GNSS ile Elipsoit Yükseklik Tayini ve Katı Yer Gelgit Modellerinin Belirlenen Elipsoit Yüksekliklerine Etkisi

Transkript

1 GNSS ile Elipsoit Yükseklik Tayini ve Katı Yer Gelgit Modellerinin Belirlenen Elipsoit Yüksekliklerine Etkisi ÖZET Soner ÖZDEMİR, Mustafa KURT, Bahadır AKTUĞ Harita Genel Komutanlığı, Ankara Harita Genel Komutanlığınca TUTGA, TUSAGA ve TUSAGA-Aktif projeleri kapsamında elde edilen sabit ve kampanya tipi GNSS ölçüleri Bernese ve GAMIT/GLOBK yazılımları ile değerlendirilmektedir. GNSS teknolojisi kullanılarak elde edilen elipsoit yüksekliklerinin hassasiyeti ortometrik yüksekliklerin hassasiyetine doğrudan etki etmektedir. Harita Genel Komutanlığında yapılan değerlendirme sonucunda sabit istasyon verileri kullanılarak düşey koordinatlar için ~5-6 mm lik wrms değerleri elde edilmektedir. Kampanya tipi verilerle ise yaklaşık mm lik wrms değerleri elde edilmektedir. Düşey koordinatlar analiz edilirken göz önünde bulundurulması gereken önemli bir konu Katı Yer Gelgit etkisidir. Karasal gelgitin Türkiye deki kalıcı etkisi maksimum ~2 cm dir. ABSTRACT GNSS observations obtained within TNFGN, TNPGN and TNPGN-Active projects are analyzed with Bernese and GAMIT/GLOBK softwares by General Command of Mapping. Precision of the orthometric heights has a direct relationship with the precision of the ellipsoidal heights acquired by using GNSS technology. Wrms values of ~5-6 mm for vertical coordinates are obtained by using permanent GNSS observations while wrms values are of mm by using campaign type observations. An important point that should be considered in the analysis of vertical components is the Tidal Effect of Solid Earth. Maksimum Permanent Tide Effect in Turkey is ~2 cm. 1. GİRİŞ GNSS teknolojisi Harita Genel Komutanlığının jeodezik faaliyetlerinde 1990 lı yılların başından bu yana yoğun olarak kullanılmaktadır. Başlangıçta bölgesel olarak gerçekleştirilen çalışmalar özellikle 1999 yılında Türkiye Ulusal Temel GPS Ağı (TUTGA) nın kurulması ve her türlü haritacılık faaliyetine altlık teşkil edecek şekilde bir ülke temel nirengi ağı olarak kullanılmaya başlanmasının ardından ulusal bir boyut kazanmıştır. Bu kapsamda yılları arasında 80 in üzerinde kampanya tipi GPS ölçüsü gerçekleştirilmiş ve tüm ülke için en hassas koordinat ve hız alanı belirlenmeye çalışılmıştır. Diğer yandan 1990 yılında kurulan Ankara sabit GNSS istasyonu ile başlayan sabit GNSS istasyonu kurma çalışmaları 1999 yılında başlayan Türkiye Ulusal Sabit GPS İstasyonları Ağı (TUSAGA) projesiyle hız kazanmış, 2008 yılından itibaren faaliyete geçen TUSAGA-Aktif projesiyle tüm ülkeyi kapsayan homojen dağılımlı 146 Sabit RTK İstasyonu ile yeni bir anlam kazanmıştır. Her ne kadar TUSAGA-Aktif verileri epizodik ölçüler kadar geniş bir zaman aralığına yayılmasa da eşsiz bir mekansal çözünürlük ve süreklilik sağlamaktadır. TUSAGA-Aktif sisteminde koordinatlar Türkiye Ulusal Referans Sisteminde (TUREF, ITRF96 epok:2005) yayınlanmaktadır. Hangi yöntemle elde edilmiş olursa olsun GNSS teknolojisi kullanılarak elde edilen düşey koordinatların hassasiyeti, bu teknolojinin doğası gereği yatay koordinatların hassasiyetinden daha düşüktür. Ülkemizde jeoit modeli olarak halen, gravimetrik yöntemlerle elde edilen jeoidin GPS- Nivelman tekniği kullanılarak iyileştirilmesi ile oluşturulan bir hibrid jeoit kullanılmaktadır. Türkiye Ulusal Düşey Kontrol Ağı (TUDKA) tüm ülkeyi kapsayacak sıklıkta olamayacağı için, arazideki bir kullanıcı genellikle ihtiyacı olan ortometrik yükseklik değerlerini, GNSS ile elde ettiği elipsoit yüksekliklerinden söz konusu jeoit yüksekliklerini çıkararak elde etmektedir. Bu nedenle elde edilen ortometrik yüksekliklerin hassassiyeti jeoit modelinin hassasiyetiyle olduğu kadar elipsoit yüksekliklerinin hassasiyetiyle de doğrudan ilişkilidir. 1

