Обработка данных GPS в GAMIT/GLOBK: на примере постоянных станций сети Узбекистана

АННОТАЦИЯ

В работе приведены результаты обработки данных сети опорных станций глобальной системы позиционирования (GPS) Республики Узбекистан в программном обеспечении GAMIT/GLOBK 10.7. Выполнена оценка координат, скоростей пунктов и сравнение полученных результатов с данными по геологической модели NUVEL-1A.

ABSTRACT

The paper presents the results of processing of the global positioning system (GPS) reference stations network data of the Republic of Uzbekistan in the GAMIT / GLOBK 10.7 software. The coordinates and velocities of the stations were estimated and the results obtained were compared with the geological model NUVEL-1A data.

Ключевые слова: опорные станции, GPS, GAMIT-GLOBK, скорости станций.
Keywords: reference stations, GPS, GAMIT-GLOBK, stations velocities.

В последние годы наблюдается стремительный рост количества постоянных станций глобальной системы позиционирования (ГНСС) по всему миру, данные которых используются для картографии и навигации, определения опорной системы координат и мониторинга деформаций земной поверхности. На станциях Астрономического института в Китабе (KIT3, KITG, KIVC), Ташкенте (TASH) и Майданаке (MADK) проводятся наблюдения с начала 90-х годов в рамках международных проектов по изучению динамики Земли. С 2005 года также активно развивается Государственная спутниковая геодезическая сеть (ГСГС) Республики Узбекистан. Широкое использование спутниковых методов стали основой для развития национальной географической информационной системы (НГИС) в Республике Узбекистан [1]. Более 200 ГНСС станций должны стать геодезической основой НГИС и будут использоваться для решения различных научных и прикладных народнохозяйственных задач (рис.1).

Рисунок 1. Спутниковая геодезическая сеть Республики Узбекистан

С точки зрения решения геодинамических задач и построения модели тектонических зон актуальной является задача высокоточного определения скоростей, прежде всего, опорных и постояннодействующих пунктов. Учитывая доступность и период измерений на станциях, в данной работе будут рассмотрены только опорные станции сети референцных геодезических пунктов (РГП) MAGK (Ташкент), FARG (Фергана), JARQ (Джаркурган) и URGA (Ургенч). Оценка качества проведенных измерений и их обработки выполнялась путем сравнения с результатами обработки измерений  международных станций KIT3, TASH, MADK и также данными геологической модели NUVEL-1A. Измерения на станциях государственной сети выполнялись ранее только с использованием глобальной навигационной системы GPS, поэтому далее будет  рассматриваться обработка только данных только этой системы. 

Для определения координат и скоростей исследуемых станций использовался программный комплекс GAMIT/GLOBK версии 10.7, разработанный в MIT (Massachusetts Institute of Technology), Harvard-Smithsonian Center of Astrophysics и Scripps Institution of Oceanography [2]. GAMIT/GLOBK состоит из различных программ для обработки данных GPS, последовательностью запуска которых можно управлять с помощью утилит c-shell Unix. Комплекс в основном применяется для вычисления ежедневных решений координат, матриц дисперсии-ковариации, неоднозначностей, атмосферных задержек и параметров орбит. Основные этапы обработки данных в GAMIT/GLOBK приведены на рис.2.

Рисунок 2. Основные этапы обработки в GAMIT/GLOBK [3, с.3]

Для получения устойчивого решения и точной привязки региональных измерений к международной опорной системе координат ITRF2014 [2], кроме пунктов KIT3, TASH, в обработку были включены еще 9 станций международной службы GNSS для геодинамики, IGS (ARTU, BADG, CHUM, GUAO, HYDE, IISC, IRKT, MDVJ, POL2). Угол отсечки по высоте был взят 15°. Начальный этап включает предварительную подготовку файлов измерений в RINEX (Receiver Independent Exchange Format) формате и проверку их качества в программе TEQC [5]. Для всех решений использовались высокоточные геоцентрические орбиты спутников IGS. Автоматическая итерация в блоке GAMIT, использующая метод наименьших квадратов, выполняется до получения значений остатков a-priori-заданных и оцениваемых координат до уровня миллиметра.  При этом, в программе autcln восстанавливаются или удаляются циклические сдвиги с использованием двойных или тройных разностей наблюдений. Для каждого из спутников выполнена оценка широкополосной неоднозначности на уровне 95% c помощью комбинации Мельбурна-Вуббена [6] и данных по смещению кода задержки спутников. Кроме того, для анализа выбраны стандартные модели: гравитационного поля IERS-1992 [7], модель негравитационных ускорений спутников [8], модель Саастамойнена (1972) для оценки сухой и влажной частей атмосферных задержек, модель глобального давления и температуры GPT2 [9] для коррекции зенитной задержки и модель океанической приливной нагрузки FES2004 [10]. В результате работы пакета GAMIT создаются файлы контроля качества (q-файлы) и файл, содержащий координаты станции, решение неоднозначности целого числа циклов радиоволн, атмосферную модель и матрицу ковариации станций (h-файл) (рис.3). На этом этапе выполняется предварительная оценка координат с использованием взвешенного среднеквадратического отклонения (WRMS), которое должно быть  лучше чем 1.5 мм.  Для вычисления координат станций, отнесенных на эпоху ITRF2014, их обработка с использованием фильтра Калмана проводится в программном пакете GLOBK [11]. Полученные горизонтальные (North, East) и вертикальные (Up) значения скоростей станций включают медленно изменяющиеся локальные природные эффекты, такие как движение тектонических микроплит, оседание почвы и др. (Табл.1).

