авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:     | 1 ||

Методика и результаты оценки временных изменений радиус-векторов пунктов глобальной спутниковой сети международной службы гнсс

-- [ Страница 2 ] --

Особое внимание в этой главе уделено применению спутниковых систем для изучения глобальных геодинамических процессов. Анализ современного использования спутниковых сетей GPS, DORIS, SLR, VLBI подтвердил целесообразность использования наблюдений ГНСС для исследования упомянутых глобальных проявлений, так как таковые ранее не использовались. В заключение раздела приводится сводка основных работ по использованию спутниковых данных для определения радиальных изменений Земной поверхности. Следует отметить, что все приведенные в таблице авторы использовали для оценки изменений метод анализа хорд, а сами оценки изменений колеблются в достаточно широком диапазоне от -10 до 28 мм/год, демонстрируя тенденцию уменьшения от десятков мм/год до долей мм/год по мере совершенствования подходов и получения более современных измерительных данных.

Глава 2. Определение изменений радиуса сферической модели Земли и полуосей аппроксимирующего эллипсоида

Особое внимание в данной главе уделено процессу формирования исходной сети GPS на основе IGS данных, находящихся в свободном доступе на Интернет-сайте ftp://garner.ucsd.edu/pub/. Выбор постоянно действующих пунктов осуществлялся таким образом, чтобы они наиболее равномерно охватывали весь Земной шар и функционировали достаточно стабильно на продолжительном интервале времени. Полученный вариант сформированной сети представлен на рис.1. Сформированная сеть состоит из 99 пунктов, функционирующих почти непрерывно в течение 6.5 лет. Кратковременные перерывы в наблюдениях устранялись путем интерполяции координат между ближайшими смежными наблюдениями.

Рис.1. Сформированная сеть GPS.

В настоящем исследовании использовались первичные «сырые» данные, для которых на определенном этапе анализа выполнялась отбраковка грубых «выбросов». Файлы предварительно отфильтрованных данных не использовались.

Используемые ряды прямоугольных пространственных координат пунктов глобальной спутниковой сети содержат стандартные значения, так называемых, суточных решений, т.е. результатов уравнивания GPS измерений, выполняемых в течение суток с интервалом регистрации спутниковых радиосигналов 30 секунд, как этого требуют международные правила функционирования постоянно-действующих СРНС пунктов.

Для обоснования разрабатываемой методики выполнено сравнение степени изменчивости стандартных остаточных отклонений скоростей движений пунктов глобальной геодезической сети по каждой из трех компонент. На рисунке 2 представлен результат вычисления стандартных отклонений определения скоростей горизонтальных и вертикальных движений пунктов сформированной сети с использованием значений, представленных в архиве SOPAC.

Рис.2. Сравнение эмпирических стандартов горизонтальных и вертикальных смещений пунктов глобальной геодезической сети по каждой из трех компонент движения

Оценки, приведенные на рис. 2., убедительно свидетельствуют о, примерно на порядок, большей эффективности методик анализа изменений земного радиуса, использующих информацию о вертикальных движениях, чем – о горизонтальных, так как горизонтальная подвижность земной поверхности более высока. Это говорит о том, что деформации однородного горизонтального растяжения-сжатия, которые можно интерпретировать как изменения объема Земли, будут определены с большей дисперсией, чем оценки изменения объема по длинам радиус-векторов пунктов глобальной геодезической сети.

На основе полученных оценок, была разработана новая методика определения изменений формы физической поверхности Земли низших порядков (для сферы и эллипсоида вращения) с использованием длин радиус векторов (геоцентрических расстояний) пунктов сформированной сети. В основе этой методики лежат следующие геометрические соотношения:

1) Для оценки изменений во времени радиуса средней земной сферы используются временные разности геоцентрических расстояний rij (текущая дата j минус начальная) для каждого пункта

, (1)

где x, y и z – разности прямоугольных геоцентрических координат, полученные на каждую дату для каждого пункта. Средние для всей сети значения изменений во времени геоцентрических расстояний на каждую дату по отношению к начальной принимались за изменения среднего земного радиуса.

