Earth System Geodesy (Part 1)

Transkriptio

1 Earth System Geodesy (Part 1) Markku Poutanen Finnish Geospatial Research Institute FGI We are living on a restless planet Precise observations are needed to measure and understand the planet Earth. Space geodesy provides tools. 1

2 Geodesia on mukana kaikessa missä tarvitaan tarkkoja ja luotettavia mittauksia precise geodetic measurements are needed everywhere GPS-mittauksilla havaittu maankuoren liike Japanin suuren järistyksen yhteydessä Observed deformation during the Japanese earthquake Three pillars of geodesy Shape of the Earth and deformations Earth orientation and rotation Reference Systems / Reference Frames Gravity 2

3 Avaruusgeodesian mittausmenetelmiä Space geodetic techniques Moon GNSS (GPS, GLONASS, Galileo ) Halpa, yleinen, koordinaatit, liikunnot, aika, Cheap, common, coordinates, deformation, time, Satelliittilaser (SLR) Vertauskehyksen origo, satelliittien radat, liikunnot Origin of RF, satellite orbits, plate tectonics Geo-VLBI Vertauskehyksen orientointi, Maan asento, skaala Orientation of RF, EOP, scale Painovoimasatelliitit/Gravity satellites Maan muoto, painovoimakenttä, geoidi Shape of the Earth, gravity field, geoid Satelliittialtimetria/Satellite altimetry Merenpinan korkeus, ajalliset muutokset Sea surface height, temporal variation SAR, InSAR DORIS SLR LLR Satellite altimetry Earth exploring satellites Aika ennen satelliitteja Time before satellites mannertenväliset mittaukset ongelmallisia Problematic intercontinental measurements ei kokonaiskuvaa maasta; muodon, massakeskipisteen,... määritys vaikeaa No global picture on shape, mass centre &c paikallisia verkkoja, klassiset menetelmät Local networks, traditional methods 3

4 Eratosthenes Ensimmäinen avaruusgeodesiaa käyttänyt tutkija First space geodesist Aleksandria Syene Auringon suunta kesäpäivänseisauksena Direction of the Sun during the Summer Solstice Maupertuis ja astemittaus M. and the length of the meridian arc? 4

5 Meridiaanikaaren pituus ; Struve Length of the meridian arc; Struve Auringonpimennykset Solar eclipses "Here lie the bodies of Ho and Hi, Whose fate, though sad, is risible; Being slain because they could not spy Th' eclipse which was invisible." 5

6 Tähtikolmiointi Stellar triangulation Yrjö Väisälä 1940-luvulla (periaate; ilmapallo); Kakkuri 1970-l verkko Etelä- Suomeen / Väisälä 1940 s (principle/balloons); Kakkuri 1970 s network in Southern Finland Satelliitit 1960-l, mm. Pageos; globaali verkko, 20 m absoluuttinen, 5 m suhteellinen tarkkuus / Satellites in 1960 s; Pageos, global network. Accuracy 20 absolute 5 m relative Satelliitit 60 v. ja maan muoto Satellites 60 yrs and the shape of the Earth 1957 Sputnik Maan litistyneisyys / flattening asteen termi ( päärynän muoto ) 3.degree term, pear shape 2000-luku painovoimakentän termit astelukuun 200 saakka terms up to degree and order luku globaali senttimetrigeoidi global cm-accurate geoid 6

7 Space geodetic techniques GRAVITY It s not just a good idea VLBI SLR GNSS Global Reference Frames IT S THE LAW Gravity satellites, Altimetry, InSAR, Geodynamics GIA Tectonics Sea level Height systems Likimääräisiä tarkkuuksia approximate accuracies 7

8 Global Navigation Satellite Systems GPS GLONASS Galileo BeiDou = GNSS Satelliittimittaukset Satellite positioning GNSS on mullistanut geodeettiset mittaukset: Nopeus Tarkkuus Sääriippumattomuus Changes due to GNSS: Speed Accuracy Weather independency Pasi Häkli 8

9 PHASE CODE GNSS accuracy Navigation / code, single receiver DGNSS / code, reference station RTK / phase + reference station Static, phase observations, network, post processing Jaakko Kuokkanen Permanent stations, time series, changes SLR Satellite Laser Ranging Started at Metsähovi 1978 Second generation system 1990 s Paused since 2005 New observatory and 2 khz laser

