LA RETE DINAMICA NAZIONALE (RDN) ED IL NUOVO SISTEMA DI RIFERIMENTO ETRF2000

Transcript

1 LA RETE DINAMICA NAZIONALE (RDN) ED IL NUOVO SISTEMA DI RIFERIMENTO ETRF2000 L. Baron, F. Caul, D. Donatell, G. Farolf, R. Maserol, Servzo Geodetco - Isttuto geografco Mltare - Frenze 1. Premessa La Rete Dnamca Nazonale ha lo scopo d organzzare, sul terrtoro talano, un network d stazon permanent GPS stablmente materalzzate, che osservano con contnutà segnal satelltar GNSS e l trasmettono per va telematca ad un Centro d Calcolo appostamente sttuto presso l Servzo Geodetco dell IGM. La dsponbltà contnua delle osservazon consentrà d contrbure a var progett scentfc e tecnc d nteresse nazonale, fra qual assumono certamente rlevanza quell conness allo studo de movment crostal ed al montoraggo delle deformazon sa a lvello regonale che locale. I rsultat d maggor nteresse per l IGM sono però quell dervant dall utlzzo d tale struttura dnamca per la materalzzazone ed l montoraggo d precsone, sul terrtoro nazonale, del Sstema d Rfermento Globale. L esgenza scatursce dalla necesstà d dotare la nazone d un Rfermento Geodetco n lnea con temp, dotato d caratterstche adatte a supportare qualunque attvtà geodetca e valde anche per le applcazon che rchedono le precson pù elevate. In partcolare la gestone de network d stazon permanent GPS recentemente sttut n Itala (essenzalmente a lvello regonale) allo scopo d dstrbure le correzon per l poszonamento dfferenzale n tempo reale (RTK), necesstano d Rferment dotat d alte precson, non sempre raggunte dalla realzzazone del Sstema Globale fno ad ora adottata: l ETRF89. E stato qund decso d allnears al pù recente frame convenzonale del Sstema ETRS89 uffcalzzato n Europa: l ETRF2000. Come rfermento temporale è stato scelto, secondo le pù recent drettve EUREF, l I calcol necessar alla defnzone della poszone delle stazon della RDN sono stat svolt dal Centro d Calcolo del Servzo Geodetco dell IGM, utlzzando l software BERNESE versone 5.0. Gl stess calcol sono stat rpetut per controllo, n modo ndpendente, da altr due Centr d Calcolo: l gruppo G3 d Mlano dretto dal Prof. Sansò, ed l gruppo d Padova del Prof. Caporal. 2. Consstenza della rete La RDN è stata sttuta selezonando 99 stazon permanent GPS (vds. grafco n allegato 1), fra quelle gà esstent n Itala, d propretà d Ent Pubblc ed omogeneamente dstrbute, n modo da consentre n seguto l accesso al Rfermento Globale su tutto l terrtoro nazonale. Le stazon consderate hanno una nterdstanza meda d km, n modo da poter dsporre, avendo avuto partcolare attenzone alla copertura delle zone margnal, d una stazone ogn 3000 km 2 crca. In effett 99 stazon sono un numero esuberante rspetto alla quanttà effettvamente necessara alle fnaltà dcharate. Cononostante abbamo rtenuto opportuno ncludere pù stazon, n modo da garantre un effcace montoraggo del Sstema nel tempo anche ne cas, purtroppo frequent, d stazon che cessano l attvtà o subscono spostament. Nella rete sono state ncluse, ovvamente, tutte le stazon present sul terrtoro nazonale e gà calcolate ne network nternazonal ITRS e IGS (Matera, Noto, Medcna, Padova, Torno, Genova, Caglar e Lampedusa). Nella scelta delle 1

