Nguyên lý hoạt động và phân tích các nguồn sai số trong kỹ thuật đo cao vệ tinh

 95 
NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG VÀ PHÂN TÍCH 
CÁC NGUỒN SAI SỐ TRONG KỸ THUẬT ĐO CAO VỆ TINH 
Đoàn Văn Chinh - NCS Đại học Vũ Hán, Trung Quốc 
Bùi Thị Kiên Trinh - Đại học Thủy Lợi 
Tóm tắt: Kỹ thuật đo cao vệ tinh (Satellite Altimetry) là một trong những kỹ thuật trắc địa không 
gian trọng lực vệ tinh tiên tiến nhất hiện nay. Kỹ thuật đo cao vệ tinh được ứng dụng để xác định hình 
dạng – kích thước Trái đất, trường trọng lực Trái đất, nghiên cứu bề mặt Geoid... Ngoài ra, nó còn 
được áp dụng trong nhiều lĩnh vực khoa học kỹ thuật như Hải dương học, Kỹ thuật Biển, Quản lý Tài 
nguyên Môi trường, Trắc địa Biển, Địa vật lý Với mục tiêu bảo vệ chủ quyền biển đảo và chiến 
lược phát triển kinh tế hướng ra biển của Việt Nam hiện nay, kỹ thuật đo cao vệ tinh là một công cụ 
đắc lực cần chú trọng nghiên cứu và phát triển. Trong bài báo, chúng tôi trình bày về lịch sử phát 
triển của kỹ thuật đo cao vệ tinh và những thành quả đã đạt được, nguyên lý hoạt động của đo cao vệ 
tinh, đồng thời phân tích các nguồn sai số trong đo cao vệ tinh. 
1. Lịch sử phát triển và những thông số kỹ 
thuật của các thế hệ vệ tinh hiện nay 
Xác định hình dạng trái đất, trường trọng lực 
trái đất là một trong những nhiệm vụ quan trọng 
của Trắc địa. Như đã biết, diện tích đại dương 
chiếm hơn 70% bề mặt Trái đất, do dó công tác 
nghiên cứu đại dương bằng các thiết bị kỹ thuật 
đặt trên tàu thuyền không thể thực hiện được 
với quy mô toàn cầu. Vì vậy, ý tưởng về đo cao 
vệ tinh nảy sinh từ năm 1969, do W.M. Kaula -
một GS Trắc địa vật lý- đề xuất. Sau đó, vào 
ngày 14/5/1973 cơ quan Hàng không vũ trụ Mỹ 
(NASA) đã phóng thành công vệ tinh đo cao 
đầu tiên với tên gọi “Phòng thí nghiệm không 
gian” – SKYLAB. Trải qua thời gian hơn 30 
năm, nhiều nước đã lần lượt phóng các vệ tinh 
thế hệ tiếp theo, chủ yếu của các cơ quan Hàng 
không vụ trụ Mỹ, cơ quan Hàng không vũ trụ 
Châu Âu (ESA) và cơ quan Hàng không vũ trụ 
Pháp (CNES). 
Các thế hệ vệ tinh do NASA phóng bao gồm 
vệ tinh địa cầu GEOS-3 (1975), vệ tinh nghiên 
cứu Biển SEASAT (1978), vệ tinh thực hiện các 
nhiệm vụ Trắc địa GEOSAT (1985), nhiệm vụ 
của 3 thế hệ vệ tinh này chủ yếu là nghiên cứu 
Trắc địa Biển, nghiên cứu bề mặt Geoid, khôi 
phục trường trọng lực Biển, trong đó số liệu do 
vệ tinh GEOSAT cung cấp có thể tính toán dị 
thường trọng lực với độ chính xác 3mgal. 
Các thế hệ vệ tinh do ESA phóng bao gồm vệ 
tinh viễn thám thế hệ 1 ERS-1 (1991) vệ tinh 
viễn thám thế hệ 2 ERS-2 (1995). Năm 1992 hai 
cơ quan hàng không vũ trụ NASA và CNES 
phối hợp phóng thành công vệ tinh nghiên cứu 
địa hình mặt biển TOPEX/POSEIDON (T/P). 
