İTÜ-ETHZ-TUJJB GPS projesinde değişik kampanya ölçülerinin birleştirilmesi ve sonuçlarının yerkabuğu hareketleri yönünden irdelenmesi

Abstract

Jeodezik ağlar jeodezik ve jeodinamik problemlerin çözümünde önemli bir rol oynamaktadır. Jeodezik ağlar bazı doğal olaylardan, ağların sıklaştırılmasından ve yerkabuğu hareketlerinden etkilenmektedir. Aym problemler jeodezik ağların GPS ölçüleri kullanılarak oluşturulması ve sıklaştırılmasında da görülür. Örneğin, iki değişik zamanda ölçülen GPS ağlan birleştirilmelidir ve yukarıdaki etkilere açıktır. Nokta konumlaması, bir yandan yerkabuğu haraketlerini belirlemek öte yandan ağ noktalarının koordinatlarını kullanılması için yayınlamak amaçlarıyla kullanılagelmiştir. Yalan geçmişte, jeodezicilerin elinde yalnızca klasik yersel jeodezik ölçü aletleri ve kısıtlı seviyede uzay jeodezisi teknikleri kullanılıyordu. Fakat, uzay jeodezisi tekniklerinin oldukça hızlı bir şekilde gelişmesi ile kelimenin tam anlamı ile konumlama oyunun kuralları değişmektedir. Uluslararası Jeodinamik GPS Servisi (International Geodynamics GPS Service -IGS) 'nin kurulmasmdan sonra global izleme ağı oluşturuldu ve yüksek doğruluklu uydu yörüngeleri, yer dönme parametreleri, uydu saat katsayıları ve troposfer ve iyonosfer hakkında daha doğru bilgiler elde edildi ve jeodezi kamuoyuna sunulmaya başlandı. Bundan başka, Uluslararası Yer Dönme Servisi (International Earth Rotation Service - IERS) global analiz merkezlerince sağlanan çok çeşitli uzay jeodezisi teknikleri ile elde edilen verilerin birleştirilerek yüksek doğruluklu Yersel Koordinat Sistemlerinin, ITRF94 gibi, oluşturulması görevini üstlenmiştir. IGS ve IERS ürürderinin kullanılması ile plakaların birbirlerine göre hareketlerinin global bir referans koordinat sistemi içerisinde belirlenmesi olanaklı hale gelmiştir. Yer deformasyonlan seküler, periyodik ve episodik (ani) olarak sınıflandırılabilir. Yer deformasyonlan için sebepler aşağıdaki gibi verilebilir; uzay cisimlerinin çekim etkileri, yerin dönmesi ve kutup hareketi, ani deformasyonlar ve plaka tektoniği. Yukanda belirtildiği gibi IGS ve IERS'in kurulmasıyla birlikte yüksek doğruluklu ürünler jeodeziciler sağlanmaktadır. IERS Klasik Yersel Referans Sisteminin ve Klasik Gök Referans Sisteminin kurulması ve bunların diğer referans sistemleriyle bağlantılarının kurulması için ıx gerekli bilgileri sağlamakla görevlidir. IERS Klasik Yersel Referans Sistemini yeryüzüne dağılmış noktalardan oluşan bir devamlı izleme ağı ile gerçekleştirmektedir. Böyle bir sistemin gerçekleştirilmesinde IERS; VLBI, SLR, LLR, GPS ve DORIS ölçülerini kullanmaktadır. IGS'in temel amacı jeodezik ve jeodinamik araştırmaları GPS ürünleri ile destekleyecek bir hizmet servisi oluşturmaktır. IGS ürünleri arasında yüksek doğruluklu GPS uydu yörüngeleri, yer dönme parametreleri, IGS devamlı izleme ağı noktalarının koordinatları ve hızlan, GPS uydu ve alıcı saat bilgileri, iyonsofer ve troposfer hakkında bilgi sayılabilir. Bu ürünler ITRF koordinat sistemlerinin geliştirilmesi, katı yerkabuğu hareketlerinin belirlenmesi, kutup hareketlerinin izlenmesi, bilimsel amaçlı uydu yörüngelerinin hesaplanması, iyonosfer ve troposferin izlenmesi, iklimbilim araştırmaları ve hava tahmini gibi çeşitli bilimsel amaçlı çalışmaları destekleyecek doğruluktadır. Bu çalışmada IGS ve IERS ürürüerinin birçoğu GPS ölçülerinin değerlendirilmesinde kullanılmıştır. Verilerin değerlendirilmesinde Bernese V4.0 GPS yazılımı kullanılmıştır. Bernese V4.0 yazılımı hakkında ayrıntılı bilgi yazarların yaymnlanndan alınabilir. Beher GPS kampanyası değerlendirilmiş ve normal denklem sistemleri belirli bir şekilde saklanmıştır. Kampanyaların birleştirilmesinden sonra elde edilen normal denklem sistemlerinin uygun bir algoritme ile birleştirilmesi gerekmektedir. Bu çalışmada değişik zamanlarda hesaplanan koordinatların ve diğer parametrelerin birleştirilmesi için "Helmert Bloking" olarak bilinen model kullanılmıştır. Bu yöntemde noktaların doğrusal hızlan gibi yeni ek parametreler birleştirme aşamasında tanımlanabilmektedir. Bu model Bernese V4.0 içerisinde uygulanmış olup bu çalışmada kullanılmıştır. 