ФИЗИКА ЗЕМЛИ, 2014, № 6, с. 55-69
УДК 528.2:629.78+551.24
МЕТОДИЧЕСКИЕ ЗАДАЧИ И ПРОБЛЕМЫ ТОЧНОСТИ GPS-НАБЛЮДЕНИЙ (НА ПРИМЕРЕ БИШКЕКСКОГО ГЕОДИНАМИЧЕСКОГО ПОЛИГОНА)
© 2014 г. С. И. Кузиков
Научная станция РАН, г. Бишкек, Кыргызстан E-mail: ksi@gdirc.ru Поступила в редакцию 05.08.2013 г.
В статье рассмотрены основные вопросы, касающиеся современных методических задач и точности GPS-наблюдений за движениями земной коры, от организации полевых измерений до интерпретации конечных результатов. Приведенные данные опираются на 20-летний опыт GPS-работ сотрудников Научной станции РАН на базе Бишкекского геодинамического полигона и обширной территории Центральной Азии. В статье приводятся сравнительные характеристики видимых созвездий навигационных спутниковых группировок GPS и ГЛОНАСС, с точки зрения практического их использования для прецизионных научных наблюдений за движениями земной коры. При исследовании современных движений земной коры методами космической геодезии выделяется три этапа: (1) организация измерительных сетей и сбор данных, (2) обработка данных, (3) интерпретация результатов. Каждому этапу соответствует свой блок задач и проблем при реализации, на любом из них могут быть допущены отклонения и ошибки, которые способны повлиять на результаты, выводы и построения.
DOI: 10.7868/S0002333714060039
ВВЕДЕНИЕ
В конце 80-х—начале 90-х годов 20-го века космические технологии достигли такого уровня, при котором стало возможным проводить с высоким разрешением прецизионные наблюдения практически за любой территорией земной поверхности. Результаты таких наблюдений с применением искусственных спутников Земли в основном используются для определения пространственного положения объекта исследования, для изучения его морфологических или физико-химических свойств.
Одно из направлений таких исследований основывается на анализе изображений, полученных из космоса. При этом по особенностям формы и отражения электромагнитного излучения разной частоты можно идентифицировать интересующий исследователя объект. Используя эффект фотографической стереопары, есть возможность построения цифровой модели рельефа по данным радарной интерферометрической съемки, и как следствие — анализ временных вариаций вертикальной компоненты движения наблюдаемой территории.
Для целей данной статьи наибольший интерес представляет другое направление космических наблюдений, которое основывается на активном использовании не только искусственных спутников Земли, но и принимающей аппаратуры. Глобаль-
ные навигационные спутниковые системы (ГНСС) позволяют осуществлять высокоточное позиционирование под открытым небом в любой точке земного шара, вне зависимости от погодных и временных условий. Так, уже более 20 лет благодаря навигационной спутниковой технологии GPS (Global Positioning System) при специальном режиме измерений и обработки данных можно осуществлять координатную привязку объекта с точностью до нескольких миллиметров. ГНСС и специальные методы позиционирования дали ученым возможность прямых наблюдений за многолетними движениями отдельных пунктов и получения количественной (что важно) информации о распределении современных перемещений в приповерхностной части земной коры, например [Abdrakhmatov et al., 1996].
Многолетний космогеодезический мониторинг координат сети пунктов на обширных территориях позволяет получать такие интуитивно понятные параметры, как перемещения наблюдаемых точек земной поверхности и их скорости, на основе которых возможен расчет деформаций и напряжений. Поэтому к изучению современных движений земной коры (СДЗК) наибольший интерес проявляют представители геодинамических, геофизических и геотектонических направлений исследования строения Земли и протекающих в ней процессов. Результаты многолетних наблюдений за СДЗК представляют собой опре-
деленные ограничения, которые должны учитываться при построении моделей геофизического строения и внутриплитных тектонических процессов [Зубович и др., 2007]. Исследования СДЗК необходимы и для изучения физических закономерностей тектонических процессов, т.е. для тек-тонофизики [Гзовский, 1975]. Наиболее заметный вклад в интенсивное развитие современной геодинамики внесли многолетние космогеодези-ческие наблюдения за приповерхностной частью земной коры. В свою очередь, интерпретация результатов изучения современных геодинамических процессов, которые получены по измерениям на земной поверхности, требуют активного привлечения методов и результатов тектонофи-зики [Кузьмин, 2009].
Возможность охвата космогеодезическими исследованиями значительных территорий позволяет анализировать характер деформирования литосферы в континентальных масштабах. По геологическим и геофизическим данным было установлено, что деформация земной коры распространилась более чем на 2000 км вплоть до Центральной Азии в результате коллизии Индийской и Евразийской плит [Мо1паг, Тарроптег, 1975]. Применение СРВ-наблюдений на этой территории дало возможность подтвердить и уточнить характеристики Ин-до-Евразийской коллизии [АЪёгакИтаШу е! а1., 1996]. Данные космогеодезических наблюдений дают возможность на количественной основе и с использованием кинематических законов классической механики строить модели современного деформирования земной коры [Мухамедиев и др., 2006; Захаров, Симонов, 2010; Кузиков, Мухамедиев, 2010].
