Luận án Tiến sĩ Nghiên cứu phương pháp xây dựng và phát triển hệ quy chiếu tọa độ không gian quốc gia

Mặt khác, do độ cao trắc địa bằng tổng của độ cao chuẩn quốc gia và dị thường độ cao quốc gia, nên HQCTĐKGQG được xây dựng để thống nhất hệ tọa độ mặt bằng quốc gia và hệ độ cao quốc gi

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG

VIỆN KHOA HỌC ĐO ĐẠC VÀ BẢN ĐỒ

LƯƠNG THANH THẠCH

NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP XÂY DỰNG VÀ PHÁT TRIỂN

HỆ QUY CHIẾU TỌA ĐỘ KHÔNG GIAN QUỐC GIA

NGÀNH : KỸ THUẬT TRẮC ĐỊA - BẢN ĐỒ

MÃ SỐ: 9.52.05.03

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

HÀ NỘI 2018

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG

VIỆN KHOA HỌC ĐO ĐẠC VÀ BẢN ĐỒ

LƯƠNG THANH THẠCH

NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP XÂY DỰNG VÀ PHÁT TRIỂN

HỆ QUY CHIẾU TỌA ĐỘ KHÔNG GIAN QUỐC GIA

NGÀNH : KỸ THUẬT TRẮC ĐỊA - BẢN ĐỒ

MÃ SỐ: 9.52.05.03

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS.TSKH HÀ MINH HÒA

HÀ NỘI 2018

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các

số liệu, kết quả trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tác giả luận án

Lương Thanh Thạch

LỜI CẢM ƠN

Luận án được hoàn thành tại Phòng Nghiên cứu Trắc địa, Viện Khoa học Đo đạc và Bản đồ, thuộc Bộ Tài nguyên và Môi trường, dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS TSKH Hà Minh Hòa

Trong quá trình học tập và thực hiện luận án, Nghiên cứu sinh luôn nhận được sự giúp đỡ nhiệt tình của Ban lãnh đạo Viện cùng các đơn vị chức năng thuộc Viện Khoa học Đo đạc và Bản đồ; Sự tạo điều kiện của Ban giám hiệu Trường Đại học Tài nguyên

và Môi trường Hà Nội, sự ủng hộ của Lãnh đạo khoa Trắc địa - Bản đồ thuộc Trường Đại học Tài nguyên và Môi trường Hà Nội; các Thầy cô giáo, các chuyên gia, các nhà khoa học và các bạn đồng nghiệp hoạt động trong lĩnh vực Trắc địa - Bản đồ ở các đơn

vị Trường Đại học Tài nguyên và Môi trường Hà Nội; Trường Đại học Mỏ - Địa chất; Cục Đo đạc, Bản đồ và Thông tin địa lý Việt Nam; Cục Bản đồ/Bộ tổng tham mưu, Hội Trắc địa - Bản đồ - Viễn thám Việt Nam, Viện Địa chất, Học viện Kỹ thuật quân sự, Trường Đại học Bách khoa - Thành phố Hồ Chí Minh, v.v

Đặc biệt, Nghiên cứu sinh bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc đến PGS TSKH Hà Minh Hòa - người Thầy rất tận tụy giúp đỡ Nghiên cứu sinh hoàn thành luận

án này

i

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN

LỜI CẢM ƠN

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT BẰNG TIẾNG NƯỚC NGOÀI v

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT BẰNG TIẾNG VIỆT x

DANH MỤC CÁC BẢNG xi

DANH MỤC CÁC HÌNH xii

MỞ ĐẦU 1

1 Tính cấp thiết của đề tài 1

2 Mục tiêu nghiên cứu 7

2.1 Mục tiêu tổng quát 7

2.2 Mục tiêu cụ thể 7

2.3 Nhi ệm vụ 7

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 8

3.1 Đối tượng nghiên cứu 8

3.2 Phạm vi nghiên cứu 8

4 Phương pháp nghiên cứu 8

5 Các luận điểm bảo vệ 8

6 Các điểm mới của Luận án 9

7 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn 9

7.1 Ý nghĩa khoa học 9

7.2 Ý nghĩa thực tiễn 9

8 Cơ sở tài liệu, số liệu 9

9 Cấu trúc luận án 10

Chương 1 TỔNG QUAN TÌNH HÌNH XÂY DỰNG VÀ PHÁT TRIỂN HỆ QUY CHIẾU TỌA ĐỘ KHÔNG GIAN QUỐC GIA 11

1.1 Hệ quy chiếu tọa độ không gian quốc tế và hệ quy chiếu tọa độ không gian quốc gia 11

1.2 Vai trò của Hệ quy chiếu tọa độ không gian quốc gia 14

1.2.1 Thống nhất Hệ tọa độ mặt bằng quốc gia và Hệ độ cao quốc gia 14

1.2.2 Nghiên cứu chuyển dịch vỏ Trái Đất 15

1.2.3 Quản lý sử dụng hạ tầng cơ sở dữ liệu trắc địa quốc gia 15

1.2.4 Liên kết với ITRF 16

1.2.5 Bình sai ghép nối để nâng cao độ chính xác của các điểm song trùng 18

1.2.6 Tạo tiền đề cho việc xây dựng mô hình quasigeoid quốc gia độ chính xác cao trên cơ sở sử dụng các dữ liệu GNSS/thủy chuẩn 19

1.3 Tình hình nghiên cứu, xây dựng hệ quy chiếu tọa độ không gian quốc gia trên thế giới 19

1.3.1 Nước Mỹ 20

ii

1.3.2 Liên bang Nga 23

1.3.3 Canada 24

1.3.4 Châu Âu 25

1.3.5 Vương quốc Anh 26

1.3.6 Australia 28

1.3.7 Papua New Guinea 30

1.3.8 Colombia 30

1.3.9 New Zealand 31

1.3.10 Đức 31

1.3.11 Nhật Bản 31

1.3.12 Hàn Quốc 31

1.3.13 Malaysia 32

1.4 Tình hình nghiên cứu, xây dựng hệ quy chiếu tọa độ không gian quốc gia ở Việt Nam 32

1.5 Một số vấn đề khoa học kỹ thuật cần tiếp tục giải quyết 35

1.5.1 Đánh kết quả xây dựng mô hình quasigeoid quốc gia ở Việt Nam 35

1.5.2 Nghiên cứu cơ sở khoa học của phương pháp bình sai ghép nối mạng lưới GNSS quốc gia phủ trùm vào hệ quy chiếu tọa độ không gian quốc gia 35

1.5.3 Nghiên cứu phương pháp phát triển hệ quy chiếu tọa độ không gian quốc gia khi xuất hiện các điểm cơ sở không gian quốc gia mới 36

1.6 Kết luận chương 1 36

Chương 2 CƠ SỞ KHOA HỌC VÀ MỘT SỐ TIÊU CHÍ XÂY DỰNG HỆ QUY CHIẾU TỌA ĐỘ KHÔNG GIAN QUỐC GIA 38

2.1 Hiện trạng các hệ quy chiếu tọa độ mặt bằng, độ cao và trọng lực quốc gia ở Việt Nam 38

2.1.1 Hiện trạng hệ quy chiếu tọa độ mặt bằng quốc gia 38

2.1.2 Hiện trạng hệ quy chiếu độ cao quốc gia 39

2.1.3 Hiện trạng hệ quy chiếu trọng lực quốc gia 42

2.2 Đánh giá một số mô hình geoid ở Việt Nam 43

2.3 Các mạng lưới GNSS phục vụ xây dựng hệ quy chiếu tọa độ không gian quốc gia ở Việt Nam 47

2.3.1 Mạng lưới GNSS CORS quốc gia 50

2.3.2 Mạng lưới GNSS quốc gia phủ trùm 51

2.4 Cơ sở khoa học và một số tiêu chí của việc xây dựng hệ quy chiếu tọa độ không gian quốc gia 53

2.4.1 Một số thành tựu khoa học công nghệ tiên tiến trên thế giới 53

2.4.2 Xác định một số tiêu chí xây dựng hệ quy chiếu tọa độ không gian quốc gia 54

2.4.3 Cơ sở khoa học của việc xây dựng hệ quy chiếu tọa độ không gian quốc gia 57

2.5 Phương hướng xây dựng và phát triển hệ quy chiếu tọa độ không gian quốc gia ở Việt Nam 58

2.6 Kết luận chương 2 59

iii

Chương 3 PHƯƠNG ÁN XỬ LÝ DỮ LIỆU TRONG XÂY DỰNG VÀ PHÁT TRIỂN HỆ QUY

CHIẾU TỌA ĐỘ KHÔNG GIAN QUỐC GIA 61

3.1 Lý thuyết về bình sai khối 64

3.1.1 Bình sai gộp chung hai mạng lưới 65

3.1.2 Bình sai riêng rẽ từng mạng lưới và ghép nối 66

3.1.3 Triển khai thực tế mô hình toán học của bài toán bình sai ghép nối 67

3.2 Nghiên cứu phương pháp bình sai ghép nối mạng lưới GNSS quốc gia phủ trùm vào hệ quy chiếu tọa độ không gian quốc gia 73

3.2.1 Bình sai riêng rẽ mạng lưới GNSS quốc gia phủ trùm trong ITRF tương ứng với ellipsoid quy chiếu quốc tế 73

3.2.2 Bình sai ghép nối mạng lưới GNSS quốc gia phủ trùm vào hệ quy chiếu tọa độ không gian

q uốc gia 78

3.3 Phát triển hệ quy chiếu tọa độ không gian quốc gia 82

3.3.1 Phát triển hệ quy chiếu tọa độ không gian quốc gia trong trường hợp bổ sung các điểm cơ sở trắc địa mới 83

3.3.2 Các biện pháp nâng cao hiệu quả khai thác sử dụng hệ quy chiếu tọa độ không gian quốc gia 84

3.4 Kết luận chương 3 86

Chương 4 THỰC NGHIỆM 87

4.1 Khái quát chung về số liệu thực nghiệm 87

4.1.1 Mô hình quasigeoid 87

4.1.2 Mạng lưới cơ sở của các điểm địa động lực Miền Bắc 88

4.2 Thực nghiệm đánh giá một số mô hình quasigeoid quốc gia ở Việt Nam 90

4.2.1 Thực nghiệm đánh giá mô hình quasigeoid hỗn hợp VIGAC2014 90

4.2.2 Thực nghiệm đánh giá mô hình quasigeoid quốc gia khởi đầu VIGAC2017 95

4.3 Thực nghiệm bình sai ghép nối mạng lưới GNSS quốc gia phủ trùm vào hệ quy chiếu tọa độ không gian quốc gia 98

4.4 Thực nghiệm phát triển hệ quy chiếu tọa độ không gian quốc gia trong trường hợp bổ sung các điểm cơ sở trắc địa mới 103

