SÉRIES TEMPORAIS DE COORDENADAS GNSS

Transcrição

1 SÉRIES TEMPORAIS DE COORDENADAS GNSS Gabriela de O. N. Brassarote Orientador: Prof. Dr. João Francisco Galera Monico

2 GNSS (Global Navigation Satellite System)

3 Vantagens do GNSS Rapidez na obtenção de coordenadas; Disponibilidade em quaisquer condições climáticas; Não necessidade de visibilidade entre as estações; Cada vez mais utilizado nas atividades que necessitam de posicionamento!

4 Coordenadas GNSS de um ponto Variam com o tempo Dependentes da época na qual as observações GNSS foram obtidas As placas litosféricas se movimentam continuamente em diferentes direções e magnitudes, de acordo com a região em que estão localizadas.

5 Séries temporais de coordenadas GNSS O que são séries temporais? Uma série temporal é uma sequência ordenada de observações coletadas a partir de um mesmo ponto. Temperatura média global Passageiros em linhas aéreas internacionais

6 Séries temporais de coordenadas GNSS Sequência de dados de posição de uma estação, coletados pelos receptores GNSS ao longo do tempo.

7 Séries temporais de coordenadas GNSS Brasil Mesmo comportamento tendência

8 Séries temporais de coordenadas GNSS Porto Rico Tendência varia conforme a direção de movimentação da placa

9 Processamento dos dados GNSS Modelo Funcional Modelo Estocástico Estimativa das Coordenadas Descreve as propriedades determinísticas da realidade física das observações; Descreve as propriedades estatísticas das observações na forma de Matriz Variância-Covariância (MVC)

10 MODELO FUNCIONAL O modelo funcional de uma série temporal de coordenadas GNSS é representado pela tendência linear mais uma soma de q termos trigonométricos individuais (AMIRI-SIMKOOEI; TEUNISSEN, 2007): E y t = y + rt + a cos ω t + b sen(ω t) Interseção da Velocidade reta Coeficientes Sinais de periódicos funções harmônicas Inclinação da reta (Ruídos e efeitos Frequências sistemáticos)

11 MODELO ESTOCÁSTICO O modelo estocástico de uma série temporal de coordenadas GNSS é descrito na forma de MVC Σ das observações (y ). A MVC é subdivida em componentes de variância (σ ) e matrizes cofatoras (Q ), sendo as primeiras incógnitas e as outras partes conhecidas das MVC, a saber, D y = Σ = σ Q em que q é o número de componentes a serem estimadas. A construção do modelo estocástico requer a estimativa das componentes de variância (σ ) que caracterizam os ruídos presentes nas séries temporais de coordenadas GNSS.

12 Ruídos nas séries de coordenadas GNSS Modelagem Funcional e Estocástica Efeitos não-modelados (Ruídos) White-noise Flicker noise Random walk Não Correlacionado Correlacionados temporalmente Pode ser reduzido Se tornam significativamente mais influentes com o através de medidas aumentorepetidas, do tamanho ou da série seja, com o aumento temporal do. tamanho da série temporal.

13 Fontes de ruídos presentes nas séries de coordenadas White-noise Ruído de hardware e erros de medida Flicker-noise Instabilidade do monumento GNSS Random walk Efeito de multicaminho

14 ANÁLISE DE SÉRIES DE COORDENADAS GNSS Melhor entendimento e caracterização da variabilidade das coordenadas de estações GNSS; Acompanhamento da evolução temporal de determinados fenômenos geofísicos; Estudo de ruídos e efeitos sistemáticos que afetam as observações GNSS; Detecção de fatores ambientais que influenciam as estações GNSS;

15 ANÁLISE DE SÉRIES DE COORDENADAS GNSS Terremoto no Chile em 27 de Fevereiro de 2010

16 ANÁLISE DE SÉRIES DE COORDENADAS GNSS Terremoto no Chile em 27 de Fevereiro de 2010

17 ANÁLISE DE SÉRIES DE COORDENADAS GNSS Análise da Componente vertical Região Amazônica Manaus Aprox. 13 km Quando o nível Série temporal da altitude d água do rio geométrica, atinge o obtida seu valor na estação máximo GPS a NAUS. crosta responde contrariamente a Série temporal da carga da massa variação do nível d água dod água Rioreduzindo Amazonas obtida assim o na valor estação da linimétrica altitude da estação da ANA (Agência GPS! Nacional de Águas).

18 ANÁLISE DE SÉRIES DE COORDENADAS GNSS Análise da Componente vertical Região Amazônica Porto Velho Série temporal da da altitude geométrica, obtida na estação GPS POVE. Série temporal da variação do nível d água do Rio Madeira obtida da estação da ANA.