1990 yılında Marmara bölgesindeki yerkabuğu hareketlerin ve diğer doğal yer olaylarının araştınlması ve izlenmesi amacıyla ETH Zürih/İsviçre, istanbul Teknik Üniversitesi ve Türkiye Ulusal Jeodezi ve Jeofizik Birliği temsilci kurumu Harita Genel Komutanlığı ile birlikte bir proje başlatılmıştır. Bu proje çerçevesinde yaklaşık 50 noktadan oluşan bir ağ oluşturulmuş ve bu ağda tekrarlı GPS ölçüleri gerçekleştirilmiştir. Bu çalışmada 1992, 1994 ve 1996 yıllarında gerçekleştirilen GPS ölçüleri değerlendirilmiş ve birleştirilerek nokta koordinattan ve Marmara bölgesi hız yapısı belirlenmiştir. GPS kampanyalarının değerlendirilmesinde IGS ve IERS ürü^erinin çoğu kullanılmış olup nokta koordinattan ve doğrusal hızlan ITRF koordinat sistemlerinden birinde hesaplanmıştır. IGS izleme istasyonlarından Onsala, Ankara, Wettzel, Kitab, Matera, Zimmerwald noktalarına ilşikin GPS ölçüleri toplanmış ve bu çalışmada kullanılmıştır. IGS uydu yörüngeleri ve uydu saat katsayılan 1994 ve 1996 kampanyalarının değerlendirmesinde, ve CODE uydu yörüngesi ve uydu saat katsayılan 1992 kampanyası değerlendirmesinde kullanılmıştır. IERS yer dönüklük parametreleri (C04 serisi) 1992 ve 1994 yılı kampanyalan için ve IGS yer dönüklük parametreleri 1996 yılı kampanyası için kullanılmıştır. 1992 yılında 27 Ağustos-07 Eylül tarihleri arasında 48 noktada her gün 6 saatlik oturumlar şeklinde GPS ölçüleri gerçekleştirilmiştir. GPS ölçüleri için ETHZ tararından sağlanan 11 adet WM102 GPS alıcısı kullanılmıştır. 1994 yılında 26 Eylül-06 Ekim tarihleri arasında 52 noktada noktada her gün 10 saatlik oturumlar şeklinde GPS ölçüleri gerçekleştirilmiştir. GPS ölçüleri için ETHZ tararından sağlanan 11 adet Leica System 200 GPS alıcısı kullanılmıştır. 1996 yılında 17-22 Eylül tarihleri arasında 11 noktada her gün 10 saatlik oturumlar şeklinde GPS ölçüleri gerçekleştirilmiştir. GPS ölçüleri için ETHZ tararından sağlanan 11 adet Leica System 200 GPS alıcısı kullanılmıştır Beher kampanya Bernese V4.0 GPS yazılımı ile ve Rothacher ve Mervart, 1996'da verilen ilkeler ışığında değerlendirilmiştir. Öncelikle, günlük gevşek koşullu çözümler elde edilmiş ve daha sonra o yıla ilişkin kampanya için sonuç gevşek koşullu normal denklem sisteminin elde edilşmesi amacıyla birleştirilmiştir. Sonuç normal denklem sistemlerinde tüm parametreler elimine edilmiş yalnızca koordinat parametreleri bırakılmıştır. Bundan başka ağın dış kotrolunu amacıyla IGS noktalarından birinin koordinatları sabit tutularak çözümler gerçekleştirilmiştir. IGS nokta koordinatlarının ITRFyy koordinat sistemleri içerisinde bikaç cm seviyesinde elde edilebildiği görülmektedir. Beher kampanya için gevşek koşullu normal denklem sistemleri elde edildikten sonra bunların birleştirilmesi Bernese V4.0 içerisindeki Addneq modülü ile gerçekleştirilmiştir. Normal denklem sistemleri gevşek koşullu (serbest) çözümlerden elde edildiğinden ağın datumu yalnızca uydu koordinatları ile belirlenmektedir. Üç kampanyanın birleştirilmesinde jeodezik datum Onsa, Mate ve Wtzl IGS noktalarının ITRF94 koordinatları sabit tutularak belirlenmiştir. Nokta hızlan gibi ek parametreler Addneq ile birleştirme sırasında tanımlanabilmektedir. Kampanyalar arasında uzun bir zaman aralığı olduğundan normal denklemlerin birleştirilmesinde noktalar için doğrusal bir hız tanımlanmıştır. Nokta hızlan için datum tanımı için IGS noktalarının ITRF94 hızlan sabit alınmış böylece diğer noktaların ITRF94 hızlan hesaplanmıştır. Birleştirmeden sonra tüm noktaların koordinatlan ITRF94 koordinat sisteminde ve kampanyaların ortasına karşılık gelen bir zamanda hesaplanmışı olmaktadır. Birleştirme sonrasında ITRF94 içerisinde IGS noktalarının koordinatlan 1-2 cm seviyesinde belirlenmektedir. GPS ölçülerinde hesaplanan nokta hızlan değişik çalışmalarda verilenlerle oldukça benzerdir.

