VIỆN VẬT LÝ ĐỊA CẦU CÁC SẢN PHẨM CỦA ĐỀ TÀI ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ VŨ TRỤ ĐỂ NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ ẢNH HƯỞNG CỦA TẦNG ĐIỆN LY VÀ TẦNG KHÍ QUYỂN TỚI ĐỘ CHÍNH XÁC KHI SỬ DỤNG TÍN HIỆU VỆ TINH Ở KHU VỰC VIỆT NAM CODE LẬP TRÌNH CHƯƠNG TRÌNH XỬ LÝ SỐ LIỆU, MÔ PHỎNG VÀ CÁC BÀI BÁO, BÁO CÁO HỘI NGHỊ CNĐT : LÊ HUY MINH 9057-1 HÀ NỘI – 2011 VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM VIỆN VẬT LÝ ĐỊA CẦU CHƯƠNG TRÌNH KHOA HỌC CÔNG NGHỆ VŨ TRỤ BÁO CÁO CHUYÊN ĐỀ “Xây dựng chương trình tính toán nồng độ điện tử tổng cộng tầng điện ly” Thuộc đề tài cấp nhà nước “Ứng dụng công nghệ vũ trụ để nghiên cứu đánh giá ảnh hưởng của tầng điện ly và tầng khí quyển tới độ chính xác khi sử dụng tín hiệu vệ tinh ở khu vực Việt Nam” Những người thực hiện: ThS Trần Thị Lan TS Rolland Fleury TS Lê Huy Minh ThS Nguyễn Chiến Thắng HÀ NỘI, 12-2008 Mở đầu Tầng điện ly được xem là một môi trường tán xạ đối với các tín hiệu vệ tinh GPS, gây ra độ trễ nhóm và sự sớm pha khi các sóng radio truyền từ vệ tinh GPS tới các máy thu trên mặt đất. Mỗi vệ tinh GPS truyền thông tin được định vị trên hai tần số:  1 (1.57542 GHz) và  2 (1.22760 GHz), bằng cách phân tính sự khác nhau giữa các phép đo code và sự khác nhau giữa các phép đo pha của hai tần số sẽ cho phép rút ra thông tin về nồng độ điện tử tổng cộng (TEC) của tầng điện ly từ số liệu GPS hai tần số. Phương pháp tính TEC đã được giới thiệu nhiều trong các bài báo quốc tế và cũng đã được giới thiệu chi tiết ở tạp chí trong nước [1, 3, 4, 5, 6, 9, 10,11]. Có hai cách thường được dùng để tính TEC đó là sử dụng phép đo hiệu pha và hiệu giả khoảng cách giữa hai tần số như được trình bầy theo công thức dưới đây:   )( 3.40 1 12 2 2 2 1 2 2 2 1 i kk i k i bbcPPTEC              (1)   ) 3.40 1 21 2 2 2 1 2 2 2 1 k i k i k i BLLTEC              (2) Trong đó: chỉ số 1, 2 tương ứng với thông tin của hai tần số mang của vệ tinh  1 và  2 , chỉ số k, i tương ứng cho thông tin thu được từ vệ tinh thứ k và máy thu thứ i, TEC là giá trị nồng độ điện tử tổng cộng dọc theo đường truyền của tín hiệu, theo TECU (1TECU = 10 16 electron/m 2 ) P 1 , P 2 tương ứng là phép đo giả khoảng cách từ hai tần số, theo mét L 1 , L 2 là phép đo pha của hai tần số, theo mét kkk bbb 12  , iii bbb 12  là các độ trễ thiết bị của vệ tinh và máy thu, k i k i k i BBB 2211   là tham số độ lệch pha ban đầu chưa biết. Phương trình (1) chính là phương pháp tính TEC từ các phép đo giả khoảng cách, còn phương trình (2) là từ các phép đo pha. Ta thấy rằng để xác định TEC theo phép đo pha thì phải xác định được tham số mù mờ pha ban đầu B k i , nếu sử dụng các phép đo hiệu khoảng giả thì ta phải xác định được các độ trễ thiết bị gây bởi phần cứng máy thu và vệ tinh b i và  k . Vì vậy, người ta không thể suy ra một cách trực tiếp giá trị TEC tuyệt đối từ số liệu GPS một thời kỳ. Để tách TEC ra khỏi các