Trên hai vệ tinh T/P và ERS-2 có mang theo 
nhiều thiết bị quan trắc viễn thám, trong đó có 
các thiết bị định vị toàn cầu GPS, và thiết bị kỹ 
thuật nghiên cứu mô hình trọng trường trái đất 
(JGM-3, EGM), về độ chính xác đo độ cao có 
thể đạt tới cm, độ phân giải của các dải quét là 
10km. Nhiệm vụ chủ yếu của vệ tinh T/P là làm 
tăng độ chính xác xác định địa hình, động lực bề 
mặt biển, nghiên cứu các dòng Hải lưu trên toàn 
cầu. Độ chính xác xác định độ cao khi sử dụng 
số liệu trùng lặp của nhiều chu kỳ qua nhiều 
năm tính toán có thể đạt được 3cm. 
Hiện nay, thế hệ sau của vệ tinh GEOSAT là 
Geosat Follow On (GFO) được phóng lên quỹ đạo 
vào năm 1998, thế hệ sau của vệ tinh T/P là Jason-
1 phóng năm 2001, năm 2002 vệ tinh thế hệ sau 
của ERS-1/2 là ENVISAT-1 cũng đã phóng thành 
công. Các vệ tinh này được phóng nhằm giải 
quyết đa mục tiêu như nghiên cứu dự báo về El 
Nino, La Nina và Hải băng, nghiên cứu thành lập 
bản đồ Biển, nghiên cứu thủy văn, quản lý Tài 
nguyên Môi trường Biển, giám sát tàu thuyền, ứng 
dụng trong quản lý khai thác Nông Lâm Ngư 
nghiệp, giám sát cảnh báo thiên tai lũ lụt, ô 
nhiễm Các thông số kỹ thuật về các thế hệ vệ 
tinh và nhiệm vụ Trắc địa cơ bản của các thế hệ vệ 
tinh này được trình bày trong bảng 1. 
 96 
Bảng 1:Các thông số cơ bản và nhiệm vụ Trắc địa của các thế hệ vệ tinh 
Thông số quỹ đạo 
Thế hệ vệ 
tinh 
Cơ quan 
chủ quản 
Thời gian 
phóng lên 
quỹ đạo 
Độ cao 
(km) 
Góc 
nghiêng 
(0) 
Thời 
gian 
trùng lặp 
(ngày) 
Độ chính 
xác xác 
định độ 
cao (cm) 
Mục đích và phạm vi sử 
dụng đối với nhiệm vụ 
nghiên cứu trái đất 
Skylab NASA 73.05.14 425 50 —— 85-100 Thực nghiệm nguyên lý, nghiên cứu mặt GEOID 
Geos-3 NASA 75.04.09 840 115 2 25-50 
Nghiên cứu GEOID, Tốc độ 
gió, sóng biển, Hải băng, Hải 
lưu 
Seasat NASA 78.06.28 800 108 3/17 20-30 Nghiên cứu GEOID, tốc độ gió, Hải lưu 
Geosat U.S.Navy 85.03.15 800 108 23/17 10-20 
Nghiên cứu GEOID, địa 
hình mặt biển, giám sát hoạt 
động trên biển 
ERS-1 ESA 91.07.17 785 98.5 3/35/168 10 
Nghiên cứu địa hình mặt 
biển, hoạt động trên biển, 
Môi trường Biển, Hải băng 
T/P NASA CNES 92.08.10 1336 66 10 6 
Nghiên cứu GEOID, Địa 
hình mặt biển, Chuyển động 
tuần hoàn đại dương 
ERS-2 ESA 95.04 785 98.5 3/35/168 10 
Nghiên cứu địa hình mặt 
biển, hoạt động trên biển, 
Môi trường Biển, Hải băng 
GFO U.S.Navy 98.02.10 800 108 17 —— 
Nghiên cứu GEOID, địa 
hình mặt biển, hoạt động 
trên biển 
Jason-1 NASA CNES 2001.12 1336 66 10 2.5 
Đo cao so với mặt nước biển, 
địa hình mặt biển, chuyển 
động tuần hoàn đại dương 
Envisat-1 ESA 2002.02 799.8 98.5 35 —— Như ERS-1/2, đồng thời 
giám sát môi trường biển 
ICEsat ESA 2003.01 590 94 183 4.5 
Nghiên cứu địa hình mặt 
biển, Môi trường Biển, Hải 
băng, mây 
Jason-2 NASA CNES 2008.06 1336 66 10 2.5 
Đo cao so với mặt nước biển, 
địa hình mặt biển, chuyển 
động tuần hoàn đại dương 
Cryosat-2 ESA 2010.04 717 92 369 2.5 Nghiên cứu địa hình mặt biển, 
Môi trường Biển, Hải băng 
2. Nguyên lý hoạt động của kỹ thuật đo 
cao vệ tinh 
Nguyên lý hoạt động chính của kỹ thuật đo cao 
vệ tinh dựa trên nguyên lý bài toán vật lý tính 
quãng đường khi đã biết vận tốc và thời gian: 
2
. tc (1) 
Từ vệ tinh có lắp đặt thiết bị phát đi tín hiệu 
rada dạng xung (tần số 13.5 GHz) [1] đến bề bặt 
nước biển, sau đó sóng xung này phản hồi lại hệ 
thống sẽ xác định được thời gian lan truyền, biết 
được tốc độ lan truyền xung, hoàn toàn có thể 
tính được khoảng cách từ vệ tính đến bề mặt 
phản hồi (xem hình 1). 
