2.6 HEÔ TỐ Đ, THAM CHIÍU THỜI GIAN GPS
2.6.1 Giới thiu h tố đ
2.6.1.1 Câc mođ hình bieơu din trâi đđt
a) Geoid
Geoid lă mt maịt tôn hĩc xđp xư tơt nhđt dâng hình hĩc thực cụa trâi đđt vă được định nghĩa: Geoid lă maịt nước bieơn trung bình yeđn tĩnh, trại rng xuyeđn qua câc lúc địa tâo thănh mt maịt cong khĩp kín, phâp tuyín tâi mi đieơm thuc beă maịt geoid luođn luođn trùng với phương cụa dađy dĩi đi qua đieơm đĩ. Phương cụa dađy dĩi được xâc định lă phương đi qua trĩng tađm cụa trâi đđt. Đađy lă phương cụa trĩng lực tâc dúng leđn chđt đieơm đaịt tâi vị trí đĩ. Do phađn bơ cụa trường trĩng lực trâi đđt rđt phức tâp neđn khođng theơ cĩ mođ hình tơn hĩc đeơ bieơu din. Do vy, Geoid khođng phại lă maịt tơn hĩc. Caăn phađn bit khâi nim Geoid với mođ hình Geoid.
Mt mođ hình Geoid lă mt định nghĩa tơn hĩc mođ tạ sự khâc nhau đ cao WGS-84 vă đ cao địa phương so với mực nước bieơn trung bình (MSL: mean sea level). Nĩ xâc định mực nước bieơn trung bình tređn mt địa phương năo đĩ.
Geoid lă mt beă maịt đẳng trĩng lực xđp xư mực nước bieơn trung bình, vector trĩng lực đoăng thời lă vector phâp tuyín tâi mi vị trí bđt kỳ tređn maịt Geoid. Mođ hình Geoid hay moơt taơp tin lưới Geoid lă mt bạng câc giâ trị phađn câch giữa hai beă maịt Geoid và Ellipsoid.
Giâ trị sự phađn câch giữa Geoid vă Ellipsoid (N) nhn được trong mođ hình Geoid lă hiu cụa cao đ ellipsoid (H) với mt đieơm đaịt trưng rieđng. Kít quạ cụa vic dùng mođ hình Geoid lă giâ trị cao đ h cụa mt đieơm phía tređn mực nước bieơn trung bình (Maịt Geoid).
N H h
Beă maịt trâi đđt
Geoid
b) Ellipsoid (còn gĩi lă sphereoid)
Trong h tĩa đ địa lý, kích thước vă hình dâng beă maịt cụa beă maịt trâi đđt được xđp xư bởi mt maịt caău (sphere) hoaịc phỏng caău (spheroid hoaịc Ellipsoid)ù. Maịc dù trâi đđt cĩ hình dâng chư gaăn giođng quạ caău tuy nhieđn đođi lúc trâi đđt văn được xem cĩ hình caău nhaỉm đơn giạn hơ vic tính tơn. Câc giạ thiít cho raỉng trâi đđt cĩ hình caău lă hợp lý cho câc bạn đoă tỷ l nhỏ hơn 1:5.000.000. tỷ l năy sự khâc nhau giữa hình caău vă hình phỏng caău cụa trâi đđt haău như khođng đâng keơ. Tuy nhieđn, đeơ đạm bạo đ chính xâc cho câc bạn đoă tỷ l lớn hơn khoạng 1:1.000.000, vic sử dúng mt maịt phỏng caău đeơ bieơu din hình dâng trâi đđt được gĩi lă ellipsoid hoaịc sphereoid lă caăn thiít.
Maịt ellipsoid lă mt mođ hình tơn hĩc cụa trâi đđt, được thănh lp khi quay moơt ellipse xung quanh trúc nhỏ cụa nĩ. Đơi với câc ellipsoid sử dúng đeơ mođ hình hơ trâi đđt thì trúc nhỏ cụa nĩ trùng với trúc cực cụa trâi đđt (trúc quay cụa trâi đđt) vă trúc lớn chính lă trúc xích đâo. Mt ellipsoid được xâc định hoăn toăn thođng qua chieău dài cụa hai trúc hoaịc thođng qua chieău dăi cụa mt trúc vă đ dĩt cụa nĩ hoaịc đ dăi cụa mt trúc vă đ lch tađm cụa nĩ.
