Đề tài Khảo sát độ chính xác định vị thuỷ âm đường đáy ngắn

- Hệ thống yêu cầu hiệu chỉnh chi tiết các tham số môi trường . - Độ chính xác phụ thuộc vào các thiết bị phụ trợ như bộ hiệu chỉnh con quay hoặc các trạm cải chính độ cao. - Cần ít nhất 3 bộ phát biến cho một thiết bị. 1.2.2.3. Định vị thuỷ âm đường đáy dài a. Ưu điểm: - Độ chính xác không phụ thuộc vào độ sâu . - Có nhiều trị đo thừa. - Cung cấp độ chính xác cao trong khu vực lớn. - Không cần thêm các hệ thống phụ trợ như bộ tham chiếu độ cao , la bàn. - Bộ phát biến nhỏ, chỉ cần một bộ phát biến cho một thiết bị. b. Nhược điểm: - Hệ thống phức tạp đòi hỏi người sử dụng chuyên nghiệp. - Yêu cầu các hệ thống thiết bị đắt tiền. - Chi phí nhiều thời gian cho việc triển khai và khôi phục hệ thống. - Mỗi hệ thống LBL đều yêu cầu kiểm định trước mỗi lần triển khai sử dụng. 1.2.3. Độ chính xác của định vị thuỷ âm và các nguồn sai số. 1.2. 3.1. Nguồn sai số và độ chính xác của định vị thuỷ âm: a. Nguồn sai số của định vị thuỷ âm. 1. Lắc dọc và lắc ngang của tàu. 2. Độ lệch offset của dàn đối với điểm quy chiếu , ví dụ như trọng tâm (COG). 3. Độ dịch chuyển do sự kết hợp của độ lệch dàn và chuyển động lắc dọc và lắc ngang của tầu. 4. Độ lệch của bộ ứng đáp /bộ đáp/mốc tín hiệu âm dưới biển so với mục tiêu chỉ định. b. Độ chính xác của định vị thuỷ âm. - Độ chính xác của hệ thống định vị thuỷ âm được quyết định bởi độ chính xác của hệ thống mốc tín hiệu thuỷ âm. - Độ chính xác phụ thuộc vào việc xác định và hạn chế các hiệu ứng khúc xạ âm. Điều này đặc biệt chú ý trong vùng có các thiết bị cố định đang hoạt động như hệ thống dàn khoan ngầm, độ chính xác của hệ thống LBL trong khu vực này cao hơn hệ thống USBL và SBL. - Phụ thuộc vào việc xác định và hệ số khúc xạ. - Phụ thuộc vào các tần số được sử dụng, độ chính xác tăng khi tần số tăng nhưng giảm hiệu năng. - Sự tiên tiến của hệ thống phần mềm sử dụng để tính toán dữ liệu định vị. - Mối quan hệ hình học giữa các thiết bị thuỷ âm. 1.2.3.2. Các nguồn nhiễu. Định vị thuỷ âm chịu ảnh hưởng của các nguồn nhiễu như: Nhiễu âm thanh do môi trường Nhiễu âm thanh do chính thiết bị Nhiễu của sự phản xạ âm thanh 1.3. Ứng dụng trong thực tiễn - Ứng dụng chủ yếu trong trắc địa công trình biển ( Định vị đế giàn khoan, định vị đường ống dẫn dầu, lắp đặt cáp …) - Ứng dụng trong công tác hải dương học ( Nghiên cứu về biển, tìm các rặng san hô, xác định các luồng cá … ) - Khảo sát biển - Xây dựng lưới khống chế đáy biển phục vụ công tác đo đạc biển và công tác xây dựng các công trình dưới biển… Chương II MỘT SỐ KIẾN THỨC VỀ ĐỊNH VỊ THUỶ ÂM 2.1. Sự lan truyền sóng âm thanh trong môi trường nước. 2.2.1. Sóng âm trong môi trường nước: Bản chất của sóng âm thanh là sự lan truyền sóng cơ học trong môi trường nước , đó là sự tác động liên tục quá trình tiếp nhận và truyền tải năng lượng của dao động âm. Hiện tượng sóng âm phổ biến nhất là sóng dọc, khi sóng âm truyền qua môi trường các phân tử nước rung động trong môi trường tạo ra mật độ và áp suất thay đổi dọc theo hướng chuyển động của sóng. Sự thay đổi áp suất được hiểu như sóng âm hoặc thừa áp , thừa áp Pe được định nghĩa như sau: Pe = P –P0 (2.1) Trong đó P là áp suất tức thời , P0 là áp lực thuỷ tĩnh hay nói cách khác là áp lực không có sự thay đổi . Do áp suất lớn, các hạt trong môi trường nước sẽ bắt đầu di chuyển , kết quả là khoảng cách giữa các phân tử thay đổi giống như một hàm của thời gian và vị trí. Để âm thanh truyền qua môi trường , môi trường được co lại. Lực nén ký hiệu s , s được biểu diễn bằng 1/Pa , nó là thể tích căng trên một đơn vị và được biểu diễn như sau : (2.2) Khi thay đổi trong thể tích ban đầu và Pe được chấp nhận , nếu s là hằng số thì có thể hiểu như định luật Hooke. Sự phản hồi của lực nén được hiểu như hệ số tải trọng k . Đối với biên độ sóng âm thanh nhỏ, xem xét ở đây lực nén và hệ số tải trọng có thể coi là hằng số. Từ khi có nhiễu cục bộ, môi trường không thể ngay lập tức truyền tín hiệu, sự lan truyền sóng âm thanh xảy ra cùng một lúc với sự xáo trộn tương ứng với vận tốc âm v. Tốc độ âm thanh phụ thuộc vào hệ số tải trọng k và mật độ trung bình được tính như sau : (2.3) Với k = 2,2x10-9 Pa và P0 = 1000(kg/m3) , tốc độ âm trong môi trường nước xấp xỉ 1480m/s. So sánh với tốc độ âm trong sắt là khoảng 5050 m/s và trong không khí là 330 m/s. Ta cũng có thể dùng công thức tích phân trung bình để xác định vận tốc âm trong nước: (2.4) Trong đó D1,2 là khoảng cách, V(t) là vận tốc âm (phụ thuộc vào độ sâu H, nhiệt độ T và độ muối S). 2.2.2. Phương pháp xác định tốc độ âm: Chúng ta có rất nhiều cách để xác định tốc độ âm thanh trong môi trường nước. Hiện nay với sự phát triển không ngừng của khoa học kỹ thuật, việc xác định tốc đô âm trở nên đơn giản. Tốc độ âm thanh phụ thuộc vào các yếu tố sau: Nhiệt độ: Nhiệt độ tại bề mặt biển thay đổi theo vị trí địa lý trên trái đất, theo mùa trong năm, theo thời gian trong ngày. Sự phân bố nhiệt độ là một trường phức tạp và không thể dự đoán một cách chính xác cho mục đích khảo sát thuỷ văn. Sự biến đổi của nước theo độ sâu khá phức tạp vì thế dự đoán một cách chính xác mặt cắt tốc độ âm phục vụ cho nhiệm vụ khảo sát đo đạc biển là không đơn giản. Độ sâu khá nhạy cảm đối với những biến đổi của mặt cắt tốc độ âm, nước ở độ sâu khác nhau sẽ có nhiệt độ khác nhau. Sự biến đổi của 10C độ (Celsius) làm tốc độ âm thay đổi khoảng 4,5m. Các biến đổi nhiệt độ ảnh hưởng lớn nhất tới sự thay đổi tốc độ âm sau đó mới tới áp suất. Hình 2.1. Mặt cắt nhiệt độ theo độ sâu Độ sâu lớp nước trong khoảng từ 200m – 1000m có nhiệt độ thay đổi nhiều nhất và tốc độ âm lúc này ảnh hưởng lớn nhất bởi nhiệt độ. Độ mặn của nước: Độ mặn của nước là một thước đo độ hoà tan của muối và các khoáng chất khác trong nước biển. Bình thường nó được định nghĩa như tổng số lượng chất rắn hoà tan trong nước biển trên một phần nghìn(ppt hoặc o/oo) Trong thực tế độ mặn không được xác định một cách trực tiếp nhưng được tính toán từ lượng clo của nước , chỉ số khúc xạ âm hay thuộc tính khác nào đó mà có liên quan tới độ muối. Mẫu mức độ clo có trong nước biển được sử dụng làm mẫu độ mặn. Hình 2.2. Biểu đồ độ mặn nước biển trên thế giới , đơn vị