Xác định dị thường trọng lực và dị thường độ cao từ kết quả của vệ tinh Gradient trọng lực GOCE tại Việt Nam

Nội dung text: Xác định dị thường trọng lực và dị thường độ cao từ kết quả của vệ tinh Gradient trọng lực GOCE tại Việt Nam

1. T¹p chÝ KTKT Má - §Þa chÊt, sè 42/4-2013, tr.83-87 TRẮC ĐỊA – ĐỊA CHÍNH – BẢN ĐỒ (trang 83-92) XÁC ĐỊNH DỊ THƯỜNG TRỌNG LỰC VÀ DỊ THƯỜNG ĐỘ CAO TỪ KẾT QUẢ CỦA VỆ TINH GRADIENT TRỌNG LỰC GOCE TẠI VIỆT NAM NGUYỄN VĂN SÁNG, Đại học Mỏ - Địa Chất Tóm tắt: Bài báo trình bày phương pháp xác định dị thường trọng lực và dị thường độ cao từ kết quả của vệ tinh trọng lực GOCE. Theo phương pháp này các kết quả của vệ tinh trọng lực GOCE được sử dụng để tính ra các hệ số điều hòa của mô hình trường trọng lực GO_CONS_EGM_DIR_2I. Sau đó, dị thường trọng lực và dị thường độ cao được xác định từ các hệ số điều hòa này. Kết quả xác định dị thường trọng lực và dị thường độ cao trên lãnh thổ Việt Nam được biểu diễn ở dạng lưới ô vuông có kích thước 3’ x 3’. Dị thường độ cao này cũng được so sánh với số liệu đo GPS – Thủy chuẩn trên 211 điểm. Kết quả so sánh cho thấy dị thường độ cao tính từ kết quả của vệ tinh gradient trọng lực GOCE đạt độ lệch chuẩn 0,328 m. 1. Đặt vấn đề xác định dị thường trọng lực và dị thường độ Nghiên cứu hình dáng, kích thước và thế cao từ kết quả của vệ tinh gradient trọng lực trọng trường của Trái đất là một trong những GOCE trên lãnh thổ Việt Nam. nhiệm vụ quan trọng của Trắc địa cao cấp. Cùng 2. Vệ tinh gradient trọng lực GOCE và mô với sự phát triển của khoa học công nghệ, công hình geoid toàn cầu GO_CONS_EGM_DIR_2I nghệ đo đạc trong Trắc địa nói chung và Trắc địa Vệ tinh trọng lực GOCE (Gravity field and cao cấp nói riêng cũng có những phát triển vượt steady-state Ocean Circulation Explorer) được bậc. Từ chỗ đo trọng lực trên mặt đất, trên tàu Cơ quan vũ trụ Châu âu – ESA (European biển, trên máy bay, đến nay đã có những dự án Space Agency) phóng lên quĩ đạo ngày 17 đo trọng lực và gradient trọng lực từ vệ tinh: tháng 3 năm 2009 [5]. Vệ tinh có chiều dài 5 m, ngày 15 tháng 7 năm 2000, vệ tinh trọng lực bay ở độ cao 250 km so với Mặt đất, góc thuộc dự án CHAMP được phóng lên qũy đạo ở nghiêng quĩ đạo 96,50, trọng lượng khoảng độ cao 454 km; ngày 17 tháng 3 năm 2002 hai vệ 1000kg. Vệ tinh được trang bị 3 cặp máy đo gia tinh trọng lực của dự án GRACE được phóng lên tốc trọng trường (gradiometer), được bố trí quĩ đạo ở độ cao 500 km, hai vệ tinh này bay cách nhau khoảng 220 km, khoảng cách giữa vuông góc với nhau từng đôi một trong không chúng và tốc độ thay đổi khoảng cách được đo gian, hai máy trong một cặp cách nhau 0,5 m. liên tục với độ chính xác cao [2]; ngày 17 tháng Bằng cách này vệ tinh trọng lực GOCE có thể 3 năm 2009 vệ tinh gradient trọng lực của dự án xác định được đạo hàm bậc hai của thế trọng GOCE được đưa lên quĩ đạo. Các dự án này