4.4.1 Bình sai tổng thể mạng lưới 105

4.4.2 Bình sai một phần của mạng lưới 106

4.4.3 Bình sai bổ sung trị đo làm thay đổi ẩn số 107

4.5 Kết luận chương 4 108

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 109

A Kết luận 109

B Kiến nghị 110

CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ 111

TÀI LIỆU THAM KHẢO 113

iv

PHỤ LỤC 126 Phụ luc 1 Đánh giá kết quả xây dựng mô hình quasigeoid 126 Phục lục 2 Một số kết quả tính toán thực nghiệm việc bình sai ghép nối mạng lưới GNSS quốc gia phủ trùm vào hệ quy chiếu tọa độ không gian quốc gia 136 Phục lục 3 Một số kết quả tính toán thực nghiệm việc phát triển hệ quy chiếu tọa độ không gian quốc gia khi bổ sung điểm cơ sở trắc địa không gian quốc gia mới 148 PHỤ LỤC 4 Mã code một số Module tính toán bằng ngôn ngữ lập trình 201

trực tuyến của Australia

(của Australia)

B

(International Time Bureau)

Cơ quan giờ quốc tế

C

Canada

phối hợp (ở Mỹ)

của Canada năm 2013

của Canada năm 1928

cầu công bố năm 1996

vi

cầu công bố năm 2008

1997

của Châu Âu năm 1989

của Châu Âu

Châu Âu

F

bang

địa truyền thống (của Nga)

Gravity field and steady-state Ocean

trọng trường Trái Đất của Trung tâm điều hành vũ trụ châu Âu

1971

Mạng lưới trọng lực quốc tế

1971

geoid

Standardization

Tổ chức Quốc tế về Tiêu chuẩn

của Hàn Quốc năm 2000

L

quốc gia của Mỹ

quốc gia truyền thống của Mỹ

gian quốc gia của Mỹ

quốc gia (của Nga)

thực

New Zealand năm 1949

New Zealand năm 2000

tâm của nước Anh

vị trực tuyến (của Mỹ)

P

tâm của Papua New Guinea

cho hệ thống vệ tinh GLONASS của Nga

(của Nga)

S

ix

T

U

Gravimetric Geoid) model

Mô hình geoid trọng lực của

Mỹ

Vietnam institute of geodesy and cartography

of 2017

Mô hình quasigeoid quốc gia khởi đầu 2017 do Viện Khoa học Đo đạc – Bản đồ xây dựng năm 2017

W

x

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT BẰNG TIẾNG VIỆT

Ký hiệu viết tắt bằng tiếng Việt Viết đầy đủ

C

H

HQCTĐKGQG Hệ quy chiếu tọa độ không gian quốc gia(National Spatial Coordinate Refecene System)

Hải Phòng 1972

V

Việt Nam công bố năm 2000

xi

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1 Hệ quy chiếu tọa độ không gian quốc gia và mô hình geoid tương ứng 32

Bảng 2.1 Độ chính xác đo đạc mạng lưới Thiên văn- trắc địa quốc gia 39

Bảng 2.2 Kết quả bình sai mạng lưới thiên văn - trắc địa quốc gia trong hệ tọa độ VN2000 39

Bảng 2.3 Số lượng các trạm GNSS CORS quốc gia và GNSS quốc gia phủ trùm ở các nước 49

Bảng 2.3a Độ chính xác của các cấp lưới trắc địa quốc gia 53

Bảng 2.4 Thế trọng trường thực của mặt geoid cục bộ ở một số quốc gia trên thế giới 54

Bảng 2.5 Đánh giá sai số tương đối R m H theo các giá trị m 56 

Bảng 4.1 Kết quả đánh giá độ chính xác của mô hình quasigeoid hỗn hợp VIGAC2014 dựa trên 75 điểm độ cao hạng II Nhà nước 89

Bảng 4.1a Hiệu chỉnh sai số hệ thống cho dãy trị đo……… 94

Bảng 4.2 Kết quả đánh giá độ chính xác của mô hình quasigeoid quốc gia khởi đầu VIGAC2017 dựa trên 25 điểm độ cao hạng I 96

Bảng 4.3 Tọa độ trắc địa của các điểm song trùng trong VN2000-3D tương ứng với ellipsoid WGS84 quy chiếu quốc gia 98

Bảng 4.4 Tọa độ các điểm trong ITRF tương ứng với ellipsoid WGS84 quy chiếu quốc tế (ký hiệu là vectơ ) 98

Bảng 4.5 Tọa độ không gian (X, Y, Z) của 05 điểm song trùng trong VN2000-3D 99

Bảng 4.6 Tọa độ các điểm của mạng lưới chuyển từ ITRF về VN2000-3D (vectơ  ) 99

Bảng 4.7 Kết quả bình sai ghép nối mạng lưới GNSS quốc gia phủ trùm vào HQCTĐKGQG 101

Bảng 4.7a Hiệu chỉnh tọa độ các điểm trong VN2000-3D về VN2000-2D 102

Bảng 4.8 Tọa độ gốc của mạng lưới 103

Bảng 4.9 Kết quả xử lý cạnh và ma trận tương quan 104

Bảng 4.10 Nghiệm và tọa độ sau bình sai tổng thể mạng lưới 105

Bảng 4.11 Nghiệm và tọa độ sau bình sai một phần mạng lưới 106

Bảng 4.12 Nghiệm và tọa độ sau bình sai khi bổ sung trị đo làm thay đổi ẩn số 107

Bảng 4.13 So sánh tọa độ điểm tính bổ sung trong hai trường hợp 108

xii

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1.1 Mô hình geoid USGG2012 của Mỹ 21

Hình 1.2 Bản đồ phân bố các trạm CORS của nước Mỹ 22

Hình 1.3 Dịch vụ OPUS (Online Positioning User Service) của Mỹ 22

Hình 1.4 Mạng lưới thiên văn – trắc địa quốc gia của Nga 24

Hình 1.5 Sơ đồ sự phát triển của hệ thống quy chiếu không gian Canada 25

Hình 1.6 Dịch vụ xử lý số liệu GNSS (PPP) trực tuyến của trên hệ thống thông tin trắc địa quốc gia Canada 25

Hình 1.7 Bản đồ phân bố các trạm CORS của Châu Âu 26

Hình 1.8 Cấu trúc hệ tọa độ không gian địa tâm OS Net của nước Anh 27

Hình 1.9 Bản đồ phân bố các trạm CORS ở Vương quốc Anh 28

Hình 1.10 Phạm vi bao phủ của GDA2020 tại Australia(vùng màu xanh đậm) 29

Hình 1.11 Bản đồ mạng lưới CORS net - NSW của Australiatại thời điểm tháng 2/2017 30

Hình 3.1 Mạng lưới trắc địa được chia thành các khu đo 64

Hình 4.1 Vị trí các điểm đo thuộc mạng lưới được đưa lên Google Earth 89

Hình 4.2 Mạng lưới thực nghiệm 89

1

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Hệ quy chiếu tọa độ không gian quốc gia (HQCTĐKGQG) được sử dụng để xác định vị trí của các đối tượng nằm trền bề mặt vật lý Trái Đất và trên mặt địa hình đáy biển Do sự ràng buộc chặt chẽ về mặt toán học giữa tọa độ không gian (X, Y, Z) và tọa độ trắc địa (B, L, H) tại mỗi vị trí nên khi nói đến HQCTĐKGQG chúng ta bao hàm cả tọa độ trắc địa quốc gia (B, L) và độ cao trắc địa quốc gia H của điểm cần xác định Mặt khác, do độ cao trắc địa bằng tổng của độ cao chuẩn quốc gia và dị thường

độ cao quốc gia, nên HQCTĐKGQG được xây dựng để thống nhất hệ tọa độ mặt bằng

quốc gia và hệ độ cao quốc gia trong một hệ thống quy chiếu tọa độ không gian quốc gia thống nhất khi đã xây dựng được mô hình quasigeoid quốc gia độ chính xác cao Việc thống nhất này sẽ bảo đảm cho các mục đích nâng cao độ chính xác tọa độ mặt bằng của các điểm trắc địa quốc gia trong VN2000 và xây dựng mô hình quasigeoid

độ chính xác cao trên cơ sở sử dụng đồng bộ dữ liệu độ cao chuẩn quốc gia, trọng lực

và vệ tinh, đồng thời tạo cơ sở cho việc ứng dụng triệt để các ưu thế của công nghệ GNSS phục vụ mục đích chuyên ngành Như vậy, xây dựng và phát triển HQCTĐKGQG phù hợp với yêu cầu và xu thế phát triển của kỷ nguyên ứng dụng công nghệ GNSS trên cơ sở sử dụng các thành tựu khoa học - công nghệ mới nhất của ITRF; các mô hình trọng trường Trái Đất EGM và mô hình địa hình động lực trung bình MDT;.v.v

Tiền đề then chốt để xây dựng HQCTĐKGQG là xây dựng mô hình quasigeoid quốc gia độ chính xác cao trên toàn bộ lãnh thổ quốc gia nhằm nhận được độ cao trắc địa quốc gia H  H  độ chính xác cao của điểm cần quan tâm, ở đây H - độ cao chuẩn quốc gia của điểm,  - độ cao quasigeoid quốc gia (dị thường độ cao) của điểm Khi đã xây dựng được mô hình quasigeoid quốc gia độ chính xác cao, tại điểm

có các tọa độ trắc địa (B, L) trong hệ quy chiếu tọa độ quốc gia VN2000 và độ cao chuẩn H , chúng ta sẽ xác định được các tọa độ trắc địa (B, L, H) hoặc các tọa độ không gian (X, Y, Z) của điểm trong HQCTĐKGQG Ngược lại, tại điểm đã biết các tọa độ trắc địa (B, L, H) trong HQCTĐKGQG, thêm vào đó các tọa độ trắc địa (B, L, H) thường được xác định bằng công nghệ GNSS sau khi chuyển từ ITRF về VN2000 nhờ 07 tham số chuyển tọa độ theo mô hình Bursa – Wolf, chúng ta đơn giản xác định

độ cao chuẩn quốc gia H của điểm Đây là xu hướng hiện đại đang được phát triển nhằm thay thế phương pháp đo đạc thủy chuẩn truyền thống Với sự phát triển mạnh

mẽ của công nghệ GNSS và việc xây dựng các mô hình geoid/quasigeoid độ chính xác cao, các quốc gia đã và đang xây dựng cho mình các HQCTĐKGQG

