Методика и результаты оценки временных изменений радиус-векторов пунктов глобальной спутниковой сети Международной службы ГНСС тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 25.00.32, кандидат технических наук Цыба, Ефим Николаевич

• Цыба, Ефим Николаевич
• кандидат технических наук
• 2010

Оглавление диссертации кандидат технических наук Цыба, Ефим Николаевич

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ИССЛЕДОВАНИЙ ГЛОБАЛЬНЫХ ДЕФОРМАЦИЙ ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ ПО ГЕОДЕЗИЧЕСКИМ ИЗМЕРЕНИЯМ.

1.1 Результаты определения деформаций земной поверхности по спутниковым геодезическим измерениям.

1.2 Исследования изменений радиуса сферической модели Земли по геодезическим данным.

1.3 Современные научные представления о механизмах изменения земного радиуса.

1.4 Выводы по главе 1.

ГЛАВА 2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ИЗМЕНЕНИЙ РАДИУСА СФЕРИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ЗЕМЛИ И ПОЛУОСЕЙ АППРОКСИМИРУЮЩЕГО ЭЛЛИПСОИДА.

2.1 Используемые измерительные данные и обоснование принятого подхода

2.2 Методика и результаты определения среднего изменения радиусов-векторов пунктов сформированной сети.

2.3 Оценка изменений полуосей земного эллипсоида вращения.

2.4 Контроль вычисления скоростей изменения! среднего радиуса сферической модели и полуосей аппроксимирующего эллипсоида.

2.5 Выводы по главе 2.

ГЛАВА 3 .ИНТЕРПРЕТАЦИЯ ВЫЯВЛЕННЫХ ИЗМЕНЕНИЙ РАДИУС-ВЕКТОРОВ ПУНКТОВ ГЛОБАЛЬНОЙ ГЕОДЕЗИЧЕСКОЙ СЕТИ.

3.1. Выявление скрытых периодичностей в изменениях земного радиуса.

3.2 Сравнительный анализ геоцентрических расстояний северного и южного полушарий Земли.

3.3 Интерпретация полученных характеристик и закономерностей.

3.4 Выводы по главе 3.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Методика и результаты оценки временных изменений радиус-векторов пунктов глобальной спутниковой сети Международной службы ГНСС»

Проблеме изменения радиуса Земли насчитывается уже более ста лет. Этой проблеме было посвящено множество научных разработок и исследований, но только сейчас, с развитием новых спутниковых технологий появилась возможность по-новому взглянуть на эту проблему. Сегодня важнейшим средством решения данной проблемы является глобальная геодезическая основа, изменения координат пунктов которой содержат в себе информацию о геодинамических явлениях, а также о возможных ошибках измерений. Изменчивость координат пунктов глобальных геодезических сетей во времени характеризует не только изменчивость физических условий, но также и степень несовершенства средств и методов измерений.

Геодинамика изучает движениями деформации, происходящие в земной коре, мантии и ядре, и их причины. Современная геодинамика базируется на знаниях и методах разных наук о Земле: геологических, геофизических, геодезических и др. Инструментальной основой для» изучения современных движений и деформаций земной поверхности является метод повторных периодических и непрерывных геодезических измерений. Для изучения движений и деформаций земной" коры локального, регионального и глобального масштабов наиболее приемлемы методы и средства спутниковой геодезии, которые в настоящее время практически вытеснили классические геодезические методы. Развитие методов космической геодезии, в частности глобальной системы GPS, расширило возможности изучения современных движений земной коры и вариаций напряженно-деформированного состояния среды. Это потребовало разработки современных методов исследований, организации нового типа геодинамических полигонов и моделирования геодинамических процессов различных масштабов. Геодинамические исследования- в глобальном масштабе поддерживаются Международной службой IGS (International GNSS Service), GPS сеть которой насчитывает около тысячи непрерывно действующих станций. Создана и развивается глобальная кинематическая координатная основа ГГШ7, обеспечивающая точное определение не только координат пунктов в земной глобальной системе отсчета, но также и их изменений во времени.

В последние годы методы космической геодезии позволили осуществлять прямые измерения современных движений литосферных плит и деформаций граничных областей с высокой точностью, подтверждая или опровергая многие гипотезы. Однако, еще многие вопросы, связанные с развитием нашей планеты, до сих пор остаются предметом обширных дискуссий [5, 62].

Сегодня появилась возможность определения характеристик деформирования Земли на основе изучения изменений координат пунктов глобальных геодезических сетей. Отметим, что сегодня эта задача является актуальной в связи с необходимостью изучения глобальных I геодинамических изменений. В' 2005 году международным научным сообществом под эгидой Международной ассоциации геодезии создана Система глобальных геодезических наблюдений (0008). Она призвана изучать и контролировать глобальные изменения гравитационного поля, ориентировки и ротационного режима, а также геометрической формы Земли. Последняя задача связана с темой диссертационной работы, и она определяет актуальность выполняемых в рамках данной^ темы исследований. Другим важным условием, определяющим актуальность диссертационной работы, является задача изучения и дальнейшего повышения точности земной глобальной геодезической основы. Анализ изменений координат пунктов глобальных сетей, обеспечивает возможность выявления тех или иных "систематических ошибок. Радиальные изменения положений точек земной поверхности, выявленные геодезическим средствами измерений, могут быть вызваны не только собственно изменениями формы Земли, но также и систематическими ошибками измерений, связанными с неточностью задания масштаба^ глобальной координатной основы. Поэтому работа, выполненная в процессе подготовки диссертации актуальна также и для практической стороны геодезии, связанной с совершенствованием измерительных средств и методов.

Целью диссертационной работы является изучение глобальных геодинамических процессов, а именно, изменений радиус-векторов пунктов глобальной геодинамической сети IGS по данным спутниковых наблюдений.

Для достижения поставленной цели определены следующие задачи исследования:

- формирование специального геометрического построения (сети) на базе пунктов постоянно действующей спутниковой* сети IGS(CHPC), необходимого для решения поставленной^ задачи;

-разработка новой методики определения изменений радиус-векторов, позволяющей значительно'уменьшить, влияние горизонтальных движений земной поверхности;

- получение характеристик изменения/ радиус-векторов геометрической модели Земли по результатам спутниковых GPS наблюдений;

- интерпретация полученных временных рядов.

Защищаемые положения

- усовершенствованная методика определения- изменений- среднего-радиус-вектора и полуосей эллипсоида вращения, обеспечивающая информацию о возможных систематических искажениях координат глобальной геодезической основы;

- количественные* характеристики характера деформирования Земли в целом, как эмпирическая^ основа для. изучения причинно-следственных связей;

- результаты интерпретации полученных временных рядов. Научная новизна работы,определяется следующими позициями.

В диссертационной работе впервые получена оценка изменений радиус-векторов аппроксимирующих моделей,- со значительно уменьшенным влиянием ошибок горизонтальных составляющих геодинамических процессов по данным GPS измерений. Разработан новый и использован более простой подход для решения поставленной задачи, по сравнению с Блиновым, Герасименко и другими авторами (таблица 1.4.). Выявлены интересные закономерности изменений в полученных временных рядах, несущие информацию о возможных глобальных изменениях и/или систематических ошибках геодезических измерений.

Практическая значимость работы

Полученные результаты обеспечивают возможность повышения точности глобальной геодезической основы за счет учета систематических изменений координат, а также совершенствования официальных геофизических моделей. Результаты исследований и разработок по теме диссертации использованы в научно-исследовательской работе ЦНИИГАиК по теме НИР в рамках реализации Федеральной! целевой программы «Глобальная навигационная система».

Апробация работы Основные результаты по теме диссертации- докладывались на конференции молодых ученых в МИИГАиК в. 2007, 2008, 2009' гг; представлены на научном семинаре ГАИШ МГУ «Сагитовские чтения»- (г. Москва;, 2007 г, 2008 г.), на Российско-финском семинаре «Российско-финская научная кооперация: астрометрия, геодезия и гравиметрия, в- XX-XXI столетиях» (Санкт-Петербург, Пулковская обсерватория, 2007 г.) , на международной конференции "Electronic Geophysical Year: State of the Art and Results" в Переславле — Залесском в июне 2009 года, а также на семинаре молодых ученых и специалистов геодезического отдела ЦНИИГАиК (26 октября 2009 г.).

