Diseño geodésico 1. José Francisco Valverde Calderón Sitio web:

Transcripción

1 Diseño geodésico 1 I ciclo, 2014 alderón jose.valverde.calderon@una.cr Sitio web:

2 Capítulo 2 Diseño y optimización de redes geodésicas globales 2.1 Red de vínculo con redes mundiales

3 Jerarquía de los marcos de referencia geodésicos modernos: Terrestre Celeste Global Inercial EOP ITRF ICRF Fijo en la Tierra (ECEF) Fijo en el espacio El Marco de Referencia Terrestre luego se densifica a los siguientes niveles: Continental (SIRGAS, EUREF, AFREF, ) Nacional (CR05) Regional / Local

4 Redes globales y sus densificaciones

5 Las modernas técnicas de la geodesia satelital permiten: Estimar la posición y velocidades de estaciones terrestres (ITRF) Estimar las coordenadas de las fuentes (ICRF) Estimar los EOP (vínculo entre el ITRF y el ICRF) Estimar parámetros atmosféricos (tropósfera, ionósfera) Estimar parámetros para modelar el campo de gravedad Estimas orbitas satelitales Ejemplo de EOP

6 Parámetros de orientación de la Tierra Tomado de: Combination method of different space geodesy techniques for EOP and terrestrial reference frame determination, Vojtech Stefka, 2011

7 Sistema de referencia Definición de constantes, modelos, parámetros, que sirven como base para la representación de la geometría de la superficie terrestre y su variación en el tiempo. El sistema de referencia es la definición conceptual completa de cómo un sistema coordenado esta formado. Define el origen y la orientación de los planos fundamentales o ejes del sistema Las coordenadas de una estación son válidas para el instante de la definición. Para cualquier otra época, se debe considerar el cambio en las posición de la estación Esto se puede hacer al conocer la cinemática de la misma (velocidad) o trabajando con soluciones semanales

8 Sistema de referencia Tomado de: Featherstone, 1996

9 Realización (materialización) de un sistema de referencia por un conjunto de entidades físicas y matemáticas Por ejemplo, un conjunto de estaciones, con coordenadas geocéntricas tridimensionales X,Y,Z para una época fija y variaciones lineales en el tiempo, o sea velocidades constantes (dx/dt, dy/dt, dz/dt). Técnicas utilizadas para la definición del ICRF y el ITRF: VLBI. SLR. GNSS. DORIS. Marco de referencia

10 Marco de referencia El ITRS se define de la siguiente forma: Origen: Geocéntrico La longitud es el metro del SI La orientación coincide con el Origen Internacional Convencional y un meridiano de referencia La realización del ITRS son los Marcos de Referencia Terrestre Internacional (ITRF). Con base a los resultados obtenidos mediante cada una de estas técnicas (que son independientes) se determinar los ITRF. El mantenimiento de estos no es fácil, debido principalmente a las deformaciones que se presentan en la corteza terrestre. Se requiere de varios modelos para considerar el comportamiento de las placas tectónicas, entre otros.

11 Marco de referencia A la fecha se tienen calculados los ITRF88, ITRF89, ITRF90, ITRF91, ITRF93, ITRF94, ITRF96, ITRF97, ITRF00, ITRF05. La realización del ITRF mas actual es el ITRF08. Se espera que este año sea publicado el ITRF2013 Call for participation en el cálculo del ITRF2013 Mas información en: El IGS produce su propio marco de referencia, llamado IGSXX. Estos son consistentes con la definición del ITRF, aunque solo se usan observaciones GPS

12 Marco de referencia

13 Marco de referencia Ejemplo de la red global propuesta al momento de efectuar el Call for participation para la formación del IGS