tham số độ lệch thiết bị hoặc các thông số pha ban đầu chưa biết, người ta buộc phải xử lý số liệu trong khoảng thời gian dài hơn. Ngoài hai phương pháp trên, còn một phương pháp nữa cũng được dùng để tính TEC đó là sử dụng kết hợp cả phép đo pha và phép đo hiệu khoảng giả có thể tham khảo thêm trong [3]. Từ các nguồn tài liệu đã chỉ ra rằng nếu chỉ sử dụng phép đo giả khoảng cách sẽ cho độ chính xác vài dm tới 1m, vì các phép đo code này là rõ ràng nhưng còn chứa độ trễ nhóm gây bởi thiết bị (máy thu + vệ tinh), để thu được TEC tuyệt đối (1) thì cần phải xác định độ trễ nhóm vi phân của máy thu và vệ tinh. Nếu chỉ sử dụng phép đo pha hai tần số (2) thường cho độ chính xác tốt hơn, chỉ khoảng mm nhưng còn chứa tham số mù mờ pha ban đầu [1, 11]. Bản thân vấn đề về lời giải các tham số mù mờ pha ban dầu cũng là cả một lĩnh vực nghiên cứu lớn, thường dựa vào các giả thiết có tính chất thống kê. Để xác định được chính xác các thông số này cũng là những vấn đề phức tạp và khó khăn. Vì vậy phương pháp (1) chỉ sử dụng các phép đo khoảng giả thường được sử dụng và được khuyên nên dùng để tính giá trị tuyệt đối TEC. Do độ trễ nhóm vẫn còn chứa độ trễ thiết bị, để thu được TEC thì các độ trễ này phải được loại bỏ. Trong hầu hết các trường hợp, các độ trễ thiết bị phải được tính đến, nếu bỏ qua độ trễ này sẽ gây ra một sai số tương đối lớn trong phép đo TEC (1ns=2.853 TECU). Độ trễ của vệ tinh được thông báo hàng ngày và có thể download từ trang web: http://www.aiub.unibe.ch/download/code/, còn độ trễ máy thu ta phải tự tính toán. Cũng có một vài phương pháp tính độ trễ máy thu đươc công bố bởi các tác giả khác nhau khi ứng dụng để xử lý cho các trạm thu trong vùng nghiên cứu, và cho một số trường hợp cụ thể [ 2, 3, 4, 5, 6, 13]. Trong phương pháp tính TEC của chúng tôi sẽ giới thiệu ở đây, chúng tôi sử dụng phương pháp hiệu khoảng giả (1) cùng với những ưu nhược điểm như đã được nêu ra. Để tính độ trễ thiết bị, chúng tôi tiến hành tính độ lệch giữa giá trị TEC tính toán theo công thức (1) trong trường hợp chưa hiệu chỉnh độ trễ thiết bị (b k + b i = 0) và giá trị TEC tương ứng tính được từ mô hình toàn cầu cho tất cả các vệ tinh nhìn thấy. Do giá trị TEC suy ra từ mô hình với khoảng thời gian 15 phút một giá trị vì vậy các giá trị TEC mô hình tương ứng với khoảng thời gian 1 phút sẽ được nội suy để so sánh với các giá trị TEC tính toán. Các cặp giá trị độ lệch được tính cho tất cả các cặp máy thu - vệ tinh (mỗi trạm thu sẽ có 32 cặp giá trị tương ứng với 32 vệ tinh) và cho tất cả các phút trong ngày quan sát. Các cặp giá trị độ lệch tương ứng của ngày sẽ là các giá trị median ngày của tất cả các phút tính được. Do đó các cặp giá trị độ trễ thiết bị (vệ tinh + máy thu) sẽ là các giá trị median tháng độ lệch của tất cả các ngày trong tháng, và các cặp giá trị này sẽ được sử dụng để tính TEC tuyệt đối cho mỗi cặp (vệ tinh+máy thu) và cho cả tháng. Để