tính là đơn vị muối thực tế Độ mặn trung bình của nước biển khoảng 35o/oo. Tỷ lệ thay đổi của tốc độ âm thanh xấp xỉ 1,3m/s cho sự thay đổi 1 o/oo của độ mặn. Áp suất : Áp suất cũng tác động đáng kể tới vận tốc âm thanh. Áp suất là hàm của độ sâu và khoảng thay đổi của tốc độ âm khoảng 1,6m/s với 10 atmospheres xấp xỉ khoảng 100m độ sâu. Mật độ nước phụ thuộc vào các thông số trước đó tức là nhiệt độ, áp suất, độ mặn. Năm mươi phần trăm nước biển có mật độ nằm trong khoảng 1027.7 và 1027.9 kg/m3. Sự ảnh hưởng lớn nhất về mật độ là áp lực nén theo độ sâu. Nước có mật độ 1028.0kg/m3 tại bề mặt thì sẽ có mật độ là 1050.0kg/m3 ở độ sâu 5000m. Tốc độ âm thanh v trong nước biển có thể thể hiện như một hàm nhiệt độ T, áp suất P( độ sâu H), độ mặn S. Những tham số này ảnh hưởng tới thuộc tính tải trọng của môi trường. Các thông số khác như bọt khí và các vi sinh vật cũng ảnh hưởng tới tốc độ âm. Tốc độ âm thường sử dụng trong môi trường lý tưởng, công thức chung như sau: v = f(T,p,S) = f (T, H, S) (2.5) Người ta đa nghiên cứu và đưa ra một số công thức thực nghiệm để xác định tốc độ âm trong nước: Công thức xác định tốc độ âm với đơn vị m/s với các thông số nhiệt độ (T), độ sâu (H) , độ mặn S(ppt) Bảng 2.1. Công thức tốc độ âm theo T,H,P Các công thức Giới hạn sử dụng Công thức 2.6 Công thức 2.7 Công thức 2.8 Điển hình công thức thực nghiệm được trình bày ở Bảng 2.1 là tốc độ âm thanh tăng cùng với sự gia tăng nhiệt độ , độ sâu , độ mặn. Từ các biểu thức tốc độ âm thanh tăng nhanh khi nhiệt độ tăng. Có hai thiết bị dùng xác định tốc độ âm trong môi trường nước : Một là sử dụng thiết bị “ cảm biến nhiệt ” (Bathyermograph) có hình dạng quả ngư lôi trong đó chứa thiết bị cảm biến nhiệt độ và một đầu dò để phát hiện sự thay đổi về độ sâu. Các “ cảm biến nhiệt ” có thể cung cấp thông tin về nhiệt độ mà không cần lấy lại bộ phận cảm biến . “ Cảm biến nhiệt ” chuyển mối quan hệ nhiệt độ và độ sâu thành tốc độ âm thanh. Với thiết bị này người ta coi biểu đồ độ mặn không cần thiết , vì lý do đó “ Cảm biến nhiệt ” được sử dụng ở những vùng nước sâu. Hình 2.3. Thiết bị cảm biến nhiệt Hai là máy đo tốc độ âm (Velocimeter) là thiết bị xác định tốc độ âm dựa trên nguyên lý xác định thời gian đi và về giữa một máy phát và một bộ thu cố định. Dụng cụ này chính xác trong mọi điều kiện bao gồm cả nhưng nơi có biến thiên về độ mặn lớn. Hình 2.4 Máy đo vận tốc âm 2.2.3. Hiện tượng suy giảm cường độ âm trong nước : Sự suy giảm là sự mất năng lượng của một làn sóng âm truyền trong môi trường nước và bị hấp thụ, lan toả theo hình cầu và bị tán xạ bởi các phần tử trong cột nước. Sự suy giảm là kết quả của phân ly và kết hợp của một số phần tử trong cột nước ví dụ như magie sun phát ( MgSO4) là nguồn hấp thụ chính trong nước biển. Tỷ lệ hấp thụ phụ thuộc vào tính chất vật lý và hoá học của nước biển và trên các tần số âm thanh được truyền đi. Hình 2.5. Hệ số hấp thụ của sóng âm theo nhiệt độ và độ sâu Sự lan toả hình cầu phụ thuộc vào cấu trúc hình học , với một góc khối năng lượng âm truyền qua một diện tích khi khoảng cách từ nguồn âm tăng. Cả hai đều bị tổn thất do sự hấp thụ và lan toả hình cầu được tính đến trong phương trình truyền âm theo công thức: EE = SL -2TL – (NL - DI) +BS – DT (2.9) Trong đó : EE (Echo Excess) số dư âm thanh SL (Source level) Mức nguồn âm TL (Transmission loss) tổn thất do truyền âm thanh trong môi trường nước NL ( Noise level) Mức độ nhiễu âm thanh trong môi trường nước DI ( Directivity index) Chỉ số hướng của âm thanh trong môi trường nước BS (Bottom backscattering strength) cường độ tán xạ của đáy biển DT ( Detection threshold) Ngưỡng tách sóng Tuy nhiên sự tổn thất từ tán xạ phụ thuộc vào các phần tử hoặc các đối tượng có trong cột nước. Tán xạ chủ yếu do các sinh vật biển, là nhân tố chính trong lớp phát tán sâu ( DSL : Deep Scattering Layer) bao gồm lớp của sinh vật phù du có độ sâu khác nhau, thay đổi hàng ngày. Khúc xạ là hiện tượng trong đó hướng lan truyền của sóng âm thanh bị thay đổi do thay đổi tốc độ âm lan truyền trong môi trường hoặc giống như năng lượng đi qua bề mặt chung , đại diện cho tính không liên tục của tốc độ âm giữa hai bề mặt. (2.10) v2 v1 v2 v1 v1<v2 v1>v2 Hình 2.6. Nguyên lý khúc xạ tia âm thanh Theo định luật Snell và xem xét hai lớp nước trong đó có vận tốc âm khác nhau v1 , v2. Nếu v1 > v2 hướng chuyền của sóng âm thanh sẽ thay đổi theo quy luật góc chuyền sẽ nhỏ hơn góc tới. Ngược lại, thì góc chuyền sẽ lớn hơn góc tới. Hệ số khúc xạ theo áp suất ký hiệu là tính được theo công thức 2.10 [Kinsler et al,.. 1982] chính là tỷ lệ áp lực biên độ của sóng phản xạ bởi các áp lực biên của sóng tới. Đối với các điều kiện chung , tỷ lệ của cường độ âm thanh phản xạ và truyền qua phụ thuộc chủ yếu vào: - Tương phản giữa trở kháng của các thiết bị - Địa hình đáy biển - Tần số âm Những đặc trưng của một máy dò bằng tiếng dội được xác định bằng những bộ chuyển đổi, tức là tính định hướng, chùm tia, chiều rộng, sự điều khiển chùm tia và cường độ tại cạnh biên. a. Tần số âm Các tần số âm thanh là những tham số để xác định phạm vi và những vùng mà âm thanh có thể đi qua. Sự suy giảm của tín hiệu âm trong nước tỷ lệ với tần số, tần số càng cao thì sự suy giảm càng nhanh, tức là đo được khoảng cách ngắn, ngược lại tần số càng thấp thì càng đo được khoảng cách dài. Độ rộng chùm tia phụ thuộc vào độ dài sóng âm thanh và kích thước của bộ cảm biến. Đối với cùng một độ rộng chùm tia tần số thấp hơn sẽ đòi hỏi phải có bộ chuyển đổi lớn. Tần số theo độ sâu thể hiện như sau : Vùng nước nông hơn 100m : tần số cao hơn 200kHz Vùng nước nông hơn 1500m : tần số 50 – 200 kHz Vùng nước sâu hơn 1500m : tần số 12 – 50 kHz Các tần số cho độ sâu bề mặt đáy biển là dưới 8kHz b. Độ rộng băng tần Tăng Tần số Hình 2.7. Độ rộng băng tần của bộ phát biến Lấy f0 là tần số của truyền tải điện tối đa( cộng hưởng tần số ) và f1 , f2 là tần số tương ứng với nửa cường độ tín hiệu, độ rộng băng tần là khoảng tần số giữa các tần số ( hình 1.10), tức W = f2 – f1 Hệ số chất lượng của bộ phát biến Q được tính bởi công thức : (2.11) Từ các định nghĩa trên có thể thấy rằng Q và W có sự thay đổi tỷ lệ nghịch. Do đó, để tối ưu hoá truyền