2

Kỷ nguyên mới của công nghệ GNSS được mở ra vào tháng 8/1989 tại Edinburgh (Vương quốc Anh) với sự ra đời của tổ chức dịch vụ GNSS cho địa động lực (IGS) Cùng với các mạng lưới VLBI, SLR, LLR, DORIS, mạng lưới các trạm đo GNSS thường trực của tổ chức IGS đảm bảo thực hiện các nhiệm vụ cơ bản như xác định các tham số định vị Trái Đất như giờ toàn thế giới UT1, các tọa độ X P,Y P của CEP (Celestial Ephemeris Pole – cực lịch sao) so với IRP (cực quy chiếu IERS), chương động và tuế sai đảm bảo việc chuyển tọa độ của các vệ tinh từ khung quy chiếu sao quốc tế (ICRF) về khung quy chiếu Trái Đất quốc tế ITRF, định vị gốc của ITRF chính xác vào tâm vật chất Trái Đất khi tính đến sự dịch chuyển của tâm vật chất Trái Đất với tốc độ 1 mm/1 năm, xác định tọa độ chính xác của các trạm IGS trong ITRF, xác định lịch vệ tinh chính xác, nghiên cứu địa động lực của vỏ Trái Đất v v

Năm 1987, Tiểu ban 1.3a (hiện nay có tên gọi là Tổ chức Khung quy chiếu Châu

Âu - EUREF) của Hội Trắc địa quốc tế IAG đã quyết định phát triển Hệ quy chiếu

Trái Đất Châu Âu ETRS89 dựa trên ellipsoid GRS80 và công nghệ GPS (Ihde J., Bruyninx C., 2008) Hệ tọa độ không gian địa tâm OS Net của nước Anh dựa trên mô hình geoid OSGM02, liên kết với ETRS89 nhờ việc kết nối các mạng lưới tam giác OSTN của Vương quốc Anh với Hệ quy chiếu Trái Đất Châu Âu ETRS89 vào năm

2002 (Ordnance Survey A Guide to coordinate system in Geat Britain D00659, V 2.0, Aug 2010). Canada đã xây dựng Hệ quy chiếu không gian Canada CSRS dựa trên

NAD-83 và mô hình geoid CGG2013 ( Véronneau M., 2010) Hệ quy chiếu địa tâm

Nam Mỹ SIRGAS là dự án của các nước Nam Mỹ, Trung Mỹ và Bắc Mỹ phối hợp với các Viện khoa học quốc tế để xây dựng Khung quy chiếu địa tâm tại khu vực này

(Fortes P., Lauría E., Brunini C., Amaya W., Sánchez L., Drewes H., Seemuller W., 2006b) Hệ tọa độ quốc gia Bắc Mỹ - NAD83 là Hệ tọa độ không gian địa tâm được xây dựng vào năm 1983 dựa trên các mô hình geoid hỗn hợp (GEOID96, GEOID03,.v.v); các mô hình geoid trọng lực (USGG2012, G99SSS, CARIB97,

MEXICO97, GEOID90,.v.v.) và ellipsoid GRS80 (Shields R., 2010)

Việc phát triển công nghệ GNSS trong phạm vi một quốc gia đòi hỏi phải có nhiều giải pháp đồng bộ mang tính pháp lý và khoa học - kỹ thuật đảm bảo cho việc phát triển các mạng lưới GNSS ở các cấp hạng khác nhau Ví dụ ở nước Mỹ để đảm bảo việc phát triển các mạng lưới trắc địa dựa trên cả công nghệ GNSS lẫn công nghệ truyền thống, vào năm 1984 Ủy ban kiểm soát Trắc địa Liên bang (FGCC) đã ban hành Các Tiêu chuẩn và Các quy định kỹ thuật đối với các mạng lưới khống chế trắc địa FGCC1984 và vào năm 1988, Ủy ban Khống chế Trắc địa Liên bang đã ban hành Các Tiêu chuẩn độ chính xác trắc địa hình học và Các quy định kỹ thuật đối với việc

3

sử dụng các kỹ thuật định vị tương đối GPS (FGCC1988) Việc xây dựng các tiêu chuẩn quốc gia về các mạng lưới trắc địa là nhiệm vụ của cơ quan quản lý nhà nước về

đo đạc và bản đồ ở mỗi quốc gia

Hơn 2 thập kỷ qua chúng ta đã chứng kiến sự phát triển vượt bậc của công nghệ GNSS CORS Các quốc gia là các thành viên của các tổ chức IGS như Mỹ, Canada, Australia, Anh, Đức, Pháp v v sử dụng các trạm CORS quốc gia có liên kết chặt chẽ với mạng lưới IGS để thực hiện các nhiệm vụ cơ bản đã nêu ở trên của tổ chức IGS, đặc biệt các trạm CORS được bố trí trên mỗi mảng kiến tạo được sử dụng để xác định

03 góc Euler đặc trưng cho sự dịch chuyển của mảng kiến tạo phục vụ việc xây dựng

mô hình kiến tạo mảng Về phần mình, mô hình kiến tạo mảng được sử dụng để hiệu chỉnh ITRF/ETRS89 do sự chuyển dịch của các mảng kiến tạo sau mỗi giai đoạn xác định Chính vì lý do này các quốc gia nêu trên đã và đang xây dựng HQCTĐKGQG hoàn toàn tương thích với ITRF/ETRS89

Các quốc gia khác, trong đó có Việt Nam, đã xây dựng hệ quy chiếu tọa độ phẳng quốc gia dựa trên việc định vị ellipsoid quy chiếu quốc gia sát nhất với mặt geoid/quasigeoid quốc gia nhờ các dữ liệu GNSS và các độ cao chính/chuẩn trên các điểm tham gia định vị, thêm vào đó các trục tọa độ của ellipsoid quy chiếu quốc gia phải song song với các trục tọa độ tương ứng của ITRF/ETRS89 Đối với các quốc gia này, HQCTĐKGQG không tương thích với ITRF/ETRS89, mà liên kết với ITRF/ETRS89 thông qua 07 tham số chuyển tọa độ của mô hình Bursa - Wolf Nếu các quốc gia này có các trạm CORS tham gia mạng lưới IGS, nhưng không tham gia

xử lý các dữ liệu GNSS để giải quyết các nhiệm vụ cơ bản của tổ chức IGS, thì các quốc gia đó chỉ có thể sử dụng các dịch vụ của tổ chức IGS để phát triển các mạng lưới GNSS quốc gia độ chính xác cao Các đặc điểm nêu trên phù hợp với hoàn cảnh của Việt Nam và được nghiên cứu trong Luận án này

Mạng lưới các trạm CORS quốc gia còn được sử dụng để nghiên cứu dự báo thời

tiết (Bevis, M., Businger, S., Herring, T.A., Rocken, C., Anthes, A., and Ware, R., 1992) và phát triển mạng lưới NRTK phục vụ các công tác đo đạc theo các phương pháp VRS, RTK v v (GNSS Solutions: Network RTK and Reference Station Configuration) Vấn đề này không phải là nội dung nghiên cứu của Luận án này

Trong quá trình xây dựng HQCTĐKGQG, một trong nhưng nhiệm vụ khoa học -

kỹ thuật quan trọng cần thực hiện là kết hợp mạng lưới GNSS với các mạng lưới

4

khống chế mặt bằng và độ cao quốc gia Trong thực tế xây dựng các mạng lưới khống chế mặt bằng và độ cao quốc gia theo các phương pháp truyền thống, các mạng lưới này tách rời nhau Mặt khác để đảm bảo lưu giữ các điểm trắc địa mặt bằng và độ cao lâu dài trên thực địa, các điểm trắc địa này được xây dựng rất kiên cố trên thực địa Các điểm khống chế mặt bằng chỉ đảm bảo sự thông hướng giữa các điểm, nhưng nhiều điểm không đảm bảo sự thông thoáng bầu trời để đo GNSS Các điểm khống chế

độ cao chỉ phát triển dọc theo các đường giao thông, các tuyến đường sắt v v, nhưng hầu như không bố trí được trên các vùng núi cao hiểm trở Do đó, ở các nước như Mỹ, Canada, Anh, Australia v.v đã phát triển mạng lưới GNSS thụ động (passive GNSS network), trong Luận án này gọi là mạng lưới GNSS quốc gia phủ trùm, dựa trên các điểm khống chế mặt bằng và độ cao với điều kiện các điểm khống chế nêu trên được chọn làm các điểm GNSS phải thỏa mãn ba tiêu chí sau:

- Đảm bảo việc thu nhận tín hiệu của không ít hơn 05 vệ tinh GNSS;

- Các điểm phải được xây dựng tại vị trí có nền địa chất ổn định;

- Thuận tiện cho việc tìm kiếm và tiếp cận

Như vậy, các điểm khống chế độ cao và mặt bằng quốc gia hạng I, II cùng một số trạm CORS tạo nên mạng lưới GNSS quốc gia phủ trùm Mật độ trung bình giữa các điểm GNSS trong mạng lưới GNSS quốc gia phủ trùm nằm trong khoảng 20 - 100 km/

1 điểm Mạng lưới GNSS thụ động ở nước Mỹ là mạng lưới quy chiếu độ chính xác

cao (HARN - High Accuracy Reference Networks) (Doyle, D R., 2000), ở Canada là mạng lưới khống chế thụ động (PCN - Passive Control Networks) (Technical Support NAD83 (CSRS), 2016), ở Australia là mạng lưới GNSS Auscope (AGN - Auscope

GNSS Network) (Janssen, V., 2017) Các mạng lưới GNSS quốc gia phủ trùm được

phát triển từ các trạm CORS quốc gia có liên kết với mạng lưới IGS hoặc từ các trạm IGS khu vực Bản thân các tọa độ phẳng và độ cao được xác định theo các phương pháp truyền thống có độ chính xác không cao, ví dụ ở nước Mỹ các độ chính xác của tọa độ phẳng trong NAD83 (gốc) và độ cao trong NAVD88 đều nằm ở mức mét

(Martin, D., 2011). Ở Việt Nam, theo tài liệu (Tổng cục Địa chính, 1999, trang 141), đối với mạng lưới thiên văn - trắc địa hạng I, II quốc gia được bình sai với các trị đo trong mạng lưới GPS cấp 0 trong hệ tọa độ phẳng VN2000, sai số vị trí mặt bằng lớn nhất đạt ở mức ± 0.290 m Đối với các nước xây dựng hệ quy chiếu không gian quốc gia liên kết với ITRF/ETRS89 thông qua 07 tham số chuyển đổi tọa độ theo mô hình

5

Bursa - Wolf, nhiệm vụ quan trọng nhất của mạng lưới GNSS quốc gia phủ trùm là xác định các tọa độ trắc địa (hoặc tọa độ phẳng) và độ cao độ chính xác cao ở mức cm trong hệ tọa độ phẳng quốc gia và hệ độ cao quốc gia thông qua việc giải quyết bài toán bình sai ghép nối mạng lưới GNSS vào hệ tọa độ không gian quốc gia Nhiệm vụ này tạo nên các mục đích và các nội dung nghiên cứu của Luận án này