14 Marco de referencia

15 IGS08 IGS08 Network IGS08 Core Network Conformada por 91 estaciones

16 IGb08 IGb08 Network IGb08 Core Network Conformada por 92 estaciones

17 IGb08 y SIRGAS Tomado de :

18 Estudio del efecto del terremoto del 05 de septiembre de 2012

19 Estudio del efecto del terremoto del 05 de septiembre de 2012 Estaciones de referencia

20 Información de las estaciones de la red del IGS

21 Información de las estaciones de la red del IGS

22 Información de las estaciones de la red del IGS

23 Enlace a marcos de referencia Formas en que se puede enlazar las observaciones a un marco de referencia preestablecido. Es necesario conocer las coordenadas de la estación(es) de referencia en la época de medición. Velocidad derivada de un modelo+ coordenadas en la época de referencia. Solución multianual + velocidad (modelo lineal, variación secular). Soluciones semanales

24 Enlace a marcos de referencia Las coordenadas de un punto son validas únicamente para t 0. Para el adecuado mantenimiento del MR, es necesario considerar la variación de las coordenadas de las estaciones de referencia Este movimiento se debe principalmente a la deformación de la corteza terrestre Se debe conocer la velocidad con que se mueve el punto de referencia. El problema es mas complejo, por la posibilidad de que se den deformaciones locales y que estas no sean detectadas. Por ellos, el estado del arte recomienda tener los marcos de referencia definidos por medio de EMC. Cuando se hacen densificaciones de redes geodésicas enlazadas a redes nacionales, es necesario considerar la actualización de las coordenadas a la época de medición.

25 Enlace a marcos de referencia Se debe tener mediciones continuas durante por lo menos dos años, para determinar la velocidad de una estación para identificar variaciones estacionales en la posición de la estación. Hay dos posibilidades para conocer la velocidad de una estación: Que sea determinada mediante un ajuste (combinación). Que sea interpolada a partir de un modelo de velocidades. Los modelos de velocidades, son modelos 2D que describen la magnitud y la dirección de los movimientos de las placas tectónicas. Por ejemplo, se tiene el modelo NNR NUVEL 1A, el cual es un modelo geológico-geofísico. Uno de los problemas de este modelo es que omite zonas de deformación, como lo es la cordillera de los Andes.

26 Modelo NNR NUVEL 1A Tomado de:

27 Modelo PB2002 Tomado de:

28 Modelo APKIM2005 Tomado de:

29 Modelo VeMos Tomado de:

30 2.1.a.1 Velocidad derivada de un modelo+ coordenadas en la época de referencia Actualización de coordenadas en un ITRF Información disponible: X i, Xɺ i, t yy yy o Enlace a marcos de referencia Para tener las coordenadas de la estación en cualquier otra época t, distinta a la época actual, de aplica el siguiente modelo: X i t = X i t + Xɺ i t t ( ) ( ) ( ) yy yy o yy o

31 Enlace a marcos de referencia 2.1.a.2 Solución multianual + velocidad producto del ajuste La siguiente información es tomada del sitio web: La cinemática de la red SIRGAS-CON es determinada mediante el cálculo periódico de soluciones multianuales, las cuales resultan de la combinación de las soluciones semanales semilibres. El cálculo de las soluciones multianuales incluye la identificación de discontinuidades en la posición de las estaciones, ya sea por eventos esporádicos como desplazamientos sísmicos o cambios en la configuración de las antenas La solución multianual más reciente (SIR11P01) incluye todas las soluciones semanales calculadas por los centros de análisis SIRGAS entre y , fecha en que se empezó a utilizar el IGS08.

