MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Hệ quy chiếu tọa độ không gian quốc gia (HQCTĐKGQG) đƣợc sử dụng để xác định vị trí của các đối tƣợng nằm trền bề mặt vật lý Trái Đất và trên mặt địa hình đáy biển. Do sự ràng buộc chặt chẽ về mặt toán học giữa tọa độ không gian (X, Y, Z) và tọa độ trắc địa (B, L, H) tại mỗi vị trí nên khi nói đến HQCTĐKGQG chúng ta bao hàm cả tọa độ trắc địa quốc gia (B, L) và độ cao trắc địa quốc gia H của điểm cần xác định. Mặt khác, do độ cao trắc địa bằng tổng của độ cao chuẩn quốc gia và dị thƣờng độ cao quốc gia, nên HQCTĐKGQG đƣợc xây dựng để thống nhất hệ tọa độ mặt bằng quốc gia và hệ độ cao quốc gia trong một hệ thống quy chiếu tọa độ không gian quốc gia thống nhất khi đã xây dựng đƣợc mô hình quasigeoid quốc gia độ chính xác cao.
Việc thống nhất này sẽ bảo đảm cho các mục đích nâng cao độ chính xác tọa độ mặt bằng của các điểm trắc địa quốc gia trong VN2000 và xây dựng mô hình quasigeoid độ chính xác cao trên cơ sở sử dụng đồng bộ dữ liệu độ cao chuẩn quốc gia, trọng lực và vệ tinh, đồng thời tạo cơ sở cho việc ứng dụng triệt để các ƣu thế của công nghệ GNSS phục vụ mục đích chuyên ngành. Nhƣ vậy, xây dựng và phát triển HQCTĐKGQG phù hợp với yêu cầu và xu thế phát triển của kỷ nguyên ứng dụng công nghệ GNSS trên cơ sở sử dụng các thành tựu khoa học - công nghệ mới nhất của ITRF; các mô hình trọng trƣờng Trái Đất EGM và mô hình địa hình động lực trung bình MDT;.v Tiền đề then chốt để xây dựng HQCTĐKGQG là xây dựng mô hình quasigeoid quốc gia độ chính xác cao trên toàn bộ lãnh thổ quốc gia nhằm nhận đƣợc độ cao trắc địa quốc gia H H độ chính xác cao của điểm cần quan tâm, ở đây H - độ cao chuẩn quốc gia của điểm, - độ cao quasigeoid quốc gia (dị thƣờng độ cao) của điểm. Khi đã xây dựng đƣợc mô hình quasigeoid quốc gia độ chính xác cao, tại điểm có các tọa độ trắc địa (B, L) trong hệ quy chiếu tọa độ quốc gia VN2000 và độ cao chuẩn H , chúng ta sẽ xác định đƣợc các tọa độ trắc địa (B, L, H) hoặc các tọa độ không gian (X, Y, Z) của điểm trong HQCTĐKGQG. Ngƣợc lại, tại điểm đã biết các tọa độ trắc địa (B, L, H) trong HQCTĐKGQG, thêm vào đó các tọa độ trắc địa (B, L, H) thƣờng đƣợc xác định bằng công nghệ GNSS sau khi chuyển từ ITRF về VN2000 nhờ 07 tham số chuyển tọa độ theo mô hình Bursa – Wolf, chúng ta đơn giản xác định độ cao chuẩn quốc gia H của điểm.
Đây là xu hƣớng hiện đại đang đƣợc phát triển nhằm thay thế phƣơng pháp đo đạc thủy chuẩn truyền thống. Với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ GNSS và việc xây dựng các mô hình geoid/quasigeoid độ chính xác cao, các quốc gia đã và đang xây dựng cho mình các HQCTĐKGQG. 1 Kỷ nguyên mới của công nghệ GNSS đƣợc mở ra vào tháng 8/1989 tại Edinburgh (Vƣơng quốc Anh) với sự ra đời của tổ chức dịch vụ GNSS cho địa động lực (IGS). Cùng với các mạng lƣới VLBI, SLR, LLR, DORIS, mạng lƣới các trạm đo GNSS thƣờng trực của tổ chức IGS đảm bảo thực hiện các nhiệm vụ cơ bản nhƣ xác định các tham số định vị Trái Đất nhƣ giờ toàn thế giới UT1, các tọa độ X P , YP của CEP (Celestial Ephemeris Pole – cực lịch sao) so với IRP (cực quy chiếu IERS), chƣơng động và tuế sai đảm bảo việc chuyển tọa độ của các vệ tinh từ khung quy chiếu sao quốc tế (ICRF) về khung quy chiếu Trái Đất quốc tế ITRF, định vị gốc của ITRF chính xác vào tâm vật chất Trái Đất khi tính đến sự dịch chuyển của tâm vật chất Trái Đất với tốc độ 1 mm/1 năm, xác định tọa độ chính xác của các trạm IGS trong ITRF, xác định lịch vệ tinh chính xác, nghiên cứu địa động lực của vỏ Trái Đất v.3a (hiện nay có tên gọi là Tổ chức Khung quy chiếu Châu Âu - EUREF) của Hội Trắc địa quốc tế IAG đã quyết định phát triển Hệ quy chiếu Trái Đất Châu Âu ETRS89 dựa trên ellipsoid GRS80 và công nghệ GPS (Ihde J.
