A műholdas helymeghatározás egyik érdekes tudományos alkalmazását mutatjuk be, hazai kutatási eredmények alapján.
A GPS szélső pontosságot igénylő alkalmazásai, úgy mint a geofizikai célú mozgásvizsgálatok vagy a geodéziai referencia hálózatok fenntartása világ-, kontinentális ill. országos szinten összehangolt GPS állomáshálózatok üzemeltetését követelik meg. E hálózatokban a mérések folyamatos feldolgozása biztosítja a rendszer monitorozását, globális szinten (IGS – Nemzetközi GPS Szolgálat) cm-pontos műhold pályát, kontinentális szinten (pl. EPN – EUREF Permanens Állomáshálózat) a műholdas geodéziai vonatkozási rendszer fenntartását, fejlesztését (ez Európában az ETRS89), országos szinten pedig a már jól definiált vonatkozási rendszerben mérési adatok és egyre inkább valós időben sugárzott ún. mérési korrekciók szolgáltatását (erre példa a hazai GPSnet.hu rendszer). Ez utóbbi szolgáltatás teszi lehetővé az azonnali (ún. valósidejű) szub-méteres (DGPS) ill. cm-es (RTK) pontosságú helymeghatározást.
Európában az 1996-ban kb. 50 állomással indult EPN ma már több mint 160 permanens GPS állomást foglal magába (részletek az EPN-ről a www.epncb.oma.be weboldalon találhatók). A GPS méréseket 16 Analízis Központ koordináltan dolgozza fel, egyik ilyen Központ 2001 óta a FÖMI Kozmikus Geodéziai Obszervatóriumában (KGO) a Magyar Űrkutatási Iroda (MŰI) támogatásával működik. A munka elsődleges terméke heti felbontásban minden állomásra előállított koordináta idősor, amely alapját képezi a további kutató/fejlesztő munkáknak. A több évet átfogó idősorok alapján nagy megbízhatósággal meghatározható az egyes állomások éves koordináta változása, azaz a földkéreg (esetünkben az eurázsiai kéreglemez) mozgását leíró modellhez viszonyított sebessége is. Miután azonban a legtöbb EPN permanens állomás állandósítása (épületek tetején helyezik el őket) nem felel meg a mozgásvizsgálati követelményeknek az esetleges sajátmozgás miatt az állomások monitorozása mind a geodéziai vonatkozási rendszer szélső pontosságú fenntartása, mind a tektonikai értelmezéssel foglalkozó kutatók számára kiemelkedően fontos.
Ráadásul a közel évtizedes működés alapján megtapasztaltuk, hogy számos környezeti hatás (ezalatt a GPS antenna környezetében a GPS holdakról érkező jelek terjedését befolyásoló hatásokat kell érteni, mint a többutas jelterjedés/jelvisszaverődés, az antenna alkalmi hófedettsége, a jelterjedést kitakaró tereptárgyak, növényzet változása, a jelvételt zavaró interferencia), az állomás műszerezettségének (antenna, vevő), sőt a GPS vevőben levő belső szoftver változtatása is az idősorban egyedi kiugró adatokat, lépcsős függvény jellegű ugrásokat okoz, sőt éves periodicitást és/vagy nem valós trendet építhet be. Hasonló hatása van a mérések feldolgozása során alkalmazott modellek, stratégiák változtatásának is! Minél régebb óta működik egy állomás, annál nagyobb a valószínűsége, hogy valamely zavar megjelenik az idősorában. Az ábrán hazai példaként bemutatott PENC állomás idősorában a legszembeötlőbb az 1220-as GPS hétnél az antenna és vevőcsere hatása, amely a magassági komponensben közel 2 cm-es ugrást okozott. De láthatunk még "alkalmi" kiugró értékeket és ismeretlen eredetű kisebb koordináta ugrásokat is. Az EPN weboldalának idősor fejezetében számos és különleges példáját láthatjuk az idősorokban tapasztalható természetes ill. mesterséges eredetű hatásoknak.
A koordináta idősorokban megjelenő lineáris trend feleltethető meg az adott állomás sebességének. A geofizikai értelmezést könnyíti, ha az egyes állomások egymáshoz képesti ill. valamely modellhez viszonyított sebességét használjuk, ezért pl. Európa esetében az Eurázsiai kőzetlemez kb. 2.5 cm/év ÉK irányú mozgását levonjuk a számított értékekből (valamennyi bemutatott idősor esetében ezt már megtettük). Könnyen átlátható, hogy a sebesség és hibájának becslését irreálissá teszik a kiugró értékek, ugrások és a nemlineáris időbeli hatások. Az állomások legalább 20%-ánál, elsősorban a magassági összetevőben jelen van egy évszakos periodicitás. Matematikailag is belátható, hogy pl. egy tiszta egyéves periodikus hatás mellett legalább 3 éves adatsor kell a megbízható sebesség meghatározásához! Nemzetközi vizsgálatok szerint ezen évszakos hatás kb. 40%-a magyarázható, modellezhető ismert fizikai hatókkal (pl. légnyomás, talajvíz, csapadék időbeli változása), a többi oka nem ismert. Ebben szerepet játszhatnak a GPS analízis hiányosságai (pl. antenna modellek) is.
A reális sebességbecslés érdekében az idősorokat célszerű megtisztítani a zavaró hatásoktól. Ennek elemi lépése a kiugró értékek és ugrások eltávolítása, ami sajnos csak részben automatizálható. Figyelembe kell venni minden állomás sajátosságait és csak azokat az ugrásokat eltávolítani, amelyeknek ismert fizikai háttere van (pl. műszercsere). E feladat elvégzésére az EPN hálózaton belül magyar kezdeményezésre, a KGO vezetése alatt és a MÜI támogatásával egy projekt jött létre 2000-ben. A projekt célja az EPN állomások idősorának folyamatos monitorozása, a zavaró hatások azonosításával az idősorok “megtisztítása” és megbízható sebességek számítása. A projekt keretében elvégeztük valamennyi EPN állomás teljes mérési anyagának 1996-ig visszamenőleges vizsgálatát, összeállítottuk és az interneten közzétettük a kiszűrt kiugró adatok (közel 140) és ugrások (több mint 60) katalógusát. Az EPN weboldalán egy külön fejezet mutatja be az eredményeket. A számszerű eredmények mellett az ún. javított idősorokat is megjelentettük a fenti weboldalakon. Példaképpen itt is bemutatjuk PENC állomás javított idősorát.
A geofizikai értelmezéshez a sebességek konkrét értékei mellett azok pontossági mérőszáma is lényeges információt tartalmaz. A legkisebb négyzetek módszerére alapozott kiegyenlítési eljárások (ilyen a teljes feldolgozás során használt Bernese szoftver is) a nagyszámú fölös mérés miatt egy rendkívül optimista hibabecslést adnak, ami nem tükrözi a valóságot. Jelenleg már vizsgálat alatt van az egyéb statisztikai módszerek (pl. a ‘maximum likelihood’ eljárás) adaptációja, hogy statisztikailag is korrekt hibabecslést adhassunk a becsült sebességeknek.
Kenyeres Ambrus Kapcsolódó linkek:
PENC állomás koordináta idősora (1996-2004)
PENC állomás korrigált idősora (1996-2004)
A projekt keretében meghatározott, az Eurázsiai kőzetlemezhez viszonyított sebességek
FÖMI Kozmikus Geodéziai Obszervatórium