Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu giải pháp thiết kế và xử lý số liệu lưới trắc địa áp dụng công nghệ GNSS phục vụ xây dựng hệ quy chiếu - hệ tọa độ quân sự ở Việt Nam

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:159

Thêm vào BST

Báo xấu

2
lượt xem 1
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật "Nghiên cứu giải pháp thiết kế và xử lý số liệu lưới trắc địa áp dụng công nghệ GNSS phục vụ xây dựng hệ quy chiếu - hệ tọa độ quân sự ở Việt Nam" trình bày các nội dung chính sau: 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; Giải pháp thiết kế lưới trắc địa áp dụng công nghệ GNSS phục vụ xây dựng Hệ quy chiếu - Hệ tọa độ; Giải pháp tính toán bình sai xử lý số liệu GNSS phục vụ xây dựng Hệ quy chiếu - Hệ tọa độ Quân sự ở Việt Nam.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu giải pháp thiết kế và xử lý số liệu lưới trắc địa áp dụng công nghệ GNSS phục vụ xây dựng hệ quy chiếu - hệ tọa độ quân sự ở Việt Nam

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT LỀU HUY NAM NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP THIẾT KẾ VÀ XỬ LÝ SỐ LIỆU LƯỚI TRẮC ĐỊA ÁP DỤNG CÔNG NGHỆ GNSS PHỤC VỤ XÂY DỰNG HỆ QUY CHIẾU - HỆ TỌA ĐỘ QUÂN SỰ Ở VIỆT NAM LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI - 2024
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT LỀU HUY NAM NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP THIẾT KẾ VÀ XỬ LÝ SỐ LIỆU LƯỚI TRẮC ĐỊA ÁP DỤNG CÔNG NGHỆ GNSS PHỤC VỤ XÂY DỰNG HỆ QUY CHIẾU - HỆ TỌA ĐỘ QUÂN SỰ Ở VIỆT NAM Ngành: Kỹ thuật trắc địa - bản đồ Mã số: 9.520503 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. GS. TSKH Hoàng Ngọc Hà 2. TS. Hoàng Minh Ngọc HÀ NỘI - 2024
i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Toàn bộ quá trình nghiên cứu được tiến hành một cách khoa học, các số liệu, kết quả nêu trong luận án là chính xác, trung thực và chưa từng được công bố trong bất cứ công trình nào khác. Tác giả luận án Lều Huy Nam
ii LỜI CẢM ƠN Trong quá trình thực hiện luận án, NCS đã nhận được sự giúp đỡ tận tình của thầy hướng dẫn khoa học GS. TSKH. Hoàng Ngọc Hà, người thầy đã dìu dắt và tận tình chỉ bảo NCS từ những bước đầu tiên đặt vấn đề định hướng nghiên cứu, giúp NCS tin tưởng vào bản thân và hoàn chỉnh luận văn tốt hơn. Đồng thời NCS cũng gửi lời cảm ơn tới Thiếu tướng, TS. Hoàng Minh Ngọc vì đã tạo điều kiện thuận lợi cho việc tiếp cận và tìm hiểu nghiên cứu những tài liệu mà Cục Bản đồ đang quản lý và phát triển, đó là những tài liệu quý báu với những số liệu giá trị để tính toán đánh giá so sánh trong phần thực nghiệm của luận án. Trong quá trình học tập, NCS cũng xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới các thầy cô thuộc Khoa Trắc địa Bản đồ và quản lý đất đai, Phòng Sau Đại học đã tạo điều kiện thuận lợi, nhiệt tình giúp đỡ để NCS có thể hoàn thành luận văn đúng tiến độ, cảm ơn PGS. TS. Nguyễn Quang Minh cùng Phòng Hợp tác quốc tế đã hỗ trợ để NCS có cơ hội đi thực tập trao đổi tại trường Đại học Windsor theo diện học bổng SEED (Canada-ASEAN Scholarships and Educational Exchanges for Development) của chính phủ Canada dành cho sinh viên và nghiên cứu sinh các nước tại khu vực Đông Nam Á, đây là khóa thực tập ý nghĩa giúp NCS có thể bổ sung thêm kiến thức và tư duy về các phương pháp luận và cách phân tích đánh giá dữ liệu. Bên cạnh đó, NCS còn nhận được những ý kiến trao đổi thẳng thắn về chuyên môn của Thủ trưởng Cục Bản đồ, chỉ huy tại Công ty TNHH MTV Trắc địa Bản đồ, Phòng Trắc địa Địa hình (Cục Bản đồ), Cục Đo đạc, Bản đồ và Thông tin địa lý Việt Nam, Hội Trắc địa - Bản đồ - Viễn thám Việt Nam,… Đó là những lời đóng góp chia sẻ chân thành đồng thời cũng là lời khích lệ để NCS có trách nhiệm hơn với đề tài của mình. NCS cũng xin trân trọng cảm ơn sự ủng hộ của bạn bè, đồng nghiệp và đặc biệt cảm ơn sự động viên của gia đình đã tạo điều kiện để NCS có thể tập trung thời gian trong suốt quá trình nghiên cứu và thực hiện luận án này.
iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ........................................................................................................ i LỜI CẢM ƠN .............................................................................................................ii MỤC LỤC ................................................................................................................. iii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT BẰNG TIẾNG NƯỚC NGOÀI ....................... vi DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT BẰNG TIẾNG VIỆT ........................................ ix DANH MỤC BẢNG BIỂU ........................................................................................ x DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ.................................................................................... xi MỞ ĐẦU ..................................................................................................................... 1 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 ... 8 1.1. Tình hình nghiên cứu xây dựng và phát triển hệ quy chiếu hệ tọa độ ............ 9 1.1.1. Tình hình nghiên cứu trên thế giới................................................................. 9 1.1.2. Tình hình nghiên cứu trong nước ................................................................ 14 1.2. Các hệ quy chiếu quốc tế ........................................................................... 16 1.2.1. Hệ quy chiếu thiên văn quốc tế .................................................................... 16 1.2.2. Hệ quy chiếu mặt đất quốc tế....................................................................... 17 1.2.3. Hệ quy chiếu trắc địa quốc tế 1984 (WGS84) ............................................ 17 1.3. Hiện trạng hệ quy chiếu hệ tọa độ quốc gia VN-2000 và hạ tầng cơ sở trắc địa ở Việt Nam ................................................................................................. 18 1.3.1. Tổng quan hệ quy chiếu VN-2000 .............................................................. 18 1.3.2. Hiện trạng lưới trắc địa Việt Nam ............................................................... 20 1.3.3. Các dự án nghiên cứu về địa động học ........................................................ 27 1.3.4. Đánh giá chung............................................................................................. 28 1.4. Phương án xây dựng hệ quy chiếu hệ tọa độ quân sự ............................... 30 1.4.1. Đặt vấn đề ..................................................................................................... 30 1.4.2. Cơ sở về ứng dụng cho mục đích quân sự................................................... 31 1.4.3. Phương án xây dựng hệ quy chiếu hệ tọa độ quân sự ................................. 33 1.5. Bảo đảm CSDL địa hình cho vũ khí khí tài hiện đại................................. 35 1.5.1. Hệ thống tên lửa phòng không Spyder ........................................................ 35 1.5.2. Hệ thống buồng tập lái máy bay Su30Mk2 ................................................. 37 1.5.3. Hệ thống tên lửa bờ Bastion-Monolit .......................................................... 38 1.6. Tiểu kết Chương 1 ..................................................................................... 39
iv CHƯƠNG 2. GIẢI PHÁP THIẾT KẾ LƯỚI TRẮC ĐỊA ÁP DỤNG CÔNG NGHỆ GNSS PHỤC VỤ XÂY DỰNG HỆ QUY CHIẾU - HỆ TỌA ĐỘ......................... 41 2.1. Cơ sở hạ tầng xây dựng hệ quy chiếu hệ tọa độ trên thế giới ................... 41 2.1.1. Kỹ thuật định vị vệ tinh GNSS .................................................................... 41 2.1.2. Kỹ thuật quan sát thiên văn học với đường cơ sở rất dài ............................ 42 2.1.3. Kỹ thuật đo khoảng cách bằng laser ............................................................ 43 2.1.4. Kỹ thuật xác định quỹ đạo vệ tinh chính xác .............................................. 44 2.1.5. Kỹ thuật đo trọng lực ................................................................................... 45 2.2. Cơ sở hạ tầng xây dựng hệ quy chiếu hệ tọa độ tại một số nước trên thế giới .................................................................................................................... 48 2.2.1. Tại Canada .................................................................................................... 48 2.2.2. Tại Trung Quốc ............................................................................................ 