2) Для оценки изменений во времени полуосей земного эллипсоида вращения (аппроксимирующего физическую поверхность Земли) использовано уравнение связи геоцентрических расстояний r с полуосями a и b эллипсоида вращения

, (2)

где Ф – геоцентрическая широта геодезического пункта.

Составлялась система нормальных уравнений

, (3)

где х – искомый вектор неизвестных приращений полуосей эллипсоида вращения на каждую дату по отношению к начальной,

- матрица коэффициентов уравнений поправок,

, , , -вектор свободных членов и rср – среднее значение геоцентрического расстояния для каждого пункта, использованное для вычисления коэффициентов уравнений поправок.

Решая систему нормальных уравнений (3) по методу наименьших квадратов получали искомые значения изменений во времени полуосей аппроксимирующего эллипсоида вращения.

С использованием специально составленных программ на алгоритмическом языке Matlab 6.5 получены временные ряды значений изменений длин большой da и малой db полуосей за счет изменений радиус-векторов пунктов глобальной геодезической сети, а также изменения среднего радиус-вектора Земли r. Результаты вычислений представлены на рис.3.

Рис.3. Изменение большой, малой полуосей эллипсоида вращения и среднего радиус-вектора.

На графиках представлены также оценки линейных трендовых компонент и их остаточные стандартные отклонения, полученные с использованием стандартных подпрограмм алгоритмического языка Matlab 6.5.

Разработанные методики оценки изменений среднего радиус-вектора и полуосей эллипсоида вращения позволили получить временные ряды этих характеристик. Таким образом, получена новая эмпирическая информация о глобальных изменениях земной поверхности, а также о возможном вкладе в эти характеристики ошибок измерений или используемых официальных геофизических моделей.

Для каждого из временных рядов изменений r, a и b по методу наименьших квадратов вычислялись стандартные остаточные отклонения, которые продемонстрировали монотонное возрастание по мере удаления от начальной даты. Временные ряды этих значений в сопоставлении с основными искомыми характеристиками представлены на рис. 4.

Рис.4. Временные ряды изменений большой малой полуосей аппроксимирующего эллипсоида вращения (вверху) и их стандартные отклонения (внизу).

Ввиду того, что в результате анализа обнаружен в значительной мере равномерный рост среднеквадратических остаточных отклонений, предпринята попытка более детального анализа этих характеристик. Для каждых суток были рассчитаны гистограммы распределения остаточных отклонений, чтобы качественно оценить степень приближения фактического распределения, нормальному распределению Гаусса. Характер изменения гистограмм распределения остаточных отклонений среднего радиуса во времени представлен на рис. 5.

 Характер изменения гистограмм во времени (по вертикальной оси – числа-13

Рис. 5. Характер изменения гистограмм во времени (по вертикальной оси – числа попадания в заданные равномерные интервалы от -0.08 м до 0.08 м, по горизонтальным осям - время в годах и диапазон «разброса» остаточных отклонений)

Визуальный анализ полученной картины показывает, что для начала временного ряда характерна значительная островершинность и двухмодальность распределения остатков. По мере удаления от первой эпохи наблюдений к концу ряда двухмодальность практически исчезает и распределение в большей степени приближается к нормальному.

Можно предположить, что остаточные отклонения сформированы в результате смешения двух главных факторов, или на значениях геоцентрических расстояний отразилось периодическое колебание.

На основе исследований, представленных в главе 2, делаются следующие выводы.

Разработанные методики оценки изменений среднего радиус-вектора и полуосей эллипсоида вращения позволили получить временные ряды этих характеристик. Таким образом, получена новая эмпирическая информация о глобальных изменениях земной поверхности, а также о возможном вкладе в эти характеристики ошибок измерений или используемых официальных геофизических моделей. Визуальный анализ временных рядов позволяет обнаружить интересные особенности, требующие своего объяснения. Во-первых, наблюдается устойчивая для данного временного интервала тенденция увеличения среднего радиус-вектора, а также полуосей аппроксимирующего эллипсоида вращения. Во-вторых, обнаружена тенденция роста средних квадратических остаточных отклонений со временем. В третьих, в полученных временных рядах замечаются периодические компоненты, которые могут свидетельствовать как о физической природе полученных тенденций, так и о возможно недостаточно высокой точности применяемых официальных геофизических моделей при определении координат пунктов глобальных геодезических сетей.