19 REDE IGS (International GNSS Service)

20 REDE IGS (International GNSS Service) Rede global; 428 estações ativas (do total de 498 estações); Sob responsabilidade do JPL (Jet Propulsion Laboratory); Os dados são utilizados para produzir as efemérides para os satélites, correções para o erro do relógio dos satélites, coordenadas geodésicas e cartesianas das estações;

21 REDE IGS (International GNSS Service) Dados desde Janeiro de 2008 Formato.txt ftp://sideshow.jpl.nasa.gov/pub/usrs/mbh/point/

22 REDE SIRGAS-CON Rede GNSS da América do Sul, Central e Caribe; Cerca de 400 estações (59 pertencentes à rede IGS); Coordenadas cartesianas e velocidade das estações;

23 REDE SIRGAS-CON SIRGAS-C (rede continental) Centro de processamento: DGFI-TUM (Alemanha) SIRGAS-N (redes regionais) CEPGE (Equador), CNPDG-A (Costa Rica), CPAGS-Light (Venezuela), do IBGE (Brasil), IGAC (Colômbia), IGM-CL (Chile), IGN-Ar (Argentina), INEGI (México) e SGM-Uy (Uruguai) Centros de Combinação: DGFI-TUM e IBGE Soluções finais SIRGAS-CON Soluções semanais referenciadas ao ITRF Soluções multianuais (posições e velocidades)

24 REDE SIRGAS-CON Formato.snx Formato.crd ftp://ftp.sirgas.org/pub/gps/sirgas/ Soluções disponíveis a partir de Janeiro de 2000 (semana GPS 1043); Soluções individuais (de cada centro de processamento); Soluções combinadas do IBGE e DGFI-TUM; Coordenadas finais para as estações SIRGAS-CON Coordenadas de referência no posicionamento GPS

25 REDES GNSS DE MONITORAMENTO CONTÍNUO IGS (International GNSS Service); SIRGAS-CON (Sistema de Referência Geocêntrico para as Américas - Continuously Operating Network) RBMC (Rede Brasileira de Monitoramento Contínuo); GNSS-SP (Rede GNSS do Estado de São Paulo); Entre outras... Possibilitam a realização dos sistemas de referência e constituem uma importante estrutura geodésica disponível ao usuário, cada vez mais utilizadas em levantamentos geodésicos e experimentos científicos.

26 SISTEMA DE REFERÊNCIA TERRESTRE Atualmente, um dos principais objetivos da Geodésia é estimar a posição de pontos sobre superfície da Terra da forma mais acurada possível. No entanto, as coordenadas de um ponto não é algo observado nem quantidades absolutas, portanto, devem ser determinadas com respeito a alguma referência. A definição de um sistema de referência, que para o caso terrestre é denominada TRS (Terrestrial Reference System - Sistema de Referência Terrestre), envolve fundamentos matemáticos, modelos físicos, além de considerar fatores relacionados com a deformação da Terra em âmbito global, regional e local.

27 SISTEMA DE REFERÊNCIA TERRESTRE Em geral, cada instituição ou grupo de pesquisadores envolvidos com referenciais dispõe de uma solução específica para o TRS. No entanto, para fins operacionais, torna-se necessário adotar um referencial único, de modo que todos os modelos, constantes numéricas e algoritmos são claramente especificados, de modo a proporcionar a origem, escala, orientação do sistema, bem como sua evolução temporal.

28 ITRS Este fato levou o IUGG (International Union of Geodesy and Geophysics - Associação Internacional de Geodésia e Geofísica) e o IAG (International Association of Geodesy - Associação Internacional de Geodésia) a convencionar um TRS, chamado de ITRS (International Terrestrial Reference System - Sistema de Referência Terrestre Internacional) a ser adotado em todas as aplicações das ciências da Terra.

29 ITRS O ITRS é um sistema de referência fixo à Terra que rotaciona com ela. ORIGEM: centro de massa de toda a Terra, incluindo os oceanos e a atmosfera; ESCALA: consistente com o TCG (Geocentric Cordinate Time - Tempo Coordenado Geocêntrico); ORIENTAÇÃO INICIAL: foi dada por aquela do BIH (Bureau International de L Heure) na época 1984,0; EVOLUÇÃO TEMPORAL EM ORIENTAÇÃO: assegurada pelo uso da condição (NNR No Net Rotation) de uma rede que não rotaciona com respeito ao movimento tectônico horizontal sobre toda a Terra. Definição do Sistema de referência

30 ITRS Definido e adotado um referencial convencionalmente, a próxima etapa é caracterizada pela coleta de observações a partir de pontos sobre a superfície terrestre, devidamente monumentalizados. A divulgação dos resultados, que é essencialmente uma lista de coordenadas e velocidades das estações que compõem o sistema em uma época específica, materializa o sistema de referência. Realização do Sistema de referência

31 ITRF Cada uma das realizações é denominada ITRF-yy (International Terrestrial Reference Frame), em que yy deve especificar os dois últimos dígitos do último ano cujos dados contribuíram para a realização em consideração. No entanto, a partir do ano 2000, a designação passou a ser ITRF2000, ITRF2005, ITRF

32 ITRF A realização do ITRS envolve várias técnicas de posicionamento espacial (GPS, VLBI, SLR e DORIS). Cada uma dessas tecnologias apresenta propriedades de interesse, bem como deficiências. Por exemplo, o VLBI (Very Long Baseline Interferometry) é excelente para proporcionar a escala do referencial, mas não proporciona a origem, a qual advém do SLR (Satellite Laser Range). Por outro lado, nenhuma dessas tecnologias proporciona a orientação do referencial, a qual é introduzida a partir da condição NNR (No-Net-Rotation).

