Nghiên cứu phương pháp xử lý số liệu đo nối một số điểm của lưới toạ độ quốc gia việt nam với khung quy chiếu trái đất itrf

NGUYỄN GIA TRỌNG NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ SỐ LIỆU ĐO NỐI MỘT SỐ ĐIỂM CỦA LƯỚI TOẠ ĐỘ QUỐC GIA VIỆT NAM VỚI KHUNG QUY CHIẾU TRÁI ĐẤT ITRF Chuyên ngành: Kỹ thuật trắc địa Mã số : 6

NGUYỄN GIA TRỌNG

NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ SỐ LIỆU ĐO NỐI MỘT SỐ ĐIỂM CỦA LƯỚI TOẠ

ĐỘ QUỐC GIA VIỆT NAM VỚI KHUNG QUY

CHIẾU TRÁI ĐẤT ITRF

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

HÀ NỘI, 8-2010

NGUYỄN GIA TRỌNG

NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ SỐ LIỆU

ĐO NỐI MỘT SỐ ĐIỂM CỦA LƯỚI TOẠ ĐỘ QUỐC GIA VIỆT NAM VỚI KHUNG QUY CHIẾU

TRÁI ĐẤT ITRF

Chuyên ngành: Kỹ thuật trắc địa

Mã số : 60.52.85

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA KHỌC PGS.TS ĐẶNG NAM CHINH

TS DƯƠNG CHÍ CÔNG

HÀ NỘI, 8-2010

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Hà nội, ngày 30 tháng 07 năm 2010

Tác giả luận văn

Nguyễn Gia Trọng

Chương 1: Hệ quy chiếu và khung quy chiếu theo quan điểm hiện đại 14

1.1 Lịch sử phát triển của hệ quy chiếu 14

1.2 Các khái niệm và định nghĩa về Hệ quy chiếu và khung quy chiếu 15

1.3 Khung quy chiếu trái đất 24

Chương 2: Lưới toạ độ quốc gia Việt Nam và phương án đo nối với

2.1 Lịch sử phát triển lưới toạ độ quốc gia Việt Nam 29

2.3 Nhiệm vụ của lưới khống chế toạ độ quốc gia Việt Nam 36

2.4 Đề xuất một số phương án đo nối lưới toạ độ quốc gia Việt Nam với

4.1 Xác định các tham số tính chuyển sử dụng 10 điểm đo nối 76

4.2 Xác định các tham số tính chuyển sử dụng 9 điểm đo nối 78

4.3 Xác định các tham số tính chuyển sử dụng 8 điểm đo nối 81

4.4 Xác định các tham số tính chuyển sử dụng 5 điểm đo nối 83

Các công trình khoa học mà tác giả đã tham gia 89

DANH MỤC KÝ KIỆU, VIẾT TẮT

AFREF: AFrican REference Frame - Khung quy chiếu châu Phi

BCRS: Barycentric Celestial Reference System - Hệ quy chiếu sao nhật tâm BIH: Bureau International de I’Heure - Cơ quan giờ thế giới

CCRS: Conventional Celestial Reference System - Hệ toạ độ sao quy ước CIO: Conventional International Origin - Cực trái đất quy ước

CTRS: Conventional Terrestrial Reference System - Hệ toạ độ trái đất quy ước ETRS: European Terrestrial Reference System - Hệ quy chiếu của Châu Âu EUREF: European Reference Frame - Khung quy chiếu Châu Âu

FK5: Fifth Fundamental Catalogue - Lịch sao cơ sở FK5

GCRS: Geocentric Celestial Reference System - Hệ quy chiếu sao địa tâm GPS: Global Positioning Sysem - Hệ thống định vị toàn cầu của Mỹ

GNSS: Global Navigation Satellite System - Các hệ thống vệ tinh định vị toàn cầu ICRF: International Celestial Reference System - Khung quy chiếu sao quốc tế IERS: International Earth Rotation Service - Cơ quan quốc tế về chuyển động quay trái đất

ILS: International Latitude Service - Tổ chức tiền thân nghiên cứu chuyển dịch cực Trái đất (1895 - 1962)

ITRF: International Terrestrial Reference Frame - Khung quy chiếu trái đất quốc tế ITRS: International Terrestrial Reference System - Hệ quy chiếu cố định với trái đất LOD: Length Of Day - Độ chính xác xác định độ dài của ngày

mas: milliarcseconds - Mi li giây cung

NNR: No-Net-Rotation-condition - Điều kiện quay không liên kết (hoặc Tổng mô men xoay của các mảng kiến tạo bằng 0)

RINEX: Receiver INdepent Exchange format - Định dạng đọc được của dữ liệu đo GPS không phụ thuộc vào máy thu

