Иван Георгиев
Централна лаборатория по висша геодезия при БАН
Резюме: В статията се разглежда създаването на перманентна GNSS (Global Navigation Satellite System) мрежа на територията на България. Единадесет са към момента перманентните станции на Централната лаборатория по висша геодезия (ЦЛВГ) при Българската академия на науките (БАН) работещи на територията на страната. Общо двадесет и една са перманентните GNSS станции в България, измерванията от които се обработват и анализират в създадения към ЦЛВГ Център за анализ на GNSS измервания. Освен перманентните станции в страната допълнително се обработват и анализиран регионални перманентни станции разположени в Румъния, Турция, Гърция и Македония, както и станции от Европейската перманентна мрежа EPN (European Permanent Network). В статията се дават първите резултати от обработката и анализа на измерванията – временни редове с координатите на перманентните станции, високоточни координати и скорости. Резултатите от обработката и анализа на перманентните станции могат да се използват за широк кръг научни и практически приложения – поддържане на новата Държавна GPS мрежа на България, мониторинг на деформациите на земната кора, GPS (Global Positioning System) метеорология, както и за всички геодезически приложения в страната, използващи GNSS технологията.
1. Въведение
Европейската земна координатна система ETRS89 (European Terrestrial Reference Frame 89) се използвана като стандартна координатна система в цяла Европа. Координатната система е базирана на GPS/GNSS технологията. Инициирана от EuroGeographics и подкрепяна от Европейския съюз, тази координатна система е основа на всички геодезически, географски и геодинамични дейности в европейски мащаб.
ETRS89 се поддържа от Подкомисията EUREF (European Reference Frame) към Международната асоциация по геодезия IAG (International Association of Geodesy) и е достъпна чрез Европейската перманентна GPS мрежа EPN – научноизследователска мрежа от постоянно действащи GPS станции с точно определени координати и скорости в Международната земна координатна система ITRS (International Terrestrial Reference System) и ETRS89. Заедно с нейната ключова роля в поддържането на ETRS89, EPN се използва за широк спектър научни и научно-приложни изследвания, включващи определяне на деформации и движения на земната кора, промените на морското ниво и прогноза на времето.
Всяка европейска страна поддържа своя собствена перманентна GPS мрежа и в почти всяка страна има частни фирми, които поддържат перманентни мрежи с търговски цели. Обща практика в Европа е тези фирми да предоставят техните данни, с известно закъснение, на националните институции, които поддържат националните GPS и националните перманентни GPS мрежи.
2. Разположение на перманентните GNSS станции на територията на страната
Първата перманентна GPS станция в България е инсталирана през 1997 г. от Германската Федерална служба по картография и геодезия в обсерваторията на Военно географската служба на Българската армия в близост до София – местността Овнарника. Станцията е част от EPN и перманентната IGS (International GNSS Service) мрежи.
Централната лаборатория по висша геодезия при БАН е инициатор на създаването на Национална перманентна GNSS мрежа. Когато се говори за национална перманентна мрежа тук трябва да се имат пред вид няколко условия, на които тази мрежа отговаря, а именно:
- точките са стабилизирани по начин, позволяващ да се избегнат грешки от центриране. Обикновено това са армирани бетонни стълбове с устройства за принудително центриране;
- отворен достъп до данните (30 секундни файлове), координатите и скоростите на станциите за всички потребители;
- обработка на GPS измервания, получаване на временните редове на координатите и контрол на стабилността на точките, получаване и мониторинг на координатите и скоростите;
- използване на резултатите за поддържане на Държавната GPS мрежа (и при наличие на подходяща нормативна уредба за всички геодезически приложения);
-използване на резултатите за различни научни приложения – геокинематика и геодинамика, сеизмичен риск, GPS метеорология и др.
Първите перманентни GNSS станции от мрежата на ЦЛВГ бяха инсталирани през месец май 2007 година в югозападна България в рамките на проект, финансиран по програма “Наука за мир” на НАТО, HemusNET (Georgiev, I., D. Dimitrov, 2008). Перманентните станции на ЦЛВГ към момента са 10, а в създадения в ЦЛВГ Център за анализ на GNSS измервания се получават, архивират, обработват и анализират данни от 24 перманентни станции в България. ЦЛВГ инсталира и една перманентна станция в източната част на Република Македония – град Валандово. В обработката и анализа са включени и регионални перманентни GPS станции от Румъния, Турция, Гърция и Македония – общо 10, Фиг. 1. За връзка с ITRS и ETRS89 в обработката са включени и перманентни станции от Европейската перманентна мрежа EPN.
