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SÉRIES TEMPORAIS DE COORDENADAS GNSS

Gabriela de O. N. Brassarote

Orientador: Prof. Dr. João Francisco Galera Monico

20/09/2016 Aplicações não convencionais do GNSS

Séries Temporais de Coordenadas Redes ativas Sistemas de referência


GNSS (Global Navigation Satellite System)


Vantagens do GNSS


Rapidez na obtenção decoordenadas;

Disponibilidade em quaisquercondições climáticas;

Não necessidade devisibilidade entre as estações;

Cada vez mais utilizado nasatividades que necessitam deposicionamento!


Coordenadas GNSS de um ponto

As placas litosféricas se movimentam continuamente emdiferentes direções e magnitudes, de acordo com a região em queestão localizadas.

Dependentes da época na

qual as observações GNSS foram

obtidas

Variam com o tempo



Séries temporais de coordenadas GNSS


Uma série temporal é uma sequência ordenada deobservações coletadas a partir de um mesmo ponto.


O que são séries temporais?

Temperatura média global Passageiros em linhas aéreas internacionais



Sequência de dados de posição de uma estação, coletadospelos receptores GNSS ao longo do tempo.





Mesmo comportamento tendênciaBrasil




Tendência varia conforme a direção de movimentação da placa

Porto Rico

Processamento dos dados GNSS

Modelo Funcional Modelo Estocástico

Estimativa das Coordenadas

Descreve as propriedades determinísticas da realidade físicadas observações;

Descreve as propriedades estatísticas das observações naforma de Matriz Variância-Covariância (MVC)



MODELO FUNCIONAL

O modelo funcional de uma série temporal de coordenadasGNSS é representado pela tendência linear mais uma somade 푞 termos trigonométricos individuais (AMIRI-SIMKOOEI;TEUNISSEN, 2007):

퐸 푦 푡 = 푦 + 푟푡 + 푎 cos 휔 푡 + 푏 sen(휔 푡)

Interseção da retaInclinação da reta

Coeficientes de funções harmônicasFrequências

Velocidade Sinais periódicos (Ruídos e efeitos sistemáticos)



MODELO ESTOCÁSTICO

O modelo estocástico de uma série temporal de coordenadasGNSS é descrito na forma de MVC Σ das observações(푦 ). A MVC é subdivida em componentes de variância (휎 )e matrizes cofatoras (푄 ), sendo as primeiras incógnitas e asoutras partes conhecidas das MVC, a saber,

D 푦 = Σ = 휎 푄

em que 푞 é o número de componentes a serem estimadas.

A construção do modelo estocástico requer a estimativa dascomponentes de variância (휎 ) que caracterizam os ruídospresentes nas séries temporais de coordenadas GNSS.



Ruídos nas séries de coordenadas GNSS

Modelagem Funcional e Estocástica

Efeitos não-modelados (Ruídos)

Flicker noise Random walkWhite-noise

Não Correlacionado Correlacionados temporalmentePode ser reduzido significativamenteatravés de medidas repetidas, ouseja, com o aumento do tamanho dasérie temporal.

Se tornam mais influentes com oaumento do tamanho da sérietemporal .



Fontes de ruídos presentes nas séries de coordenadas


Ruído de hardware e erros de medida

Instabilidade do monumento GNSS

White-noise

Flicker-noise

Random walk Efeito de multicaminho


ANÁLISE DE SÉRIES DE COORDENADAS GNSS


Melhor entendimento e caracterização da variabilidadedas coordenadas de estações GNSS;

Acompanhamento da evolução temporal de determinadosfenômenos geofísicos;

Estudo de ruídos e efeitos sistemáticos que afetam asobservações GNSS;

Detecção de fatores ambientais que influenciam asestações GNSS;





Terremoto no Chile em 27 de Fevereiro de 2010




Análise da Componente vertical – Região Amazônica

Série temporal daaltitude geométrica,obtida na estação GPSNAUS.

Série temporal davariação do nível d’águado Rio Amazonasobtida na estaçãolinimétrica 14990000 daANA (Agência Nacionalde Águas).

Manaus

Quando o nível d’água do rio atinge o

seu valor máximo a crosta responde

contrariamente a carga da massa

d’água reduzindo assim o valor da

altitude da estação GPS!

Aprox. 13 km




Série temporal dada altitudegeométrica, obtidana estação GPSPOVE.

Série temporal davariação do níveld’água do RioMadeira obtida daestação 15490000 daANA.