Hệ tọa độ không gian địa tâm OS Net của nƣớc Anh dựa trên mô hình geoid OSGM02, liên kết với ETRS89 nhờ việc kết nối các mạng lƣới tam giác OSTN của Vƣơng quốc Anh với Hệ quy chiếu Trái Đất Châu Âu ETRS89 vào năm 2002 (Ordnance Survey. A Guide to coordinate system in Geat Britain. Canada đã xây dựng Hệ quy chiếu không gian Canada CSRS dựa trên NAD-83 và mô hình geoid CGG2013 (Véronneau M. Hệ quy chiếu địa tâm Nam Mỹ SIRGAS là dự án của các nƣớc Nam Mỹ, Trung Mỹ và Bắc Mỹ phối hợp với các Viện khoa học quốc tế để xây dựng Khung quy chiếu địa tâm tại khu vực này (Fortes P.
Hệ tọa độ quốc gia Bắc Mỹ - NAD83 là Hệ tọa độ không gian địa tâm đƣợc xây dựng vào năm 1983 dựa trên các mô hình geoid hỗn hợp (GEOID96, GEOID03,.v); các mô hình geoid trọng lực (USGG2012, G99SSS, CARIB97, MEXICO97, GEOID90,.) và ellipsoid GRS80 (Shields R. Việc phát triển công nghệ GNSS trong phạm vi một quốc gia đòi hỏi phải có nhiều giải pháp đồng bộ mang tính pháp lý và khoa học - kỹ thuật đảm bảo cho việc phát triển các mạng lƣới GNSS ở các cấp hạng khác nhau. Ví dụ ở nƣớc Mỹ để đảm bảo việc phát triển các mạng lƣới trắc địa dựa trên cả công nghệ GNSS lẫn công nghệ truyền thống, vào năm 1984 Ủy ban kiểm soát Trắc địa Liên bang (FGCC) đã ban hành Các Tiêu chuẩn và Các quy định kỹ thuật đối với các mạng lƣới khống chế trắc địa FGCC1984 và vào năm 1988, Ủy ban Khống chế Trắc địa Liên bang đã ban hành Các Tiêu chuẩn độ chính xác trắc địa hình học và Các quy định kỹ thuật đối với việc 2 sử dụng các kỹ thuật định vị tƣơng đối GPS (FGCC1988). Việc xây dựng các tiêu chuẩn quốc gia về các mạng lƣới trắc địa là nhiệm vụ của cơ quan quản lý nhà nƣớc về đo đạc và bản đồ ở mỗi quốc gia.
Hơn 2 thập kỷ qua chúng ta đã chứng kiến sự phát triển vƣợt bậc của công nghệ GNSS CORS. Các quốc gia là các thành viên của các tổ chức IGS nhƣ Mỹ, Canada, Australia, Anh, Đức, Pháp v.v sử dụng các trạm CORS quốc gia có liên kết chặt chẽ với mạng lƣới IGS để thực hiện các nhiệm vụ cơ bản đã nêu ở trên của tổ chức IGS, đặc biệt các trạm CORS đƣợc bố trí trên mỗi mảng kiến tạo đƣợc sử dụng để xác định 03 góc Euler đặc trƣng cho sự dịch chuyển của mảng kiến tạo phục vụ việc xây dựng mô hình kiến tạo mảng. Về phần mình, mô hình kiến tạo mảng đƣợc sử dụng để hiệu chỉnh ITRF/ETRS89 do sự chuyển dịch của các mảng kiến tạo sau mỗi giai đoạn xác định. Chính vì lý do này các quốc gia nêu trên đã và đang xây dựng HQCTĐKGQG hoàn toàn tƣơng thích với ITRF/ETRS89.