49 2.2.3. Tại Hàn Quốc ............................................................................................... 49 2.3. Đánh giá trang thiết bị phục vụ xây dựng hệ quy chiếu hệ tọa độ tại Việt Nam .................................................................................................................. 50 2.3.1. Hệ thống trạm thường trực cơ sở GNSS CORS.......................................... 50 2.3.2. Lưới khống chế quân dụng .......................................................................... 51 2.4. Giải pháp thiết kế lưới GNSS trắc địa phục vụ xây dựng hệ quy chiếu hệ tọa độ ................................................................................................................ 52 2.4.1. Tiêu chí thiết kế lưới GNSS ......................................................................... 53 2.4.2. Giải pháp thiết kế tối ưu hóa mạng GNSS .................................................. 55 2.4.3. Giải pháp đề xuất tại Việt Nam.................................................................... 55 2.5. Tình hình thực tiễn trong tác chiến ........................................................... 59 2.5.1. Công nghệ ELORAN ................................................................................... 59 2.5.2. Giải pháp áp dụng ELORAN....................................................................... 64 2.5.3. Hệ tọa độ quân sự MGRS ............................................................................ 67 2.5.4. Giải pháp áp dụng MGRS ............................................................................ 69 2.6. Tiểu kết Chương 2 ..................................................................................... 70 CHƯƠNG 3. GIẢI PHÁP TÍNH TOÁN BÌNH SAI XỬ LÝ SỐ LIỆU GNSS PHỤC VỤ XÂY DỰNG HỆ QUY CHIẾU - HỆ TỌA ĐỘ QUÂN SỰ Ở VIỆT NAM ..... 72 3.1. Giải pháp xây dựng hệ quy chiếu hệ tọa độ VN-2000 .............................. 72 3.2. Giải pháp tính toán bình sai xử lý số liệu .................................................. 73 3.2.1. Phương pháp tính toán lưới mặt bằng.......................................................... 73 3.2.2. Phương pháp tính toán lưới độ cao .............................................................. 79
v 3.3. Giải pháp xử lý tính toán dữ liệu GNSS ................................................... 84 3.3.1. Công nghệ và thiết bị đo lưới tọa độ............................................................ 84 3.3.2. Quy định kỹ thuật đo tọa độ bằng công nghệ GNSS .................................. 84 3.3.3. Giải pháp xử lý số liệu GNSS ...................................................................... 86 3.4. Giải pháp xác định bộ tham số tính chuyển .............................................. 90 3.4.1. Cơ sở lý thuyết.............................................................................................. 90 3.4.2. Giải pháp tính chuyển giữa ITRF và WGS84 ............................................. 92 3.4.3. Giải pháp thực tiễn tính chuyển giữa ITRF và VN-2000 ........................... 94 3.5. Tiểu kết Chương 3 ..................................................................................... 98 CHƯƠNG 4. THỰC NGHIỆM .............................................................................. 100 4.1. Tính toán bình sai kết nối hệ thống trạm CORS với hệ thống trạm IGS .................................................................................................................. 100 4.2. Xác định bộ tham số tính chuyển tọa độ ................................................. 101 4.2.1. Xác định 7 tham số tính chuyển giữa tọa độ mạng lưới GNSS quốc tế (hệ quy chiếu ITRS) với Hệ quy chiếu VN-2000...................................................... 102 4.2.2. Xác định 14 tham số tính chuyển giữa tọa độ mạng lưới GNSS quốc tế và Hệ tọa độ quốc gia VN-2000 ............................................................................... 108 4.3. Tính toán nội suy độ cao bổ sung cho mô hình Geoid dựa trên các điểm đo mặt đất có độ cao thủy chuẩn ......................................................................... 113 4.4. Phương án triển khai áp dụng trong quân đội ......................................... 117 4.4.1. Xây dựng hệ chỉ huy điều hành trong tác chiến hợp đồng. ...................... 117 4.4.2. Bảo mật thông tin tọa độ khi tác chiến ...................................................... 117 4.5. Tiểu kết Chương 4 ................................................................................... 117 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ................................................................................. 119 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ ĐÃ CÔNG BỐ CÓ LIÊN QUAN TỚI LUẬN ÁN DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO PHỤ LỤC