tải năng lượng, các bộ chuyển đổi nên chuyển gần với các tần số cộng hưởng và do đó có độ rộng băng tần nhỏ, tức là giá trị hệ số chất lượng cao. Trong quá trình lựa chọn Q là cần thiết để có sự phản hồi tốt và phân biệt với các tín hiệu khác, tuy nhiên Q cũng phải được xác định trong dải tần số , độ rộng băng tần của bộ phát biến thoả mãn W với là khoảng thời gian của xung. c. Chiều dài xung Độ dài của xung xác định năng lượng truyền vào trong nước, với cùng một cường độ thì xung càng dài thì cần nhiều năng lượng hơn để đi sâu vào trong nước và để đi qua một khoảng cách lớn có thể thực hiện được với hệ thống dò tín hiệu âm. Để tận dụng lợi thế của bộ chuyển đổi tần số cộng hưởng thời gian xung nên có ít nhất một nửa chu kỳ tự nhiên. Hạn chế của xung dài là giảm độ tin cậy của hai bên rìa xung. Hình 2.8. Chiều dài xung 2.2. Nguyên tắc đo khoảng cách trong định vị thuỷ âm 2.2.1. Nguyên tắc đo khoảng cách 2 chiều Hình 2.9. Hình vẽ thể hiện khoảng cách từ đầu phát biến tới bộ ứng đáp và thiết bị lặn. Sóng âm thanh được sử dụng để đo khoảng cách trong môi trường nước. Bản chất của phép đo khoảng cách bằng sóng âm thanh là đo khoảng thời gian là truyền tín hiệu âm thanh và coi vận tốc âm là đã biết. Thông thường, để đo khoảng cách, người ta thực hiện “phép đo khoảng cách theo nguyên tắc 2 chiều” , khoảng cách D1 ( khoảng cách hai chiều từ đầu phát biến tới bộ ứng đáp dưới đáy biển ) được xác định theo công thức : (2.12) Trong đó V là vận tốc âm coi đã biết là khoảng thời gian tín hiệu đi và về ( 2 chiều ) Với t1 là thời gian phát tín hiệu tại bộ phát biến t2 là thời gian nhận tín hiệu tại bộ phát biến là độ trễ thời gian giữa tín hiệu thu và phát Để có được tín hiệu âm cả đi và về, người ta dựa trên hiện tượng phản xạ âm khi âm thanh gặp đáy biển hoặc một đối tượng có phản xạ âm nào đó. Theo nguyên tắc đo này, người ta đã chế tạo ra máy đo sâu hồi âm. Trong định vị thuỷ âm, tín hiệu lan truyền hai chiều được tạo ra bởi thiết bị ứng đáp thuỷ âm , thiết bị này phát ra tín hiệu âm “ đáp” khi nhận được tín hiệu âm “hỏi”. Bộ phát biến là thiết bị tạo ra tín hiệu “ hỏi” và cũng là bộ phận thu nhận tín hiệu “đáp”. Hình 2.9, bộ phát biến (V) được gắn theo tầu, tiêu ứng đáp thuỷ âm (B) được đặt dưới đáy biển. Như vậy khoảng cách giữa bộ phát biến và tiêu thuỷ âm sẽ nhận được theo công thức (2.12). Trong trường hợp này việc đo thời gian được thực hiện tại vị trí V. Tiến hành vi phân hai vế công thức 2.12 rồi đưa về sai số trung phương 4 (2.13) Với = , = V từ đó ta có: (2.14) suy ra: (2.14a) Hoặc biến đổi thành công thức sau : (2.14b) 2.2.2. Nguyên tắc đo khoảng cách 1 chiều Nguyên tắc “đo khoảng cách 1 chiều”cũng có thể được thực hiện trong môi trường nước nếu như có thể đồng bộ thời gian giữa bộ phát tín hiệu. Trong trường hợp hình vẽ trên thiết bị lặn R được kết nối với tầu qua dây cáp, do đó vấn đề đồng bộ thời gian giữa bộ phát biến V và bộ phát biến tín hiệu (điều khiển qua dây) R được thực hiện., trong trường hợp này, khoảng cách D2 giữa vị trí phát biến V và thiết bị lặn R xác định theo công thức: (2.15) Trong đó là khoảng thời gian tín hiệu âm thanh đi từ R tới V (1 chiều). Tiến hành vi phân hai vế công thức 2.15 rồi đưa về sai số trung phương (2.16) Với = , = V (2.16a) Hoặc biến đổi thành công thức sau : (2.16b) Chương III ĐỘ CHÍNH XÁC ĐỊNH VỊ THUỶ ÂM ĐƯỜNG ĐÁY NGẮN 3.1. Định vị thuỷ âm đường đáy ngắn 3.1.1. Định vị thuỷ âm đường đáy ngắn Hình 3.1. Sơ đồ bố trí SBL Hệ thống định vị thuỷ âm đường đáy ngắn (SBL) sử dụng hệ thống các đường đáy ngắn có chiều dài từ 20 – 50m. Các đường đáy ngắn được bố trí dưới đáy tầu và xác lập trong hệ toạ độ tầu. Giới hạn ( đầu, cuối) của các đường đáy ngắn là các thiết bị nghe hoặc các đầu phát biến. Hệ thống định vị SBL có thể làm việc ở trạng thái tầu đứng yên hoặc tầu chuyển động. Để đảm bảo đồ hình định vị tốt , cho độ chính xác cao thì hệ thống này nên áp dụng ở các vùng có độ sâu tương đương chiều dài cạnh đáy. Tuy nhiên ở vùng nước sâu cũng có thể áp dụng hệ thống này theo nguyên tắc khác, trong đó có thêm trị đo góc tới, ngoài các trị đo khoảng cách bằng tín hiệu âm. Nếu bộ ứng đáp, mốc tín hiệu âm được đặt tại vị trí cố định đã biết toạ độ dưới đáy biển chúng ta có thể tính ra vị trí của tầu với các thiết bị phụ trợ ( ví dụ bộ chỉnh hướng, cảm biến lắc). Toạ độ tầu được tính dựa trên các trị đo khoảng cách và góc tới từ mốc thuỷ âm đến đầu ống nghe nằm trong hệ toạ độ xác lập bởi các đường đáy ngắn. Ngược lại với vị trí tầu đã được xác định bằng DGPS thì từ các khoảng cách và hướng đo được bằng thiết bị thuỷ âm sẽ xác định được vị trí của bộ ứng đáp trong hệ toạ độ tầu. Theo như phân tích ở trên, phương pháp định vị thuỷ âm đường đáy ngắn bị hạn chế trong phạm vi nhỏ như xác định vị trí động của một hệ thống cố định. Phương pháp định vị thuỷ âm đường đáy ngắn được áp dụng cho : - Vị trí của tầu trong phạm vi nhỏ ( từ mốc tín hiệu tới bộ ứng đáp ở trên đáy biển) tương đương với độ sâu của nước. - Xác định vị trí hoặc theo dõi thiết bị dưới nước hoặc thiết bị kéo theo tầu. - Vị trí các thiết bị động (tầu cố định tại một điểm) ví dụ như mũi khoan. (a) (b) Trong phương pháp sử dụng mốc tín hiệu cố định, sự khác nhau của khoảng cách đo từ đầu nghe đến mốc tín hiệu âm được xác định dựa trên cơ sở đo hiệu thời gian tín hiệu đến các đầu nghe. Trong trường hợp này cần phải biết độ sâu tại vị trí tầu. Trong trường hợp sử dụng thiết bị bộ ứng đáp , sẽ đo được khoảng cách từ bộ ứng đáp tới các đầu nghe. Các đầu nghe tín hiệu âm gắn dưới đáy tầu phải nằm cùng một mặt phẳng. Vị trí tương hỗ(Khoảng cách, hướng) giữa các đầu thu tín hiệu ở đáy tầu phải biết trước. Có ba trường hợp sử dụng hệ thống định vị thuỷ âm đường đáy ngắn: - Tầu cố định và bộ phát tín hiệu di động ( Nếu bộ ứng đáp được gắn trên thiết bị di động dưới nước và tầu cố định, vị trí của thiết bị dưới nước có thể xác định liên tục) - Tầu di chuyển và bộ ứng đáp cố định( nếu bộ ứng đáp được gắn cố định dưới đáy biển tại điểm đã có toạ độ trong hệ toạ độ quy ước của khu đo thì sẽ xác định được vị trí của tầu trong quá trình di chuyển với sự hỗ trợ của các thiết bị cảm biến và các giá trị đo theo nguyên lý thuỷ âm). - Cả