Khảo sát ảnh hưởng của thủy triều đến đo cao GPS -Thủy chuẩn và đo cao vệ tinh

Nội dung text: Khảo sát ảnh hưởng của thủy triều đến đo cao GPS -Thủy chuẩn và đo cao vệ tinh

1. T¹p chÝ KHKT Má - §Þa chÊt, sè 50, 4-2015, tr.101-104 TRẮC ĐỊA – ĐỊA CHÍNH – BẢN ĐỒ (trang 101÷108) KHẢO SÁT ẢNH HƯỞNG CỦA THỦY TRIỀU ĐẾN ĐO CAO GPS-THỦY CHUẨN VÀ ĐO CAO VỆ TINH NGUYỄN VĂN SÁNG, Trường Đại học Mỏ - Địa chất PHẠM VĂN TUYÊN, Công ty TNHH kỹ thuật đường cao tốc Changda, Quảng Đông Tóm tắt: Thủy triều là hiện tượng lên xuống của mực nước biển do ảnh hưởng kết hợp của các lực hấp dẫn tác dụng bởi Mặt Trăng, Mặt Trời và sự quay của Trái Đất. Có 3 hệ thống triều là triều trung bình, triều zero và triều không phụ thuộc. Bài báo trình bày về ảnh hưởng của triều đến đo cao GPS-thủy chuẩn và đo cao vệ tinh. Trong bài, tác giả nêu ra công thức thực dụng tính số hiệu chỉnh của triều đến độ cao trong hệ triều không phụ thuộc. Theo công thức này, số hiệu chỉnh do triều hiệu chỉnh vào độ cao chỉ phụ thuộc vào độ vĩ. Kết quả tính toán thực nghiệm cho thấy ảnh hưởng của triều đến độ cao trong hệ triều không phụ thuộc trên lãnh thổ Việt Nam thay đổi từ -6,3 cm đến -3,1 cm, độ lớn giảm dần từ Nam lên Bắc. Chênh lệch ảnh hưởng của triều này đến hai điểm khác nhau là rất nhỏ nên không ảnh hưởng đến đo cao GPS-thủy chuẩn. Đối với đo cao vệ tinh, triều ảnh hưởng đáng kể đến độ cao mặt biển. 1. Đặt vấn đề thức tính ảnh hưởng của triều đến trọng lực, dị Triều nói theo nghĩa rộng là sự biến dạng thường độ cao, độ lệch dây dọi, độ cao thủy của Trái Đất do sự thay đổi của các ngoại lực và chuẩn trong hệ triều không phụ thuộc. các lực quán tính. Ngoại lực có thể kể đến là sự Trong đo cao GPS-thủy chuẩn, dựa vào các thay đổi sức hút Mặt Trăng, Mặt Trời và các vật mô hình geoid như EGM96, EGM2008 [6] để thể vũ trụ, mà chủ yếu là Mặt Trăng, Mặt Trời. xác định độ cao geoid (N), kết hợp với độ cao Vị trí tương hỗ giữa Mặt Trăng, Mặt Trời và chuẩn của các điểm gốc độ cao và độ cao trắc Trái Đất thay đổi liên tục theo chu kỳ nửa ngày địa đo được để xác định độ cao chuẩn của các đến nửa năm. Lực quán tính là do lực li tâm gây điểm còn lại của lưới GPS. Theo [5], mô hình ra. Do tốc độ quay của Trái Đất có thay đổi EGM96 đã được hiệu chỉnh triều thường xuyên, cũng gây ra sự thay đổi triều. Theo lý thuyết mô hình EGM2008 đã được hiệu chỉnh về hệ hiện nay, người ta chia triều của Trái Đất ra các triều không phụ thuộc [6], trong khi độ cao loại: triều khí quyển, địa triều và thủy triều. chuẩn của các điểm gốc độ cao thì chưa được Triều còn được chia làm ba hệ thống triều [4], hiệu chỉnh triều này. Như vậy, ở đây có sự [7]: hệ thống triều trung bình (Mean Tide không tương thích về mặt lý thuyết. Sự không System), hệ thống triều zero (Zero Tide tương thích này có ảnh hưởng như thế nào đến System), hệ thống triều không phụ thuộc (Free kết quả đo cao GPS-thủy chuẩn là vấn đề mà Tide hoặc Non-Tide System). Ngoài ra, dựa vào bài báo sẽ giải đáp. Mặt khác triều ảnh hưởng đặc điểm của triều, người ta còn chia ra triều thế nào đến kết