Определение и анализ координат и скоростей станций по наблюдениям европейской GPS-сети тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.03.01, кандидат физико-математических наук Панафидина, Наталья Александровна

• Панафидина, Наталья Александровна
• кандидат физико-математических наук
• 2006

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Панафидина, Наталья Александровна

Введение.

Глава 1. Европейская GPS-сеть (EPN). ф 1.1. Использование GPS для геодинамики.

1.2. SINEX формат.

1.3. Организация сети EPN.

1.4. Обработка данных в центрах анализа EPN.

1.4.1. Математические методы обработки.

1.4.2. Регулярные решения.

1.4.3. Специальные проекты.

1.5. Проект ИПА РАН.

Глава 2. Переработка официальных решений EPN.

Ф 2.1. Удаление априорных ограничений.

2.2. Приведение свободного решения к ITRF.

2.3. Сравнение результатов.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Определение и анализ координат и скоростей станций по наблюдениям европейской GPS-сети»

Требования к точности определения земной системы отсчета постоянно растут по мере развития прикладных и фундаментальных исследований в различных областях астрономии, геодинамики, геофизики, а также для многих практических приложений в геодезии, космонавтике, изучении природных катаклизмов и в климатологии. Для обеспечения возможности сравнения различных результатов требуется общая система координат. В настоящее время принята международная земная система отсчета (ITRF). Она реализуется в виде координат и скоростей некоторого набора глобально распределенных станций. Наиболее точную реализацию этой системы предоставляет Международная служба вращения Земли и опорных систем координат (IERS). Она вычисляется как комбинация многих глобальных и региональных решений, полученных с помощью различных методов космической геодезии: РСДБ (радиоинтерферометрия со сверхдлинными базами), LLR и SLR (Lunar and Satellite Laser Ranging), GPS (Global Positioning System) и DORIS (Doppler Orbitography Radio-positioning Integrated by Satellite).

Так как для региональных и локальных исследований плотность станций глобальной сети оказывается недостаточной, для уплотнения сети и улучшения доступности международной земной системы координат организуются региональные сети. Европейская GPS-сеть EPN (European Permanent Network) была организована в 1995 г. Состав станций не оставался постоянным на всем промежутке времени наблюдений, некоторые станции прекратили свою работу. Всего за всю историю существования сети в ней участвовало около 210 станций. В настоящее время в ней участвует около 180 постоянно наблюдающих GPS-станций. Она координируется подкомиссией по европейской системе координат (EUREF) Международной ассоциации геодезии.

Наблюдения на сети EUREF предоставляют уникальную возможность для изучения деформаций земной коры в Европе. Эти наблюдения централизовано собираются и обрабатываются центрами хранения данных и анализа EPN, после чего центр сводной обработки EPN выводит недельные решения и распространяет их в виде SINEX-файлов для свободного использования в научных исследованиях. Однако анализ этих официальных недельных решений показывает наличие скачков и систематических сезонных ошибок, особенно заметных в составляющей по высоте. Эти эффекты вызываются применявшейся при вычислении сводного решения EPN до GPS-недели 1303 (декабрь 2004 г.) методикой обработки, при которой координаты некоторого набора опорных станций фиксировались к значениям координат соответствующей реализации ITRF.

