CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VÀ XỬ LÝ SỐ LIỆU ÁP DỤNG CÔNG NGHỆ GNSS XÂY DỰNG HỆ QUY CHIẾU - HỆ TỌA ĐỘ Theo Báo cáo khoa học “Xây dựng hệ quy chiếu và hệ thống điểm tọa độ quốc gia” của Tổng cục Địa chính năm 2000, trên phạm vi toàn hành tinh, từng châu lục, từng khu vực và từng quốc gia đều phải xây dựng một hệ quy chiếu tọa độ - độ cao phù hợp với phạm vi lãnh thổ đang xét và một hệ thống điểm tọa độ - độ cao có mật độ phù hợp với mục đích sử dụng. Xác định hệ quy chiếu tức là xác định gốc tọa độ và hệ trục cơ sở tọa độ để dựa vào đó có thể biểu diễn được tất cả các điểm trong không gian. Sau khi đánh giá về Hệ quy chiếu hệ tọa độ quốc gia VN-2000, phân tích cơ sở toán học của bản đồ dùng trong lực lượng vũ trang.
Nhận thấy việc nghiên cứu tìm hiểu xây dựng Hệ quy chiếu - Hệ tọa độ Quân sự là vấn đề cấp thiết trong công tác tham mưu và bảo đảm địa hình. Trong hoạt động diễn tập và thử nghiệm vũ khí đã chứng minh hệ quy chiếu hệ tọa độ quốc gia VN-2000 có nhiều mặt hạn chế do do điều kiện lịch sử để lại. Phương pháp tính toán xây dựng hệ tọa độ quốc gia VN-2000 từ hệ tọa độ HN-72, UTM hay các nguồn tư liệu khác làm cho dữ liệu tọa độ tính toán trên hệ tọa độ VN-2000 có độ chính xác không đồng đều. Ví dụ như trong lưới bình sai tính toán lưới khống chế trắc địa trong hệ tọa độ VN-2000, điểm Nha Trang có độ chính xác cao nhất là 1.055 mét, độ chính xác điểm thấp nhất là điểm Hải Ninh là 4.
Đó cũng là một trong những vấn đề gây ảnh hưởng trong việc tác chiến trên phạm vi rộng lớn của hệ thống vũ khí khí tài hiện đại. Hiện nay trên thế giới, các quốc gia đều sử dụng công nghệ định vị vệ tinh GNSS CORS làm nền tảng cho việc xây dựng hệ quy chiếu hệ tọa độ. Vì vậy việc thiết kế xây dựng mạng lưới trạm GNSS CORS tối ưu sẽ giúp cho việc xây dựng hệ quy chiếu hệ tọa độ quân sự và việc cấp thiết và cần được nghiên cứu trong điều kiện tại Việt Nam. Trong luận án, nghiên cứu sinh sẽ trình bày về tình hình nghiên cứu phát triển hệ quy chiếu hệ tọa độ trên thế giới và hiện trạng hệ quy chiếu hệ tọa độ quốc gia VN-2000.
Từ đó làm cơ sở khoa học để xây dựng hệ quy chiếu hệ tọa độ quân sự. Tình hình nghiên cứu xây dựng và phát triển hệ quy chiếu hệ tọa độ 1. Tình hình nghiên cứu trên thế giới 1. Mỹ Việc nghiên cứu định vị toàn cầu đã được Mỹ đưa vào nghiên cứu và xây dựng từ rất sớm.
Tháng 3 năm 1994, NGS thông qua kế hoạch và thực hiện chiến lược để chuyển đổi từ NGRS sang NSRS. Những thay đổi này không đơn thuần là việc đổi tên mà bao gồm sự phát triển của Mạng lưới trắc địa liên bang FBN; mạng lưới trắc địa cơ sở phối hợp CBN; mạng lưới trắc địa cho người sử dụng; các trạm tham chiếu hoạt động liên tục; quỹ đạo vệ tinh GPS; mô hình geoid độ chính xác cao [88]. Trong năm đó, lần đầu tiên Strange đề xuất ý tưởng phủ trùm toàn bộ lãnh thổ Hoa Kỳ bằng mạng lưới CORS nhằm nâng cấp và cải thiện cho NSRS. Sau thời điểm này, vào năm 1995 Strange và Weston đã công bố những tài liệu đầu tiên mô tả về một hệ thống CORS sẽ triển khai trong tương lai.