Целью данной работы является освещение основных вопросов, касающихся методики, проблем точности и адекватности ОР8-наблюдений за СДЗК, качеству обработки и интерпретации данных. Для этого привлечен богатый опыт ОР8-измерений и анализа на значительной территории Центральной Азии, осуществляемых сотрудниками Научной станции РАН (НС РАН) с 1992 г. на базе Бишкекского геодинамического полигона (Тянь-Шань, Киргизия). Конечно, некоторые особенности ОР8-исследований в пределах Центрально-Азиатской сети наблюдений присущи только для местных условий организации научных работ. Однако есть надежда, что значительная часть представленного в статье материала будет полезна и интересна для широкого круга читателей, интересующихся вопросами космогеодезиче-ских исследований движений приповерхностной части земной коры.
Следует отметить, что для высокоточных (с ошибкой до первых миллиметров) исследований СДЗК необходимо выполнение некоторых требований к характеристикам ГНСС, к организации
пунктов наблюдения и режима их измерений, к способу обработки первичных цифровых данных, к анализу и интерпретации результатов. В общем случае, при исследованиях СДЗК методами космической геодезии можно выделить три этапа: сбор данных (полевые измерения), обработка данных и интерпретация результатов. Каждому этапу соответствует свой блок методических задач и проблем, которые могут быть и взаимосвязаны. На любом из перечисленных этапов могут быть допущены отклонения и ошибки, которые способны существенно повлиять на итоговые результаты, выводы и построения.
В первом разделе статьи приводится краткая сравнительная характеристика существующих ГНСС с точки зрения практического их использования для прецизионных научно-исследовательских наблюдений за движениями земной коры. В разделе 2 на примере Центрально-Азиатской GPS сети приводятся особенности организации и режимов измерений космогеодезических сетей (пунктов), которые влияют на адекватность и точность геодинамических исследований. Третий раздел посвящен порядку обработки исходных GPS-данных, методам оценки и повышения фактической точности рассчитанных координат. В разделе 4 затрагиваются вопросы, связанные с особенностями интерпретации и анализа результатов GPS-изме-рений. В Заключении приводятся основные выводы по работе.
1. ВОЗМОЖНОСТЬ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ НАВИГАЦИОННЫХ СПУТНИКОВЫХ ГРУППИРОВОК ДЛЯ ИЗУЧЕНИЯ ДВИЖЕНИЙ ЗЕМНОЙ КОРЫ
В настоящее время над поверхностью земного шара развернуто или находится в стадии становления несколько навигационных спутниковых группировок, таких как: GPS (США), ГЛОНАСС (Россия), GALILEO (Европейское сообщество), BeiDou COMPASS (Китай) и др. Однако, пока только GPS и ГЛОНАСС развернуты в достаточно полной мере, чтобы называться глобальными навигационными системами и выполнять свои функции в любой точке на земной поверхности и в воздушном пространстве. Поскольку технология GPS уже давно зарекомендовала себя положительно с практической стороны, а в последнее время форсируется развитие и применение ГЛО-НАСС, то сравним эти две группировки на возможность их использования для наблюдений за СДЗК.
Создание независимых ГНСС в США и СССР носили милитаристский и соревновательный характер, поэтому время начало работ и штатное развертывание спутниковых группировок GPS (1973-1993 гг.) и ГЛОНАСС (1976-1995 гг.) примерно совпадают. В начале 2000-х годов ГЛО-
НАСС пережила период деградации и была восстановлена только к настоящему времени. В противовес этому технология GPS развивалась и проникала в различные сферы гражданского быта и в научно-исследовательские направления. Затруднительно привести примеры научных статей на измерительной базе данных ГЛОНАСС, при этом начиная с конца 1980-х годов, существует множество публикаций с использованием GPS-данных.
Это обусловлено и тем, что в мире широко развита индустрия производства GPS-приемников разного уровня технической сложности (от компактных бытовых до высокоточных профессиональных и специальных вариантов приборов). При этом отечественные разработки ориентированных на ГЛОНАСС приемников не имеют широкого применения. Ни менее важным является наличие методики прецизионных измерений и к ней программного обеспечения GAMIT/GLOBK, ориентированного на GPS-данные и постоянно развиваемого на базе Массачусетского технологического института для вычисления высокоточных координат [Herring et al., 2010a; 2010b; 2010c]. Для комплексного высокоточного анализа данных измерений GPS и ГЛОНАСС возможно использование швейцарского программного обеспечения BERNESE. Подобные российские программные разработки, ориентированные как минимум на ГЛОНАСС, пока не известны.
Сравним эффективность группировок GPS и ГЛОНАСС для исследований СДЗК. По техн
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.