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On the Datum Quality of a Continental ITRF96-based Reference Network in Antarctica.

On the Datum Quality of a Continental ITRF96-based Reference Network in Antarctica.
Typ:Diplomarbeit
Datum:2000
Betreuer:

Aufgabensteller:
Prof. Dr.-Ing. B. Heck
Betreuer:
Dr.-Ing. H. Kutterer
Dipl.-Ing. M. Mayer
Dr.-Ing. Z. Altamimi (LAREG)
Dr.-Ing. P. Sillard (LAREG)

Bearbeiter:Schön, S.
Zusatzfeld:

IBNr: 837

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Geodätisches Institut der Universität Karlsruhe in Zusammenarbeit mit dem Laboratoire de Recherche en Géodésie (LAREG) des Institut Géographique National (IGN), Marne-la-Vallée, Frankreich.

 

In der Diplomarbeit wird die Datumsrealisierung in lokalen GPS-Netzen sowie der Anschluß an das ITRF diskutiert.

In einem ersten Teil wird der Berechnungsvorgang des ITRF96, die verwendeten Annahmen und zugrunde liegenden Ideen dargestellt (Boucher et al. 1998, Sillard et al. 1998).

Nach einem allgemeinen Überblick über Möglichkeiten zur Datumsfestlegung in freien Netzen wird ausgehend von (Sillard und Boucher 2000, Sillard 1999) der Begriff des Reference Frame Noise als Maß für die Datumsqualität entwickelt.

Mit Hilfe der Spektralanalyse der Kovarianzmatrizen geodätischer Netze (Kutterer 1998, Jäger und Kaltenbach 1990) wird gezeigt, daß die Datumsfestlegung nicht nur von der Geometrie des Netzes abhängt, sondern auch von der Struktur der Kovarianzmatrix. Werden beispielsweise präzise IGS-Orbits bei Auswertung vom GPS Messungen verwendet und IERS Polkoordinaten und UT1 Werte einführt, dann enthält das lokale Netz mehr Informationen bezüglich der Datumsfestlegung als aus der Geometrie zu erwarten wäre.

Am Beispiel des SCAR Netzes (Dietrich et al. 1996) wird eine Transformation eines lokalen Netzes in das ITRF96 unternommen. Es wird gezeigt, daß dabei eine Varianzkomponentenschätzung aufgrund der unterschiedlichen Charakteristika beider Netze sinnvoll ist. Des weiteren wird versucht, die Auswirkung von groben Fehlern im Datenmaterial auf die verschiedenen Transformationsschritte und Varianzkomponentenschätzung qualitativ und quantitativ zu beschreiben.

Auch wenn die ursprüngliche Geometrie keine genaue Zuordnung eines groben Fehlers zu einem der beiden Netze mit Hilfe des Iterativen Datasnooping ermöglicht, so kann durch geschicktes Anwenden dieses Konzeptes eine Strategie entwickelt werden, die die Lokalisierung von Ausreißern erleichtert.

Aufbauend auf den Ergebnissen dieser Untersuchungen wird eine mögliche Strategie zur Transformation des SCAR in das ITRF96 entwickelt.

Schließlich scheint es wünschenswert zu sein, über die Aussage im ITRF zu sein nachzudenken:

Es existieren viele Transformationsstrategien zur Überführung lokaler Netze in das ITRF: steht die Eindeutigkeit der Ergebnisse im ITRF auf dem Spiel? Widerspricht die Nutzerforderung nach einem festen Koordinatenrahmen nicht dem Charakter des ITRF, das als Lösung einer Ausgleichung unsicher ist?

 

Abstract

 

This diploma thesis focuses on the datum realization in local or regional GPS networks and their connections into ITRF96.

After a short introduction, a summary on spaceborn techniques is given. A general task during the adjustment of geodetic networks observed by spaceborn techniques is the definition of the geodetic datum. The normal equation of the initial least squares adjustment problem is singular if no datum information exists. Consequently, datum type information can be used in order to regularize the normal equations. Three different approaches can be distinguished: regularization by fixing coordinates, by constraining or by generalized inverses. In this context we introduce the notions of Reference Frame Noise and Reference System Effect.