Съгласно договор между ЦЛВГ и NAVITEQ , фирмата предоставя 30 секундните GPS данни от всички свои станции за обработка и анализ в ЦЛВГ и за различни научни приложения. ЦЛВГ осигурява прецизните координати за станциите на NAVITEQ в хомогенна с Държавната GPS мрежа координатна система. ЦЛВГ осъществява и мониторинг на дълговременната стабилност на GPS станциите.
3. Трансфер, контрол и архивиране на данните от перманентните станции
Трансферът на данните от перманентните GPS станции се осъществява към два основни сървъра разположени в Лабораторията по телематика (ЛТ) на БАН и ЦЛВГ – Фиг. 2. По принцип първоначално всички данни постъпват на сървъра в ЛТ. Два пъти дневно те се копират автоматично на сървъра на ЦЛВГ.
Перманентните GNSS станции от мрежата HemusNET се обслужват със софтуера SpiderNET от работна станция на Metrisys Ltd., – партньор на ЦЛВГ в проекта и се предават към сървъра на ЛТ. Данните от станциите на NAVITEQ постъпват със закъснение от няколко дни в основния сървър на ЛТ. Измерванията от перманентните EUREF станции, включени в обработката се изтеглят автоматично, непосредствено преди обработката, от сървъра на EUREF. Прецизните ефемериди на спътниците и координатите на полюса се получават от сървъра на IGS, също непосредствено преди обработката. Всички необходими дании (за евентуална преобработка на измерванията) се архивират на сървъра на ЦЛВГ.
Фиг. 1. Български и регионални GNSS перманентни станции, които се обработват в Центъра за анализ на ЦЛВГ. С квадратчета са дадени станциите на ЦЛВГ, с ромбове – станциите на NAVITEQ (с червено работещите от 2009 година). Със звездички са означени перманентните EPN станции, а с кръгчета – гръцки станции, включени в обработката
Политиката на ЦЛВГ по отношение на данните е да се предоставят на националната и международната GNSS общност 30 секундните данни от всички перманентни станции.
4. Обработка и анализ на наблюденията от перманентните станции
Центърът за анализ на ЦЛВГ разполага с научноизследователския софтуер Bernese 5.0 и GAMIT/GLOBK за обработка и анализ на GPS/GNSS измервания. За обработката на данните от перманентните GNSS станции се използва софтуерът GAMIT/GLOBK.
Научноизследователският софтуер GAMIT/GLOBK
GAMIT/GLOBK е научноизследователски софтуер, отразяващ последните постижения в спътниковата геодезия и по-специално GPS/GNSS технологията, разработен от Масачузетския технологичен институт, Харвард-Смитсониан центъра за астрофизика и Институтът по океанография Scripps (T. Herring, R. King, S. McClusky, GAMIT Reference Manual, Release 10.3, Massachussetts Institute of Technology, September 2006; T. Herring, R. King, S. McClusky, GLOBK Reference Manual, Release 10.3, September 2006). Софтуерът е предназначен основно за получаване оценки за координати и скорости на станции, стохастично и функционално представяне на постсеизмични деформации, модели на атмосферата, спътникови орбити и параметри на ориентация на Земята.
Фиг. 2. Организация на трансфера и архивирането на данните от перманентните станции на Националната GNSS мрежа
Софтуерът GAMIT/GLOBK се състои от два отделни модула – GAMIT и GLOBK.
Модулът GAMIT се състои от съвкупност от програми за обработка и анализ на фазови GPS измервания и оценяване на следните параметри:
- координати и скорости на наблюдателните станции;
- орбитни параметри на спътниците – начални условия, коефициенти на радиационното налягане, флуктоации на фазовите центрове на антените;
- параметри на ориентация на Земята;
- тропосферни параметри – закъснения (на сигнала) и градиенти;
- разрешаване на неопределености;
Разработването на GAMIT започва в края на 70-те години на миналия век. Към средата на 90-те обработката и анализа на GPS измерванията е напълно автоматизиран. Настоящата версия на софтуера, използвана при анализа на измерванията е 10.3.