tầu và bộ ứng đáp cùng di chuyển nhưng hệ toạ độ của tầu cần phải được xác định bằng định vị DGPS. 3.1.2. Định vị thuỷ âm đường đáy ngắn sử dụng mốc tín hiệu cố định Trường hợp này được áp dụng khi đo tại khu vực có độ sâu lớn, khi đó độ sâu H sẽ lớn hơn rất nhiều so với cạnh đáy của tầu. Để định vị trong trường hợp này chúng ta sử dụng phương pháp đo góc tới kết hợp đo khoảng cách hoặc độ sâu. Trên hình 3.2 thể hiện một trường hợp đơn giản gồm ba ống nghe tín hiệu âm được gắn dọc theo hai trục x, y vuông góc với nhau. Hình 3.2. Quan hệ hình học giữa mốc tín hiệu và ống nghe tín hiệu âm Trục x thẳng hướng với mũi tầu, trục y vuông góc theo hướng mạn tầu. Trục z vuông góc với mặt phẳng đáy tầu của các ống nghe tín hiệu âm và theo hướng xuống dưới.Sự khác nhau của thời gian nhận tín hiệu tại mốc tín hiệu của các ống nghe tín hiệu âm ký hiệu là dT1 và dT2 cùng được đo trên hai trục . Khoảng cách D1 ( theo trục x) giữa bộ thu H1 và H3 , D2 ( theo trục y ) giữa ống nghe tín hiệu âm thu H1 và H2 và độ sâu “z” đã được biết trước. Các ẩn chưa biết là toạ độ x,y của điểm tín hiệu dưới đáy biển trong hệ toạ độ của các ống nghe tín hiệu âm. Theo trục x, hiệu khoảng cách được tính là: dRx = R3 – R1 = v.dT = v(T3 -T1) (3.1) T1 , T3 là các thời điểm ống nghe tín hiệu âm H1 và H3 nhận được tín hiệu. Với vận tốc âm thanh trong môi trường nước tại khu đo. Góc lệch của ống nghe tín hiệu âm so với mốc tín hiệu theo trục x là như trong hình 3.1 Góc được tính như sau: (3.2) ẩn số tính từ góc nghiêng và độ sâu “ z ” đã biết như sau: (3.3) Tương tự như thế, dọc theo trục y hiệu khoảng cách là dRy = R2 – R1 = v.dT = v(T2 – T1 ) (3.4) Góc lệch của ống nghe tín hiệu âm so với mốc tín hiệu theo trục y là và chúng ta có thể tính như sau: (3.5) Và ẩn y được tính: (3.6) 3.1.3. Định vị thuỷ âm đường đáy ngắn sử dụng thiết bị bộ ứng đáp Thông qua các thiết bị thuỷ âm người ta sẽ tính được thời gian truyền tín hiệu từ bộ ứng đáp đến các ống nghe tín hiệu âm. Hệ toạ độ trục của ống nghe tín hiệu âm sẽ được xác định thông qua mối quan hệ hình học của ống nghe theo hình sau : Hình 3.3. Mối quan hệ hình học giữa nguồn âm và các ống nghe tín hiệu âm Hãy xét xem trường hợp mảng đối xứng của bốn ống nghe tín hiệu âm ( một ống dự phòng) được gắn vào đáy tầu, trên một bề mặt phẳng nằm ngang. Tạo thành hình chữ nhật với cạnh là 2a và 2b theo hình 3.3. Thông qua tín hiệu âm sẽ đo được khoảng cách R1, R2 , R3, R4. Các khoảng cách đo liên hệ với 3 ẩn số cần xác định là x,y,z với hai tham số đã biết là a,b. Mối quan hệ giữa các tham số a,b , các trị đo R1, R2 , R3, R4 và ba ẩn số được thể hiện trong công thức. (3.7) Đây là các phương trình phi tuyến tính đối với các ẩn số x,y,z. Để giải bài toán này theo phương pháp số bình phương nhỏ nhất cần phải triển khai phương trình 3.7 về dạng tuyến tính. Như vậy, cần phải biết giá trị gần đúng của các ẩn số tức là biết vị trí gần đúng của bộ ứng đáp. Tuy nhiên ở đây sẽ được trình bày phương pháp xác định các ẩn số x, y, z như sau : Từ 3.7 ta biến đổi về 3.8 (3.8) Từ 3.8 sau khi ta biến đổi sẽ được các phương trình sau: (3.9) Giá trị toạ độ x,y của bộ ứng đáp được tính : (3.10) Sau khi tính được toạ độ x,y thì toạ độ z được tính như sau : (3.11) 3.2. Các hệ toạ độ và các hệ quy chiếu 3.2.1. Hệ quy chiếu WGS- 84 Từ những năm 1950, khi bắt đầu sử dụng vệ tinh nhân tạo , người ta đã đưa ra hệ trắc địa toàn cầu WGS ( World Geodetic System) . Hệ WGS- 60 được coi là hệ trắc địa toàn cầu đầu tiên, do bộ quốc phòng Mỹ (DoD : The Department of Defense ) thiết lập. Tiếp đó là các hệ WGS-66 và WGS-72 được đưa ra nhằm nâng cao độ chính xác cả hệ thống trắc địa toàn cầu đáp ứng các yêu cầu của DoD. Hệ WGS – 84 được thiết lập năm 1984, được nâng cấp một số lần và đang được sử dụng cho hệ thống định vị toàn cầu GPS . Hệ trắc địa toàn cầu WGS – 84 là một hệ quy chiếu trái đất quy ước phù hợp với trái đất trên phạm vi toàn cầu. Hệ WGS – 84 được xác định với gốc toạ độ khá gần với trọng tâm trái đất thoả mãn các tiêu chí do IERF ( International Terrestial Reference Frame ) đề ra. Hệ WGS – 84 được đảm bảo khung quy chiếu WGS – 84 , với các trạm trong đoạn điều khiển của hệ thống GPS và một số trạm quan sát của cơ quan bản đồ và ảnh quốc gia Mỹ và nhiều trạm thu khác. Hệ toạ độ Đề Các được sử dụng trong WGS – 84 có các trục toạ độ sau: Trục OZ hướng về phía cực Bắc xác định tại thời điểm quy ước năm 1984 với sai số cỡ 0.005” Trục OX được xác định trên mặt phẳng kinh tuyến gốc tương ứng với thời điểm quy ước 1984 với sai số cỡ 0.005” Trục OY tạo bởi OX và OZ thành một tam diện thuận. Trong hệ WGS – 84 người ta sử dụng Elipxoid tham chiếu có các tham số kích thước và hình dạng như sau : Bán trục lớn a = 6378137.0 m Độ dẹt f = 1/298.257223563 Các tham số vật lý + Hằng số trọng trường tổng hợp GM = 3986004.418x108m3/s2 + Tốc độ quay của trái đất : = 7292115x10-11 rad/s Trong hệ WGS – 84 chúng có thể biểu diễn vị trí của bất kỳ một điểm nào trên trái đất hoặc ngoài trái đất nhờ 3 thành phần toạ độ vuông góc không gian địa tâm là X, Y, Z với các điểm trên mặt đất có thể biểu diễn chúng nhờ toạ độ trắc địa với các giá trị toạ độ B, L, H. Khung quy chiếu WGS – 84 đã được nâng cấp vào các năm 1994 ( tuần lễ 730) . Trong hệ thống giờ GPS , 1997 ( tuần lễ 873) và năm 2002 ( tuần lễ 1150 ). 