Hệ tọa độ quốc gia Việt Nam VN2000 được công bố năm 2000 là một thành quả khoa học công nghệ rất đáng trân trọng của ngành Đo đạc Bản đồ Việt Nam trong những năm đầu của kỷ nguyên ứng dụng công nghệ GPS Hệ tọa độ VN2000 được xây dựng dựa trên các mạng lưới thiên văn - trắc địa hạng I, II; mạng lưới GPS cấp 0; các mạng lưới độ cao hạng I, II quốc gia và mô hình geoid địa phương Hệ tọa độ VN2000 kết hợp với Hệ độ cao Hải Phòng 1972 (HP72) được ứng dụng hiệu quả trong công tác

đo đạc, thành lập hệ thống CSDL và bản đồ quốc gia phục vụ đắc lực cho sự phát triển kinh tế xã hội, bảo đảm quốc phòng - an ninh và nghiên cứu khoa học Tuy nhiên, VN2000 còn có một số hạn chế sau:

- Sử dụng mô hình geoid với độ chính xác không cao Theo đánh giá trong (Tổng

cục Địa chính, 1999) về Báo cáo Xây dựng Hệ quy chiếu và Hệ thống điểm tọa độ quốc

gia, mô hình geoid VNGeo-96 được xây dựng dựa trên mô hình EGM-96 và làm khớp bằng 367 điểm GPS có đo thủy chuẩn theo phương pháp phần dư (VnGeo-96R) và phương pháp sóng (VnGeo-96U) với độ chính xác xác định dị thường độ cao đạt 1.5m

- Đo đạc, tính toán các mạng lưới GPS nói chung và mạng lưới GPS cấp 0 nói riêng chưa đảm bảo độ chính xác tương đối của các tọa độ không gian phải ở mức 10-9

theo quy định quốc tế (Augath W., Ihde J., 2002; Ihde J , 2004)

- Không có mối liên hệ chặt chẽ với ITRF nên hạn chế trong việc ứng dụng công nghệ GNSS Mối liên kết giữa hệ tọa độ quốc tế ITRF và hệ tọa độ quốc gia VN2000 được xác định bằng 07 tham số chuyển đổi theo mô hình Bursa - Wolf Tuy nhiên, việc sử dụng giá trị của 07 tham số chuyển đổi tọa độ được Bộ Tài nguyên và Môi

trường công bố năm 2007 trong tài liệu (Bộ Tài nguyên và Môi trường, 2007) cho

thấy, từ tọa độ không gian trong ITRF, chúng ta không nhận được tọa độ không gian quốc gia độ chính xác cao

- Ngoài ra, do VN2000 là hệ thống tọa độ 2D (tĩnh) nên rất khó khăn trong việc khai thác sử dụng các thành quả khoa học công nghệ tiên tiến của thế giới để giải quyết các bài toán khoa học kỹ thuật chuyên ngành, đặc biệt là các bài toán thuộc lĩnh

- Xây dựng mô hình quasigeoid độ chính xác cao phủ trùm lãnh thổ (cả trên đất liền và trên biển) dựa trên các mô hình trọng trường Trái Đất toàn cầu EGM, mô hình địa hình động lực trung bình MDT, dữ liệu độ cao chuẩn hạng I, II quốc gia và dữ liệu

đo trọng lực chi tiết trên phạm vi lãnh thổ quốc gia;

- Xây dựng mạng lưới GNSS quốc gia phủ trùm độ chính xác cao và bình sai ghép nối vào HQCTĐKGQG tạo cơ sở liên kết với ITRF, đồng thời góp phần nâng cao độ chính xác của mô hình quasigeoid quốc gia và bảo trì các mạng lưới trắc địa quốc gia (mạng lưới thiên văn - trắc địa hạng I, II quốc gia và mạng lưới độ cao hạng I, II quốc gia); v.v

- Phát triển mở rộng mạng lưới GNSS quốc gia phủ trùm khi bổ sung các điểm trắc địa cơ sở không gian quốc gia mới nhằm nâng cao hiệu quả khai thác sử dụng HQCTĐKGQG nhưng không làm thay đổi tọa độ các điểm của mạng lưới gốc v.v Các nội dung nghiên cứu của luận án nhằm luận giải một số nhiệm vụ khoa học nêu trên

Xây dựng HQCTĐKGQG là xu hướng phát triển hiện đại hiện nay và là nhiệm vụ quan trọng, rất cần thiết, cấp bách, rất nặng nề nhưng cũng rất vinh quang của ngành Đo đạc và Bản đồ Việt Nam trong thời gian tới Với hạ tầng cơ sở dữ liệu trắc địa của nước ta hiện nay, để xây dựng được HQCTĐKGQG đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật hiện đại trong tương lai gần, sẽ cần rất nhiều công sức, tiền của và trí tuệ tổng lực của toàn ngành Với mong muốn góp một phần sức lực nhỏ bé của mình vào việc xây dựng HQCTĐKGQG hiện đại ở Việt Nam, trên cơ sở các kết quả nghiên cứu của các nhà khoa học trắc địa, các thầy cô giáo và các anh chị lớp trước, Nghiên cứu sinh cũng tìm cho mình một hướng đi hẹp nhằm bổ sung, hoàn thiện thêm cơ sở khoa học và phương pháp, thuật toán để sẵn sàng giải quyết các nhiệm vụ khoa học - kỹ thuật trong quá trình xây dựng HQCTĐKGQG

Xây dựng HQCTĐKHQG phải dựa trên nền tảng các mạng lưới thiên văn - trắc địa, mạng lưới GNSS quốc gia phủ trùm và các mạng lưới độ cao hạng I, II quốc gia

để đảm bảo tính lịch sử và tính thực tiễn của Hệ tọa độ quốc gia VN2000 và Hệ độ cao

7

Hải Phòng HP72 Nhằm chuẩn bị sẵn sàng cơ sở lý thuyết và công cụ xử lý toán học ghép nối mạng lưới GNSS quốc gia phủ trùm vào HQCTĐKGQG và phát triển HQCTĐKGQG trong trường hợp mạng lưới GNSS quốc gia được mở rộng bổ sung thêm các điểm cơ sở quốc gia mới khi tính đến xu hướng phát triển Hệ thống thông tin

trắc địa quốc gia, đề tài “Nghiên cứu phương pháp xây dựng và phát triển hệ quy chiếu tọa độ không gian quốc gia” thể hiện tính cấp thiết, góp phần đẩy nhanh tiến độ

xây dựng hệ quy chiếu tọa độ không gian quốc gia Việt Nam trong xu thế hợp tác và hội nhập khoa học quốc tế để giải quyết các bài toán mang tính khu vực và toàn cầu

2 Mục tiêu nghiên cứu

2.1 Mục tiêu tổng quát

Nghiên cứu cơ sở khoa học và phương pháp xây dựng, phát triển Hệ quy chiếu tọa

độ không gian quốc gia

Để đạt được các mục tiêu cụ thể nêu trên, các nhiệm vụ cần giải quyết bao gồm:

- Thu thập, phân tích các tài liệu khoa học trong nước và trên thế giới liên quan đến việc xây dựng và phát triển HQCTĐKGQG;

- Nghiên cứu cơ sở khoa học và các tiêu chí xây dựng HQCTĐKGQG;

- Đánh giá kết quả xây dựng một số mô hình quasigeoid đã xây dựng ở Việt Nam;

- Nghiên cứu các yêu cầu kỹ thuật của mạng lưới GNSS CORS quốc gia và mạng lưới GNSS quốc gia phủ trùm trong việc xây dựng HQCTĐKGQG;

- Nghiên cứu phương pháp xử lý toán học ghép nối mạng lưới GNSS quốc gia phủ trùm vào HQCTĐKGQG;

- Nghiên cứu phương pháp phát triển hệ quy chiếu tọa độ không gian quốc gia khi xuất hiện các điểm cơ sở không gian quốc gia mới;

- Tính toán thực nghiệm các kết quả nghiên cứu

8

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

3.1 Đối tượng nghiên cứu

Xuất phát từ mục tiêu của luận án, đối tượng nghiên cứu của luận án là các vấn đề khoa học - kỹ thuật liên quan đến việc xây dựng và phát triển HQCTĐKGQG

3.2 Phạm vi nghiên cứu

Xuất phát từ các nội dung nghiên cứu của luận án nêu trên, phạm vi nghiên cứu của luận án được giới hạn trong các vấn đề về khoa học - kỹ thuật liên quan đến việc xây dựng và phát triển HQCTĐKGQG

4 Phương pháp nghiên cứu

Để hoàn thành Luận án, Nghiên cứu sinh sử dụng một số phương pháp sau:

- Phương pháp hồi cứu: Tìm kiếm, thu thập các tài liệu và cập nhật các thông tin trên Internet và thư viện

- Phương pháp phân tích: Nghiên cứu các vấn đề khoa học - kỹ thuật để xây dựng

và phát triển HQCTĐKGQG: Tìm hiểu các phương pháp xây dựng mô hình quasigeoid; lý thuyết của thuật toán bình sai truy hồi với phép biến đổi xoay; phương pháp phát triển mở rộng mạng lưới GNSS bằng cách bổ sung các điểm GNSS mới

- Phương pháp toán học: Nghiên cứu phương pháp đánh giá độ chính xác mô hình quasigeoid; Lý thuyết bình sai ghép nối; lý thuyết phát triển mở rộng mạng lưới khi bổ sung thêm các điểm mới

- Phương pháp so sánh: So sánh phân tích ưu nhược điểm của các phương pháp đánh giá, bình sai

- Phương pháp thực nghiệm: Thực nghiệm để minh chứng cho việc lựa chọn cơ sở

lý thuyết là hoàn toàn đúng đắn của các bài toán như: đánh giá mô hình quasigeoid, bình sai ghép nối và bình sai phát triển mạng lưới khi có nhu cầu xây dựng thêm các điểm không gian quốc mới

- Phương pháp ứng dụng tin học: Xây dựng và triển khai các thuật toán bằng ngôn ngữ lập trình, đồng thời sử dụng kết hợp các phần mềm hiện có phục vụ cho quá trình tính toán thực nghiệm

5 Các luận điểm bảo vệ

Luận điểm 1: Xây dựng Hệ quy chiếu tọa độ không gian quốc gia phải dựa trên

mô hình quasigeoid độ chính xác không thấp hơn ±4cm và mạng lưới GNSS quốc gia phủ trùm trong mối quan hệ chặt chẽ với ITRF

9

Luận điểm 2: Bình sai ghép nối mạng lưới GNSS quốc gia phủ trùm vào

HQCTĐKGQG đảm bảo gắn kết chặt chẽ HQCTĐKGQG với ITRF, đồng thời nâng cao độ chính xác tọa độ, độ cao các điểm thiên văn - trắc địa tham gia vào mạng lưới GNSS và chính xác hóa giá trị các tham số về độ lệch gốc tọa độ của HQCTĐKGQG

so với ITRF

Luận điểm 3: Phương pháp bình sai truy hồi với phép biến đổi xoay sử dụng các

kết quả bình sai của mạng lưới ở giai đoạn trước và được lưu giữ trong CSDL của Hệ thống thông tin trắc địa quốc gia hoàn toàn đáp ứng các yêu cầu của bài toán cập nhật trị đo mới khi mở rộng mạng lưới GNSS quốc gia phủ trùm mà không phải bình sai lại toàn bộ mạng lưới