Để tính khoảng cách từ mặt nước biển đến bề 
mặt Ellipsoid trái đất. người ta sử dụng công 
thức sau [1]: 
RE Crr h (2) 
 97 
trong đó: 
h: là khoảng cách từ mặt nước biển tức thời 
đến bề mặt Ellipsoid. 
r: là bán kính quỹ đạo vệ tinh. 
 : là khoảng cách từ bề mặt nước biển tức 
thời đến vệ tinh. 
rE: là bán kính vector điểm xét trên mặt 
Ellipsoid. 
CR: là số cải chính chuyển rE về với phương 
của r, được tính theo công thức: 
)2sin(1
8
C 4 sEER er
rr
 (2a) 
Trong công thức (2a): e là độ dẹt của 
Ellipsoid, S là vĩ độ của vệ tinh thời điểm xét. 
Lưu ý rằng e rất nhỏ mà bán kính quỹ đạo vệ 
tinh lại rất lớn nên CR tính theo (2a) sẽ rất nhỏ, 
do vậy số cải chính CR chỉ dùng trong phân tích 
lý thuyết. Chúng ta có thể tính h bằng công thức 
thực nghiệm sau: 
 rrr Eobsch (3) 
 Các tham số trong công thức (3): r là 
sai số quỹ đạo, là sai số trị quan trắc, obs là 
trị quan trắc trực tiếp từ bề mặt phản xạ đến 
thiết bị đặt trên vệ tinh, rc là khoảng cách từ vệ 
tinh đến tâm trái đất, có thể tính toán được nhờ 
các thông số lịch vệ tinh {Xs(t), Ys(t), Zs(t) hoặc 
Bs(t), Ls(t), Hs(t)} [1, 4]. 
Mặt khác khoảng cách mặt nước biển tức 
thời đến bề mặt Ellipsoid còn có thể được tính 
theo công thức sau: 
wN t h (4) 
Trong công thức (4): N là độ cao của bề mặt 
Geoid,  là khoảng cách từ mặt nước biển trung 
bình đến mặt Geoid, t là khoảng cách từ mặt 
nước biển tức thời đến mặt nước biển trung 
bình.  là số hiệu chỉnh thủy triều, w là số hiệu 
chỉnh khí tượng tổng hợp của sóng, gió và khí 
quyển [1]. 
Căn cứ vào công thức (3) và công thức (4) ta có: 
wNrrr tEobsc  
Nếu như thay hc = rc - obs - rE ta sẽ được: 
  rwN tch 
Trong đó hc là độ cao mặt nước biển, trong 
công thức (6) nếu thay N = N0+ Nc+ N0 [2] 
chúng ta có: 
  rwNNN t
c 0
0ch 
Ta cũng có: 
0h Nhc 
Thay công thức (8) vào công thức (7) ta được: 
  rwNN t
c 0h 
Trong công thức (9) h là chênh cao mặt 
biển, dùng trong tính toán xử lý số liệu địa hình 
mặt biển, đây cũng là mô hình toán học cơ bản 
của kỹ thuật đo cao vệ tinh. Các tham số chính 
trong công thức đã thể hiện được một số loại sai 
số ảnh hưởng đến trị đo, tuy nhiên vẫn chưa bao 
gồm ảnh hưởng của các yếu tố vật lý khác. 
Hình 1 
Vệ tinh S 
N 
P 
S 
r 
rE 
 S 
O 
Z 
XY 
h 
Mặt biển 
tức thời 
Mặt biển trung bình 
Mặt 
Geoid 
Mặt 
Ellipsoid 
 98 
3. Phân tích ảnh hưởng của các nguốn sai 
số trong kỹ thuật đo cao vệ tinh 
Nguyên lý của đo cao vệ tinh là dùng sóng 
Rada, sóng Rada lan truyền trong không gian ở 
độ cao cách mặt phản xạ hàng nghìn km sẽ là 
nguyên nhân sinh ra các nguồn sai số do môi 
trường, ngoài ra còn kể đến các sai số do kỹ 
thuật thiết kế chế tạo hệ thống và các yếu tố vật 
lý khác. Có thể phân loại các nguồn sai số trong 
đo cao vệ tinh thành 3 loại: Sai số do kỹ thuật 
thiết kế hệ thống; Sai số quỹ đạo vệ tinh; Sai số 
do môi trường. 