vi DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT BẰNG TIẾNG NƯỚC NGOÀI Ký hiệu Viết đầy đủ bằng tiếng Giải thích bằng tiếng Việt viết tắt nước ngoài Asia Pacific Regional Geodetic Dự án lưới trắc địa khu vực Châu APRGP Project Á - Thái Bình Dương Mạng lưới trắc địa cơ sở phối hợp CBN Cooperative Base Network (ở Mỹ) Continuously Operating Reference CORS Trạm tham chiếu hoạt động liên tục Station CGCS- Chinese geodetic coordinate system Hệ tọa độ trắc địa Trung Quốc năm 2000 2000 2000 Mô hình Geoid trọng lực của CGG Canadian Gravimetric Geoid Canada CGVD Canadian Geodetic Vertical Datum Hệ quy chiếu độ cao trắc địa Canada Hệ thống tham chiếu không gian CSRS Canadian Spatial Reference System Canada DGPS Differential GPS GPS vi phân Doppler Orbitography and Quỹ đạo Doppler và các bức xạ DORIS Radiopositioning Integrated by của vệ tinh Satellite DSM Digital Surface Model Mô hình số bề mặt EGM Earth Gravitational Model Mô hình số trọng lực European Terrestrial Reference ETRF Khung tham chiếu mặt đất Châu Âu Frame
vii Ký hiệu Viết đầy đủ bằng tiếng Giải thích bằng tiếng Việt viết tắt nước ngoài Asia Pacific Regional Geodetic Dự án lưới trắc địa khu vực Châu APRGP Project Á - Thái Bình Dương FAA Federal Aviation Administration Cục hàng không liên bang FNB Federal Base Network Mạng lưới trắc địa liên bang (Mỹ) GDA Geocentric Datum of Australia Hệ tọa độ địa tâm Úc GIS Geographical Information System Hệ thông tin địa lý GMT Greenwich Mean Time Giờ trung bình tại Greenwich GNSS Global Navigation Satellite System Hệ thống vệ tinh định vị toàn cầu GPS Global Positioning System Hệ thống định vị toàn cầu của Mỹ International Association of IAG Hiệp hội trắc địa quốc tế Geodesy International Earth Rotation and Hệ thống dịch vụ quốc tế tham IERS Reference Systems Service chiếu trục xoay của trái đất IGS International GNSS Service Dịch vụ GNSS quốc tế INS Inertial Navigation System Hệ thống dẫn đường quán tính International Terrestrial Reference ITRF Hệ quy chiếu mặt đất quốc tế Frame Hàm nội suy trọng số nghịch đảo IDW Inverse Distance Weighting khoảng cách Hệ thống định vị mặt đất sử dụng LORAN Long Range Navigation bước sóng dài Hệ thống tham chiếu lưới tọa độ MGRS Military Grid Reference System quân sự National Aeronautics and Space Cơ quan hàng không và vũ trụ NASA Administration quốc gia Mỹ
viii Ký hiệu Viết đầy đủ bằng tiếng Giải thích bằng tiếng Việt viết tắt nước ngoài Asia Pacific Regional Geodetic Dự án lưới trắc địa khu vực Châu APRGP Project Á - Thái Bình Dương National Geodetic Reference Hệ thống quy chiếu trắc địa quốc NGRS System gia truyền thống của Mỹ Cơ quan khảo sát trắc địa quốc NGS National Geodetic Survey gia của Mỹ National Oceannic and Cơ quan quản lý khí quyển và đại NOAA Atmospheric Administration dương quốc gia Mỹ Hệ thống tham chiếu không gian NSRS National Spatial Reference System quốc gia của Mỹ National Satellite Geodetic Mạng lưới trắc địa vệ tinh quốc NSGN Network gia (Nga) Permanent Committee on GIS Chương trình quan trắc mạng lưới PCGIAP Infrastructure for Asia and the Châu Á – Thái Bình Dương Pacific Mạng lưới trắc địa chính xác PGN Precise Geodetic Network (Nga) Hệ tọa độ trắc địa sử dụng cho hệ PZ-90 Parametry Zemli 1990 thống vệ tinh GLONASS (Nga) RTK Real Time Kinematic Đo động thời gian thực UTM Universal Transverse Mercator Phép chiếu hình trụ ngang đồng góc UTC Coordinated Universal Time Giờ phối hợp quốc tế Lực lượng quân đội Hoa Kỳ USACE U.S. Army Corps of Engineers (chuyên xây dựng quốc phòng và dân dụng) USCG U.S. Coast Guard Lực lượng cảnh sát biển Hoa Kỳ Hệ quy chiếu trắc địa quốc tế WGS84 World Geodetic System 1984 năm 1984
ix DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT BẰNG TIẾNG VIỆT Ký hiệu viết Giải thích bằng tiếng Việt BTTMtắt Bộ tổng Tham mưu CSDL Cơ sở dữ liệu CSTT Cơ sở thường trực ĐHQS Địa hình Quân sự GPS-TC Dữ liệu đo vệ tinh GPS kết hợp đo cao thủy chuẩn GPS-TC-TL Dữ liệu đo vệ tinh GPS kết hợp đo cao thủy chuẩn và đo trọng lực Hệ tọa độ quốc gia ban hành theo Quyết định số 245/QĐ-TTg ngày HN-72 05/9/1972 củaThủ tướng Chính phủ HQC-HTĐ Hệ quy chiếu - Hệ tọa độ NCS Nghiên cứu sinh QCPKKQ Quân chủng Phòng không Không quân TLPK Tên lửa phòng không VNGEONET Hệ thống trạm định vị vệ tinh quốc gia Hệ quy chiếu và Hệ tọa độ quốc gia ban hành theo Quyết định số VN-2000 83/2000/QĐ-TTg ngày 12/07/2000 của Thủ tướng Chính phủ.
