TÌM HIỂU ĐỘ CHÍNH XÁC ĐỊNH VỊ THUỶ ÂM ĐƯỜNG ĐÁY NGẮN VÀ THỰC NGHIỆM

Theo từ điển Bách Khoa Toàn Thư Việt Nam thì định vị thuỷ âm được định nghĩa như sau “ Định vị thuỷ âm là xác định vị trí và các tham số chuyển động của các đối tượng dưới nước nhờ các tín hiệu âm thanh lan truyền trong nước, được phát xạ hoặc phản xạ bởi chính các đối tượng đó. Gồm có ĐVTÂ chủ động, ĐVTÂ thụ động. ĐVTÂ được dùng để phát hiện tàu nổi, tàu ngầm, thuỷ lôi, các luồng cá, nghiên cứu đáy biển, v.v….” Sóng Radio không thể truyền qua nước tới mọi độ sâu yêu cầu và không thể sử dụng để định vị dưới nước. Sử dụng sóng âm là một cách để xác định vị trí dưới nước. Định vị dưới nước là một hệ thống trong đó bao gồm mặt cơ sở xác định toạ độ, các thiết bị thuỷ âm đặt dưới đáy biển, đặt ở đáy tầu hoặc trên các thiết bị di động phục vụ cho công tác khảo sát lắp đặt thiết bị làm việc dưới đáy biển. Định vị thuỷ âm là lĩnh vực rộng trong việc xác định vị trí động của các công trình thăm dò và khai thác trên biển như dàn khoan, các robot thám hiểm đáy biển.

Sóng Radio không thể truyền qua nước tới mọi độ sâu yêu cầu và không thể

sử dụng để định vị dưới nước Sử dụng sóng âm là một cách để xác định vị trí dưới nước Định vị dưới nước là một hệ thống trong đó bao gồm mặt cơ sở xác định toạ độ, các thiết bị thuỷ âm đặt dưới đáy biển, đặt ở đáy tầu hoặc trên các thiết bị di động phục vụ cho công tác khảo sát lắp đặt thiết bị làm việc dưới đáy biển Định vị thuỷ âm là lĩnh vực rộng trong việc xác định vị trí động của các công trình thăm dò và khai thác trên biển như dàn khoan, các robot thám hiểm đáy biển

1.2 Phân loại định vị thuỷ âm và ưu nhược điểm từng phương pháp.

1.2.1 Phân loại định vị thuỷ âm

Định vị thuỷ âm được chia làm 3 phương pháp:

- Định vị thuỷ âm đường đáy siêu ngắn – Ultra Short Base Line -USBL

- Định vị thuỷ âm đường đáy ngắn – Short Base Line - SBL

- Định vị thuỷ âm đường đáy dài – Long Base Line - LBL

Đặc trưng kỹ thuật của chúng được thể hiện ở bảng 1.3

Bảng 1.1 Chiều dài cạnh đáy, loại trị đo của các phương pháp định vị thuỷ âm:

Phương pháp định vị Chiều dài cạnh đáy Loại trị đo

Định vị thuỷ âm đường

đáy siêu ngắn (USBL)

khoảng cáchĐịnh vị thuỷ đường

đáy ngắn ( SBL)

khoảng cáchĐịnh vị thuỷ âm đường đáy dài

(LBL)

100m – 6000m Đo khoảng

cáchTuỳ thuộc vào điều kiện khu đo, yêu cầu độ chính xác và chi phí, người ta có thể lựa chọn phương pháp định vị phù hợp

1.2.2 Ưu nhược điểm của các phương pháp định vị thuỷ âm.