Moơt maịt caău được xađy dựng tređn cơ sở mt đường trịn trong khi moơt spheroid (ellipsoid) được xađy dựng tređn cơ sở mt ellipse. Hình dâng cụa mt ellipse được định nghĩa bởi hai bân kính. Bân kính dăi hơn gĩi lă bân trúc lớn cịn bân kính ngaĩn hơn gĩi bân trúc nhỏ. Ellipse năy quay quanh bân trúc nhỏ cụa nĩ tâo neđn mt Spheroid.
Mt spheroid cũng được xâc định baỉng hai bân trúc, mt bân trúc lớn lă a vă mt bân trúc nhỏ lă b hoaịc lă a vă đ dĩt (flattening). Đ dĩt lă sự khâc nhau veă chieău dăi giữa hai
Trúc phú
Bân trúc chính Bân trúc phú
Trúc chính
Hin nay cĩ rđt nhieău ellipsoid được sử dúng. Mt Ellipsoid tieđu bieơu xđp xư mođ hình beă maịt trâi đđt cĩ giâ trị được cho như sau:
a = 6378137.0 meters 1/f = 298.257223563
Đ dĩt thay đoơi trong phâm vi từ 0 đín 1. Mt giâ trị đ dĩt baỉng 0 nghĩa lă hai bân trúc baỉng nhau. Đ dĩt cụa trâi đđt văo khoạng xđp xư 0.00335. Mt h sơ khâc lă bình phương cụa đ lch tađm e cũng giơng như đ dĩt cũng thường được dùng đeơ mođ tạ hình dâng moơt spheroid.
2 2 2 2 a b a e
Tĩm lâi, mt ellipsoid được xâc định thođng qua mt trong câc b thođng sơ: bân trúc lớn a vă bân trúc nhỏ lă b hoaịc bân trúc lớn a vă đ dĩt f hoaịc bân trúc lớn a vă bình phương
đ lch tađm e2.
2.6.1.2 H tố đ địa lý
a) Giới thiu
Mt h tố đ địa lý (GCS: Geographic Coordinate System) bao goăm mt ellipsoid quy chiíu gaĩn văo trâi đđt vă mt h tố đ định vị trong ellipsoid năy. Mt h tố đ địa lý thường được gĩi khođng chaịt chẽ mđy lă h tố đ (datum), nhưng thực tí h tố đ chư lă mt b phn cụa h tố đ địa lý.
Mt h tố đ địa lý bao goăm đơn vị tính cho gĩc đo, mt kinh tun gơc vă mt h tố đ đaịt tređn mt spheroid. Mt đơi tượng được tham chiíu bởi giâ trị kinh tun vă vĩ tun vă đ cao cụa nĩ (, , h). Câc giâ trị kinh đ vă vĩ đ lă câc gĩc đo từ trĩng tađm trâi đđt đín mt đieơm tređn beă maịt trâi đđt. Câc gĩc năy được đo baỉng đ hoaịc gradian.
Trong h thơng caău câc đường ngang (đường đođng tađy ) cụa vĩ tun tương ứng thì song song với nhau. Câc đường đứng (đường baĩc nam) lă câc đường cụa câc kinh tuyín tương
Trúc cực (Bân trúc chính)
Trúc xích đâo (Bán trúc phú)
ứng (longitudes hoaịc meridians). Những đường năy bao quanh quạ caău trâi đđt vă tâo neđn mt mâng lưới được gĩi lă lưới kinh vĩ.
b) Câc h tố đ địa lý
Mt spheroid xđp xư hình dâng cụa trâi đđt, mt h tố đ gaĩn tređn nĩ sẽ xâc định vị trí cụa spheroid đơi với tađm trâi đđt. Mi h tố đ như vy cung cđp mt khung tham chiíu đeơ đo câc vị trí tređn beă maịt trâi đđt. Nĩ định nghĩa gơc vă hướng cụa câc đường kinh tun vĩ tun. Khi ta thay đoơi hoaịc hiu chưnh mt h tố đ, thì trong h tố đ địa lý, câc giâ trị tố đ cụa dữ liu sẽ thay đoơi. Trong khoạng 15 nm trở lâi đađy dữ liu v tinh đê cung cđp câc trị đo mới đeơ xâc định mt spheroid phù hợp với trâi đđt nhđt.
