Nghiên cứu kết nối tọa độ giữa hệ quy chiếu VN 2000 với hệ quy chiếu ITRS

Chuẩn bị số liệu thực nghiệm kết nối tọa độ giữa Hệ quy chiếu VN-2000 với Hệ quy chiếu trái đất quốc tế ITRS .... Xác định các tham số kết nối giữa Hệ quy chiếu VN-2000 với Hệ quy chiếu

BỘ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI

LUẬN VĂN THẠC SĨ

NGHIÊN CỨU KẾT NỐI TỌA ĐỘ GIỮA

HỆ QUY CHIẾU VN-2000 VỚI HỆ QUY CHIẾU ITRS

CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT TRẮC ĐỊA - BẢN ĐỒ

NGHIÊM QUỐC DŨNG

HÀ NỘI, NĂM 2017

BỘ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI

LUẬN VĂN THẠC SĨ NGHIÊN CỨU KẾT NỐI TỌA ĐỘ GIỮA

HỆ QUY CHIẾU VN-2000 VỚI HỆ QUY CHIẾU ITRS

CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT TRẮC ĐỊA - BẢN ĐỒ

MÃ SỐ: 60520503

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

TS PHẠM THỊ HOA

HÀ NỘI, NĂM 2017

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI

Cán bộ hướng dẫn chính: TS Phạm Thị Hoa

Cán bộ chấm phản biện 1: PGS.TS Vy Quốc Hải

Cán bộ chấm phản biện 2: TS Vũ Văn Đồng

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại:

HỘI ĐỒNG CHẤM LUẬN VĂN THẠC SĨ TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI

Ngày 30 tháng 12 năm 2017

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan các nội dung, 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

TÁC GIẢ LUẬN VĂN

Nghiêm Quốc Dũng

LỜI CẢM ƠN

Luận văn này được hoàn thành dưới sự hướng dẫn của TS Phạm Thị Hoa, Trưởng khoa Trắc địa và Bản đồ, Trường Đại học Tài nguyên và Môi trường Hà Nội Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới Cô đã giúp đỡ, hướng dẫn và động viên tác giả trong suốt thời gian làm luận văn

Tác giả cũng xin trân trọng cảm ơn các Thầy giáo, Cô giáo Khoa Trắc địa và Bản đồ, Trường Đại học Tài nguyên và Môi trường Hà Nội về sự giúp đỡ tận tình, chu đáo trong suốt quá trình tác giả học tập và nghiên cứu tại Khoa

Tác giả chân thành cảm ơn sự hỗ trợ nghiên cứu của Đề tài cấp trường Đại học Tài nguyên và Môi trường Hà Nội: “Nghiên cứu kết nối tọa độ theo quan điểm động giữa các hệ quy chiếu trắc địa”, mã số 13.01.17.O.06

Xin trân trọng cảm ơn./

Hà Nội, ngày tháng 11 năm 2017

Tác giả luận văn

Nghiêm Quốc Dũng

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN ii

LỜI CẢM ƠN iii

MỤC LỤC iv

DANH MỤC CÁC BẢNG vii

DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ ix

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT x

THÔNG TIN LUẬN VĂN xii

MỞ ĐẦU 1

1 Tính cấp thiết của đề tài 1

2 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 2

3 Mục tiêu và nhiệm vụ của đề tài 2

4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 3

5 Phương pháp nghiên cứu 3

6 Cơ sở số liệu, tài liệu 5

7 Cấu trúc của Luận văn 5

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ HIỆN TRẠNG KẾT NỐI TỌA ĐỘ GIỮA CÁC HỆ QUY CHIẾU 6

1.1 Hệ quy chiếu ITRS 6

1.2 Hiện trạng kết nối hệ kết nối tọa độ giữa Hệ quy chiếu VN-2000 với Hệ quy chiếu ITRS 13

1.2.1 Khái quát Hệ quy chiếu VN-2000 13

1.2.2 Hiện trạng kết nối hệ kết nối tọa độ giữa Hệ quy chiếu VN-2000

với Hệ quy chiếu ITRS 17

1.3 Vấn đề nghiên cứu của Luận văn 17

Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT KẾT NỐI TỌA ĐỘ GIỮA CÁC HỆ QUY CHIẾU 19

2.1 Cơ sở lý thuyết kết nối tọa độ giữa các hệ quy chiếu theo quan điểm động19 2.2 Cơ sở lý thuyết kết nối tọa độ giữa Hệ quy chiếu VN-2000 với Hệ quy chiếu ITRS 22