Публикации. Результаты диссертации опубликованы в 3 статьях в реферируемых изданиях, а также в тезисах международной конференции.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы и приложения. Основное содержание работы изложено на. 161 страницах текста. Работа содержит 32 рисунка, 11 таблиц и 1 приложение.

Заключение диссертации по теме «Геодезия», Цыба, Ефим Николаевич

3.4 Выводы по главе 3

В качестве заключения по главе 3, обобщая итоги; собственного анализа и опубликованные данные можно с высокой; степенью« вероятности предполагать, в первую очередь, методические несовершенства . учета, приливных влияний на положение пунктов; глобальной геодезической основы. Но однозначные утверждения-; пока что сделать невозможно. Это обусловлено-тем, что' океанические приливы сегодня моделируются еще менее надежно, чем земные: Периодические атмосферные; нагрузки, на земную поверхность пока что не учитываются при- определении« координат пунктов; глобальных геодезических сетей; а их поведение также регулируется: приливами: В- случае анализа: периодичностей в изменениях абсолютных определений; силы тяжести, наблюдаемые аналогичные изменения: сегодня-! объясняются. в первую очередь- недостаточной точностью учета влияния грунтовых вод, т.е. подземной гидросферы [51]. Все эти обстоятельства осложняют интерпретацию выявленных характеристик и требуют дальнейшего более основательного и разнопланового комплексного анализа. Имеется, как минимум^ четыре основных фактора: приливы твердой Земли, океана, атмосферы и подземной гидросферы; несовершенством учета которых можно объяснить полученные измененияшолуосей эллипсоида вращения.

Сегодня для получения наиболее стабильной, во времени глобальной геодезической основы необходимы детальные и многодисциплинарные исследования динамики твердой Земли, гидросферы и атмосферы.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В настоящей диссертационной работе представлены результаты теоретических и экспериментальных исследований, способствующих решению важной научной задачи изучения глобальных изменений твердой земной оболочки на основе высокоточных спутниковых геодезических измерений в глобальных сетях непрерывно-действующих пунктов. Эта научная задача имеет прямое отношение к основной научной задаче геодезии — изучение формы и размеров Земли'и их изменений«во времени.

В' процессе работы над диссертацией предложена и реализована методика геодезической оценки, изменений радиуса земной модели, получены новые- эмпирические характеристики радиальных изменений земной поверхности, выполнен анализ полученных эмпирических рядов и осуществлена их интерпретация,' а также сопоставление с современными многодисциплинарными исследованиями.

К защите представляются- следующие результаты проделанной диссертантом работы.

1. Усовершенствованная- методика, оценки средних изменений радиусов-векторов по данным наблюдений в - глобальной спутниковой сети, уменьшающая влияние интенсивных горизонтальных движений земной поверхности.

2. Временные ряды изменений среднего радиус-вектора и полуосей аппроксимирующего эллипсоида вращения с их оценками точности.

3. Результаты анализа скрытых периодичностей в-полученных рядах и их интерпретации в сопоставлении с другими опубликованными результатами исследований периодических изменений координат геодезических пунктов и характеристик гравитационного поля.

Результаты исследований и разработок автора по теме диссертационной работы освещены в трех научных публикациях в изданиях, рекомендованных Высшей аттестационной комиссией. Содержание: работы, докладывалось на научных конференциях и семинарах:

• конференция молодых ученых и аспирантов (г. Москва, МИИГАиК

2007 г) .-2 доклада;

• конференция молодых ученых и аспирантов (г. Москва; МИИГАиК

2008 г);

• семинар «Сагитовские чтения» (г. Москва, ГЛИШ МГУ 2007 г)

• семинар «Сагитовские чтения» (г. Москва, ГЛИШ МГУ 2008 г.)

