Nhận biết và phát triển hệ quy chiếu tọa độ không gian quốc gia

         Xây dựng HQCTĐKGQG là xu hướng phát triển hiện đại hiện nay là nhiệm vụ quan trọng, rất cần thiết, cấp bách,  ngành Đo đạc và Bản đồ Việt Nam . Với hạ tầng cơ sở dữ liệu trắc địa của nước ta hiện nay, để xây dựng được HQCTĐKGQG đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật hiện đại trong tương lai gần, sẽ cần rất nhiều công sức, tiền của và trí tuệ

          Xây dựng HQCTĐKHQG phải dựa trên nền tảng các mạng lưới thiên văn - trắc địa, mạng lưới GNSS quốc gia phủ trùm và các mạng lưới độ cao hạng I, II quốc gia để đảm bảo tính lịch sử và tính thực tiễn của Hệ tọa độ quốc gia VN2000 và Hệ độ cao Hải Phòng HP72. Nhằm chuẩn bị sẵn sàng cơ sở lý thuyết và công cụ xử lý toán học ghép nối mạng lưới GNSS quốc gia phủ trùm vào HQCTĐKGQG và phát triển HQCTĐKGQG trong trường hợp mạng lưới GNSS quốc gia được mở rộng bổ sung thêm các điểm cơ sở quốc gia mới khi tính đến xu hướng phát triển Hệ thống thông tin trắc địa quốc gia

1. Hệ quy chiếu tọa độ không gian quốc gia (HQCTĐKHQG)

        Trong Trắc địa tồn tại nhiều hệ thống mà đại lượng cần xác định gắn với các quy luật vật lý như hệ độ cao, hệ trọng lực, v.v. và sử dụng thuật ngữ hệ tọa độ để mô tả độ cao hay gia tốc lực trọng trường sẽ không hoàn toàn đúng nghĩa. Trong những trường hợp này, nhiều tổ chức trắc địa quốc tế, đặc biệt là IERS, thay cho thuật ngữ hệ tọa độ đã sử dụng thuật ngữ hệ quy chiếu (reference system), ví dụ hệ quy chiếu sao (celestial reference system), hệ quy chiếu không gian (spatial reference system), hệ quy chiếu độ cao (vertical reference system hoặc height reference system), hệ quy chiếu trọng lực (gravimetric reference system), v.v.

         Khi đã xác định được điểm gốc và các số liệu trắc địa gốc của một hệ quy chiếu, tổ chức ISO thường sử dụng thuật ngữ hệ quy chiếu tọa độ (coordinate reference system) (ISO/DIS 19111: 02-08-2004), còn tổ chức IERS và các tổ chức trắc địa quốc tế khác thường sử dụng thuật ngữ  khung quy chiếu  (reference frame).

         Khung quy chiếu Trái Đất quốc tế ITRF thực chất là khung quy chiếu không gian Trái Đất của tổ chức IGS với 367 trạm IGS hoạt động tích cực trên tổng số 505 trạm tính đến ngày 01/01/2018 (http://www.igs.org/network). Trên cơ sở dữ liệu tín hiệu được thu liên tục từ các vệ tinh GNSS, tổ chức IGS thực hiện các nhiệm vụ xác định quỹ đạo của vệ tinh GNSS, xác định tọa độ không gian và tốc độ chuyển dịch của các trạm thu thuộc mạng lưới IGS trong ITRF.yy, xác định các tham số định hướng Trái Đất, đánh giá sai số đồng hồ của vệ tinh GNSS và thông tin về tầng đối lưu, tầng điện ly. Sản phẩm của việc thực hiện các nhiệm vụ nêu trên được tổ chức IGS cung cấp cho người sử dụng gắn với ITRF.

          Hệ quy chiếu không gian toàn cầu GSRS có nhiều tên gọi khác nhau, ví dụ Hệ quy chiếu không gian định vị Trái Đất (Earth Oriented Spatial Reference System), Hệ quy chiếu tọa độ toàn cầu GCRS, Khung quy chiếu Trái Đất TRF. Cơ quan Dịch vụ vĩ độ quốc tế ILS đã quy định Khung quy chiếu Trái Đất đầu tiên được gọi là CIO 1905 với hướng trung bình của trục tọa độ Z được xác định dựa trên các kết quả đo đạc trong giai đoạn 1900 - 1905. Hệ thống Trái Đất quy ước 1984.0 (BIH CTS 1984.0) và Cực Trái Đất quy ước CTP đã được Cơ quan giờ quốc tế BIH (năm 1984) như sau (Boucher, C., and Altamimi, Z., 1985; Rapp R.H., 1993):

* Gốc của Hệ thống Trái Đất quy ước 1984.0 trùng với tâm vật chất của Trái Đất;

* Hướng trục Z của Hệ thống Trái Đất quy ước 1984.0 trùng với hướng của Cực Trái Đất quy ước BIH CTP vào thời điểm chuẩn 1984.0;

* Trục X của Hệ thống Trái Đất quy ước 1984.0 trùng với đường giao cắt của mặt phẳng kinh tuyến 0 của BIH (BIH Zero Meridian) và mặt phẳng xích đạo chứa điểm gốc  0  của hệ tọa độ trắc địa;

* Trục Y là trục thứ ba vuông góc với các trục Z, X và hướng về phía Đông.