10 Geodeettinen VLBI kaikkein fundamentaalisin menetelmä koordinaatistojen luonnissa ja ylläpidossa Maan asento, yhteys inertiaalikoordinaatiston ja terrestrisen koordinaatiston välille v aloitettiin geodeettiset VLBI-havainnot Metsähovissa Most fundamental technique in creating and maintenance of reference frames; Earth orientation parameters; since 2004 at Metsähovi Metsähovi Fundamental Station GPS + GLONASS Main building New SLR GNSS VLBI; Aalto radio telescope Gravity lab Height zero Observations at Metsähovi started 1978 One of the global geodetic core stations (Fundamental Station) Revolver GNSS antenna test Observations are used in computing the orbits of navigation satellites and Earth orientation parameters. Without such observations, current use of navigation satellites would not be possible. 10

11 Infrastructure of Metsähovi Fundamental Geodetic Station 1) Satellite laser ranging (SLR), since 1978, renewal 2015 (ILRS) 2) Geodetic VLBI since 2004 (IVS) 3) Geodetic GPS/GNSS receiver, since 1992, 2014 (IGS) 4) Geodetic GLONASS receiver (IGS) 5) Superconducting gravimeter (GGP, ICET) since 1994, ) Absolute gravimeter FG5X-221, (1988), 2004, ) A site for absolute gravimeter intercomparison 8) Doris beacon owned by CNES, France (IDS) 1992, ) Photogrammetric test field 10) GNSS receiver, in a real-time NASA tracking network (NASA) 11) Seismometer (Seismological Institute, University of Helsinki) 12) Fundamental gravity point of Finland 13) Fundamental point of the new Finnish height system N2000, ) Precise levelling test field 15) Pillar network for local ties, GNSS antenna and EDM tests 16) A soil moisture tracking network 17) Vaisala weather station (2015) 18) A 60-m deep borehole, previously used for a borehole tiltmeter 19) TerraSAR-X retroreflector (DLR, TuM) ) GPS antenna calibration test field, 2014 Terrestrial Frames: The Role of Fundamental Stations Multi-technique at the same site: VLBI: Celestial Reference Frame, Precession/nutation, Earth rotation, polar motion (= EOP) SLR: (+ LLR) Earth Center of Mass, Satellite Orbits GNSS Terrestrial Reference Frames DORIS, altimetry, gravity satellites, terrestrial gravity, tide gauges, Combination of techniques Need to tie different techniques together at a Fundamental Station within 1 mm; Local ties Goal to combine on the observational level 11

12 Observations at Fundamental Stations are used for VLBI GNSS DORIS SLR AG/SG Celestial Reference frame X Nutation X (X) (X) Polar variation X X X X X Earth rotation (UT1) X Length of Day (LOD) (X) X X X Global reference frames X X X X X Earth Center of Mass X X X X Earth Gravity Field X X X X Geoid X Satellite orbits (GPS, Galileo, ) X X X Orbits of environmental satellites X X X Ionosphere and troposphere X X X National reference frames X VLBI = Very Long Baseline Interferometry; GNSS = Global Navigation Satellite Systems (GPS, Galileo, ); DORIS = Doppler Orbitography and Radiopositioning Integrated by Satellite; SLR = Satellite Laser Ranging; AG = Absolute gravimeter, SG = Superconducting gravimeter Avaruusgeodesian sovelluksia Space geodetic applications Globaali geodesia maan muoto ja painovoimakenttä maaellipsoidin dimensiot globaalien koordinaattijärjestelmien luonti geoidi ja geoidimallit geodeettisten datumien yhdistäminen kansallisten ja globaalien datumien yhdistäminen korkeusjärjestelmien yhdistäminen (merenpinta, mareografit, geopotentiaali, painovoimakenttä) Global geodesy Shape of the Earth, gravity field Dimensions of the reference ellipsoid Global reference frames Goid and geoid models Combining national and global datums Combining height systems; (sea level, tide gauges, geopotential, gravity field) 12

13 Linking two basic Reference Frames Celestial Reference Frame (ICRF), maintained by VLBI observations. Extraterrestrial phenomena are given in this frame (e.g. satellite orbits) Terrestrial Reference Frame (ITRF), major contribution from GNSS, but also VLBI, SLR, DORIS. Positions on the Earth are given in an Earth-bound Frame. Linked together with the Earth Orientation Parameters (EOP) Precession/nutation Polar motion UT1 Celestial frame will not rotate with Earth Terrestrial frame is co-rotating with Earth Maan asento avaruudessa EOP / Earth orientation in space Ilman tarkkaa mittaustietoa Maan asennosta ja sen muutoksista esim. GPS-satelliitit (ja eurooppalainen Galileo) eivät voi toimia. Tarvitaan Metsähovin kaltaisten geodeettisten havaintoasemien verkko. Without precise measurements on Earth and changes e.g. GPS positioning will not work. Geodetic stations like Metsähovi are essential 13