• Российско-финский; семинар «Российско-финская научная кооперация: астрометрия;,. геодезия? и гравиметрия- в XX-XXI столетиях» (Санкт-Петербург, Пулковская обсерватория, 2007 г.)

•< конференция* молодых ученых и аспирантов (г. Москва, МИИГАиК

2009 г);

International Conference "Electronic; Geophysical Year: State: of the Art and Results" (Pereslavl-Zalessky, 2009 r.)

• Семинар молодых ученых и специалистов геодезического отдела ЦНИИГАиК (26 октября 2009 г.).

Ряд исследований! и разработок выполнен в соавторстве с научным руководителем В.И.Кафтаном. В части разработки методики оценки средних изменений радиус-векторов » и полуосей; аппроксимирующего эллипсоида' вращения В .И. Кафтану принадлежит общая идеология* исследований, а автор; диссертации выполнил непосредственную разработку, составил соответствующие алгоритмы? и программы, по ¡ которым; выполнил расчеты ш получил соответствующие временные ряды. Bi частш. интерпретации полученных- характеристик автор диссертации применил готовое программное обеспечение анализа доминирующих гармоник во временных рядах, разработанное В.И.Кафтаном, и самостоятельно получил спектры основных колебательных компонент в полученных временных рядах.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Цыба, Ефим Николаевич, 2010 год

1. Баркин Ю.В. Вековое изменение среднего радиуса Земли// Вестник Московского университета.-1998.-№1, серия 3, с. 43-45

2. Блинов В. Ф. Растущая Земля: из планет в звезды.- Москва: Едиториал УРСС ,2003

3. Буй Йен Тинь. Разработка и исследование метода повышения точности геодезической координатной основы Социалистической Республики Вьетнам Дисс. на соиск. уч. степ. к. т. н.- М.: МИИГАиК, 2005.-181 с.

4. Бурша М, Юркина М. И. К гипотезе расширения Земли//Геодезия и картография.-1993.-№8, с.7-12

5. Генике А. А., Побединский Г.Г. Глобальная спутниковая система определения местоположения GPS и ее применение в геодезии. — М.: Картгеоцентр-Геодезиздат, 1999.

6. Герасименко М. Д. Гипотезу расширяющейся- Земли хоронить еще рано!//Геодезия и картография.-1995.-№3, с. 19-24"

7. Герасименко М.Д., Касахара М. Движения и деформации литосферных плит по данным космической геодезии (к вопросу о фиксации кинематической системы координат)// Тихоокеанская геология, 2002, том 21, № 1, с. 5-13.

8. Докукин П.А., Кафтан* В. И. Непрерывные GPS/TJIOHACC измерения коротких базовых линий для выявления сильных землетрясений//Геодезия и картография.-2006.-№2,'с.7-10-24

9. Кафтан В. И., Цыба Е. Н. Оценка изменений среднего радиус-вектора пунктов глобальной геодезической сети//Геодезия и картография.-2008.-№10, с. 14-22

10. Ю.Кафтан В. И., Цыба Е. Н. Оценка изменений полуосей земногогеометрического эллипсоида по результатам спутниковыхнаблюдений в глобальной геодезической сети//Известия вузов. Геодезия и аэрофотосъемка.-2009.-№1, с.33-40

11. Кафтан В.И. Временной анализ геопространственных данных: Кинематические модели, Автореферат дисс. на соиск. уч. степ. д. т. н., МГУПС, Москва, 2003, 48 с.

12. Козодеров В.В., Кузьмин Р.Н. Глобальные проблемы геофизики в контексте наблюдений Земли из космоса Москва: МГУ им. М.В. Ломоносова vol 1,с-013-021

13. Коломиец А. Г., Герасименко М. Д., Крето Ж. -Ф., Сударин Л: Фиксация трехмерной кинематической системы^ координат по данным спутниковой геодезии// Известия вузов. Геодезия и аэрофотосъемка.-2007 .- №3 Москва.- С -23-32 .