SI: International System of Units - Hệ đo lường quốc tế

SLR: Satellite Laser Ranging - Đo khoảng cách Laser đến vệ tinh

TCG: Geocentric Coordinate Time - Tọa độ thời gian địa tâm

TCN: Trước công nguyên

VLBI: Very Long Baseline Interferometry - Giao thoa cạnh đáy dài

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

1 Bảng 1.1: Lịch sử phát triển của lịch sao 19

8 Bảng 2.4: Tọa độ của các điểm phủ trùm trên miền Bắc Việt Nam 43

9 Bảng 2.5: Độ chính xác xác định các tham số theo diện tích

10 Bảng 2.6: Tọa độ của các điểm dùng để lập hàm kiểm tra 45

11 Bảng 2.7: Độ chính xác xác định các thành phần tọa độ của

12 Bảng 3.1: Các sản phẩm cung cấp bởi IGS 47

13 Bảng 3.2: Các đặc trưng lời giải cạnh khi sử dụng modul

14 Bảng 3.3: Sai số các thành phần tọa độ khi bình sai tự do

mạng lưới 10 điểm đo nối bằng phần mềm GPSurvey 2.35 64

15 Bảng 3.4: Tọa độ của các điểm gốc trong hệ tọa độ VN-2000 65

16 Bảng 3.5: Kết quả tính đổi tọa độ của các điểm gốc về tọa độ

17 Bảng 3.6: Tọa độ của các điểm xác định được trong hệ tọa độ

VN-2000 khi bình sai bằng phần mềm GPSurvey 2.35 65

18 Bảng 3.7: Độ chính xác các thành phần tọa độ khi bình sai

19 Bảng 3.8: Các thành phần tọa độ của các điểm trong

ITRF2005 khi xử lý riêng rẽ bằng phần mềm GPSurvey 2.35 67

20 Bảng 3.9: Độ chính xác các thành phần tọa độ điểm khi xử lý

21 Bảng 3.10: Tọa độ của các điểm khi xử lý điểm đơn trong hệ

tọa độ vuông góc thẳng không gian địa tâm 68

22 Bảng 3.11: Tọa độ của các điểm IGS dùng để tính tọa độ của

các điểm đo nối tại thời điểm đo trong hệ ITRF 69

23 Bảng 3.12: Tọa độ trắc địa và sai số các thành phần tọa độ sau

bình sai khi bình sai bằng phần mềm Bernese 4.2 69

24 Bảng 3.13: Giá trị độ lệch các thành phần tọa độ điểm khi xử

lý điểm đơn bằng GPSurvey 2.35 và Bernese 4.2 71

25 Bảng 3.14: Tọa độ của các điểm ở dạng tọa độ vuông góc

26 Bảng 4.1: Giá trị tọa độ của các điểm đo nối ở dạng tọa độ

vuông góc không gian địa tâm trong hệ tọa độ VN-2000 75

27 Bảng 4.2: Giá trị các tham số và độ chính xác xác định các

tham số tính chuyển khi sử dụng 10 điểm đo nối 76

28 Bảng 4.3: Giá trị độ lệch thành phần tọa độ của các điểm tính

chuyển khi sử dụng 10 điểm đo nối để tính các tham số 77

29

Bảng 4.4: Giá trị và độ chính xác của các tham số tính chuyển

tọa độ từ ITRF2005 sang VN-2000 khi sử dụng 10 điểm đo

nối

78

30 Bảng 4.5: Giá trị độ lệch thành phần tọa độ của các điểm tính

chuyển khi sử dụng 9 điểm đo nối để tính các tham số 79

31 Bảng 4.6: Giá trị độ lệch thành phần tọa độ của các điểm tính

chuyển khi sử dụng 9 điểm đo nối để tính các tham số 79

32 Bảng 4.7: Tọa độ và độ lệch tọa độ của điểm kiểm tra khi

dùng 9 điểm để tính tham số tính chuyển 80

33 Bảng 4.8: Giá trị và độ chính xác của các tham số tính chuyển

từ ITRF2005 sang VN-2000 khi sử dụng 9 điểm đo nối 81

34 Bảng 4.9: Giá trị các tham số và độ chính xác xác định các

tham số tính chuyển khi sử dụng 8 điểm đo nối 81

35 Bảng 4.10: Giá trị độ lệch thành phần tọa độ của các điểm tính

chuyển khi sử dụng 8 điểm đo nối để tính các tham số 82

36 Bảng 4.11: Tọa độ và độ lệch tọa độ trong hệ tọa độ địa tâm

của các điểm kiểm tra khi sử dụng 8 điểm đo nối 82

37 Bảng 4.12: Độ chính xác các thành phần tọa độ các điểm kiểm

tra xác định được bằng cách lập hàm trọng số 83

38 Bảng 4.13: Giá trị và độ chính xác của các tham số tính

chuyển từ ITRF2005 sang VN-2000 sử dụng 8 điểm đo nối 83

39 Bảng 4.14: Giá trị và độ chính xác của các tham số tính được

khi sử dụng 5 điểm đo nối để tính toán 84

40 Bảng 4.15: Tọa độ và độ lệch các thành phần tọa độ các điểm

kiểm tra khi sử dụng 5 điểm để tính tham số tính chuyển 84

41 Bảng 4.16: Độ chính xác các thành phần tọa độ của 5 điểm

kiểm tra xác định được bằng cách lập hàm trọng số 85

42

Bảng 4.17: Giá trị và độ chính xác các tham số tính chuyển tọa

độ từ ITRF2005 sang hệ tọa độ VN-2000 sử dụng 5 điểm đo

nối

85

5 Hình 1.5: Sơ đồ các điểm thuộc mạng lưới của IGS 28

7 Hình 3.1: Vị trí khu đo thực nghiệm ở Việt Nam và các

trạm thường xuyên của IGS được sử dụng để xử lý số liệu 61

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Hiện nay, các nghiên cứu trong trắc địa nói chung và các nghiên cứu về địa động học nói riêng, yêu cầu xác định các yếu tố vị trí với độ chính xác cao đều tính toán toạ độ của các điểm trong Khung quy chiếu trái đất quốc tế ITRF

Ngay sau chiến tranh thế giới thứ II, ở châu Âu đã xây dựng và tồn tại hệ quy chiếu ED-50 Năm 1987, tại Hội nghị trắc địa quốc tế ở Vancouver, người ta đã đưa

ra quyết định thiết lập hệ quy chiếu mới cho châu Âu lấy tên là ETRS và đã cho ra đời ETRS-89 Hệ quy chiếu đó có mối quan hệ mật thiết với ITRF-89

Năm 2003, mạng lưới quan sát thường trực của Khung quy chiếu châu Âu (EUREF) đã có tới 130 trạm quan sát, phân bố trên 32 nước châu Âu Nhờ đó có thể cung cấp tức thời số liệu đo GPS độ chính xác cao phục vụ các mục đích khoa học khác nhau như quan trắc địa động, giám sát mực nước biển và dự báo khí tượng … Tuy kém hơn về trình độ khoa học kỹ thuật và kinh tế so với châu Âu nhưng cộng đồng các quốc gia châu Phi cũng đã quyết định xây dựng một hệ quy chiếu mới thống nhất trên lục địa châu Phi có tên gọi là AFREF vào năm 2005 với thời gian thực hiện trong 5 năm từ 2005 - 2010 mà mục tiêu của hệ quy chiếu đó là: Định nghĩa một hệ quy chiếu mới cho toàn lục địa châu Phi; Thiết lập và duy trì một mạng lưới tham chiếu trắc địa thống nhất làm cơ sở cho các mạng lưới tham chiếu 3-D (3 chiều) của các quốc gia, đảm bảo hoà hợp và đồng nhất với khung quy chiếu trái đất quốc tế ITRF …

Việt Nam là một quốc gia có nhiều đới đứt gãy trải dài trên nhiều vùng khác nhau, các nhà khoa học đã và đang triển khai nghiên cứu chuyển động hiện đại các đới đứt gãy bằng công nghệ GPS có kết nối với các điểm IGS trong khung quy chiếu ITRF Bên cạnh đó, công tác cắm mốc phân định biên giới trên bộ và phân định lãnh hải giữa chúng ta với các quốc gia láng giềng là những công việc cần thiết phải xác định toạ độ của các điểm trong Khung quy chiếu trái đất quốc tế Ngoài ra, trong tương lai sẽ có rất nhiều nghiên cứu của lĩnh vực trắc địa cũng đòi hỏi cần

phải xác định toạ độ trong đó Từ các vấn đề nêu trên, việc đo nối lưới toạ độ quốc gia Việt Nam với Khung quy chiếu trái đất quốc tế là một việc làm cần thiết

Trong quy chuẩn về xây dựng các mạng lưới quốc gia của Bộ Tài nguyên và Môi trường ngày 18 tháng 6 năm 2009 và có hiệu lực vào ngày 01 tháng 1 năm 2010 có quy định về chu kỳ đo nối với Khung quy chiếu trái đất quốc tế và độ chính xác các yếu tố của lưới mà chưa quy định cụ thể về xử lý số liệu của lưới Chính vì lý do đó, việc chọn đề tài ở đây mang ý nghĩa thực tiễn trong điều kiện Việt Nam hiện nay

2 Mục đích nghiên cứu của đề tài

- Xử lý số liệu đo nối một số điểm của lưới toạ độ quốc gia Việt Nam với Khung quy chiếu trái đất quốc tế

- Tính toán các tham số tính chuyển toạ độ của các điểm giữa hai hệ toạ độ VN-2000 và ITRF2005

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu

Nghiên cứu việc xử lý số liệu đo nối lưới toạ độ quốc gia Việt Nam với mạng lưới IGS (xử lý cạnh dài)

Lập chương trình tính xác định các tham số tính chuyển toạ độ cho lưới thực nghiệm mà các điểm của lưới có tọa độ trong cả hai hệ tọa độ là hệ toạ độ quốc gia Việt Nam và Khung quy chiếu trái đất quốc tế ITRF2005

Phạm vi nghiên cứu

Trong luận văn sẽ tính toán thực nghiệm đối với các một số điểm đo nối trong phạm vi vùng châu thổ Sông Hồng

4 Nội dung nghiên cứu

- Tìm hiểu về lưới khống chế quốc gia Việt Nam

- Tìm hiểu về Khung quy chiếu trái đất quốc tế

- Tìm hiểu về phần mềm GPSurvey 2.35 và phần mềm Bernese

- Xử lý số liệu đo nối một số điểm của lưới khống chế quốc gia Việt Nam với Khung quy chiếu quốc tế

- Lập chương trình tính phục vụ tính toán các tham số tính chuyển toạ độ giữa hai hệ quy chiếu, thử nghiệm xác định các tham số tính chuyển tọa độ giữa hệ tọa

độ quốc gia Việt Nam VN-2000 với khung quy chiếu trái đất quốc tế ITRF2005

5 Phương pháp nghiên cứu

Để đạt được mục đích và nội dung mà đề tài đặt ra, trong luận văn đã sử dụng tổng hợp các phương pháp nghiên cứu:

- Phương pháp thu thập tài liệu: Thu thập tài liệu về công nghệ định vị toàn cầu GNSS, các tài liệu về lưới toạ độ quốc gia Việt Nam (VN-2000), các tài liệu nói

về Khung quy chiếu trái đất quốc tế, hướng dẫn sử dụng phần mềm GPSurvey 2.35, hướng dẫn sử dụng phần mềm Bernese phiên bản 4.2 và 5.0; lý thuyết về tính chuyển toạ độ giữa các hệ quy chiếu …