The geodetic networks play an important role in the solution of geodetic and geodynamic problems. The geodetic networks are affected by some natural phenomena as well as densification of networks, and crustal deformations. The same problems may be seen in the establishment and densification of geodetic networks by using the measurements of Global Positioning System (GPS). For instance, the GPS networks observed at different epochs are to be combined, and to be affected by the same problems above. Point positioning, on the one hand, has been used to define the crustal deformations and, on the other hand, to publish the coordinates of network stations to be used in later applications. The published coordinates were accepted fixed with respect to time. In the near past, the geodesists had only classical terrestrial geodetic measurement instruments and limited space geodesy techniques. But, as the space geodesy techniques improved dramatically the rules of the positioning changes. After the establishment of International Geodynamics GPS Service (IGS), a global tracking network has been established and high precision satellite orbits, earth rotation parameters, satellite clock coefficients, and more accurate information about troposphere and ionosphere obtained and provided to geodetic community. Besides, International Earth Rotation Service (IERS) has combined multi space techniques data from global analysis centers and produces high precision Terrestrial Reference Frames, known as IERS Terrestrial Reference Frame (ITRF), e.g. ITRF94. By using the products of IGS and IERS, monitoring the motions of the plates relative to each other in a global reference frame is possible. Earth's deformation may be classified as secular, periodic and episodic deformations. The reasons for the Earth's deformation may be given as follows; tidal forces of celestial bodies, earth rotation and polar motion, crustal loading deformations, episodic deformations, and plate tectonics. As it is mentioned above, after the establishment of IGS and IERS high precision products have been available to the geodetic community. xu IERS is responsible for the definition of Conventional Terrestrial Reference System (CTRS), and Conventional Celestial Reference System (CCRS) and providing the necessary information to relate them with the other reference systems. IERS realizes the CTRS with a network of stations distributed all over the world. In the realization of such a system IERS makes use of Very Long Baseline Interferometry (VLBI), Satellite Laser Ranging (SLR), Lunar Laser Ranging (LLR), GPS and Doppler Orbit Determination and Radio Positioning Integrate on Satellite (DORIS) observations. The main goal of the IGS is to establish a service to support the geodetic and geophysical researches by providing the GPS products. IGS products are as follows ; high precision GPS ephemerides, earth rotation parameters, the coordinates and velocities of the stations of the IGS tracking network, GPS satellite and receiver clock information, ionospheric information, tropospheric information. The accuracy of these products supports some scientific aims, such as, the development of the ITRF, monitoring the rigid earth deformations, monitoring earth rotation, computation of scientific satellite orbits, monitoring the ionosphere, researches in climatology and weather forecast. In this study most of the IGS and IERS products available are used in the post processing of GPS measurements. Bernese GPS software version 4.0 is used to process the GPS data. The detailed information about Bernese V4.0 is given by authors of the software. Each GPS campaign is processed, and normal equation system is saved in a specific file. After the processing of each campaign the task is to combine these normal equations in a proper algorithm. In this study the so called Helmert blocking method is given to combine the coordinates and other parameters computed at different epochs. In