GAMIT използва (основно) двойни разлики като “измерена” величина, отчитайки корелацията при получаването им. При редактиране на наблюденията се използват тройни разлики.
Модулът GAMIT не се използва за получаване на окончателните координатите и скоростите на станциите (и останалите параметри). Програмата се използва за получаване на оценки за параметрите и техните ковариационни матрици – “квазинаблюдения”, които са вход за модула GLOBK за комбиниране на данните от дневните решения, от различни кампании или от многогодишни измервания.
GLOBK е Калманов филтър, чиято основна задача е да комбинира решения от обработката на “първичните” наблюдения в спътниковата геодезия – квази-наблюдения, както и различни видове наземни измервания. Софтуерът допуска обработката на данни или “квази-наблюдения” – оценките и съответнит ковариационни матрици, за координати на наблюдателните станции, параметри на ориентация на Земята, орбитни параметри и др. Въпреки че GLOBK е разработен като интерфейс на GAMIT за обработка на GPS измервания и CALC/SOLVE за VLBI (Very Long Baseline Interferometry), програмата може да комбинира решения, генерирани от софтуерни пакети – Bernese, GIPSY, така както и лазерни и наземни наблюдения. GLOBK позволява оценяване на широк спектър параметри от “квазинаблюденята”, като: скорости на точките; получаване на временни редове с координатите на станциите; орбитни параметри; параметри на ориентация на Земята и редица други (например косеизмични деформации).
5. Резултати от обработката и анализа на наблюденията от перманентните станции
Към момента, лятото на 2009 година, в Центъра за анализ на ЦЛВГ са обработени GPS измервания от перманентните станции за периода 01. 07. 2007 – 31. 12. 2008 година, т.е. година и половина. В обработката и анализа са включени и перманентните EPN станции GLSV, GOPE, GRAZ, JOZE, MATE, PENC, SOFI, TUBI, WTZR за дефиниране на координатната система и кинематичната координатна система.
Временни редове с координатите на станциите
Определянето на временните редове с координатите на всички перманентните станции е извършено със софтуера GLOBK. За илюстрация тук са дадени временните редове на една от перманентните EPN станции – Матера (MATE) и една от перманентните HemusNET станции – Пазарджик (PAZA), съответно на фигури 3 и 4.
Показаните на фигурите временни редове показват много добро качество на GNSS данните и на процедурата за оценяване – адекватност на използваните модели при обработката и оценяването.
Получаване на хоризонталните скорости на перманентните станции
Получаването на скоростите на перманентните GPS станции е извършено със софтуера QOCA (Quasi Observation Combination Analysis). Софтуерът е разработен в Лабораторията за реактивни двигатели JPL (Jet Propulsion Laboratory) към Калифорнийския технологичен институт CIT (California Institute of Technology). Автор на софтуера е Dannan Dong (https://jipsy.jpl.nasa.gov/qoca).
QOCA е софтуерен пакет, който комбинира различни свободни от ограничения (loosely constrained) решения за координатите и скоростите на станции (като “квази-наблюдения)” за получаване на информация за деформациите на земната кора. Софтуерът може да комбинира спътникови GPS, VLBI, SLR (Satellite Laser Ranging), както и наземни измервания (дължинни, триангулация, нивелация). Софтуерът има потенциал да комбинира InSAR (Interferometric Synthetic Aperture Radar) данни, както и гравиметрична и сеизмична информация.
QOCA е изключително гъвкав и удобен за анализ на спътникови и наземни “квази-наблюдения” софтуер. Основните му предимства са:
- QOCA работи с формати от всички съвременни научноизследователски софтуери – BERNESE, GAMIT, GLOBK, GIPSY, FONDA. QOCA възприема също така форматите SINEX и Blue Book формат;
- QOCA оценява координатите на станциите, скоростите, ко-сеизмични и пост-сеизмични деформации едновременно. Допълнително се оценяват напрежения (strain и gamma), както и техните изменения във времето;
- QOCA притежава гъвкав инструмент за откриване на груби грешки в квази-наблюденията;
- QOCA анализира временни редове с използване метода на най-малките квадрати.
Вход за QOCA са получените дневни решения от GLOBK.
Хоризонталните скорости на българските и регионалните GNSS станции са показани на Фиг. 5.