x DANH MỤC BẢNG BIỂU TT Tên bảng Trang Bảng 1.1: Các mạng lưới trắc địa ở Trung Quốc ........................................... 11 Bảng 1.2: Các điểm lưới GPS cấp “0” trùng với các điểm mốc thuộc mạng lưới trắc địa cũ ................................................................................................ 22 Bảng 3.1: Giải pháp tính toán chuyển dịch tuyến tính và phi tuyến tính ....... 92 Bảng 3.2: Độ lệch giữa hệ toạ độ WGS84 và hệ toạ độ ITRF........................ 93 Bảng 4.1: Kết quả tính toán thử nghiệm dựa trên số liệu ngẫu nhiên.......... 104 Bảng 4.2: Tham số tính chuyển khi tính theo 14 điểm trạm CORS .............. 105 Bảng 4.3: Bảng so sánh kết quả tính toán 7 tham số từ WGS84 sang VN-2000 ....................................................................................................................... 106 Bảng 4. 4. Độ lệch giữa giá trị tính chuyển bằng bộ tham số VN-2000 và bộ tham số tính toán dựa trên 14 điểm CORS ................................................... 106 Bảng 4. 5. Độ lệch giữa giá trị tính chuyển bằng bộ tham số VN-2000 và bộ tham số tính toán dựa trên 12 điểm CORS ................................................... 107 Bảng 4. 6. Độ lệch giữa giá trị tính chuyển bằng bộ tham số VN-2000 và bộ tham số tính toán dựa trên 7 điểm CORS ..................................................... 107 Bảng 4. 7. Đánh giá độ lệch mặt phẳng theo khoảng cách ngoại vi ............ 108 Bảng 4. 8: Tham số tính chuyển tọa độ từ ITRFx sang ITRFy ..................... 108 Bảng 4.9: Kết quả tính toán tham số tính chuyển từ ITRF sang VN-2000 ... 109 Bảng 4.10: Kết quả độ gợn sóng của 3 mô hình ........................................... 116 Bảng 4.11: Kết quả thống kê so sánh mô hình đối với mô hình nội suy Kriging ....................................................................................................................... 116
xi DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ TT Tên hình Trang Hình 1.1: Hệ thống tên lửa phòng không Spyder .....................................................36 Hình 1.2: Hình ảnh máy bay Su-30MK2 ..................................................................37 Hình 1.3: Bệ phóng tên lửa Bastion ..........................................................................38 Hình 1.4: Bố trí hệ thống tên lửa bờ Bastion ............................................................39 Hình 2.1: Sơ đồ nguyên lý hoạt động của hệ thống GNSS .......................................41 Hình 2.2: Sơ đồ nguyên lý hoạt động của hệ thống VLBI........................................43 Hình 2.3: Sơ đồ nguyên lý hoạt động của hệ thống SLR/LLR .................................44 Hình 2.4: Sơ đồ nguyên lý hoạt động của hệ thống DORIS .....................................45 Hình 2.5: Sơ đồ nguyên lý hoạt động của hệ thống đo trọng lực .............................46 Hình 2.6: Các khối kiến tạo chính tại Việt Nam .......................................................56 Hình 2.7: Sơ đồ bố trí các trạm định vị vệ tinh quân sự ...........................................57 Hình 2.8: Tầm phủ sóng quản lý hệ thống ELORAN tại Mỹ ...................................60 Hình 2.9: Sơ đồ hoạt động cơ bản của hệ thống ELORAN ......................................61 Hình 2.10: Giải pháp kết hợp hệ thống GPS và ELORAN.......................................63 Hình 2.11: Cách chia mảnh lưới tọa độ quân sự MGRS...........................................68 Hình 2.12: Thiết kế ô lưới MGRS.............................................................................68 Hình 3.1: Mô hình sơ đồ tính chuyền độ cao thủy chuẩn ra đảo ..............................79 Hình 3.2: Nguyên lý cân bằng thiên văn ...................................................................81 Hình 3.3: Bản đồ chuyển dịch mảng kiến tạo ...........................................................91 Hình 3.4: Sơ đồ giải pháp nội suy tuyến tính vị trí điểm theo các kỷ nguyên ..........91 Hình 3.5: Quy trình tính toán kết nối WGS84 và ITRF............................................93 Hình 3.6: Các tham số tính chuyển theo quan điểm động ........................................96 Hình 4.1: Sơ đồ vị trí điểm đo kết nối với trạm IGS...............................................100 Hình 4.2: Quy trình thử nghiệm bộ tham số tính chuyển .......................................102 Hình 4.3: Hướng dịch chuyển của 14 điểm đo .......................................................105 Hình 4.4: Mối quan hệ tương quan từng thành phần trong bộ tham số tính chuyển ...110 Hình 4.5: Mối quan hệ tương quan giữa 14 tham số tính chuyển ...........................111 Hình 4.6: Mối quan hệ tương quan 7 tham số tính chuyển .....................................111 Hình 4.7: Mối quan hệ tương quan của 7 tham số tốc độ dịch chuyển...................112 Hình 4.8: Sơ đồ thực nghiệm xây dựng mô hình Geoid cục bộ..............................114 Hình 4.9: Thống kê về sự khác biệt giữa các mô hình............................................116