3.2.2. Hệ quy chiếu quốc gia VN2000 Trước năm 2000 hệ toạ độ quốc gia Việt Nam là hệ HN – 72 . Đây là hệ toạ độ được xác lập trên Elipxoid Kraxoski 1940, phép chiếu Gauss – Kruger và hệ độ cao Hòn Dấu . Sau năm 2000 chúng ta sử dụng hệ toạ độ quốc gia mới có tên VN – 2000. Đây là hệ toạ độ xác lập trên Elipxoid WGS – 84 , phép chiếu UTM ( Universal Transverse Mercator ) và hệ độ cao Hòn Dấu. Như vậy đối với mỗi hệ toạ độ quốc gia chúng ta thấy có 3 yếu tố cơ bản đó là : Elipxoid trái đất , phép chiếu và độ cao. Trong cả hai hệ toạ độ quốc gia HN – 72 và VN– 2000 độ cao được lấy theo hệ độ cao Hòn Dấu. Hệ quy chiếu và hệ toạ độ quốc gia Việt Nam ( gọi tắt là hệ VN – 2000) được áp dụng thống nhất để xây dựng hệ toạ độ các cấp hạng , các hệ thống bản đồ địa hình cơ bản , hệ thống bản đồ nền , hệ thống bản đồ địa chính , hệ thống bản đồ hành chính quốc gia và các bản đồ chuyên đề khác. Trong hoạt động đo đạc và bản đồ khi cần thiết có thể áp dụng các hệ quy chiếu khác phù hợp với mục đích riêng. Hệ VN – 2000 có các tham số chính sau đây : 1. Elipxoid quy chiếu quốc gia là Elipxoid WGS – 84 toàn cầu với các tham số sau : Bán trục lớn : a = 6378137.0 m Độ dẹt : f = 1/298.257223563 Tốc độ quay quanh trục : = 7292115.0x10-11 rad/s Hằng số trọng trường trái đất : G = 3986004x108m3 /s2 2. Vị trí Elipxoid quy chiếu quốc gia : Elipxoid WGS – 84 toàn cầu được xác định vị trí ( định vị ) phù hợp với lãnh thổ Việt Nam trên cơ sở sử dụng điểm GPS cạnh dài có độ cao thuỷ chuẩn phân bố đều trên lãnh thổ. 3. Điểm gốc toạ độ quốc gia Việt Nam : Điểm N00 đặt tại Viện Nghiên cứu Địa Chính thuộc Tổng cục địa chính, đường Hoàng Quốc Việt Hệ toạ độ VN – 2000 được Thủ tướng Chính phủ ký quyết định là hệ toạ độ Trắc địa – Bản đồ quốc gia Việt Nam và có hiệu lực từ ngày 12/8/2000. Hệ toạ độ này có các đặc điểm: - Sử dụng Elipxoid WGS – 84 ( World Geodetic System 1984 ) làm Elipxoid thực dụng, Elipxoid này có bán trục lớn là a = 6378137 m , độ dẹt 1/298.2572 - Sử dụng phép chiếu và hệ toạ độ vuông góc phẳng UTM Ngày 27/02/2007 Bộ Tài Nguyên và Môi Trường đã ra quyết định số 05/2007/QĐ – BTNMT về việc sử dụng hệ thống tham số tính chuyển giữa hệ toạ độ quốc tế WGS – 84 và hệ toạ độ trắc địa quốc gia VN – 2000 và sử dụng tham số tính chuyển từ WGS – 84 sang VN – 2000 như sau : 1. Tham số dịch chuyển gốc toạ độ : -191.90441429 m , -39.30318279 m , -111.45032835 m 2. Góc xoay trục toạ độ (góc Euler): - 0.00928836” ; 0.01975479” ; -0.00427372’’ 3. Hệ số tỷ lệ chiều dài : dm = 0.25296278x10-6 3.2.3. Hệ toạ độ vuông góc không gian địa tâm Như chúng ta đã biết hệ toạ độ vuông góc không gian ( Hệ Đề Các) thường được sử dụng để biểu thị vị trí điểm trong không gian (3D). Đối với hệ quy chiếu trái đất, hệ toạ độ vuông góc không gian địa tâm được quy định như sau: Tâm của hệ trùng với tâm của Elipxoid trái đất, trục OZ trùng với bán trục nhỏ b ( trục quay) của Elipxoid trái đất, trục OX trùng với giao tuyến của mặt phẳng kinh tuyến trắc địa Greenwich với mặt phẳng xích đạo , trục OY vuông góc với trục OX và trục OZ tạo thành một tam diện thuận. Hình 3.4. Hệ toạ độ vuông góc không gian địa tâm Vị trí điểm P được xác định trong hệ toạ độ vuông góc không gian địa tâm bởi 3 giá trị toạ độ X, Y, Z (hình 3.4) 3.2.4. Hệ toạ độ trắc địa Trên Elipxoid thực dụng (hình 3.5) , vị trí điểm được biểu thị qua các thành phần toạ độ sau: - Độ vĩ trắc địa B - Độ kinh trắc địa L - Độ cao trắc địa H( còn gọi độ cao so với Elipxoid) Với các định nghĩa sau : - Độ vĩ trắc địa B là góc hợp bởi pháp tuyến qua điểm xét và mặt phẳng xích đạo - Độ kinh trắc địa L là góc nhị diện giữa mặt phẳng kinh tuyến gốc (Greenwich) và mặt phẳng kinh tuyến đi qua điểm xét. - Độ cao trắc địa H là khoảng cách tính theo phương pháp tuyến từ điểm xét đến mặt Elipxoid. Hình 3.5. Hệ toạ độ trắc địa Để biểu thị vị trí chính xác đến 1mm thì giá trị toạ độ B, L phải tính đến 0.00003’’, tức là phải có tới 5 chữ số lẻ có nghĩa sau đơn vị giây. Nếu có trước tọa độ trắc địa B,L,H thì ta tính được tọa độ X,Y,Z theo công thức sau : (3.12) Trong đó N là bán kính vòng thẳng đứng thứ nhất tại điểm xét được tính theo công thức: (3.13) Trong trường hợp đã có tọa độ vuông góc không gian địa tâm cần tính tọa độ trắc địa B,L,H chúng ta áp dụng công thức sau : Để chuyển đổi tọa độ vuông góc không gian X,Y,Z sang tọa độ trắc địa B,L,H ta sử dụng công thức sau : nếu D>Z (3.14) Hoặc nếu D<Z (3.15) Trong đó k là số lần tính lặp : Vị trí nước ta có vĩ độ nhỏ hơn 230 nên D>Z do đó ta sẽ sử dụng công thức (1.13) Khi tính lặp độ vĩ B theo công thức (1.13) và (1.14) ta lấy giá trị gần đúng đầu tiên theo công thức : (3.16) Độ kinh được tính theo công thức : (3.17) Độ cao trắc địa H được tính theo công thức: (3.18) 3.2.5. Hệ toạ độ vuông góc không gian địa diện chân trời Lấy một điểm trên mặt đất T0 làm gốc toạ độ. Lấy pháp tuyến tại T0 làm trục z, trục x là giao tuyến của mặt phẳng kinh tuyến đi qua T0 và mặt phẳng nằm ngang vuông góc với pháp tuyến tại T0, trục x hướng về cực Bắc. Trục y vuông góc với trục x và trục z và hướng về phía đông . Chính vì có các trục như vậy nên người ta còn ký hiệu các trục và các thành phần toạ độ trong hệ toạ độ vuông góc không gian địa diện là N(North), E( East), U(Up) thay cho x,y,z. Hình 3.6. Hệ toạ độ vuông góc không gian địa diện chân trời Trong hệ toạ độ vuông góc không gian địa diện chân trời , toạ độ x,y(N,E) được thể hiện trên một mặt phẳng nằm ngang tại T0 là mặt phẳng chân trời. x,y được coi là toạ độ mặt bằng của điểm và mang tính cục bộ ( địa phương). 3.2.6. Hệ toạ độ tầu. Trong hệ toạ độ tầu người ta xác định vị trí các thiết bị bằng thước hoặc bằng máy đo khoảng cách. Mối liên hệ giữa hệ toạ độ tầu và hệ toạ độ địa diện thể hiện qua góc xoay . Khi đã xác định được góc xoay thì việc tính chuyển giữa hệ toạ độ địa diện x,y,z và hệ toạ độ tầu x’y’z’ được thực hiện theo công thức sau : Nguồn âm Hình 3.7. Hệ toạ độ tầu 3.3. Kết hợp định vị DGPS và định vị thuỷ âm 3.3.1. Các công nghệ định vị DGPS chính xác cao 3.3.1.1. DGPS( Định vị GPS vi phân) a. Nguyên lý chung của định vị DGPS Nếu có 2 hoặc nhiều máy thu GPS có thể áp dụng kỹ thuật đo DGPS (Differential GPS) . Trong đó một máy thu đặt ở tại điểm đã biết toạ độ gọi là điểm tham chiếu (Reference station) còn máy thu khác di chuyển và sẽ được xác định toạ độ với điều kiện tại cả hai trạm số vệ tinh chung quan sát ít nhất là 4 vệ tinh. Vị trí đã biết của điểm đặt máy thu cố định sẽ được sửu dụng để tính số hiệu chỉnh GPS dưới dạng hiệu chỉnh vị trí điểm ( gọi là phương pháp vị trí – Position Method) hoặc hiệu chỉnh cách khoảng cách code đã được quan trắc ( gọi là phương pháp trị đo – Mesurement Method ). Các số hiệu chỉnh này sẽ được truyền bằng sóng vô tuyến ( Radio Link) đến máy động và lập tức tính toán vị trí điểm đạt được độ chính xác cao hơn so với trường hợp định vị tuyệt đối. b. Phân loại định vị vi phân Định vị vi phân diện hẹp : LADGPS ( Local Area Diffirential GPS) Định vị vi phân diên rộng WADGPS ( Wide Area Diffirential GPS) c. Ứng dụng Khi Mỹ phát triển hệ thống GPS có