại các nguồn sai số trong Topex/Pseidon thì sai số này chỉ còn vài cm và có đo cao vệ tinh thành 3 loại: Sai số do kỹ thuật thể làm giảm nhỏ nữa khi sử dụng phần mềm có thiết kế hệ thống; Sai số quỹ đạo vệ tinh; Sai số chức năng hậu xử lý [3]. do môi trường. 3.3. Sai số do môi trường 3.1. Sai số do kỹ thuật thiết kế hệ thống Tín hiệu Rada truyền từ vệ tinh đến bề mặt Sai số do kỹ thuật thiết kế hệ thống là sai số phản xạ và phản hồi lại, đã lan truyền qua tầng không thể tránh khỏi của các ngành kỹ thuật nói điện ly, tầng đối lưu, tiếp xúc với sóng biển là chung và kỹ thuật đo cao vệ tinh nói riêng, bao nguyên nhân gây ra loại sai số này. Sai số do môi gồm những nguồn sai số sau: trường chủ yếu được phân làm 3 loại: Sai số ảnh - Sai lệch do hệ thống giám sát: Trong thiết hưởng của điện từ, Sai số ảnh hưởng của tầng điện kế tính toán và giám sát độ cao của quỹ đạo vệ ly, Sai số do ảnh hưởng của tầng đối lưu. Nguồn tinh người ta dùng một loại sóng phản hồi liên lạc giữa trạm giám sát mặt đất và vệ tinh, tuy sai số này đối với các thế hệ vệ tinh sau này đã nhiên do sự ly tán sóng phản hồi dẫn đến sai được cải thiện đáng kể. Với các phần mềm mới lệnh độ cao quỹ đạo vệ tinh. dùng mô hình toán thông kê, sai số này có thể - Sai số do méo tín hiệu: Cường độ và tốc độ giảm xuống đáng kể chỉ còn 1cm [3, 4]. của tín hiệu phát đi và thu về không giống nhau Trị đo cao vệ tinh bị ảnh hưởng của rất nhiều do ảnh hưởng của bộ điều khiển và tính toán của loại sai số, để ứng dụng được trong thực tế cần thiết bị gây ra. hiệu chỉnh trị đo, lúc này để tính toán khoảng - Sai số do đồng hồ. cách từ vệ tinh đến bề mặt Ellipsoid chúng ta Sai số tổng hợp của thiết kế hệ thống trong dùng công thức sau [4]: đo cao vệ tinh hiện nay khoảng 2-3cm. H h0 hsg h1 ha hEMbias hg ht  3.2. Sai số do quỹ đạo vệ tinh trong công thức (10): H là khoảng cách từ vệ Quỹ đạo vệ tinh khi vận hành thực tế sẽ không tinh đến mặt Ellipsoid, là trị quan trắc, h là thể được như thiết kế về góc nghiêng, độ cao do 0 độ cao địa hình mặt biển so với mặt Ellipsoid, sự sai lệch giữa tọa độ vệ tinh {XS(t), YS(t), ZS(t) hsg là sai số quy tâm thiết bị, hm là sai số do hoặc BS(t), LS(t), HS(t)} tính toán theo lịch vệ tinh và tọa độ thực tế của nó. Đây là nguyên nhân trực máy móc, ha là sai số do khí áp, hEMbias là sai tiếp và cũng có ảnh hưởng lớn nhất đến kết quả số điện từ, hg là sai số do mặt geoid, ht là sai của trị đo cao vệ tinh. Sai số quỹ đạo vệ tinh chủ số do Thủy triều,  là các sai số khác. yếu phân làm ba loại: Sai số bán kính quỹ đạo, Sai Một số loại sai số cụ thể của các thế hệ vệ số khí áp, Sai số do ảnh hưởng của thủy triều. tinh đo cao được thống kê trong bảng 2. Bảng 2: Một số loại sai số của các thế hệ vệ tinh (đơn vị cm) Thế hệ vệ tinh Topex/ Geos-3 Seasat Geosat ERS-1/2 Sai số Poseidon Rung lắc 50 10 5 3 <2 Do thiết bị Sai số thiết bị 7 5 3-5 2 Sai số đồng hồ 5ms 3-5ms 1-2ms <1ms Do môi trường Sai số EM 10 5 2 2 <2 Sai số méo tín hiệu 2 1 1 1 1 98
5. Thế hệ vệ tinh Topex/ Geos-3 Seasat Geosat ERS-1/2 Sai số Poseidon Sai số do tầng đối lưu 5 4 2 2 2 Sai số do tầng điện ly 2-3 2-3 2-3 2-3 1 Trường trọng lực gây ra 50 25 15 15 <2 Bức xạ khí áp 15 10 6 <2 Khí quyển 15 10 6 <2 Quỹ đạo vệ tinh Hằng số GM 2 1 Thủy triều 12 5 5 <2 Tầng đối lưu 5 4 2 1 Vị trí trạm quan sát 10 5 3 1 4. Kết luận 1dm [1] Tuy nhiên ở Việt Nam, đo cao vệ tinh Kỹ thuật đo cao vệ tinh hiện nay đã đạt được là kỹ thuật khá mới mẻ. Điều này đặt ra sự cần nhiều thành tựu vượt bậc, như ứng dụng liên hợp thiết nghiên cứu về lý thuyết xử lý số liệu cũng số liệu của vệ tinh Jason-1 và Envisat-1 để xác như khả năng ứng dụng trong điều kiện nước ta. định trường trọng lực Biển trên phạm vi toàn cầu Đặc biệt cần đi sâu nghiên cứu phương pháp xử đạt độ chính xác 3mgal - 5mgal [1, 6]; hay lý kết hợp số liệu của các thế hệ vệ tinh đo cao nghiên cứu ứng dụng liên hợp số liệu của nhiều với số liệu trọng lực mặt đất và số liệu GPS thủy thế hệ vệ tinh đo cao trong xây dựng mô hình chuẩn trong xác định mô hình thủy triều, mô hình QuasiGeoid 2000 ở Trung Quốc với độ chính xác Geoid, trường trọng lực Trái đất. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] 李建成等，地球重力场逼近理论与中国2000似大地水准面的确定，武汉大学出版社，2006. [2]李建成，宁津生，晃定波，姜卫平. 卫星测高技术在大地测量中的应用及进展，2006 [3]李建成，王正涛，胡建国.利用Topex/Poseidon和ERS-2以及Geosat卫星测高数 据分析全球和中国海平均海面变化.武汉测绘科技大学学报. [4]姜卫平.卫星测高技术在大地测量学中的应用.武汉大学，2000. [5]李建成，姜卫平等.联合多种卫星测高数据建立高分辨率中国海平均面高模型.武汉大学学报，2006. [6] Satellite Altimetry and Earth Sciences: A Handbook of Techniques and Applications, 2000. Abstract: HISTORICAL DEVELOPMENT AND PRINCIPLES OF SATELLITE ALTIMETRY – ANALYSIS OF ERROR SOURCES Doan Van Chinh –Master Student in Wuhan University, China Bui Thi Kien Trinh – Geomatics centre, Water Resource University, Vietnam Satellite Altimetry is one of the today's most advanced satellite gravimetry geodesy techniques. It has a history of development since 1969. From 1973 to present there are eight generations of satellites in orbit have been launched. Satellite Altimetry has wide applications in areas such as geodesy, oceanography, geophysics, environmental management. In the process of industrialization and modernization of Vietnam, various sectors including Satellite Altimetry should be invest in research and development. In this paper, we study the principles of Satellite Altimetry, as well as analyze sources of error of Satellite Altimetry. 99