Các quốc gia khác, trong đó có Việt Nam, đã xây dựng hệ quy chiếu tọa độ phẳng quốc gia dựa trên việc định vị ellipsoid quy chiếu quốc gia sát nhất với mặt geoid/quasigeoid quốc gia nhờ các dữ liệu GNSS và các độ cao chính/chuẩn trên các điểm tham gia định vị, thêm vào đó các trục tọa độ của ellipsoid quy chiếu quốc gia phải song song với các trục tọa độ tƣơng ứng của ITRF/ETRS89. Đối với các quốc gia này, HQCTĐKGQG không tƣơng thích với ITRF/ETRS89, mà liên kết với ITRF/ETRS89 thông qua 07 tham số chuyển tọa độ của mô hình Bursa - Wolf. Nếu các quốc gia này có các trạm CORS tham gia mạng lƣới IGS, nhƣng không tham gia xử lý các dữ liệu GNSS để giải quyết các nhiệm vụ cơ bản của tổ chức IGS, thì các quốc gia đó chỉ có thể sử dụng các dịch vụ của tổ chức IGS để phát triển các mạng lƣới GNSS quốc gia độ chính xác cao. Các đặc điểm nêu trên phù hợp với hoàn cảnh của Việt Nam và đƣợc nghiên cứu trong Luận án này.
Mạng lƣới các trạm CORS quốc gia còn đƣợc sử dụng để nghiên cứu dự báo thời tiết (Bevis, M., 1992) và phát triển mạng lƣới NRTK phục vụ các công tác đo đạc theo các phƣơng pháp VRS, RTK v. Vấn đề này không phải là nội dung nghiên cứu của Luận án này. Trong quá trình xây dựng HQCTĐKGQG, một trong nhƣng nhiệm vụ khoa học - kỹ thuật quan trọng cần thực hiện là kết hợp mạng lƣới GNSS với các mạng lƣới 3 khống chế mặt bằng và độ cao quốc gia. Trong thực tế xây dựng các mạng lƣới khống chế mặt bằng và độ cao quốc gia theo các phƣơng pháp truyền thống, các mạng lƣới này tách rời nhau.
Mặt khác để đảm bảo lƣu giữ các điểm trắc địa mặt bằng và độ cao lâu dài trên thực địa, các điểm trắc địa này đƣợc xây dựng rất kiên cố trên thực địa. Các điểm khống chế mặt bằng chỉ đảm bảo sự thông hƣớng giữa các điểm, nhƣng nhiều điểm không đảm bảo sự thông thoáng bầu trời để đo GNSS. Các điểm khống chế độ cao chỉ phát triển dọc theo các đƣờng giao thông, các tuyến đƣờng sắt v.v, nhƣng hầu nhƣ không bố trí đƣợc trên các vùng núi cao hiểm trở. Do đó, ở các nƣớc nhƣ Mỹ, Canada, Anh, Australia v.
đã phát triển mạng lƣới GNSS thụ động (passive GNSS network), trong Luận án này gọi là mạng lƣới GNSS quốc gia phủ trùm, dựa trên các điểm khống chế mặt bằng và độ cao với điều kiện các điểm khống chế nêu trên đƣợc chọn làm các điểm GNSS phải thỏa mãn ba tiêu chí sau: - Đảm bảo việc thu nhận tín hiệu của không ít hơn 05 vệ tinh GNSS; - Các điểm phải đƣợc xây dựng tại vị trí có nền địa chất ổn định; - Thuận tiện cho việc tìm kiếm và tiếp cận. Nhƣ vậy, các điểm khống chế độ cao và mặt bằng quốc gia hạng I, II cùng một số trạm CORS tạo nên mạng lƣới GNSS quốc gia phủ trùm. Mật độ trung bình giữa các điểm GNSS trong mạng lƣới GNSS quốc gia phủ trùm nằm trong khoảng 20 - 100 km/ 1 điểm. Mạng lƣới GNSS thụ động ở nƣớc Mỹ là mạng lƣới quy chiếu độ chính xác cao (HARN - High Accuracy Reference Networks) (Doyle, D., 2000), ở Canada là mạng lƣới khống chế thụ động (PCN - Passive Control Networks) (Technical Support NAD83 (CSRS), 2016), ở Australia là mạng lƣới GNSS Auscope (AGN - Auscope GNSS Network) (Janssen, V.