14. Короновский И. В:, Копаев А. В., Герасимовой. А5., Киквадзе Г. Mi О возможных пределах изменения среднего радиуса Земли» в геологическом прошлом // Геотектоника.- 2003 .-№5, с.89-94.

15. Коуба Я. Об особенностях GPS-измерений //Геодезия и картография .2004. №9. - с.27-28.

16. Кэрри У. В поисках закономерностей развития Земли» и вселенной-М:: изд. «Мир», 1991

17. Малышев В.В., Красильщиков М.Н., Бобронников В.Т.,. Нестеренко О.П, Федоров A.B. Спутниковые системы мониторинга. М.: Изд-во. МАИ, 2000 г.

18. Машимов М.М. Стиль, рождающий парадоксы//Геодезия и картография.-1994.-№5, с.22-30

19. Мельхиор П. Земные приливы / Мир, Москва.-1968

20. Панафидина Н. А. Определение и анализ координат и скоростей станций по наблюдениям европейской GPS сети (Автореферат дисс. на соискание уч. степ-, к. физ.-мат. н.)- Санкт-Петербург, 2006.- 16 с.

21. Пантелеев В.Л Физика Земли и планет,- М.: МГУ им. М.В.Ломоносова , 2001 (http://geo.web.ru/db/msg.html?mid==1161600>

22. Пантелеев В.Л: Теория фигуры Земли.- М.: МГУ им. М.В.Ломоносова , 2000 (http://www.astronet.ru/db/msg/1169819)

23. Радюкевич Н. М. Металлогенические следствия- геотектонической гипотезы расширяющейся Земли // Регион, геол. и« металлогения.-2004.-№22, с.59-26

24. Романовский В.И. Применение математической статистики в опытном деле / М.-Л., Гостехиздат.- 1947

25. Стеблов Г. М., Фролов Д. И., Куксенко В. С. Кинематика движения материков Земли// Физика твердого тела.-2005.- том 47,вып.6, с. 10091014'

26. Татевян С. К. Использование методов космической геодезии для современной геодинамики.- М.: РАН "институт астрономии, 1998

27. Финкелынтейн A.M. Фундаментальное координатно-временное обеспечение // Вестник Российской Академии Наук, 2007 том 77, М 7, с. 608-617

28. Хаимов 3. С. Основы высшей геодезии. -М.: Недра, 1984.

29. Хаин В.Е. Глобальная геодинамика: новые успехи, старые и новые проблемы // Тектоника и геофизика литосферы. Материалы XXXV Тектонического совещания. Т. II. М.: ГЕОС. 2002. С. 279-280.

30. Цыба Е. Н. Изучение геодинамических процессов на основе использования непрерывных спутниковых измерений- в глобальных геодезических сетях// Геодезия и картография.-2007.-№2, с.49-56

31. Юзефович П. A. GPS — большой и серьезный// "Компьютерра"'.-2004.-№45 (http://offline.computerra:ru/print/offline/2004/569/36864/)

32. Bajgarova Т., Kostelecky J': The Hypothesis on the earth expansion in the light of space geodesy results// Acta Geodyn. Geomater.- 2005 .-Vol.2, No.3 (139). -p.95-10Г

33. Bui Jen Tinh, Tatevian: S. Seasonal'Tidal Variations in Station Coordinates Based on GPS//Proceedings of the APSG Symposium:. Space Geodesy and Dynamics Planet.-2006. -р.103-106>

34. Bursa M., Kouba J., True S.A., Vatrt V., Vojtiskova M. Temporal variations in sea surface topography and dynamics of the Earth's inertia ellipsoid // Studia geophysica et geodaetica.- 1999> vol.43.- p.7-1-9

35. Cox C.M. , Chao B.F. Detection of a large-scale mass redistribution in the terrestrial system since 1998// Science.- 2002,-v. 297.- p.831 833

36. Dana P.H. Global Positioning System Overview // Department of Geography, University of Texas at Austin 2000 rhttp://www.colorado.edu/geographv/gcraft/notes/coordsys/coordsvs.html)

37. Degnan, J. J., Millimeter accuracy satellite laser ranging: a review, Contribution of Space Geodesy to Geodynamics: Technology, Geodynamics Series 25, AGU, Washington, DC, 1993.