14 Avaruusgeodesian sovelluksia Space geodetic applications geodeettiset seurantajärjestelmät kansallisten seurantaverkkojen luonti 3-D verkkojen luonti olemassaolevien verkkojen analysointi ja parantaminen geodeettisten verkkojen yhdistäminen (esim. saaret/mantereet) olemassaolevien verkkojen tihentäminen Geodetic monitoring systems Creation of national monitoring networks 3-D networks Improvements of existing networks (e.g. islands / continents) Densification of existing geodetic networks GGOS Infrastructure; towards the network of geodetic core stations Core stations with more than three techniques for ITRF2008 IGS (International GNSS Service) tracking network 28 14

15 Globaalit, alueelliset ja paikalliset vertauskehykset Global, regional and local reference frames Degerby Avaruusgeodesian sovelluksia Space geodetic applications Geodynamiikka / geodynamics maankuoren liikkeiden seurantaverkot 3-D liikkeiden pysyvät seuranta-asemat napavariaatio, maan pyörimisliike kiinteän maan vuoksi Painovoiman ajalliset ja paikalliset muutokset, jäätiköiden sulaminen, vaipan massavirtaukset monitoring networks 3-D permanent stations Polar motion, Earth rotation Solid Earth tide Spatial and temporal variation of gravity Melting of glaciers, mass transportation 15

16 Continents are moving Now Continents are moving a few cm/year This affects on global reference systems Coordinates of stations are changing a few cm/year For practical purposes time-dependent coordinates have not been preferable BUT: how in the future? -750 M yr Maannousu muuttaa korkeuksia ja etäisyyksiä Land uplift changes heights and distances 16

17 Painovoimasatelliitit Gravity satellites CHAMP Grace 2002 GOCE Geoidi 17

18 Painovoimasatelliitit; mittaustarkkuus Gravity satellites; accuracy km Grace geoidivaihtelu geoid variation 18

19 Merenpinnan korkeus ja jäätiköiden sulaminen Yläkuva: Etelämantereen sulaminen Keskellä: Grönlannin sulaminen Alakuva: Mannerjäätiköiden sulaminen Sea surface height and melting of glaciers: top: melting of Antarctica; middle: Greenland; bottom: other continental glaciers Luonnonkatastrofit Natural catastrophes Sumatran maanjäristyksen synnyttämä iskuaalto näkyi Metsähovissa useita kuukausia, jakso n. 20 minuuttia 19

20 Avaruusgeodesian sovelluksia Space geodetic applications geodesian paikalliset sovellukset maanmittaus, GIS, kiinteistömittaukset insinöörimittaukset, paikalliset deformaatiot fotogammetrian ja kaukokartoituksen kiintopisteistöt ilmakuvauksen, laserskannauksen kiintopisteistöt monet muut paikalliset sovellukset, erityisesti GNSS Local geodetic applications Surveying, GIS, cadastral works Enginnering measurements, local deformations Control points for photogrammetry, remote sensing, aerial photgrammetry, laser scanning and other local applications Avaruusgeodesian sovelluksia Space geodetic applications Navigointi ja paikannus ajoneuvonavigointi paikannus eri alojen sovelluksissa (geofysiikka, geologia,..., viranomaiset,...) Navigation and positioning Car navigation Positioning in various applications (geophysics, geology,... Authorities,...) 20

21 Avaruusgeodesian sovelluksia Space geodetic applications Muita sovelluksia geofysikaalisten havaintojen paikka- ja nopeustiedot oseanografia, merenpinnan korkeus, jäätikköjen liikkeet, globaalimuutokset satelliittien ratojen määritys ilmakehän (troposfääri, ionosfääri) ominaisuuksien tutkimus Other applications Position and speed of various geophysical observations Oceanography, sea surface height, glaciers movements, global changes Satellite orbits Research of the atmosphere (troposphere, ionosphere) Tulevaisuus Future Globaalimuutosten entistä parempi seuraaminen ja tulkinta Geodeettinen havaintojärjestelmä GGOS Integrointi muihin havaintojärjestelmiin Datan saatavuus ja käytettävyys Tähtitieteellisen koordinaatiston ylläpito ja siihen tehtävät parannukset; GAIA YK:n 2015 yleiskokouksen päätöslauselma kestävän kehityksen geodeettisista järjestelmistä -> GGRF Monitoring global changes Global Geodetic Observing System GGOS Integration with other observing systems Data availability and useability Maintenance and improvements in Celestial reference frame; GAIA UN General Assembly resolution in 2015 on sutainable global geodetic reference frames -> GGRF 21

22 22