Ошибки координат и скоростей опорных станций, пекулярное движение станций, локальные движения земной коры и периодическая смена оборудования на некоторых из них могут приводить к ошибкам в координатах всех станций сети. Из-за последовательной смены опорной системы координат (в разные периоды использовались опорные системы ITRF94, ITRF96, ITRF97, ITRF2000) и методов обработки данных в рядах координат станций сети наблюдаются значительные скачки, что делает невозможным использование официального решения для исследования движений станций на всем промежутке времени наблюдений. С GPS-недели 1303 сводные решения вычисляются с использованием метода минимальных ограничений на координаты опорных станций. Этот метод дает возможность получить неискаженное решение для координат станций сети. Однако более ранние решения не были переобработаны для получения долговременного однородного ряда координат. Для геодинамических исследований некоторое время назад в рамках EUREF был организован специальный проект «Time Series Monitoring», основной задачей которого является получение однородных рядов координат станций европейской GPS-сети. К сожалению, результаты, полученные в рамках специального проекта, доступны только в графической форме на Интернет-сайте Центрального бюро EPN. Таким образом, получение независимых однородных рядов координат станций, доступных в виде SINEX-файлов и пригодных для дальнейших исследований, является актуальной задачей. Полученные однородные ряды координат станций позволяют получить надежные оценки скоростей станций в европейском регионе, а также оценить изменения длин баз между европейскими станциями, что представляет большой интерес для геодинамических исследований.

Основной целью настоящей работы является разработка и исследование практических методов вычисления независимых высокоточных рядов координат станций европейского региона для геодинамических исследований на основе переработки имеющихся решений для координат станций региональных GPS-сетей. Для достижения этой цели в диссертации были поставлены и решены следующие задачи:

1. Разработка методики улучшения официальных решений EUREF в случайном и систематическом отношении; с применением этой методики вычислены 8-летние ряды координат около 210 GPS-станций сети EUREF.

2. Разработка методики получения нового решения для координат станций сети EUREF на основе независимой комбинации результатов отдельных центров анализа; с применением этой методики вычислены 8-летние ряды координат около 210 GPS-станций сети EUREF.

3. Получение однородных рядов координат станций для определения и исследования скоростей станций и длин баз между ними.

Структура и содержание диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. Общий объем диссертации 101 страница. Диссертация содержит 5 таблиц, 78 рисунков и список литературы из 62 наименований.

Заключение диссертации по теме «Астрометрия и небесная механика», Панафидина, Наталья Александровна

Заключение

Основной целью диссертации является разработка и исследование практических методов вычисления независимых высокоточных рядов координат станций для геодинамических исследований на основе переработки имеющихся решений для координат станций региональных GPS-сетей и их применение для вычисления длительных однородных рядов координат всех станций сети EUREF. В процессе работы над поставленной задачей получены следующие новые научные результаты, выносимые на защиту:

1. Разработана методика улучшения случайной и систематической точности официальных комбинированных решений для координат станций европейской GPS-сети, позволяющая получать независимые однородные ряды координат GPS-станций. Данная методика может быть применена для обработки данных других региональных сетей.

2. Разработана методика комбинации решений отдельных центров анализа для вывода нового сводного решения для координат станций. Полученное новое комбинированное решение гораздо более стабильно в систематическом отношении по сравнению с официальным комбинированным решением EUREF. В случайном отношении новое решение сравнимо с официальным решением: для большинства станций европейской сети случайная ошибка координат примерно одинакова для обоих решений.

3. На основе разработанных методик были впервые вычислены высокоточные ряды координат более 200 европейских GPS-станций. Эти ряды доступны в SINEX-формате, что позволяет использовать их в различных геодинамических исследованиях, частично представленных в данной работе. Новые решения доступны в виде SINEX-файлов через Интернет-сайт ИПА РАН.

4. На основе полученных однородных рядов координат станций сети EUREF были оценены скорости станций и длин баз. Результаты определения скоростей более 130 европейских станций позволяют провести анализ движения отдельных частей евроазиатской тектонической плиты в европейском регионе. Результаты сравнения изменений длин баз по GPS- и РСДБ-наблюдениям дают важную информацию для изучения систематических ошибок двух методов наблюдений.

В заключение автор выражает глубокую благодарность своему научному руководителю 3. М. Малкину за терпеливое и внимательное отношение к диссертанту и постоянную поддержку.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Панафидина, Наталья Александровна, 2006 год

1. Губанов В. С. (1997): Обобщенный метод наименьших квадратов. Теория и применение в астрометрии. Санкт-Петербург, Наука.