2 altre stazon è stata posta attenzone, pur cercando d mantenere una omogenea dstrbuzone, alle caratterstche d stabltà della materalzzazone e del sto. Sono state comunque ncluse alcune stazon appartenent alle ret che fornscono le correzon per l poszonamento n tempo reale, n modo da facltare l successvo allneamento d tal network al Rfermento Uffcale Nazonale. Al fne d evtare calcol n estrapolazone, e d dsporre d punt not anche e soprattutto nelle zone margnal, sono state ncluse nella RDN le seguent stazon ITRS ste fuor dal terrtoro nazonale: Sofa, Graz, Wettzel, Zmmerwald e Grasse. 3. Dat utlzzat Sono state consderate le osservazon relatve alle seguent 4 settmane GPS: 1459, 1460, 1461 e 1462; complessvamente 28 gorn, dal 23/12/2007 al 19/01/2008 compres. Per l calcolo sono stat utlzzat dat n formato RINEX a 30. Alcune stazon non hanno acqusto dat vald per tutt 28 gorn; cononostante sono state ugualmente consderate per una delle seguent ragon: stazon note n ITRF05 mportant per l allneamento al Datum; stazon appartenent a network regonal l cu convolgmento nella RDN è consderato strategco; unche stazon attve n zone partcolar. Le stazon non sempre operant, nseme ad altre che hanno fornto dat partcolarmente rumoros (ad es. CUCC), saranno sosttute ne successv calcol qualora permangano tal problematche. L effettva dsponbltà de dat è rportata nella tabella n allegato 2. Il tpo d rcevtore e d antenna nstallat su cascuna stazone, nseme agl offset dell antenna, sono rportat nella tabella n allegato 3. Sono stat noltre ntrodott n calcolo seguent dat: moto del polo e orbte precse espresse nel sstema d rfermento IGS05; offset assolut del centro d fase delle antenne de satellt (IGS05.atx); tabelle d correzone per carco mareale GOT00.2 (Goddard Ocean Tde Loadng). Tutt fle Rnex sono stat controllat confrontando l header del fle con l log della stazone (tpo antenna e rcevtore, nome del marker, dentfcatvo stazone, ecc.). 4. Procedura utlzzata nell elaborazone de dat Nell elaborazone de dat sono state segute d massma le procedure standard mplementate da AIUB (Ist. Astr. Unv. Berna) e le raccomandazon EUREF dffuse da centr d calcolo della rete EPN. E stata adottata la stratega d elaborare n modo ndpendente ogn sessone gornalera d dat; n partcolare l calcolo è stato condotto attraverso gl step d seguto descrtt. 1. Elaborazone prelmnare del codce: stma offset orolog de rcevtor, ndvduazone ed elmnazone outlers. 2. Costruzon dello schema delle bas: metodo OBS-MAX (numero massmo delle osservazon a comune), ove possble non superor a 200 km (a ttolo d esempo s rporta n fg. 1 lo schema delle bas relatvo ad una gornata). 2

3 Fg. 1 Schema delle bas relatvo al gorno 10 gennao. 3. Elaborazone prelmnare n sngola dfferenza d ogn sngola base, con cut off d 3 e modello d osservazone pesato con l elevazone (Elevaton Dependent Weghtng COSZ), ndvduazone ed elmnazone de cycle slp; 4. Elaborazone n sngola dfferenza, per ogn sngola base, con soluzone ono free e con ambgutà rrsolte (Float); vncolo sulle stazon fducal d 2 mm n planmetra e 4 mm n quota. 5. Rsoluzone delle ambgutà con procedura QIF (Quas Iono-Free), modello a pror per la troposfera: Mappng functon Dry Nell. 6. Soluzone fnale Fxed Iono Free per combnazone lneare su frequenze L1 ed L2 n multbase, rtard troposferc stmat ogn ora con Mappng functon Wet Nell determnat rspetto alle coordnate mede gornalere. 7. Elmnazone delle stazon che presentano σ >20 mm nelle component planmetrche e σ>30 mm n quota nell arco gornalero e relaborazone de dat. Sono state così ottenute 28 equazon normal gornalere n formato SINEX (Soluton Independent Exchange Format). 3

4 5. Aggornamento del Datum Come Datum convenzonale per l allneamento della RDN è stato scelto l rfermento ITRS pù recente (ITRF2005) e sono state consderate le 13 stazon, present n tale realzzazone, che crcondano effcacemente l terrtoro talano e che rsultavano attve all epoca consderata: dal al (vds. fg. 2). Fg. 2 Stazon present nella realzzazone ITRF2005 e attve all epoca consderata. L ITRF2005 rsulta però rferto al , è qund necessaro l aggornamento delle coordnate all epoca da no scelta: ; tale aggornamento è stato effettuato con la nota relazone: X (2008.0) = X (2000.0) + V (2000.0)( ) I I I utlzzando le veloctà stmate nella stessa soluzone. I calcol necessar per l aggornamento e le coordnate ITRF2005 all epoca sono rportate nella sottostante tabella 1. 4