quả đo cao vệ tinh, có cần tính thường xuyên, triều trực tiếp, triều gián tiếp. đến ảnh hưởng này trong kết quả xác định độ Hệ thống triều không phụ thuộc có đặc cao mặt biển bằng đo cao vệ tinh không cũng là điểm là tất cả các ảnh hưởng của triều (cả trực vấn đề mà bài báo sẽ đề cập. tiếp, gián tiếp và thường xuyên) đều được loại 2. Công thức tính ảnh hưởng của triều bỏ. Nghĩa là trong hệ triều này, các đại lượng Thế hấp dẫn do triều gây ra tính theo công không còn ảnh hưởng của triều. Để đưa các trị thức [3]: đo trắc địa về hệ triều này thì cần phải tính các GMr 2 3 W ( sin22 1)(3sin 1) , (1) số hiệu chỉnh do triều theo các hệ số love. P 42d 3 Trong [3] đã phân tích và giới thiệu các công 101
2. trong đó: chạy dọc Đất nước, có độ vĩ thay đổi từ GM là hằng số trọng trường địa tâm Trái 8000’00” đến 25000’00”. Kết quả tính toán được đất; trình bày trong bảng 1. r là bán kính trung bình của Trái đất; d là khoảng cách địa tâm từ Trái Đất đến Bảng 1. Ảnh hưởng của triều đến các điểm Mặt Trăng hoặc Mặt Trời; phân bố dọc Việt Nam  là góc nghiêng trung bình của Bạch đạo (hoặc Hoàng đạo so với Xích đạo); Chênh STT Độ vĩ dH (m) lệch là độ vĩ địa tâm của điểm xét trên Trái Đất, với độ chính xác tính số hiệu chỉnh đến độ phút giây (m) mm cũng có thể coi đây là vĩ độ địa lý. 1 8 0 0 -0.063 Trong công thức (1) thế hấp dẫn do triều 2 9 0 0 -0.062 0.001 gây ra chỉ phụ thuộc vào độ vĩ của điểm xét. 3 10 0 0 -0.061 0.001 Công thức này được chứng minh khi coi Trái 4 11 0 0 -0.060 0.001 Đất là vật rắn. Ở đây mới kể đến bậc 2 hàm 5 12 0 0 -0.059 0.001 Legendre. 6 13 0 0 -0.057 0.001 Geoid dưới ảnh hưởng của triều khi coi Trái Đất là vật đàn hồi sẽ có dịch chuyển thẳng 7 14 0 0 -0.056 0.002 đứng gây ra sự thay đổi cho độ cao thủy chuẩn 8 15 0 0 -0.054 0.002 nên sẽ có số hiệu chỉnh tương ứng với hệ triều 9 16 0 0 -0.052 0.002 không phụ thuộc cho độ cao là [3]: 10 17 0 0 -0.050 0.002 W dH c P , (2) 11 18 0 0 -0.048 0.002 g 12 19 0 0 -0.046 0.002 trong đó: WP là thế của triều; g là giá trị trọng 13 20 0 0 -0.044 0.002 lực trung bình tính theo pháp tuyến của Geoid; 14 21 0 0 -0.041 0.002 c ≈ 0.68 (hệ số love); 15 22 0 0 -0.039 0.002 Thay W trong (1) vào (2) và biến đổi ta P 16 23 0 0 -0.037 0.002 được công thức thực dụng tính số hiệu chỉnh trong hệ triều không phụ thuộc cho độ cao như 17 24 0 0 -0.034 0.003 sau [3]: 18 25 0 0 -0.031 0.003 2 dH c(9.9 29.6sin ) . (3) Từ bảng 1 ta thấy, ảnh hưởng của triều đến Kết quả của công thức (3) có đơn vị là cm. các điểm trên lãnh thổ Việt Nam biến thiên từ - 3. Ảnh hưởng của triều thường xuyên đến đo 3,1cm đến -6,3cm, càng gần Xích đạo thì ảnh cao GPS-thủy chuẩn hưởng này càng nhiều. Như vậy cần phải xem Để biết triều ảnh hưởng thế nào đến độ xét đến số hiệu chỉnh này khi xây dựng hệ cao của điểm gốc độ cao, chúng tôi tính ảnh thống độ cao cho Việt Nam. Chênh lệch của hưởng của nó đến độ cao của điểm gốc độ cao ảnh hưởng này giữa điểm cực Nam và điểm cực hạng II có số hiệu II(HD-TB)3, có độ vĩ Bắc của Đất nước khoảng 3cm, chênh lệch giữa 20°51'44.19" theo công