60
a, Hệ toạ độ vuông góc không gian(x, y, z) được giới thiệu trên Hình 1.12, ở đây cả ba trục cắt nhau tại gốc toạ độ C.
Hình 1.11 Hệ toạ độ không gian ba chiều (x, y, z)
61
b, Hệ toạ độ địa lýnhận mặt quy chiếu là mặt ellipsoid tròn xoay, gốc toạ độ và các trục của nó được xác định bằng hai mặt phẳng: mặt phẳng kinh tuyến đi qua trục quay Trái đất (trục z) và mặt phẳng xích đạo của ellipsoid đã chọn.
Hệ toạ độ địa lý có vai trò đặc biệt đối với các ứng dụng công nghệ GPS. Trong hệ toạ độ này, vị trí điểm được xác định bởi tập hợp 3 thành phần:
độ vĩ (), độ kinh () và độ cao trên mặt ellipsoid (H). Ta có các công cụ hữu hiệu để tính chuyển toạ độ trắc địa (, , H) sang toạ độ không gian ba chiều (x, y, z).
62
c, Hệ quán tính qui ước
(Conventional Inertial System- CIS) Được sử dụng trong Trắc địa vệ tinh là hệ toạ độ 3D (X,Y,Z)
- có gốc trùng trọng tâm Trái đất,
- trục Z ứng với vị trí trục quay Trái đất tại thời điểm quy ước (hiện nay là 0h ngày 15/01/2000 theo giờ trọng tâm động lực (BDT) kí hiệu là J-2000 - trục X hướng từ tâm Trái đất đến điểm Xuân phân tại thời điểm quy ước này, sau khi đã hiệu chỉnh tuế sai và chương động.
- trục Y được xác định theo trục Z và X tạo tam diện phải.
63
c, Hệ quán tính qui ước (CIS) Đây là hệ toạ độ quán tính, trong đó định luật vận vật hấp dẫn của Newton được tuân thủ, nên dùng để biểu thị vị trí và trạng thái của vệ tinh trên quỹ đạo.
Điểm xuân phân là giao của mặt phẳng hoàng đạo với xích đạo trái đất.
Hình 1.12 Các điểm cơ bản trên mặt phẳng hoàng đạo64
1.6.2 Hệ trái đất qui ước
(Conventional Terrestrial System-CTS) – Gốc hệ trùng với trọng tâm Trái đất.
- Trục Z đi qua cực quay qui ước của Trái đất (CTP) là vị trí trung bình của trục quay Trái đất trong khoảng thời gian 1900÷1905.
- Trục X là giao tuyến của mặt phẳng xích đạo trung bình và mặt phẳng kinh tuyến Greenwich trung bình.
- Trục Y hợp với trục X, Z để tạo nên hệ toạ độ thuận chiều phải.
65
1.6.3. Khung quy chiếu Trái đất quốc tế (International Terrestrial Reference Frame-ITRF)
Từ giữa 1980, các nhà khoa học đã dùng GPS để đo chuyển động của lớp vỏ trái đất và mong muốn định nghĩa hệ tọa độ chính xác hơn.
Năm 1991 tổ chức IGS thành lập để hỗ trợ các hoạt động định vị vệ tinh.
Năm 1994 tổ chức này lập mạng lưới gồm 40 trạm đo cốt lõi khắp thế giới.
Định nghĩa khung tham khảo mới ITRF. Mỗi năm các kết quả quan trắc mới được xử lý để cho một hệ qui chiếu mới ITRFxxxx (xxxx ký hiệu năm).
66
1.6.3. Khung quy chiếu Trái đất quốc tế ITRF được nhận biết thông qua tọa độ X0ở thời điểm t0và vận tốc V các trạm đo IGS. Tọa độ vào thời điểm bất kỳ t được tính:
X(t) = X0+ V(t – t0)
t thường được tính theo đơn vị năm.
Hệ WGS84 đồng nhất với ITRF1991 vào t=1994.0.
Thông tin về ITFR có thể theo dõi tại Website:
http://itrf.ign.fr/ITRF_solutions/index.php
67
1.6.4 Hệ toạ độ WGS-84
Hệ toạ độ WGS 84 được định nghĩa bởi:
- Ellipsoid WGS 84,
- Gốc toạ độ trùng với tâm hệ Trái đất (bao gồm cả đại dương và khí quyển) với độ chính xác 1m,
- Định hướng các trục (định hướng của đường xích đạo ellipsoid và đường kinh tuyến gốc) trùng với đường xích đạo và đường kinh tuyến gốc của Uỷ ban giờ quốc tế tại thời điểm 1984.0.