- Phương pháp thực nghiệm: Tính toán thực nghiệm số liệu lưới đo nối bằng các phần mềm xử lý số liệu khác nhau, lập chương trình tính các tham số tính chuyển toạ độ giữa hệ toạ độ VN-2000 với ITRF2005

- Phương pháp thống kê bằng bảng biểu biểu diễn kết quả xử lý số liệu đo nối

và các tham số tính chuyển toạ độ tính toán được

- Phương pháp phân tích, tổng hợp: Tổng hợp số liệu xử lý và phân tích, đánh giá kết quả nhận được

6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

IGS (International GNSS Service) là một tổ chức quốc tế gồm nhiều trạm thu nhận, phân tích và xử lý số liệu các trị đo của vệ tinh GPS, GLONASS và GALILEO đặt tại rất nhiều quốc gia và vùng lãnh thổ trên thế giới Dữ liệu được cung cấp bởi tổ chức này có ý nghĩa rất lớn trong việc hỗ trợ các nghiên cứu khoa học về Trái đất Các sản phẩm của IGS bao gồm: Thông tin về Khung quy chiếu trái đất quốc tế (ITRF), quan trắc biến dạng của lớp vỏ bề mặt trái đất, giám sát sự quay của trái đất, sự tan chảy của băng, sự biến thiên của thuỷ triều, xác định quỹ đạo vệ tinh, mô hình hoá tầng điện ly, tham gia nghiên cứu khí tượng …

Theo quan niệm cũ trước đây chúng ta thường quan niệm các mạng lưới trắc địa là các mạng lưới tĩnh nhưng trên thực tế không phải như vậy Do ảnh hưởng của

hiện tượng tuế sai và chương động, hiện tượng chuyển dịch cực của trái đất, sự dịch chuyển của các mảng lục địa … nên toạ độ của các điểm trên bề mặt trái đất luôn thay đổi theo thời gian Để phục vụ cho các mục đích nghiên cứu địa động lực học cần có hệ quy chiếu để xác định toạ độ của các điểm với độ chính xác cao bằng giải pháp tính ảnh hưởng của tất cả các nguồn sai số như đã nói ở trên Xuất phát từ lý

do trên, người ta đã xây dựng Khung quy chiếu trái đất quốc tế phục vụ cho việc giám sát chuyển động quay của trái đất và tính lịch vệ tinh chính xác cho IGS … Các lưới nghiên cứu địa động trên thế giới đều lấy Khung quy chiếu trái đất quốc tế làm điều kiện ràng buộc để xác định toạ độ của các điểm trong khu vực nghiên cứu Tất cả các quốc gia khi xây dựng mạng lưới khống chế đều phải tính đến phương án đo nối để xác định các tham số tính chuyển giữa hệ toạ độ của mình

và Khung quy chiếu trái đất quốc tế Trên thực tế đã có nhiều quốc gia công bố các tham số tính chuyển toạ độ của mình với ITRF [17], [18]

Trong Quy chuẩn xây dựng mạng lưới toạ độ các cấp ngày 18 tháng 6 năm

2009 có quy định về việc đo nối mạng lưới toạ độ quốc gia Việt Nam với Khung quy chiếu trái đất quốc tế với chu kỳ 15 năm 1 lần, tuy nhiên lại chưa quy định cụ

thể về việc xử lý số liệu đo nối Chính vì vậy, việc lựa chọn đề tài “Nghiên cứu

phương pháp xử lý số liệu đo nối một số điểm của lưới toạ độ quốc gia Việt Nam với khung quy chiếu trái đất ITRF” mang ý nghĩa thực tế

7 Cấu trúc luận văn

Luận văn gồm 4 chương với 120 trang, 42 bảng biểu và 8 hình vẽ

Lời cảm ơn

Trong quá trình thực hiện đề tài và hoàn thành luận văn, tác giả đã nhận được

sự giúp đỡ nhiệt tình của các thầy, cô giáo trong Bộ môn Trắc địa cao cấp, của các nhà khoa học và bạn bè đồng nghiệp tại Viện Khoa học Đo đạc và Bản đồ Bộ Tài nguyên và Môi trường; của KS Nguyễn Tuấn Anh và đặc biệt là của hai thầy hướng dẫn khoa học: PGS TS Đặng Nam Chinh và TS Dương Chí Công Tác giả

xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành các tập thể và cá nhân đã giúp đỡ tác giả hoàn thành bản luận văn này

CHƯƠNG 1

HỆ QUY CHIẾU VÀ KHUNG QUY CHIẾU THEO QUAN

ĐIỂM HIỆN ĐẠI

1.1 LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA HỆ QUY CHIẾU

Ngay từ thế kỷ thứ 5 trước công nguyên, con người đã phỏng đoán Trái đất có hình cầu (Pythagoras - 582 TCN) Năm 322 TCN, Aristotle đã suy luận rằng Trái đất có hình spheroid (Ellipsoid tròn xoay) Năm 300 TCN, Hipparchus đã phát hiện

ra hiện tượng tuế sai (Precession) là hiện tượng thay đối hướng trục quay của Trái đất (xấp xỉ 50”,4 trong một năm) trong khi chuyển động quanh Mặt trời Chu kỳ của tuế sai xấp xỉ 25800 năm Khoảng năm 200 TCN, người ta đã tính toán được kích thước của Trái đất, với độ sai lệch với kích thước hiện nay khoảng 16% Năm 827, con người đã xác định kích thước Trái đất với độ sai lệch 3,6% Cho đến những năm 1669 - 1670, nhà bác học người Pháp là Jean Picard bằng phương pháp đo cung trên kinh tuyến, đã xác định hình thể Trái đất với mức sai lệch cỡ 0,7% so với hiện nay Năm 1728, J.Bradley đã xác định được hiện tượng chương động (Nutation) với chu kỳ 18,6 năm (biên độ 17”,2 và 9”,2) Hiện tượng chuyển dịch Cực trái đất (Polar motion) cũng đã được L Euler đề cập tới từ thế kỷ 18 và được S.C Chandler xác định từ cuối thế kỷ 19 Những hiện tượng thiên văn như tuế sai, chương động và chuyển dịch cực trái đất liên quan đến vấn đề xây dựng các hệ quy chiếu Trái đất chuyển động quay quanh trục và chuyển động quanh Mặt trời, do ảnh hưởng của tuế sai và chương động nên các trục toạ độ được định nghĩa khi xây dựng các hệ quy chiếu sao không phải là cố định lý tưởng trong không gian, do đó cần phải xây dựng hệ quy chiếu sao quy ước CCRS tương ứng với thời điểm quy chiếu Tương tự như vậy, đối với một hệ quy chiếu Trái đất, do chuyển dịch cực Trái đất mà các trục của hệ toạ độ trái đất cũng thay đổi theo thời gian, vì thế người

ta cũng đưa ra định nghĩa về hệ toạ độ trái đất quy ước CTRS tương ứng với thời điểm quy chiếu

Như đã biết, tất cả các thiên thể đều tham gia vào chuyển động tự hành trong

vũ trụ, các điểm trên mặt đất tham gia chuyển động kiến tạo của các địa mảng và

trọng tâm khối lượng của trái đất lại không cố định mà thay đổi do tác động của thuỷ triều đại dương, thay đổi khí quyển và sự vận động của vật chất bên trong Trái đất Những sự vận động kể trên đã làm nảy sinh một thực tế là không thể xây dựng được các khung quy chiếu tĩnh tuyệt đối mà luôn tồn tại khái niệm các khung quy chiếu động (Kinematic Reference Frames), xét cho cả khung quy chiếu sao và khung quy chiếu Trái đất

1.2 CÁC KHÁI NIỆM VÀ ĐỊNH NGHĨA VỀ HỆ QUY CHIẾU VÀ KHUNG QUY CHIẾU

Như chúng ta đã biết, Trái đất cũng như các hành tinh khác liên tục vận động trong không gian vô tận của Vũ trụ Để nghiên cứu một đối tượng chuyển động trong không gian cần phải xây dựng hệ quy chiếu