Chương 3 THỰC NGHIỆM KẾT NỐI TỌA ĐỘ GIỮA HỆ QUY CHIẾU VN-2000 VỚI HỆ QUY CHIẾU ITRS 24

3.1 Chuẩn bị số liệu thực nghiệm kết nối tọa độ giữa Hệ quy chiếu VN-2000 với Hệ quy chiếu trái đất quốc tế ITRS 24

3.1.1 Số liệu thu thập ở Việt Nam 24

a Số liệu của các điểm thuộc lưới Châu Á - Thái Bình Dương 25

c Số liệu thuộc lưới Trắc địa biển 31

3.1.2 Số liệu quốc tế 35

3.2 Xác định các tham số kết nối giữa Hệ quy chiếu VN-2000 với Hệ quy chiếu ITRS theo thời điểm xét 38

3.2.1 Xác định vận tốc chuyển dịch của các điểm thuộc lưới Châu Á - Thái Bình Dương trong khung ITRF08 38

3.2.2 Xác định tọa độ các điểm thuộc lưới Châu Á - Thái Bình Dương trong khung ITRF08, thời điểm 2015.0 39

3.2.3 Xác định các tham số kết nối giữa Hệ quy chiếu VN-2000 với Hệ quy chiếu ITRS 41

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1 Bẩy tham số chuyển đổi từ WGS-84 (G873) sang ITRF94 (năm 1994) 12Bảng 3.1.Tọa độ các điểm thuộc lưới Châu Á - Thái Bình Dương trong khung ITRF08, thời điểm 2011.704 28Bảng 3.2.Tọa độ các điểm thuộc lưới Châu Á - Thái Bình Dương trong khung ITRF08, thời điểm 2015.69 29Bảng 3.3.Tọa độ các điểm thuộc lưới Châu Á - Thái Bình Dương trong Hệ VN-2000 31Bảng 3.4 Thông tin các điểm thuộc lưới Trắc địa biển 33Bảng 3.5.Tọa độ các điểm thuộc Trắc địa biển trong khung ITRF05, thời điểm 2016.764 34Bảng 3.6 Tọa độ các điểm thuộc Trắc địa biển trong Hệ VN-2000 34Bảng 3.7 Các tham số chuyển đổi từ ITRF2014 sang các ITRFyy tại thời điểm 2010.0 35Bảng 3.8.Các tham số chuyển đổi từ ITRF2008 sang các ITRFyy tại thời điểm 2000.0 36Bảng 3.9 Vận tốc chuyển dịch các điểm thuộc lưới Châu Á - Thái Bình Dương trong khung ITRF08 38Bảng 3.10.Tọa độ các điểm thuộc lưới Châu Á - Thái Bình Dương trong khung ITRF08, thời điểm 2015.0 40Bảng 3.11.Các tham số chuyển đổi từ ITRF2008 sang VN-2000 tại thời điểm 2015.0 41Bảng 3.12.Các tham số chuyển đổi từ ITRF2008 về ITRFyy tại thời điểm 2015.0 42

DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1.1 Giao diện trang ITRF 10Hình 3.1 Vị trí phân bố các điểm thuộc lưới Châu Á - Thái Bình Dương 30Hình 3.2 Vị trí phân bố các điểm thuộc lưới Trắc địa biển 32Hình 3.3.Chênh lệch giữa tọa độ VN-2000 được tính chuyển từ khung ITRF05 so với giá trị tọa độ VN-2000 đã biết 49

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

viết tắt

1 ITRS International Terrestrial

Reference System

Hệ quy chiếu trái đất quốc tế

2 ITRF International Terrestrial

Hệ thống định vị dẫn đường toàn cầu của Liên bang Nga

7 GPS Global Positioning System Hệ thống định vị toàn cầu

của Hoa Kỳ

8 IGS The International GNSS

Service

Dịch vụ GNSS quốc tế

9 USAF The United States Air Force Không lực Hoa Kỳ

10 CRS Celestial Reference System Hệ quy chiếu sao

11 CRS Conventional Celestial

Reference System

Hệ quy chiếu sao quy ước

12 BCRS The Barycentric celestial

reference system

Hệ quy chiếu sao nhật tâm

13 GCRS The Geocentric Celestial

Reference System

Hệ quy chiếu sao địa tâm

14 ETRS Earth Terrestrial Reference

Hệ quy chiếu trái đất

16 IERS The International Earth

Rotation Service

Cơ quan quốc tế về dịch vụ chuyển động quay Trái Đất

viết tắt

The International Earth Rotation and Reference Systems Service

Cơ quan quốc tế về dịch vụ chuyển động quay Trái Đất

và hệ quy chiếu

17 IUGG The International Union of

Geodesy and Geophysics

Liên đoàn Trắc địa và Địa vật lý quốc tế

18 IAU The International

Astronomical Union

Liên đoàn Thiên văn quốc tế

19 VLBI Very Long Base

THÔNG TIN LUẬN VĂN

Họ và tên học viên: Nghiêm Quốc Dũng

Cán bộ hướng dẫn: TS.Phạm Thị Hoa

Tên đề tài: Nghiên cứu kết nối tọa độ giữa Hệ quy chiếu VN-2000 với

Hệ quy chiếu ITRS

Hệ quy chiếu quốc tế ITRS đã được sử dụng rộng rãi trên toàn thế giới Trong xu thế đó, Việt Nam cần có mô hình toán học để chuyển đổi tọa độ giữa VN-2000 và ITRF nhằm nâng cao khả năng kết nối các thông tin không gian Luận văn đã xác định được mười bốn tham số kết nối tọa độ giữa hệ VN2000 và các khung quy chiếu ITRF trong hệ ITRS dựa trên số liệu của 10 điểm thuộc lưới Châu Á - Thái Bình Dương Kết quả kiểm tra cho thấy các tham số kết nối có độ tin cậy cao, đáp ứng được phần lớn các nhiệm vụ khoa học và thực tiễn với yêu cầu độ chính xác trung bình

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Ý tưởng hình thành hệ quy chiếu quốc tế (ITRS) có tính đến sự thay đổi của các yếu gốc (gốc toạ độ, trục toạ độ ) do hiện tượng tuế sai, chương động, chuyển dịch cực trái đất và chuyển động kiến tạo đã thành hiện thực bởi

cơ quan quốc tế về dịch vụ chuyển động quay của Trái Đất (IERS) IERS được thiết lập vào năm 1987 do sáng kiến của Liên đoàn Trắc địa và Địa vật

lý quốc tế (IUGG) và Liên đoàn Thiên văn quốc tế (IAU) Đến năm 2003, tổ chức này được đổi tên Cơ quan quốc tế về dịch vụ chuyển động quay của Trái Đất và hệ quy chiếu, tuy nhiên tên viết tắt vẫn là IERS