khả năng định vị với độ chính xác cao đã tung ra nhiễu SA làm giảm độ chính xác định vị ra xa tới hàng trăm mét. Một số kỹ sư Nhật Bản và Trung Quốc đã tiến hành đứng máy tại một điểm gốc biết toạ độ và dùng một máy di chuyển . Toạ độ các điểm được xác định với độ chính xác không ngờ tới . Định vị vi phân đã làm cho nhiễu SA và một số nguồn sai số bị giảm thiểu sự ảnh hưởng của chúng. Hình 3.8. Công nghệ DGPS xác định vị trí tầu biển Đặc biệt công nghệ DGPS ứng dụng trong việc xác định vị trí tầu biển. Các tín hiệu GPS được thu bởi các máy thu GPS trên tầu và các trạm tham chiếu. Số liệu cải chính DGPS sẽ được phát tới các máy thu GPS. Từ đó các vị trí được xác định với độ chính xác cao. Hiện nay , với các công nghệ DGPS độ chính xác cao thì vị trí điểm được xác định có thể tới 0.1 tới 0.3m. 3.3.1.2. Công nghệ C-Nav Hình 3.9.C-nav 2050 C-Nav2050 là một máy thu với 26 kênh theo dõi (12 kênh GPS L1, 12 kênh cho GPS L2 và hai kênh cho vệ tinh [SBAS]) và một bộ giải điều chế L-Band để tiếp nhận dịch vụ sửa chữa C-Nav. Các cảm biến có thể cho ra dữ thô nhanh như 50Hz và dữ liệu vận tốc định vị thời gian (PVT) nhanh như 25Hz thông qua hai cổng nối tiếp 115kbps. Ứng dụng của thiết bị C-nav kết hợp với dịch vụ hiệu chỉnh Starfire bao gồm : - Vị trí tàu di chuyển - Định vị mẫu - Lam việc trên thuyền quan trắc - Nạo vét và khảo sát quan trắc - Địa vật lý, địa chất, khảo sát và trắc đạc - Khảo sát thuỷ văn - Khảo sát hải dương học - Khảo sát xây dựng - Đường ống dẫn xây dựng, bảo trì, và khảo sát tuyến đường - Thiết bị điều khiển từ xa hỗ trợ định vị - Khảo sát tuyến cáp ngầm, lắp đặt, bảo trì 3.3.1.3. Công nghệ GcDGPS Sự hiệu chỉnh toàn cầu hệ thống định vị vi phân toàn cầu GcDGPS là một kỹ thuật được sử dụng để nâng cao độ chính xác và ổn định của hệ thống định vị toàn cầu (GPS). • Kỹ thuật này được phát triển bởi Phòng thí nghiệm Jet Propulsion của NASA do yêu cầu về độ chính xác decimeter trong không gian bên ngoài.• Để thực hiện điều này, một khái niệm hoàn toàn mới của DGPS đã được phát triển. DGPS truyền thống dựa trên khái niệm rằng lỗi vị trí ghi lại trong một địa điểm tương tự cho tất cả các vị trí trong một khu vực địa phương. • Một kênh tham khảo tính toán quỹ đạo và đồng hồ và chỉnh lại những chỉnh sửa được phát cho người dùng. •. Độ chính xác sẽ bị giảm khi bạn ở xa trạm tham chiếu Hiệu chỉnh toàn cầu hệ thống định vị vi phân toàn cầu • Bắt đầu với một mạng lưới toàn cầu của các vị trí tham khảo chiến lược định vị trên khắp thế giới. Mỗi vị trí được trang bị máy thu hai tần chất lượng cao. • Mỗi vị trí tham khảo theo dõi toàn bộ chòm sao vệ tinh GPS vào xem và gửi dữ liệu GPS liệu đến hai trung tâm xử lý độc lập của hệ thống (NPH) thời gian thực • NPHs nhận được dữ liệu thô sau đó tính toán quỹ đạo và hiệu chỉnh đồng hồ cho mỗi vệ tinh khỏe mạnh trong chòm sao. Sự hiệu chỉnh đó được phát sóng trên vệ tinh INMARSAT truyền dẫn trong tin nhắn hiệu chỉnh giá trị bất cứ nơi nào trên thế giới. 3.3.1.4. Công nghệ Fugro Omnistar OmniSTAR cung cấp hiệu suất cao (HP+) các hiệu chỉnh cho GPS thông qua các kênh vệ tinh. Những hiệu chỉnh này được dựa trên dữ liệu từ mạng lưới toàn cầu của các trạm tham chiếu kết hợp với quỹ đạo chính xác và thông tin đồng hồ cho mỗi vệ tinh trong chòm sao vệ tinh NAVSTAR GPS. OmniSTAR chỉnh các chương trình phát sóng như là một dịch vụ thuê bao trên một số vệ tinh địa tĩnh. Dịch vụ này, gọi tắt là OmniSTAR HP+, cho phép một người sử dụng bất cứ nơi nào trên thế giới để làm việc với độ chính xác tuyệt đối đúng tới dm. Hình 3.10. Nguyên lý thu phát tín hiệu vệ tinh của công nghệ Fugro Omnistar OmniSTAR BV nằm ở Hà Lan và là một phần của tập đoàn Fugro của công ty. Cùng với các công ty chị em ở Houston (Mỹ), Perth (Australia), Cape Town (Nam Phi), Dubai (UAE) và Singapore, OmniSTAR bán tín hiệu GPS sửa chữa phân biệt đối với trên đất và sử dụng trên không. Sự hiệu chỉnh của OmniSTAR được phát sóng bởi một số vệ tinh địa tĩnh. Tùy thuộc vào loại hình dịch vụ được sử dụng, OmniSTAR hiệu chỉnh cho phép đo phụ (VBS) hoặc mức độ chính xác dm (HP+) trên thế giới. Chương trình phát sóng trên sáu vệ tinh OmniSTAR công suất cao địa tĩnh, nằm ​​ở 36.000 km trên đường xích đạo. Tần số nằm trong phạm vi 1525-1559 MHz (GPS L1 = 1575,42 MHz, GPS L2 = 1227,60 MHz). Để nhận được các tín hiệu OmniSTAR HP+, đặc biệt kết hợp ăngten L1/L2/L-band là bắt buộc. OmniSTAR HP dựa trên quỹ đạo chính xác của vệ tinh và đồng hồ. Hệ thống được cung cấp các vị trí của các vệ tinh được biết đến trong vòng 20-30 cm và các lỗi đồng hồ vệ tinh được biết đến trong nano giây, có thể ước lượng vị trí đến mức một dm mà không cần dùng bất kỳ trạm tham khảo. Kỹ thuật này còn được gọi là "chính xác điểm định vị" (PPP: Precise Positioning Point). Với công nghệ OmniSTAR HP+, độ chính xác vị trí điểm xác định được nằm trong khoảng dm. 3.3.1.5. Hệ thống Starfire và Công nghệ NavCom: NavCom là công nghệ GNSS(Global Navigation Satellite System) Hình 3.11. Công nghệ Navcom § NavCom sở hữu và vận hành mạng lưới DGPS Starfire toàn cầu § NavCom hợp đồng cung cấp toàn diện các dịch vụ kỹ thuật cho các dự án ở các chuyên ngành. § NavCom cũng cung cấp các sản phẩm và dịch vụ cho các ứng dụng khác:- Thị trường ra nước ngoài - Khảo sát ứng dụng - GIS - Máy kiểm soát và quản lý tài sản - Hệ thống quân sự Hình 3.12 Hệ thống StarFire sử dụng 3.3.2. Sơ đồ nguyên lý kết hợp DGPS và định vị thuỷ âm Định vị thuỷ âm dựa vào các trị đo khoảng cách và đo góc định hướng bằng các thiết bị thuỷ âm như đã trình bày ở trên. Như vậy muốn thực hiện được định vị thuỷ âm cần có các thiết bị sau : - Hệ thống xử lý định vị thuỷ âm ( máy tính , phần mềm) - Bộ phát biến - Bộ ứng đáp tín hiệu - Mốc phát tín hiệu và bộ ứng đáp Muốn định vị thiết bị ngầm dưới nước cần phải: - Xác định vị trí của tầu bằng hệ thống DGPS hoặc một hệ thống tương tự hoặc tầu được xác định vị trí bởi các bộ ứng đáp hay mốc tín hiệu âm - Gắn bộ ứng đáp/ bộ đáp lên thiết bị cần định vị ngầm Hình 3.13. Nguyên lý định vị thuỷ âm Hình trên mô tả nguyên lý định vị thuỷ âm , trình tự định vị được thực hiện như sau: - Hệ thống định vị trên tầu sẽ thu tín hiệu cải chính DGPS và tính toán vị trí của tầu