1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Hệ quy chiếu và hệ toạ độ đóng vai trò quan trọng trong hoạt động đảm bảo An ninh - Quốc phòng cũng như nhiệm vụ phát triển kinh tế và nghiên cứu khoa học của mỗi quốc gia. Sau hơn 20 năm đưa vào sử dụng, hệ tọa độ quốc gia Việt Nam gặp một số hạn chế trong việc xử lý dữ liệu thời gian thực cũng như quản lý không gian 3D trên nền tảng số khu vực biển đảo và các vùng lân cận ứng dụng trong nhiệm vụ quân sự (an ninh - quốc phòng). Thứ nhất, hệ thống này không thích ứng với sự biến đổi liên tục của vỏ Trái Đất do các hoạt động kiến tạo, động đất, và các hiện tượng địa chất khác, dẫn đến sai lệch trong việc xác định vị trí chính xác. Thứ hai, trong các nghiên cứu khoa học và ứng dụng kỹ thuật hiện đại đòi hỏi độ chính xác cao, hệ tọa độ “tĩnh” không đáp ứng được nhu cầu quan trắc các dịch chuyển nhỏ nhất của vỏ Trái Đất, gây ảnh hưởng lớn đến kết quả đo đạc. Thứ ba, hệ tọa độ “tĩnh” không phù hợp với các hệ thống định vị vệ tinh hiện đại như GPS, GLONASS, và GALILEO, vốn hoạt động dựa trên các tọa độ động để cung cấp dữ liệu chính xác và kịp thời. Thứ tư, trong quản lý và phát triển hạ tầng, quy hoạch đô thị và xây dựng, hệ tọa độ “tĩnh” không thể cập nhật nhanh chóng các thay đổi vị trí, dẫn đến sai sót trong thi công và quy hoạch. Thứ năm, hệ tọa độ “tĩnh” gây khó khăn trong hội nhập và hợp tác quốc tế, vì các lưới trắc địa quốc tế yêu cầu hệ tọa độ “động” để đảm bảo sự thống nhất và chính xác. Vì những lý do này, việc nghiên cứu đánh giá xây dựng hệ quy chiếu hệ tọa độ “động” là cần thiết để đảm bảo tính chính xác, cập nhật và phù hợp với xu hướng phát triển toàn cầu. Vì vậy, việc nghiên cứu đánh giá giải pháp xây dựng Hệ quy chiếu - Hệ tọa độ Quân sự Việt Nam dựa trên Hệ tọa độ quốc gia VN-2000 và nền tảng khoa học công nghệ và cơ sở hạ tầng hiện đại mà Cục Bản đồ và Bộ Tài nguyên Môi
2 trường đã trang bị (hệ thống trạm CORS) và sẽ trang bị trong tương lai, tính toán bình sai dựa trên cơ sở lý thuyết từ bài toán truyền thống áp dụng công nghệ đo hiện đại nhằm mục đích kết nối với các khung tham chiếu được cập nhật thường xuyên và có tính toàn cầu chính là một việc cấp thiết. Để phù hợp với điều kiện giai đoạn hiện tại, các giải pháp cần phải cân nhắc và đánh giá theo các quan điểm chính như sau: - Quan điểm về kế thừa lịch sử: Hệ quy chiếu - Hệ tọa độ quân sự phải được xây dựng trên cơ sở những thành tựu, kết quả mà VN-2000 đã đạt được, đồng thời hoàn thiện VN-2000 nhờ vào những phương tiện và công nghệ hiện đại. Luận điểm này chính là xây dựng mối liên kết giữa hệ tọa độ quân sự và hệ tọa độ VN-2000 phiên bản được nâng cấp 3D (hệ VN-2000 3D đã được tính toán tham số liên kết với hệ quy chiếu toàn cầu). Nội dung mở rộng gồm: phạm vi và quy mô rộng lớn hơn, xây dựng cơ chế bảo mật, xây dựng cơ chế thống nhất trong các hoạt động quân sự. Kế thừa thành tựu nghiên cứu quốc tế để xây dựng một hệ quy chiếu động trên cơ sở khung quy chiếu quốc tế ITRF. - Quan điểm hiện tại: Hệ quy chiếu - Hệ tọa độ quân sự đã ứng dụng công nghệ định vị vệ tinh GNSS với các trạm CSTT (CORS). Đây là điều kiện thuận lợi để tính toán kết nối tọa độ quân sự với tọa độ VN-2000 và hệ tọa độ mặt đất quốc tế ITRF. Giúp cho việc tính toán hiệu chỉnh, kế thừa và phát huy các thành tựu công nghệ một cách dễ dàng trong suốt thời bình lẫn thời chiến. - Quan điểm về tương lai: Xây dựng hệ quy chiếu “động” dựa trên nền tảng công nghệ GNSS sẽ là thành tựu lớn trong việc kế thừa và phát huy khối dữ liệu mà Việt Nam đang khai thác vận hành. Việc chuyển đổi số, xây dựng CSDL bản đồ số dựa trên các bộ tham số tính chuyển và hệ tọa độ mới giống như một “cầu nối” giữa dữ liệu cũ và dữ liệu mới. Phần tĩnh vẫn đáp ứng các nhu cầu mục đích sử dụng theo thời điểm nhất định, phần động sẽ là phát triển cập nhật, và kết nối các dữ liệu tạo thành một quần thể dữ liệu thống nhất. Ngày nay, với sự phát triển vượt bậc của công nghệ GNSS CORS. Các quốc gia là thành viên của các tổ chức IGS như Mỹ, Canada, Australia, Anh, Đức, Pháp,...