1.2.1 Các định nghĩa về Hệ toạ độ, Hệ quy chiếu và Khung quy chiếu

1.2.1.1 Hệ toạ độ (Coordinate System)

Hệ tọa độ là cơ sở toán học cùng phương pháp biểu diễn vị trí các điểm trong không gian bằng các giá trị toạ độ

1.2.1.2 Hệ quy chiếu (Reference System)

Hệ quy chiếu là tập hợp các điều khoản, các quy ước kèm theo việc mô tả các mô hình cần thiết để định nghĩa gốc, tỷ lệ và định hướng các trục toạ độ cùng sự biến đổi của nó theo thời gian Hệ quy chiếu bao gồm định nghĩa về hệ toạ độ, hệ thời gian và các tham số vật lý kèm theo

1.2.1.3 Khung quy chiếu (Reference Frame)

Khung quy chiếu là sự triển khai hệ quy chiếu trên thực tế bởi tập hợp các điểm hay các đối tượng tồn tại trong không gian, được quan trắc, xử lý và xác định toạ độ cùng sự thay đổi của chúng trong hệ quy chiếu đó

Như vậy, một hệ quy chiếu được xây dựng bởi các quy tắc, quy định về hệ toạ độ, hệ thời gian và các tham số vật lý Những quy định đó được mô tả chặt chẽ song chỉ mang tính lý thuyết, để nó tồn tại trên thực tế thì phải thực hiện quan sát hoặc đo đạc, tính toán để đảm bảo rằng toạ độ của các thiên thể (đối với hệ quy chiếu thiên thể) hoặc toạ độ của các điểm trên mặt đất (đối với hệ quy chiếu trái đất)

xác định trong hệ quy chiếu đó, khi đó ta có một khung quy chiếu Về bản chất, khung quy chiếu là thực thi một hệ quy chiếu

Trong trắc địa cần thiết phải xây dựng các hệ quy chiếu cố định trong không gian (Space - fixed Refrence Systems) còn gọi là các hệ quy chiếu thiên thể hay hệ quy chiếu sao (Celestial Reference Systems) và các hệ quy chiếu cố định với Trái đất (Earth - fixed Reference Systems), gọi là các hệ quy chiếu trái đất (Terrestial Reference Systems)

1.2.2 Hệ toạ độ Đề các

Đây là hệ toạ độ vuông góc không gian 3 chiều (hình 1.1) Trong trắc địa vệ tinh, chúng ta thường sử dụng hệ toạ độ này để biểu thị vị trí các điểm xét trong không gian Trong hệ toạ độ này, vị trí của một điểm P bất kỳ được biểu thị qua 3 thành phần toạ độ là XP, YP, ZP được viết ở dạng véc tơ:

Trong hệ toạ độ Đề các, các trục X, Y, Z đã xoay đi các góc α, β, γ, véc tơ toạ độ điểm của điểm P là U′′P sẽ được xác định lại theo công thức:

U =R (α).R (β).R (γ).U =R.U′′ (1.5) trong đó:

này một Ellipsoid trái đất tuỳ ý để xây dựng hệ toạ độ trắc địa Trong trường hợp này, tâm ellipsoid trùng với gốc O của hệ toạ độ Đề các Cũng có thể gắn vào hệ Đề các một thiên cầu có bán kính bất kỳ để xây dựng hệ toạ độ sao

1.2.3 Hệ quy chiếu sao

Để nghiên cứu chuyển động của các ngôi sao, các hành tinh và các vệ tinh người ta sử dụng các hệ toạ độ cố định trong không gian còn gọi là các hệ toạ độ sao hay hệ toạ độ thiên văn Gốc toạ độ có thể chọn là trọng tâm của Mặt trời, cũng

có thể chọn trùng với trọng tâm Trái đất Trong không gian có một đường thẳng quan trọng đó là giao tuyến của mặt phẳng Hoàng đạo và mặt phẳng xích đạo Điểm Xuân phân (γ) là một đầu mút của phương này và là điểm ở xa vô cực, được chọn làm phương khởi đầu của hệ toạ độ

Nếu gốc toạ độ chọn trùng với trọng tâm khối lượng của Mặt trời, được gọi

là hệ quy chiếu sao nhật tâm BCRS Nếu gốc toạ độ chọn trùng với trọng tâm khối lượng của Trái đất, thì gọi là hệ quy chiếu sao địa tâm GCRS

Hình 1.2 Hệ toạ độ xích đạo 2

Trong hệ toạ độ sao, thiên cầu được sử dụng để xác định toạ độ cầu (α, δ) của thiên thể hoặc vệ tinh Trong hình 1.2 là một hệ toạ độ sao địa tâm mà trong thiên văn gọi là hệ toạ độ xích đạo 2 Trong hệ toạ độ này gốc toạ độ trùng với trọng

Hoàng đạo

γ

tâm khối lượng của Trái đất, trục X nằm trên mặt phẳng xích đạo và hướng về điểm xuân phân tức thời (γ), trục Z hướng về cực bắc thiên cầu, trục Y được xác định theo quy tắc bàn tay phải

Do ảnh hưởng của hiện tượng tuế sai và chương động khi Trái đất chuyển động xung quanh Mặt trời nên điểm xuân phân không phải là một điểm cố định (lý tưởng) trong không gian, bởi vậy hệ GCRS là một hệ tựa quán tính (quasi-inertial system)

Trong hệ toạ độ xích đạo 2 vị trí của thiên thể được xác định bằng độ vĩ xích đạo δ và độ kinh xích đạo α Người ta sử dụng hệ toạ độ này để lập lịch thiên văn hàng năm và lịch sao Lịch sao cơ sở FK5 được xây dựng trong hệ toạ độ này, nhưng là hệ toạ độ sao quy ước, căn cứ vào điểm Xuân phân vào thời kỳ J2000,0

Hệ toạ độ trên được sử dụng để xây dựng Khung quy chiếu sao quốc tế ICRF Khung quy chiếu này được chấp thuận bởi 608 siêu thiên hà có nguồn phát sóng vô tuyến trong kỹ thuật VLBI Trong hệ ICRF người ta đã lập được catalogue của 144.000 ngôi sao Với vị trí của các thiên thể trong FK5, hiện nay các trục của hệ ICRF được xác định trong không gian với độ chính xác cỡ 0,02 mas, các nguồn phát sóng vô tuyến được xác định với độ chính xác khoảng 0,5 mas [6] Trong tương lai,

độ chính xác các yếu tố trên còn có thể được nâng cao hơn Hiện nay người ta đã công bố lịch sao cơ sở FK6 [6]

Để có được lịch sao cơ sở có độ chính xác cao như hiện nay chúng ta có thể tìm hiểu về quá trình phát triển của lịch sao từ trước công nguyên (bảng 1.1)

Bảng 1.1: Lịch sử phát triển của lịch sao Tên lịch sao hoặc

tác giả của lịch

Năm công

bố

Độ chính xác (“)

Độ chính xác tương ứng với cung kinh tuyến trên Trái đất (m)

1.2.4 Hệ quy chiếu trái đất

Hệ quy chiếu sao như đã nói ở trên không tham gia vào chuyển động tự quay của Trái đất do đó toạ độ của một điểm trên mặt đất biểu diễn trong hệ toạ độ sao sẽ luôn thay đổi, cho nên cần phải có một hệ quy chiếu tham gia vào quá trình tự quay của Trái đất và gọi là Hệ quy chiếu trái đất

Ý tưởng ban đầu của hệ toạ độ trái đất quy ước là cần phải được cố định với trọng tâm khối lượng của trái đất bao gồm cả khối lượng của các đại dương và tầng khí quyển Trục z trùng với trục quay tức thời của Trái đất Những quy ước ban đầu cho hướng của trục dựa trên các trị đo thiên văn được đưa ra và tồn tại từ năm 1895 bởi ILS Hướng trục đó được thiết lập dựa trên hướng trục gắn với cực của trái đất thời kỳ 1900 - 1905 gọi là cực trái đất quy ước CIO