Trong cùng khoảng thời gian này, một số tổ chức ở các bang, ví dụ Lực lượng cảnh sát biển Hoa Kỳ USCG, Lực lượng quân đội Hoa Kỳ USACE, Cục Hàng không Liên bang FAA, các cơ quan liên bang khác như phòng thí nghiệm động cơ phản lực của NASA - JPL (Jet Propulsion Laboratory) và Cơ quan khảo sát địa chất Hoa Kỳ USGS (U. Geological Survey) đã bắt đầu xây dựng các mạng lưới được tạo nên bởi các trạm GNSS CORS quốc gia và các điểm mạng lưới GNSS quốc gia phủ trùm. Số lượng các trạm GNSS CORS quốc gia và GNSS quốc gia phủ trùm ở Mỹ không ngừng được tăng lên về số lượng. Số liệu từ các mạng lưới GNSS này được sử dụng trong các lĩnh vực như đo đạc bản đồ, địa chất, khí tượng, nghiên cứu không gian, nghiên cứu về tầng điện ly và rất nhiều các ứng dụng thực tiễn khác [80].
Dự kiến vào năm 2025, Cơ quan Khảo sát Trắc địa Quốc gia (NGS) của NOAA sẽ hoàn thành việc nâng cấp và hiện đại hóa Hệ thống Tham chiếu Không gian Quốc gia (NSRS), cơ sở cho hoạt động khảo sát và lập bản đồ của Hoa Kỳ đồng nhất trên 56 tiểu bang và vùng lãnh thổ [45]. Nga Năm 1999, cơ quan dịch vụ liên bang về Trắc địa - Bản đồ của Nga đã bắt đầu xây dựng mạng lưới trắc địa vệ tinh quốc gia NSGN dựa trên cơ sở là các khái niệm về trắc địa hiện đại và công nghệ vệ tinh. Kết quả NSGN bao gồm 3 cấp hạng: mạng lưới thiên văn - trắc địa truyền thống FAGN, mạng lưới trắc địa địa chính xác PGN và mạng lưới trắc địa vệ tinh hạng 1 SGN-1 [91]. Mạng lưới PGN sẽ được mở rộng bao trùm toàn bộ lãnh thổ của Nga thuộc Châu Âu trong thời gian tới.
Một số điểm trắc địa cơ sở mới của NSGN sẽ trùng với các điểm của mạng lưới thiên văn - trắc địa truyền thống và các điểm của mạng lưới độ cao quốc gia. Điều này cho phép liên kết giữa dữ liệu mạng lưới mặt bằng quốc gia và độ cao quốc gia trong hệ thống tọa độ không gian toàn cầu thống nhất khi sử dụng công nghệ GPS/GLONASS, thủy chuẩn độ chính xác cao và đo đạc trọng lực. Hệ thống PZ.90 của Nga cho phép xác định vị trí bất kỳ điểm nào trên lãnh thổ nước Nga với độ chính xác ở mức 1-5cm. Các nhiệm vụ khoa học và ứng dụng khi xây dựng và phát triển FAGN, PGN và SGN-1 đó là tạo nên một hệ tọa độ địa tâm Trái đất và duy trì nó theo quan điểm hiện đại, khoa học.
Xây dựng và phân bố hệ thống các điểm tọa độ, độ cao quốc gia trên lãnh thổ. Nghiên cứu hình dạng, thế trọng trường của Trái Đất và sự thay đổi của chúng theo thời gian. Nghiên cứu sự biến dạng bề mặt của Trái Đất, các thảm họa tự nhiên như động, đất, sóng thần. Hỗ trợ các phương tiện dẫn đường trên đất liền, trên biển và trên không.
Kiểm soát không gian của các đối tượng tự nhiên và sự thay đổi của các dữ liệu trắc địa gốc. Hỗ trợ công tác đo vẽ thành lập bản đồ thuộc lãnh thổ và vùng biển của quốc gia. Hỗ trợ cho công tác về nghiên cứu, quản lý sử dụng đất, công tác xây dựng, khai thác - sử dụng các nguồn tài nguyên thiên nhiên. Canada Năm 2013, Canada đã công bố Hệ quy chiếu độ cao trắc địa CGVD2013 thay thế cho Hệ quy chiếu độ cao trắc địa năm 1928 CGVD28.