2. Линник Ю. В. (1962): Метод наименьших квадратов и основы математико-статистической теории обработки наблюдений. М.: Физматгиз, 336 с.

3. Панафидина Н. А., Малкин 3. М. (2001): О вычислении однородного ряда координат европейской GSP-сети. В кн.: Всероссийская астрономическая конференция, С.-Петербург, 6-12 августа 2001, Тезисы докладов, 139.

4. Малкин 3. М., Панафидина Н. А., Скурихина Е. А. (2004): Вариации длин баз между европейскими станциями по GPS- и РСДБ-наблюдениям. Тр. ИПА РАН, 2004, вып. 11, 3-13.

5. Панафидина Н. А., Малкин 3. М. (2004): Вычисление однородного ряда координат европейских GPS-станций из переработки недельных решений EPN. Тр. ИПА РАН, 2004, вып. 11, 14-28.

6. Панафидина Н. А., Малкин З.М. (2006а): Сообщения ИПА РАН 174, Комбинированное решение для координат станций европейской GPS-сети, 28 с.

7. Панафидина Н. А., Малкин З.М. (20066): Сообщение ИПА РАН 173, Определение скоростей европейских GPS-станций, 18 с.

8. Параметры перехода: ftp://lareg.ensg.ign.fr/pub/itrf/ITRF.TP

9. Adam J., Augath W., Boucher С., Bruyninx С., Caporali A., Gubler E., Gurtner W., Habrich H., Harsson В., Ihde J., Kenyeres A., van der Marel H., Seeger H., Simek J., Stangl G., Torres J., Weber G., Hornik H. (2002): Status of the European Reference

10. Frame EUREF. International Association of Geodesy Symposia, IAG Scientific Assembly, Springer, ed. J. Adam and K.-P. Schwarz, Vol 125, pp. 42-46

11. Altamimi Z., Sillard P., Boucher C. (2002): ITRF2000: A new release of the International Terrestrial Reference Frame for earth science applications, J. Geophys. Res., 107 (BIO), 2214, doi:10.1029/2001JB000561.

12. Altamimi Z. (2005): Status of the ITRF2004 and plans for the future, IERS Workshop on combination, Potsdam, Germany

13. Altamimi Z. (2002): Discussion on how to express a regional GPS solution in the ITRF, Report on the Symposium of the IAG subcommission for Europe (EUREF), Ponta Delgada

14. Altamimi Z., Boucher C. (2002): The ITRS and ETRS89 relationship: New results from ITRF2000. EUREF Publication No. 10, Mitteilungen des Bundesamtes für Kartographie und Geodäsie Band 23, Frankfurt am Main 2002, 49-52.

15. Argus, D. F., Gordon, R. G. (1991): No-Net-Rotation Model of Current Plate Velocities Incorporating Plate Motion Model Nuvel-1, Geophys. Res. Lett., 18, 20382042.

16. Bauersima I. (1983): Navstar/Global Positioning System (II). Mitteilungen der Satelltenbeobachtungsstation Zimmirwald, Nr. 10.

17. Becker M., Bruyninx C. and Ineichen D. (2000): The EUREF RNAAC: 1999 BiAnnual Report, IGS Technical Reports 1999, ed. IGS CB, Pasadena, US, pp. 143-150.

18. Beutler G., Rothacher M., Schaer S., Springer T.A., Kouba J., Neilan R.E. (1999): The International GPS Service (IGS): An Interdisciplinary Service in Support of Earth Sciences, Adv. Space Res. Vol. 23, No. 4, pp. 631-635

19. Boucher C., Altamimi Z., Sillard P., Feissel-Vernier M. (2004): The ITRF2000, IERS Technical Note 31, Frankfurt am Main: Verlag des Bundesamts für Kartographie und Geodäsie.