Porto Velho

Análise da Componente vertical – Região Amazônica

REDE IGS (International GNSS Service)


https://igscb.jpl.nasa.gov/network/netindex.html




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;




ftp://sideshow.jpl.nasa.gov/pub/usrs/mbh/point/

Dados desde Janeiro de2008

Formato .txt


REDE SIRGAS-CON


http://www.sirgas.org/index.php?id=61

Rede GNSS da América doSul, Central e Caribe;

Cerca de 400 estações (59pertencentes à rede IGS);

Coordenadas cartesianas evelocidade das estações;


REDE SIRGAS-CON


Centro de processamento:DGFI-TUM (Alemanha)

CEPGE (Equador), CNPDG-A (CostaRica), CPAGS-Light (Venezuela), do IBGE(Brasil), IGAC (Colômbia), IGM-CL(Chile), IGN-Ar (Argentina), INEGI(México) e SGM-Uy (Uruguai)

SIRGAS-C (rede continental) SIRGAS-N (redes regionais)

Centros de Combinação: DGFI-TUM e IBGE

Soluções finais SIRGAS-CON

Soluções semanais referenciadas ao ITRF

Soluções multianuais (posições e velocidades)


REDE SIRGAS-CON


ftp://ftp.sirgas.org/pub/gps/SIRGAS/

Soluções disponíveis a partirde Janeiro de 2000 (semanaGPS 1043);

Soluções individuais (decada centro deprocessamento);

Soluções combinadas doIBGE e DGFI-TUM;

Coordenadas finais para asestações SIRGAS-CON

Formato .snx

Formato .crd

Coordenadas de referência no posicionamento GPS


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 econstituem uma importante estrutura geodésica disponívelao usuário, cada vez mais utilizadas em levantamentosgeodésicos e experimentos científicos.


SISTEMA DE REFERÊNCIA TERRESTRE


Atualmente, um dos principais objetivos da Geodésia éestimar a posição de pontos sobre superfície da Terra daforma mais acurada possível.

No entanto, as coordenadas de um ponto não é algoobservado nem quantidades absolutas, portanto, devemser determinadas com respeito a alguma referência.

A definição de um sistema de referência, que para o casoterrestre é denominada TRS (Terrestrial Reference System- Sistema de Referência Terrestre), envolve fundamentosmatemáticos, modelos físicos, além de considerar fatoresrelacionados com a deformação da Terra em âmbitoglobal, regional e local.


SISTEMA DE REFERÊNCIA TERRESTRE


Em geral, cada instituição ou grupo de pesquisadoresenvolvidos com referenciais dispõe de uma soluçãoespecífica para o TRS.

No entanto, para fins operacionais, torna-se necessárioadotar um referencial único, de modo que todos osmodelos, constantes numéricas e algoritmos sãoclaramente especificados, de modo a proporcionar aorigem, escala, orientação do sistema, bem como suaevolução temporal.


ITRS


Este fato levou o IUGG (International Union of Geodesyand Geophysics - Associação Internacional de Geodésia eGeofísica) e o IAG (International Association of Geodesy -Associação Internacional de Geodésia) a convencionar umTRS, chamado de ITRS (International Terrestrial ReferenceSystem - Sistema de Referência Terrestre Internacional) aser adotado em todas as aplicações das ciências da Terra.


ITRS


O ITRS é um sistema de referência fixo à Terra querotaciona com ela.

ORIGEM: centro de massa de toda a Terra, incluindo osoceanos e a atmosfera;

ESCALA: consistente com o TCG (Geocentric CordinateTime - Tempo Coordenado Geocêntrico);

ORIENTAÇÃO INICIAL: foi dada por aquela do BIH (BureauInternational de L’Heure) na época 1984,0;

EVOLUÇÃO TEMPORAL EM ORIENTAÇÃO: assegurada pelouso da condição (NNR – No Net Rotation) de uma redeque não rotaciona com respeito ao movimento tectônicohorizontal sobre toda a Terra.

Definição do Sistema de referência


ITRS


Definido e adotado um referencial convencionalmente, apróxima etapa é caracterizada pela coleta de observaçõesa partir de pontos sobre a superfície terrestre,devidamente monumentalizados.

A divulgação dos resultados, que é essencialmente umalista de coordenadas e velocidades das estações quecompõem o sistema em uma época específica, materializao sistema de referência.

Realização do Sistema de referência


ITRF


Cada uma das realizações é denominada ITRF-yy(International Terrestrial Reference Frame), em que yydeve especificar os dois últimos dígitos do último anocujos dados contribuíram para a realização emconsideração.

No entanto, a partir do ano 2000, a designação passou aser ITRF2000, ITRF2005, ITRF2008...