Hiện thực hoá Hệ quy chiếu ITRS tại một thời điểm cụ thể được gọi là khung quy chiếu quốc tế (ITRF) Tất các các khung quy chiếu đều cung cấp tọa độ các trạm tại thời điểm nhất định và vận tốc chuyển dịch cho từng thành phần tọa độ

Hiện nay, lịch vệ tinh chính xác, toạ độ các trạm IGS, định vị điểm đơn đều cho trong hệ ITRS Hiện nay khu vực Châu Á - Thái Bình Dương cũng đã hình thành lưới toạ độ khu vực mà mỗi nước (trong đó có Việt Nam)

có một số điểm tham gia mạng lưới Các trị đo của lưới đều được chỉnh lý về lưới IGS và trong khung quy chiếu ITRF

Hiện nay Hệ quy chiếu quốc gia VN-2000 chưa được kết nối đối với Hệ quy chiếu ITRS và sự thiếu hụt này đã gây ảnh hưởng không nhỏ đến cộng đồng trắc địa bản đồ ở Việt Nam bởi vì khung quy chiếu ITRF của Hệ ITRS được sử dụng rộng rãi, phổ biến hơn so với WGS-84 Đặc biệt, hiện nay hệ thống mạng lưới trạm GNSS CORS quốc gia đang được xây dựng; các trạm của mạng lưới sẽ được kết nối với mạng lưới IGS quốc tế nên sẽ có tọa độ

2.2 Ý nghĩa thực tiễn

Việc nghiên cứu kết nối tọa độ giữa Hệ quy chiếu VN-2000 và Hệ quy chiếu ITRS rất có ý nghĩa vì hầu hết các số liệu toàn cầu mà Việt Nam thường xuyên khai thác như lịch vệ tinh chính xác, tọa độ các trạm IGS, định vị điểm đơn đều cho trong Hệ ITRS Đặc biệt trong giai đoạn hiện nay, Cục Đo đạc, Bản đồ và Thông tin địa lý Việt Nam đang triển khai Dự án “Xây dựng mạng lưới trạm định vị toàn cầu bằng vệ tinh trên lãnh thổ Việt Nam” với mục tiêu

cơ bản và quan trọng bậc nhất là đảm bảo cung cấp dịch vụ số liệu hiệu chỉnh

độ chính xác cao, phục vụ cho tất cả các ứng dụng xác định vị trí và dẫn đường trong chế độ thời gian thực dựa trên nền tảng truyền số liệu qua Internet

3 Mục tiêu và nhiệm vụ của đề tài

3.1 Mục tiêu

Mục tiêu của Luận văn là xác định bộ tham số kết nối tọa độ giữa Hệ quy chiếu VN-2000 với Hệ quy chiếu ITRS

3.2 Nhiệm vụ

Để đạt được mục tiêu trên, Luận văn giải quyết các nhiệm vụ sau đây:

- Tổng quan về Hệ quy chiếu VN-2000 và Hệ quy chiếu ITRS;

- Hiện trạng kết nối hệ kết nối tọa độ giữa Hệ quy chiếu VN-2000 với Hệ quy chiếu ITRS;

- Cơ sở lý thuyết kết nối tọa độ giữa Hệ quy chiếu VN-2000 với Hệ quy chiếu ITRS;

- Lựa chọn nguồn số liệu đáp ứng yêu cầu bài toán kết nối tọa độ giữa

Hệ quy chiếu VN-2000 với các Hệ quy chiếu ITRS;

- Xác định bộ tham số kết nối tọa độ giữa Hệ quy chiếu VN-2000 với các

Hệ quy chiếu ITRS;

- Kết nối tọa độ giữa Hệ quy chiếu VN-2000 với Hệ quy chiếu ITRS và nhận xét, đánh giá kết quả

4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

5 Phương pháp nghiên cứu

5.1 Phương pháp phân tích và tổng hợp lý thuyết

Luận văn sử dụng phương pháp phân tích các tài liệu về nguồn gốc, xuất

xứ, đặc điểm, triển khai theo từng thời kỳ của các Hệ quy chiếu quốc tế ITRS

Luận văn sử dụng phương pháp tổng hợp nhằm liên kết thông tin từ nhiều nguồn tư liệu khác nhau để hình thành nên tổng quan về các Hệ quy chiếu quốc tế ITRS, tổng quan về chuyển đổi tọa độ giữa các khung quy chiếu trong cùng một Hệ quy chiếu quốc tế, tính chuyển giữa Hệ quy chiếu quốc tế với Hệ quy chiếu quốc gia VN-2000

5.2 Phương pháp phân loại và hệ thống hóa lý thuyết

Luận văn sử dụng phương pháp phân loại để sắp xếp nguồn tài liệu, tư liệu về Hệ quy chiếu trái đất ITRS, về Hệ quy chiếu quốc gia VN-2000, về các phương pháp tính chuyển tọa độ giữa các hệ quy chiếu theo quan điểm tĩnh và quan điểm động Sự phân loại được thực hiện dựa trên các khía cạnh như lý thuyết chung về hệ quy chiếu, khung quy chiếu, lịch sử hình thành các

hệ quy chiếu, các triển khai (các khung quy chiếu) trong từng Hệ quy chiếu ITRS, Hệ quy chiếu VN-2000, nguyên tắc chung để kết nối tọa độ giữa các

Hệ quy chiếu theo quan điểm tĩnh và quan điểm động, các bộ tham số gốc để kết nối giữa Hệ quy chiếu trái đất quốc tế