5 STATION ITRF2005 (2000.0) Shft from ITRF2005 (2008.0) X, Y, Z Vx, Vy, Vz to X, Y, Z [m] [m/y] [m] [m] CAGL M GENO M GRAS M GRAZ M IENG S LAMP M MATE M MEDI M NOT M PADO S SOFI M WTZR M ZIMM M Tab. 1 Trasporto al della realzzazone ITRF2005. Data l enttà dell estrapolazone (8 ann) e la possbltà che sano ntervenut nel frattempo movment crostal, o, pù banalmente modfche dell hardware delle stazon permanent consderate, abbamo rtenuto opportuno verfcare valor delle coordnate portate al 2008 confrontandole con rsultat IGS05. IGS05 vene fornto come soluzone settmanale; per dsporre d una soluzone d maggore affdabltà, evtando possbl error present nelle elaborazon d una sngola settmana d dat, è 5

6 stata calcolata una regressone lneare su 52 settmane (tutto l anno 2007), basata sul crtero della mnmzzazone della devazone assoluta (LDA). S rporta per esempo n fgura 3 l grafco della regressone lneare relatvo alla stazone d Matera. Fg. 3 Esempo della regressone lneare per la stazone d Matera. 6

7 I rsultat della regressone lneare sulle 13 stazon consderate sono rportat nella sottostante tabella 2. IGS05 al (regressone lneare su 52 settmane) stazone sgla X [m] Y [m] Z [m] Caglar CAGL Genova GENO Grasse GRAS Graz GRAZ Torno IENG Lampedusa LAMP Matera MATE Medcna MEDI Noto NOT Padova PADO Sofa SOFI Wettzel WTZR Zmmerwald ZIMM Tab. 2 Coordnate IGS05 al delle 13 stazon utlzzate per l allneamento del Datum. Le dfferenze fra due set d coordnate, rportate n tabella 3, rsultano nella gran parte de cas non sgnfcatve (nferor a 0.5 cm nella quas totaltà delle 3 component) e confermano la valdtà d entramb rferment; fanno eccezone due stazon (MEDI e LAMP) dove le dfferenze, pur essendo superor alla meda, rsultano comunque accettabl. STAZ. E N U mod. [mm] [mm] [mm] [mm] CAGL GENO GRAS GRAZ IENG LAMP MATE MEDI NOT PADO SOFI WTZR ZIMM meda meda x sqm x Tab. 3 Confronto fra IGS2005 e ITRF2005 portato al

8 6. Allneamento della RDN al Datum aggornato Le 28 equazon normal gornalere, ottenute come descrtto nel paragrafo 4, sono state combnate (stackng) nella soluzone fnale, allneandos al Datum ITRF05 (al ), tramte la condzone d mnm vncol sulle 13 stazon d rfermento per mezzo d una trasformazone d Helmert a 3 parametr (tre traslazon). I rsultat del calcolo della RDN nel Sstema ITRF2005 al sono rportat nella tabella n allegato Stma degl error Gl error quadratc med assocat alle coordnate dal calcolo d compensazone rsultano d pccola enttà: mllmetr o frazon d mllmetro. Quest valor sono n realtà sottostmat a causa dell applcazone d modell stocastc a varabl che nvece presentano certamente correlazon e sstematsm dffclmente stmabl. Per determnare un valore pù realstco delle precson raggunte nella defnzone delle poszon de punt è stata valutata la rpetbltà de rsultat delle sngole stazon ne 28 gorn d osservazon trattate. L enttà de valor ottenut (replogat n allegato 5) garantsce sulla correttezza de procedment esegut e sulla qualtà de rsultat raggunt. 8. Varazon ndotte dalla RDN su punt d allneamento Per verfcare la congruenza fra la RDN e la soluzone ITRF2005, d cu alcune stazon hanno costtuto l vncolo per l allneamento al Datum, sono state valutate le varazon ndotte su tal vncol dal presente calcolo, effettuato con l metodo del mnmum constrant (vds. tab. 4). L enttà molto contenuta delle dfferenze garantsce sull accordo fra due network; valor d maggore enttà n h (LAMP e MEDI) corrspondono alle dfferenze rscontrate fra ITRF2005 e IGS05 e concordano con quest ultmo. E N h Modulo STAZ. [mm] [mm] [mm] [mm] CAGL GENO GRAS GRAZ IENG LAMP MATE MEDI NOT PADO SOFI WTZR ZIMM meda meda x sqm x Tab. 4 Varazon ndotte su vncol dal calcolo d compensazone. 8