1.2.2.1 Định vị thuỷ âm đường đáy siêu ngắn:

a Ưu điểm :

- Hệ thống dễ triển khai trong thực tế , dễ sử dụng

- Hệ thống toạ độ đầu phát biến làm cơ sở , không cần hệ thống các mốc tín hiệu hoặc bộ ứng đáp gắn dưới đáy biển ( Toạ độ tầu được xác định bằng GPS)

- Chỉ cần một bộ ứng đáp trên bề mặt, trên thiết bị lặn hoặc công trình

- Độ chính xác cao trên các đối tượng động

b Nhược điểm :

- 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

- Trị đo thừa ít nên độ tin cậy còn hạn chế

- Bộ phát biến lớn , giá thành bộ phát biến cao

1.2.2.2 Định vị thuỷ âm đường đáy ngắn:

a Ưu điểm:

- Hệ thống dễ triển khai trong thực tế , dễ sử dụng

- Khả năng nâng cấp tốt với các mốc tín hiệu

- Độ chính xác cao đối với các đối tượng động.

- Không gian dự phòng được xây dựng ngay bên trong hệ thống

- Lấy hệ toạ độ tầu làm cơ sở, không cần các mốc tín hiệu hay bộ truyền phát gắn cố định dưới đáy biển( toạ độ tầu được xác định bằng GPS)

- Bộ phát biến nhỏ, giá thành mỗi bộ phát biến rẻ

b Nhược điểm:

- Hạn chế về độ chính xác ở vùng nước sâu ( > 30m)

- Cần xưởng sửa chữa tầu hoặc cảng để hiệu chỉnh hệ thống

- 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:

a Nhiễu âm thanh do môi trường

b Nhiễu âm thanh do chính thiết bị

c 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

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 :

e

P

v v

s=−∆ / 0

(2.2)Khi ∆ υ 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 ρ 0 trung bình được tính như sau :

0

1

ρ ρ

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

2 ,

)(

1)

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

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:

T T

v

2 2

2 2

2 3

10

* 6 1 35 18

*

10

35

* 2 1 18 10

*

4

10 10

* 6 10

* 3 9 1492

42 30

1000 0

T

T T

v

2 2

3 4

2 2

10

* 6 1 35

* 10 34

+

− +

=

45 0

1000 0

35 0

3 13

2 2

7

2

3 4

2 2

* 10

* 139

.

7

) 35 ( 10

* 025 1

* 10

* 675

.

1

* 10

* 630 1 ) 35 (

* 340

.

1

* 10

* 374

.

2

* 10

* 304 5

* 591 4 96 1448

H T

S T H

H S

T

T T

+

− +

+

− +

=

40 30

8000 0

30 0

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 :

Công thức 2.6

Công thức 2.7

Công thức 2.8

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:

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

1 2 2 1

1 1 2 2

1 P V P V

V P V P P

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 ℜ 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

Tần sốTăng

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 :

W

f

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≥ 1τ với τ 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 :

t V

∆ 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

δt 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

2 1 2

t

D m

1

t V

2

2 2

2 2

1

2 1 4

1

t

m V

m D

(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:

t V

Trong đó ∆t 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 1 2

t

D m

2

2 2

2 2

2

2 2

t

m V

m D

(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

(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 θxnhư trong hình 3.1 Góc θx

được tính như sau:

dT v

D

dT v

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

2 2 2

2

2 2 2

1

z b y a x R

z b y a x R

z b y a x R

z b y a x R

+

− + +

=

+ + + +

=

+

− +

−

=

+ + +

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 :

3

2 2 2

2 2

2 2 2

1

z b y a x R

z b y a x R

z b y a x R

z b y a x R

+

− + +

=

+ + + +

=

+

− +

−

=

+ + +

R

by R

R

ax R

R

ax R

R

4 4 4 4

2 4

2 3

2 2

2 1

2 2

2 4

2 1

2 3

a

R R R R x

8

8

2 4

2 3

2 2

2 1

2 2

2 4

2 1

2 3

− +

−

=

− +

2 2

2 4 2

2 2

3

2 2

2 2 2

2 2

1

b y a x R b

y a x R

b y a x R b

y a x R z

−

− +

− + +

− +

− +

−

−

−

− +

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 : ω= 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 :