Sau khi phân loại tư liệu, Luận văn tiến hành hệ thống hóa các tri thức theo một trật tự lo-gic trong bài toán kết nối tọa độ giữa các Hệ quy chiếu: Đầu tiêu là kết nối giữa các khung trên cùng một Hệ quy chiếu quốc tế ITRS, tiếp theo là kết nối Hệ quy chiếu quốc tế ITRS với Hệ quy chiếu quốc gia VN-2000

5.3 Phương pháp thực nghiệm khoa học

Luận văn sử dụng phương pháp thực nghiệm khoa học để tính toán xác định tham số kết nối giữa Hệ quy chiếu ITRS và Hệ quy chiếu VN-2000 Sau khi xác định được bộ tham số, Luận văn tiến hành kết nối tọa độ giữa hai Hệ

và đánh giá độ tin cậy của bộ tham số xác định được

6 Cơ sở số liệu, tài liệu

Luận văn được hoàn thành trên cơ sở thu thập và sử dụng nguồn tư liệu, tài liệu thực tế đa dạng và phong phú Số liệu và tài liệu liên quan thu thập tại Cục Đo đạc, Bản đồ và Thông tin địa lý Việt Nam, báo cáo kết quả bình sai lưới Châu Á - Thái Bình Dương do nước Úc công bố,

7 Cấu trúc của Luận văn

Luận văn được xây dựng với bố cục gồm có 03 chương và 02 phần là Phần mở đầu và Phần kết luận, đánh máy trên khổ giấy A4

Ngoài ra, Luận văn còn kèm theo các bảng biểu, hình ảnh và phụ lục

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ HIỆN TRẠNG KẾT NỐI TỌA ĐỘ

GIỮA CÁC HỆ QUY CHIẾU 1.1 Hệ quy chiếu ITRS

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 tọa độ cùng sự biến đổi của nó theo thời gian Hệ quy chiếu trái đất bao gồm định nghĩa về hệ tọa độ không gian (3D) (có các tham số hình học xác định) và các tham số vật lý liên quan [1]

Khung quy chiếu là triển khai hệ quy chiếu trên thực tế bởi tập hợp các điểm tồn tại trên mặt đất (đối với khung quy chiếu trái đất) hoặc tồn tại trong không gian (đối với hệ quy chiếu sao), được quan trắc, xử lý và xác định tọa

độ cùng sự thay đổi của chúng trong hệ quy chiếu đó [1]

Trước đây, hai khái niệm trên thường không phân biệt rõ ràng và thường

sử dụng lẫn cho nhau Với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật trong lĩnh vực trắc địa đòi hỏi phải phân biệt rõ ràng những khái niệm trên [1] Như vậy, một hệ quy chiếu được xây dựng bởi các quy tắc, quy định về

hệ tọa 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 bằng tọa độ của các thiên thể (đối với hệ quy chiếu thiên thể) hoặc tọa độ của các điểm trên mặt đất (đối với

hệ quy chiếu trái đất) xác định trong hệ quy chiếu đó, khi đó ta đã có một khung quy chiếu Về bản chất, khung quy chiếu là thực thi một hệ quy chiếu [1] Xác định hệ quy chiếu tức là xác định gốc toạ độ và hệ trục cơ sở toạ độ

để dựa vào đó có thể biểu diễn được tất cả các điểm trong không gian

Hệ quy chiếu có thể được chia làm hai loại:

- Các hệ quy chiếu cố định trong không gian (Space-Fixed Reference Systems) còn gọi là các hệ quy chiếu thiên thể hay hệ quy chiếu sao (CRS)

Hệ quy chiếu này được dùng để nghiên cứu chuyển động của các sao, các hành tinh và các vệ tinh Gốc toạ độ có thể chọn là trọng tâm của Mặt trời, cũng có thể chọn là trọng tâm của 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 một điểm tưởng tượng nằm ở xa vô cực, được chọn làm phương khởi đầu của hệ toạ độ Nếu gốc toạ độ chọn ở trọng tâm Mặt trời, được gọi là hệ quy chiếu sao nhật tâm BCRS Nếu gốc toạ độ chọn ở trọng tâm Trái đất, thì được gọi là

Hệ quy chiếu sao địa tâm (GCRS)

Chúng ta biết rằng, Trái đất liên tục chuyển động quay quanh trục và chuyển động quanh Mặt trời Do ảnh hưởng của tuế sai (Precession) và chương động (Nutation) 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 (Conventional Celestial Reference System) tương ứng với một thời điểm quy ước

- Các hệ quy chiếu cố định với Trái đất (ETRS), gọi tắt là các hệ quy chiếu trái đất (ITRS);

Do không thể sử dụng hệ quy chiếu sao để thể hiện vị trí các điểm trên

bề mặt trái đất vì trong hệ đó toạ độ điểm luôn thay đổi theo thời gian (do chuyển động quay của Trái đất quanh trục) Để thể hiện vị trí các điểm trên bề mặt trái đất, cần thiết sử dụng các hệ quy chiếu cố định với Trái đất (TRS) Trong hệ quy chiếu cố định với trái đất, hệ tọa độ cùng tham gia chuyển động quay của Trái đất nên toạ độ các điểm trên mặt đất sẽ không thay đổi do

là một hệ động mới có thể mô tả được đầy đủ các biến động của thế giới thực

Từ thực tế đó đã xuất hiện khái niệm hệ quy chiếu động (Kinematic Reference System) và khung quy chiếu động (Kinematic Reference Frame)

