Tìm hiểu về tác động của tầng điện ly lên tín hiệu GNSS

Tác động của tầng điện ly lên tín hiệu GNSS là một lớp khí quyển nằm ở độ cao khoảng 50 – 1000 km so với mặt đất, chứa nhiều hạt ion và electron tự do. Đây là lớp ảnh hưởng trực tiếp đến việc truyền tín hiệu vệ tinh xuống Trái Đất, đặc biệt đối với các hệ thống định vị vệ tinh như GNSS (Global Navigation Satellite System) và công cụ hỗ trợ như máy định vị 2 tần số RTK để đảm bảo dữ liệu chính xác. Hãy cùng Việt Thanh Group tìm hiểu về tác động tầng điện ly lên tín hiệu GNSS.

Tầng điện ly và nguyên nhân gây nhiễu tín hiệu GNSS

Tầng điện ly là lớp khí quyển chứa nhiều ion và electron tự do, có mật độ thay đổi liên tục theo thời gian trong ngày, mùa trong năm và đặc biệt phụ thuộc vào hoạt động của Mặt Trời. Khi tín hiệu GNSS truyền từ vệ tinh xuống mặt đất đi qua lớp này, chúng không di chuyển theo đường thẳng mà bị khúc xạ, trễ pha, hoặc thay đổi tốc độ truyền dẫn. Hiện tượng này làm sai lệch thời gian truyền tín hiệu, gây ra sai số đáng kể trong tính toán khoảng cách từ vệ tinh đến máy thu GNSS, ảnh hưởng trực tiếp đến độ chính xác định vị.

Nguyên nhân chủ yếu của hiện tượng này bao gồm:

Hiện tượng ion hóa do bức xạ Mặt Trời: Bức xạ cực tím và tia X từ Mặt Trời liên tục tạo ra các ion và electron tự do trong tầng điện ly. Khi hoạt động Mặt Trời tăng mạnh, mật độ electron có thể tăng đột biến, khiến độ trễ tín hiệu GNSS trở nên lớn hơn bình thường.
Bão từ và hoạt động Mặt Trời cực đoan: Khi xảy ra bão từ hoặc các vụ phun trào nhật hoa, từ trường Trái Đất bị nhiễu loạn mạnh, gây biến động lớn trong tầng điện ly. Hậu quả là tín hiệu GNSS có thể bị nhiễu, suy giảm hoặc thậm chí bị mất hoàn toàn trong một khoảng thời gian nhất định.
Ảnh hưởng bởi vĩ độ và thời gian trong ngày: Tác động của tầng điện ly lên tín hiệu GNSS không đồng đều. Hiện tượng này thường mạnh hơn ở khu vực gần xích đạo do mật độ ion cao và vào ban ngày khi bức xạ Mặt Trời mạnh nhất. Ngược lại, ban đêm mật độ ion giảm nên tác động cũng ít hơn.

Chính vì đặc tính biến động khó lường này, tầng điện ly được xem là một trong những nguyên nhân gây sai số lớn nhất đối với tín hiệu GNSS, đặc biệt với các thiết bị chỉ sử dụng một tần số.

Tầng điện ly là nguyên nhân chính gây ra hiện tượng khúc xạ và trễ tín hiệu GNSS, khiến độ chính xác định vị giảm nghiêm trọng. Khi mật độ electron biến động mạnh do bức xạ Mặt Trời hoặc bão từ, sai số có thể tăng lên 10 – 50 mét, đặc biệt đối với thiết bị GPS một tần số. Điều này ảnh hưởng lớn đến công tác đo đạc trắc địa, khảo sát công trình và thi công hạ tầng. Máy GNSS RTK Satlab SL7 được tích hợp công nghệ đo đa tần (L1, L2, L5), kết hợp thuật toán bù ionosphere tiên tiến, giúp giảm thiểu sai số xuống mức centimet ngay cả trong điều kiện tầng điện ly biến động.

>>>Xem thêm: Quy chuẩn hạ tầng kỹ thuật: Cơ sở bắt buộc trong phát triển đô thị hiện đại

Ảnh hưởng đến độ chính xác định vị GNSS

Sai số do tầng điện ly gây ra là một trong những yếu tố lớn nhất ảnh hưởng đến độ chính xác của tín hiệu GNSS. Trong điều kiện bình thường, nếu không được hiệu chỉnh, sai số này có thể lên tới 10 – 50 mét, đặc biệt nghiêm trọng đối với các thiết bị sử dụng tín hiệu GPS một tần số (L1). Điều này khiến việc định vị và đo đạc gặp nhiều khó khăn, nhất là trong các dự án yêu cầu độ chính xác cao.

Các lỗi phổ biến do tầng điện ly gây ra bao gồm:

Trễ ionospheric delay: Khi tín hiệu GNSS truyền qua tầng điện ly, tốc độ truyền bị giảm, làm kéo dài thời gian tín hiệu đến máy thu. Sai số này biến đổi theo thời gian và vị trí, gây khó khăn trong việc tính toán khoảng cách thực tế.
Biến đổi pha tín hiệu: Pha của sóng GNSS có thể bị dịch chuyển, dẫn đến lỗi nghiêm trọng trong các phương pháp đo GNSS có độ chính xác cao như RTK (Real-Time Kinematic) hoặc PPP (Precise Point Positioning). Với những kỹ thuật này, chỉ một sai số nhỏ cũng khiến kết quả định vị bị lệch hàng chục centimet.
Suy yếu hoặc mất tín hiệu trong bão từ: Khi hoạt động Mặt Trời mạnh, các cơn bão từ gây nhiễu loạn mạnh trong tầng điện ly, dẫn đến tín hiệu GNSS bị suy giảm chất lượng, tăng tỷ lệ mất kết nối giữa thiết bị và vệ tinh. Tình trạng này ảnh hưởng lớn đến các công trình đang thi công hoặc các phương tiện cần định vị liên tục.