3.1. Sai số do kỹ thuật thiết kế hệ thống 
Sai số do kỹ thuật thiết kế hệ thống là sai số 
không thể tránh khỏi của các ngành kỹ thuật nói 
chung và kỹ thuật đo cao vệ tinh nói riêng, bao 
gồm những nguồn sai số sau: 
- Sai lệch do hệ thống giám sát: Trong thiết 
kế tính toán và giám sát độ cao của quỹ đạo vệ 
tinh người ta dùng một loại sóng phản hồi liên 
lạc giữa trạm giám sát mặt đất và vệ tinh, tuy 
nhiên do sự ly tán sóng phản hồi dẫn đến sai 
lệnh độ cao quỹ đạo vệ tinh. 
- Sai số do méo tín hiệu: Cường độ và tốc độ 
của tín hiệu phát đi và thu về không giống nhau 
do ảnh hưởng của bộ điều khiển và tính toán của 
thiết bị gây ra. 
- Sai số do đồng hồ. 
Sai số tổng hợp của thiết kế hệ thống trong 
đo cao vệ tinh hiện nay khoảng 2-3cm. 
3.2. Sai số do quỹ đạo vệ tinh 
Quỹ đạo vệ tinh khi vận hành thực tế sẽ không 
thể được như thiết kế về góc nghiêng, độ cao... do 
sự sai lệch giữa tọa độ vệ tinh {XS(t), YS(t), ZS(t) 
hoặc BS(t), LS(t), HS(t)} tính toán theo lịch vệ tinh 
và tọa độ thực tế của nó. Đây là nguyên nhân trực 
tiếp và cũng có ảnh hưởng lớn nhất đến kết quả 
của trị đo cao vệ tinh. Sai số quỹ đạo vệ tinh chủ 
yếu phân làm ba loại: Sai số bán kính quỹ đạo, Sai 
số khí áp, Sai số do ảnh hưởng của thủy triều. 
Nguyên nhân gây ra sai số quỹ đạo vệ tinh là do 
trọng trường trái đất, do khí áp, do hiện tượng 
thủy triều và lực hút giữa các hành tinh... làm cho 
tọa độ của vệ tinh thực tế và tọa độ của vệ tinh 
tính toán theo lịch vệ tinh có sai lệch. Từ các thế 
hệ vệ tinh đầu tiên như SKYLAB, GEOS-3, 
SEASAT đến các thế hệ gần đây, sai số này đã 
giảm được đáng kể, đặc biệt là với thế hệ vệ tinh 
Topex/Pseidon thì sai số này chỉ còn vài cm và có 
thể làm giảm nhỏ nữa khi sử dụng phần mềm có 
chức năng hậu xử lý [3]. 
3.3. Sai số do môi trường 
Tín hiệu Rada truyền từ vệ tinh đến bề mặt 
phản xạ và phản hồi lại, đã lan truyền qua tầng 
điện ly, tầng đối lưu, tiếp xúc với sóng biển là 
nguyên nhân gây ra loại sai số này. Sai số do môi 
trường chủ yếu được phân làm 3 loại: Sai số ảnh 
hưởng của điện từ, Sai số ảnh hưởng của tầng điện 
ly, Sai số do ảnh hưởng của tầng đối lưu. Nguồn 
sai số này đối với các thế hệ vệ tinh sau này đã 
được cải thiện đáng kể. Với các phần mềm mới 
dùng mô hình toán thông kê, sai số này có thể 
giảm xuống đáng kể chỉ còn 1cm [3, 4]. 
Trị đo cao vệ tinh bị ảnh hưởng của rất nhiều 
loại sai số, để ứng dụng được trong thực tế cần 
hiệu chỉnh trị đo, lúc này để tính toán khoảng 
cách từ vệ tinh đến bề mặt Ellipsoid chúng ta 
dùng công thức sau [4]: 
 tgEMbiasasg hhhhhhh 10H
trong công thức (10): H là khoảng cách từ vệ 
tinh đến mặt Ellipsoid, là trị quan trắc, h0 là 
độ cao địa hình mặt biển so với mặt Ellipsoid, 
 hsg là sai số quy tâm thiết bị, hm là sai số do 
máy móc, ha là sai số do khí áp, hEMbias là sai 
số điện từ, hg là sai số do mặt geoid, ht là sai 
số do Thủy triều,  là các sai số khác. 