Mt h tố đ sử dúng trĩng tađm khơi lượng cụa trâi đđt lăm vị trí gơc tố đ được gĩi lă h tố đ địa tađm.
H tố đ được sử dúng phoơ biín vă rng rêi gaăn đađy lă World Geodetic System of 1984 (WGS84).
Mt h tố đ địa phương dùng mt ellipsoid quy chiíu địa phương tương ứng đeơ đât sự phù hợp nhđt với beă maịt trâi đđt tâi địa phương đang xĩt.
2.6.2 H tố đ gaĩn văo trâi đađt
2.6.2.1 Phađn lôi câc h tố đ
a) H tố đ địa lý (cịn gĩi lă h tố đ traĩc địa)
H tố đ địa lý (cịn cĩ teđn gĩi khâc lă h tố đ traĩc địa) lă mt h tố đ caău, trong đĩ vị trí cụa đieơm P trong khođng gian được xâc định bởi kinh đ địa lý , vĩ đ địa lý , vă cao đ h. Tĩa đoơ (, , h) được gĩi lă tĩa đ ellipsoid.
Hình . H tĩa đ địa lý.
Kinh đ địa lý lă gĩc nhị din giữa hai maịt phẳng: mt maịt phẳng chứa kinh tun gơc đi qua đăi thieđn vn Greenwich vă mt maịt phẳng chứa kinh tuyín đi qua đieơm Q, nhn
giâ trị từ 0o đín 180o sang hai phía Đođng vă Tađy.
Vĩ đ địa lý lă gĩc giữa phâp tun cụa ellipsoid tâi Q vă maịt phẳng xích đâo, nhn giâ trị từ 0o đín 90o veă hai cực Baĩc vă Nam
b) H tố đ thieđn vn
H tố đ thieđn vn tương tự h tố đ traĩc địa nhưng câc giâ trị kinh đ vă vĩ đ thì lđy theo phương dađy dĩi lăm chuaơn (đi qua tađm trâi đđt) trong khi h tố đ traĩc địa thì lđy phương phâp tun lăm chuaơn.
Đeơ chuyeơn đoơi câc kinh đ, vĩ đ từ h tố đ thieđn vn sang h tố đ traĩc địa caăn phại cng theđm câc thođng sơ hiu chưnh do đ lch cụa dađy dĩi so với phương phâp tuyeđn.
c) H tố đ địa tađm
H tố đ địa tađm cũng lă mt h tố đ caău tương tự như h tố đ địa lý nhưng lđy đường thẳng hướng tađm lăm cơ sở đeơ xâc định vĩ đ. Vị trí cụa đieơm Q tređn maịt caău được xâc định bởi kinh đ địa tađm c vă vĩ đ địa tađm c. Như vy, giâ trị kinh đ địa tađm baỉng kinh đ địa lý ( = c), nhưng vĩ đ địa tađm thì khâc vĩ đ địa lý.
Baỉng câc phĩp biín đoơi lượng giâc vă khai trieơn Taylor sau khi bỏ qua vođ cùng bĩ bc 3 ta xâc định được bieơu thức quan h giữa vĩ đ địa tađm vă vĩ đ địa lý như sau:
Sin( - c) = e2.Sin .Cos
H tố đ khođng gian 3 chieău lă h tố đ vuođng gĩc 3 chieău nhn tađm ellipsoid lăm gơc, nhn trúc nhỏ cụa cụa ellipsoid quy chiíu lăm trúc Z, nhn giao tuyín cụa maịt phẳng kinh tuyín đi qua đăi thieđn vn Greenwich vă maịt xích đâo lăm trúc X vă trúc Y được xâc định theo quy taĩc băn tay trâi.
Mi mt vị trí trong h tố đ khođng gian 3 chieău hoăn toăn được xâc định thođng qua 3 tố đ (X, Y, Z) cụa vị trí đĩ. Tĩa đ (X, Y, Z) được gĩi lă tĩa đ Decac.