20. Boucher C., Altamimi Z. (2001): Specifications for reference frame fixing in the analysis of a EUREF GPS campaign (http://lareg.ensg.ign.fr/EUREF/memo.pdf)

21. Brockmann E. (1996): Combination of solutions for geodetic and geodynamic applications of the Global Positioning System (GPS), Bern, Switzerlandftp://ftp.unibe.ch/aiub/papers/ebdiss.pdf)

22. Brockmann E., Hug R., Schneider D. and Signer Th. (2002): Geotectonics in the Swiss Alps using GPS, Ponta Delgada, Azores, June 5-8 2002, EUREF Publication No. 12, Mitteilungen des Bundesamtes fur Kartographie und Geodäsie Band 29, pp. 109117.

23. Brockmann E., Hug R., Schneider D., Signer Th. (2003): Geotectonics in the Swiss Alps using GPS, EUREF Publication No. 12, Mitteilungen des Bundesamtes fur Kartographie und Geodäsie Band 29, pp. 109-117.

24. Bruyninx C. (2004): The EUREF Permanent Network: a multi-disciplinary network % serving surveyors as well as scientists, Geolnformatics, Vol 7, pp. 32-35

25. Bruyninx C., Roosbeek F., Habrich H., Weber G., Kenyeres A. and Stangl G. (2001): The EUREF Permanent Network Report 2000, IGS Technical Reports 2000, eds. IGS Central Bureau, Pasadena, US, Jet Propulsion Laboratory, 2001, pp. 131-136.

26. Bruyninx C., Carpentier G., Roosbeek F. (2004): Detection and Handling of EPN station irregularities, Proceedings of the IGS Symposium and Workshop, Bern, Switzerland

27. Bruyninx C., Yeseboodt M. (2000): Frequency Analysis of GPS Coordinate Time Series from the ROB EUREF Analysis Centre, Report on the Symposium of the IAG Subcommission for Europe (EUREF) held in Tromso, 22 24 June, 2000, pp. 37-42

28. Bruyninx C., Becker M. and Stangl G. (2001): Regional Densification of the IGS in Europe Using the EUREF Permanent GPS Network (EPN), Phys. Chem. Earth, Vol. 26, No 6-8, pp. 531-538

29. Dong D., T. Herring, R. King (1998): Estimating regional deformation from a combination of space and terrestrial geodetic data, J. Geodesy, Vol. 72, pp. 200-214.

30. Dong D., P. Fang, Y. Bock, M. K. Cheng, S. Miyazaki (2002): Anatomy of apparent ^ seasonal variations from GPS-derived site position time series, JGR Vol. 107, No. B4,1. ETG 9-1,2002.

31. EUREF mail 2261: http://www.epncb.oma.be/ftp/mail/eurefmail.2261

32. Ferland R., Z. Altamimi, C. Bruyninx, M. Craymer, H. Habrich, J. Kouba (2002): Regional networks densification, Proceedings of the IGS Network, Data and Analysis Center Workhop, Ottawa, Canada

33. Hefty J., Duraciova R. (2003): Stochastic Properties of Deformation Characteristic Obtained from GPS Site Velocities. Reports on Geodesy, No. 1. (64), pp. 33-40, 2003

34. Habrich H (2002): Combining the EUREF Local Analysis Centers' solutions, Mitt. Bundesamtes Kartogr. Geod., Frankfurt am Main, Bd. 23, pp. 62-66, Germany

35. Habrich H., W. Soehne, Weber G. and Kenyeres A. (2004): Analysis and Special

36. Projects within the EPN, IGS Technical Report 2001-02, eds. IGS Central Bureau, Pasadena, US, Jet Propulsion Laboratory, 2004, pp. 279-282.

37. Hofmann-Wellenhof B., H. Lichtenegger, J. Collins (1992): GPS: theory and practice, Springer-Verlag, Wien.

38. Ineichen D., T. Springer (1999): EUREF activities at the CODE EUREF combination center (www.aiub.unibe.ch/download/papers/prag99.pdf).