Ý tưởng hình thành hệ quy chiếu trái đất quốc tế (ITRS) có tính đến sự thay đổi của các yếu gốc (gốc toạ độ, trục toạ độ ) do hiện tượng tuế sai, chương động, chuyển dịch cực trái đất và chuyển động kiến tạo đã thành hiện thực bởi cơ quan quốc tế về Dịch vụ chuyển động quay của Trái Đất (IERS) IERS được thiết lập vào năm 1987 do sáng kiến của Liên đoàn Trắc địa và Địa vật lý quốc tế (IUGG) và Liên đoàn Thiên văn quốc tế (IAU) Đến năm

2003, tổ chức này được đổi tên Cơ quan quốc tế về dịch vụ chuyển động quay của Trái Đất và Hệ quy chiếu quốc tế, tuy nhiên tên viết tắt vẫn là IERS Theo IERS, các thông số liên quan tới Hệ quy chiếu trái đất quốc tế (ITRS) cần phải được xác định gồm: điểm gốc, hướng, hệ số tỉ lệ và thời gian ITRS được định nghĩa như sau [2]:

- Đơn vị đo dài hệ quy chiếu là mét (hệ SI) và chiều dài được định nghĩa

ở hệ quy chiếu khu vực cùng chuyển động với Trái đất phù hợp ý tưởng thuyết tương đối của lực trọng trường

- Mô hình vận tốc các điểm không tạo ra phần xoay liên quan tới vỏ Trái đất GRS-1980 có các tham số hình học [3]:

+Bán trục lớn a = 6378137.0 m; Độ dẹt f = 1/298,257222101 và các tham số vật lý:

+ Hằng số trọng trường tổng hợp: GM=3986005.108m3/s2

+ Tốc độ quay của trái đất: = 7292115.10-11rad/s

+ Tham số hình dạng động học của Trái đất: J2=108263.10-8

+ Thế trọng trường chuẩn trên Ellipsoid: U0=62636860.850 m2/s2

+ Trọng lực chuẩn trên xích đạo: e =9.7803267715 m/s2

+Trọng lực chuẩn tại cực: p = 9.8321863685 m/s2

Hiện thực hoá hệ quy chiếu ITRS tại một thời điểm cụ thể được gọi là khung quy chiếu quốc tế (ITRF) [4, 5, 6] ITRF được thiết lập trên cơ sở kết hợp các tệp tọa độ các trạm đo (Sets of Station Coordinates - SSC) và vận tốc được xác định từ các quan trắc của các phương pháp đo trắc địa không gian như VLBI, LLR, SLR, GPS (từ năm 1991) và DORIS (từ 1994) Toạ độ của các SSC được quan trắc và tính toán liên tục theo thời gian, vì vậy toạ độ và vận tốc của các điểm là đại lượng biến thiên theo thời gian và do đó sẽ có

nhiều sản phẩm ITRF khác nhau và gọi chung là ITRFyy yy có ý nghĩa về dấu mốc thời gian, toàn bộ số liệu từ năm yy trở về trước được sử dụng để xác định ra ITRFyy Cho đến nay đã có ITRF88, 89, 90, 91, 92, 93, 94, 96, 97,

2000, 2005 và 2008, ITRF2014 [7, 8, 9, 10] Tất cả các khung quy chiếu đều cung cấp tọa độ các trạm tại thời điểm nhất định và vận tốc chuyển dịch cho từng thành phần tọa độ Tuy nhiên, đối với ITRF2014, ngoài hai dữ liệu trên còn có thêm thông tin về biến dạng sau địa chấn [11]

Hình 1.1 Giao diện trang ITRF

Để tính chuyển giữa các phiên bản của ITRF, IERS cung cấp 7 tham số tính chuyển, bao gồm 3 tham số dịch gốc địa tâm, 3 tham số góc xoay hướng trục tọa độ và 1 tham số tỷ lệ chiều dài tại một thời điểm cụ thể

Tất cả các thông tin, số liệu liên quan tới ITRF có thể khai thác từ trang Web của tổ chức ITRS: http://itrf.ensg.ign.fr/

Tổ chức dịch vụ GPS trong nghiên cứu địa động lực (IGS) do IAG thành lập gồm khoảng 200 cơ quan đo đạc trên thế giới tham gia đã thiết lập lưới trắc địa quốc tế IGS gồm trên 300 trạm GPS (ban đầu 140 điểm) có máy thu được đặt cố định, liên tục thu tín hiệu của hệ thống GNSS IGS cung cấp cho IERS các số liệu nhằm nâng cao chất lượng ITRF Từ khi bắt đầu hoạt động, các trung tâm phân tích của IGS đã sử dụng ITRF để tính toán quỹ đạo trên một số lưới thành phần Lịch vệ tinh chính xác của IGS được xác định trong

hệ thống toạ độ ITRF Hiện nay khu vực Châu Á - Thái Bình Dương cũng đã hình thành lưới toạ độ khu vực mà mỗi nước có một số điểm tham gia mạng lưới Các trị đo của lưới đều được chỉnh lý về lưới IGS và hệ thống toạ độ ITRF ITRF được coi là tiêu chuẩn chung nhằm đảm bảo sự tích hợp giữa các

hệ thống thông tin không gian vì các lý do sau đây:

- Hiện nay, hầu hết các hệ tọa độ toàn cầu và khu vực đều tương thích hoặc có mối liên hệ với ITRF [12]

- Nhiều quốc gia đang trên tiến trình hiện đại hóa hệ tọa độ quốc gia theo hướng tương thích với ITRF [12]

- Các hệ thống định vị vệ tinh toàn cầu đều sử dụng hệ tọa độ tương thích với ITRF [12]

