MONITOREAMIENTO AUTOMATICO DE DEFORMACIONES DE LA ESTACIÓN TIGO DE CONCEPCIÓN, POR MEDIO DE OBSERVACIONES GPS ENTRE

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1 MONITOREAMIENTO AUTOMATICO DE DEFORMACIONES DE LA ESTACIÓN TIGO DE CONCEPCIÓN, POR MEDIO DE OBSERVACIONES GPS ENTRE Juan Carlos Báez Soto (1), Klaus Bataille (2) y Marcelo Contreras (3) 1 Dpto. Geomensura, Universidad de Concepción, jbaez@udec.cl 2 Dpto. Ciencias de la Tierra, Universidad de Concepción, bataille@udec.cl 3 Dpto. Geofísica, Universidad de Concepción, marcont@udec.cl RESUMEN Usando observaciones GPS de la estación TIGO (CONZ) y algunas estaciones de la red IGS regionales (SANT, RIOG, LPGS), monitoreamos la cinemática local. Las observaciones son procesadas con el software Bernese 5.0 usando el modo automático (BPE), con soluciones generadas con órbitas precisas definitivas y ultra rápidas, permitiendo obtener resultados diarios continuos. Un aspecto relevante de nuestro trabajo es la completa automatización del proceso desde la generación de las observaciones en los receptores GPS, su transformación a formato RINEX, la transferencia de archivos desde los servidores IGS al servidor Bernese y la presentación de resultados en la pagina permitiendo observar resultados continuamente. Durante el procesamiento usamos órbitas precisas y parámetros de orientación de la tierra (sp3, ERP), producidos por la International GNSS Service (IGS) en conjunto con archivos de mapeamiento ionosférico (COD). Las líneas de base son generadas usando la estrategia de máximas observaciones, con líneas de base no inferiores a 200 kilómetros y, las ambigüedades son fijadas usando la estrategia de quase ionosphere free (QIF). Son generadas, además, soluciones rápidas a cada una hora de observación, permitiendo determinar movimientos producidos en el transcurso del día. Todas las soluciones son compatibles con ITRF 2000 y SIRGAS Nuestros resultados presentan velocidades para la estación CONZ norte=19,62 ± 0,3 mm/a, este=31,24 ± 0,3 mm/a y, UP=1,83 ± 1,0 mm/a. Finalmente, presentamos una metodología en el monitoreamiento de deformaciones con la utilización de GNSS. 1. INTRODUCCIÓN Desde la instalación del Transportable Integrated Geodetic Laboratory (TIGO), existe la necesidad de controlar los movimientos locales producidos por efectos sísmicos, estaciónales u otros. Para esta tarea fueron instalados un conjunto de marcos locales, con el fin de monitorear deformaciones y realizar la colocación entre las diferentes técnicas de observación, en dónde se incluyen censores de inclinación y datos atmosféricos. En conjunto con esta red local, fueron instalados receptores GPS en una red regional para observar tanto los movimientos de la plataforma de las instalaciones de la estación, como los movimientos de la corteza. Todos estos efectos son necesario, junto a otros, para permitir resultados con precisiones de un par de milímetros para algunas técnicas y de menos de un milímetro para otras. Utilizamos las observaciones de las estaciones GPS continuas de la red TIGO, en conjunto con estaciones de la red global y regional del International GNSS Service (IGS), para monitorear las deformaciones locales, regionales y

2 continentales, en relación a la estación TIGO. Nuestros resultados permiten obtener soluciones a cada hora y diarios, los cuales son generados con estrategias de procesamiento diferentes orientados a observar efectos estaciónales, anuales y seculares. Presentamos nuestros resultados y la metodología utilizada en las diferentes solucione, en conjunto con una discusión sobre los diferentes efectos observados. 2. OBSERVACIONES Usamos tres estaciones de la Red TIGO y tres estaciones de la red IGS global, para la definición del sistema geodésico de referencia (SGR). Las observaciones de las estaciones IGS globales son obtenidas desde los centros de datos globales y, las observaciones de la red TIGO son obtenidas directamente del servidor de datos ubicado en la estación TIGO. La distribución de las estaciones son mostradas en la figura 1. Figura 1: Estaciones de utilizadas Junto con las observaciones son utilizados los productos generados por la IGS, tales como: orbitas ultra rápidas, orbitas definitivas, orbitas predichas para la solución de una hora, parámetros de orientación de la Tierra, mapa ionosférico global. Para el procesamiento de una hora son utilizados archivos de observación de un segundo para lo cual los receptores de la red TIGO fueron configurados a 1 Hz. Para la corrección del efecto de carga oceánica fue utilizado el modelo GOT00.2 (RAY D., 1999). Durante el procesamiento las observaciones fueron reducidas al centro de fase de la antena para lo cual fueron utilizados los coeficientes de calibración relativa de antenas disponibles en el National Geodetic Survey (NGS, 2006).

