Sử dụng cảm biến GPS giá rẻ phục vụ theo dõi biến dạng - Số 2

Image Content

GIM International – ANTHI Việt Nam

Nút phối hợp thường được xác lập ngay trên thực địa gần với lưới WSN (Hình 3) và cần được lắp đặt kiểm tra một cách cẩn trọng. Bởi nút phối hợp này sẽ hoạt động giống như cơ quan đầu não của toàn bộ hệ thống nên nguồn cấp điện cũng đòi hỏi nhiều hơn, nếu sử dụng năng lượng mặt trời thì các tấm cảm quang cũng cần lớn hơn mới đủ điện năng cho các thiết bị hoạt động. Hơn thế nữa đây là nút rất quan trọng trong toàn bộ lưới, là hợp phần trung tâm nên việc dịch vụ bị gián đoạn là điều không được phép xảy ra khi triển khai. Các hợp phần khác trong lưới sẽ kết nối với nút phối hợp thông qua đường truyền Internet, đường cáp, 3G hoặc kết nối vệ tinh phụ thuộc hoàn toàn vào điều kiện hạ tầng khu vực triển khai cũng như ứng dụng. Người sử dụng từ các trạm xa có thể hỏi đáp vào cơ sở dữ liệu, hiển thị số liệu cũng như thay đổi một số cách xác lập cấu hình cảm biến.

ĐỊNH VỊ

Các vệ tinh định vị trong hệ thống GPS cung cấp hai dạng tín hiệu L1 và L2 trên mỗi tần số khác nhau. Những máy thu có độ chính xác cao (Geodetic Receivers) được sử dụng trong trắc địa cao cấp có khả năng xử lý các phép đo sóng mang trên cả hai tần số L1/L2 cho phép chúng hiệu chỉnh độ trễ khi tín hiệu đi qua tầng điện ly, một trong những nguồn gây sai số lớn nhất trong đo đạc GPS. Các máy thu cao cấp có thể thực hiện được khả năng hiệu chỉnh nàybởi ảnh hưởng của độ trễ tín hiệu qua tầng điện ly khác nhau trên hai tần số L1 và L2. Các máy thu cấp thấp có giá thành rẻ như loại máy sử dụng trong Geocubes chỉ có khả năng xử lý số liệu sóng mang trên tần số L1. Mặc dù vậy, trong phương pháp quan trắc biến dạng không nhất thiết phải tính toán chính xác các vị trí độc lập, quan trọng hơn ở đây là phải xác định được chính xác đường cơ sở (Baseline) tạo bởi hai trạm GPS, đây chính là điểm mấu chốt để xác định biến dạng. Với các đường cơ sở có độ dài dưới 1km, hoàn toàn có thể tính toán chính xác bằng việc chỉ sử dụng số liệu đo trên tần số L1.

Hình 3 – Nút phối hợp trong hệ thống 13 trạm Geocube nghiên cứu tại Argentiere 

Khi số liệu đã được tập trung tại nút phối hợp, phương pháp lọc mở rộng Kalman được sử dụng để tính toán các vị trí lắp đặt Geocubes trong chế độ thời gian thực. Quá trình tính toán xử lý số liệu còn kết hợp với việc quan trắc so sánh phép đo sóng mang giữa hai máy thu và hai vệ tinh. Bằng cách kết hợp hai phương pháp tính toán phân sai này, sai số đồng hồ được loại bỏ đồng thời giảm đáng kể sai số gây ra bởi tầng điện ly và tầng đối lưu. Phương pháp lọc Kalman giúp cải thiện độ chính xác của các phép đo bằng cách giả định chuyển dịch mỗi điểm và tích hợp tất cả số liệu quan trắc trong cùng một khung thời gian. Phần mềm xác định tính toán vị trí được cài đặt để chạy tại nút phối hợp. Nhiệm vụ xử lý lưới được thực thi sử dụng số liệu đo thô sóng mang đơn tần L1 cung cấp bởi tất cả các nút đang hoạt động trên lưới. Kết quả cuối cùng là vị trí dịch chuyển của các điểm trong lưới được xác định bởi một khung tham chiếu cố định tạo bởi tối thiểu 3 bộ Geocubes lắp đặt cố định tại các vị trí liền kề lưới quan trắc biến dạng. Kết quả tính toán vị trí theo thời gian của mỗi trạm đo Geocubes đã cung cấp số liệu phục vụ xác định biến dạng vị trí có độ phân giải lên tới 1 giây và độ lệch chuẩn vị trí nằm trong giới hạn 1cm.

SỐ LIỆU BỔ SUNG

Những dịch chuyển và biến dạng đã ghi nhận có thể được bổ sung nhiều thông tin hơn nhờ sử dụng các phép đo và số liệu thu được từ các cảm biến bổ sung trong lưới WSN, những số liệu bổ sung này còn giúp cho quá trình phân tích khác biệt vị trí theo thời gian và biến dạng thực tế của khu vực cũng như đối tượng quan trắc. Thêm vào đó, những cảm biến này còn giám sát các điều kiện tại thời điểm số liệu được ghi nhận qua đó tăng cường tính tin cậy của số liệu đã thu. Ví dụ, tính ổn định của các máy thu GPS có thể kiểm tra được bằng cách sử dụng số liệu thu được từ thiết bị đo độ nghiêng (Inclinometer), đó là cơ sở đảm bảo độ ổn định của hệ thống treo và gá lắp thiết bị đo trên từng nút mạng.

ỨNG DỤNG THỰC TIỄN

Để thử nghiệm khả năng hoạt động của Geocube trong lưới quan trắc, 13 bộ Geocube đã được sử dụng để nghiên cứu động năng dịch chuyển của băng tại Argentiere, Mont Blanc, Pháp. Mục đích của dự án nghiên cứu này là giúp các nhà khoa học hiểu rõ hơn những biến động của lớp bề mặt các khối băng dưới tác động của mưa lớn trong mùa thu. Trong thời gian liên tục kéo dài 60 ngày, 11 bộ Geocube đã được gắn cố định lên mặt băng trong khu vực rộng 800m x 300m, đồng thời 2 bộ Geocube khác được gắn cố định để làm trạm tham chiếu cho 11 bộ Geocube gắn trên băng. Nút phối hợp được xác lập ngay cạnh một trong hai bộ Geocube tham chiếu để quản lý toàn bộ lưới nghiên cứu. Với mong muốn giám sát một cách chính xác quá trình thay đổi, dịch chuyển, tốc độ dịch chuyển của băng bằng thiết bị Geocube sau này nên các nhà nghiên cứu đã so sánh các kết quả đo mà Geocube thu được với các kết quả đo biến dạng sử dụng các thiết bị đo truyền thống, kỹ thuật đo vẽ ảnh hàng không mặt đất và kỹ thuật quét laser 3 chiều mặt đất. Các kết quả thu được với thiết bị Geocube hết sức khả quan, ngoài độ chính xác Geocube còn thể hiện rất rõ tốc độ và hướng dịch chuyển của băng dưới tác động của những trận mưa lớn diễn ra trong khu vực. Qua dự án thử nghiệm này, các nhà khoa học rất tin tưởng vào việc mở rộng ứng dụng cho Geocube trong tương lai.

Hình 4 – Kết quả nghiên cứu băng tan tại đỉnh Argentiere, số liệu cũng cho thấy rõ hướng và tốc độ chuyển dịch của khối băng theo ngày.

Mọi thông tin xin liên hệ với chúng tôi qua hòm thư: info@anthi.com.vn