kiểm tra độ trễ gây bởi máy thu, ta có thể tính giá trị độ trễ median tháng của mỗi vệ tinh, sau đó lấy giá trị độ trễ thiết bị tổng tính được trừ đi giá trị này. Vì số liệu GPS chỉ cung cấp các phép đo TEC nghiêng dọc theo đường đi của tia sáng truyền từ vệ tinh tới máy thu. Do đó cần phải có một phép chuyển đổi TEC nghiêng về TEC thẳng đứng (TECV) tại điểm cắt dưới tầng điện ly. Để chuyển TECV từ TEC nghiêng thì tầng điện ly được cho là một lớp mỏng bao quanh Trái Đất và tâm của nó trùng với tâm của Trái đất như được mô phỏng bởi mô hình lớp đơn ở chiều cao H thường được lấy là 350, 400 hoặc 450 km, tương ứng xấp xỉ với độ cao của cực đại mật độ điện tử. H ình 1, Mô hình lớp đơn tầng điện ly trong đó: z là khoảng cách thiên đỉnh của vị trí máy thu và z ’ là khoảng cách thiên đỉnh của vệ tinh tại điểm cắt tầng điện ly, R  6371km là bán kính Trái đất và H là độ cao lớp đơn. Yếu tố nghiêng tại độ cao H được xác định như là nghich đảo cosin góc thiên đỉnh tại điểm cắt dưới tầng điện ly như sau: z zF   cos 1 )( với                   cosarcsinsinarcsin HR R z HR R z (10) Với  là góc ngẩng của vệ tinh tại vị trí máy thu. Như vậy TECV tương ứng chính là TEC nghiêng được chuyển đổi bằng cách chia cho yếu tố nghiêng: , cos zTECTECV  (11) TECV đã tính toán được biểu diễn theo một hàm của vĩ độ và thời gian địa phương của điểm cắt tầng điện ly. Trong khuôn khổ để tài này, tất cả các giá trị TEC đã tính toán đều được chuyển về TECV để biểu diễn cho giá trị TEC tính toán được. Một vài kết quả tính toán thử nghiệm theo phương pháp này sẽ được trình bày trong phần sau của đề tài. Nội dung chương trình tính toán TEC Toàn bộ chương trình tính được viết bằng ngôn ngữ Matlab gồm 22 trang, được chia thành hai bước chạy chính tương ứng với 2 chương trình lớn và một file đường dẫn. Với các bước thực hiện được chỉ ra như trong sơ đồ khối sau: Bias_tot.m Verif.m Step 1 Step 2 Sgps Lech _alm Entete Sp3 Icord Sgps Lech_i onex TEC_ ionex Bias_res Quant, Bissec Parorb Lec_obv iposit isupi on Quant, Bissec Spline, Split Trước tiên chạy chương trình có tên ‘Bias_tot.m’, chương trình này là một function lớn gồm 16 chương trình con và được chia làm 2 bước: Bước thứ nhất có tên là step 1, có nhiệm vụ tính toán các giá trị TEC cho trường hợp chưa hiệu chỉnh độ trễ thiết bị (bias (vệ tinh + máy thu) = 0) cho các cặp vệ tinh-máy thu và cho cả tháng số liệu, với các file số liệu đầu vào là: RINEX (file số liệu quan sát), yuma ( file cung cấp thông tin vệ tinh), codg (file số liệu mô hình TEC toàn cầu và độ trễ thiết bị). Các kết quả tính được ghi ra file đầu ra tương ứng cho tất cả các ngày quan sát trong tháng với các thông số như: thời gian (s), tên vệ tinh, vĩ độ điểm cắt tầng điện ly (độ), kinh độ diểm cắt tầng điện ly (độ), TEC nghiêng (TECU) và góc ngẩng của vệ tinh (độ). Trong step 1 có chứa 10 chương trình con có chức năng xử lý khác nhau: 1, Sgps: chương trình chuyển đổi ngày, tháng, năm quan sát sang tuần, ngày GPS. 2, Quant, Bissec: chương trình đổi ngày, tháng, năm quan sát sang ngày GPS và tính cho các trường hợp năm nhận hay không nhuận. 