theo hệ toạ độ quy định cho khu đo. - Bộ phát biến phát tín hiệu xuống các bộ ứng đáp gắn trên các thiết bị dưới nước . - Các bộ ứng đáp phản hồi tín hiệu cho bộ phát biến. - Từ tín hiệu phản hồi thu được của bộ phát biến thì phần mềm sẽ tính toán các trị đo( khoảng cách, hướng) sau đó bộ xử lý định vị thuỷ âm sẽ tính toán vị trí của thiết bị dưới nước trong hệ toạ độ tầu - Kết nối và chuyển hệ toạ độ tầu về hệ toạ độ quy ước khu đo. 3.3.3. Các thiết bị sử dụng trong định vị thuỷ âm Hệ thống dẫn đường và định vị bằng sóng âm sử dụng các thiết bị làm việc dưới nước như : bộ phát biến , bộ nhận tín hiệu hoặc cả hai. Chúng ta có thể sử dụng các loại thiết bị như sau: 3.3.3.1.Thiết bị thuỷ âm sử dụng gắn trên tầu. Bộ phát biến ( Transduce ) – là bộ phát và nhận tín hiệu, thường xuyên gắn ở cạnh tầu hoặc trên hệ thống dưới nước. Nó gửi đi một tín hiệu kiểm tra trên một tần số và nhận lại tín hiệu phản hồi trên tần số thứ hai. Dưới đây là một số hình ảnh về bộ phát biến : (a) (b) (c) (d) (e) Hình 3.14. Các loại Bộ phát biến a : Bộ phát biến loại 8024 của Sonardyne b : Bộ phát biến loại 8024 phiên bản có trọng lượng nhẹ của Sonardyne c : Bộ phát biến loại 8021 của Sonardyne d : Bộ phát biến loại 8023 của Sonardyne e : Bộ phát biến loại 8091 của Sonardyne Vị trí của bộ phát biến : Hình 3.15. Vị trí gắn bộ phát biến SBL Ống nghe tín hiệu âm thanh ( Hydrophone) – là một thiết bị thu đa hướng hoặc thiết bị có định hướng được gắn trên tầu với nhiệm vụ nhận tín hiệu từ bộ phát biến hoặc mốc tín hiệu / tín hiệu kiểm tra. 3.3.3.2.Thiết bị gắn dưới nước và đáy biển. Bộ ứng đáp ( Transponder) – là một loại thiết bị thông dụng có thể gắn cố định dưới nước, gắn ở đáy biển hoặc trên các thiết bị lặn. Nó làm công việc nhận tín hiệu và chuyển tín hiệu kết hợp với bộ phát biến. Nhận được tín hiệu hỏi ( ra lệnh) của một tần số, bộ truyền dữ liệu sẽ gửi tín hiệu đáp trên tần số thứ hai và nó trở thành bị động cho đến khi có tín hiệu kiểm tra tiếp theo( nhằm mục đích tiết kiệm năng lượng) Một số hình ảnh về bộ ứng đáp ( Transponder) Bộ ứng đáp gắn trên thiết bị di chuyển Hình 3.16. Bộ ứng đáp gắn trên thiết bị di chuyển của hãng Sonardyne Bộ ứng đáp gắn dưới đáy biển Hình 3.17. Bộ ứng đáp gắn dưới đáy biển của hãng Sonardyne Mốc tín hiệu âm/ tín hiệu kiểm tra ( Beacon/ Pinger) – là thiết bị thông dụng gắn cố định dưới nước hoặc trên các thiết bị chìm. Nó là bộ ứng đáp, gửi đi xung trên một tần số đặc biệt của một trạm cơ sở. Bộ đáp ( Responder) – là một thiết bị truyền được gắn trên thiết bị lặn hoặc dưới đáy biển nó có thể kích hoạt bởi một dây dẫn ngoài kiểm soát tín hiệu kiểm tra cho thiết bị nhận hoặc ống nghe tín hiệu âm. Thiết bị này đồng bộ thời gian với bộ phát biến trên tầu thông qua dây dẫn ngoài. Hình 3.18.Bộ ứng đáp của hãng Sonardyne Trong tất cả các trường hợp trên, thiết bị nhận được tín hiệu là một trong hai loại thiết bị thu có hướng hoặc thiết bị thu đa hướng. Độ mạnh yếu của sóng âm lan truyền trong nước sẽ suy giảm bởi môi trường và chính nó phản hồi lại. Trong môi trường nước đa số các tạp âm thường có tần số 5kHz trở xuống. Vì vậy, để tránh các tín hiệu và lệnh điều khiển sai thì tần số nhỏ nhất trong định vị thuỷ âm nằm ở khoảng từ 7 – 12kHz. Chính vì thế sự lựa chọn tần số âm của hệ thống định vị thuỷ âm phụ thuộc phạm vi làm việc và độ chính xác, kích thước và giá thành. Nói chung, các tần số cao sử dụng cho phạm vi hẹp hơn( do hệ số hấp phụ cao) và độ chính xác cao. Phạm vi sử dụng của tần số và độ chính xác được thể hiện dưới bảng sau: Bảng 3.1. Dải tần số, khoảng cách tối đa và độ chính xác Loại tần số Dải tần Phạm vi làm việc Độ chính xác Tần số thấp(LF) 8kHz – 16kHz > 10 km 2m – 5m Tần số trung bình(MF) 18kHz– 36kHz 2km – 3.5 km 0.25m–1m Tần số cao (HF) 30kHz– 60kHz 1500m 0.15m-0.25m Tần số khá cao(EHF) 50kHz-110kHz < 1000m <0.05m Tần số cao tần(VHF) 200kHz- 300kHz <100m <0.01m Độ chính xác của hệ thống định vị thuỷ âm phụ thuộc vào tần số, sự suy giảm tín hiệu , môi trường , nhiễu , khúc xạ , phản xạ… Thông thường, độ chính xác đến một vài mét ở khoảng cách lớn. Với việc sử dụng các hệ thống dưới nước, độ chính xác có thể đạt tới decimet, bởi vì độ mặn và nhiệt độ đã ổn định ở một số độ sâu xác định. 3.4. Phân tích các nguồn sai số trong định vị thuỷ âm đáy biển Đáy biển Hình 3.19. Mối quan hệ giữa định vị vệ tinh và định vị thuỷ âm trong xác định vị trí đáy biển Hình trên thể hiện toạ độ của đáy biển được truyền từ hệ thống GPS thông qua tín hiệu thu GPS trên tàu. Sau đó tiến hành chuyển từ hệ toạ độ toàn cầu về hệ toạ độ tầu. Đầu phát biến phát tín hiệu tới vật thể hoặc tiêu mốc dưới đáy biển. Xác định toạ độ vật thể hoặc tiêu mốc trong hệ toạ độ tầu. Do vậy ta sẽ có các nguồn sai số tổng hợp bao gồm sai số của nguồn định vị GPS để xác định toạ độ tàu và nguồn sai số do định vị thuỷ âm dưới biển gây ra. MP2 = M12 + M22 Với M1 nguồn sai số do định vị GPS Với M2 nguồn sai số do định vị thuỷ âm Hiện nay với công nghệ hiện đại và ngày càng phát triển cao nên hệ thống định vị vệ tinh có thể cho biết vị trí của tầu với độ chính xác từ 0.2m tới 0.5 m. Chương IV TÍNH TOÁN THỰC NGHIỆM Do không có điều kiện tiếp cận được với các số liệu thực nghiệm, cho nên trong phần này chúng tôi sẽ thực nghiệm tính toán theo một số nội dung sau: - Tính toán khảo sát vận tốc âm trong nước theo các công thức đã biết - Ước tính sai số đo khoảng cách dưới nước sử dụng sóng âm - Ước tính độ chính xác định vị thủy âm đường đáy ngắn theo phương pháp mô hình . 