9 9. Passaggo al Sstema Convenzonale ETRF2000 La trasformazone fra ITRF05 ed ETRF2000 è stata ottenuta, seguendo le ndcazon dell EUREF, tramte la relazone: X 1 Rz Ry X Tx Y = (1 + K ) Rz 1 Rx Y + Ty (2008.0) Z Ry Rx 1 Z Tz ETRF 2000(2008.0) ITRF 2005(2008.0) (2008.0) ntroducendo parametr: Tx Ty Tz K Rx Ry Rz epoca [mm] [mm] [mm] [10-9 ] [mas] [mas] [mas] Le coordnate fnal della rete RDN nel Sstema ETRF2000 all epoca sono rportate n coordnate cartesane nella tabella n allegato 6, n coordnate geografche nell allegato Confronto con gl altr Centr d Calcolo Per verfcare ulterormente la correttezza de procedment segut nel trattamento de dat e la qualtà della soluzone trovata, sono state analzzate le soluzon ottenute dagl altr due Centr d Calcolo ( Padova e Como). E necessaro consderare che ogn Centro d Calcolo ha seguto crter parzalmente dvers nella pultura e nel trattamento de dat e nella stratega d allneamento al Datum; le potes a comune sono nvece l utlzzo degl stess dat, l allneamento all ITRF05 all epoca e la trasformazone n ETRF2000 con l procedmento EUREF. Il confronto con le altre soluzon è stato effettuato calcolando per cascuna la dfferenza rspetto alla meda ottenuta dall nseme delle tre (vds. allegato 8). Le dfferenze rsultano anche n questo caso d enttà molto contenuta, ed avvalorano la correttezza d tutt calcol consderat. L unca stazone che presenta dfferenze d maggore enttà, peraltro d poco superor al cm, è CUCC, che presentava n effett osservazon partcolarmente rumorose ed ha subto una pultura de dat attuata con dfferent crter da 3 Centr d Calcolo. Tale stazone sarà sosttuta ne successv calcol qualora permangano le problematche rscontrate. 11. Rcalcolo della rete IGM95 nel nuovo Sstema La rete IGM95 rsulta affetta, nel rfermento ERTF89, da deformazon local che, anche se d pccola enttà (non oltre l decmetro), hanno mpedto l aggornamento delle coordnate con semplc rototraslazon. E stato qund necessaro collegare una parte delle stazon della RDN a punt della rete IGM95 d mpanto, coè a que punt, sttut fra l 1992 e l 1996, che hanno partecpato al calcolo d compensazone fondamentale. 9

10 DIFFERENZE LATITUDINE [sec] (F2000-F89) Lattudne [sessadec] Longtudne [sessadec] Fg. 4a Dfferenze n lattudne fra ETRF2000 e ERTF89 DIFFERENZE LONGITUDINE [sec] (F2000-F89) Lattudne [sessadec] Longtudne [sessadec] Fg. 4b Dfferenze n longtudne fra ETRF2000 e ERTF89 10

11 DIFFERENZE ALTEZZA [m] (F2000-F89) Lattudne [sessadec] Longtudne [sessadec] Fg. 4c Dfferenze n altezza fra ETRF2000 e ERTF89 Le stazon permanent collegate sono 45 (n verde nel grafco allegato 1), selezonate n modo da avere una omogenea dstrbuzone sul terrtoro, con partcolare rguardo alle zone margnal al fne d contenere la propagazone degl error. Cascuna delle 45 stazon è stata collegata a non meno d 3 punt IGM95 lmtrof msurando altrettante baselne GPS. La stabltà de punt IGM95 utlzzat per l rattacco è stata verfcata chudendo polgon costtut dalle bas msurate n aggunta a quelle d mpanto; tale controllo ha consentto anche d verfcare la possbltà d mantenere buone precson utlzzando conguntamente bas msurate n temp dvers. Unendo qund le nuove bas d collegamento alla compensazone d mpanto, e fssando le 45 stazon permanent, utlzzando l software GEOLAB, è stata rcalcolata a mnm quadrat l ntera rete IGM95. In caduta sono stat rcalcolat tutt successv raffttment della rete, fno alla totaltà degl oltre 4000 punt IGM95 fno ad ogg realzzat. 12. Aggornamento de software Verto per l passaggo fra Sstem Il confronto fra le coordnate ne due Sstem d tutta la rete ha consentto la defnzone delle grgle, grafczzate n fgura 4, necessare per l passaggo fra Sstem ETRF89 ed ETRF2000. Le grgle sono state calcolate a partre dalle dfferenze ϕ e λ d tutt punt stmando, per mezzo d un algortmo pseudo-nterpolatore, una superfce approssmante secondo l prncpo della mnma curvatura, dsponble nel software Surfer7. L algortmo suddetto applca dapprma un semplce modello d regressone pana a mnm quadrat con stma de coeffcent a, b e c, del tpo: ax + by + c Z generando resdu v su punt not: 11

