Analysis and research results of GNSS data representativeness in estimation of modern horizontal motion of the earth’s surface (on the example of Europe’s territory)

Abstract

Проаналізовано сучасний стан використання GNSS-даних для вирішення завдань геодинаміки, дослідженням ступеня придатності даних для оцінювання регіональних рухів земної поверхні з позицій критеріїв їхньої точності та тривалості спостережень, понад яку вони здатні забезпечити репрезентативні результати оцінювання. Методика. Мету досліджень вмотивовано відсутністю однозначно встановлених показників руху літосферних плит, відмінностями стратегій опрацювання спостережень і відповідного програмного забезпечення, неврегульованістю встановлення мінімальної тривалості спостережень, а також потребою збільшення густоти покриття територій і залучення великої кількості станцій для деталізації тектонічних моделей, деформаційного аналізу, районування територій і виявлення аномальних зон потенційно небезпечних геологічних процесів. Вхідними даними обрано три загальнодоступні бази часових координатних рядів станцій у межах Євразійської плити на території Європи, які розміщені в архіві SOPAC: база даних SIO, сформована опрацюванням спостережень у програмному комплексі GAMIT-GLOBK (177 станцій), і дві бази даних JPL (204 станції), де координатні ряди одержано опрацюванням спостережень у програмному комплексі GIPSY-OASIS і комбінованим QOCA-розв’язком. Емпіричним дослідженням осібно для кожної бази даних підлягали координатні ряди протягом 1.01.2005–1.01.2015 рр. з дискретизацією в один місяць. Суть експерименту полягала у визначенні таких інтегрованих показників руху досліджуваної поверхні як середні вагові лінійні зміщення, довжини і напрямки векторів і швидкості руху. Ці показники обчислені за усіма станціями, а також після їх вибраковування за двома формальними критеріями репрезентативності: 1) абсолютні значення зміщень станцій перевищують їхні середні квадратичні похибки; 2) абсолютні значення зміщень перевищують їхні граничні похибки. З погляду таких критеріїв виявлено станції, які вибраковувались найчастіше, тому повинні підлягати ретельному індивідуальному аналізу за їх використання для потреб геодинаміки. Результати. Результати експерименту показали, що мінімальна тривалість спостережень не є сталою величиною і повинна встановлюватись для кожного емпіричного набору даних. За найоптимістичнішими оцінками досягнення міліметрового рівня точності показників руху можливе при тривалості спостережень понад 2.5 років за умови використання координатних часових рядів бази даних JPL (QOCA). Такий термін досягається за обома критеріями вибраковування для періоду спостережень 2005– 2008 рр., який наближено вкладається у межі офіційних ITRF-реалізацій. Досягнення сантиметрового рівня точності за таких самих умов можливе вже понад термін 0,8 року. Для усього десятилітнього дослідного періоду вказані терміни більш ніж подвоюються. Такі великі розбіжності не знайшли іншого пояснення, крім того, що є наслідком руху і не скорегованого поточного положення початку відліку референцної системи ITRS. Наукова новизна і практична значущість. Одержаний результат вказує на необхідність запровадження новітньої ITRF-реалізації і більш частого коригування положення початку відліку. За умови дотримування зазначених мінімальних термінів спостережень вибраковування за граничним критерієм недоцільне як таке, що зумовлює відсіювання великої кількості станцій. Результати експерименту посвідчили переваги QOCA-розв’язків, порівняно з GIPSY-OASIS та GAMIT-GLOBK, з погляду використання часових координатних рядів для потреб геодинаміки.

This article analyses the modern usage of GNSS data for solving problems in geodynamics and examines the level of data suitability for estimation of regional motion and deformations of the Earth’s surface according to their accuracy and the overall time of observation during which the representative estimation results can be provided. Method. This research was prompted by the following factors: absence of clearly established motion parameters of lithospheric plates; different strategies in processing observations and related software; unregulated minimum duration of observations; the need to increase the density of the area coverage; the need to use numerous stations for specification of tectonic models, deformation analysis, area zoning, and identification of anomalous zones of potentially dangerous geological processes. As input data, we chose three public bases of time coordinate series of stations within the Eurasian plate in Europe that are in the SOPAC archive: SIO database, formed as a result of processed observations in GAMIT-GLOBK (177 stations), and two JPL databases (204 stations) where coordinate series are obtained by processing observations using GIPSY-OASIS and combined QOCA-solution. Subject to empirical investigation for each database were coordinate series during the period 1.01.2005–1.01.2015 with a one month sampling interval. The experiment aimed at determining such integrated motion parameters of the surface under study like the weighted arithmetic linear offsets, vector length and direction, and velocity. These parameters are computed for all stations after their culling according to two formal representativeness criteria: 1) absolute values of stations offsets are greater than their average squared errors; 2) absolute values of an offset are greater than their marginal errors. According to these criteria, we determined stations that were culled most often and, thus, needed to thoroughly and individually analyzed during their usage for the purposes of geodynamics. Results. The experiment results showed that the minimal duration of observations is not constant and must be determined for each set of empirical data. According to the most optimistic estimates, the millimeter accuracy of motion parameters computation can be achieved after more than 2.5 years observation and usage of coordinate time series of the JPL (QOCA) database. This period is achieved using both criteria for culling of the observation period of 2005–2008 that approximately fits the limits of the official ITRF version. The centimeter accuracy under the same conditions can be achieved after more than 0.8 of a year. For the entire 10 year research period, the specified periods are more than doubled. The only explanation for such considerable differences is that they are the consequence of the motion and unadjusted position of the origin of the ITRS. The scientific novelty and practical significance. The obtained results indicate that there is a need to introduce a modern ITRF and to adjust the position of the origin more frequently. If the specified minimal periods are adhered to, the culling according to the marginal criterion is inappropriate because as a result many stations are discarded. The experiment results proved the advantages of QOCA solutions in terms of usage of the obtained coordinate time series comparing to GIPSY-OASIS and GAMIT-GLOBK.