6 Các điểm mới của Luận án

Kết quả nghiên cứu luận án đã hình thành các điểm mới sau đây:

- Thiết lập cơ sở khoa học và các tiêu chí xây dựng HQCTĐKGQG;

- Hoàn thiện phương pháp bình sai ghép nối mạng lưới GNSS quốc gia phủ trùm vào HQCTĐKGQG;

- Thiết lập phương pháp phát triển mở rộng HQCTĐKGQG khi bổ sung các điểm trắc địa cơ sở không gian quốc gia mới, trên cơ sở sử dụng các kết quả bình sai của mạng lưới ở giai đoạn trước và được lưu giữ trong CSDL của Hệ thống thông tin trắc địa quốc gia mà không phải bình sai lại toàn bộ mạng lưới

7 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

- Kết quả nghiên cứu là tư liệu hỗ trợ về lý luận và thực tiễn cho các cơ quan quản

lý xem xét nhằm sớm tiến đến việc xây dựng hoàn chỉnh HQCTĐKGQG ở Việt Nam

8 Cơ sở tài liệu, số liệu

- Các tài liệu được thu thập, phân tích, đánh giá ở trong nước và ngoài nước; trên các website tin cậy;

10

- Mô hình quasigeoid được sử dụng trong thực nghiệm Luận án là các mô hình VIGAC2014, VIGAC2017 do Viện Khoa học Đo đạc và Bản đồ cung cấp;

- Số liệu được sử dụng trong tính toán thực nghiệm của luận án bao gồm:

+ Kết quả xử lý số liệu đo GPS của các điểm độ cao hạng II Nhà nước và các giá trị

độ cao chuẩn tương ứng trong hệ độ cao chuẩn HP72;

+ Kết quả xử lý số liệu đo đạc Mạng lưới cơ sở của các điểm địa động lực Miền Bắc thuộc dự án Xây dựng mạng lưới trắc địa động lực trên khu vực đứt gãy thuộc miền Bắc Việt Nam phục vụ dự báo tai biến tự nhiên do Viện Khoa học Đo đạc và Bản đồ chủ trì;

+ Các bài báo khoa học của tác giả công bố có liên quan đến nội dung luận án được đăng trên các tạp chí chuyên ngành

9 Cấu trúc luận án

Ngoài phần mở đầu, kết luận và các phụ lục, nội dung của luận án được trình bày trong bốn chương:

Chương 1 Tổng quan tình hình xây dựng và phát triển hệ quy chiếu tọa độ

không gian quốc gia

Chương 2 Cơ sở khoa học và một số tiêu chí xây dựng hệ quy chiếu tọa độ

không gian quốc gia

Chương 3 Phương pháp xử lý dữ liệu trong xây dựng và phát triển hệ quy chiếu

tọa độ không gian quốc gia

Chương 4 Thực nghiệm

11

Chương 1 TỔNG QUAN TÌNH HÌNH XÂY DỰNG VÀ PHÁT TRIỂN

HỆ QUY CHIẾU TỌA ĐỘ KHÔNG GIAN QUỐC GIA 1.1 Hệ quy chiếu tọa độ không gian quốc tế và hệ quy chiếu tọa độ không gian quốc gia

Trong Trắc địa tồn tại nhiều hệ thống mà đại lượng cần xác định gắn với các quy luật vật lý như hệ độ cao, hệ trọng lực, v.v và sử dụng thuật ngữ hệ tọa độ để mô tả

độ cao hay gia tốc lực trọng trường sẽ không hoàn toàn đúng nghĩa Trong những trường hợp này, nhiều tổ chức trắc địa quốc tế, đặc biệt là IERS, thay cho thuật ngữ

hệ tọa độ đã sử dụng thuật ngữ hệ quy chiếu (reference system), ví dụ hệ quy chiếu sao (celestial reference system), hệ quy chiếu không gian (spatial reference system), hệ quy chiếu độ cao (vertical reference system hoặc height reference system),

hệ quy chiếu trọng lực (gravimetric reference system), v.v

Khi đã xác định được điểm gốc và các số liệu trắc địa gốc của một hệ quy chiếu, tổ chức ISO thường sử dụng thuật ngữ hệ quy chiếu tọa độ (coordinate reference

system) (ISO/DIS 19111: 02-08-2004), còn tổ chức IERS và các tổ chức trắc địa quốc

tế khác thường sử dụng thuật ngữ khung quy chiếu (reference frame)

Khung quy chiếu Trái Đất quốc tế ITRF thực chất là khung quy chiếu không gian Trái Đất của tổ chức IGS với 367 trạm IGS hoạt động tích cực trên tổng số 505 trạm

tính đến ngày 01/01/2018 (http://www.igs.org/network) Trên cơ sở dữ liệu tín hiệu

được thu liên tục từ các vệ tinh GNSS, tổ chức IGS thực hiện các nhiệm vụ xác định quỹ đạo của vệ tinh GNSS, xác định tọa độ không gian và tốc độ chuyển dịch của các trạm thu thuộc mạng lưới IGS trong ITRF.yy, xác định các tham số định hướng Trái Đất, đánh giá sai số đồng hồ của vệ tinh GNSS và thông tin về tầng đối lưu, tầng điện

ly Sản phẩm của việc thực hiện các nhiệm vụ nêu trên được tổ chức IGS cung cấp cho người sử dụng gắn với ITRF

Hệ quy chiếu không gian toàn cầu GSRS có nhiều tên gọi khác nhau, ví dụ Hệ quy chiếu không gian định vị Trái Đất (Earth Oriented Spatial Reference System), Hệ quy chiếu tọa độ toàn cầu GCRS, Khung quy chiếu Trái Đất TRF Cơ quan Dịch vụ vĩ độ quốc tế ILS đã quy định Khung quy chiếu Trái Đất đầu tiên được gọi là CIO 1905 với hướng trung bình của trục tọa độ Z được xác định dựa trên các kết quả đo đạc trong giai đoạn 1900 - 1905 Hệ thống Trái Đất quy ước 1984.0 (BIH CTS 1984.0) và Cực Trái Đất quy ước CTP đã được Cơ quan giờ quốc tế BIH (năm 1984) như sau (Boucher,

C., and Altamimi, Z., 1985; Rapp R.H., 1993):

* Gốc của Hệ thống Trái Đất quy ước 1984.0 trùng với tâm vật chất của Trái Đất;

* Hướng trục Z của Hệ thống Trái Đất quy ước 1984.0 trùng với hướng của Cực Trái Đất quy ước BIH CTP vào thời điểm chuẩn 1984.0;

12

* Trục X của Hệ thống Trái Đất quy ước 1984.0 trùng với đường giao cắt của mặt phẳng kinh tuyến 0 của BIH (BIH Zero Meridian) và mặt phẳng xích đạo chứa điểm gốc 0 của hệ tọa độ trắc địa;

* Trục Y là trục thứ ba vuông góc với các trục Z, X và hướng về phía Đông

Cả ba trục X, Y, Z tạo nên hệ tọa độ không gian địa tâm theo quy tắc bàn tay phải

Theo tài liệu (Dennis D McCarthy., 1996),vào năm 1988 tổ chức IERS vẫn duy trì

BIHCTS 1984.0 và đổi tên CTP thành IRP Khi đó, theo quy định mới của IERS:

* Gốc của Hệ thống Trái Đất quy ước 1984.0 trùng với tâm vật chất của Trái Đất;

* Hướng trục Z của Hệ thống Trái Đất quy ước 1984.0 trùng với hướng của Cực quy chiếu IERS (IRP), thêm vào đó Cực quy chiếu này tương ứng với BIH CTS 1984.0 vào thời điểm chuẩn 1984.0 (độ lệch ở mức 0.005 );

* Trục X của Hệ thống Trái Đất quy ước 1984.0 trùng với đường giao nhau của mặt phẳng kinh tuyến quy chiếu IERS (IERS Reference Meridian - IRM) và mặt phẳng xích đạo của ellipsoid, ở đây kinh tuyến quy chiếu IRM trùng với kinh tuyến 0 của BIH vào thời điểm chuẩn 1984.0 (độ lệch ở mức 0.005 );

* Trục Y là trục thứ ba vuông góc với các trục Z, X và hướng về phía Đông

Cả ba trục X, Y, Z tạo nên hệ tọa độ không gian địa tâm theo quy tắc bàn tay phải Ngày nay hệ quy chiếu tọa độ không gian toàn cầu đang được sử dụng rộng rãi là ITRF HQCTĐKGQG theo quan điểm toán học là hệ thống gồm điểm gốc tọa độ và 3 trục tọa độ X, Y, Z xác định trong không gian Euclid 3 chiều Hệ quy chiếu này được

sử dụng trong đo đạc vệ tinh và các bài toán trắc địa toàn cầu (Tổng cục Địa chính, 1999). Tuy nhiên, HQCTĐKGQG phải gắn với ellipsoid quy chiếu quốc gia và tạo gắn kết giữa hệ tọa độ mặt bằng quốc gia và hệ độ cao quốc gia trong một hệ thống không gian thống nhất, đồng thời có mối liên hệ chặt chẽ với Khung quy chiếu Trái Đất quốc

tế ITRF để đảm bảo cho việc ứng dụng các thành quả khoa học công nghệ tiên tiến của thế giới, đặc biệt là công nghệ GNSS và hợp tác chia sẻ dữ liệu dùng chung giữa các quốc gia trong quá trình phát triển và hội nhập để giải quyết các bài toán mang tính khu vực và toàn cầu trong bối cảnh biến đổi khí hậu Hệ quy chiếu không gian quốc gia của các nước trên thế giới có nhiều tên gọi khác nhau, ví dụ: Mỹ đến năm 2022 dự kiến sẽ công bố Hệ quy chiếu không gian quốc gia NSRS; Canada đã hoàn thiện xây dựng Hệ quy chiếu không gian (CSRS); Vương quốc Anh với hệ tọa độ không gian địa tâm (OS Net); Australia với Hệ tọa độ trắc địa (GDA2020),.v.v Đối với Việt Nam, việc đặt tên cho Hệ tọa độ quốc gia là nhiệm vụ của ngành Đo đạc và Bản đồ (ví dụ Hệ tọa độ trắc địa hiện hành của Việt Nam là VN2000) Do vậy, trong luận án này, Nghiên cứu sinh tạm gọi Hệ tọa độ trắc địa tương lai của Việt Nam là Hệ quy chiếu tọa độ không gian quốc gia , tên viết tắt bằng tiếng Việt là HQCTĐKGQG, viết tắt

- Có độ lệch nhỏ nhất giữa mô hình toán học và không gian vật lý của thế gới thực;