ITRF


A realização do ITRS envolve várias técnicas deposicionamento espacial (GPS, VLBI, SLR e DORIS).

Cada uma dessas tecnologias apresenta propriedades deinteresse, bem como deficiências.

Por exemplo, o VLBI (Very Long Baseline Interferometry) éexcelente para proporcionar a escala do referencial, masnão proporciona a origem, a qual advém do SLR (SatelliteLaser Range).

Por outro lado, nenhuma dessas tecnologias proporcionaa orientação do referencial, a qual é introduzida a partirda condição NNR (No-Net-Rotation).


ITRF


Cada uma das soluções individuais proporciona uma listade coordenadas e velocidades numa referida época,acompanhada da respectiva MVC.

Cada uma das soluções, envolvendo vários anos deobservações, combinadas produzem única solução quepode ser considerada ótima.

Nessa combinação, que trata da realização de umreferencial cinemático, a origem do sistema ficaestabelecida a partir de soluções SLR, a escala fica inseridaa partir de soluções SLR e VLBI. A orientação e suaevolução temporal são introduzidas via injunção internas,atendendo as condições NNR.


ITRF


Uma vez realizado ou materializado o referencialterrestre, outro aspecto importante diz respeito à suadensificação, procedimento que visa aumentar adensidade de estações que compõem o sistema.

Desta forma, as várias realizações do ITRF constituem,além de melhorias na acurácia dos sistemas de medição enos modelos e algoritmos, uma expansão damaterialização da rede (densificação).

Densificação do Sistema de referência


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 darede, emprego das mais modernas tecnologias disponíveispara a coleta de dados e inovação dos métodos decombinação das soluções. Tudo isso, como o objetivo demelhorar a qualidade da realização obtida.


ITRF2005


Dados de entrada sob a forma de séries temporais dasposições das estações e parâmetros de orientação daTerra (EOPs).

As soluções semanais dos dados de séries temporaisforam fornecidas pelo IGS, ILRS - International LaserRanging Service e o IDS - International DORIS Service e assoluções 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 devariância-covariância.


ITRF2005



ITRF2008


Reprocessamento completo das soluções das quatrotécnicas (GPS, VLBI, SLR e DORIS), objetivando melhoraras soluções individuais e compensar deficiênciasidentificadas na realização anterior (ITRF2005).

Melhorias dos seus parâmetros definidores,especificamente origem e escala.

934 estações em 580 locais, sendo 463 localidades nohemisfério norte e 117 no hemisfério sul.

A solução final envolve 84 locais com mais de umatécnica, podendo ser utilizados como local ties, dessasapenas duas estações não possuem estação GPS.


ITRF2008



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 decoordenadas das estações como dados de entrada eParâmetros de orientação da Terra (EOPs) fornecidospelos Centros das quatro técnicas geodésicas espaciais(VLBI, SLR, GNSS e Doris) .

Com base em soluções completamente reprocessadas dasquatro técnicas, espera-se que o ITRF2014 seja umasolução melhorada em comparação com ITRF2008.

http://itrf.ensg.ign.fr/ITRF_solutions/2014/


ITRF2014


Duas inovações foram introduzidas no processamento doITRF2014, a saber:

Termos anuais e semianuais para estimativa dascoordenadas.

Modelo de Deformação Pós-sísmica (PSD) emlocais afetados por principais terremotos.

Fornece como solução final: coordenadas (época 2010.0)e velocidade das estações, EOPs e modelo de PSD para ousuário que quer calcular a posição de uma estaçãoafetada pela PSD em uma época durante o período derelaxação.

Parâmetros de transformação de ITRF2014 para ITRF2008.


DTRF2014


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

http://www.dgfi.tum.de/research/reference-systems/determination-of-reference-frames/global-terrestrial-reference-frames/dtrf2014-en/


DTRF2014


ITRF2014 x DTRF2014: diferentes estratégias decombinação.

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. ODGFI-TUM combina os dados em uma única soluçãoexplorando as suas forças individuais e sensibilidades paradeferentes parâmetros (origem, orientação, escala e POE).

O essencial para essa combinação são estações ondevárias das diferentes técnicas operam em paralelo.


DTRF2014


Origem: SLR; Escala: média ponderada de VLBI e SLR; Orientação: NNR; Total de 1712 estações. Observações de 1980 a 2015. Solução final compreende as coordenadas (época 2005.0)

e velocidades estimadas, bem como MVCcorrespondentes, EOPs, modelos para correção de cargade maré-atmosférica e hidrológica.

Referencial estável e altamente acurado! Requisitofundamental para aplicações em geodésia.


OBRIGADA PELA ATENÇÃO!!!


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