32 Enlace a marcos de referencia La solución SIR11P01 provee coordenadas y velocidades constantes para 230 estaciones referidas al ITRF2008, época La precisión final de las coordenadas se ha estimado en: posición horizontal: ±1,0 mm; posición vertical: ±2,4 mm; velocidad horizontal: ±0,7 mm/a; velocidad vertical: ±1,1 mm/a

33 Solución multianual, SIRGAS

34 Solución multianual, SIRGAS

35 Coordenadas, estaciones ITRF

36 Coordenadas, estaciones ITRF

37 2.1.a.3 Soluciones semanales Solución multianual Soluciones semanales Tomado de: Alternative definitions and realizations of the terrestrial reference frames, Drewes et al, 2010

38 2.1.a.3 Soluciones semanales Estación MANA Con velocidad de la solución multianual Soluciones semanales

39 2.1.a.3 Soluciones semanales Problemas por eventos sísmicos de magnitud importante

40 2.1.a.3 Soluciones semanales Problemas por eventos sísmicos de magnitud importante

41 2.1.a.3 Soluciones semanales No se sabe que paso en enero de 2012

42 2.1.a.3 Soluciones semanales ORBGEN, salto por cambio marco de referencia

43 2.1.a.3 Soluciones semanales

44 2.1.a.3 Soluciones semanales

45 2.1.a.3 Soluciones semanales

46 2.2 Evaluación de la exactitud 2.3 Software especial de procesamiento

47 2.2 Evaluación de la exactitud El enlace a redes globales tiene la característica de que, dependiendo de la disponibilidad de estaciones, se podría requerir de sesiones de medición muy prolongadas, en caso de que no hayan estaciones próxima al sitio de trabajo. Esto además implica consideraciones adicionales en el procesamiento de los datos y el modelado de errores.

48 Referenciación de una red geodésica a determinado marco de referencia En el posicionamiento diferencial se ajustan primero las líneas de base que conforman la red. Esto quiere decir que se obtiene con una muy alta precisión la distancia entre las estaciones. Sin embargo, las coordenadas de las estaciones son desconocidas. Tomado de: Ajuste de redes GPS, documento elaborado por Laura Sanchez, DGFI

49 Referenciación de una red geodésica a determinado marco de referencia La determinación de las coordenadas de los puntos requiere que se incluyan como parámetros conocidos de las coordenadas de las estaciones de referencia. Esto implica introducir o definir un marco de referencia Las coordenadas de referencia no necesariamente reflejan la geometría de la red que se esta procesando. Tomado de: Ajuste de redes GPS, documento elaborado por Laura Sanchez, DGFI

50 Referenciación de una red geodésica a determinado marco de referencia Coordenadas de referencia libres de error Coordenadas de referencia con incertidumbre Alineamiento mediante traslaciones y rotaciones Cambios en las líneas base son mayores que la precisión del ajuste Las coordenadas de referencia no cambian. Cambios en las líneas de base de igual (o menor) magnitud que la precisión del ajuste Cambios en las coordenadas de referencia menores que sus precisiones Cambios mínimos en las líneas de base Cambios en las coordenadas de referencia mayores que sus precisiones Tomado de: Ajuste de redes GPS, documento elaborado por Laura Sanchez, DGFI

51 Referenciación de una red geodésica a determinado marco de referencia La determinación precisa de coordenadas con GPS requiere del uso de estaciones de referencia con coordenadas conocidas, calculadas de manera independiente a la red que estamos trabajando El ajuste de observaciones GPS con respecto a las coordenadas de referencia siempre genera algún tipo de deformación a la red semilibre Dicha deformación no puede evitarse y por tanto, se deben incluir las coordenadas de referencia en su ajuste de forma tal que sea mínima Se busca que la red semilibre se deforme lo menos posible, pero que a su vez sea una densificación del marco de referencia En general se recomienda incluir las coordenadas de referencia con un peso equivalente al inverso al cuadrado de su precisión De esta forma, las coordenadas de las estaciones de referencia pueden cambiar hasta 2 mm dentro del ajuste de la nueva red Tomado de: Ajuste de redes GPS, documento elaborado por Laura Sanchez, DGFI