Рисунок 3. Временные ряды изменения координат станций за период 8.09.2005 - 8.11.2005

Из представленных результатов видно, что все вектора движений GPS-станций направлены на северо-восток со средней скоростью 27 мм/год, большей частью обусловленное долготным дрейфом региона и направления станций совпадают в пределах эллипсов доверительных интервалов (рис.4).

Рисунок 4. Карта скоростей пунктов сети РГП за период 2005-2015 гг.

Кроме того, вычисленные скорости новых станций незначительно отличаются от скоростей международных станций KIT3 и TASH. Это свидетельствует о корректности методики сбора данных на станциях государственной сети и единстве регионального движения региона. Но, в то же время для смещения вертикальной компоненты были получены большие ошибки для пунктов FARG, JARQ сети РГП в отличие от международных станций.  Фактором, влияющим на качество оценки высотной компоненты, является некорректная установка высоты антенны приемника GPS на этих пунктах, что должно быть учтено при будущих работах.

Таблица 1.

Изменение горизонтальных (v_N, v_E, мм/г), вертикальных (v_E, мм/г) координат, значения скоростей (v_{станции}, мм/г) и направления движения (А, °) пунктов и их среднеквадратические ошибки

Сравнение полученных результатов скоростей пунктов выполнялось с геологической моделью NNR – NUVEL- 1A [12], рекомендованной для использования международной службой вращения Земли IERS. Результаты вычислений скоростей для станций GPS показывают хорошую сходимость с модельными по долготе, в то время как по широте результаты отличаются значительно (Табл.2). Безусловно, долготный дрейф Евразийской плиты, хорошо согласуется с геологической моделью и находит отражение в результатах по изменениям долготного компонента координат и скоростей пунктов в целом. Но, для исследования изменений широты, необходимо в будущем построить геотектоническую модель региона на основе анализа данных всей сети республики, согласовать эти результаты с новыми геодезическими моделями, построенными уже по современным GPS измерениям.

Таблица 2.

Изменения горизонтальных (v_N, v_E, мм/г) координат, скоростей станций (v_{станции}, мм/г) и направления движения (А, °) по геологической модели NUVEL-1A.

Список литературы:

1. «О мерах по реализации инвестиционного проекта «Создание Национальной географической информационной системы». Постановление Президента №2045 от 2013 года. [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://lex.uz/pages/getpage.aspx?lact_id=2242710
2. Altamimi, Z., Rebischung P., Métivier L., Collilieux X. ITRF2014: A new release of the International Terrestrial Reference Frame modelling nonlinear station motions // J. Geophys. Res. Solid Earth, 2016. No.121. -pp. 6109–6131. doi:10.1002/2016JB013098
3. Beutler, G., Brockmann E., Gurtner W., Hugentobler U., Mervart L., Rothacher M. Extended orbit modeling techniques at the CODE Processing Center of the International GPS Service for Geodynamics (IGS): Theory and initial results // Manuscr. Geod. 1994, 19, - pp. 367–386.
4. Boehm, J., Niell, A., Tregoning, P., Schuh H. Global Mapping Function (GMF): A new empirical mapping function based on numerical weather model data // Geophys. Res. Lett. 2006a, 33, L07304. doi:10.1029/ 2005GL025546
5. Dubbini, M., Cianfarra, P., Casula, G., Capra, A., Salvini F. Active tectonics in northern Victoria Land (Antarctica) inferred from the integration of GPS data and geologic setting // J. Geophys. Res., 2010, 115, B12421. doi:10.1029/2009JB007123
6. DeMets C., Gordon R.G., Argus D.F., Stein S., Effect of recent revisions to the geomagnetic reversal time scale on estimates of current plate motions// Geophys. Res. Lett. 1994. 21. - pp. 2191-2194.
7. Estey L., Wier S. TEQC Tutorial. Basics of Teqc Use and Teqc Products. 2018. UNAVCO. USA. [Электронный ресурс]. - Режим доступа: URL: https://www.unavco.org/software/data-processing/teqc (дата обращения: 15.09.20)
8. Herring, T.A., King, R.W., Floyd, M., McClusky, S.C. Introduction to GAMIT/GLOBK. Release 10.7. Technical report. Massachusetts Institute of Technology. 2018 / [Электронный ресурс]. - Режим доступа: URL: http://geoweb.mit.edu/gg/Intro_GG.pdf (дата обращения: 10.09.20).
9. King R. W., Herring T. A., Floyd M. A., McClusky S. C. GAMIT/GLOBK Overview / [Электронный ресурс]. - Режим доступа: URL: http://geoweb.mit.edu/~floyd/courses/gg/201807_Bishkek/ (дата обращения: 15.09.20)
10. IERS Conventions // IERS Technical Note 36 / Gérard Petit and Brian Luzum (eds.). -Frankfurt am Main: Verlag des Bundesamts für Kartographie und Geodäsie, 2010. -179 p.
11. Herring, T.A., R.W. King, R.W., McClusky, S.C. Global Kalman filter VLBI and GPS analysis program, GLOBK Reference Manual, Release 10.5. Department of Earth, Atmospheric, and Planetary Sciences Massachusetts Institute of Technology, Cambridge MA 2010b. [Электронный ресурс]. - Режим доступа: URL: http://chandler.mit.edu/~simon/gtgk/GLOBK_Ref.pdf (дата обращения: 15.09.20)
12. Lyard, F., F. Lefèvre, T. Letellier and O. Francis. Modelling the global ocean tides: a modern insight from FES2004 // Ocean Dynamics. 2006. 56. -pp. 394-415,