3 3. PROCESAMIENTO Las observaciones son procesadas utilizando el software Berenese versión 5.0 (HUGENTOBLER et al., 2005), disponible en la estación TIGO, por medio de procesos automáticos generados con el Bernese Processing Engine (BPE) bajo el sistema operativo LINUX. Todas las observaciones diarias son exportadas al formato Bernese 5.0 y son procesadas utilizando simple y doble diferencia de fase. Son creadas líneas de base utilizando la estrategia de máximas observaciones (MAX-OBS), con longitud máxima de 9000 Km y mínima de 150 Km. La troposfera es modelada usando la combinación de los modelos SAASTAMOINEN y la función de mapeamiento de NIELL. La troposfera fue estimada a cada 2 horas para el proceso diario y a cada una hora para el proceso de una hora. Las ambigüedades son fijadas usando la estrategia de quase ionosphere free (QIF) con información de mapeamiento ionosférico global (WIM). En la figura 2 se muestra el flujo grama que describe la estrategia de procesamiento (BAEZ et al. 2006). I N P U T : RINEX CORD.CRD VEL.VEL PHAS_IGS.REL RECEIVER IGSWD.SP3 IGSWD.ERP CODWD.ION P1C1AM.DCB SAT_Y.CRX OCEAN.BLQ OBSERVACIONES EXPORTAR PARA BERNESE CREA ARCO DE ORBITAS SINCRON. DEL RELOJ RECEP. CREA LINEAS BASES (sdf) ELIMINA PERDIDA DE CICLOS ESTIMACIÓN DE PARÂMETROS FIJA AMBIGÜEDADES (QIF) SOLUCIÓN DIARIA DETECCIÓN DE ERRORES ACUMULACIÓ N DE SOLUCIONES FIGURA 2: Flujo grama de procesamiento En conjunto con el procesamiento automático realizado con BPE, fueron generadas rutinas PERL para importar todas las observaciones, transformar para formato RINEX, chequear la información de los cabezales RINEX y generación de gráficos y presentación de resultados. Las rutinas son incluidas en una lista de ejecución (crontab) a cada hora y diariamente para diferentes tipos de soluciones.

4 Las soluciones diarias son acumuladas y combinadas para estimar coordenadas, velocidades y variaciones diarias de la posición del conjunto de estaciones. Para la realización del datum son incorporadas en el proceso de ajuste las coordenadas y velocidades de las estaciones IGS SANT, LPGS y RIOG. Usamos las ecuaciones normales (NEQ) en donde es realizado un ajuste por mínimos cuadrados en y son introducidas las coordenadas de las estaciones fiduciales, como condición mínima, aplicando además las condiciones de No Net Rotation (NNR) y No Net Translation (NNT) de acuerdo a lo sugerido por la IERS (International Earth Rotation and Reference System Service) (BOUCHER et al. 2004). 4. RESULTADOS Con las soluciones acumuladas diariamente es generada una combinación estimando la posición y velocidades para todas las estaciones de la red procesada. La posición estimada en el procesamiento es comparada con la posición a priori, permitiendo detectar errores en la estimación de las soluciones y problemas en la realización del datum compatible con ITRF2000. En la figura 3 se muestra la velocidad estimada con las soluciones acumuladas desde 2002 al 2006, para el conjunto de estaciones utilizadas en la red. FIGURA 3: Velocidades estimadas para las estaciones

5 A partir de las soluciones diarias es realizado un ajuste con introducción de las coordenadas de las estaciones fiduciales, esto para la realización del datum, obteniendo la posición de las estaciones. Esta solución diaria es utilizada para desarrollar series de tiempo, en donde son estimas las variaciones lineales y sazónales de la posición de las estaciones. En la figura 4 se muestra la serie temporal de la estación CONZ desde 2002 al FIGURA 4: Serie temporal de la estación CONZ 5. DISCUSIÓN Observamos en la figura 2 que la posición de la estación CONZ a variado en el tiempo, en forma lineal, con velocidad estimada de 19.1 ± 1.0 mm/a en la dirección norte, 30.5 ± 1.0 mm/a en la dirección este y -3.8 ± 3.8 mm/a en la dirección UP (vertical). El error estimado para la componente UP es mayor debido a la presencia de efectos sazónales. Tomando como ejemplo la estación CONZ, removemos los efectos lineales restando la velocidad estimada para cada época, obteniendo la serie temporal, sin velocidad, en donde son observados los efectos sazónales de la estación. Ajustamos una curva a los residuos en donde podemos ver que existen efectos estaciónales y anuales con amplitud media de 3 mm. En la figura 5 se muestra la serie temporal de la estación CONZ sin los efectos constantes e incluyendo la curva que determina el periodo y amplitud de los efectos sazónales.