thức (3). Kết quả tính hai điểm cách nhau 1 độ (tương đương 110 km) nhận được dH = -0.042 m. Như vậy triều ảnh lớn nhất chỉ là 3mm, nếu so sánh giá trị này với hưởng đến độ cao của điểm gốc độ cao là khá sai số đo của lưới thủy chuẩn hạng I là lớn. ±2 L ( 2 110 =10,5mm) thì giá trị này là rất Để khảo sát xem triều ảnh hưởng đến các nhỏ. Nghĩa là triều ảnh hưởng đến độ cao của điểm gốc khác nhau thì khác nhau thế nào, các điểm gốc độ cao một giá trị gần bằng nhau. chúng tôi tính ảnh hưởng này cho các điểm Như vậy, mặc dù các mô hình geoid có hiệu 102
3. chỉnh triều, thì khi không hiệu chỉnh ảnh hưởng Đo cao vệ tinh được thực hiện theo nguyên này vào độ cao các điểm gốc độ cao trong lưới tắc: vệ tinh đo cao bay trên quỹ đạo phát tín GPS thì chỉ làm cho độ cao của các điểm lưới hiệu sóng rada xuống mặt biển. Tín hiệu này cùng thay đổi một lượng cố định như điểm gốc phản xạ và quay trở lại vệ tinh. Bằng cách đo độ cao. Nghĩa là có thể coi triều không ảnh thời gian lan truyền tín hiệu đi và về sẽ xác định hưởng đến đo cao GPS-thủy chuẩn. được độ cao từ vệ tinh đến mặt biển (h). Trên 4. Ảnh hưởng của triều đến kết quả đo cao vệ vệ tinh lại có các thiết bị định vị, xác định được tinh độ cao trắc địa (H) của vệ tinh so với ellipsoid tham chiếu (hình 1). Khi đó, độ cao mặt biển (SSH – Sea Surface Height) được xác định theo công thức [9]: SSH H h hcorr , (4) trong đó: hcorr – các số hiệu chỉnh; Triều làm thay đổi độ cao mặt biển một lượng khá phức tạp được tính gần đúng bằng công thức (3) và là một trong các số hiệu chỉnh nằm trong hcorr. Để khảo sát ảnh hưởng của triều đến kết quả đo cao vệ tinh, chúng tôi tính toán số hiệu chỉnh này cho 4133 điểm đo cao vệ tinh thuộc chu kỳ 81 vệ tinh ENVISAT trên Biển Đông. Số liệu đo cao vệ tinh này được cung cấp bởi AVISO 0, [10]. Kết quả tính toán Hình 1. Nguyên tắc đo cao vệ tinh được trình bày trong bảng 2. Bảng 2. Ảnh hưởng của triều đến kết quả đo cao vệ tinh STT φ (độ) λ (độ) dH (m) STT φ (độ) λ (độ) dH (m) 1 8.0038 106.8690 -0.063 3709 12.4826 113.5830 -0.058 2 8.0699 106.8540 -0.063 3710 12.4165 113.5680 -0.058 3 8.1360 106.8390 -0.063 3711 12.3504 113.5530 -0.058 4 8.2021 106.8250 -0.063 3712 12.2844 113.5380 -0.058 5 8.2682 106.8100 -0.063 3713 12.2183 113.5230 -0.058 6 8.3343 106.7950 -0.063 3714 12.1522 113.5080 -0.058 7 8.4003 106.7800 -0.063 3715 12.0861 113.4930 -0.058 8 8.4664 106.7660 -0.063 3716 12.0201 113.4780 -0.059 9 8.5325 106.7510 -0.063 3717 11.9540 113.4630 -0.059 10 8.5986 106.7360 -0.063 3718 11.8879 113.4480 -0.059 195 19.8407 112.0550 -0.044 4128 8.3494 111.2160 -0.063 196 19.9067 112.0390 -0.044 4129 8.2833 111.2010 -0.063 197 19.9727 112.0230 -0.044 4130 8.2172 111.1870 -0.063 198 20.0386 112.0070 -0.044 4131 8.1510 111.1720 -0.063 199 20.1046 111.9910 -0.044 4132 8.0849 111.1570 -0.063 200 20.1706 111.9750 -0.043 4133 8.0188 111.1430 -0.063 103