- Thuận tiện sử dụng trong thực tiễn có lưu ý đến tập quán hình thành từ lịch sử;

- Dễ dàng tính toán chuyển đổi với các hệ quy chiếu đang sử dụng, đặc biệt là các

hệ quy chiếu toàn cầu hiện hành

Hệ quy chiếu tọa độ quốc gia Việt Nam VN2000 sử dụng ellipsoid WGS84 quốc

tế và được định vị phù hợp với lãnh thổ Việt Nam dựa trên 25 điểm cơ sở định vị được

đo nối bằng GPS và có độ cao thủy chuẩn (10 điểm thuộc lưới cấp 0 có độ cao thủy chuẩn và 15 điểm độ cao hạng I, II nhà nước có đo nối tọa độ bằng GPS) Theo tài liệu

(Tổng cục Địa chính, 1999), kết quả định vị ellipsoid theo 2 phương pháp (phương

pháp phi tuyến và phương pháp tuyến tính) hoàn toàn tin cậy Hệ quy chiếu tọa độ quốc gia VN2000 được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, ngành nghề khác nhau

và đáp ứng được yêu cầu đặt ra của sự nghiệp xây dựng và bảo vệ Tổ quốc Việt Nam

Xã hội chủ nghĩa Hệ quy chiếu tọa độ quốc gia VN2000 được công bố vào năm 2000

là một nỗ lực rất lớn và là một thành tựu rất đáng ghi nhận của các nhà khoa học Trắc địa và Bản đồ Việt Nam trong bối cảnh khó khăn về việc tiếp cận với khoa học công nghệ hiện đại của thế giới

Tuy nhiên, VN2000 còn có những hạn chế do các nguyên nhân sau đây:

- Sử dụng mô hình geoid với độ chính xác không cao: Mô hình geoid VNGeo-96R được xây dựng theo phương pháp phần dư dựa trên mô hình tiên nghiệm EGM96 và

367 điểm GPS có độ cao thủy chuẩn (GPS/TC) Tuy nhiên, độ cao thủy chuẩn của các điểm này được tập hợp từ nhiều lưới thủy chuẩn có độ chính xác khác nhau từ hạng I đến hạng IV, độ cao trắc địa tại các điểm GPS-TC được tính từ nhiều lưới GPS có độ chính xác khác nhau từ cấp 0 tới lưới cạnh rất ngắn cho thiết kế đường giao thông và như vậy, trong tập hợp các dị thường độ cao tại các điểm GPS-TC còn chứa sai số hệ thống Điều này giải thích tại sao độ cao trắc địa nhận được từ kết quả đo GPS và xử

lý trên hệ WGS84 quốc tế đạt độ chính xác rất cao, nhưng khi chuyển về VN2000 theo các tham số chuyển đổi tọa độ do Tổng cục Địa chính ban hành (Quyết định số 05/2007/QĐ-BTNMT ngày 27/02/2007) lại không nhận được độ cao trắc địa quốc gia với độ chính xác tương ứng

- Lưới cơ sở định vị đo bằng GPS với khoảng cách rất lớn giữa các điểm nhưng được xử lý bằng chương trình TRIM NET+ nên chưa đáp ứng được yêu cầu về độ chính xác tọa độ,.v.v

14

Như vậy, Hệ quy chiếu tọa độ quốc gia Việt Nam VN2000 chưa thỏa mãn tiêu chuẩn của một HQCTĐKGQG Điều này giải thích tại sao hiện nay Việt Nam vẫn chưa có HQCTĐKGQG Vậy cơ sở khoa học của việc xây dựng HQCTĐKGQG là gì

và cần những điều kiện gì để xây dựng được HQCTĐKGQG? Để trả lời câu hỏi này, nội dung tiếp theo sẽ tìm hiểu về vai trò của HQCTĐKGQG và phương pháp xây dựng HQCTĐKGQG ở một số nước có nền khoa học công nghệ phát triển và các kết quả đã nghiên cứu ở Việt Nam trong thời gian qua nhằm chuẩn bị đầy đủ cơ sở lý thuyết để tiến đến việc xây dựng HQCTĐKGQG Việt Nam trong tương lai

1.2 Vai trò của Hệ quy chiếu tọa độ không gian quốc gia

Hiện nay, việc xây dựng và phát triển HQCTĐKGQG đang là xu hướng chung của các nước, nhóm nước trên thế giới dựa trên cơ sở là các Khung quy chiếu Trái Đất và khu vực, ví dụ ITRF, ETRS89 Về phần mình, các Khung quy chiếu Trái Đất nêu trên được xây dựng dựa trên mạng lưới trắc địa quốc tế IGS Như vậy, việc xây dựng HQCTĐKGQG là nhiệm vụ của trắc địa vật lý, điều này thể hiện thông qua một số vai trò của HQCTĐKGQG:

1.2.1 Thống nhất Hệ tọa độ mặt bằng quốc gia và Hệ độ cao quốc gia

Lịch sử phát triển của Trắc địa cho thấy, ở tất cả các nước trên thế giới đều trải qua giai đoạn xây dựng các hệ thống tọa độ mặt bằng quốc gia và độ cao quốc gia thành hai hệ thống độc lập, bởi trong bối cảnh tại thời điểm đó các vấn đề khoa học và công nghệ liên quan chưa phát triển Ngày nay, với sự phát triển mạnh của công nghệ tin học và công nghệ định vị vệ tinh, việc thống nhất hai hệ thống này sẽ dẫn đến nhu cầu phải xây dựng HQCTĐKGQG và đang được các nước hoặc nhóm nước triển khai mạnh mẽ Thực tiễn về việc xây dựng HQCTĐKGQG ở các nước, nhóm nước trên thế giới đã được trình bày chi tiết ở mục 1.3

Ở Việt Nam, trước tiên chúng ta phải khẳng định rằng HQCTĐKGQG được xây dựng để thống nhất Hệ tọa độ mặt bằng quốc gia (VN2000) và Hệ độ cao chuẩn quốc gia Hải Phòng 1972 (HP72) trong cùng một hệ thống thống nhất dựa trên mô hình quasigeoid quốc gia độ chính xác cao và mạng lưới GNSS quốc gia Việc thống nhất này không đơn giản chỉ là sự ghép nối cơ học giữa VN2000 và HP72, trái lại nhằm các mục đích sau:

- Nâng cao độ chính xác tọa độ, độ cao các điểm thiên văn - trắc địa trong mạng lưới GNSS quốc gia phủ trùm;

- Hoàn thiện HP72 sao cho đảm bảo việc sử dụng đồng bộ các dữ liệu độ cao chuẩn, trọng lực và vệ tinh để xác định mặt quasigeoid độ chính xác cao trên lãnh thổ Việt Nam đảm bảo độ cao trắc địa quốc gia của một điểm bằng tổng độ cao chuẩn quốc gia và độ cao quasigeoid quốc gia của điểm đó

15

1.2.2 Nghiên cứu chuyển dịch vỏ Trái Đất

Việc phát triển nhanh chóng công nghệ GNSS cùng với các dịch vụ vệ tinh trong ITRF của tổ chức IGS đã thúc đẩy mạnh mẽ việc nghiên cứu các phương pháp xây dựng

và xử lý toán học các mạng lưới GNSS địa động lực để đánh giá sự chuyển dịch kiến tạo của vỏ Trái Đất nhằm dự báo các tai biến tự nhiên Độ chính xác cao ở mức mm của các vectơ baseline với chiều dài đến một vài ngàn km khi xử lý các dữ liệu đo GNSS trong ITRF, các phương pháp xử lý toán học mạng lưới GNSS địa động lực và xác định các vectơ chuyển dịch không gian ngang và đứng dựa trên các kết quả đo lặp mạng lưới

GNSS địa động lực đã được phân tích và trình bày trong tài liệu (Hà Minh Hòa, 2013a)

Ở Việt Nam, trong công trình (Bùi Thị Hồng Thắm, 2014) cũng đã tiếp cận vấn đề

này Theo đó, tác giả đã đề cập đến vấn đề ứng dụng hệ thống định vị dẫn đường toàn cầu GNSS mà cụ thể là hệ thống các trạm CORS để hiện đại hóa mạng lưới khống chế trắc địa quốc gia ở Việt Nam và phục vụ nghiên cứu chuyển dịch hiện đại vỏ Trái Đất

Do vậy, trong Luận án, Nghiên cứu sinh sẽ không đề cập đến nội dung này

1.2.3 Quản lý sử dụng hạ tầng cơ sở dữ liệu trắc địa quốc gia

Hệ thống thông tin trắc địa quốc gia là hệ thống đảm bảo việc lưu giữ, cập nhật bổ sung các dữ liệu đo đạc trắc địa quốc gia và xử lý toán học các dữ liệu được lưu giữ để giải quyết các vấn đề liên quan việc hoàn thiện Hệ thống tọa độ, độ cao quốc gia Xây dựng hệ thống thông tin trắc địa quốc gia đã được các nước phát triển ở Châu

Âu, Bắc Mỹ và Canada,.v.v kết thúc từ cuối thập niên 70 của thế kỷ XX với nhiều hội nghị quốc tế về CSDL trắc địa được tổ chức Việc lựa chọn hệ quản trị CSDL phụ thuộc vào mô hình dữ liệu Hiện nay đang tồn tại bốn mô hình dữ liệu: mô hình mạng,

mô hình phân cấp, mô hình quan hệ và mô hình hướng đối tượng Mỗi loại mô hình có cách truy cập dữ liệu khác nhau Tại các hội nghị quốc tế đã khẳng định rằng đối với

dữ liệu trắc địa, mô hình phân cấp là hiệu quả nhất (Hà Minh Hòa, 2014a)

Việc lựa chọn các dữ liệu để lưu giữ trong các CSDL cũng là vấn đề quan trọng

Trong tài liệu (Tsherning C.C , 1979) thông tin về 18 CSDL trắc địa trên thế giới,

trong đó có 10 CSDL chứa các tọa độ và độ cao bình sai của các điểm trắc địa, 4 CSDL chứa các kết quả đo đạc và các mô tả về các điểm trắc địa (Mỹ, Canada, Đức và Đan Mạch)

Trong 18 hệ thống thông tin trắc địa có 12 hệ thống có chức năng tính toán bình sai các mạng lưới trắc địa Mối quan hệ giữa hệ thống thông tin trắc địa và các hệ thống thông tin khác là mối quan tâm hàng đầu của các nước, theo đó khuynh hướng

rõ rệt nhất là hệ thống thông tin trắc địa là thành phần quan trọng nhất của các hệ thống thông tin khác Ví dụ ở Đức, Áo, Hà Lan, Thụy Điển đã xây dựng CSDL trắc địa trong hệ thống thông tin đất đai LIS

độ cao (1 điểm khởi tính), với lượng đo dư là 1474 trị đo

Ở Việt Nam, việc nghiên cứu xây dựng hệ thống thông tin trắc địa đã được thực

hiện trong các công trình khoa học như (Hà Minh Hòa, Trần Thùy Dương và nnk

Thị Thanh Hương, 2016)