Một số loại sai số cụ thể của các thế hệ vệ 
tinh đo cao được thống kê trong bảng 2. 
Bảng 2: Một số loại sai số của các thế hệ vệ tinh (đơn vị cm) 
Thế hệ vệ tinh 
Sai số Geos-3 Seasat Geosat ERS-1/2 
Topex/ 
Poseidon 
Rung lắc 50 10 5 3 <2 
Sai số thiết bị 7 5 3-5 2 Do thiết bị 
Sai số đồng hồ 5ms 3-5ms 1-2ms <1ms 
Sai số EM 10 5 2 2 <2 Do môi trường 
Sai số méo tín hiệu 2 1 1 1 1 
 99 
Thế hệ vệ tinh 
Sai số Geos-3 Seasat Geosat ERS-1/2 
Topex/ 
Poseidon 
Sai số do tầng đối lưu 5 4 2 2 2 
Sai số do tầng điện ly 2-3 2-3 2-3 2-3 1 
Trường trọng lực gây ra 50 25 15 15 <2 
Bức xạ khí áp 15 10 6 <2 
Khí quyển 15 10 6 <2 
Hằng số GM 2 1 
Thủy triều 12 5 5 <2 
Tầng đối lưu 5 4 2 1 
Quỹ đạo vệ tinh 
Vị trí trạm quan sát 10 5 3 1 
4. Kết luận 
Kỹ thuật đo cao vệ tinh hiện nay đã đạt được 
nhiều thành tựu vượt bậc, như ứng dụng liên hợp 
số liệu của vệ tinh Jason-1 và Envisat-1 để xác 
định trường trọng lực Biển trên phạm vi toàn cầu 
đạt độ chính xác 3mgal - 5mgal [1, 6]; hay 
nghiên cứu ứng dụng liên hợp số liệu của nhiều 
thế hệ vệ tinh đo cao trong xây dựng mô hình 
QuasiGeoid 2000 ở Trung Quốc với độ chính xác 
1dm [1] Tuy nhiên ở Việt Nam, đo cao vệ tinh 
là kỹ thuật khá mới mẻ. Điều này đặt ra sự cần 
thiết nghiên cứu về lý thuyết xử lý số liệu cũng 
như khả năng ứng dụng trong điều kiện nước ta. 
Đặc biệt cần đi sâu nghiên cứu phương pháp xử 
lý kết hợp số liệu của các thế hệ vệ tinh đo cao 
với số liệu trọng lực mặt đất và số liệu GPS thủy 
chuẩn trong xác định mô hình thủy triều, mô hình 
Geoid, trường trọng lực Trái đất. 
TÀI LIỆU THAM KHẢO 
[1] 李建成等，地球重力场逼近理论与中国2000似大地水准面的确定，武汉大学出版社，2006. 
[2]李建成，宁津生，晃定波，姜卫平. 卫星测高技术在大地测量中的应用及进展，2006 
[3]李建成，王正涛，胡建国.利用Topex/Poseidon和ERS-2以及Geosat卫星测高数 
据分析全球和中国海平均海面变化.武汉测绘科技大学学报. 
[4]姜卫平.卫星测高技术在大地测量学中的应用.武汉大学，2000. 
[5]李建成，姜卫平等.联合多种卫星测高数据建立高分辨率中国海平均面高模型.武汉大学学报，2006. 
[6] Satellite Altimetry and Earth Sciences: A Handbook of Techniques and Applications, 2000. 
Abstract: 
HISTORICAL DEVELOPMENT AND PRINCIPLES 
OF SATELLITE ALTIMETRY – ANALYSIS OF ERROR SOURCES 
Doan Van Chinh –Master Student in Wuhan University, China 
Bui Thi Kien Trinh – Geomatics centre, Water Resource University, Vietnam 
 Satellite Altimetry is one of the today's most advanced satellite gravimetry geodesy techniques. 
It has a history of development since 1969. From 1973 to present there are eight generations of 
satellites in orbit have been launched. Satellite Altimetry has wide applications in areas such as 
geodesy, oceanography, geophysics, environmental management. In the process of industrialization 
and modernization of Vietnam, various sectors including Satellite Altimetry should be invest in 
research and development. In this paper, we study the principles of Satellite Altimetry, as well as 
analyze sources of error of Satellite Altimetry.