2.6.3 H tố đ qc tí WGS 84
H tố đ qc tí WGS-84 (World Geodetic system) lă mt h tố đ địa lý được haău hít câc qc gia cođng nhn. Gơc h tĩa đ trùng với trĩng tađm cụa trâi đđt. H tố đ năy dùng ellipsoid quy chiíu lă ellipsoid WGS-84. Ellipsoid WGS84 lă mt ellipsoid được xâc lp kích cỡ vă cĩ câc thođng sơ định vị cĩ theơ mođ hình mt câch tơt nhđt cho toăn bođï beă maịt trâi đđt. Câc thođng sơ cụa ellipsoid năy được xâc định như sau:
Đ dăi Bân trúc chính: a =6378137 (m) D dăi bân trúc phú: b=6356752.3142 (m) Đ dĩt (Flattening):1/f=298.257222932869640 Đ nghieđng (Eccentricity): e=0.081819190928906
Tađm cụa elisoid năy trùng với tađm cụa trâi đđt (h tố đ địa tađm). Kinh tun gơc cụa h tố đ WGS 84 lă kinh tuyín đi qua đăi thieđn vn Greenwitch.
WGS-84 được sử dúng trong h thơng định vị GPS. Vị trí v tinh vă mây thu được xâc định baỉng 3 tố đ (X, Y, Z) trong heơ WGS-84.
0,0,0 Xính đâo
Kinh tun gơc Z
Y
X
+ M(X,Y,Z)
Hình 20. H tố đ khođng gian 3 chieău.
2.6.3.1 H tố đ địa lý quơc gia
H tĩa đ địa lý qc gia, hay cịn gĩi h tĩa đ địa lý địa phương, bao goăm mt Ellipsoid tham chiíu địa phương vă mt h tĩa đ định vị địa phương. Phương dađy dĩi chư trực giao với maịt Geoid chứ khođng phại lă maịt Ellipsoid.
Hình . Sự khâc nhau giữa geoid vă ellipsoid.
Vì vy hai phâp tuyín với hai maịt năy tâi cùng mt vị trí khođng trùng nhau, đ lch năy được gĩi lă gĩc lch đứng. Hình chiíu câc đieơm trong khođng gian sẽ bị sai lch, nhaỉm giạm đín mức nhỏ nhđt sự sai lch năy mi quơc gia xađy dựng cho rieđng mình mt ellipsoid phi địa tađm phù hợp, được chĩn lăm maịt tham chiíu qc gia cùng với mt h tĩa đ định vị. Hai bân trúc a, b vă vị trí cụa ellipsoid được chĩn sao cho maịt ellipsoid vă geoid trùng nhau nhđt tâi khu vực cụa qc gia đĩ.
Hình . Ellipsoid tham chiíu qc gia.
H tĩa đ định vị quơc gia được gaĩn văo ellipsoid quơc gia tương ứng đeơ định vị câc vị trí. Chúng được định vị trong h tĩa đ toăn caău (WGS84) bởi b goăm 7 tham sơ (X,
Y, Z, X, Y, Z, m). Câc tham sơ dịch chuyeơn là X, Y, Z; câc tham sơ gĩc
quay là X, Y, Z; và tham sơ tỷ l m.
Hình . Vị trí cụa h tĩa đ qc gia.
Câc phương trình chuyeơn đoơi h thơng dùng đeơ chuyeơn đoơi giữa tĩa đ qc gia vă qc tí.
câc hănh tinh. Tđt cạ đơn vị tính thời gian xuđt hin mt câch tự nhieđn với con người được sinh ra từ câc hin tượng thieđn vn. Nm được sinh bởi quỹ đâo cụa trâi đđt quay xung quanh maịt trời vă lăm xuđt hin câc mùa. Thâng được sinh bởi sự di chuyeơn cụa maịt trng xung quanh trâi đđt vă sự thay đoơi câc tuaăn trng. Ngăy được sinh bởi chu kỳ xoay cụa trâi đđt vă sự nơi tiíp cụa sâng vă tơi.
Tuy nhieđn, neđu yeđu caău đ chính xâc cao thì vic định nghĩa đơn vị thời gian xuđt hin nhieău vđn đeă. Đaău tieđn lă câc trị nhp nhaỉng phât sinh trong câc định nghĩa chính xâc cụa câc sự xoay vịng vă sự quay. Mt vđn đeă được biít câch đađy hăng ngăn nm lă tính khođng so sânh được với nhau cụa nm, thâng vă ngăy. Mt nm khođng theơ được bieơu din chính xâc baỉng mt sơ nguyeđn cụa thâng hoaịc ngăy hoaịc mt thâng khođng theơ chứa mt sơ nguyeđn ngăy. Đeơ giại qut vđn đeă năy, vođ sơ h chia thời gian vă lịch được phát minh.