33 ITRF Cada uma das soluções individuais proporciona uma lista de coordenadas e velocidades numa referida época, acompanhada da respectiva MVC. Cada uma das soluções, envolvendo vários anos de observações, combinadas produzem única solução que pode ser considerada ótima. Nessa combinação, que trata da realização de um referencial cinemático, a origem do sistema fica estabelecida a partir de soluções SLR, a escala fica inserida a partir de soluções SLR e VLBI. A orientação e sua evolução temporal são introduzidas via injunção internas, atendendo as condições NNR.

34 ITRF Uma vez realizado ou materializado o referencial terrestre, outro aspecto importante diz respeito à sua densificação, procedimento que visa aumentar a densidade de estações que compõem o sistema. Desta forma, as várias realizações do ITRF constituem, além de melhorias na acurácia dos sistemas de medição e nos modelos e algoritmos, uma expansão da materialização da rede (densificação). Densificação do Sistema de referência

35 Histórico do ITRF Desde a primeira realização ITRS, denominada ITRF88, onze outras versões do ITRF (ITRF-89, ITRF-90, ITRF-91, ITRF-92, ITRF-93, ITRF-94, ITRF-96, ITRF-97, ITRF2000, ITRF2005 e ITRF2008) foram materializadas e publicadas, cada qual substituindo a versão anterior. Cada realização do ITRS constitui uma densificação da rede, emprego das mais modernas tecnologias disponíveis para a coleta de dados e inovação dos métodos de combinação das soluções. Tudo isso, como o objetivo de melhorar a qualidade da realização obtida.

36 ITRF2005 Dados de entrada sob a forma de séries temporais das posições das estações e parâmetros de orientação da Terra (EOPs). As soluções semanais dos dados de séries temporais foram fornecidas pelo IGS, ILRS - International Laser Ranging Service e o IDS - International DORIS Service e as soluções diárias, pelo IVS (International VLBI Service). 608 estações localizadas em 338 localidades. Fornece posições e velocidades das estações, EOPs diários incluindo movimento do pólo, tempo universal, comprimento do dia, com informações completas de variância-covariância.

37 ITRF2005

38 ITRF2008 Reprocessamento completo das soluções das quatro técnicas (GPS, VLBI, SLR e DORIS), objetivando melhorar as soluções individuais e compensar deficiências identificadas na realização anterior (ITRF2005). Melhorias dos seus parâmetros definidores, especificamente origem e escala. 934 estações em 580 locais, sendo 463 localidades no hemisfério norte e 117 no hemisfério sul. A solução final envolve 84 locais com mais de uma técnica, podendo ser utilizados como local ties, dessas apenas duas estações não possuem estação GPS.

39 ITRF2008

40 ITRF2014 ITRF2014 é a nova realização do ITRS. Assim como no ITRF2005 e ITRF2008, o ITRF2014 também usa como dados de entrada as séries temporais de coordenadas das estações como dados de entrada e Parâmetros de orientação da Terra (EOPs) fornecidos pelos Centros das quatro técnicas geodésicas espaciais (VLBI, SLR, GNSS e Doris). Com base em soluções completamente reprocessadas das quatro técnicas, espera-se que o ITRF2014 seja uma solução melhorada em comparação com ITRF

41 ITRF2014 Duas inovações foram introduzidas no processamento do ITRF2014, a saber: Termos anuais e semianuais para estimativa das coordenadas. Modelo de Deformação Pós-sísmica (PSD) em locais afetados por principais terremotos. Fornece como solução final: coordenadas (época ) e velocidade das estações, EOPs e modelo de PSD para o usuário que quer calcular a posição de uma estação afetada pela PSD em uma época durante o período de relaxação. Parâmetros de transformação de ITRF2014 para ITRF2008.

42 DTRF2014 DTRF2014 é a nova realização do ITRS pelo DGFI-TUM.

43 DTRF2014 ITRF2014 x DTRF2014: diferentes estratégias de combinação. ITRF2014 combinação de soluções DTRF2014 combinação de equações normais Os centros (IGS, ILRS, IVS e IDS) das 4 técnicas (GNSS, SLR, VLBI e DORIS) fornecem os dados pré-processados. O DGFI-TUM combina os dados em uma única solução explorando as suas forças individuais e sensibilidades para deferentes parâmetros (origem, orientação, escala e POE). O essencial para essa combinação são estações onde várias das diferentes técnicas operam em paralelo.

44 DTRF2014 Origem: SLR; Escala: média ponderada de VLBI e SLR; Orientação: NNR; Total de 1712 estações. Observações de 1980 a Solução final compreende as coordenadas (época ) e velocidades estimadas, bem como MVC correspondentes, EOPs, modelos para correção de carga de maré-atmosférica e hidrológica. Referencial estável e altamente acurado! Requisito fundamental para aplicações em geodésia.

45 OBRIGADA PELA ATENÇÃO!!!