12 Successvamente resdu v vengono nterpolat col vero e propro algortmo d mnma curvatura tramte una funzone 1 : g X, Y v dove: Infne vengono determnat resdu fnal w : ( ax + by c) v = Z + ( ) ( X, Y ) = Z f ( X Y ) w = v g, ( X, Y ) = ax + by + c g( X Y ) f +, rappresenta la superfce nterpolata fnale che vene fornta tramte valor relatv ad una grgla regolare con passo scelto dall utente. Applcando dunque l algortmo d approssmazone del software Surfer7, e partendo dalle matrc rregolar delle dfferenze, sono stat generat tre grglat regolar, uno per la lattudne, uno per la longtudne e uno per la quota, che rappresentano le rspettve superfc nterpolant, grafczzate a curve d ugual dfferenza nelle fgure 4. La procedura d approssmazone ha, come noto, la caratterstca d lascare resdu su punt not, che n questo caso rsultano però d enttà realmente pccola (vds. fg. 5): l 99% de resdu è nferore ad 1 centmetro n planmetra, nferore ad 2 centmetro n quota. Resdu n planmetra su 4517 punt Res. Lat Res. Long. numero d punt resdu n mm Fg. 5a Dstrbuzone de resdu n planmetra 1 L algortmo produce, per pass d terazon successve a partre dalla grgla (qualsas) de dat d partenza v, una grgla fnale, base della soluzone approssmata g (realzzata localmente con le cosddette funzon splnes n tensone ) dell equazone dfferenzale barmonca modfcata, con opportune condzon al contorno, ( 1 λ ) ( g) λ g = 0 (dove λ è l cosddetto parametro d tensone nterna), che descrve n sostanza l comportamento d una lamna elastca sem-rgda sottoposta a tensone e a vncol. 12

13 Resdu n quota su 4517 punt Res. n quota numero d punt rsudu n mm Fg. 5b Dstrbuzone de resdu n quota Data la pccola enttà de resdu, rspetto agl e.q.m. tpc de punt IGM95, è stato decso d modfcare le coordnate ETRF2000 della rete IGM95 accordandole con rsultat della grgla, n modo tale da non avere resdu. Le monografe de punt IGM95 con coordnate nel sstema ETRF89 (fno ad ora mpropramente chamato WGS84) possono essere aggornate sommamdo algebrcamente a valor d lattudne, longtudne, quota ellssodca, coordnate pane UTM (Nord ed Est) della scheda le quanttà fornte per cascun punto nella sezone apposta del sto web del Servzo Geodetco, Le 3 grgle così calcolate sono state mplementate ne software della sere Verto, consentendo la realzzazone d verson aggornate che ncludono anche l nuovo sstema ETRF2000. In partcolare le 3 verson d Verto fno ad ora n cessone sono state aggornate, rspettvamente: la versone: Verto2+ nella versone: Verto2k la versone: Verto2mla nella versone: Verto2ks la versone: Verto3 nella versone: Verto3k Le verson aggornate sono scarcabl gratutamente dal sto nternet dell IGM e funzonano con la stessa chave hardware delle rspettve vecche verson. Anche le grgle sono state aggornate, rspettvamente: la versone: *.GR1 nella versone: *.GK1 la versone: *.GR2 nella versone: *.GK2 Le nuove grgle, caratterzzate dalla lettera k, contengono anche valor relatv al Sstema ETRF2000 e funzonano solo con nuov software, anch ess rconoscbl dalla lettera k. Per quanto rguarda Sstem ROMA40, ED50 e ETRF89 (mpropramente chamato fno ad ora 13

14 WGS84) e per la parte altmetrca (quote sul lvello del mare) le verson aggornate (software e grgle k ) fornscono rsultat dentc a quell delle vecche verson. 14