Vào năm 1988, trách nhiệm thiết lập và duy trì cả hệ toạ độ sao quy ước và

hệ toạ độ trái đất quy ước được chuyển giao cho IERS Kết quả của IERS có được dựa trên các kỹ thuật không gian hiện đại như SLR, VLBI, GPS và Doppler

Hệ quy chiếu trái đất có một số đặc điểm chính như sau:

+ Là hệ toạ độ trái đất địa tâm, có gốc nằm trùng với trọng tâm khối lượng của trái đất (bao gồm cả phần đại dương và bầu khí quyển)

+ Đơn vị được sử dụng là mét (theo hệ SI)

+ Hướng của trục toạ độ cung cấp bởi BIH ở thời kỳ 1984

+ Sự thay đổi của hướng trục thỏa mãn điều kiện NNR

Đặc điểm chung của các hệ toạ độ cố định với Trái đất là toạ độ các điểm trên mặt đất nói chung là không thay đổi do chuyển động quay của Trái đất

1.2.4.1 Hệ toạ độ vuông góc không gian địa tâm

Hình 1.3: Hệ toạ độ vuông góc không gian địa tâm

Hệ toạ độ vuông góc không gian Đề các được sử dụng để xây dựng các hệ toạ độ cố định vào Trái đất Trong hệ toạ độ này, gốc của hệ toạ độ trùng với trọng tâm khối lượng của trái đất, trục OX là giao tuyến giữa mặt phẳng xích đạo và mặt phẳng kinh tuyến gốc Greenwich, trục OZ trùng với trục quay của trái đất và trục

OY vuông góc với mặt phẳng XOZ theo quy tắc bàn tay phải Toạ độ một điểm bất

kỳ biểu diễn trong hệ toạ độ này là X, Y, Z (hình 1.3)

1.2.4.2 Hệ toạ độ trắc địa

Gắn vào hệ toạ độ vuông góc không gian địa tâm một hình ellipsoid trái đất tuỳ

ý Trên ellipsoid (hình 1.4), vị trí điểm được biểu thị qua các thành phần toạ độ sau:

- Độ vĩ trắc địa B

- Độ kinh trắc địa L

- Độ cao trắc địa H (còn gọi là độ cao so với ellipsoid)

Hình 1.4 Hệ toạ độ trắc địa

Cùng các định nghĩa

- Độ vĩ trắc địa là góc hợp bởi pháp tuyến qua điểm xét và mặt phẳng xích đạo

- Độ kinh trắc địa L là góc nhị diện giữa mặt phẳng kinh tuyến gốc và mặt phẳng kinh tuyến đi qua điểm xét

1.2.4.3 Mối quan hệ giữa hệ toạ độ vuông góc không gian địa tâm và hệ toạ độ trắc địa

1.2.4.3.1 Công thức tính chuyển B, L, H sang X, Y , Z

Để có thể tính đổi từ các giá trị toạ độ X, Y, Z sang các giá trị B, L, H theo các công thức ở trên, ta có thể tính toán theo trình tự như sau:

1.2.5 Mối liên hệ giữa các hệ quy chiếu thiên thể với hệ quy chiếu trái đất

Nếu không xét đến hiện tượng tuế sai, chương động và chuyển dịch cực trái đất, công thức tính chuyển giữa hệ toạ độ trái đất và hệ toạ độ sao (đều là các hệ địa tâm) như sau:

⎡ ⎤

⎢ ⎥

⎢ ⎥

⎢ ⎥

là toạ độ xét trong hệ toạ độ trái đất (E) và hệ thiên thể (C)

Trong (1.11) ký hiệu Θ là giờ sao Greenwich biểu kiến GAST (Greenwich Apparent Sidereal Time), R (Θ)3 được tính theo công thức như sau:

trong đó: P là phần ảnh hưởng của tuế sai

N là phần ảnh hưởng của chương động

W là ảnh hưởng do sự di chuyển cực trái đất

1.3 KHUNG QUY CHIẾU TRÁI ĐẤT QUỐC TẾ

Năm 1988, Cơ quan quốc tế về chuyển động quay trái đất IERS đã thiết lập Khung quy chiếu trái đất quốc tế ITRF, trong đó sử dụng hệ quy chiếu cố định với trái đất ITRS Năm 1994, Tổ chức quốc tế đo GPS phục vụ địa động lực IGS được thành lập và đã phối hợp với IERS phát triển ITRF bằng hệ thống điểm quan sát phân bố trên toàn cầu Hệ quy chiếu trái đất quốc tế ITRS đã được sử dụng cho các kỹ thuật trắc địa hiện đại như VLBI, SLR, GPS và là cơ sở để thành lập lịch vệ tinh chính xác cho IGS

Theo định nghĩa, hệ quy chiếu trái đất quốc tế ITRS thiết lập bởi 1 hệ toạ độ

Đề các có gốc toạ độ nằm trùng với trọng tâm khối lượng của trái đất bao gồm cả đại dương và khí quyển của trái đất Đơn vị chiều dài là mét theo chuẩn quốc tế SI

và phù hợp với TCG Định hướng các trục xác định bởi BIH tại thời điểm 1984 Sự

thay đổi theo thời gian được đảm bảo bởi điều kiện NNR có xét tới chuyển động kiến tạo ngang trên toàn trái đất

Điều kiện quay không liên kết NNR được thể hiện bởi tích phân sau:

vị trí trọng tâm của trái đất bị chuyển dịch và thay đổi cỡ vài cm trong một năm

Trước đây, người ta chưa thể xác định chính xác trọng tâm trái đất, nhưng trong khoảng vài chục năm gần đây, nhờ tiến bộ trong kỹ thuật trắc địa không gian như VLBI, SLR, LLR, GPS, DORIS … người ta có thể quan trắc để xác định chính xác sự thay đổi trọng tâm trái đất theo thời gian tới cỡ vài cm Từ thực tế trên, nảy sinh vấn đề tồn tại khái niệm hệ toạ độ động

Hệ quy chiếu ITRS đã được triển khai trên thực tế bằng khung quy chiếu trái đất quốc tế ITRF với một mạng lưới điểm bố trí trên toàn cầu, được quan trắc với

độ chính xác cao bằng các công nghệ hiện đại nhất Trong ITRF, người ta sử dụng ellipsoid GRS-80 làm ellipsoid quy chiếu Các yếu tố định hướng của các trục toạ

độ và tỷ lệ chiều dài dựa trên các kết quả đo chính xác của giao thoa cạnh đáy dài VLBI và đo khoảng cách laser đến vệ tinh được IERS phân tích và công bố Để xác định chính xác gốc toạ độ và các trục toạ độ của khung quy chiếu ITRF, người ta sử dụng mô hình chuyển dịch toàn cầu mảng kiến tạo NUVEL-1

Từ phiên bản ITRF2000, người ta đã sử dụng mô hình các mảng kiến tạo theo điều kiện quay không liên kết NNR-NUVEL-1A

Các lưới nghiên cứu địa động trên thế giới đều lấy toạ độ ITRF làm điều kiện ràng buộc để xây dựng hệ quy chiếu của mình Do quan hệ phối hợp này, tổ chức

IGS đã được hình thành và phát triển Trong tổ chức của IGS, có trạm trung tâm làm nhiệm vụ thu nhận thông tin đo GPS liên tục từ các trạm thành viên để tính ra lịch vệ tinh chính xác, các tham số của trái đất, toạ độ của các trạm trong mạng lưới IGS quốc tế và sai số đồng hồ của các trạm này …

Khung toạ độ quốc tế được ký hiệu là ITRF-yy, trong đó yy là 2 số cuối của năm mà IGS công bố các tham số của khung tọa độ này Hiện tại, thế giới đang sử dụng ITRF-05 (ITRF2005) Năm 2008, mạng lưới IGS có 362 trạm quan sát phân

bố trên các châu lục (hình 1.5)

Hàng năm, IERS công bố các tham số tính chuyển toạ độ giữa các khung quy chiếu ITRF, trong bảng 2 là các tham số tính chuyển toạ độ giữa ITRF2000 với ITRF-88 đến ITRF-97

Bảng 1.3: Các tham số tính chuyển giữa hệ ITRF2000 với các hệ ITRF khác

(cm)

Ty (cm)