Фиг. 3. Временен ред с координатите на перманентната EPN Матера (MATE)
Фиг. 4. Временен ред с координатите на перманентната HemusNET станция Пазарджик (PAZA)
Кратък коментар на получените резултати
Показаните на Фиг. 5 хоризонтални скорости са отнесени спрямо стабилната част на Евроазиатската плоча. Определените скорости на перманентните точки на територията на България и Гърция показват движение в посока юг-югозапад по отношение на стабилна Евразия.. Това движение се съгласува добре с дясно отседното движение по западната част на Североанадолския разлом и Североегейската екстензионна зона. Имайки пред вид, че движението на Егейската плоча е с пъти по-бързо от съвременните движения в Югозападна България, е очевидно, че завъртането на Анадолската плоча в посока обратна на часовата стрелка и движението на Егейската плоча на юг е съпроводено с отделянето й от стабилна Евразия. Нарастващите по стойност съвременни хоризонтални движения в посока от север на юг обясняват и екстензионния режим север-юг на структурите в района на Северноегейската област. Получените резултати се съгласуват добре със скоростите получени от GPS кампании за периода 1988 – 1998 година (McClusky et al., 2000).
6. Заключение
Намеренията на Централната лаборатория по висша геодезия при БАН е перманентната GNSS мрежа да покрие цялата територия на страната. Това означава равномерно покритие на територията с перманентни GNSS станции, които да се използват за широк кръг научни и практически приложения – от мониторинг на движенията на земната кора до използването им за всички геодезически приложения, които използват GPS/GNSS измервания.
В краткосрочен план предстои, до края на 2009 година, разполагането на 5 нови GNSS станции. При избора на местата им приоритет ще бъде територията на северна България.
От всичко изложено до тук може да се направи изводът, че резултатите от обработката на перманентните GNSS станции – временните редове, оценките на координатите на станциите и техните скорости, могат да бъдат използвани за широк спектър научни, научно-приложни и практически задачи, по-важните от които са:
- геокинематични и геодинамични приложения – движения и напрежения на земната кора;
- мониторинг на движенията на земната кора в регионален, национален и локален мащаб, търсене на пре- ко- и пост-сеизмичнии движения;
- съвместно със сеизмологичната информация – оценка на сеизмичния риск;
- поддържане на Държавната GPS мрежа;
- тъй като данните от станциите са свободни за всички потребители, мрежата може да се използва за геодезически приложения в страната, които са свързани с GPS/GNSS измервания.
Тук трябва да се спомене също, че като допълнителни продукти от обработката и анализа на измерванията от перманентните станции се получават йоносферни и тропосферни модели, които могат да бъдат използвани за целите на т. нар. GPS метеорология – мониторинг и прогноза на времето в национален и регионален мащаб.
Литература
Георгиев Ив., П. Гъбенски, Г. Гладков, Т. Ташков, П. Данчев, Д. Димитров (2006). ДЪРЖАВНА GPS МРЕЖА: Обработка на наблюденията от Основния клас. Висша геодезия 18, специално издание, Военногеографска служба на Българската армия, 209 стр., 27 фиг.
Георгиев, Ив., П. Габенски, Г. Гладков, Т. Ташков, П. Данчев, Д. Димитров (2007). ДЪРЖАВНА GPS МРЕЖА: Обработка на наблюденията от второспепенния клас. Висша геодезия 20, Военногеографска служба на Българската армия, 190 стр.
Herring, T., R. King, S. McClusky (2006). GAMIT Reference Manual, Release 10.3, Massachussetts Institute of Technology.
Herring, T., R. King, S. McClusky (2006). GLOBK Reference Manual, Release 10.3, Massachussetts Institute of Technology.
McClusky, S., Balassanian, S., Barka, A. Demir, C. Ergintav, S., Georgiev, I., Gurcan, O., Hamburger, O., Hurst, K, Kahle, H., Kastens, K., Kekelidze, G., King, R,, Kotzev, V., Lenk, O., Mahmoud, S., Mishin, A., Nadariya, M., Ouzounis, A.. Paradissis, D., Peter. Y., Prilepin, M., Reilnger, R., Sanli, I., Seeger, H.. Tealeb, A., Toksoz, M., Veis, G. (2000). Global Positioning System Constraints on Plate Kinematics and Dynamics in the Eastern Mediterranean and Caucasus. Journal of Geophysical Research – Solid Earth – Vol. 105, No.B3, 2000.