Tác động này trở nên đặc biệt nghiêm trọng trong các ứng dụng đòi hỏi độ chính xác tuyệt đối, chẳng hạn như:

Đo đạc trắc địa: Xác định ranh giới đất đai, định vị mốc địa chính.
Khảo sát địa hình: Lập bản đồ phục vụ quy hoạch đô thị, công trình giao thông, thủy lợi.
Thi công công trình: Định vị tim cọc, kiểm tra độ chính xác khi lắp đặt.
Hệ thống giao thông thông minh, dẫn đường chính xác cao: Đặc biệt trong vận tải tự động, xe tự lái.

Chính vì vậy, các chuyên gia khuyến cáo sử dụng các giải pháp hiệu chỉnh ionosphere như GNSS đa tần số, mạng lưới trạm CORS hoặc thiết bị GNSS RTK hiện đại để giảm thiểu sai số xuống mức centimet, đảm bảo chất lượng và tiến độ công việc.

Để khắc phục, giải pháp là sử dụng thiết bị GNSS hiện đại như Máy GNSS RTK Satlab Freyja. Với khả năng thu tín hiệu từ nhiều hệ thống vệ tinh (GPS, GLONASS, Galileo, BeiDou) và công nghệ hiệu chỉnh thời gian thực qua mạng CORS, Freyja đảm bảo dữ liệu ổn định, giảm ảnh hưởng tầng điện ly, nâng cao độ tin cậy trong đo đạc địa hình, quản lý đất đai và định vị công trình.

>>>Xem thêm: Bản đồ vệ tinh bao lâu cập nhật một lần? Giải đáp mọi thắc mắc

Giải pháp giảm tác động tầng điện ly lên tín hiệu GNSS

Để đảm bảo độ chính xác định vị GNSS trong điều kiện tầng điện ly biến động, các chuyên gia khuyến nghị áp dụng những giải pháp tiên tiến sau:

Sử dụng thiết bị GNSS đa tần số (L1, L2, L5)

Các thiết bị GNSS đa tần số cho phép thu tín hiệu từ nhiều băng tần khác nhau. Nhờ đó, có thể so sánh sự chênh lệch giữa các tần số để tính toán và bù trừ sai số ionospheric delay một cách chính xác. Giải pháp này đặc biệt quan trọng trong các ứng dụng yêu cầu độ chính xác từ centimet đến milimet như đo đạc trắc địa, xây dựng hạ tầng, định vị công trình lớn.

Ứng dụng mô hình dự báo ionosphere và dữ liệu CORS

Việc tích hợp mô hình dự báo tầng điện ly với dữ liệu từ mạng lưới trạm định vị vệ tinh CORS quốc gia giúp dự đoán biến động của tầng điện ly theo thời gian thực. Nhờ đó, phần mềm hiệu chỉnh GNSS có thể tự động tính toán và loại bỏ phần lớn sai số gây ra bởi sự biến đổi của mật độ electron, nâng cao độ tin cậy của phép đo.

Sử dụng công nghệ GNSS RTK hoặc PPP

Hai công nghệ hiện đại này là giải pháp hiệu chỉnh sai số GNSS tốt nhất hiện nay:

RTK (Real-Time Kinematic): Sử dụng tín hiệu từ trạm gốc hoặc mạng lưới trạm CORS để truyền dữ liệu hiệu chỉnh đến thiết bị đo động. Sai số được giảm từ vài mét xuống chỉ còn 1-2 cm.
PPP (Precise Point Positioning): Dùng dữ liệu quỹ đạo và đồng hồ vệ tinh chính xác cao để tính toán tọa độ chuẩn toàn cầu, không phụ thuộc vào trạm gốc, phù hợp cho khảo sát diện rộng.

Theo dõi chỉ số Kp và dự báo bão từ

Chỉ số Kp phản ánh mức độ nhiễu loạn từ trường Trái Đất. Khi Kp cao (bão từ mạnh), tín hiệu GNSS dễ bị gián đoạn. Việc theo dõi dự báo bão từ trước khi thực hiện khảo sát giúp các đơn vị lên kế hoạch thi công hợp lý, tránh sai số lớn hoặc mất kết nối tín hiệu.

Nhờ áp dụng các giải pháp trên, sai số GNSS có thể giảm từ hàng chục mét xuống chỉ còn centimet, đáp ứng yêu cầu khắt khe của các dự án đo đạc, xây dựng, giao thông thông minh và quản lý đất đai hiện đại.

Các thiết bị hiện đại như Máy GNSS RTK Satlab Freyja, Satlab SL7, Hi-Target V500 được tích hợp tính năng bù trừ tầng điện ly, đảm bảo sai số chỉ ở mức centimet, ngay cả trong điều kiện tín hiệu biến động.

Tác động của tầng điện ly lên tín hiệu GNSS là yếu tố không thể bỏ qua trong đo đạc và định vị chính xác. Việc hiểu rõ cơ chế gây sai số và áp dụng công nghệ hiện đại sẽ giúp các đơn vị khảo sát, xây dựng và quản lý đất đai tối ưu hóa chất lượng công việc, giảm rủi ro và tiết kiệm chi phí.