38. Dong D., Dickey J. O. Geocenter variations caused by atmosphere, Ocean and surface ground water//Geophysical research letters,vol.24 #15,1997 p. 1867-1870

39. Erricos C. Pavlis Dynamical Determination of Origin and' Scale in the Earth System from Satellite Laser Ranging USA: Joint Center for Earth Systems Technology and NASA Goddard Space Flight Center, University of Maryland Baltimore County,2003

40. Gerasimenko M.D., The problem of the change of Earth dimension in the light of space geodesy data / From Scalera G. and Jakob K.-H.(eds), 2003: Why expending Earth? A book in honor of Ott Christoph Hildenberg.-INGV, Rome.- 2003.- 395-405.

41. Hand book of geophysics and the space environment (scientific editor -Adolph S.Jursa), United States Air force systems command, 1985.

42. Heki K., Tkahashi Y., Kondo T. Baseline length change of Circumpacific VLBI networks and their bearing on global tectonics // IEEE Transactions on instrumentation and measurement.- 1989.- Vol.38, No 2.- p.680-683

43. Herring Th. (2002) Stability of global geodetic results // Report on EGS G6 2002 (Presentation)

44. Kaftan V.I. (2001) Gravity Variation at the Moscow Fiducial Station, Paper presented to the EUREF 2001 Symposium, Dubrovnik, May 2001, pp.1-8 (http://www.euref.eu/symposia/book2001/64.pdf)

45. Kenneth L. Characterization of periodic variations in' the GPS satellite clocks // GPS Solutions.- 2008 r.- Vol. 12, № 3, p. 211-225

46. Koziar J.: 1993, Space geodesy and expanding« earth. Intertational Conference: "Frontiers, of Fundamental Physics" Olympia, Greece, September 1993

47. Koziar, J.: 1994, Principles of plate movements on the expanding earth. In: F.Selleri L.M.Barone eds., Proceedings of the International Conference: "Frontiers of Fundamental Physics", Olympia, Greece, September 27-30, 1993; Plenum New York, 301-307.

48. Krasinsky G. A. Estimating the dynamical Love number k* from* the analysis of the laser ranging data of Lageos 1 and Lageos 2 satellites, St. Petersburg, Russia, 2006

49. Lutes A. Geometrical analysis of Earth deformation from VLBI data / Proc. of the 8th Int. Symp. on« Deformation Measurements, 25-28 June 1996.-Hong Kong, 1996.- p.309-316

50. Mangiarotti S., Cazenave A., Soudarin L., Cretaux J.-F. Annual vertical crustal motions predicted from surface mass redistribution and observed by space geodesy// J.Geophys. Res.- 2001.-Vol. 106, No. B3, p. 4277-4291

51. Nikolaidis R. Observation of Geodetic and seismic deformation with the GPS/ Dissertation thesis, San Diego : University of California, 2002.-pp.249

52. Poutanen M, Koivula H, Ollikainen M (2001) On the periodicity of GPS time series. In: Adam J, Schwarz K-P (eds) International association of geodesy symposia, IAG scientific assembly. Springer, Berlin Heidelberg New York, pp 388-392

53. Scalera G. Gravity and expanding Earth // Закономерности строения и эволюции геосфер: 6 международный междисциплинарный научный1 симпозиум Хабаровск, 23-25 сент.,2003, Хабаровск.- 2004.- с.303-311

54. Segall P., Davis J.L. GPS applications for geodynamics and earthquake studies // Journal of EartbPlanet.- 1997.- №25.- P. 301-336.

55. Takahashi Y. Relation between the station movements by NUVEL-1 model and those observed by/ VLBI and SLR7/ J.Geod.Soc.Jap.-1994.- Vol. 40, No 3.- p.243-253

56. Watson C., Tregoning P., Coleman R. Impact of solid Earth tide models on GPS coordinate and tropospheric time series // GEOPHYSICAL RESEARCH LETTERS, VOL. 33, L08306, doi:10.1029/2005GL025538, 2006