Wyznaczanie geodezyjnych parametrów rotacji, geometrii i pola grawitacyjnego Ziemi z wykorzystaniem laserowych pomiarów odległości do sztucznych satelitów Krzysztof Sośnica
Co mierzymy w geodezji?
III Filary Geodezji I filar: geometria dotyczy wyznaczania precyzyjnych, trójwymiarowych pozycji punktów na, nad oraz pod powierzchnią Ziemi oraz ich zmienności w czasie, II filar: rotacja dotyczy wyznaczania parametrów związanych z orientacją figury Ziemi w przestrzeni zewnętrznej oraz z ruchem obrotowym Ziemi, Grawitacja Rotacja Geometria III filar: pole grawitacyjne dotyczy wyznaczania pola grawitacyjnego Ziemi oraz jego zmian w czasie. Geodezja
Parametry opisujące położenie - Geometria
Parametry opisujące położenie - Rotacja
Parametry opisujące położenie Potencjał grawitacyjny
Czym mierzymy w geodezji?
Techniki obserwacyjne do definicji układów odniesienia (ITRF) SLR/LLR VLBI GNSS (GPS+GLONASS) DORIS (Satellite Laser Ranging/Lunar Laser Ranging) Laserowe pomiary odległości do satelitów / Laserowe pomiary odległości do Księżyca Podstawowa technika do definicji początku i skali układów współrzędnych Pomocnicza technika do definicji ruchu bieguna i długości doby (Very Long Baseline Interferometry) Interferometria wielkobazowa (radiowe obserwacje pozaziemskich kwazarów) Podstawowa technika do definicji skali i absolutnej orientacji (UT1, precesja, nutacja) Pomocnicza technika do definicji ruchu bieguna i długości doby (Global Navigation Satellite Systems) Globalne Nawigacyjne Systemy Satelitarne Podstawowa technika w wyznaczaniu ruchów bieguna i długości doby Pomocnicza technika w wyznaczaniu początku układu Dogęszczenie i przeniesienie układu ziemskiego na układy regionalne i krajowe (Détermination d'orbite et Radiopositionnement Intégré par Satellite) Wykorzystuje doplerowskie obserwacje mikrofalowe Służy do wyznaczania orbit sztucznych satelitów Ziemi (głównie misji francuskich) Pomocnicza technika w wyznaczaniu początku układu, ruchów bieguna i długości doby.
Global Navigation Satellite Systems (GNSS) Systemy autonomiczne globalne GPS (USA), a właściwie NAVSTAR-GPS (Navigation Signal Timing and Ranging Global Positioning System) - w pełni operacyjny GLONASS (ZSRR/Rosja) ГЛОНАСС (Глобальная навигационная спутниковая система) - w pełni operacyjny Galileo (Unia Europejska+ESA) BeiDou-2 (Chiny) poprzednia nazwa - COMPASS Systemy regionalne QZSS (Japonia) Quasi-Zenith Satellite System IRNSS (Indie) Indian Regional Navigation Satellite System Systemy wspomagające Wide Area Augmentation System (WAAS, USA) European Geostationary Navigation Overlay Service (EGNOS, EU) inne
Satellite Laser Ranging (SLR) SLR dostarcza bardzo dokładnych pomiarów odległości (na poziomie kilku mm) pomiędzy stacjami naziemnymi a satelitami. Geodezyjne satelity kuliste posiadają zminimalizowany stosunek przekroju poprzecznego do masy, przez co perturbacje ich orbit są minimalne. Satelity geodezyjne orbitują znacznie wyżej niż misje grawitacyjne (GRACE, GOCE). Dotychczas satelity geodezyjne były wykorzystywane jedynie do definicji stałej grawitacji lub spłaszczenia Ziemi. Tutaj są wykorzystywane do wyznaczenia potencjału grawitacyjnego Ziemi z rozwinięciem do stopnia i rzędu 10/10. SLR station at Zimmerwald, Switzerland
Geometria
Międzynarodowy Ziemski Układ Odniesienia (ITRF) Zmiany położenia stacji GNSS i SLR ze względu na ruchy płyt tektonicznych. Autorzy: S. Glaser, M. Fritsche, K. Sośnica (2015, Journal of Geodesy) http://link.springer.com/article/10.1007/s00190-015-0842-0
Międzynarodowy Ziemski Układ Odniesienia (ITRF2014)
Geocenter coordinates from SLR 64 E
Sośnica K.:Determination of Precise Satellite Orbits and Geodetic Parameters using Satellite Laser Ranging, University of Bern, 7 th of April 2014 Atmospheric Pressure Loading L H The atmospheric Blue-Sky Effect
Sośnica K.:Determination of Precise Satellite Orbits and Geodetic Parameters using Satellite Laser Ranging, University of Bern, 7 th of April 2014 The Blue-Sky Effect Sośnica, K., D. Thaller, R. Dach, A. Jäggi, G. Beutler; 2013: Impact of loading displacements on SLR-derived parameters and on the consistency between GNSS and SLR results. Journal of Geodesy, vol. 87(8), pp. 751-769
Potencjał grawitacyjny
Misje satelitarne: potencjał grawitacyjny CHAMP (2000-2010) GRACE (2002-?) GOCE (2009-2013) GRACE-FollowOn (2017-2027?)