68
- Từ 1984.0 định hướng các trục và của ellipsoid được thay đổi sao cho chuyển động trung bình của các mảng kiến tạo so với ellipsoid bằng 0.
Điều này bảo đảm trục Z của hệ quy chiếu WGS84 trùng với Cực quay quy chiếu quốc tế và kinh tuyến gốc của ellipsoid trùng với kinh tuyến quy chiếu quốc tế.
- Hình dạng và kích thước của ellipsoid WGS84 được xác định bởi cặp tham số bán kính lớn và độ dẹt.
- Giá trị vận tốc góc quay chuẩn của Trái đất và hằng số trọng lực trái đất được nhận theo các giá trị quy ước.
69
Một số lưu ý:
- Ellipsoid WGS 84 được xác định theo nghĩa thích hợp nhất với Geoid trên quy mô toàn cầu.
- Các trục của hệ toạ độ WGS 84 được thay đổi sao cho chuyển động trung bình của các mảng kiến tạo so với ellipsoid bằng 0 và do đó các đường kinh tuyến và vĩ tuyến của nó không cố định đối với một quốc gia cụ thể.
- Khách hàng GPS khai thác thông điệp đạo hàng quảng bá sẽ tính được toạ độ của mình trong hệ WGS 84. Khi sử dụng quỹ đạo vệ tinh chính xác từ Tổ chức IGS, ta sẽ nhận được toạ độ trong ITRF.
70
- Hiện nay Việt Nam cũng sử dụng ellipsoid WGS 84, được định vị cho thích hợp với lãnh thổ của mình trên cỡ 25 điểm đo GPS khá chính xác kèm theo đo thuỷ chuẩn chính xác trong hệ độ cao Hòn Dấu, nên gọi là hệ quy chiếu riêng. Đối với hệ quy chiếu địa phương kiểu này, tâm ellipsoid không trùng với tâm Trái đất và thậm chí trục của nó cũng không song song với các trục tương ứng của hệ WGS 84. Việt Nam xây dụng hệ quy chiếu riêng gọi là VN2000. Mỗi điểm trong số 25 điểm trên có sai số định vị cỡ 1÷3m trong hệ WGS 84.
71
1.6.5 Tính chuyển giữa các hệ toạ độ
Trước kỷ nguyên GPS, hệ toạ độ mặt phẳng và hệ toạ độ độ cao tách riêng độc lập nhau, ngoài ra hệ toạ độ mặt bằng không phải là địa tâm vì ellipsoid được định vị cho thích hợp nhất với lãnh thổ từng quốc gia. Cho nên, ta thường gọi chúng là hệ toạ độ địa phương.
Muốn chuyển từ hệ toạ độ địa phương sang hệ toạ độ toàn cầu WGS 84 (và ngược lại) cần biết 9 tham số tính chuyển, bao gồm hai tham số mô tả kích thước hình dáng của ellipsoid (a và f) và 7 tham số tính chuyển toạ độ không gian là 3 giá trị độ lệch gốc toạ độ, 3 giá trị góc quay Euler của trục toạ độ và 1 tham số về tỷ lệ dài. 72
Hình 1.13 Hệ toạ độ địa tâm và Hệ toạ độ địa phương
73
1.6.6 Các hệ độ cao
Độ cao của một điểm được định nghĩa là khoảng cách thẳng đứng tính từ mặt quy chiếu độ cao tới điểm đó. Mặt Geoid thường được chọn là mặt quy chiếu độ cao. Độ cao của một điểm so với mặt Geoid được gọi là độ cao chính; nó có thể dương (ở trên) hay âm (ở dưới Geoid). Loại độ cao này có ý nghĩa vật lý rõ ràng nên thường được sử dụng trong thực tiễn, vẽ nên mặt địa hình mặt đất.
Trong công nghệ GPS, độ cao điểm đo lại được quy chiếu về mặt ellipsoid, nên được gọi là độ cao trên mặt ellipsoid. Loại độ cao này không có ý nghĩa vật lý như độ cao chính, nên các thiết bị đo đạc khác, chẳng hạn toàn đạc không thể đo được.74
Hình 1.14 Các hệ độ cao
N: Khoảng cách giữa geoid và ellipsoid được gọi là độ cao geoid hoặc sóng geoid hay dị thường độ cao.
Mối quan hệ giữa độ cao trắc địa và độ cao thủy chuẩn: H = h + N
75