2.7.1 Câc h chia thời gian
2.7.1.1 Heơ giờ thieđn vn
H giờ thieđn vn được suy ra từ xự xoay vịng cụa trâi đđt lieđn quan đín khoạng câch câc vì sao vă vì vy cĩ theơ được xâc định baỉng câc quan traĩc văo ban đeđm từ câc vì sao tređn baău trời. Mt ngăy thieđn vn cĩ theơ được định nghĩa xđp xư với khoạng thời gian giữa hai quâ trình trođi qua kí tiíp cụa cùng moơt veơ tinh qua kinh tun gơc. Trong đĩ kinh tun gơc cụa mt trâm quan traĩc lă mt vịng trịn lớn đi qua hai cực ‚celestial‛ vă thieđn đưnh cụa trâm. Nĩi mt câch khâc, kinh tun gơc lă mt phĩp chiíu cụa mt vịng trịn kinh tun địa lý cụa trâm văo maịt caău ‚celestial‛ níu được chiíu từ tađm trâi đđt. Khoạng thời gian cụa mt ngăy thieđn vn trong đơn vị thời gian UTM lă 23h56m04.0905s.
2.7.1.2 H giờ maịt trời
Thời gian maịt trời tính theo sự xoay bieơu kiín cụa maịt trời quanh trâi đđt. Mt ngăy maịt trời lă khoạng thời gian giữa hai laăn đi qua kí tiíp cụa maịt trời qua kinh tun gơc. Vă dĩ nhieđn sự chuyeơn đng bieơu kiín năy cũng chư lă sự chuyeơn đng thực cụa trâi đđt. Tuy nhieđn, do trong cuc hănh trình 1 ngăy, trâi đđt cũng di chuyeơn mt phaăn quỹ đâo đâng keơ cụa nĩ quanh maịt trời neđn mt chu trình quay hoăn tđt đơi với maịt trời sẽ dăi hơn mt chu trình quay hoăn tđt đơi với câc ngođi sao. Do vy mt ngăy maịt trời thực thì dăi hơn mt năy thieđn vn 4 phút.
2.7.1.3 H giờ UT (Universal time)
H giờ UT được giới thiu văo nm 1926 đeơ thay thí h giờ GMT (Greenwich Mean Time). Văo thời đieơm đy, nhieău định nghĩa GMT được sử dúng, thưnh thoạng cĩ những sự khâc bit nhau rđt lớn vì vy GMT khođng cịn hữu ích vă daăn được thay thí baỉng câc định nghĩa UT chaịt chẽ hơn. Đơi với câc múc đích thực tin, UT tương đương với h giờ maịt trời trung bình (Mean Solar time) với kinh tun gơc tham chiíu tâi Greenwich. Mơi quan h giữa UT vă h giờ maịt trời trung bình địa phương thì tương tự như giữa giờ thieđn vn trung bình Greenwich với giờ thieđn vn địa phương. Tuy nhieđn, veă cơ bạn, UT khođng phại lă h giờ maịt trời với nghĩa lă câc vị trí cụa maịt trời quan traĩc được dùng đeơ định nghĩa h thời gian năy. Đ chính xâc cĩ theơ đât được từ câc trị đo cụa h maịt trời thì khođng đâp ứng cho múc đích năy. Đeơ thay thí, UT nhn được từ thời gian thieđn vn chính xâc hơn baỉng câc phương tin được suy từ những cođng thức tôn hĩc.
UTC (Coordinated universal Time) được phât minh cho h thơng đo lường qc tí với đơn vị thời gian lă gađy (SI-second) vă được thực hin baỉng câc đoăng hoă nguyn tử.
2.7.1.4 H giờ nguyeđn tử
Giađy trong h thơng đo lường qc tí (SI) được định nghĩa lă khoạng thời gian ứng với 9192631770 chu kỳ cụa mt sự biín đoơi cđu trúc Hyperfine đaịc thù trong trong tình trâng tređn maịt đđt cụa Cesium-133. Định nghĩa năy được chĩn đeơ cĩ theơ phù hợp tơt nhđt với chieău dăi cụa mt giađy lịch thieđn vn được sử dúng trước đađy.
Giađy SI chư định nghĩa mt câc tĩm taĩt h giờ nguyeđn tử. Đeơ naĩm được h chia thời