là trường. Trên vệ tinh còn đặt máy thu GPS để cuộc cách mạng về nghiên cứu trường trọng lực xác định vị trí chính xác của vệ tinh trong trái đất. Các số liệu của các dự án này cho phép không gian. Nhiệm vụ đặt ra của vệ tinh là xác xác định nhanh, chính xác mô hình trường trọng định dị thường trọng lực với độ chính xác lực toàn cầu và sự thay đổi của nó theo thời gian. 1 mgal, xác định geoid với độ chính xác 1-2 cm. Ở Việt Nam chưa có nhiều những công trình GO_CONS_EGM_DIR_2I là kết quả sản nghiên cứu về những trị đo mới này. Vì vậy, phẩm cấp 2 của vệ tinh gradient trọng lực việc ứng dụng những tiến bộ khoa học này vào GOCE, là mô hình geoid toàn cầu được xây Việt Nam là rất cần thiết. Bài báo trình bày việc dựng trên cơ sở sử dụng số liệu của gradient 83
2. trọng lực vệ tinh GOCE giai đoạn từ 01-11-  Bán trục lớn của ellipsoid trái đất: 2009 đến 30-06-2010. Bậc lớn nhất của hàm a = 0,6378136460E+07 m. điều hòa là 240. Mô hình được công bố bởi Các hệ số điều hòa được trình bày trong tệp ESA. Các thông số cơ bản của mô hình: EGM_GOCE.txt bao gồm 29 161 dòng, mỗi Hằng số trọng trường trái đất: dòng có 6 thành phần (n, m, Cnm, Snm, σCnm, 3 2 GM = 0,3986004415E+15 m /s ;  σSnm) có định dạng (2I5, 2D19.12, 2D11.8). 3. Tính dị thường trọng lực và dị thường độ cao trên lãnh thổ Việt Nam từ kết quả của vệ tinh gradient trọng lực GOCE a – Dị thường trọng lực b – Dị thường độ cao Hình 1. Dị thường trọng lực và dị thường độ cao trên lãnh thổ Việt Nam tính từ kết quả của vệ tinh gradient trọng lực GOCE Từ các hệ số điều hòa, dị thường trọng lực và dị thường độ cao trên lãnh thổ Việt Nam (vĩ độ: 080 ÷ 240, kinh độ: 1020 ÷ 1100) ở dạng lưới ô vuông 3’ x 3’ được tính theo công thức (1), (2) [6]. n GM Nn a , (1) g 2  ( n 1) cn,,, m cos m s n m sin m  P n m (sin ) rr nm 20 n GM N a n N   cn,m cosm sn,m sin m Pn,m (sin) , (2) .r n 2 r m 0 trong đó: GM - hằng số trọng trường của Trái đất; r - khoảng cách từ tâm trái đất đến điểm xét; a - bán trục lớn của ellipsoid trái đất;  , λ - tọa độ của điểm xét; cn,m , sn,m - hệ số điều hòa cấp n, bậc m; Pn,m (sin) - hàm Legendre chuẩn hóa, được tính bằng công thức [2]: 84
3. 1 2 (n m)!(2n 1)k Pnm(sin) Pnm(sin), (3) (n m)! d m P (sin) (cos)m [P (sin)] , (4) nm d(sin)m n Đa thức Legendre Pn ( sin) được tính theo công thức: 1 d n P (sin) (sin 2  1)n , (5) n 2n n! d(sin)n Kết quả tính dị thường trọng lực và dị thường độ cao trên lãnh thổ Việt Nam được trình bày trên hình 1 với số liệu thống kê sau: Tổng số điểm tính là 51 681 điểm; giá trị dị thường trọng lực lớn nhất là 48,5 mgal; giá trị dị thường trọng lực nhỏ nhất là -65,1 mgal; giá trị dị thường độ cao lớn nhất là 15,649 m; giá trị dị thường độ cao nhỏ nhất là -17,111 m. 4. So sánh dị thường độ cao tính từ kết quả của vệ tinh gradient trọng lực GOCE với kết quả đo GPS-thủy chuẩn Dị thường độ cao từ kết quả của vệ tinh gradient trọng lực GOCE được so sánh với kết quả đo GPS-thủy chuẩn trên 211 điểm phân bố trên khắp lãnh thổ Việt Nam (hình 2) [1]. Các điểm này được đo trước năm 1999 phục vụ công tác xây dựng hệ tọa độ VN2000 và có độ chính xác tương đương thủy chuẩn hạng IV trở lên. Kết quả so sánh nhận được trình bày trên bảng 1. Hình 2. Sơ đồ phân bố 211 điểm đo GPS-thủy chuẩn 85
