Επεξεργασία παρατηρήσεων GPS και σύγκριση αποτελεσμάτων από δύο διαφορετικά πακέτα προγραμμάτων υψηλής ακρίβειας

Abstract

Το αντικείμενο μελέτης της παρούσης Διπλωματικής Εργασίας είναι η επεξεργασία παρατηρήσεων GPS του δικτύου μόνιμων σταθμών του Εθνικού Αστεροσκοπείου Αθηνών με το Gamit/Globk. Το Gamit/Globk είναι ένα επιστημονικό πακέτο λογισμικού επεξεργασίας παρατηρήσεων GPS που παράγει εκτιμήσεις: συντεταγμένων και ταχυτήτων των σταθμών GPS, τροχιακών στοιχείων των δορυφόρων και στοιχείων προσανατολισμού της γης (EOP). Επιπλέον, παρέχει την δυνατότητα υλοποίησης πλαισίου αναφοράς των εκτιμώμενων στοιχείων. Το πρώτο κομμάτι της παρούσης εργασίας αφορά την συνοπτική περιγραφή των αλγορίθμων επεξεργασίας του Gamit/Globk και την κατασκευή ενός περιεκτικού εγχειριδίου χρήσης του λογισμικού. Η χρήση του λογισμικού είναι σχετικά απλή διότι οι διαδικασίες επεξεργασίας είναι πλήρως αυτοματοποιημένες. Η μόνη αρχική επεξεργασία που χρειάζεται είναι η κατασκευή των απαραίτητων αρχείων εισόδου του λογισμικού, τα οποία περιέχουν διάφορες παραμέτρους του αλγορίθμου επεξεργασίας. Το δεύτερο κομμάτι της παρούσης εργασίας αφορά την επεξεργασία παρατηρήσεων GPS, χρονικής διάρκειας περίπου 3 χρόνων, των 11 μόνιμων σταθμών του Εθνικού Αστεροσκοπείου Αθηνών και την παραγωγή συντεταγμένων, χρονοσειρών και ταχυτήτων των σταθμών στο πλαίσιο αναφοράς ITRF 2005 με το Gamit/Globk. Το αποτέλεσμα της επεξεργασίας θεωρήθηκε αρκετά αξιόπιστο διότι: οι ημερήσιες επιλύσεις του Gamit παρουσίαζαν πολύ υψηλά ποσοστά επιλυμένων ασαφειών φάσεων βραχείας ζώνης (narrow-lane) σε ακέραιους κύκλους (~93 %), τα μέσα τετραγωνικά σφάλματα των μετασχηματισμών υλοποίησης των πλαισίων αναφοράς (Post RMS) κυμάνθηκαν στις τυπικές τους τιμές (~3 mm των συντεταγμένων και ~1 mm/yr των ταχυτήτων) και η εκτιμώμενη οριζοντιογραφική ταχύτητα του σταθμού NOA1 συνέπιπτε απολύτως με την δημοσιευμένη της επίλυσης του EUREF. Επιπλέον, διεξάχθηκαν διάφορα πειράματα στο επίπεδο επεξεργασίας του Globk. Το αποτέλεσμα τους ήταν ότι η μεταβολή των a priori δεσμεύσεων στα τροχιακά στοιχεία των δορυφόρων και στα στοιχεία προσανατολισμού της γης (EOP) καθώς και ο προσδιορισμός κλίμακας ή όχι στον μετασχηματισμό υλοποίησης του πλαισίου αναφοράς, δεν επηρεάζουν τα τελικά αποτελέσματα συντεταγμένων και ταχυτήτων ενός τοπικού δικτύου το οποίο είναι εμπλουτισμένο με ένα καλοσχηματισμένο δίκτυο σταθμών αναφοράς. Το τρίτο κομμάτι της παρούσης εργασίας αφορά την επεξεργασία παρατηρήσεων GPS ενός υποδικτύου 6 σταθμών του Εθνικού Αστεροσκοπείου Αθηνών με το Gamit/Globk και την σύγκριση των αποτελεσμάτων με αυτά του Bernese. Οι αρχικές συνθήκες που χρησιμοποιήθηκαν και στα δύο λογισμικά ήταν όσο το δυνατό ίδιες. Τα αποτελέσματα των πειραμάτων έδειξαν ότι: οι ημερήσιες επιλύσεις συντεταγμένων διέφεραν συστηματικά και κυμαίνονταν από 5 ως 8 mm κατά την διεύθυνση East, από -6 ως -7 mm κατά την διεύθυνσηNorth και από 4 ως 12 mm κατά την διεύθυνση Up, ενώ οι διαφορές στις ταχύτητες των σταθμών κυμαίνονταν από 1 ως 3 mm/yr οριζοντιογραφικά και από 2 ως 10 mm/yr υψομετρικά. Οι ταχύτητες παρουσίαζαν μια συστηματοποίηση που ερμηνευόταν ως στροφή στα διανύσματα των οριζοντιογραφικών ταχυτήτων μεταξύ των δυο λογισμικών (Εικόνα 4.13). Η στροφή αυτή παρατηρήθηκε και στον σταθμό ΝΟΑ1 μεταξύ των επιλύσεων Bernese και EUREF. Εν αντιθέσει, η επίλυση του Gamit/Globk για τον σταθμό NOA1 συνέπιπτε με αυτήν του EUREF οριζοντιογραφικά (Εικόνα 4.14).