Cả ba trục X, Y, Z tạo nên hệ tọa độ không gian địa tâm theo quy tắc bàn tay phải. Theo tài liệu (Dennis D. McCarthy., 1996),vào năm 1988 tổ chức IERS vẫn duy trì

BIHCTS 1984.0 và đổi tên CTP thành IRP . Khi đó, theo quy định mới của IERS:

* Gốc của Hệ thống Trái Đất quy ước 1984.0 trùng với tâm vật chất của Trái Đất;

* Hướng trục Z của Hệ thống Trái Đất quy ước 1984.0 trùng với hướng của Cực quy chiếu IERS (IRP), thêm vào đó Cực quy chiếu này tương ứng với BIH CTS vào thời điểm chuẩn 1984.0 (độ lệch ở mức 0.005 );

* Trục X của Hệ thống Trái Đất quy ước 1984.0 trùng với đường giao nhau của mặt phẳng kinh tuyến quy chiếu IERS (IERS Reference Meridian - IRM) và mặt phẳng xích đạo của ellipsoid, ở đây kinh tuyến quy chiếu IRM trùng với kinh tuyến 0 của BIH vào thời điểm chuẩn 1984.0 (độ lệch ở mức 0.005 );

* Trục Y là trục thứ ba vuông góc với các trục Z, X và hướng về phía Đông.

        Cả ba trục X, Y, Z tạo nên hệ tọa độ không gian địa tâm theo quy tắc bàn tay phải. Ngày nay hệ quy chiếu tọa độ không gian toàn cầu đang được sử dụng rộng rãi là ITRF.

         HQCTĐKGQG theo quan điểm toán học là hệ thống gồm điểm gốc tọa độ và 3 trục tọa độ X, Y, Z xác định trong không gian Euclid 3 chiều. Hệ quy chiếu này được sử dụng trong đo đạc vệ tinh và các bài toán trắc địa toàn cầu (Tổng cục Địa chính, 1999). Tuy nhiên, HQCTĐKGQG phải gắn với ellipsoid quy chiếu quốc gia và tạo gắn kết giữa hệ tọa độ mặt bằng quốc gia và hệ độ cao quốc gia trong một hệ thống không gian thống nhất, đồng thời có mối liên hệ chặt chẽ với Khung quy chiếu Trái Đất quốc tế ITRF để đảm bảo cho việc ứng dụng các thành quả khoa học công nghệ tiên tiến của thế giới, đặc biệt là công nghệ GNSS và hợp tác chia sẻ dữ liệu dùng chung giữa các quốc gia trong quá trình phát triển và hội nhập để giải quyết các bài toán mang tính khu vực và toàn cầu trong bối cảnh biến đổi khí hậu. Hệ quy chiếu không gian quốc gia của các nước trên thế giới có nhiều tên gọi khác nhau, ví dụ: Mỹ dự kiến sẽ công bố Hệ quy chiếu không gian quốc gia NSRS; Canada đã hoàn thiện xây dựng Hệ quy chiếu không gian (CSRS); Vương quốc Anh với hệ tọa độ không gian địa tâm (OS Net); Australia với Hệ tọa độ trắc địa (GDA2020),.v.v.

          Đối với Việt Nam, việc đặt tên cho Hệ tọa độ quốc gia là nhiệm vụ của ngành Đo đạc và Bản đồ (ví dụ Hệ tọa độ trắc địa hiện hành của Việt Nam là VN2000) tên viết tắt bằng tiếng Việt là HQCTĐKGQG,

2. Phát triển hệ quy chiếu tọa độ không gian quốc gia Việt Nam

         Ở Việt Nam, trước tiên chúng ta phải khẳng định rằng HQCTĐKGQG được xây dựng để thống nhất Hệ tọa độ mặt bằng quốc gia (VN2000) và Hệ độ cao chuẩn quốc gia Hải Phòng 1972 (HP72) trong cùng một hệ thống thống nhất dựa trên mô hình quasigeoid quốc gia độ chính xác cao và mạng lưới GNSS quốc gia. Việc thống nhất này không đơn giản chỉ là sự ghép nối cơ học giữa VN2000 và HP72, trái lại nhằm các mục đích sau:

         - Nâng cao độ chính xác tọa độ, độ cao các điểm thiên văn - trắc địa trong mạng lưới GNSS quốc gia phủ trùm;

         - Hoàn thiện HP72 sao cho đảm bảo việc sử dụng đồng bộ các dữ liệu độ cao chuẩn, trọng lực và vệ tinh để xác định mặt quasigeoid độ chính xác cao trên lãnh thổ Việt Nam đảm bảo độ cao trắc địa quốc gia của một điểm bằng tổng độ cao chuẩn quốc gia và độ cao quasigeoid quốc gia của điểm đó.

