Công nghệ 3S

Phần 1: Công nghệ Định vị Toàn cầu (GPS)

• Lịch sử phát triển: Từ những phương pháp định vị cổ xưa bằng thiên văn đến sự ra đời của vệ tinh Sputnik-1 (Liên Xô, 1957) và hệ thống Transit (1958). Đề án NAVSTAR GPS của Bộ Quốc phòng Mỹ được phát triển từ những năm 1960, hoàn thiện vào năm 1986 và đưa vào hoạt động dân sự từ năm 1993.
• Các hệ thống định vị toàn cầu khác: Ngoài NAVSTAR (GPS), còn có GLONASS của Nga, GALILEO của Liên minh châu Âu, COMPASS của Trung Quốc và các hệ thống đang phát triển khác như IRNSS (Ấn Độ), QZSS (Nhật Bản).
• Các thành phần của hệ thống GPS:
  • Phần không gian: Gồm 24 vệ tinh (3 dự trữ) quay quanh Trái đất ở độ cao khoảng 20.200 km, chu kỳ 12 giờ. Vệ tinh phát ra sóng tải L1, L2 được điều biến bởi C/A-Code (dân sự) và P-Code (quân sự).
  • Phần điều khiển: Gồm 1 trạm điều khiển trung tâm (Colorado Springs, Mỹ) và 4 trạm theo dõi trên mặt đất (Hawaii, Ascension Island, Diego Garcia, Kwajalein) để điều khiển, theo dõi quỹ đạo và đồng hồ vệ tinh, truyền dữ liệu hiệu chỉnh.
  • Phần sử dụng: Bao gồm các thiết bị thu nhận thông tin từ vệ tinh (máy thu GPS) để khai thác cho nhiều mục đích khác nhau trên không, trên biển và đất liền. Máy thu được phân loại theo khả năng xử lý mã và pha sóng mang.
• Phương pháp đo cạnh GPS:
  • Đo cạnh theo mã: Dựa vào thời gian truyền sóng tín hiệu từ vệ tinh đến máy thu. Độ chính xác ban đầu là 3m (C/A) và 0,3m (P). Tuy nhiên, mã C/A từng bị làm nhiễu SA (Selective Availability) để giảm độ chính xác xuống 100m (đã gỡ bỏ từ tháng 5/2000), mã P bị nhiễu AS (Anti Spoofing).
  • Đo cạnh bằng pha sóng tải: Sử dụng toàn bộ chu kỳ truyền sóng, cho độ chính xác cao hơn (có thể đạt 2mm với sóng L1). Vấn đề trung tâm là xác định số chu kỳ nguyên của sóng tải.
• Nguyên lý định vị bằng GPS: Gồm 3 phương pháp phổ biến:
  • Định vị GPS tuyệt đối: Xác định trực tiếp tọa độ điểm trong hệ WGS-84 dựa trên khoảng cách giả, pha sóng tải hoặc tần số Doppler. Cần ít nhất 4 vệ tinh.
  • Định vị GPS tương đối: Sử dụng ít nhất 2 máy thu để xác định hiệu tọa độ giữa chúng, cho độ chính xác cao hơn (cm, mm). Gồm định vị tĩnh, định vị động và định vị giả động.
  • Định vị GPS vi phân (DGPS): Một máy thu đặt ở điểm đã biết tọa độ (trạm tham chiếu) để tính số hiệu chỉnh và truyền cho máy di động. DGPS tức thời (real-time) đạt độ chính xác 1-3m; DGPS hậu kỳ (post-processed) có thể đạt dm, cm. Có LADGPS (diện hẹp) và WADGPS (diện rộng), WAADGPS (tăng cường diện rộng) và LAADGPS (tăng cường diện hẹp).
• Các nguồn sai số ảnh hưởng đến kết quả đo GPS: Bao gồm sai số hệ thống (đồng hồ vệ tinh, đồng hồ máy thu, quỹ đạo vệ tinh), sai số môi trường (tầng đối lưu, tầng điện ly, đa đường dẫn, trượt chu kỳ), sai số do đồ hình vệ tinh (DOP) và sai số do người đo.

Phần 2: Công nghệ Viễn thám

• Giới thiệu chung về viễn thám: Kỹ thuật thu nhận thông tin từ xa về các đối tượng trên Trái đất dựa trên đặc trưng phản xạ và bức xạ sóng điện từ.
  • Nguyên lý phản xạ ánh sáng khác nhau: Các đối tượng khác nhau phản xạ các bước sóng điện từ khác nhau (ví dụ: thực vật phản xạ mạnh ánh sáng lục và cận hồng ngoại).
  • Nguyên lý bức xạ năng lượng nhiệt khác nhau: Các đối tượng bức xạ năng lượng nhiệt phụ thuộc vào nhiệt độ riêng.
• Hệ thống viễn thám: Gồm 4 phần cơ bản: Nguồn (Mặt trời, bức xạ nhiệt, sóng radar), Tương tác với bề mặt trái đất (hấp thụ, phản xạ, bức xạ), Tương tác với khí quyển (hấp thụ, biến đổi, tán xạ) và Bộ cảm biến (ghi nhận bức xạ điện từ). Hệ thống viễn thám có thể là bị động (dùng nguồn tự nhiên) hoặc chủ động (dùng nguồn nhân tạo).
• Bộ cảm biến: Gồm máy chụp ảnh quang học và các sensor thu nhận thông tin dạng số (ví dụ: MSS, TM trên vệ tinh Landsat; CCD trên SPOT).
• Vệ tinh: Phân loại theo nhiệm vụ (truyền thông, quan sát Trái đất, dẫn đường, nghiên cứu khoa học, đa mục tiêu) và theo quỹ đạo (quỹ đạo thấp LEO, quỹ đạo trung bình MEO, quỹ đạo địa tĩnh GEO).
• Phân loại viễn thám: Theo nguồn tín hiệu (chủ động, bị động), theo đặc điểm quỹ đạo (địa tĩnh, quỹ đạo cực), theo dải sóng trong quang phổ điện từ (quang học, hồng ngoại nhiệt, Radar) và theo thiết bị bay chụp (vệ tinh/vũ trụ, hàng không).
• Đặc tính phản xạ phổ của các đối tượng:
  • Khái niệm: Năng lượng điện từ chiếu tới bề mặt sẽ bị phản xạ, hấp thụ và thấu quang. Khả năng phản xạ phổ (rλ) là tỷ lệ năng lượng phản xạ so với năng lượng chiếu tới.
  • Thực vật: Khả năng phản xạ phổ thay đổi theo bước sóng, ảnh hưởng bởi sắc tố (Clorophin hấp thụ mạnh ở vùng ánh sáng nhìn thấy), cấu trúc tế bào và hàm lượng nước (hấp thụ mạnh ở vùng hồng ngoại).
  • Thổ nhưỡng: Khả năng phản xạ phổ thường tăng theo độ dài bước sóng, ảnh hưởng bởi cấu trúc bề mặt, độ ẩm (độ ẩm tăng, phản xạ giảm), hợp chất hữu cơ và oxit sắt.
  • Nước: Hấp thụ mạnh ở dải cận hồng ngoại và hồng ngoại. Khả năng phản xạ phổ ở dải sóng nhìn thấy phức tạp, phụ thuộc vào thành phần và trạng thái của nước (nước đục phản xạ cao hơn nước trong), hàm lượng Clorophin.
• Các yếu tố ảnh hưởng: Các yếu tố không gian – thời gian và khí quyển ảnh hưởng đến khả năng phản xạ phổ của các đối tượng tự nhiên.