Sai số dọc đường truyền tín hiệu

3/11/2021 - 12:00 AM
Các ảnh hưởng này có thể chia thành hai loại: Sai số do dụng cụ và sai số truyền tín hiệu.
      Những sai số do dụng cụ
      Các sai số do dụng cụ được chia làm các loại sau:Khoảng cách giữa tâm pha ăng ten và tâm vật chất của vệ tinh, độ trễ trong các thiết bị điện và sai số thời gian trong hệ thống đo.
      Các ảnh hưởng này có thể được giảm thiểu và ước tính. Ảnh hưởng tổng thể của sai số do dụng cụ làm cho độ cao bị lệch đi được xác định và kiểm soát tại các điểm hiệu chuẩn đo cao ở các vùng kiểm tra. Khi vệ tinh đi qua đỉnh của các trạm đo laser trên Mặt Đất thì việc kiểm tra là thích hợp nhất. Đối với vệ tinh GEOS-3, giá trị hiệu chuẩn trung bình được xác định là 5,30m. Đối với SEASAT-1 giá trị hiệu chuẩn gần như bằng 0.

Hình 1: Mô tả hình học tại điểm hiệu chuẩn
 
      Đối với vệ tinh T/P, các vị trí hiệu chuẩn được duy trì ở bờ biển Nam California và gần đảo Lampedusa ở Địa Trung Hải. Bên cạnh đó thì SLR, GPS và DORIS cũng được sử dụng (hình 1). Độ cao mặt biển được xác định độc lập từ giá trị đo cao và đo thủy triều. Độ lớn của các sai số này ảnh hưởng đến giá trị đo cao vào khoảng 40 cm đối với ERS-1 và gần như bằng không đối với T/P. Đối với JASON và ENVISAT được hỗ trợ bởi một mạng lưới các trạm nghiệm triều và được định vị bằng các trị đo của DORIS và GPS.
      Để nghiên cứu sự thay đổi mực nước biển trung bình trên toàn cầu thì điều quan trọng là phát hiện và hiệu chỉnh (potential drifts) “sự trôi dạt thế năng” trong hệ thống đo trên vệ tinh. Để xem xét mực nước biển dâng ở mức dưới 2mm/ năm thì phải phát hiện sự trôi dạt ở mức 1mm/năm. Điều này yêu cầu liên tục hiệu chuẩn ở các trạm hiệu chuẩn nhiều năm.
      Một sai số do dụng cụ nữa gây ra do độ lệch hướng của chùm tia khỏi phương thẳng đứng. Ảnh hưởng này phụ thuộc vào độ dài của xung và độ rộng của chùm tia và có thể được giảm thiểu bằng biện pháp kỹ thuật. Ảnh hưởng này có thể được bỏ qua đối với các hệ thống giới hạn chiều dài xung vì “dấu chân” được xác định theo chiều dài xung.
      Số hiệu chỉnh do tầng ion

Hình 2: Số hiệu chỉnh do tầng điện ly được xác định từ trị đo của DORIS. Bản đồ được vẽ bằng Basic Radar Altimetry Toolbox
đối với sản phẩm của vệ tinh đo cao JASON-1. Đơn vị là m.
 
