Aktualności

Warunkowanie globalnych sieci geodezyjnych w rozwiązaniach GNSS i SLR a zmiany centrum masy Ziemi

22-10-2019

Odmienna charakterystyka rozwiązań globalnych w technikach Global Navigation Satellite System (GNSS) czy Satellite Laser Ranging (SLR) powoduje, że wpływ warunkowania sieci na parametry globalne jest różny. Naukowcy z Instytutu Geodezji i Geoinformatyki (IGiG) opublikowali serię dwóch artykułów, podsumowujących wpływ warunkowania globalnych sieci geodezyjnych realizowanych w technikach SLR i GNSS na produkty globalnych parametrów geodezyjnych wyznaczanych w tych rozwiązaniach.

W większości znanych z literatury analiz na temat rozwiązań globalnych GNSS oraz SLR, realizacja układu odniesienia odbywa się przez nałożenie warunków minimalnych na zbiór stabilnych stacji reprezentujących sieć. Nakładając warunki minimalne na sieć, manipulujemy tym jak opisana jest relacja pomiędzy układem odniesienia a priori, a układ realizowanym w danym rozwiązaniu globalnym. Wyszczególniamy trzy kategorie warunków (Rys. 1): (1) warunki minimalne na rotację (ang. No-Net-Rotation, NNR), warunki minimalne na translację (ang. No-Net-Translation, NNT), warunki minimalne na zmianę skali (ang. No-Net-Scale, NNR). To jakie warunki nakładamy na daną sieć, zależy od defektu sieci w danym rozwiązaniu.


Przykłady konsekwencji nałożenia warunków minimlalnych na sieć

W artykule „Network effects and handling geocenter motion in multi-GNSS solutions” (Zajdel et al. 2019) pokazano, w jaki sposób warunkować sieć geodezyjną w rozwiązaniu globalnym GNSS. Okazuje się, że nakładanie warunku NNT i estymacja parametru geocentrum jako dodatkowego parametru jest niezbędna w rozwiązaniu GNSS, aby otrzymać współrzędne stacji naziemnych wysokiej jakości. Sztuczne satelity Ziemi orbitują wokół naturalnego centrum masy systemu Ziemskiego, wliczając w to oceany i atmosferę. Niestety technika GNSS jest tylko w ograniczonym stopniu zdolna do dostarczania informacji o relatywnych zmianach centrum masy Ziemi względem umownego punktu stanowiącego początek układu (t.j. ruchu geocentrum). Autorzy artykułu zademonstrowali, że pomimo teorii dynamiki orbit, z której wynika, że wszystkie satelity Ziemi orbitują względem tego samego punktu, rozbieżności pomiędzy wyznaczonymi współrzędnymi geocentrum dostarczanymi z konstelacji GPS, GLONASS i Galileo sięgają kilku centymetrów. Ma na to wpływ zarówno zmniejszona wrażliwość satelitów GNSS na ruch geocentrum ze względu na wysokości orbit satelitów GNSS (ok. 20 000 km), jak i skomplikowane aspekty modelowania orbit GNSS, zwłaszcza korelacje pomiędzy estymacją parametru geocentrum, a modelowaniem wpływu ciśnienia promieniowania słonecznego. W konsekwencji układ o początku zaczepionym w centrum masy Ziemi nie jest możliwy do zrealizowania w rozwiązaniu globalnym GNSS z dokładnością wyższą niż 3 cm. Niezastosowanie warunku NNT w rozwiązaniu globalnym GNSS powoduje pogorszenie powtarzalności wyznaczania współrzędnych stacji nawet o 70%. W artykule po raz pierwszy pokazane zostały wyniki obliczeń parametru geocentrum z obserwacji Galileo.


Szereg czasowy różnic współrzędnych geocentrum otrzymanych z konstelacji GPS, GLONASS (GLO) oraz Galileo (GAL) w odniesieniu do rozwiązania multi-GNSS

W odróżnieniu od techniki GNSS, w przypadku techniki SLR, problem realizacji układu zaczepionego w centrum masy systemu Ziemskiego jest praktycznie niezauważalny. Obserwacje laserowe do satelitów geodezyjnych dostarczają najdokładniejszej informacji na temat ruchu geocentrum spośród wszystkich pozostałych technik geodezyjnych. Stanowi to wyjątkową spośród innych technik właściwość układu odniesienia, jaki może być realizowany w globalnym rozwiązaniu SLR. Problemem w warunkowaniu sieci SLR jest natomiast ograniczona liczba stacji, nierównomierne globalne rozmieszczenie, oraz zróżnicowana efektywność i jakość obserwacji dostarczanych przez poszczególne stacje obserwacyjne. W artykule „Impact of network constraining on the terrestrial reference frame realization based on SLR observations to LAGEOS” przedstawiono jaki wpływ na globalne parametry geodezyjne ma dobór zbioru stacji, na które nakładamy warunki minimalne w realizacji układu odniesienia. Określono, że niezbędna jest metoda odporna filtracji stacji, które biorą udział w realizacji układu, a także przedstawiono konkretny optymalny próg przyjęcia stacji, jaki należy stosować, aby utrzymać wysoką jakości rozwiązania globalnego SLR. Odpowiedni dobór stacji w realizacji układu odniesienia w globalnym rozwiązaniu SLR prowadzi do poprawy jakości wyznaczania parametrów ruchu Obrotowego Ziemi nawet do 15% oraz współrzędnych stacji o ok. 10%.


Szereg czasowy współrzędnych geocentrum otrzymanych w rozwiązaniu SLR. Poszczególne rozwiązania zakładają nakładanie warunków minimalnych na inny zbiór stacji

Więcej informacji na ten temat można znaleźć w artykułach opublikowanym w Journal of Geodesy oraz Journal of Geophysical Research: Solid Earth:
• Zajdel, R., Sośnica, K., Drożdżewski, M., Bury, G., Strugarek, D., Impact of network constraining on the terrestrial reference frame realization based on SLR observations to LAGEOS. J Geod (2019). https://doi.org/10.1007/s00190-019-01307-0
• Zajdel, R., Sośnica, K., Dach, R., Bury, G., Prange, L., Jäggi, A., Network effects and handling of the geocenter motion in multi-GNSS processing. JGR: Solid Earth (2019). https://doi.org/ 10.1029/2019JB017443

Badania zostały sfinansowane ze środków Narodowego Centrum Nauki w ramach projektów OPUS: „Wyznaczanie globalnych parametrów geodezyjnych z wykorzystaniem systemu satelitarnego Galileo” UMO-2018/29/B/ST10/00382 oraz „Innowacyjne metody modelowania opóźnienia troposferycznego dla laserowych pomiarów odległości do sztucznych satelitów Ziemi” UMO-2015/17/B/ST10/03108. Staż badawczy pozwalający na wykonanie części analiz został sfinansowany z programu prowadzonego przez Uniwersytet Przyrodniczy we Wrocławiu „Innowacyjny Doktorat” D220/0010/18.