3, Lec_alm: chương trình này cung cấp các thông tin liên quan đến tình trạng vệ tinh từ file yuma như: số vệ tinh đang hoạt động, góc nghiêng của quỹ đạo so với mặt phẳng xích đạo của vệ tinh tại thời điểm quan sát, độ trễ đồng hồ vệ tinh… 4, Parorb: chương trình cung cấp thông tin về các tham số quỹ đạo liên quan đến mỗi vệ tinh với các thông số đầu vào thu được từ chương trình lec_alm. 5, Entete: chương trình đọc các thông số đầu vào từ file số liệu quan sát RINEX như: toạ độ trạm trong hệ toạ độ XYZ, khoảng thời gian quan sát, số lượng các đại lượng quan sát được, và các giá trị tương ứng. 6, Sp3: chương trình chuyển toạ độ trạm quan sát: từ hệ toạ độ XYZ sang hệ toạ độ cầu (lat, long, h) theo radian và mét. 7, Icord: chương trình cung cấp vị trí vệ tinh và toạ độ điểm cắt tầng điện ly. Với các thông số đầu vào là: vĩ độ, kinh độ, độ cao trạm thu và thời gian quan sát. Thông số lối ra là: vĩ độ, kinh độ điểm cắt tầng điện ly, yếu tố nghiêng, góc ngẩng và góc phương vị của vệ tinh. 8, Isupiono: chương trình tính toạ độ biểm cắt tầng điện ly, với thông số đầu vào là: kinh độ và vĩ độ trạm quan sát, góc ngẩng và góc azimuth của vệ tinh. 9, Iposit: chương trình tính vị trí vệ tinh, với thông số đầu vào là vị trí trạm quan sát và đầu ra là: độ cao, kinh độ, vĩ độ của vệ tinh, khoảng cách từ trạm thu tới vệ tinh, góc ngẩng và góc azimuth. 10, Lec_obs_1: chương trình xử lý file số liệu quan sát và tính các giá trị TEC nghiêng theo công thức (1) với độ trễ thiết bị chưa hiệu chỉnh (b k =0, b i =0). Bước thứ hai có tên là step 2, có nhiệm vụ tính toán các độ lệch giữa giá trị TEC tính được trong bước 1 và giá trị TEC của mô hình, sau đó tính các giá trị median ngày và tháng để thu được độ trễ thiết bị cho các cặp (vệ tinh-máy thu) tương ứng và ghi ra file đầu ra thứ hai chứa thông tin về độ trễ thiết bị. Trong step 2 có chứa 6 chương trình con có chức năng xử lý khác nhau: 1, Sgps: chương trình chuyển đổi ngày, tháng, năm quan sát sang tuần, ngày GPS. 2, Quant, Bissec: chương trình đổi ngày, tháng, năm quan sát sang ngày GPS và tính cho các trường hợp năm nhận hay không nhuận. 3, Lect_ionex: chương trình rút ra bản đồ TEC khu vực từ mô hình toàn cầu cho trạm quan sát. 4, TEC_ionex: chương trình tính các giá trị TEC mô hình tương ứng với kinh độ, vĩ độ trạm quan sát, nội suy chuỗi số liệu cho tất cả các phút trong ngày. 5, Spline, Splint: là các hàm nội suy. 6, Biais_res: chương trình tính median độ trễ thiết bị cho n ngày xử lý với đầu vào là file độ trễ median ngày. Cuối cùng chạy chương trình có tên verify.m, với các file số liệu đầu vào là file kết quả đầu ra (gồm file về thông tin TEC và thông tin độ trễ thiết bị) ở chương trình 1. Chương trình này có nhiệm vụ tính giá trị TECV tuyệt đối khi đã có thông tin về độ trễ thiết bị và vẽ giá trị TECV tính được theo chuỗi thời gian để kiểm tra. Kết quả tính toán thử nghiệm Kết quả tính toán áp dụng bộ chương trình này được biểu diễn trên hình 1 và hình 2 với các giá trị TECV tính được cho 2 tháng tương ứng là: 5/2006 và tháng 3/2007 cho cả 3 trạm thu GPS ở Hà Nội, Huế và Hóc Môn. [...]