Данные результаты нуждаются в анализе, с целью выявления их действительной природы, на что направлены последующие исследования, представленные в третьей главе диссертационной работы.

Глава 3.Интерпретация выявленных изменений радиус-векторов пунктов глобальной геодезической сети

Представленные результаты позволили обнаружить устойчивые тенденции удлинения не только среднего радиус-вектора, но также и стандартных остаточных отклонений от полученных средних значений. Оба эти эффекта заслуживают внимания в связи с целым рядом аспектов в области геодезии и геодинамики. Из них можно выделить два основных: глобальный геодинамический и технологический. При рассмотрении результатов анализа возникает проблема правильной интерпретации полученных оценок. Возникают вопросы: можно ли отождествлять полученную тенденцию систематического удлинения радиус-векторов с увеличением земного радиуса, или она является результатом несовершенства геофизических моделей, используемых при обработке СРНС измерений в глобальных геодезических сетях? Ответы на эти вопросы крайне важны для оценки и прогнозирования глобальных изменений, а также для совершенствования технологий построения глобальных геодезических систем отсчета.

Последние результаты побудили к более детальному анализу полученных временных рядов изменений среднего радиус-вектора с использованием метода анализа скрытых периодичностей, именуемого методом анализа доминирующих гармоник, предложенного и описанного в работе [Кафтан В.И., 2003]. В результате данного этапа исследований диссертантом с использованием готового программного обеспечения были получены статистически значимые периодические компоненты, наиболее высокоамплитудные из которых показаны на Рис. 5. Отметим, что доминирующими компонентами в нашем случае считаются периодические изменения значений временного ряда, амплитуды которых более чем вдвое превышают соответствующие стандартные остаточные отклонения.

Анализ показал высокую вероятность существования колебательных изменений не только окологодового периода. Заметим, что все высокоамплитудные гармоники находят аналоги в приливных колебательных изменениях земной поверхности. Наибольшую амплитуду имеет околопятилетняя гармоника, которую можно соотнести с околодевятилетней приливной волной, так как она охватывает почти весь период наблюдений и имеет самую низкую надежность ее определения. Отметим, что окологодовая компонента в нашем случае более близка к Чандлеровской волне, чем к сезонной. Имеются также и околомесячные колебательные компоненты, близкие к теоретическим приливным аналогам рис. 6-7.

Рис.6. Первые высокоамплитудные синусоидальные компоненты колебательных изменений среднего радиус-вектора (амплитуды от 0.5 до 4.5 лет).

 Полипериодическая модель изменений среднего радиус-вектора. Линейный тренд-15

Рис. 7. Полипериодическая модель изменений среднего радиус-вектора. Линейный тренд плюс пять высокоамплитудных компонент.

Для получения информации о возможных причинах наблюдаемых изменений радиус-векторов интересно вычислить характеристики тенденций их поведения раздельно для каждого из полушарий Земли; северного и южного. С этой целью общий набор геодезических пунктов был разделен на два, соответственно полушариям. Число пунктов в северном и южном полушариях составило 77 и 22, соответственно. Эта неоднородность объемов выборок обусловлена меньшей площадью суши в южном полушарии, по сравнению с северным. Естественно, что в данном случае оценки средних радиальных изменений для южного полушария будут иметь большую дисперсию, чем соответствующие характеристики северного полушария. Тем не менее, увеличить объем выборки для южного полушария не представляется возможным по объективным причинам, а уменьшать объем данных для северного полушария нежелательно, так как это снизит эффективность оценок.

Раздельное определение тенденций временного изменения геоцентрических расстояний осуществлено по методике, представленной во второй главе. Различие заключалось лишь в разделении данных по полушариям.

Для каждого из полушарий получены графики изменений большой и малой полуосей, а также среднего радиуса. Результаты представлены на рис. 8-9.

