Διερεύνηση μεθόδων συνόρθωσης μεγάλων δικτύων GPS για την παρακολούθηση μετακινήσεων - εφαρμογή στην Εύβοια

Abstract

Οι μέθοδοι του δορυφορικού εντοπισμού θέσης, έχουν αντικαταστήσει αυτές του επίγειου προσδιορισμού σε μία σειρά εργασιών, από συνήθεις τοπογραφικές εργασίες μικρής κλίμακας, έως εφαρμογές ακριβείας μεταξύ σταθμών που μπορεί να βρίσκονται σε διαφορετικές ηπείρους (π.χ. υλοποίηση συστημάτων αναφοράς). Η μεταβολή αυτή, έχει επηρεάσει σε μεγάλο βαθμό και τις διαδικασίες συνόρθωσης, αφού πλέον οι παρατηρήσεις αφορούν αποκλειστικά μετρήσεις μηκών (είτε με την επεξεργασία κώδικα, είτε με μετρήσεις φάσεων) και επίσης αποτελούν πλήρως αυτοματοποιημένες διεργασίες (με την ανάπτυξη κατάλληλων λογισμικών πακέτων). Στις εφαρμογές ακριβείας, όπου οι απαιτήσεις είναι υψηλές και ο όγκος των δεδομένων μεγάλος, η επεξεργασία τους με κάποιο λογισμικό πακέτο, θα πρέπει να γίνεται με ιδιαίτερη προσοχή, καθώς οι (στατιστικές) υποθέσεις αλλά και οι αριθμητικές μέθοδοι που ακολουθούνται, μπορούν να οδηγήσουν σε δυσλειτουργίες της διαδικασίας συνόρθωσης. Η παρούσα διπλωματική εργασία, αποτελείται από δύο μέρη. Στο πρώτο, επιχειρείται μία συνοπτική παρουσίαση των μεθόδων εκτίμησης, που χρησιμοποιούνται σε γεωδαιτικές εφαρμογές δορυφορικού (στατικού) εντοπισμού (Κεφάλαιο 2). Δίνεται ιδιαίτερο βάρος στην μέθοδο της απαλοιφής παραμέτρων και αυτής των διαδοχικών συνορθώσεων (Κεφάλαιο 3). Οι δύο αυτές μέθοδοι, είναι ιδιαίτερα βοηθητικές στην αντιμετώπιση του προβλήματος του πολύ μεγάλου όγκου δεδομένων σε εφαρμογές ακριβείας. Στο κεφάλαιο (Κεφάλαιο 4), παρουσιάζονται οι διαδικασίες εφαρμογής των μεθόδων που αναφέρθηκαν, μέσω του επιστημονικού πακέτου επεξεργασίας δορυφορικών παρατηρήσεων BERNESE v4.2. Στο δεύτερο μέρος, ακολουθεί η πρακτική εφαρμογή των μεθόδων συνόρθωσης που αναφέρθηκαν, για την επίλυση δύο δικτύων διαφορετικών εποχών. Και τα δύο δίκτυα εκτείνονται στις περιοχές Βόρειας Πελοποννήσου, Αττικής και Εύβοιας και αφορούν παρατηρήσεις G.P.S., που έχουν λάβει χώρα από την 30 Σεπτεμβρίου, έως την 10 Οκτωβρίου 1997 (Κεφάλαιο 5) και από την 27 Σεπτεμβρίου έως την 6 Οκτωβρίου 2005 (Κεφάλαιο 6) αντίστοιχα. Η επίλυση έγινε με τέσσερεις διαφορετικούς τρόπους (Λύσεις Α, Β, Γ και Δ). Στο κεφάλαιο (Κεφάλαιο 7), γίνεται σύγκριση των αποτελεσμάτων που προέκυψαν και για τα δύο δίκτυα, από τις διαφορετικές μεθόδους που χρησιμοποιήθηκαν. Φαίνεται ότι οι αποκλίσεις στις εκτιμήσεις των συντεταγμένων είναι πολύ μικρές (μικρότερες των 3 mm με εξαίρεση ένα σημείο όπου φτάνουν το 1 cm στην οριζοντιογραφία, ενώ για το υψόμετρο περιορίζονται σε τιμές μικρότερες του 1 cm με μέγιστη τιμή τα 3 dm για ένα σημείο). Σε μεμονωμένα σημεία, προκαλούνται δυσλειτουργίες από κάποιες μεθόδους, χωρίς πάντως να παρουσιάζονται και εδώ μεγάλες διαφορές. Για τις εκτιμήσεις των τυπικών σφαλμάτων, όπου ο μεγάλος όγκος δεδομένων προκαλεί υπερεκτίμηση της ποιότητας συνόρθωσης, η μέθοδος με τα βέλτιστα αποτελέσματα είναι αυτή που απαιτεί την παρεμβολή του χρήστη (Λύση Α). Διαπιστώνεται πάντως, μία σχέση μεταξύ των συγκεκριμένων εκτιμήσεων και αυτών που υπολογίζονται από μία εκ των μεθόδων επίλυσης (Λύση Δ). Στο τελευταίο κεφάλαιο (8), διατυπώνονται κάποια γενικά συμπεράσματα και αναφέρονται μερικές προτάσεις, που προέκυψαν από την εκπόνηση της παρούσας εργασίας. Δίνονται επίσης κατευθύνσεις προς περαιτέρω ανάλυση και έρευνα.

Ground surveying has been replaced by satellite geodesy methods in a series of applications, ranging from plane surveying projects to high accuracy applications on the large scale for stations situated on different continents (e.g. realization of reference frames or monitoring the tectonic behaviour of the earth’s crust). This transition however, has greatly affected the adjustment procedure, since a large amount of observations consisting of only length measurements (either by code or phase differences) are available, while the process has been fully automated due to the development of the relevant software packages that deal with the data. In the case of high accuracy applications, where precision demands are high and the data are numerous, the processing should be done with great care, since statistical assumptions and computational aspects of the implemented methods, could lead to problems in the adjustment procedure. This thesis consists of two parts. In the first, an attempt is made to introduce the estimation methods used in high accuracy satellite geodesy applications (Chapter 2). Special care is given to the methods of parameter elimination and sequential adjustment (Chapter 3). Both these methods are helpful in the case of very large observation equations systems, occurring often in such applications. In Chapter 4, the implementation of the above methods is described, in the case of the BERNESE v4.2 software for GPS observations. The second part of the thesis consists of a case study, of the methods introduced in Chapter 3, concerning the adjustment of two separate networks. Both of them extend over the regions of Northern Peloponnesus, Attica and Evoia and are comprised of a number of points GPS observations were carried out in two epochs, namely between the 30th of September until the 6 th of October of year 1997 and 27 th of September until 6 th of October 2005 respectively. A comparison of the results obtained from the above networks, using the various methods described before (solutions A, B, C and D) appear in Chapter 7. The differences of the coordinate estimations between solutions are very small (smaller than 3mm with the exception of one point reaching a value of 1cm in the case of its plane coordinates, whereas the height discrepancies rarely exceed 1cm with a maximum value of 3dm for a single point). Some deficiencies inherent in some of the methods applied were revealed in the case of a few points although no significant discrepancies were observed. Realistic estimations of the standard deviations, which are known to be influenced by the big number of observations, are determined a in the case the user intervenes in the automated procedure provided by the Bernese software (solution A). Even so, a linear relationship between the standard deviations of solution A and the ones computed from the automated procedure for solution D was detected for both networks. Finally, in Chapter 8, some general conclusions due to the experience gained while elaborating and composing this thesis and some remarks are made, concerning aspects of further investigation on the subject.