...Hình 1: Biến thiên TECV trong tháng 5/2006 trên cả 3 trạm thu GPS ở < /b> Hà Nội, Huế và < /b> Hóc Môn với góc ngẩng của < /b> vệ < /b> tinh < /b> > 200 Hình 2 Biến thiên TECV trong tháng 3/2007 trên cả 3 trạm thu GPS ở < /b> Hà Nội, Huế và < /b> Hóc Môn với góc ngẩng của < /b> vệ < /b> tinh < /b> > 200 Kết quả tính độ < /b> trễ thiết b tương ứng < /b> được sử < /b> dụng < /b> để < /b> hiệu < /b> chỉnh tính giá < /b> trị TECV tuyệt đối được trình < /b> b y trong b ng 1 B ng 1: Độ trễ thiết b tại trạm... 0.00 0.00 Để kiểm tra độ < /b> trễ gây b i máy thu, chúng tôi tiến hành tính giá < /b> trị median tháng cho mỗi vệ < /b> tinh,< /b> sau đó lấy giá < /b> trị median tháng của < /b> độ < /b> trễ thiết b trừ đi 32 giá < /b> trị median tháng của < /b> vệ < /b> tinh < /b> tương ứng,< /b> kết quả là chúng ta sẽ thu được 32 giá < /b> trị độ < /b> trễ máy thu tương ứng < /b> với các < /b> vệ < /b> tinh < /b> nhìn thấy Một số < /b> kết quả tính thử nghiệm cũng được chỉ ra trong b ng 2 B ng 2: Độ trễ máy thu tại các < /b> trạm... mà ở < /b> đây được lấy là từng tháng một Do phương pháp xác < /b> định độ < /b> trễ thiết b là dựa vào sự khác nhau giữa giá < /b> trị TEC của < /b> mô < /b> hình và < /b> TEC quan sát, vì vậy việc lấy giá < /b> trị median độ < /b> lệch cho cả tháng về ý nghĩa sẽ phản ánh ứng < /b> hơn tính địa phương của < /b> giá < /b> trị TEC quan sát Ý tưởng của < /b> phương pháp xác < /b> định độ < /b> trễ thiết b b ng cách kết hợp độ < /b> trễ và < /b> tính riêng cho từng cặp máy thu và < /b> vệ < /b> tinh < /b> là có tính... với các < /b> phương pháp trước đây thường tách riêng hai giá < /b> trị này và < /b> lấy chung giá < /b> trị độ < /b> lệch cho mỗi trạm thu Vì vậy các < /b> cặp giá < /b> trị độ < /b> trễ thiết b cũng như là độ < /b> lệch máy thu tách riêng chỉ có ý nghĩa tham khảo và < /b> chỉ áp dụng < /b> để < /b> hiệu < /b> chỉnh tính TEC theo phương pháp này Trên đây mới chỉ là hai ví dụ tính toán thử nghiệm ban đầu của < /b> phương pháp Để kiểm định được tính ổn định của < /b> phương pháp và < /b> để < /b> thu... Minh, A Bourdillon, R Fleury, P Lasudrie-Duchensne, Nguyễn Chiến Thắng, Trần Thị Lan, Trần Ngọc Nam,< /b> Hoàng Thái Lan, Xác < /b> định hàm lượng điện < /b> tử tổng cộng tầng < /b> điện < /b> ly < /b> ở < /b> Việt < /b> Nam < /b> qua số < /b> liệu các < /b> trạm thu tín < /b> hiệu < /b> vệ < /b> tinh < /b> GPS’, Tạp chí Địa Chất Vol 296, N2, 54-62, 2006 [6] Lê Huy Minh, Nguyễn Chiến Thắng, Trần Thị Lan, R Fleury, P Lasudrie-Duchensne, A