3 sử dụng các trạm CORS quốc gia có liên kết chặt chẽ với mạng lưới IGS để xác định 03 góc Euler cũng như để xác định sự chuyển dịch mảng kiến tạo phục vụ thiết lập khung quy chiếu trái đất ITRF/ETRS89. Đối với các quốc gia có Hệ quy chiếu hệ tọa độ không tương thích với ITRF/ETRS89 mà chỉ được xác định mối liên kết thông qua 07 tham số chuyển đổi tọa độ của mô hình Bursa - Wolf, khi xây dựng được hệ thống trạm CORS mà chưa tham gia xử lý trong cùng hệ thống mạng lưới IGS để xây dựng khung quy chiếu ITRF/ETRS89 thì có thể sử dụng các dịch vụ do tổ chức IGS cung cấp để phát triển các mạng lưới GNSS tại quốc gia đó với độ chính xác cao và đồng nhất bằng phương pháp xử lý tính toán bình sai kết nối. Đồng thời luận án sẽ tập trung phân tích mối quan hệ các thành phần của bộ thông số chuyển đổi nhằm mục đích đánh giá sự ảnh hưởng của từng khu vực dữ liệu tính toán, phân tích theo từng khối dữ liệu nhằm xây dựng mô hình tuyến tính cũng như dự báo được xu hướng chuyển dịch của từng bộ dữ liệu thành phần trong hệ thống trạm CORS toàn quốc. Luận điểm này phù hợp với hoàn cảnh thực trạng dữ liệu của Việt Nam hiện tại và trong Luận án này NCS cũng sẽ tập trung đánh giá trong phần thực nghiệm. 2. Mục tiêu nghiên cứu - Đề xuất được giải pháp thiết kế lưới trắc địa áp dụng công nghệ GNSS phục vụ tính toán kết nối Hệ tọa độ quốc gia VN-2000 với Hệ tọa độ quốc tế ITRF. - Đưa ra được giải pháp tính toán bình sai xử lý dữ liệu GNSS phục vụ xây dựng Hệ quy chiếu - Hệ tọa độ Quân sự ở Việt Nam. Tập trung giải quyết bài toán xác định bộ tham số tính chuyển giữa Hệ tọa độ Việt Nam với Hệ tọa độ quốc tế ITRF. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu - Đối tượng nghiên cứu chính là nghiên cứu xây dựng “Hệ quy chiếu - Hệ tọa độ Quân sự ở Việt Nam” dựa trên hệ thống trạm thu tín hiệu liên tục GNSS CORS (Đánh giá giải pháp xây dựng từ việc phát triển từ Hệ quy chiếu quốc gia VN-2000 và việc kết nối với hệ quy chiếu quốc tế ITRF dựa trên hệ thống GNSS CORS). - Phạm vi nghiên cứu:
4 + Phạm vi nghiên cứu lý thuyết: xây dựng được cơ sở lý thuyết tiêu chí xây dựng giải pháp thiết kế vị trí các điểm trạm CORS thuộc Hệ quy chiếu - Hệ tọa độ trạm CORS đáp ứng về nguyên lý tối ưu đảm bảo vệ độ tin cậy - độ chính xác - và giá trị thi công trong điều kiện Việt Nam. Nghiên cứu cơ sở khoa học của bài toán bình sai lưới GNSS CORS và mặt đất cũng như các bài toán cơ bản khác phục vụ xây dựng hệ quy chiếu hệ tọa độ. + Phạm vi thực nghiệm: xây dựng phần mềm tính toán thử nghiệm bộ tham số tính chuyển đối với mạng lưới điểm trạm CORS phủ trùm lãnh thổ Việt Nam và khu vực biển đảo. Tập trung xử lý, phân tích bài toán tính chuyển tọa độ và giải pháp nâng cao độ chính xác mô hình Geoid nhằm nâng cao khả năng ứng dụng của các khí tài hiện đại đang được đầu tư tại Việt Nam. 4. Nội dung nghiên cứu - Nghiên cứu tổng quan các hệ quy chiếu, hệ tọa độ trên thế giới. - Nghiên cứu các hệ thống trang thiết bị phục vụ xây dựng Hệ quy chiếu toàn cầu ITRF cũng như hệ quy chiếu tại một số quốc gia trên thế giới. Từ đó là cơ sở đề xuất giải pháp thiết kế lưới trắc địa áp dụng công nghệ GNSS phục vụ xây dựng Hệ quy chiếu - Hệ tọa độ Quân sự ở Việt Nam. - Đề xuất các giải pháp xử lý tính toán bình sai dữ liệu GNSS CORS, từ đó xây dựng cơ sở lý thuyết nâng cấp và phát triển mở rộng phạm vi áp dụng tính toán độ chính xác cao tọa độ GNSS tại Việt Nam và các vùng lân cận. - Tập trung tính toán thực nghiệm với dữ liệu trạm GNSS CORS do Cục Bản đồ quản lý. Tính toán bộ tham số tính chuyển giữa Hệ tọa độ quốc tế ITRF và Hệ tọa độ quốc gia VN-2000. 5. Phương pháp nghiên cứu - Phương pháp nghiên cứu hồi cứu: thu thập các nguồn tài liệu từ các nhiệm vụ và nghiên cứu có liên quan đến hướng nghiên cứu của luận án, đồng thời tìm kiếm thông tin trên các thư viện số trong nước và ngoài nước.