52 Solución semilibre

53 Solución con el marco de referencia introducido

54 Panel de Bernese para introducir el marco de referencia

55 Consideraciones finales 1.Las técnicas de medición GNSS son muy precisas y pueden detectar cambios mínimos (mm) en las estaciones terrestres 2.La precisión de las coordenadas de las estaciones de referencia usadas en posicionamiento GNSS debe ser consistente con la precisión de las técnicas de medición (~ mm) 3.Las coordenadas de las estaciones sobre la superficie terrestre se ven afectadas por fenómenos seculares (p.ej. tectónica de placas), estacionales (p.ej. períodos de lluvia) y esporádicos (p.ej. terremotos), que las modifican en cantidades mayores que el nivel de precisión requerido 4.Dependiendo de la precisión requerida en las coordenadas finales de los puntos nuevos, debe corregirse (modelarse) la mayor cantidad posible de los errores (efectos) que afectan la componente vertical 5.En redes de referencia deben tenerse en cuenta todos estos errores (efectos) Tomado de: Ajuste de redes GPS, documento elaborado por Laura Sanchez, DGFI

56 Consideraciones finales 6.Las coordenadas de las estaciones de referencia deben estar en el mismo marco de referencia en el que se calculan las órbitas satelitales. 7.En general, es necesario Uso de correcciones absolutas a las variaciones de los centros de fase de las antenas GNSS (valores publicados por el IGS) Uso de efemérides precisas (publicadas por el IGS) Uso de estaciones de referencia con coordenadas geocéntricas de máxima calidad (ITRF, SIRGAS, densificaciones nacionales de SIRGAS) Preferiblemente, las estaciones de referencia deben ser de operación continua; de modo que sus coordenadas semanales puedan calcularse directamente de las mediciones. Tomado de: Ajuste de redes GPS, documento elaborado por Laura Sanchez, DGFI

57 Consideraciones finales 8.Pueden utilizarse velocidades constantes solamente si las coordenadas semanales de las estaciones de referencia no son conocidas**. 9.Mientras más pequeña sea la cobertura superficial de una red GNSS, más vulnerables son sus coordenadas a los errores radiales asociados a la técnica de medición (alturas menos confiables) 10.El procesamiento de redes de referencia debe ser redundante para identificar errores aislados y verificar la calidad de los resultados 12.El procesamiento de las redes de referencia debe seguir estándares y convenciones actuales (modernos, de vanguardia) Tomado de: Ajuste de redes GPS, documento elaborado por Laura Sanchez, DGFI

58 Fuentes de error: Error de los relojes receptores Error en los relojes de los satélites Errores en las efemérides satelitales Efecto troposférico Efecto ionosférico Variaciones del centro de fase de las antenas GNSS Configuración de las antenas (radomes) Efecto multicamino (multipath) Error en las coordenadas del punto base Efectos físicos (cargas atmosférica, oceánica e hidrológica, procesos geodinámicos, etc.) Tomado de: Ajuste de redes GPS, documento elaborado por Laura Sanchez, DGFI

59 Programas científicos: Bernese Gamit-Globk Gipsy-Oasis Catref Aplicaciones on-line (Internet): Opus (Relativo) Auspos (Relativo) CSRS (PPP) APPS (PPP)

60 Software usado por los Centros de análisis del IGS Centro de análisis Software Pais CODE Bernese 5.3, desarrollado en AIUB Suiza ESA NAPEOS v 3.6 UE GOP Bernese v5.0 (+modif), desarrollado en AIUB Republica Checa GFZ EPOS.P8 desarrollados en GFZ Alemania GRG GNIS (cálculo de orbitas y NEQ), Dynamo para combinaciones Francia JPL GIPSY/OASIS-II Version desarrollado por el JPL USA MIT Gamit 10.32, Globk 5.12 desarrollados en MIT USA NOAA Arc (MIT), Orb (OSU), Pages (NOAA), gpscom USA EMR GIPSY/OASISII v5, desarrollado por JPL Canada SIO Gamit 10.20, Globk 5.08 desarrollados en MIT USA USNO Bernese v5.0, desarrollado en AIUB USA WHU PANDA,desarrollado en WHU China