6 FIGURA 5: Serie temporal CONZ sin velocidad No tenemos aun una explicación definitiva para estos efectos sazónales los que pueden ser debidas a variaciones del clima, carga atmosférica, efectos locales, entre otros. Estamos correlacionando estas variaciones no lineales, con varias fuentes diferentes, para encontrar la explicación, lo que será presentado en futuros trabajos. Para determinar los movimientos de la estación CONZ en el tiempo, restamos los efectos lineales y sazónales, quedando solo variaciones irregulares que muestran el comportamiento de la estación. Estos efectos restantes muestran que la estación CONZ ha sufrido variaciones en su posición, los que podrían ser debido a efectos sísmicos o de variaciones del comportamiento normal de la estructura del marco de la estación. Sin embargo no encontramos correlación con las señales de los censores de inclinación instalados en el marco de la estación CONZ. En la figura 6 se muestra la variación de la posición de la estación CONZ.

7 FIGURA 6: Serie temporal CONZ sin velocidad y efecto sazónal 6. OTRAS SOLUCIONES Como los productos finales de la IGS son liberados 14 días después de realizadas las observaciones, implementamos un proceso utilizando las soluciones ultra rápidas de la IGS que están disponibles a cada 4 horas y un día después de las observaciones. Esto nos permite desarrollar procesamiento con respuesta de 24 horas, permitiendo así monitorear las estaciones diariamente. Las soluciones varían, con respecto a la solución definitiva, en pocos milímetros estimado que estas diferencias no son significativas, respecto a los resultados finales generados con orbitas definitivas, permitiendo detectar rápidamente los movimientos producidos por efectos sísmicos los que, generalmente, producen variaciones mayores en la posición de la estación. La velocidad presentada en esta solución, corresponde a la estimada en la combinación con soluciones diarias acumuladas generadas con orbitas definitivas. En la figura 7 son presentados los resultados para la estación CONZ obtenidos con orbitas definitivas (azul) y orbitas ultra rápidas (rojo).

8 FIGURA 7: Serie temporal CONZ con orbitas definitivas (azul) y orbitas ultra rápidas (rojo) Para obtener una respuesta más rápida, generamos una solución a cada una hora utilizando observaciones a cada un segundo. Esta proceso es realizado utilizando orbitas predichas. Solo algunas de las estaciones poseen observaciones a cada segundo, lo que no incluye las estaciones globales de la IGS. De esta manera, la estrategia de procesamiento considera la formación manual de líneas de base, para evitar bases cortas menores de 100 Km, las que son incluidas en una lista (archivo) permitiendo así realizar el proceso automáticamente. Consideramos estas soluciones en fase de prueba, ya que la estrategia de procesamiento está siendo evaluada para ser perfeccionada y permitir tener soluciones mejoradas. Esto podría ser desarrollado incluyendo nuevas estaciones, ubicadas en todas direcciones, para aumentar la distancia y numero de líneas bases. La dificultad que presenta la instalación de nuevas estaciones es, en general, la falta de lugares seguros y con conexión a Internet para permitir el envió de las observaciones casi en tiempo real. En la figura 8 se muestra la serie de tiempo con las soluciones a cada una hora.

9 FIGURA 8: Solución a cada una hora de la estación CONZ 7. CONSIDERACIONES FINALES Desarrollamos una metodología en el monitoreamiento de deformaciones para la estación TIGO de Concepción, utilizando observaciones GPS, con respuestas de 14 días, 1 día y a cada una hora. Nuestras velocidades, para las estaciones IGS globales y regionales, son compatibles con ls obtenidas por los centros de análisis regionales y globales. Nuestros resultados permiten determinar las tendencias lineales y los efectos sazónales de la estaciones, así como las variaciones irregulares en la variación de la posición. Los resultados obtenido, así como la metodología utilizada, validan la utilización de GNSS, en forma continua, en el monitoreamiento de deformaciones lo que puede ser extendido a estructuras como: puentes, muros, entre otros.

10 Nuestros resultados son presentados en Internet en forma continua, los que se encuentran en el sitio 8. BIBLIOGRAFÍA BAEZ J.C., FREITAS S.R.C., DREWES H., Deformation control for the chilean part of the SIRGAS 2000 frame, IAG Symposia, Vol 130, Springer (in pres.), BOUCHER C., ALTAMIMI Z., SILLARD P., FEISSEL-VERNIER M., IERS TECHNICAL NOTE N31, Boletín número 31 del International Earth Rotations and Reference System Service, HUGENTOBLER U., DACH R., FRIDEZ P., MEINDL M., BERNESE GPS SOFTWARE VERSION 5.0, DRAFT, NGS National Geodetic Survey, GPS Antenna Calibration, RAY R. D. A Global Ocean Tide Model From TOPEX/POSEIDON Altimetry: GOT99.2. NASA Technical Memorandum , AGRADECIMIENTOS Los Autores desean agradecer: al IGS por la disposición de las observaciones de las estaciones de la red global y regional, al TIGO por la disposición de las observaciones de la red local y por facilitar el uso del software Bernese 5.0. Las figuras fueron desarrolladas con The Generic Mapping Tools (GMT4.0)