- Các trạm của mạng lưới GNSS trên toàn thế giới dễ dàng có được tọa

độ trong khung ITRF trên cơ sở sử dụng các sản phẩm của IGS [12]

Chương trình IGS bắt đầu khởi động từ tháng 1 năm 1994, sau 1 năm hoạt động đã xác định được hệ quy chiếu động đầu tiên ITRF94 (năm 1994)

So sánh hệ thống WGS-84 (G873) với ITRF94 bằng chuyển đổi toạ độ qua 7 tham số cho thấy 2 hệ thống này không chênh nhau nhiều, cụ thể trong bảng sau:

Bảng 1.1 Bẩy tham số chuyển đổi từ WGS-84 (G873) sang ITRF94 (năm 1994)

Nội dung

Độ lệch toạ độ tâm ellipsoid Góc xoay Ơ le Tỷ lệ dài

Giá trị -1,2cm 1,1cm 0,4cm -0,0002” 0,0004” 0,0005” -0,6 10-9Phương sai 2,6cm 1,7cm 1,4cm 0,0003” 0,0002” 0,0003” 0,2 10-9Trong chu kỳ quan trắc đầu tiên này độ lệch giữa hệ thống WGS-84 (G873) và hệ ITRF94 có giá trị không lớn, cỡ 1cm về vị trí và 0”0004 về góc xoay Cho đến hiện nay giá trị này cũng không chênh lệch nhiều về tổng thể (cỡ vài cm) và trong phạm vi đo đạc thông thường có thể đồng nhất giữa 2 hệ toạ độ WGS-84 và ITRF

Điều quan trọng là IGS đã tăng độ chính xác cho công nghệ GPS (thông qua việc nâng cao độ chính xác toạ độ vệ tinh) và dự báo các chuyển động vỏ Trái đất tại nhiều khu vực khác nhau Ngoài ra, lưới toạ độ quốc tế IGS hiện đang phát huy tác dụng tích cực trong vai trò liên kết các lưới lục địa và lưới khu vực Hãy lưu ý là các điểm IGS được đặt máy GPS quan trắc liên tục 24 giờ mỗi ngày, trị đo thu được được phát ngay lên vệ tinh viễn thông

INMARSAT để truyền về trung tâm dữ liệu toàn cầu Sau chỉnh lý các số liệu được cung cấp cho các trung tâm dữ liệu khu vực Tại đây mỗi người dùng có thể lấy dữ liệu thông qua Internet, các kênh truyền dữ liệu hoặc CD ROM Các mạng lưới trắc địa khu vực, lục địa hay quốc gia có thể đo đạc vào bất cứ thời điểm nào cũng có thể được nối vào lưới IGS thông qua các tệp trị đo nhận được từ các trung tâm dữ liệu khu vực trong cùng thời gian đo

1.2 Hiện trạng kết nối hệ kết nối tọa độ giữa Hệ quy chiếu VN-2000 với Hệ quy chiếu ITRS

1.2.1 Khái quát Hệ quy chiếu VN-2000

Từ năm 1858 đến năm 1954: Lưới khống chế trắc địa đã được xây dựng tại các khu vực thành phố hoặc các khu công nghiệp (Sài Gòn cũ năm 1873, Hải Phòng năm1874, Vinh năm 1877, Đà Nẵng năm 1907, Nha Trang năm 1913, Côn Sơn năm 1923, Bạc Liêu năm 1933, Cam Ranh năm 1949) với hệ toạ độ được xác lập trên ellipsoid Clarke, điểm gốc đặt tại Hà Nội và phép chiếu hình nón giả đồng diện tích Bonne Các lưới này không có sự liên kết với nhau Sau năm 1954, hệ toạ độ ở miền Nam là hệ Indian (Nam Á) được xác lập trên khối Everest định vị tại điểm gốc ở Ấn Độ và phép chiếu UTM Hệ tọa

độ này xây dựng chung cho Campuchia và Nam Việt Nam, có 2 điểm gốc ở Campuchia được đo nối với lưới của Thái Lan bằng kỹ thuật vệ tinh SECOR

Hệ toạ độ ở Miền Bắc được xác lập trên khối ellipsoid Krasovski định vị tại điểm gốc Pulkovo thuộc Liên Xô và phép chiếu Gauss - Kriuger Từ Pulkovo tọa độ được dẫn qua điểm Ngũ Lĩnh của Trung Quốc, sau đó chuyển về mạng lưới tam giác hạng I thuộc khu Đông Bắc của Miền Bắc Mạng lưới khu Đông Bắc được bình sai độc lập Toạ độ sau bình sai của các điểm thuộc lưới khu Đông Bắc được lấy làm số liệu gốc để bình sai mạng lưới tam giác hạng I khu Tây Bắc và khu Bắc Trung Bộ

và Tây Nguyên được xây dựng từ năm 1991 đến năm 1993

Như vậy, đến năm 1993, trên toàn bộ lãnh thổ Việt Nam đã dùng Hệ tọa

độ HN-72 (điểm khởi tính tọa độ được đặt ở Láng), mạng lưới toạ độ bao gồm các lưới khu vực riêng rẽ với các điểm gốc khác nhau

Hệ quy chiếu Hà Nội -72 yếu điểm là [13]:

- Ellipsoid thực dụng chưa được định vị tại Việt Nam;

- Thiếu tính thống nhất và độ chính xác không đồng đều

Vì thế, từ những năm 90 của thế kỷ trước, vấn đề thiết lập một hệ toạ độ mới đảm bảo sự phù hợp và thống nhất cho lãnh thổ Việt Nam đã được đặt ra