4.1. Tính V theo P, T, H Thực nghiệm tính V theo các công thức trên: Bảng 4.1. Vận tốc âm tính theo công thức 2.5 STT T(0C) H(m) S(ppt) V(m) 1 -1 100 31 1440.774 2 0 200 32 1448.4 3 5 300 33 1473.13 4 8 400 34 1487.976 5 10 500 35 1498.34 Bảng 4.2. Vận tốc âm tính theo công thức 2.6 STT T(0C) H(m) S(ppt) V(m) 1 0 100 0 1447.6 2 5 200 10 1485.511 3 10 300 20 1519.89 4 15 400 30 1550.954 5 20 500 40 1578.92 Bảng 4.3. Vận tốc âm tính theo công thức 2.7 STT T(0C) H(m) S(ppt) V(m) 1 0 1000 31 1460.068 2 5 2000 33 1501.283 3 10 3000 35 1540.018 4 15 4000 37 1576.259 5 20 5000 40 1611.041 Như vậy vận tốc âm càng tăng khi T, H, P càng cao. 4.2. Tính sai số trung phương khoảng cách D đo được bằng sóng âm 4.2.1. Sai số trung phương khoảng cách D đo theo nguyên tắc hai chiều Sai số trung phương khoảng cách được tính theo công thức (2.14b) Áp dụng nguyên tắc đồng ảnh hưởng Ta có : Với vận tốc âm giả sử là 1500m/s , ứng với mỗi độ sâu ta sẽ có sai số vận tốc âm khác nhau . Sai số trung phương khoảng cách đo bằng sóng âm theo nguyên tắc hai chiều được thể hiện trong bảng sau : Bảng 4.4. Sai số trung phương khoảng cách đo bằng sóng âm theo nguyên tắc đo hai chiều( đơn vị m) D mv 20m 40m 50m 100m 200m 300m 400m 500m 700m 1000m 1.5 0.014 0.028 0.035 0.071 0.141 0.212 0.283 0.354 0.495 0.707 2.0 0.019 0.038 0.047 0.094 0.189 0.283 0.377 0.471 0.66 0.943 2.5 0.023 0.047 0.059 0.118 0.236 0.354 0.471 0.589 0.825 1.179 3.0 0.028 0.057 0.071 0.141 0.283 0.424 0.566 0.707 0.990 1.414 3.5 0.033 0.066 0.082 0.165 0.330 0.495 0.660 0.825 1.155 1.650 4.0 0.038 0.075 0.094 0.189 0.377 0.566 0.754 0.943 1.320 1.890 5.0 0.047 0.094 0.118 0.236 0.471 0.707 0.943 1.179 1.650 2.357 4.2.2. Sai số trung phương khoảng cách D đo theo nguyên tắc một chiều Sai số trung phương khoảng cách được tính theo công thức (2.16b) Bảng 4.5. Sai số trung phương khoảng cách đo bằng sóng âm theo nguyên tắc đo một chiều( đơn vị m) mv D 20m 40m 50m 100m 200m 300m 400m 500m 700m 1000m 1.5 0.028 0.057 0.071 0.141 0.283 0.424 0.566 0.707 0.990 1.414 2.0 0.038 0.075 0.094 0.189 0.377 0.566 0.754 0.943 1.320 1.89 2.5 0.047 0.094 0.118 0.236 0.471 0.707 0.943 1.179 1.650 2.357 3.0 0.057 0.113 0.141 0.283 0.566 0.849 1.131 1.414 1.980 2.828 3.5 0.066 0.132 0.165 0.330 0.660 0.990 1.320 1.650 2.310 3.300 4.0 0.075 0.151 0.189 0.377 0.754 1.131 1.508 1.886 2.640 3.771 5.0 0.094 0.189 0.236 0.471 0.943 1.414 1.886 2.357 3.300 4.714 4.3. Xác định vị trí bộ ứng đáp (dưới đáy biển) trong hệ toạ độ tầu Từ công thức 3.10 và 3.11 ta tính toán được toạ độ của bộ ứng đáp trong hệ toạ độ tầu Để có “số liệu tính” cho toán thử nghiệm, ở đây chúng tôi áp dụng phương pháp khảo sát trên mô hình. Nội dung của phương pháp kháo sát trên mô hình là tiến hành thiết kế vị trí các điểm gốc và các điểm cần xác định trên sơ đồ , trong hệ tọa độ không gian 3D theo một đồ hình tương tự với thực tế. Trên mô hình sẽ có được vị trí “thực” x,y,z của tất cả các điểm (gốc và cần xác định) trong không gian. Từ vị trí “thực” của các điểm đó sẽ tính ngược ra các yếu tố cần quan trắc của đồ hình khảo sát. Các giá trị tính ngược từ tọa độ thiết kế có thể coi như giá trị thực (tức là không có sai số). Để tạo ra “các trị đo” có sai số , ta gán cho các trị thực đã tính trên các sai số ngẫu nhiên có độ lớn, có dấu và có quy luật phân bố chuẩn, thảo mãn hàm mật độ tính theo công thức: Việc gán sai số theo quy luật phân bố chuẩn có thể thực hiện theo phương pháp tạo phiếu sai số và rút thăm tuần tự (có hoàn lại) để gán cho các trị thực. Từ “các trị đo” được tạo ta theo nguyên tắc trên, chúng ta hoàn toàn có thể sử dụng các thuật toán đã biết để tính toán, bình sai xác định lại tọa độ điểm cần xác định . Chênh lệch tọa độ giữa giá trị thiết kế của điểm P và tọa độ tính được sau xử lý sẽ phản ánh độ chính xác vị trí điểm cần xác định do ảnh hưởng của sai số ngẫu nhiên của các trị đo. Bài toán 1 : Giả sử ta có toạ độ các ống nghe gắn dưới đáy tầu : H1 , H2 , H3 , H4 và toạ độ của bộ phát biến gắn vào các vật di chuyển hoặc dưới đáy biển P. Ta tiến hành tính toán R1, R2, R3, R4 và tính toạ độ của P’ trong hệ toạ độ tầu. Bảng 4.6.Tính toạ độ tầu khi biết toạ độ các điểm Hi và toạ độ điểm P ta tính được toạ độ P’ trong hệ toạ độ tầu STT x(m) y(m) z(m) Ký hiệu trị đo Giá trị (m) H1 26 30 -2 R1 36.125 H2 26 38 -2 R2 42.626 H3 -24 38 -2 R3 56.718 H4 -24 30 -2 R4 52.009 P 15 2 18 a 25 P’ 14 0 18.916 b 4 Bài toán 2 : Có toạ độ các điểm Hi ( i = 1,…4) và các khoảng cách Ri (i=1,…4). Ta tính ra được toạ độ điểm P’ trong hệ toạ độ tầu . Kết quả dưới bảng sau: Bảng 4.7.Tính toạ độ tầu khi biết toạ độ các điểm Hi và khoảng cách Ri ta tính được toạ độ P’ trong hệ toạ độ tầu STT x(m) y(m) z(m) Ký hiệu trị đo Sai số các trị đo(m) Giá trị(m) H1 26 30 -2 R1 1 37.125 H2 26 38 -2 R2 -1 41.626 H3 -24 38 -2 R3 -1 55.718 H4 -24 30 -2 R4 0.5 52.509 a 25 P’ 13.754 -0.225 18.884 b 4 Từ hai bài toán trên ta xác định độ lệch các thành phần toạ độ điểm P’ trong hệ toạ độ tầu: x(m) y(m) z(m) Độ lệch 0.246 0.225 0.032 Kết luận Độ chính xác định vị thuỷ âm đường đáy ngắn phụ thuộc vào độ sâu và sai số đồng hồ đo thời gian lan truyền tín hiệu và sai số tốc độ âm trong môi trường nước. Vận tốc âm thanh dưới nước phụ thuộc vào áp suất, độ mặn và nhiệt độ của nước. Khi áp suất, nhiệt độ và độ mặn càng cao thì vận tốc âm thành truyền dưới nước càng nhanh. Trong thực tế sai số xác định vận tốc âm trung bình có thể đạt cỡ 1.5m. Sai số tốc độ âm ảnh hưởng tới việc xác định khoảng cách dưới nước được thể hiện qua bảng 4.5 và 4.6. Nếu khoảng cách 500m với vận tốc âm 1500m/s, sai số của vận tốc âm là 1.5m/s thì sai số xác định khoảng cách dưới nước là khoảng 1.0m. Với sai số xác định khoảng cách như trên (1.0m) và sai số xác định vị trí tàu bằng GPS cỡ khoảng 0.2 – 0.5 m , thì sai số tổng hợp tới việc định vị điểm dưới nước theo công thức MP2 = M12 + M22 . Sai số xác định vị trí điểm dưới nước vào khoảng 1.1m. Khi tiến hành đo khoảng cách dưới nước theo nguyên tắc hai chiều chính xác hơn đo khoảng cách theo nguyên tắc một chiều. Tài liệu tham khảo 1. GS.TSKH Phạm Hoàng Lân , PGS.TS Đặng Nam Chinh. Trắc địa biển Hà nội 8/2003 2. PGS.TS. Đặng Nam Chinh , PGS.TS. Đỗ Ngọc Đường. Bài giảng công nghệ GPS giành cho sinh viên trắc địa, Đại học Mỏ địa chất Hà nội. 3. KARL RINNER. Universidad de Gaz-Austria “Marine geodesy and its future”. 4. h.visser@omnistar.nl 5. StarFire: A Global High Accuracy Differential GPS System Ron Hatch, Tenny Sharpe, Paul Galyean - NavCom Technology Inc. 6. www.Sonardyne.com 7. Báo cáo tổng kết đề tài khoa học và công nghệ cấp bộ “Nghiên cứu hoàn thiện các chỉ tiêu kỹ thuật và quy trình công nghệ đo đạc biển ở Việt Nam” Chủ nhiệm đề tài PGS.TS. Đặng Nam Chinh. 8. Luận văn thạc sĩ kỹ thuật “Nghiên cứu ứng dụng công nghệ định vị thuỷ âm trong thi công công trình dưới nước” Nguyễn Văn Cương. 9. www.cctechnol.com