4. Bảng 1. Tóm tắt kết quả so sánh dị thường độ cao tính từ kết quả của vệ tinh gradient trọng lực GOCE, mô hình EGM2008 với số liệu đo GPS – thủy chuẩn Stt Các chỉ tiêu so sánh GOCE EGM2008 1 Độ lệch trung bình δNtb (m) 0,441 0,551 2 Độ lệch tiêu chuẩn N (m) ±0,328 ±0,371 trong đó: δN = NGPS-tc – Nmh , (6) 1 n , (7) Ntb Ni n i 1 n 1 2 , (8) N (Ni Ntb ) n 1 i 1 Nmh - dị thường độ cao tính từ mô hình geoid; NGPS-tc – dị thường độ cao tính từ số liệu đo GPS và thủy chuẩn. 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5 Hình 3. Tần suất xuất hiện của hiệu dị thường độ cao, khoảng chia là 0,5 m Trên hình 3, biểu diễn biểu đồ số lần xuất chỉ mang tính cục bộ và không trùng với Geoid hiện của độ lệch dị thường độ cao với khoảng toàn cầu. chia là 0,5 m. Từ hình vẽ này ta có nhận xét: độ Dị thường độ cao tính từ mô hình lệch dị thường độ cao có đồ thị tuân theo luật EGM2008 [4] cũng được so sánh với dị thường phân bố chuẩn, tuy nhiên đỉnh của đồ thị lệch độ cao GPS - thủy chuẩn trên 211 điểm. Các kết khỏi trục tung là do còn có sai số hệ thống trong quả so sánh tương ứng trình bày trên bảng 1. Từ độ lệch này. hai kết quả so sánh trên thấy rằng: Từ kết quả so sánh trên bảng 1 và hình 3 nhận thấy rằng độ lệch tiêu chuẩn nhỏ (±0,328 - Giữa dị thường độ cao tính từ mô hình m) chứng tỏ bề mặt geoid geoid EGM2008 và số liệu đo GPS - thủy chuẩn GO_CONS_EGM_DIR_2I khá phù hợp với cũng còn chứa sai số hệ thống và còn lớn hơn lãnh thổ Việt Nam, tuy nhiên độ lệch trung bình so với mô hình GO_CONS_EGM_DIR_2I thể có giá trị tuyệt đối lớn, đỉnh của đồ thị lệch khỏi hiện ở sai số trung bình tương ứng là 0,551m và trục tung chứng tỏ giữa dị thường độ cao tính từ 0,441m. kết quả của vệ tinh gradient trọng lực GOCE và - Mô hình GO_CONS_EGM_DIR_2I mới số liệu đo GPS-thủy chuẩn vẫn còn chứa sai số chỉ được tính đến cấp và bậc 240 tuy nhiên độ hệ thống. Sai số hệ thống này là do mặt thủy lệch tiêu chuẩn nhỏ hơn so với mô hình chuẩn gốc quốc gia tại Hòn Dấu – Hải Phòng EGM2008 chứng tỏ mô hình 86
5. GO_CONS_EGM_DIR_2I phù hợp với lãnh dị thường trọng lực tính từ mô hình EGM2008 thổ Việt Nam hơn mô hình EGM2008 tính đến thì có thể sử dụng số liệu này trên những khu cấp và bậc 2160. Mức độ phù hợp này sẽ còn vực chưa có điều kiện đo trọng lực hoặc trên được tăng thêm khi trong tương lai, số cấp và lãnh thổ các nước Lào, Campuchia, Trung Quốc bậc của hàm điều hòa của các mô hình xác định khu vực giáp biên với nước ta, trong bài toán từ số liệu vệ tinh gradient trọng lực GOCE tăng xây dựng mô hình geoid độ chính xác cao của lên. Việt Nam. 5. Kết luận TÀI LIỆU THAM KHẢO Kết quả của vệ tinh trọng lực GOCE khá phù hợp với lãnh thổ Việt Nam thể hiện ở độ [1]. Lê Minh, 2005. Xây dựng cơ sở dữ liệu lệch chuẩn của hiệu dị thường độ cao tính từ mô trường trọng lực toàn cầu, thiết lập mô hình hình GO_CONS_EGM_DIR_2I so với số liệu geoid độ chính xác cao trên lãnh thổ Việt Nam đo GPS - thủy chuẩn nhỏ, tuy nhiên vẫn còn phục vụ nghiên cứu hoạt động của Trái đất và chứa sai số hệ thống thể hiện ở độ lệch trung đổi mới công nghệ đo độ cao bằng hệ thống bình lớn. định vị toàn cầu. Báo cáo tổng kết khoa học và Mô hình GO_CONS_EGM_DIR_2I phù kỹ thuật. Hà Nội.174 tr. hợp tốt hơn mô hình EGM 2008 trên lãnh thổ [2]. Bernhard Hofmann-Wellendof, Helmut Việt Nam thể hiện ở độ lệch chuẩn và độ lệch Moritz, 2005. Physical Geodesy. SpringerWien trung bình của hiệu dị thường độ cao so với kết NewYork. quả đo GPS - thủy chuẩn đều nhỏ hơn. [3]. Bruinsma S.L., Marty J.C., Balmino G., Mô hình GO_CONS_EGM_DIR_2I mới Biancale R., Foerste C., Abrikosov O. and chỉ tính đến cấp và bậc 240 của hàm điều hòa, Neumayer H, 2010. GOCE Gravity Field trong tương lai, khi các mô hình geoid xác định Recovery by Means of the Direct Numerical từ số liệu vệ tinh gradient trọng lực GOCE có Method, presented at the ESA Living Planet số cấp và bậc của hàm điều hòa tăng lên sẽ phù Symposium, 27th June - 2nd July 2010, Bergen, hợp hơn nữa trên lãnh thổ Việt Nam, vì vậy, Norway. cần tiếp tục cập nhật, nghiên cứu ứng dụng các [4]. - mô hình này vào Việt Nam. vitymod/egm2008/index.html Cần tiếp tục đánh giá độ chính xác dị [5]. . thường trọng lực tính từ kết quả của vệ tinh html gradient trọng lực GOCE theo các số liệu đo [6]. NIMA. Department of Defense World trọng lực trực tiếp trên lãnh thổ Việt Nam, nếu Geodetic System 1984. National Imagery and độ chính xác đạt được cao hơn độ chính xác của Mapping Agency, American. 2000. SUMMARY Determination of gravity anomaly and height anomalies from results of the GOCE satellite gravity gradiometry in the Vietnam Nguyen Van Sang, University of Mining anh Geology This paper presents the method of determination of gravity anomalies and height anomalies from the results of the GOCE satellite gravity gradiometry. The results of the GOCE gravity gradiometry are used to calculate the harmonic coefficients of the gravity model GO_CONS_EGM_DIR_2I. Then gravity anomalies and height anomalies are calculated from these coefficients. The experimental results in Vietnam are represented in the form of the grid 3' x 3'. This height anomalies are also compared to GPS leveling measurements at the 211 points. The comparing results show that height anomalies computed from the results of the GOCE satellite gravity gradiometry has standard deviation of 0.328 m. 87