      Số hiệu chỉnh này tính đến việc chậm trễ của tín hiệu radar do thành phần điện tử trong tầng khí quyển (tầng ion). Việc tính toán được thực hiện bằng cách kết hợp các trị đo cao vệ tinh radar thu được ở hai tần số khác nhau (C-band và Ku-band đối với T/P và Jason-1, Ku-band và S-band đối với Envisat). Số hiệu chỉnh này có độ lớn từ 0 đến 50 cm.
      Tốc độ lan truyền của một xung vô tuyến bị chậm lại một lượng tỷ lệ thuận với mật độ điện tử tự do trong tầng điện ly của Trái Đất, còn được gọi là tổng lượng điện tử (TEC, được đo bằng tổng số các đơn vị điện tử, 1 TECU = 1016  el/m2). Độ chậm của vận tốc tỷ lệ nghịch với bình phương tần số, ví dụ nó làm cho độ cao từ vệ tinh đến mặt biển sai 0,2 đến 20 cm ở tần số 13,6 GHz. Giá trị này thay đổi theo ngày đêm (đêm ít bị ảnh hưởng hơn) từ mùa đông sang mùa hè và theo chu kỳ của Mặt Trời (ảnh hưởng ít khi chu kỳ hoạt động của Mặt Trời tối thiểu). Cách tính số hiệu chỉnh có thể xem trong tài liệu của Chelton năm 2001, Imel năm 1994, và Callahan 1984.
      Bởi vì ảnh hưởng này phụ thuộc vào tần số nên trị đo khoảng cách ở hai tần số có thể tính được ảnh hưởng này. Trong điều kiện đại dương điển hình, chiều cao sóng là 2m, số hiệu chỉnh khoảng cách do tầng điện li cho Ku-band được xác định từ các máy đo tần số kép có độ chính xác dự kiến ± 0,5 cm.
      Số hiệu chỉnh tầng đối lưu ướt
      Số hiệu chỉnh tầng đối lưu ướt là số hiệu chỉnh cho sự chậm trễ của tín hiệu radar do nước lỏng ở trong khí quyển. Nó được tính từ các trị đo bức xạ và các mô hình khí tượng. Nó có giá trị khoảng từ 0 đến 50cm với biên độ chu kỳ hàng năm đến 20cm.
      Số hiệu chỉnh này thường được tính toán trên đại dương với các trị đo bức xạ. Nhưng các trị đo bức xạ như vậy thường không có trên Mặt Đất hoặc khu vực gần bờ nên ở các khu vực này có thể thay thế bởi số hiệu chỉnh tính từ mô hình khí tượng (thường sử dụng mô hình NCEP hoặc ECMWF).
      Cứ sai 10m trong độ dày cột không khí thì dẫn đến sai 1mm trong số hiệu chỉnh đo cao. Do đó số hiệu chỉnh thường được xác định với độ chính xác cao trên biển. Khi số hiệu chỉnh này được xác định từ các mô hình khí tượng (trên đất liền hay vùng gần bờ) có đưa vào độ cao địa hình với mô hình DEM (Digital Elevation Model), thì nó không được tốt như vậy. Do đó ước tính chính xác độ cao của lục địa là yếu tố quan trọng để tính toán chính xác sự chậm trễ của tầng đối lưu. Một số dự án đang được tiến hành nhằm cải thiện số hiệu chỉnh tầng đối lưu ướt khu vực gần bờ và trên đất liền bằng cách sử dụng giá trị đo cao có được từ chính trị đo cao vệ tinh.
      Hiệu chỉnh tầng đối lưu khô
      Số hiệu chỉnh này là do thành phần khí của khí quyển gây nên sự chậm trễ tín hiệu radar. Cho đến nay, đây là số hiệu chỉnh lớn nhất phải tính cho trị đo cao vệ tinh vì nó lên đến 2,3m nhưng ít thay đổi theo thời gian (chỉ thay đổi vài cm).
Số hiệu chỉnh này có thể tính gần đúng bằng công thức Saasstamoinen với đơn vị là cm.
           ΔRdry = -0.002277P0 (1+0.0026cos2B)
      Trong đó: P0 là áp suất nước biển có đơn vị là milibar và B là độ vĩ trắc địa. Như vậy, độ chậm khoảng cách do tầng đối lưu khô tỷ lệ với áp suất nước biển và phụ thuộc vào độ vĩ. Với sai số áp suất mực nước biển là 5mbar tương ứng với sai số khoảng cách là khoảng 1 cm. Do không thể ước lượng áp suất mực nước biển bằng các kỹ thuật không gian nên số hiệu chỉnh do tầng đối lưu khô phải được lấy từ các mô hình khí tượng.

Hình 3: Số hiệu chỉnh do tầng đối lưu khô được tính toán từ mô hình áp suất khí quyển ECMWF
cho vệ tinh JASON-1 chu kỳ 223. Đơn vị là mét.
      Số hiệu chỉnh do áp suất khí quyển
      Đây là số hiệu chỉnh cho sự thay đổi độ cao mặt biển do áp suất khí quyển thay đổi. Số hiệu chỉnh này có thể đạt tới ±15 cm và nó được tính toán từ các mô hình khí tượng.
      Phản ứng của mặt biển với những thay đổi của áp suất khí quyển có ảnh hưởng lớn đến độ cao mặt biển đo được. Hình thúc đơn giản để hiệu chỉnh là xác định phản ứng hoàn toàn cục bộ của mặt biển đối với áp suất khí quyển tại điểm đo. Số hiệu chỉnh do áp suất khí quyển có thể được tính dễ dàng từ số hiệu chỉnh tầng dối lưu khô bằng thành phần tính toán đầu tiên là áp suất mực nước biển P0 theo công thức:
        B = -9.948 (ΔRdry -1013.3)
      Trong đó: IB có đơn vị là mm; ΔRdry có đơn vị là mbar.
      Với 1 mbar áp suất khí quyển thay đổi tương ứng với sự thay đổi tuyến tính của mực nước biển khoảng 1 cm.
      Số hiệu chỉnh do độ ghồ ghề của mặt biển
      Đây là số hiệu chỉnh do độ ghồ ghề của mặt biển làm cho sự phản xạ tín hiệu khác nhau: đáy sóng phản xạ tín hiệu tốt hơn đỉnh sóng, do đó độ cao của mặt biển đo được sẽ có xu hướng chuyển từ mặt biển trung bình bề phía đáy sóng. Sự thay đổi này ảnh hưởng đến kết quả đo khoảng cách từ vệ tinh đến mặt biển. Số hiệu chỉnh này phụ thuộc vào độ cao sóng và tần số tín hiệu radar.

Hình 4: Số hiệu chỉnh do độ gồ ghề mặt biển tính toán từ mô hình thực nghiệm đối với băng tần Ku,
 vệ tinh JASON-1, chu kỳ 223. Đơn vị là mét.
      Các hiệu chỉnh này cũng có tên là độ lệch trạng thái biển, có phụ thuộc tuyến tính vào độ cao sóng (SWH) và đạt từ 2 đến 4% của SWH. Các thảo luận về độ lệch trạng thái biển có thể tìm thấy trong tài liệu của Chelton năm 2001.

Hình 5: Mối quan hệ giữa độ dốc cạnh hàng đầu của các tín hiệu phản hồi và chiều cao sóng.
Theo cuốn Xác định dị thường trọng lực biển bằng số liệu đo cao vệ tinh của TS. Nguyễn Văn Sáng,
NXB Tài nguyên – Môi trường và Bản đồ Việt Nam, năm 2017.
Đăng ký nhận bản tin Register