5 - Phương pháp phân tích tổng hợp: phân tích các thông tin từ các nguồn tài liệu tham khảo, phân tích các cơ sở lý thuyết và kết quả thực nghiệm. - Phương pháp toán học: tập hợp các định lý, biểu thức toán học nhằm chứng minh công thức, xây dựng lý thuyết và phương pháp xử lý toán học tối ưu trong việc tính toán bình sai cũng như tính chuyển tọa độ. - Phương pháp chuyên gia: tiếp thu ý kiến đóng góp sửa chữa của người hướng dẫn khoa học, tham khảo ý kiến đóng góp của các nhà khoa học, các đồng nghiệp về các vấn đề trong nội dung luận án. - Phương pháp lập biểu đồ, so sánh: lập biểu đồ, so sánh các kết quả, giải pháp để phân tích đánh giá và tìm kiếm phương án tối ưu. - Phương pháp thực nghiệm: sử dụng các số liệu thực tế thực hiện nhiệm vụ tính toán đánh giá kiểm chứng lại các công thức và luận điểm nghiên cứu. 6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án - Ý nghĩa khoa học: + Các kết quả nghiên cứu về thiết kế và xử lý số liệu GNSS góp phần bổ sung và làm rõ thêm các luận điểm lý thuyết của các nghiên cứu trước đó. Việc đánh giá so sánh kết quả giúp làm rõ nguyên nhân và sự ảnh hưởng của các nguồn sai số đến từng khối dữ liệu tính toán trên lãnh thổ Việt Nam. Từ đó bước đầu đánh giá đề xuất sử dụng công nghệ Machine Learning để tính toán xác định bộ tham số tính chuyển “động” dựa trên các dữ liệu điểm song trùng. + Góp phần hoàn thiện được các phương pháp xử lý nâng cao độ chính xác dữ liệu của mạng lưới trắc địa quốc gia. - Ý nghĩa thực tiễn: + Cung cấp cơ sở khoa học cho khả năng ứng dụng các thành quả khoa học tiên tiến cũng như kiến thức cơ bản của các hệ thống trang thiết bị tiên tiến phục vụ xây dựng Hệ quy chiếu hệ tọa độ quân sự ở Việt Nam.
6 + Kết quả tính toán thực nghiệm kiểm chứng lại cơ sở lý thuyết, từ đó là cơ sở để phục vụ công tác lựa chọn xây dựng mạng lưới khống chế tọa độ trắc địa GNSS CORS một cách phù hợp nhằm mục đích nâng cao độ chính xác tọa độ tại Việt Nam. + Xây dựng được phần mềm tính toán thử nghiệm bộ tham số tính chuyển đối với mạng lưới điểm trạm CORS cũng như các điểm mô hình giả lập. 7. Các luận điểm bảo vệ - Luận điểm 1: Thiết kế tối ưu lưới GNSS CORS đảm bảo tính liên kết chặt chẽ giữa Hệ quy chiếu - Hệ tọa độ Quân sự ở Việt Nam với hệ thống ITRF dựa trên cơ sở cập nhật Hệ quy chiếu - Hệ tọa độ quốc gia VN-2000. - Luận điểm 2: Nghiên cứu xây dựng thuật toán bình sai lưới GNSS có điểm trạm CORS phục vụ xây dựng Hệ quy chiếu - Hệ tọa độ Quân sự ở Việt Nam. - Luận điểm 3: Giải pháp xây dựng bộ tham số tính chuyển “động” giữa Hệ tọa độ VN-2000 và Hệ tọa độ ITRF đủ độ tin cậy làm cơ sở xây dựng Hệ quy chiếu - Hệ tọa độ Quân sự ở Việt Nam. 8. Các điểm mới của luận án - Đã xác lập được cơ sở khoa học cho việc xây dựng hệ quy chiếu toạ độ quân sự trên cơ sở cập nhật hệ quy chiếu toạ độ quốc gia VN-2000 kết hợp với bổ sung các điểm GNSS/CORS tại các mảng kiến tạo và vùng hải đảo. Đề xuất phương án, giải pháp thiết kế tối ưu lưới GNSS/CORS phù hợp với lãnh thổ Việt Nam và liên kết với hệ toạ độ quốc tế ITRF. - Nghiên cứu và đã xây dựng được thuật toán bình sai lưới kết hợp mặt bằng và GNSS có điểm trạm CORS. Đã đề xuất được giải pháp xác định độ cao thuỷ chuẩn bằng công nghệ GNSS mở rộng đến vùng biển đảo và đề xuất xử lý kết hợp lưới GNSS thuỷ chuẩn bằng phương pháp bình sai điều kiện kèm ẩn số. - Đã xác định được giải pháp xây dựng phần mềm tính toán chuyển toạ độ theo quan điểm “động” giữa các hệ toạ độ VN-2000 và GNSS/ITRF để đặt tiền đề cho việc xây dựng hệ toạ độ quân sự dựa trên hệ toạ độ VN-2000 và các trị đo bổ sung của phân khúc lưới GNSS/CORS.
7 - Đã sử dụng phương pháp phân tích thành phần chính PCA (phương pháp phân tích thông kê giảm chiều dữ liệu mà vẫn giữ được đặc trưng của các thành phần cần phân tích) để đánh giá mối liên hệ và sự liên kết giữa các thành phần của bộ tham số tính chuyển “động” như sự dịch chuyển, xoay trục và tỷ lệ biến dạng. Đây là tính rất mới so với các nghiên cứu trước đây giúp xác định và kiểm soát bộ tham số tính chuyển tọa độ khi xét đến yếu tố thời gian vào công thức tính chuyển. 9. Cấu trúc và khối lượng của luận án Ngoài phần mở đầu, kết luận, kiến nghị, tài liệu tham khảo và phần phụ lục, luận án được trình bày trong 4 chương như sau: 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. Chương 2: Giải pháp thiết kế lưới trắc địa áp dụng công nghệ GNSS phục vụ xây dựng Hệ quy chiếu - Hệ tọa độ. Chương 3: Giải pháp tính toán bình sai xử lý số liệu GNSS phục vụ xây dựng Hệ quy chiếu - Hệ tọa độ Quân sự ở Việt Nam. Chương 4: Thực nghiệm