39. Kenyeres A. (2003): EPN Special Project on "Time Series Analysis": Results of the Retrospective Analysis of the EPN Time Series (1996-2001), Ponta Delgada, Azores, June 5-8 2002, EUREF Publication No. 12, Mitteilungen des Bundesamtes flir

40. Kartographie und Geodäsie Band 29, pp. 72.

41. Kenyeres A., C. Bruyninx (2004): EPN coordinate time series monitoring for reference frame maintenance, GPS Solutions (2004) 8, pp.200-209 (DOI 41.1007/s 10291-004-0104-8)

42. Kechine M. O., C. C. J. M. Tiberius, H. Marel (2003): Experimental verification of Internet-based Global Differential GPS. ION GPS/GNSS 2003 Proceedings. P. 28-37.

43. Kierulf H. P., L. Bockmann., O. Kristiansen, H.-P. Plag (2002): Foot-Print of the Space-Geodetic Observatory, Ny-Alesund, Svalbard, IVS 2002 General Meeting

44. Proceedings, eds. N. R. Vanderberg, K. D. Baver, NASA, CP-2002-210002, 2002, 8690

45. Leick A. (2004): GPS satellite surveying, third edition, John Wiley & Sons, Inc., Hoboken, New Jersey, USA

46. Malkin Z., A. Voinov (2001) : Preliminary results of processing EPN network observations using a non-fiducial strategy, Phys. Chem. Earth (A), Vol. 26, pp. 579583.

47. Malkin Z., A. Voinov (2001): The first results of processing EUREF observations using non-fiducial strategy, Труды ИПА РАН, вып. 6, стр. 255-270.

48. Malkin Z., Panafidina N., Skurikhina E. (2002): Variations of European Baseline Lengths from VLBI and GPS Data (abstract). In.: IVS 2002 General Meeting Proc., eds. N. R. Vandenberg, K. D. Baver, NASA/CP-2002-210002, 2002, 309.

49. Mareyen M., M. Becker (2000): On the removal of a priori restrictions from GPS network solutions in a SINEX format. Allgemeine Vermessungsnachrichten, 107(2000)11-12, S. 405-411. ISSN 0002-5968

50. McCarthy D. and G. Petit (eds.) (2004): IERS Conventions 2003, IERS Technical Note 32, Frankfurt am Main: Verlag des Bundesamts für Kartographie und Geodäsie.

51. Nothnagel A., Vennebusch M. (2006): http://vlbi.geod.uni-bonn.de/baseline-project/index.php

52. Panafidina N., Malkin Z. (2001): On Computation of a Homogeneous EUREF Coordinate Time Series. In: Abstracts "Vistas for Geodesy in the New Millennium", IAG 2001 Scientific Assembly, Budapest, Hungary, 2-7 Sep 2001, 35-36.

53. Panafidina N.(2005): IAA combined solution, In: EGU General Assembly Abstracts, EGU 2005, Vienna, Austria

54. Panafidina N. (2002): IAA combined EUREF weekly coordinate time series. Proceedings of the EUREF Symposium, Ponta Delgada, Azores, 2002, pp. 396-397

55. SINEX-(J)opMaT: http://tau.fesg.tu-muenchen.de/~iers/web/sinex/format.php

56. Springer T., Z. Malkin (1995): Analysis of the Baltic Sea level 1993 GPS campaign, J. Kakkuri (ed.), Final results of the Baltic Sea level 1993 GPS campaign, Rep. Finn. Geod. Inst, Vol. 95, № 2, pp. 87-104.

57. Voinov A., Z. Malkin (1999): Preliminary results of the BSL 1993 and 1997 GPS campaigns, M. Poutanen, J. Kakkuri (eds.), Final results of the Baltic Sea level 1997 GPS campaign, Rep. Finn. Geod. Inst, Vol. 99, № 4, pp. 51-68.