Tz (cm)

Dm (ppb)

Ex (mas)

Ey (mas)

Ez (mas)

Thời điểm

ITRF97

Rates

0,67 0,00

0,61 -0,06

-1,85-0,14

1,550,01

0,000,00

0,00 0,00

0,00 0,02 1997ITRF96

Rates

0,67 0,00

0,61 -0,06

-1,85-0,14

1,550,01

0,000,00

0,00 0,00

0,00 0,02 1997ITRF94

Rates

0,67 0,00

0,61 -0,06

-1,85-0,14

1,550,01

0,000,00

0,00 0,00

0,00 0,02 1997ITRF93

Rates

1,27 -0,29

0,65 -0,02

-2,09-0,06

1,950,01

-0,39-0,11

0,80 -0,19

-1,14 0,07 1988ITRF92

Rates

1,47 0,00

1,35 -0,06

-1,39-0,14

0,750,01

0,000,00

0,00 0,00

-1,18 0,02 1988ITRF91

Rates

2,67 0,00

2,75 -0,06

-1,99-0,14

2,150,01

0,000,00

0,00 0,00

-1,18 0,02 1988ITRF90

Rates

2,47 0,00

2,35 -0,06

-3,59-0,14

2,450,01

0,000,00

0,00 0,00

-1,18 0,02 1988

ITRF89

Rates

2,97 0,00

4,75 -0,06

-7,39-0,14

5,850,01

0,000,00

0,00 0,00

-1,18 0,02 1988ITRF88

Rates

2,47 0,00

1,15 -0,06

-9,79-0,14

8,950,01

0,000,00

0,00 0,00

-1,18 0,02 1988Việc tính chuyển toạ độ giữa các hệ ITRF dựa trên các tham số tính chuyển Helmert có công thức như sau:

D T

T T Z Y

X Y

X

Y Z

Y

X S

D e

e - D e

e e -

X Z

Y Z

VVZ

YXZ

Y

X

0 yyyy

E Z Y X yyyy

+ yyyy: là phiên hiệu của khung quy chiếu

+ E: là thời điểm cần xác định toạ độ

+ E0: là thời điểm tham chiếu ban đầu của khung quy chiếu

+ VX, VY, VZ: là vận tốc tham chiếu của khung quy chiếu tương ứng

Giữa ITRF2005 với ITRF2000 có các tham số chuyển đổi như sau:

Bảng 1.4: Các tham số tính chuyển giữa ITRF2005 và ITRF2000

Tx (mm)

Ty (mm)

Tz (mm)

Dm (ppb)

Ex (mas)

Ey (mas)

Ez (mas) 0,1

Hình 1.5: Sơ đồ các điểm thuộc mạng lưới của IGS năm 2010

Có thể nhận thấy rằng, khu vực Châu Âu, Bắc Mỹ, Nhật Bản, một phần của Châu úc là những khu vực có mật độ các điểm nằm trong mạng lưới IGS cao nhất Ngay ở vùng Nam Cực, IGS cũng bố trí một số điểm nằm trong mạng lưới toàn cầu

CHƯƠNG 2 LƯỚI TOẠ ĐỘ QUỐC GIA VIỆT NAM VÀ PHƯƠNG ÁN ĐO

NỐI VỚI LƯỚI IGS

2.1 LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN LƯỚI TOẠ ĐỘ QUỐC GIA VIỆT NAM

Lưới toạ độ nhà nước Việt Nam được xây dựng và hoàn thiện qua nhiều giai đoạn với kết cấu lưới thành phần nhiều loại Dưới đây trình bày một số giai đoạn chính và các kết cấu lớn của lưới

2.1.1 Lưới tam giác đo góc hạng I, II miền Bắc

Sau hoà bình lập lại ở miền Bắc, ngày 14 tháng 12 năm 1959 Thủ tướng Phạm Văn Đồng đã kí nghị định thành lập Cục đo đạc và Bản đồ nhà nước Từ năm

1959 đến năm 1966, Cục đo đạc và Bản đồ nhà nước đã xây dựng lưới Thiên văn - Trắc địa miền Bắc là lưới tam giác đo góc hạng I, II dày đặc

Lưới tam giác hạng I có 339 điểm, chiều dài cạnh trung bình 25km, ngắn nhất 9km, dài nhất 42km, có 13 cạnh gốc bố trí cách nhau khoảng 130km Trong 13 cạnh gốc có 6 cạnh đo theo lưới đường đáy bằng thước dây Invar, 7 cạnh đo trực tiếp bằng máy đo khoảng cách điện quang NASM-2A Có 28 điểm thiên văn và 13 phương vị Laplas bố trí ở đầu cạnh gốc

Lưới tam giác đo góc hạng II có 1696 điểm Các điểm hạng II bố trí theo hình thức chêm lưới vào lưới hạng I Lưới hạng II có chiều dài trung bình 14km, ngắn nhất 5km, dài nhất 27km

Dựa vào các điểm tam giác hạng I, II đã xây dựng lưới tam giác đo góc hạng III, IV bằng hình thức chêm điểm, chêm lưới

Lưới hạng I miền Bắc là lưới dày đặc có độ chính xác cao và đồng đều Các lưới cấp thấp hơn do chêm điểm chêm lưới, có độ chính xác không đồng đều

Mạng lưới toạ độ hạng I, II miền Bắc được đo từ năm 1959 đến năm 1963, bình sai xong năm 1966 Trên cơ sở của lưới này ta công bố hệ toạ độ HN-72

2.1.2 Xây dựng lưới toạ độ ở miền Trung và miền Nam

Sau ngày đất nước thống nhất, Cục Đo đạc và Bản đồ nhà nước phát triển tiếp lưới toạ độ nhà nước xuống phía Nam

Lưới đầu tiên ta xây dựng là lưới tam giác đo góc hạng I khu vực Bình - Trị - Thiên từ năm 1977 đến năm 1983 Lưới có 25 điểm được bố trí thành khoá tam giác kép giữa 2 cạnh gốc, chiều dài cạnh tam giác từ 20km đến 25km, có đo toạ độ thiên văn và phương vị thiên văn ở cạnh gốc

Từ năm 1983 đến năm 1992 Cục Đo đạc và Bản đồ xây dựng lưới tam giác

đo góc hạng II tiếp vào lưới hạng I Bình - Trị - Thiên kéo dài đến Đồng Nai - Vũng Tàu Lưới này có 351 điểm, chiều dài cạnh tam giác từ 10km đến 15km, có 16 cạnh gốc đo bằng máy AGA-600, 26 điểm thiên văn và 13 phương vị Laplas

Ở khu vực Nam Bộ, thay cho lưới tam giác đo góc hạng II, Cục Đo đạc và Bản đồ xây dựng lưới đường chuyền hạng II, góc trong lưới đo bằng máy kinh vĩ quang học, cạnh đo bằng máy AGA-600 và DI-20 Lưới trên được chia làm hai lưới

là lưới Tây Nam Bộ gồm 124 điểm và lưới Đông Nam Bộ có 50 điểm Toàn bộ lưới

có 8 phương vị thiên văn bố trí cách nhau khoảng 10 đến 15 cạnh

Để có lưới toạ độ phủ trùm toàn lãnh thổ, cần xây dựng tiếp lưới ở Minh Hải, Sông Bé và Tây Nguyên Ở các khu vực này lưới toạ độ xây dựng bằng công nghệ truyền thống không có hiệu quả Từ năm 1991 đến năm 1993 Cục đo đạc và Bản đồ nhà nước đã dùng công nghệ GPS để xây dựng lưới toạ độ tương đương lưới hạng

Trong 2 năm 1987 - 1988, Cục Đo đạc và Bản đồ hợp tác với Tổng cục Trắc địa Bản đồ Liên Xô (cũ) xây dựng mạng lưới Dopler vệ tinh Mạng lưới này có các mục đích sau:

+ Nhanh chóng thiết lập trên toàn lãnh thổ một hệ thống toạ độ thống nhất phục vụ kịp thời nhu cầu phát triển công tác đo đạc bản đồ của ngành