this method it is possible to introduce new parameters into the combined model such as the velocities of the stations. This method is implied in Bernese V4.0 and used in this study. In 1990, a project to monitor the crustal deformations and other natural phenomena in the Marmara sea region was initiated by ETH Zurich/Switzerland, Istanbul Technical University, and General Command of Mapping representing the Turkish National Union of Geodesy and Geophysics. A network consists of approximately 50 stations was established and repeated GPS observations were carried out in the framework of this project. In this study the GPS observations carried out in 1992, 1994, and 1996 are processed in order to combine the results, and to define the velocity field of the Marmara region. In the porcessing of the GPS campaigns, most of the IGS and IERS products have been used, and the coordinates and velocities of the network sations are defined in one of the ITRFs. The GPS data from the IGS tracking network stations ( Onsala, Ankara, Wettzel, Kitab, Matera, Zimmerwald) have been collected and used in the processing. IGS GPS satellite orbits and satellite clock coefficients are used for the processing of 1994 and 1996 campaigns, and CODE orbit and satellite clock coefficients are used for 1992 campaign. IERS earth rotation parameters (C04 series) are used for 1992 and 1994 capmpaigns, and IGS earth rotation parameters are used for 1996 campaign. xm In 1992 (Aug 27 - Sep 07), GPS observations were carried out at 48 stations with 6 hour sessions each day. 11 WM102 GPS receivers provided by ETHZ were used in the measurement campaign. In 1994 (Sep 26 - Oct 06), GPS observations were carried out at 52 stations with 10 hour sessions each day. 1 1 Leica System 200 GPS receivers were used. In 1996, (Sep. 17 - 22), GPS observations were carried out at 1 1 stations with 10 hours of sessions each day. 1111 Leica System 200 GPS receivers were used. Each campaign is processed by using Bernese GPS Software V4.0 according to the principles of processing strategy given in (Rothacher and Mervart, 1996). First, daily loosely constrained solutions are obtained, and then combined to produce loosely constrained solution for the whole campaign of each year. Only the coordinate parameters are made available in the normal equation system of each campaign. Besides the loosely constrained solution by fixing the coordinates of one IGS station to its ITRFyy coordinates is produced to check the processing results and external control. The recovery of IGS station coordinates in ITRFyy is at cm level. Once the loosely constrained solution for each campaign is produced, then the combination of these results is achieved by the ADDNEQ module of Bernese V4.0. Since the normal equations from each campaign is produced from loosely constrained (or free) solutions, the geodetic datum of the network is defined by satellite coordinates only (reference frame of the orbit). In the combination of three campaigns the geodetic datum of the network is defined such as fixing the ITRF94 coordinates of Onsa, Mate and Wtzl IGS stations. Additional parameters such as station velocities may be introduced to the system in the combination of the normal equations in ADDNEQ. A linear velocity parameter is introduced to the combined normal equation systems, since there is a long time span between subsequent campaigns. The datum definition for the velocities should be made as geodetic datum, in order to compute the velocities. For the velocitiy datum definition, the ITRF94 velocities of IGS stations are held fixed, thus the velocities of other stations defined and computed in ITRF94 velocitiy field. After the combination, the coordinates of all stations are defined in ITRF94 at a certain epoch. The recovery of IGS stations after the combination is at 1-2 cm level. The velocity field computed by the GPS observations is quite similar in shape to those given in the literature.