Từ năm 1992 đến 1994, Cục Đo đạc và Bản đồ đã xây dựng một hệ tọa độ mới của Việt Nam (VN-1994) với điểm tọa độ gốc là điểm 10405 (Láng-Hà Nội) trên cơ sở sử dụng toàn bộ số liệu về mạng lưới tam giác hạng I, II của

cả nước và số liệu Dopler vệ tinh để tiến hành định vị ellipsoid thực dụng và bình sai lại lưới tọa độ nhà nước Tuy nhiên hệ toạ độ này chưa đưa vào sử dụng vì chưa kịp trình Chính phủ ban hành thì tổ chức của ngành Đo đạc và Bản đồ có sự thay đổi nên công trình xây dựng hệ tọa độ mới đã tạm dừng lại

để bổ sung và hoàn thiện thêm

Để thống nhất các mạng lưới toạ độ đã có ở trong nước và thuận lợi cho

xu thế hội nhập quốc tế, năm 1995 Tổng cục Địa chính đã quyết định xây dựng lưới toạ độ GPS cấp “0” bằng công nghệ GPS cạnh dài phủ trùm cả nước Trên cơ sở tập hợp số liệu của các mạng lưới trên toàn lãnh thổ được xây dựng qua nhiều thời kỳ, từ năm 1998 đến 1999, Tổng cục Địa chính đã triển khai công trình “Xây dựng hệ quy chiếu và hệ tọa độ quốc gia” [13] Ngày 12 tháng 7 năm 2000, Thủ tướng Chính phủ ký Quyết định số 83/2000/QĐ-TTg về việc sử dụng Hệ quy chiếu và Hệ toạ độ quốc gia VN-2000 (sau đây gọi tắt là Hệ quy chiếu VN-2000) áp dụng thống nhất trong cả nước, thay thế Hệ quy chiếu và Hệ tọa độ HN-72 trước đây [14]

Hệ quy chiếu VN-2000 sử dụng Ellipsoid quy chiếu WGS-84 định vị tại Việt Nam được định vị phù hợp với lãnh thổ Việt Nam trên cơ sở sử dụng 25 điểm GPS có độ cao thuỷ chuẩn phân bố đều trên toàn lãnh thổ Hệ quy chiếu VN-2000 sử dụng lưới chiếu toạ độ phẳng UTM theo hệ thống phân mảnh quốc tế và hệ thống danh pháp bản đồ hiện hành của Việt Nam có chú thích danh pháp quốc tế [13]

Để tìm mối liên kết giữa Hệ quy chiếu VN-2000 với Hệ quy chiếu WGS-84 quốc tế, hai giải pháp đã được áp dụng: một là đo GPS độc lập theo 24 giờ quan trắc tại một số điểm của lưới cấp “0”, hai là tiến hành đo nối toạ độ một

số điểm của lưới toạ độ cấp “0” với các lưới toạ độ quốc tế Cuối cùng, phương án sử dụng kết quả đo toạ độ tuyệt đối đã được lựa chọn

Toạ độ trong Hệ quy chiếu WGS-84 quốc tế tại nước ta được sử dụng: một là để tăng cường độ chính xác cho công nghệ GPS, hai là giải quyết các bài toán liên hệ toạ độ khi cần thiết như dẫn đường hàng không, hàng hải, hoạch định biên giới, , ba là đáp ứng nhu cầu giải các bài toán toàn cầu là

- Tham số dịch chuyển gốc tọa độ:

Do hệ WGS-84 được thường xuyên cập nhật và các điểm nằm trên lãnh thổ Việt Nam cũng bị chuyển dịch theo thời gian nên trong [13] cũng đã đề xuất, mỗi năm sẽ có một bộ 7 tham số động để tính chuyển toạ độ giữa hệ quốc gia và hệ quốc tế Tuỳ theo từng mục đích sử dụng chúng ta sẽ cấp toạ

độ quốc tế có độ chính xác phù hợp

số tính chuyển giữa Hệ tọa độ quốc tế WGS-84 và Hệ tọa độ quốc gia VN-2000 Tuy nhiên, hiện nay chưa có công trình khoa học cũng như văn bản Nhà nước nào công bố về các tham số tính chuyển của Hệ quy chiếu VN-2000 với Hệ quy chiếu ITRS Sự thiếu hụt này đã gây ảnh hưởng không nhỏ đến cộng đồng trắc địa bản đồ ở Việt Nam bởi vì Hệ quy chiếu ITRS được sử dụng rộng rãi, phổ biến hơn so với WGS-84 [12] Hầu hết các số liệu toàn cầu mà Việt Nam thường xuyên khai thác như lịch vệ tinh chính xác, toạ độ các trạm IGS, định vị điểm đơn, đều cho trong Hệ ITRS Đặc biệt, hiện nay hệ thống mạng lưới trạm GNSS CORS quốc gia đang được xây dựng, các trạm của mạng lưới sẽ được kết nối với mạng lưới IGS quốc tế nên sẽ có tọa độ ITRF chính xác Rõ ràng, để đáp ứng được quy định pháp lý, dữ liệu tọa độ các trạm cần được chuyển về Hệ tọa độ VN-2000 Hiện nay xu thế kết nối toạ độ quốc gia với toạ độ quốc tế ITRS là xu thế chủ đạo của phần lớn các nước trên thế giới

1.3 Vấn đề nghiên cứu của Luận văn

Như trên đây đã phân tích, Hệ quy chiếu ITRS đã, đang và sẽ là tiêu chuẩn chung nhằm đảm bảo sự tích hợp giữa các hệ thống thông tin không gian nên việc xác định được mô hình kết nối tọa độ giữa hệ này với Hệ quy chiếu quốc gia VN-2000 là yêu cầu cấp thiết và có tính thực tiễn rõ ràng