The main purpose of the present thesis, was the data of the National Observatory of Athens (NOA) permanent GPS network to be processed with the use of Gamit/Globk. Gamit/Globk is a scientific software for GPS data processing which produces estimates of: GPS station coordinates, satellite orbital parameters and Earth Orientation Parameters (EOP). Moreover, Gamit/Globk may be used to realize the reference frame of the estimates. In the first part of the thesis, a brief description of the processing algorithms used by Gamit/Globk and a comprehensive reference manual about the software are given. Using Gamit/Globk is relatively simple, because the processing engine performs in a fully automatic manner. The only pre-processing operation needed, is the creation of the required input files that the software uses, which contain several parameters of the processing algorithm. The second part of the thesis, covers the processing of a 3-year span of GPS data from the 11 permanent NOA stations and the extraction of station coordinates, time series and station velocities in ITRF 2005 with the use of Gamit/Globk. The result derived from the processing was considered as very reliable because: the daily Gamit solutions presented a very high percentage of fixed narrow-lane phase ambiguities (~93%), the position stabilization postfit rms (Post RMS) and the corresponding velocity Post RMS were between the typical values (~3 mm for the position stabilization and ~1 mm/yr for the velocity stabilization), and the estimated horizontal velocity of the NOA1 station was exactly the same as the one resolved and published by EUREF. Furthermore, several experiments took place on the Globk processing stage. The conclusion derived from these experiments was the fact that the modification of the a priori constraints in the orbital and EOP parameters and whether the scale estimation is taken into account for the reference frame stabilization or not, have no direct effect on the final coordinate and velocity results of a small regional network which is expanded by an added geometrically well defined reference site network. The third part of the thesis covers the processing of the GPS data from a subnetwork of 6 NOA stations using Gamit/Globk and the comparison between these results and those obtained from Bernese. Both Gamit/Globk and Bernese used the same processing parameters as much as possible. The main results of these comparisons showed that the daily coordinate solutions varied systematically from 5 mm to 8 mm in the East direction, from -6 mm to -7 mm in the North direction and from 4 mm to 12 mm in the Up direction, while the differences between the estimated velocities varied from 1 mm/yr to 3 mm/yr horizontally and from 2 mm/yr to 10 mm/yr vertically. The horizontal velocity vectors derived from the two software solutions, presented a systematic rotation (Image 4.13). This rotation was also observed in the estimated solutions of the NOA1 station between Bernese and EUREF. In contrast with the previous fact, the Gamit/Globk solution approach produced the same horizontal velocity vector as the one obtained from EUREF (Image 4.14).