In a next chapter, the ITRF compution process is described in detail. Let us assume the fundamental consideration that each space technique is able to define implicitly a reference frame. Then, all these frames can be combined by means of a seven parameter transformation for positions and for velocities.

In a fourth chapter, we analyze the datum definition in networks. Spectral analysis of the variance-covariance matrix of networks is an appropriated tool for this task. Characteristic measures are developed in order to quantify the impact of the datum definition. It can be shown that not only the network geometry but also the variance-covariance matrix, resulting of the initial adjustment influences the datum definition. The use of precise IGS orbits and IERS EOP's introduce external datum type information which is initially not contained in the network. This being the case, it seems to be worthwhile to review the connection concepts to ITRF.

Outliers in one of the networks disturb the connection of the local into the global network. The iterative data-snoopnig process is used to detect outliers in the data. Further one, investigations are carried out in order to localize these outliers and to quantify their impact on the estimated parameters. Using the results of these analysis, a strategy for connecting the SCAR network into ITRF96 is proposed.

 

Résumé

 

Ce travail de fin d'études analyse la réalisation du datum des réseaux de géodésie spatiale et donne quelques indications concernant la transformation d'un réseau GPS local dans l'ITRF96.

Après une présentation générale des techniques de géodésie spatiale, les principales manières de régularisation des matrices normales associées aux réseaux géodésiques et initialement non-inversibles sont présentées. Trois méthodes principales d'introduire des informations supplémentaires pour définir le datum existent: Fixer quelques coordonnées aux valeurs données ou contraindre quelques coordonnées ou finalement appliquer des inverses généralisées.

Dans un troisième chapitre le calcul de l'ITRF est présenté de manière générale et détaillée.

Dans la suite, la réalisation du datum géodésique est analysée. L'analyse spectrale de la matrice de covariance d'un réseau géodésique donne accès à cette information. On constate que non seulement la géométrie du réseau mais aussi la matrice de variance elle-même influencent sur la détermination du datum du réseau. Etant fixé le pôle et les orbites des satellites lors du calcul GPS, la matrice de variance de cet ajustement rapporte plus d'information concernant le datum, que la géométrie du réseau laisserait le penser. Finalement des mesures caractéristiques sont développées pour d'écrire l'influence de la définition du datum du réseau.

A l'aide du réseau SCAR, une stratégie de rattachement à l'ITRF96 est développée. Lors de ce processus une estimation de composantes de variance est indispensable à cause des natures différentes des deux réseaux. Il est souhaitable de détecter des valeurs aberrantes dans les données afin d'éviter leurs influences sur les résultats. Le concept du 'iterative data-snooping' est proposé pour une telle détection.

 

Literatur

  1. Boucher, C. et al. (1998): Results and analysis of the ITRF96. IERS technical note 24, Observatoire de Paris, IERS.
  2. Dietrich, R. et al. (1995): The SCAR95 GPS campaign: Objectives, data analysis and final solution, in: The Geodectic Antarctic Project GAP95 - German Contributions to the SCAR95 Epoch Campaign. DGK B 304, München.
  3. Jäger, R., Kaltenbach, H. (1990): Spectral Analysis and Optimisation of Geodetic Networks based on eigenvalues and eigenfunctions. Manuscripta geodetica, Nr. 15, S. 302-311.
  4. Kutterer, H. (1998): Quality Aspects of a GPS Reference Network in Antarctica - a simulation study. Journal of Geodesy, Nr. 72, S. 51-63.
  5. Sillard, P. et al. (1998): The ITRF96 Realization and ist associated Velocity Field. Geophysical Research Letters, 25, S.3223-3226.
  6. Sillard, P. (1999): Modélisation des systèmes de référence terrestres. Dissertation, Observatoire de Paris.
  7. Sillard, P., Boucher, C. (2000): A review of algebraic constraints in Terrestrial Reference Frame datum definition. Journal of Geodesy, im Review.