Để đạt được mục tiêu này, Luận văn cần thực hiện các nội dung nghiên cứu sau:

- Cơ sở lý thuyết kết nối tọa độ giữa các Hệ quy chiếu theo quan điểm động

- Cơ sở lý thuyết kết nối tọa độ giữa Hệ quy chiếu VN-2000 với Hệ quy chiếu ITRS

- Thực nghiệm xác định bộ tham số kết nối tọa độ giữa Hệ quy chiếu VN-2000 với Hệ quy chiếu ITRS

2 ( T (1 D)R X

trong đó: X(2) là véc tơ tọa độ trong hệ quy chiếu 2, X(1) là véc tơ tọa độ hệ quy chiếu 1; T là véc tơ chuyển dịch gốc tọa độ, D là hệ số tỉ lệ, R là ma trận góc xoay (biểu diễn theo radian) [2, 3]:

1

1 2

1 3

2 3

R R

R R

R R

Vì D là đại lượng nhỏ, chúng ta có thể bỏ qua số hạng bậc 2, nên 1 có thể biểu diễn thành [16, 2]:

) 1 ( )

1 ( )

1 ( )

2

) t ( Y

) t ( X 0 ) t ( 1 R ) t ( 2 R

) t ( 1 R 0

) t ( 3 R

) t ( 2 R ) t ( 3 R 0

) t ( Z

) t ( Y

) t ( X ) t ( D ) t ( 3 T

) t ( 2 T

) t ( 1 T )

t (

Z

) t (

Y

) t (

- [X(t) Y(t) Z(t)](2)T là véc tơ tọa độ địa tâm của hệ quy chiếu 2 tại thời điểm t

- [X(t) Y(t) Z(t)](1)T là véc tơ tọa độ địa tâm của hệ quy chiếu 1 cần chuyển tại thời điểm t

- [T1(t) T2(t) T3(t)]T là véc tơ dịch chuyển gốc tọa độ tại thời điểm t

- R1(t), R2(t), R3(t) là các yếu tố góc lệch giữa các trục tọa độ giữa hai

hệ quy chiếu tại thời điểm t

- D(t) là sự khác nhau về tỷ lệ dài tại thời điểm t

Công thức xác định 7 tham số tính chuyển tại thời điểm t:

).(

1)(1)(

1t T t0 T t t0

)tt.(

2T)t(2T)t(2

T  0    0

)tt.(

3T)t(3T)t(3

T  0    0

)tt.(

D)t(D)t(

D  0    0

)tt.(

1R)t(1R)t(1

R  0    0

)tt.(

2R)t(2R)t(2

R  0    0

)tt.(

3R)t(3R)t(3

R  0    0

Trong đó: t là thời điểm tính, t0 là thời điểm ban đầu (thời điểm 7 tham

số chuyển đổi gốc được áp dụng); T1(t0), T2(t0), T3(t0) là véc tơ dịch chuyển gốc tọa độ tại thời điểm t0; R1(t0), R2(t0), R3(t0) là các yếu tố góc lệch giữa các trục tọa độ giữa hai hệ tại thời điểm t0; D(t0) là sự khác nhau tại thời điểm

t0; Ký hiệu với dấu (.) ở phía trên là giá trị đạo hàm theo thời gian

Công thức xác định tọa độ trong hệ quy chiếu 1 tại thời điểm t [2, 3]:

) 1 ( 0 0

0 0

) 1 ( 0 0 0

) 1

)(

)()()

(

)(

)(

)(

)(

)(

t V

t V t t t

Z

t Y

t X

t Z

t Y

t X

Z Y X

Trong công thức (4): X(t0), Y(t0), Z(t0) là tọa độ trong hệ quy chiếu 1 tại thời điểm t0 và VX, VY, VZ là vận tốc chuyển dịch của tọa độ X, Y, Z trong khung quy chiếu 1

Theo công thức trên đây, bài toán tính chuyển tọa độ giữa các hệ quy chiếu được thực hiện theo quy trình sau:

- Xác định thời gian tính chuyển (giả sử thời điểm t);

- Xác định các tham số tính chuyển tại thời điểm t theo công thức (3) và tọa độ điểm trong khung quy chiếu 1 tại thời điểm t theo công thức (4);

- Đồng nhất về đơn vị giữa tọa độ và các tham số;

- Thực hiện tính chuyển tọa độ theo công thức (2)

Ngoài mối quan hệ về tọa độ, khi kết nối theo quan điểm động còn có thể xẩy ra trường hợp phải giải quyết vấn đề kết nối vận tốc Tương ứng tại hai thời điểm khác nhau, sẽ có hai phương trình dạng 1 Trừ hai phương trình và

bỏ qua số hạng bậc cao, ta sẽ có công thức tính chuyển vận tốc giữa các khung quy chiếu [2, 3]:

X2  X1 TDX1 D X1RX1R X1

, (5) Trong đó X ,X ,T,D ,R

1 ( )

1 ( Z

)t(Y

)t(X

01R2R

1R0

3R

2R3R0

)t(Z

)t(Y

)t(XD3T

2T

1T

Để xác định 14 tham số chuyển đổi tọa độ giữa Hệ quy chiếu VN-2000

và khung quy chiếu ITRF (trong Hệ ITRS) dựa trên phương pháp số bình phương nhỏ nhất, các phương trình (1) và (6) được viết lại dưới dạng tương đương như sau [2]:



A X X RX

DX T X

)(A T P x A 1A T P x X2 X1

) (