4. Từ kết quả tính ở bảng 2 ta thấy, triều làm TÀI LIỆU THAM KHẢO cho độ cao mặt biển tại các điểm đo cao vệ tinh [1]. AVISO, 2010. DT CorSSH and DT SLA trên Biển Đông thay đổi lớn nhất tới -6,3 cm. Product Handbook, Toulouse – France. Thay đổi này là đáng kể vì vậy cần xem xét đến [2]. Bộ Tài Nguyên và Môi Trường, 2008. Quy số hiệu chỉnh triều đến kết quả đo cao vệ tinh. chuẩn kỹ thuật quốc gia về xây dựng lưới độ Trên thực tế thủy triều trên biển biến đổi phức cao. Hà Nội. tạp và còn chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố như [3]. Chen Jun Yong, 2009. Permanent tides and địa hình đáy biển, bờ biển vv nên cần dựa Geodetic Datum. Acta Geodetic et Cartograpica vào các mô hình triều đại dương để tính chính Sinica, Vol.29, N0.1 (tiếng Trung Quốc). xác số hiệu chỉnh này. Càng gần bờ thì số hiệu [4]. Hà Minh Hòa, 2014. Lý thuyết và thực tiễn chỉnh này càng khó được tính chính xác. Ngoài của trọng lực trắc địa. Nhà xuất bản khoa học ra, địa triều và triều cực cũng cần được xem xét và kỹ thuật, Hà Nội. để hiệu chỉnh cho kết quả đo cao vệ tinh. [5]. 5. Kết luận al_info Triều ảnh hưởng đến độ cao của các điểm [6]. gốc độ cao trên lãnh thổ Việt Nam lớn nhất là - /gravitymod/egm2008/index.html 6,3 cm và nhỏ nhất là -3,1 cm, độ lớn giảm dần [7]. Jaak Makinen, 2008. The treatment of the từ Nam lên Bắc. permanent tide in EUREF products. Finnish Chênh lệch ảnh hưởng của triều đến hai Geodetic Institute (FGI), Masala, Finland. điểm khác nhau nhỏ hơn sai số đo lưới thủy [8]. Lee-Lueng Fu, Anny Cazenave, 2001. chuẩn hạng I nên có thể coi triều ảnh hưởng đến Satellite Altimetry and Earth Sciences. ACADEMIC độ cao của các điểm gốc độ cao một giá trị gần PRESS, San Diego – San Francisco – New York bằng nhau. Do đó, triều không ảnh hưởng đến – Boston – London – Sydney –Tokyo. kết quả đo cao GPS-thủy chuẩn. [9]. Rosmorduc V., 2009. Basic Radar Triều ảnh hưởng đáng kể đến độ cao mặt Altimetry Toolbook practical. Bergen, Norway. biển, nên trong đo cao vệ tinh cần xem xét đến [10]. Veronique Amans, Henri Laur, 2007. việc tính hiệu chỉnh ảnh hưởng này vào kết quả Access to Envisat data, European Space đo. Agency. ABSTRACT The investigation of the effects of the tide on the GPS-Levelling and Altimetry Nguyen Van Sang, Hanoi University of Mining anh Geology Pham Van Tuyen, China Guang Dong provincal ChangDa highway engineering Co.,LT Tides are the rise and fall of sea levels caused by the combined effects of the gravitational forces exerted by the Moon and the Sun and the rotation of the Earth. There are 3 systems tide: Mean Tide System, Zero Tide System and Free Tide System. This paper presents the tide and its effect on GPS-levelling and Altimetry. The paper also presents the experimental formula to compute the effect of the tide on heights. According to this formula, a correction due to the tide only depends on the latitude. The experimental results show that impacts of the tide to heights change from -6.3cm to -3.1cm in the VietNam. The differences of the tide impact to the heights of two different points is very small, hence does not affect on GPS-levelling. For Altimetry, the tide significantly affects in the sea surface height observations. 104