Có thể nói, Hệ thống thông tin trắc địa quốc gia được xây dựng để quản lý, sử dụng các dữ liệu của HQCTĐKGQG; mạng lưới thiên văn - trắc địa quốc gia; mạng lưới độ cao quốc gia; mạng lưới GNSS quốc gia; dữ liệu trọng lực quốc gia; dữ liệu trọng lực từ các nguồn khác (như đo cao vệ tinh, mô hình EGM, …) và các chương trình xử lý số liệu (bình sai)

Hiện nay, Việt Nam đang trong quá trình hoàn thiện hạ tầng CSDL trắc địa quốc gia Việc nghiên cứu cơ sở khoa học các vấn đề về xây dựng Hệ thống thông tin độ

cao quốc gia (Hà Minh Hòa, 2015a); xây dựng cơ sở dữ liệu trọng lực quốc gia (do

PGS, TSKH Hà Minh Hòa thực hiện, dự kiến hoàn thành trong năm 2018) HQCTĐKGQG sẽ là tiền đề cho việc quản lý sử dụng một Hệ thống thông tin trắc địa quốc gia toàn diện và thống nhất ở Việt Nam

1.2.4 Liên kết với ITRF

Xu hướng hiện nay của các nước, nhóm nước trên thế giới đi đến việc xây dựng HQCTĐKGQG cho riêng mình, có sự liên kết với quốc tế thông qua ITRF bằng hệ thống trạm GNSS CORS và 07 tham số chuyển đổi tọa độ theo mô hình Bursa – Wolf Đặc điểm của việc phát triển các điểm trắc địa độ chính xác cao nhờ công nghệ GNSS hiện nay là xử lý các dữ liệu đo đạc GNSS trong ITRF khi sử dụng các dịch vụ của tổ chức IGS như lịch vệ tinh chính xác, các tọa độ không gian của các trạm IGS, các số cải chính của tầng điện ly và đồng hồ vệ tinh Khi đã có HQCTĐKGQG, có thể

dễ dàng chuyển đổi tọa độ không gian độ chính xác cao từ ITRF về HQCTĐKGQG nhờ 07 tham số theo mô hình Bursa - Wolf thống nhất trên cả nước Đây là cơ sở để việc hiện đại hóa Hệ quy chiếu tọa độ không gian và phát triển các điểm trắc địa quốc gia một cách đơn giản và thuận tiện Các trị đo trong mạng lưới GNSS quốc gia phủ trùm là các thành phần của các vectơ baseline Nếu các thành phần của các vectơ baseline này và các thành phần của ma trận hiệp phương sai được lưu giữ trong CSDL của Hệ thống thông tin trắc địa quốc gia thì việc hiệu chỉnh mạng lưới khi có các trị đo

17

bổ sung được thực hiện dễ dàng mà không cần phải bình sai lại toàn bộ mạng lưới

(xem trong tài liệu Hà Minh Hòa, 1995; Hà Minh Hòa, 1996; Bùi Đăng Quang, 2012)

Ngoài ra, HQCTĐKGQG còn là cơ sở để liên kết với các hệ thống tọa độ không gian của các nước và các tổ chức quốc tế khác khi thực hiện các nhiệm vụ chung

Khi chuyển các tọa độ không gian X, Y, Z của điểm trắc địa từ ITRF tương ứng với ellipsoid WGS84 quy chiếu quốc tế thành các tọa độ không gian X, Y, Z của điểm đó trong HQCTĐKGQG (VN2000 - 3D) tương ứng với ellipsoid WGS84 quy chiếu quốc gia, chúng ta sử dụng công thức Bursa – Wolf ở dạng sau:

m m m

dZ dY dX Z

X Z

Y Z

.

0 0 0

Phương án 1: Xây dựng các trạm GNSS CORS quốc gia trên lãnh thổ quốc gia và

tham gia với tổ chức IGS để thường xuyên nhận được các tọa độ không gian độ chính xác cao của các trạm CORS trong ITRF vào thời điểm chuẩn xác định;

Phương án 2: Trên các điểm GNSS quốc gia tiến hành đo đạc GNSS liên tục

trong khoảng thời gian dài (một vài ngày đêm) và xử lý các dữ liệu GNSS trong ITRF hiện hành dựa trên các điểm IGS để xác định các vectơ baselines độ chính xác cao giữa các điểm GNSS và IGS Tiếp theo thực hiện chuyển các tọa độ không gian độ chính xác cao của các trạm IGS trong ITRF về các điểm GNSS quốc gia

Hiện nay phương án 1 được các quốc gia trên thế giới sử dụng rộng rãi do các nguyên nhân sau:

- Việc thường xuyên nhận được các tọa độ không gian độ chính xác cao của các trạm GNSS CORS quốc gia trong ITRF vào thời điểm chuẩn xác định cho phép giảm thời gian đo nối GNSS giữa các điểm GNSS và các trạm GNSS CORS quốc gia (đồng thời là các trạm IGS) khi giải quyết các bài toán khoa học - kỹ thuật đòi hỏi độ chính xác cao như xây dựng mạng lưới GNSS quốc gia phủ trùm, nghiên cứu chuyển dịch vỏ Trái Đất, phát triển các trạm NRTK CORS trên lãnh thổ quốc gia,v v

18

- Dựa trên các dữ liệu GNSS được thu thập liên trục trên các trạm GNSS CORS quốc gia có thể tiến hành việc xác định tổng lượng hơi nước ở tầng đối lưu phục vụ việc dự báo thời tiết; giám sát sự thay đổi của tầng điện ly v v

07 tham số chuyển đổi tọa độ giữa ITRF và HQCTĐKGQG được xác định một cánh tin cậy dựa trên việc giải quyết bài toán bình sai ghép nối mạng lưới GNSS quốc gia phủ trùm với HQCTĐKGQG, nội dung này sẽ được trình bày ở mục 3.2.2

1.2.5 Bình sai ghép nối để nâng cao độ chính xác của các điểm song trùng

Trong tài liệu (Hà Minh Hòa, 2013a) đã xem xét chi tiết quy trình bình sai riêng rẽ

mạng lưới thiên văn - trắc địa quốc gia và mạng lưới GNSS quốc gia, bình sai ghép nối mạng lưới GNSS quốc gia phủ trùm vào HQCTĐKGQG được tạo bởi các điểm song trùng của hai mạng lưới nêu trên cùng với việc hiệu chỉnh các tọa độ mặt bằng của các điểm thiên văn - trắc địa trong mạng lưới GNSS quốc gia

Tuy nhiên, khi xây dựng HQCTĐKGQG, chúng ta sẽ không phải giải quyết các bài toán bình sai riêng rẽ mạng lưới thiên văn - trắc địa quốc gia và hiệu chỉnh các tọa

độ mặt phẳng của các điểm bên trong của mạng lưới này Ở tất cả các nước trên thế giới, các điểm thuộc mạng lưới thiên văn - trắc địa hạng I, II quốc gia vẫn là cơ sở khống chế trắc địa độ chính xác cao nhất phục vụ công tác đo đạc và thành lập bản đồ trong phạm vi của từng quốc gia Do các hoạt động kinh tế - xã hội ở từng quốc gia, nhiều điểm thiên văn - trắc địa đã bị mất hoặc bị xê dịch vị trí Hơn nữa, kinh phí duy

tu, bảo trì các điểm thiên văn- trắc địa rất tốn kém cộng với các phương pháp đo đạc truyền thống đã lạc hậu, nên việc phục hồi các điểm thiên văn - trắc địa theo phương pháp đo đạc truyền thống không được đặt ra Thay vào đó, phát triển HQCTĐKGQG dựa trên một số điểm thiên văn - trắc địa được bảo quản lâu dài, ổn định trên thực địa với mật độ nằm trong khoảng 30 - 50 km/1 điểm, thêm vào đó các điểm thiên văn - trắc địa này được chọn làm các điểm cơ sở của HQCTĐKGQG Mạng lưới GNSS quốc gia phủ trùm được xây dựng dựa trên một số điểm thiên văn - trắc địa và một số điểm độ cao hạng I, II quốc gia, được đo và xử lý dữ liệu GNSS trong ITRF Bình sai ghép nối mạng lưới GNSS quốc gia phủ trùm vào HQCTĐKGQG nhằm một số mục đích sau đây:

- Đảm bảo mối liên kết giữa HQCTĐKGQG với ITRF Từ các kết quả bình sai mạng lưới GNSS quốc gia phủ trùm trong ITRF, chúng ta sẽ nhận được các tọa độ không gian độ chính xác cao của các điểm cơ sở trong ITRF;

- Nâng cao độ chính xác tọa độ, độ cao các điểm thiên văn - trắc địa trong mạng lưới GNSS quốc gia phủ trùm và chính xác hóa giá trị các tham số về độ lệch gốc tọa

độ của HQCTĐKGQG so với ITRF

đo cao từ vệ tinh, xác định mặt geoid toàn cầu trên các biển và đại dương nhằm xác định các tọa độ (không gian, trắc địa, mặt bằng) và độ cao chuẩn (hoặc độ sâu) của điểm cần quan tâm với độ chính xác cao trên cả đất liền và lãnh hải bằng công nghệ GNSS Trong

ý nghĩa khoa học chặt chẽ, bài toán xây dựng HQCTĐKGQG đảm bảo việc gắn kết 3 bề mặt cơ bản bao gồm bề mặt tự nhiên của Trái Đất (bề mặt lục địa và mặt nước biển trung bình), mặt quasigeoid toàn cầu (trùng với mặt geoid toàn cầu trên các biển và đại

dương) và mặt ellipsoid quy chiếu trên lãnh thổ quốc gia (Hà Minh Hòa, 2012b)

Xây dựng HQCTĐKGQG là công việc rất phức tạp và gắn kết chặt chẽ với việc giải quyết bài toán xây dựng mô hình quasigeoid quốc gia độ chính xác cao Về phần mình, việc có được mô hình quasigeoid quốc gia độ chính xác cao đòi hỏi phải giải quyết hàng loạt bài toán khoa học - kỹ thuật phức tạp:

- Xây dựng mạng lưới các trạm GNSS CORS quốc gia và lưới GNSS quốc gia phủ trùm làm các điểm cơ sở của HQCTĐKGQG

- Hiệu chỉnh các hệ số khai triển điều hòa của mô hình trọng trường Trái Đất EGM dựa trên các dữ liệu đo trọng lực chi tiết trên lãnh thổ quốc gia và các nước lân cận;

- Bình sai mạng lưới độ cao hạng I, II quốc gia dựa trên mặt geoid cục bộ với các trị đo là hiệu các đại lượng địa thế giữa các mốc độ cao Hiệu chỉnh các hệ số khai triển điều hòa của mô hình trọng trường Trái Đất EGM dựa trên các giá trị thế trọng trường thực của các mốc độ cao hạng I, II quốc gia;