+ Đo nối các đảo quan trọng vào hệ thống toạ độ đất liền

+ Nâng cao độ chính xác của các lưới trắc địa mặt đất đã đo đạc

+ Định vị mạng lưới Thiên văn - Trắc địa Quốc gia của Việt Nam

+ Liên hệ hệ thống toạ độ Quốc gia với các hệ thống toạ độ quốc tế

Lưới dopler vệ tinh gồm 14 điểm trên đất liền và 4 điểm trên các đảo: Trường Sa, Côn Đảo, Phú Quốc, Thổ Chu Lưới được đo bằng 3 máy thu Dopler kiểu CMA của Canada và 1 máy thu kiểu IMR của Mỹ theo phương pháp

“translocation” đồng thời trên từng 4 điểm một tạo thành các tứ giác và tam giác khép kín Riêng điểm Phú Quốc chỉ nối với điểm thành phố Hồ Chí Minh tạo thành một baseline

Các số liệu quan trắc dopler hiện không còn được lưu trữ ở Việt Nam Việc tính toán các baseline, các hình khép cũng như bình sai toàn lưới do phía Liên Xô thực hiện

2.1.4 Giai đoạn đo đạc lưới GPS cấp “0”

Vào những năm đầu của thập kỷ 80 của thế kỷ trước công nghệ đo đạc lưới toạ độ trắc địa đã có bước phát triển nhảy vọt, công nghệ GPS với những đặc tính

ưu việt đã được ứng dụng rộng rãi ở nhiều nước trên thế giới Giai đoạn ứng dụng ở Việt Nam từ 1990 đến 1994 đã khẳng định những tính khả thi của công nghệ này trong lĩnh vực xây dựng lưới trắc địa và cũng đã chứng tỏ được rằng các nhà đo đạc Việt Nam đã làm chủ được công nghệ GPS Trước thực trạng của các mạng lưới toạ

độ trắc địa ở Việt Nam được thi công trong nhiều năm và xây dựng bằng nhiều hình thức lưới khác nhau đã nảy sinh nhu cầu xây dựng một mạng lưới GPS cạnh dài có kết cấu chặt chẽ phủ trùm lãnh thổ nước ta Công nghệ GPS cạnh dài hoàn toàn đảm bảo được khả năng xây dựng mạng lưới này

Mạng lưới GPS cấp “0” được xây dựng với các mục đích như sau:

+ Kiểm tra chất lượng của các lưới hạng I và hạng II đã xây dựng, kết nối thống nhất và tăng cường độ chính xác cho các lưới này

+ Tạo công cụ nghiên cứu có độ chính xác cao cho các bài toán trắc địa trên lãnh thổ Việt Nam, trong đó có việc xác định hệ quy chiếu quốc gia, xây dựng lưới điểm toạ độ quốc gia hiện đại, nghiên cứu biến động vỏ trái đất, nghiên cứu chuyển dịch mảng lục địa

+ Là phương tiện để đo nối toạ độ với các lưới tọa độ khu vực và thế giới, đồng thời tạo sự đổi mới, phát triển công nghệ xây dựng lưới toạ độ ở Việt Nam Cuối năm 1995 Tổng cục Địa chính đã quyết định xây dựng lưới toạ độ cấp

“0” Quốc gia bằng công nghệ GPS cạnh dài bằng máy thu 2 tần số Lưới cấp “0” được thiết kế gồm 69 điểm trong đó 68 điểm thiết kế trùng với các điểm toạ độ hạng

I và II đã có, một điểm gốc ở Hà Nội là điểm đo mới Lưới được đo bằng các máy thu GPS 4000SST và 4000SSE Trong quá trình thi công, do một số điểm cũ đã mất mốc nên kết quả cuối cùng có 56 điểm trùng với các điểm toạ độ cũ, 13 điểm mới Chiều dài cạnh trung bình giữa các điểm kề nhau là 70km; ngoài ra còn tiến hành đo nối nhiều điểm quan trọng với nhau như Hà Nội - Quảng Bình, Hà Nội -

Đà Nẵng, Hà Nội - Nha Trang, Hà Nội - thành phố Hồ Chí Minh, Đà Nẵng - thành phố Hồ Chí Minh … Toàn lưới tạo nên một kết cấu vững chắc về đồ hình Các trị

đo được quan trắc trong thời gian 7 giờ tại các thời điểm có lợi về độ chính xác Theo kết quả bình sai sơ bộ, sai số tương đối chiều dài cạnh đạt trong khoảng từ 1/1500000 đến 1/32000000; sai số phương vị đạt trong khoảng ±0”,02 đến ±0”,29

2.2 HỆ TOẠ ĐỘ VÀ HỆ QUY CHIẾU VN-2000

Hệ toạ độ HN-72 như đã trình bày ở trên có nhược điểm là được xây dựng qua nhiều thời kỳ khác nhau, không đồng nhất về độ chính xác và không mang tính thống nhất trên phạm vi toàn quốc; không có mối liên hệ với các mạng lưới khu vực

và quốc tế; Ellipsoid thực dụng của hệ HN-72 không được định vị phù hợp với lãnh thổ Việt Nam mà sử dụng Ellipsoid đã định vị tại Liên Xô, chuyền qua Trung Quốc sau đó sử dụng cho Việt Nam Trong hệ HN-72 không biết chính xác độ cao geoid

Bước sang thế kỷ XXI, khi nước ta đẩy mạnh quá trình hoà nhập với thế giới thì việc xây dựng một hệ toạ độ mới càng trở lên cấp thiết

2.2.1 Quá trình xây dựng hệ toạ độ VN-2000

Để tiến tới hoàn thiện lưới toạ độ nhà nước và xây dựng hệ toạ độ quốc gia mới, Tổng cục Địa chính đã tiến hành một số công việc như sau:

* Năm 1995 xây dựng lưới toạ độ cấp “0” bằng công nghệ GPS Lưới này có 69 điểm, phân bố đều và phủ trùm lãnh thổ nước ta, trong đó có 56 điểm trùng với các điểm toạ độ hạng I, II cũ và 13 điểm mới tạo tiền đề cho việc giải quyết các nhiệm

vụ khoa học tiếp theo

* Năm 1997 tiến hành đo GPS tuyệt đối ở 8 điểm cấp “0” phân bố đều trên toàn lãnh thổ để kiểm tra chất lượng lưới cấp “0” và có cơ sở tạo lập mối liên hệ giữa hệ toạ độ của nước ta và quốc tế

* Năm 1998 đo bổ sung vào lưới cấp “0” 40 điểm đo nỗi độ cao thuỷ chuẩn hạng I,

II phân bố đều trên toàn lãnh thổ nhằm phục vụ cho việc định vị Ellipsoid thực dụng

và xây dựng mô hình Geoid của Việt Nam

* Xây dựng điểm gốc toạ độ quốc gia mới là điểm N00

Năm 1998 Tổng cục Địa chính đã quyết định xây dựng điểm gốc toạ độ quốc gia lâu dài trong khuôn viên của Viện nghiên cứu Địa chính (nay là Viện Khoa học

Đo đạc và Bản đồ) ở đường Hoàng Quốc Việt Vị trí này thoả mãn các điều kiện để xây dựng một cụm các điểm gốc quốc gia, được bảo vệ tốt Điểm gốc mới được đặt tên N00

Điểm gốc được gia cố móng với 5 cọc bê tông ép dài 12m, trên đó là hai khối

bê tông, khối đáy có kích thước 4x4x0,5m, khối trên có kích thước thu nhỏ dần từ 2x2x0,5m đến 1x1x0,5m và 0,5x0,5x1,4m

Sau khi xây dựng xong điểm gốc đã tiến hành đo bổ sung các trị đo cần thiết

có liên quan bao gồm:

- Quan trắc 4 lần vệ tinh GPS theo chế độ đo tuyệt đối 24 giờ quan trắc liên tục tại điểm gốc N00 để xác định toạ độ trong hệ WGS-84 quốc tế