Hệ độ cao mới CGVD2013 được xây dựng dựa trên mô hình geoid CGG2013 có độ chính xác ± 3cm với độ phủ 11 trên 80% diện tích đất liền của Canada. Dựa trên mô hình geoida CGG2013 Canada đã xây dựng hệ thống quy chiếu không gian Canada CSRS [76]. Theo thông tin trên website của Bộ Tài nguyên Môi trường Canada, để cung cấp cho việc xác định chính xác hơn về mặt 3D trên lãnh thổ Canada, khi xây dựng hệ thống quy chiếu không gian phải tuân thủ các nghị quyết của IAG, với đề xuất rằng CSRS phải gắn với ITRS mà cụ thể là ITRF96 vào thời điểm chuẩn 1997. Trung Quốc Trước năm 2000, Trung Quốc có ba mạng lưới GPS do Cục khảo sát Bản đồ nhà nước (SBSM), Cơ quan quân sự CEA, … xây dựng, đó là mạng lưới GPS hạng A và B, mạng lưới GPS hạng I và II và mạng lưới quan trắc chuyển dịch mảng.
Các mạng lưới này được thành lập ở các thời điểm khác nhau và áp dụng các khung quy chiếu mặt đất quốc tế khác nhau [39][40].1: Các mạng lưới trắc địa ở Trung Quốc Độ chính Số Hệ thống tham Đơn vị quản Kỷ TT Mạng lưới xác tuyến điểm chiếu lý nguyên tính Mạng lưới quốc gia độ ITRF93 1 832 10-7 SBSM 1991-1995 chính xác GPS A/B (1996.365) Mạng lưới quốc gia mở ITRF96 2 553 10-8 Quân đội 1991-1997 rộng GPS I/II (1997.0) Mạng lưới quan trắc ITRF96 CEA/SBSM 3 1222 10-8 1998-2002 chuyển dịch mảng (1998.680) Quân đội/CAS Năm 2003, để thống nhất các nguồn dữ liệu phục vụ quản lý, Trung Quốc đã bình sai chung các mạng lưới này. Các dữ liệu được xử lý lại trên cơ sở sử dụng ITRF97 (thời điểm 2000). Sau khi bình sai, kết quả nhận được là mạng lưới chuẩn GPS quốc gia 2000. GPS-2000 bao gồm hơn 2.500 điểm/trạm GPS, trong đó độ chính xác tọa độ của các trạm GPS quy chiếu hoạt động liên tục ở mức mm và độ chính xác trung bình của các điểm GPS khác < ±3cm.
Sau khi hình thành mạng lưới GPS-2000, Trung Quốc tiến hành bình sai chung lưới thiên văn trắc địa truyền thống với GPS- 2000 để xây dựng hệ tọa độ mới, có tên gọi là CGCS-2000 [33][93]. 12 CGCS-2000 sử dụng khung quy chiếu ITRF-97, gồm khoảng 49.000 điểm mặt đất. Sau khi bình sai, các điểm thiên văn trắc địa nhận được tọa độ địa tâm với độ chính xác trung bình khoảng 0,11m và chỉ có khoảng hơn 600 điểm có sai số trung bình vị trí điểm lớn hơn ±0. Độ chính xác sau bình sai của các điểm GPS là ±0,01m.
CGCS-2000 được công bố chính thức là Hệ tọa độ trắc địa quốc gia Trung Quốc từ tháng 7 năm 2008, thay thế các hệ cũ trước đây và rất gần với Hệ quy chiếu mặt đất quốc tế ITRS và thực chất vẫn là hệ quy chiếu địa phương. Dự án hiện đại hóa cơ sở hạ tầng cơ sở dữ liệu trắc địa quốc gia của Trung Quốc đã được chính phủ Trung Quốc phê duyệt vào năm 2009. Mục tiêu của dự án là xây dựng hệ thống GNSS CORS phủ trùm toàn quốc với khoảng cách tiêu chuẩn nhỏ hơn 150 km nhằm phục vụ cho việc cải thiện mô hình Geoid bằng công nghệ GNSS. Hệ tọa độ mới của Trung Quốc cho phép tích hợp các ứng dụng khoa học và quản lý dữ liệu không gian thông thường gần hơn với khung tọa độ quốc tế, hệ thống vệ tinh dẫn đường toàn cầu, CGCS-2000 hiện tại gồm mạng GPS-2000 quốc gia và mạng lưới thiên văn trắc địa sau khi bình sai chung với mạng lưới GPS.