- Xác định dị thường độ cao của các điểm cơ sở của HQCTĐKGQG;

- Bình sai ghép nối mạng lưới GNSS quốc gia phủ trùm vào HQCTĐKGQG

Như nhận định trong tài liệu (Hà Minh Hòa, 2012b), việc giải quyết bài toán bình

sai ghép nối mạng lưới GNSS quốc gia phủ trùm vào HQCTĐKGQG sẽ nâng cao độ chính xác của các tọa độ trắc địa lên mức 2 lần, góp phần nâng cao độ chính xác của

mô hình quasigeoid quốc gia

1.3 Tình hình nghiên cứu, xây dựng hệ quy chiếu tọa độ không gian quốc gia trên thế giới

Với kỷ nguyên phát triển của công nghệ tin học và công nghệ GNSS, ở các nước trên thế giới, các mạng lưới trắc địa truyền thống đã dần được thay thế bằng các mạng lưới được đo bằng công nghệ GNSS Đặc biệt với các mạng lưới có vai trò là các

20

mạng lưới cơ sở của HQCTĐKGQG được xây dựng là các trạm tham chiếu hoạt động liên tục GNSS CORS quốc gia và mạng lưới GNSS quốc gia phủ trùm Bên cạnh đó, một trong các yếu tố quan trọng đóng vai trò tiên quyết để xây dựng được HQCTĐKGQG là mô hình quasigeoid quốc gia độ chính xác cao Dưới đây, chúng ta

sẽ nhìn nhận về tình hình xây dựng HQCTĐKGQG của các quốc gia trên thế giới:

1.3.1 Nước Mỹ

Theo đánh giá của chuyên gia David R Doyle được đăng tải trên website

(https://www.ngs.noaa.gov/PUBS_LIB/develop_NSRS.html), những tiến bộ đáng kể của (i) Hệ thống thông tin địa lý (Geographic Systems), (ii) Hệ thống thông tin đất đai (Land Information), (iii) Công nghệ đo đạc thành lập bản đồ, …trong những thập kỷ gần đây đã phản ánh vai trò của Hệ thống quy chiếu trắc địa quốc gia truyền thống của Mỹ NGRS Tuy nhiên, hiện nay để đáp ứng các yêu cầu người sử dụng như việc xác định chính xác của vị trí không gian ba chiều của các đối tượng

và các thông tin khác, Cơ quan trắc địa quốc gia Mỹ NGS nhận định rằng cần phải phát triển thành Hệ thống quy chiếu không gian quốc gia NSRS dựa trên ITRF2000

(Dale G Pursell, Mike Potterfield, 2008).

Vào tháng 3 năm 1994, NGS thông qua kế hoạch và thực hiện chiến lược để chuyển đổi từ NGRS sang NSRS Những thay đổi này không đơn thuần là việc đổi tên

mà bao gồm sự phát triển của Mạng lưới trắc địa liên bang FBN; Mạng lưới trắc địa cơ

sở phối hợp CBN; Mạng lưới trắc địa cho người sử dụng; Các trạm tham chiếu hoạt động liên tục; Quỹ đạo vệ tinh GPS; Mô hình geoid độ chính xác cao và vấn đề truy

cập dữ liệu, (https://www.ngs.noaa.gov/PUBS_LIB/develop_NSRS.html)

Về việc xây dựng mô hình geoid độ chính xác cao, Cơ quan trắc địa quốc gia Mỹ

(https://www.ngs.noaa.gov/GEOID/) đã công bố các mô hình geoid quốc gia ở các giai đoạn khác nhau trong quá trình xây dựng các Hệ quy chiếu quốc gia (NAD27, NAD83) và Hệ độ cao quốc gia (NAVD88) Mô hình geoid mới nhất hiện nay của Mỹ

là USGG2012, với ô chuẩn grid 1’x1’, được xây dựng dựa trên dữ liệu từ các dự án vệ tinh GRACE, GOCE; các dữ liệu vệ tinh khác; mô hình trọng trường toàn cầu EGM2008 và hơn 2 triệu điểm trọng lực chi tiết Nhưng tất cả các điều này cũng chưa đáp ứng được mục tiêu để có một mô hình geoid có độ chính xác từ ±1- 2 cm Do vậy, NGS đã đặt kế hoạch đến năm 2022, sẽ công bố Hệ quy chiếu không gian quốc gia mới (NSRS) gắn với mô hình geoid USGG2022 có độ chính xác dự kiến đạt ± 1-2 cm

(Denis Riordan, 2015)

Đồng hành cùng quá trình xây dựng NSRS với mô hình geoid USGG2022 (Hình 1.1), theo tài liệu (Richard A Snay and Tomás Soler, M.ASCE, 2008), năm 1994, lần đầu tiên Strange đề xuất ý tưởng phủ trùm toàn bộ lãnh thổ Hoa Kỳ bằng mạng lưới

21

CORS nhằm nâng cấp và cải thiện cho NSRS Sau thời điểm này, vào năm 1995 Strange và Weston đã công bố những tài liệu đầu tiên mô tả về một hệ thống CORS sẽ triển khai trong tương lai Trong cùng khoảng thời gian này, một số tổ chức ở các bang, ví dụ Lực lượng cảnh sát biển Hoa Kỳ USCG, Lực lượng quân đội Hoa Kỳ USACE, Cục Hàng không Liên bang FAA, các cơ quan liên bang khác như phòng thí nghiệm động cơ phản lực của NASA - JPL (Jet Propulsion Laboratory) và Cơ quan khảo sát địa chất Hoa Kỳ USGS (U.S Geological Survey) đã bắt đầu xây dựng các mạng lưới được tạo nên bởi các trạm GNSS CORS quốc gia và các điểm mạng lưới GNSS quốc gia phủ trùm Số lượng các trạm GNSS CORS quốc gia và GNSS quốc gia phủ trùm ở Mỹ không ngừng được tăng lên về số lượng (xem bảng 2.3) Số liệu từ các mạng lưới GNSS này được sử dụng trong các lĩnh vực như đo đạc bản đồ, địa chất, khí tượng, nghiên cứu không gian, nghiên cứu về tầng điện ly và rất nhiều các ứng dụng thực tiễn khác

Hình 1.1 Mô hình geoid USGG2012 của Mỹ [Nguồn: https://geodesy.noaa.gov/GEOID/USGG2012/]

đã được NGS xây dựng và tiếp tục được hoàn thiện trong tương lai khi Mỹ công bố NSRS vào năm 2022 (hình 1.3)

Hình 1.3 Dịch vụ OPUS (Online Positioning User Service) của Mỹ

[Nguồn: https://geodesy.noaa.gov/OPUS/]

Như vậy, Hệ quy chiếu không gian quốc gia của Mỹ được xây dựng dựa trên một

số thành tố cơ bản như ITRF2000, mô hình geoid USGG2022 và các mạng lưới GNSS (GNSS CORS quốc gia và GNSS quốc gia phủ trùm)

23

1.3.2 Liên bang Nga

Theo tài liệu (G.V Demianov, V.I Kaftan, N.L.Makarenko, V.I Zabnev, V.I Zoubinski) cho biết về tình trạng và sự phát triển của Khung tham chiếu mới của Nga - PZ.90 Theo đó, vào năm 1999 cơ quan dịch vụ liên bang về Trắc địa - Bản đồ của Nga đã bắt đầu xây dựng mạng lưới trắc địa vệ tinh quốc gia NSGN dựa trên cơ sở là các khái niệm về trắc địa hiện đại và công nghệ vệ tinh Kết quả, NSGN bao gồm 3 cấp hạng: Mạng lưới thiên văn - trắc địa truyền thống FAGN; Mạng lưới trắc địa chính xác PGN và mạng lưới trắc địa vệ tinh hạng 1 SGN-1

Đợt một khi xây dựng NSGN gồm 4 điểm của FAGN và 15 điểm của PGN phủ trùm một phần lãnh thổ của Nga thuộc trung tâm của Châu Âu được xây dựng hoàn thành vào cuối năm 1999

Mạng lưới PGN sẽ được mở rộng bao trùm toàn bộ lãnh thổ của Nga thuộc Châu

Âu trong thời gian tới Một số điểm trắc địa cơ sở mới của NSGN sẽ trùng với các điểm của mạng lưới thiên văn - trắc địa truyền thống và các điểm của mạng lưới độ cao quốc gia Điều này cho phép liên kết giữa dữ liệu mạng lưới mặt bằng quốc gia và

độ cao quốc gia trong hệ thống tọa độ không gian toàn cầu thống nhất khi sử dụng công nghệ GPS/GLONASS, thủy chuẩn độ chính xác cao và đo đạc trọng lực

Hệ thống PZ.90 của Nga cho phép xác định vị trí bất kỳ điểm nào trên lãnh thổ nước Nga với độ chính xác ở mức 1 - 5 cm Các nhiệm vụ khoa học và ứng dụng khi xây dựng và phát triển FAGN, PGN và SGN-1 là:

- Tạo nên một hệ tọa độ địa tâm Trái Đất và duy trì nó theo quan điểm hiện đại, khoa học;

- Xây dựng và phân bố hệ thống các điểm tọa độ, độ cao quốc gia trên lãnh thổ;

- Nghiên cứu hình dạng, thế trọng trường của Trái Đất và sự thay đổi của chúng theo thời gian;

- Nghiên cứu sự biến dạng bề mặt của Trái Đất, các thảm họa tự nhiên như động đất, sóng thần…;

- Hỗ trợ các phương tiện dẫn đường trên đất liền, trên biển và trên không Kiểm soát không gian của các đối tượng tự nhiên và sự thay đổi của các dữ liệu trắc địa gốc;

- Hỗ trợ công tác đo vẽ thành lập bản đồ thuộc lãnh thổ và vùng biển của quốc gia;

- Hỗ trợ cho công tác về nghiên cứu, quản lý sử dụng đất; công tác xây dựng; khai thác - sử dụng các nguồn tài nguyên thiên nhiên;

- Hỗ trợ đo đạc độ chính xác cao;

- Xây dựng các mạng lưới độ chính xác cao phục vụ cho các công tác đặc biệt

khoảng 200km (Véronneau M., 2010; Véronneau M., 2014) Các nhà khoa học trắc địa

Canada định hướng trong tương lai xây dựng mô hình geoid độ chính xác cỡ ± 1 cm Theo thông tin trên website của Bộ Tài nguyên Môi trường Canada

(http://www.nrcan.gc.ca/earth-sciences/geomatics/geodetic-reference-systems/9052) ,

để cung cấp cho việc xác định chính xác hơn về mặt 3D trên lãnh thổ Canada, khi xây dựng CSRS phải tuân thủ các nghị quyết của IAG, với đề xuất rằng CSRS phải gắn với ITRS mà cụ thể là ITRF96 vào thời điểm chuẩn 1997.0