- Đo lưới GPS cạnh ngắn nối giữa điểm gốc N00 với các điểm tam giác hạng

I quanh khu vực Hà Nội

- Đo bổ sung lưới GPS cấp “0” nối giữa điểm N00 với các điểm cấp “0” gần nhất

- Đo nối độ cao thuỷ chuẩn hạng III vào điểm gốc N00

* Cuối năm 1998 Tổng cục Địa chính tiến hành hội thảo khoa học xây dựng hệ qui chiếu và hệ thống điểm toạ độ quốc gia Sau hội thảo, ban điều hành và nhóm kỹ thuật tiến hành làm việc Hai bên đã làm việc khẩn trương và hoàn thành báo cáo khoa học vào cuối năm 1999 Báo cáo đã quyết định lấy Ellipsoid WGS-84 làm Ellipsoid thực dụng của Việt Nam, định vị nó phù hợp với nước ta theo điểm gốc mới, quyết định dùng toạ độ vuông góc phẳng UTM thay cho toạ độ Gauss-Kriuger Đây là những điểm chủ yếu trong hệ toạ độ VN-2000

Ngày 12 tháng 7 năm 2000 Thủ tướng chính phủ đã ban hành quyết định số 83/2000/QĐ-TTG về áp dụng hệ toạ độ quốc gia VN-2000 và công bố sử dụng thống nhất trên phạm vi toàn quốc

2.2.2 Phân cấp các mạng lưới trong hệ toạ độ VN-2000

Lưới toạ độ quốc gia bao gồm lưới toạ độ cấp 0, lưới toạ độ hạng I, lưới toạ

độ hạng II và lưới toạ độ hạng III khác nhau về độ chính xác, mật độ phân bố điểm, mục đích sử dụng, phương pháp xây dựng và trình tự phát triển lưới Lưới toạ độ hạng I là mạng lưới đang tồn tại nhưng không xây dựng lại nên trong một số tài liệu người ta chỉ nhắc đến lưới cấp 0, lưới hạng II và lưới hạng III

Lưới toạ độ quốc gia được tính toán trong Hệ quy chiếu và Hệ toạ độ

VN-2000, có điểm gốc là N00 Riêng lưới toạ độ cấp “0” được tính toán trong cả hai hệ

là VN-2000 và ITRF

Giá trị toạ độ của các điểm trong lưới toạ độ quốc gia được biểu thị trên mặt phẳng theo lưới chiếu UTM múi chiếu 60 kinh tuyến trục là 1050 kinh đông (đối với múi thứ 48), múi 60 kinh tuyến trục 1110 kinh đông (đối với múi thứ 49) và múi 60kinh tuyến trục 1170 kinh đông (đối với múi thứ 50), tỷ lệ biến dạng chiều dài trên kinh tuyến trục trong cả ba trường hợp là 0,9996

Lưới toạ độ cấp 0 là lưới có độ chính xác cao nhất, được phân bố với mật độ khoảng 10 000km2 - 15 000km2/ điểm với khoảng cách trung bình giữa các điểm từ 100km - 150km Trong một số trường hợp được xây dựng riêng cho các mục đích đặc biệt như nghiên cứu khoa học, an ninh quốc phòng có thể được phân bố với mật

độ dày hơn

Lưới toạ độ hạng II là lưới toạ độ tăng dày trung gian làm cơ sở để phát triển lưới toạ độ hạng III được phân bố với mật độ khoảng 700km2 - 1000km2/ điểm với khoảng cách trung bình giữa các điểm từ 25km - 30km Các điểm gốc được sử dụng

để phát triển lưới toạ độ hạng II là các điểm toạ độ cấp 0

Lưới toạ độ hạng II được xây dựng chủ yếu theo phương pháp thiết kế thành mạng lưới trên phạm vi rộng Trong trường hợp cá biệt, khi có nhu cầu xây dựng một vài điểm để phục vụ cho các mục đích riêng hoặc khôi phục điểm bị mất, bị phá huỷ được phép xây dựng theo phương pháp chêm điểm

Lưới toạ độ hạng III là lưới toạ độ làm cơ sở để phát triển các lưới khống chế đo vẽ được phân bố với mật độ khoảng 5km2 - 15km2/ điểm đối với khu vực đồng bằng và 25km2 - 50km2/ điểm đối với khu vực miền núi Khoảng cách trung bình giữa các điểm trong lưới toạ độ hạng III là 2km - 4km đối với khu vực đồng bằng và 5km - 7km đối với khu vực miền núi Trong trường hợp đặc biệt, khi xây dựng lưới toạ độ hạng III ở khu vực miền núi không thể bố trí được điểm theo mật

độ quy định, khoảng cách giữa các điểm trong lưới hạng III được phép kéo dài hơn nhưng không được vượt quá 2 lần

Lưới toạ độ hạng III phải được đo nối với các điểm khống chế toạ độ hạng cao để phục vụ cho việc xác định toạ độ và phải được đo nối với các điểm có độ cao hạng cao phục vụ cho việc xác định độ cao Các điểm gốc toạ độ hạng cao được sử dụng để xây dựng lưới toạ độ hạng III là các điểm toạ độ cấp “0” và toạ độ hạng II; các điểm gốc độ cao hạng cao được sử dụng để xây dựng lưới toạ độ hạng III là các điểm độ cao quốc gia có độ chính xác từ hạng III trở lên

2.3 NHIỆM VỤ CỦA LƯỚI KHỐNG CHẾ TOẠ ĐỘ QUỐC GIA VIỆT NAM

Lưới khống chế toạ độ quốc gia Việt Nam được xây dựng theo nguyên tắc từ toàn diện đến cục bộ, từ độ chính xác cao đến độ chính xác thấp nhằm phục vụ các mục đích như sau:

- Nghiên cứu chi tiết hình dáng, kích thước, thế trọng trường của trái đất và những thay đổi của chúng theo thời gian

- Thiết lập hệ toạ độ thống nhất trên phạm vi toàn quốc nhằm thoả mãn những yêu cầu chung về bảo đảm toạ độ phục vụ kinh tế và quốc phòng

- Làm cơ sở để xây dựng lưới khống chế đo vẽ các loại bản đồ địa hình tỷ lệ nhỏ đến tỷ lệ cơ bản của quốc gia Ở Việt Nam, tỷ lệ bản đồ địa hình cơ bản ở đồng bằng là 1: 5000, ở miền núi là 1: 10000

- Định lượng cho các công tác nghiên cứu khoa học và kỹ thuật về trái đất như địa chất, địa động học, bảo vệ môi trường …

2.4 ĐỀ XUẤT MỘT SỐ PHƯƠNG ÁN ĐO NỐI LƯỚI TOẠ ĐỘ QUỐC GIA VIỆT NAM VỚI LƯỚI IGS

2.4.1 Đề xuất các phương án đo nối lưới toạ độ quốc gia Việt Nam với lưới IGS

Trong phần này, tác giả mạnh dạn đề xuất một vài phương án đo nối toạ độ một số điểm của lưới cấp “0” với khung quy chiếu trái đất quốc tế Các điểm được

đề xuất phân bố trên toàn bộ lãnh thổ nước ta Việc đề xuất được chia làm 3 phương

án, mỗi phương án khác nhau về số lượng điểm đo nối, theo đó:

+ Phương án 1: bao gồm 15 điểm đo nối là các điểm Lạng Sơn, Cao Bằng, Thanh Hoá, Huế, Đà Lạt, Vũng Tàu, Điện Biên, Sơn La, Hà Nội, Hòn Dấu, Nghệ

An, Đà Nẵng, Nha Trang, Phú Quốc, Côn Đảo

+ Phương án 2: bao gồm 10 điểm đo nối đó là các điểm Lạng Sơn, Điện Biên, Sơn La, Hà Nội, Hòn Dấu, Nghệ An, Đà Nẵng, Nha Trang, Phú Quốc, Côn Đảo

+ Phương án 3: bao gồm 7 điểm đo nối là Điện Biên, Hà Nội, Hòn Dấu, Đà Nẵng, Nha Trang, Phú Quốc, Côn Đảo

Toạ độ của các điểm trong cả 3 phương án nói trên cho trong bảng 2.1

Hình 2.1 Sơ đồ các điểm đo nối được đề xuất Trong hình 2.1, vị trí của các điểm đo nối được đánh dấu bằng ngôi sao màu đỏ