Bourdillon, C Amory-Mazaudier, Trần Ngọc Nam,< /b> Hoàng... xét và < /b> kiến nghị Từ những kết quả tính toán thử nghiệm trên có thể rút ra một số < /b> nhận xét như sau: + Phương pháp tính TEC nêu trên là tương đối phù hợp và < /b> ổn định cho chuỗi thời gian 1 tháng thử nghiệm (5/2006 và < /b> 3/2007) trên cả 3 trạm thu GPS ở < /b> Việt < /b> Nam < /b> + Độ trễ thiết b tính toán được theo phương pháp này không thay đổi nhiều theo thời gian nhưng cần thiết phải được tính toán để < /b> hiệu < /b> chỉnh giá < /b> trị... y=splint(xa,ya,n,y2a,x) % klo=1; khi=< /b> n; while (khi-< /b> klo) > 1 kk= (khi+< /b> klo)/2; k=floor(kk); if xa(k) > x khi=< /b> k; else klo=k; end end h=xa (khi)< /b> -xa(klo); if h < 1e-5 disp(' les valeurs de x doivent etre distinctes croissantes') return end a=(xa (khi)< /b> -x)/h; b= (x-xa(klo))/h; y=a*ya(klo) +b* ya (khi)< /b> +((a^3-a)*y2a(klo)+ (b^ 3 -b) *y2a (khi)< /b> )*(h^2)/6; return % -function biais_res(fichs) % ham tinh < /b> gia tri... Minh, Nguyễn Chiến Thắng, Trần Thị Lan, R Fleury, P Lasudrie-Duchensne, A Bourdillon, C Amory-Mazaudier, Trần Ngọc Nam,< /b> Hoàng Thái Lan, Ảnh hưởng < /b> của < /b> b o từ tới < /b> nồng độ < /b> điện < /b> tử tổng cộng vùng dị thường điện < /b> ly < /b> xích đạo Đông Nam < /b> Á quan sát được từ số < /b> liệu GPS’, Tạp chí các < /b> khoa học về Trái đất Vol 29, N2, 104-112, 2007 [7] Orus R., Hernandez-Pajares, Juan M.J., Sanz J., and GarciaFernandez,: Ferformance... tinh < /b> fclose(fide); return % -function rien = parorb(tabalm,isat) % cac tham so quy dao cua ve tinh < /b> % dau ra : cac tham so chung cho chuong trinh global ecce i0 omd ra om0 ome m0 af0 af1 toe toc crs cuc cus cic cis crc den idot af2 ecce=tabalm(01,isat); xtoa=tabalm(02,isat); i0=tabalm(03,isat); omd=tabalm(04,isat); ra=tabalm(05,isat); om0=tabalm(06,isat); ome=tabalm(07,isat);... [sublat,sublon,obve,satele]=icord(rlat,rlon,xhh,rtime) % ham tinh < /b> toa do ve tinh < /b> va toa do diem cat tang dien ly < /b> % et du facteur oblique/vertical % dau vao : rlat = vi do tram theo rad (duoc tinh < /b> trong file entete.m) % rlon = kinh do tram theo rad (duoc tinh < /b> trong file entete.m) % xhh = do cao cua tram theo m (duoc tinh < /b> trong file entete.m) % rtime = thoi gian ngay theo s (duoc tinh < /b> trong file lec_obs.m) . tài cấp nhà nước Ứng dụng công nghệ vũ trụ để nghiên cứu đánh giá ảnh hưởng của tầng điện ly và tầng khí quyển tới độ chính xác khi sử dụng tín hiệu vệ tinh ở khu vực Việt Nam Những người. VẬT LÝ ĐỊA CẦU CÁC SẢN PHẨM CỦA ĐỀ TÀI ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ VŨ TRỤ ĐỂ NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ ẢNH HƯỞNG CỦA TẦNG ĐIỆN LY VÀ TẦNG KHÍ QUYỂN TỚI ĐỘ CHÍNH XÁC KHI SỬ DỤNG TÍN HIỆU VỆ. DỤNG TÍN HIỆU VỆ TINH Ở KHU VỰC VIỆT NAM CODE LẬP TRÌNH CHƯƠNG TRÌNH XỬ LÝ SỐ LIỆU, MÔ PHỎNG VÀ CÁC B I B O, B O CÁO HỘI NGHỊ CNĐT : LÊ HUY MINH 905 7-1 HÀ NỘI –