Сравнение скоростей изменений радиальных тенденций изменений северного и южного полушарий, а также Земли в целом представлено в таблице 2.

Можно видеть, что, во-первых, скорости изменений для разных полушарий неодинаковы и даже качественно различны. Большая полуось северного полушария испытывает сжатие, а аналогичная характеристика южного – растяжение. Изменения в южном полушарии протекают более интенсивно, чем в северном. Скорость увеличения среднего радиуса в южном полушарии втрое выше соответствующей скорости для северного полушария.

Таблица 2 Сравнение скоростей изменений радиальных тенденций изменений северного и южного полушарий, а также Земли в целом.

Территория исследований Скорости изменений и соответствующие стандартные отклонения (мм/год)
Большая полуось Малая полуось Средний радиус
Земля в целом 0.15+0.06 1.52+0.10 0.61+0.02
Северное полушарие -0.23+0.09 1.45+0.12 0.44+0.06
Южное полушарие 1.06+0.11 2.61+0.18 1.42+0.11

 Характер изменения полуосей и среднего радиуса северного полушария -16

 Характер изменения полуосей и среднего радиуса северного полушария -17

Рис.8. Характер изменения полуосей и среднего радиуса северного полушария

 Характер изменения полуосей и среднего радиуса южного полушария Визуальное-18

 Характер изменения полуосей и среднего радиуса южного полушария Визуальное-19

Рис. 9. Характер изменения полуосей и среднего радиуса южного полушария

Визуальное сравнение полученных графиков показывает на существование значимой взаимной корреляции изменений геоцентрических расстояний в северном и южном полушариях.

Соответствующие коэффициенты корреляции были вычислены и представлены в таблице 3.

Таблица 3. Характер взаимной корреляции характеристик северного и южного полушарий

Коэффициенты корреляции и соответствующие стандартные отклонения
Большая полуось Малая полуось Средний радиус
-0.03+0.02 0.17+0.02 0.12+0.02

Можно видеть, что малая (полярная) полуось в значительной мере коррелированно (c r=0.17+0.02) изменяется в обоих полушариях. Это может свидетельствовать о несовершенстве геофизической приливной модели при получении координат пунктов глобальной геодезической сети, так как именно зональный прилив имеет аналогичное поведение, а надежность используемой геофизической модели трудно объективно оценить.

Полученные результаты позволяют в большей степени склоняться к физическому объяснению наблюдаемых изменений. Вполне вероятно, что они могут быть объяснены возможным несовершенством геодинамических моделей, используемых при реализации глобальных систем отсчета «свободных» от влияния приливов. Сегодня геодезистами признается определенное несовершенство моделей океанского прилива. Атмосферный прилив пока что не учитывается при определении координат глобальных сетей. Используемые модели твердоземных приливов являются эмпирическими и вполне могут быть причиной некоторого недоучета приливных смещений на уровне долей миллиметров, что в нашем случае и наблюдается. Линейный тренд изменения масштаба земной системы отсчета, интерпретируемый другими исследователями как артефакт, на основе большего доверия данным РСДБ, чем GPS наблюдениям, на наш взгляд может быть связан с различным влиянием прилива на разных широтах, что по-разному отражается на пунктах глобальных сетей не одинаково распределенных на поверхности Земли. Отметим, что сеть РСДБ охватывает главным образом средние широты, в отличие от сети GPS, имеющей немало пунктов также и в полярных областях.

Анализ, представленный в данной части диссертационной работы, показал, что полученные периодические изменения геоцентрических расстояний могут быть связаны с недостаточно точным учетом геофизических факторов глобальной и космической природы, таких как приливы и нутация. Поэтому окончательные выводы о конкретных причинах наблюдаемых изменений можно сделать лишь на основе гораздо более обширных, чем в рамках одной диссертации, и комплексных исследований. Так, например, теорией нутации сегодня занимаются большие научные коллективы в рамках деятельности Международных союзов астрономии (IAU) и геодезии и геофизики (IUGG). Совершенствованием теории приливов занимаются геофизические инсти

Pages:     | 1 ||
 





 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.