        Thực tế HQCTĐKGQG phải thỏa mãn các nhu cầu sử dụng và phản ánh quá trình phát triển về mọi mặt của một quốc gia, nghĩa là phải thỏa mãn các tiêu chuẩn sau (Tổng cục Địa chính, 1999):

         - Có độ lệch nhỏ nhất giữa mô hình toán học và không gian vật lý của thế gới thực;

         - Thuận tiện sử dụng trong thực tiễn có lưu ý đến tập quán hình thành từ lịch sử;

         - Dễ dàng tính toán chuyển đổi với các hệ quy chiếu đang sử dụng, đặc biệt là các hệ quy chiếu toàn cầu hiện hành.

         Hệ quy chiếu tọa độ quốc gia Việt Nam VN2000 sử dụng ellipsoid WGS84 quốc tế và được định vị phù hợp với lãnh thổ Việt Nam dựa trên 25 điểm cơ sở định vị được đo nối bằng GPS và có độ cao thủy chuẩn (10 điểm thuộc lưới cấp 0 có độ cao thủy chuẩn và 15 điểm độ cao hạng I, II nhà nước có đo nối tọa độ bằng GPS).

         Theo tài liệu (Tổng cục Địa chính, 1999), kết quả định vị ellipsoid theo 2 phương pháp (phương pháp phi tuyến và phương pháp tuyến tính) hoàn toàn tin cậy. Hệ quy chiếu tọa độ quốc gia VN2000 được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, ngành nghề khác nhau và đáp ứng được yêu cầu đặt ra của sự nghiệp xây dựng và bảo vệ Tổ quốc Việt Nam Xã hội chủ nghĩa. Hệ quy chiếu tọa độ quốc gia VN2000 được công bố vào năm 2000 là một nỗ lực rất lớn, là một thành tựu rất đáng ghi nhận của các nhà khoa học Trắc địa và Bản đồ Việt Nam trong bối cảnh khó khăn về việc tiếp cận với khoa học công nghệ hiện đại của thế giới.

Tuy nhiên, VN2000 còn có những hạn chế do các nguyên nhân sau đây:

        - Sử dụng mô hình geoid với độ chính xác không cao: Mô hình geoid VNGeo-96R được xây dựng theo phương pháp phần dư dựa trên mô hình tiên nghiệm EGM96 và 367 điểm GPS có độ cao thủy chuẩn (GPS/TC). Tuy nhiên, độ cao thủy chuẩn của các điểm này được tập hợp từ nhiều lưới thủy chuẩn có độ chính xác khác nhau từ hạng I đến hạng IV, độ cao trắc địa tại các điểm GPS-TC được tính từ nhiều lưới GPS có độ chính xác khác nhau từ cấp 0 tới lưới cạnh rất ngắn cho thiết kế đường giao thông và như vậy, trong tập hợp các dị thường độ cao tại các điểm GPS-TC còn chứa sai số hệ thống. Điều này giải thích tại sao độ cao trắc địa nhận được từ kết quả đo GPS và xử lý trên hệ WGS84 quốc tế đạt độ chính xác rất cao, nhưng khi chuyển về VN2000 theo các tham số chuyển đổi tọa độ do Tổng cục Địa chính ban hành (Quyết định số 05/2007/QĐ-BTNMT ngày 27/02/2007) lại không nhận được độ cao trắc địa quốc gia với độ chính xác tương ứng.

         - Lưới cơ sở định vị đo bằng GPS với khoảng cách rất lớn giữa các điểm nhưng được xử lý bằng chương trình TRIM NET+ nên chưa đáp ứng được yêu cầu về độ chính xác tọa độ,.v.v.

Như vậy, Hệ quy chiếu tọa độ quốc gia Việt Nam VN2000 chưa thỏa mãn tiêu chuẩn của một HQCTĐKGQG. Điều này giải thích tại sao hiện nay Việt Nam vẫn chưa có HQCTĐKGQG.

        Vì vậy để xây dựng HQCTĐKGQG chúng ta cần tìm hiểu phương pháp xây dựng HQCTĐKGQG ở một số nước có nền khoa học công nghệ phát triển và các kết quả đã nghiên cứu ở Việt Nam trong thời gian qua nhằm chuẩn bị đầy đủ cơ sở lý thuyết để tiến đến việc xây dựng HQCTĐKGQG Việt Nam trong tương lai./.

                                                                       Trần Thái Yên - Bộ môn QLĐĐ


Bài viết khác