Rozwiązania SLR w Bernese GNSS Software GRACE SLR
Orbits Rozwiązania SLR w Bernese GNSS Software Estimated parameters Osculating elements SLR solutions LAGEOS-1/2, Starlette, Stella, AJISAI, LARES, Blits, Larets, Beacon-C a, e, i, Ω, ω, u 0 (LAGEOS: 1 set per 10 days, LEO: 1 set per 1 day) Dynamical parameters Pseudo-stochastic pulses LAGEOS-1/2 : S 0, S S, S C (1 set per 10 days) Sta/Ste/AJI : C D, S C, S S, W C, W S (1 set per day) LAGEOS-1/2 : no pulses Sta/Ste/AJI : once-per-revolution in along-track only Earth rotation parameters X P, Y P, UT1-UTC (Piecewise linear, 1 set per day) Geocenter coordinates 1 set per 30 days Earth gravity field Estimated up to d/o 10/10 (1 set per 30 days) Station coordinates 1 set per 30 days Other parameters Range biases for all stations (LEO) and for selected stations (LAGEOS) W rozwiązaniach uwzględnia się do 9 satelitów na różnych wysokościach i pod różnymi kątami inklinacji. Dla LAGEOS-1/2: 10-dniowe łuki orbit są generowane, dla satelitów niskich: 1-dniowe łuki. Stosuje się różne wagi: od 8mm dla LAGEOS-1/2 do 50mm dla Beacon-C. Układy równań normalnych są stabilizowane poprzez warunki na niewiadome (nałożone na harmoniczne sferyczne, pulsy, EOPs).
Orbit pre-elimination Rozwiązania SLR Starlette Stella 10x 10x 1-day NEQ 1-day 1-day NEQ NEQ NEQ 1-day 1-day NEQ NEQ NEQ 10-day NEQ with stacked 10-day parameters NEQ with stacked 10-day parameters NEQ Ajisai 10x 1-day NEQ 1-day NEQ 1-day NEQ 1-day NEQ NEQ The same for LARES, Larets, BLITS, and Beacon-C 10-day NEQ with stacked parameters 30-day NEQ with stacked parameters: - Gravity field, - Sta. coordinates, - ERPs, - Geocenter, - Range biases. LAGEOS-1/2 Monthly gravity field up to d/o 10/10
SLR gravity field solutions in Bernese GNSS Software Reprezentacja potencjału grawitacyjnego z wykorzystaniem harmonicznych sferycznych
Rozwiązania SLR w Bernese GNSS Software Stowarzyszony skumulowany rozkład funkcji przedstawiający istotność statystyczną sygnału rocznego w rozwiązaniach SLR (po lewej) i GRACE (po prawej) => SLR w większości czuły na parametry do stopnia/rzędu 6/6
Rozwiązania GRACE w Bernese GNSS Software Cykliczne zmiany roczne wysokości geoidy z misji GRACE.
Porównanie rozwiązań SLR i GRACE GRACE solutions: AIUB_RL02 S2 alias period in GRACE solutions Współczynnik C 20, opisujący spłaszczenie Ziemi jest silnie podatny na korelacje pomiędzy falą pływową S 2 a orbitami GRACE, przez co C 20 jest lepiej wyznaczany przez SLR. Inne współczynniki wyznaczone przez GRACE także są podatne na wpływ pływu S 2. Rozwiązania SLR są oparte na satelitach znajdujących się na różnych wysokościach i pod różnymi kątami inklinacji płaszczyzn orbit, w wyniku czego są mniej podatne na korelacje z falami pływowymi.
Porównanie rozwiązań SLR i GRACE Amplitudy rocznego sygnały wysokości geoidy są w dobrym stopniu wyznaczone przez technikę SLR. Jednakże amplitudy SLR mogą być niedoszacowane ze względu na czułość rozwiązań SLR ograniczoną w większości do stopnia i rzędu 6/6.
Porównanie rozwiązań SLR i GRACE Zmiany wiekowe deformacji geoidy wyznaczone przez SLR wykazują wysoki topień spójności w porównaniu do rozwiązań GRACE, jednakże z ograniczoną rozdzielczością przestrzenną. Ubytek mas na obszarze Grenlandii, Zachodniej Antarktydy oraz w Patagonii również jest widoczny w rozwiązaniach SLR. Sośnica, K., A. Jäggi, U. Meyer, D. Thaller, G. Beutler, D. Arnold, R. Dach, 2015: Time variable Earths gravity field from SLR satellites. Journal of Geodesy, vol. 89(10), pp. 945-960
Porównanie rozwiązań SLR i GRACE??? GRACE
Rozwiązania SLR w 90s SLR obs. do LAGEOS-1/2 1994 1999 2004 2009
Rozwiązania SLR w 90s Up to d/o 10/10 Up to d/o 6/6
Rozwiązania SLR w 90s
Zmiany wysokości geoidy 1995-1999 2000-2004 2005-2009 2010-2014
Zmiany wysokości geoidy 2005-2014: przyspieszający ubytek masy 1995-2004 10 lat bez widocznych zmian
Inne badania
Grenlandia GNSS (geometria) vs. SLR/GRACE (grawitacja)
Rotacja
Eksces długości doby
Eksces długości doby a El Nino
III filary geodezji w jednym rozwiązaniu? Rotacja Geometria Współrzędne stacji Współrzędne geocenterum Współrzędne bieguna, długość doby Grawitacja Earth s oblateness Czy istnieje możliwość jednoczesnego wyznaczenia parametrów 3 filarów w 1 rozwiązaniu?
III filary geodezji w jednym rozwiązaniu? LoD w.r.t. C04-08
Podsumowanie Wieloletnie obserwacje SLR pozwalają na wyznaczenie wielkoskalowych zmian potencjału grawitacyjnego Właściwe modelowanie efektów systematycznych, takich jak efekt niebieskiego nieba, poprawia spójność rozwiązań SLR i GNSS. Istnieje możliwość wyznaczenia parametrów należących do 3 filarów geodezji w 1 kombinowanym rozwiązaniu.
Dziękuję za uwagę