2 2. İNCELEME Harita Genel Komutanlığında GNSS verileri Bernese V.5.0 (Hugentobler et al. 2005) ve GAMIT/GLOBK V (King and Bock, 2005; Herring, 2005) yazılımları kullanılarak analiz edilmektedir. Genel olarak kampanya tipi veriler Bernese yazılımı ile analiz edilirken sabit istasyon verileri GAMIT yazılımı ile analiz edilmektedir. Bu yaklaşımda aynı tip verilerin aynı yazılım ve stratejilerle analiz edilmesine dayanan tutarlılık ilkesinin etkisi söz konusudur. GNSS teknolojisi ile konum belirlemede, kullanılmaya başlandığı ilk günden günümüze değin hassasiyeti artırıcı büyük gelişmeler olmuştur. Sürekli yeni yaklaşım ve modeller ortaya çıkmakta, kullanıcılara daha hassas ürünler sunulmaktadır. Buna örnek olarak 2006 yılından itibaren uydu ve alıcı antenleri için kullanılan göreli anten faz merkezi düzeltmelerinin yerine mutlak düzeltmelerin kullanılması gerekliliğinin ortaya çıkması verilebilir. GAMIT yazılımı ile gerçekleştirilen sabit istasyon analizlerinde kullanılan yaklaşım ve bazı ürünler aşağıdaki gibidir: Kullanılan Yörünge: IGS Duyarlı yörünge (sp3) Yer Dönüklük Parametreleri: USNO_Bull_A Okyanus Yükleme Etkisi Modeli: FES2004 Zenit Gecikmesi İçin: Saastamoinen Troposfer Modeli Kuru/Islak Atmosfer İçin: GMF İndirgeme Fonksiyonu Solid Earth Tide: IERS2003 Atmosferik Yükleme Etkisi: Kullanılmamaktadır. Ölçüler günlük olarak değerlendirilmekte ve her gün için parametre tahminleri ve kovaryansları içeren gevşek zorlamalı çözüm sonuçları elde edilmektedir. Daha sonra SOPAC analiz merkezlerince analizi tamamlanmış dünyadaki tüm IGS istasyonlarını içeren günlük GAMIT çözümleri kullanılarak global stabilizasyon gerçekleştirilir. Referans sistemi tanımlamada IGS core istasyonlarından yararlanılır ve 7 parametreli dönüşüm gerçekleştirilir. Global stabilizasyonda ortalama 2-3 mm karesel ortalama hata elde edilmektedir. Daha sonra koordinat zaman serileri incelenerek kaba hatalar ayıklanır ve nokta hızlarının hesaplanması için günlük çözümler gevşek kısıtlı olarak aylık bazda birleştirilir. Son olarak GLOBK modülü kullanılarak nokta koordinatları, hızlar, yörünge ve yer dönme parametreleri belirlenmektedir. Burada dikkati çekebilecek husus atmosferik yükleme etkisinin (Tregoning and van Dam, 2005) uygulanmıyor olmasıdır. Diğer yandan GLOBK ile koordinat ve hız belirlemeden önce günlük çözümler aylık olarak birleştirmek istenmeyebilir. Bu şekilde kötü bir günlük çözümün aylık ortalamalara etki etmesinin önüne geçilebilir. Yine bir başka konu, artık Uluslararası GNSS Servisinin (IGS) yayınladığı ürünlerin oldukça yüksek hassasiyette oluşudur. Bu nedenle yörünge parametreleri analiz sırasında hesaplanmak yerine IGS tarafından sağlanan hassas yörünge parametreleri çözüme bilinen değerler olarak alınabilir. Ancak söz konusu tüm bu yeni model, ürün ve yaklaşımların kullanımı mevcut tüm veri kümesinin en baştan aynı stratejilerle yeniden değerlendirilmesi hususunu beraberinde getirmektedir. Fakat IGS tarafından dahi gerçekleştirilen yeniden değerlendirme (reprocess) çalışmalarının yaklaşık 2 yıl sürdüğü göz önünde bulundurulursa, böyle bir yeniden değerlendirme çalışmasının zorluğu ve bunun için gerekli makine ve iş gücü daha iyi anlaşılabilir. Harita Genel Komutanlığınca bu tip bir yeniden değerlendirme faaliyeti gelecek planları arasında yer almaktadır. Mevsimsel, bölgesel, yer kabuğu hareketleri gibi etkiler göz önünde tutulduğunda sabit istasyonlar için doğru bir koordinat zaman serisi analizi için minimum yıl tercihen 5 yıl geçmesi gerekmektedir yılı ikinci yarısından itibaren kurulmaya başlanan TUSAGA-Aktif istasyon verileri 3 yılı aşmışken Harita Genel Komutanlığınca işletilen kimi TUSAGA istasyonlarının 10 yıldan fazla verisi bulunmaktadır. Tablo 1 de bazı TUSAGA ve TUSAGA-Aktif istasyon koordinatlarına ait karesel ortalama hata değerleri ve kaç yıllık verileri olduğu görülmektedir. Kırmızı renkte olan istasyonlar TUSAGA-Aktif, siyah renkli istasyonlar TUSAGA istasyonlarıdır. 2

3 Tablo-1. Bazı TUSAGA ve TUSAGA-Aktif İstasyonlarına ait RMS değerleri İstasyon Wrms (mm) Nrms (mm) Yıl N E U N E U SINP TRBN ZONG CESM ANTL SILF MIHA ESME AKHI KNYA ANKR Tablo 2 de ise Tablo 1 de kırmızı renkle belirtilen TUSAGA-Aktif istasyonlarına yakın ve kampanya tipi ölçüleri bulunan bazı mareograf istasyonlarına ait karesel ortalama hata değerleri, kaç yıllık verileri olduğu ve epok sayıları görülmektedir. Tablo-2. Bazı Mareograf İstasyonlarına ait RMS değerleri İstasyon Wrms (mm) Nrms (mm) Yıl Epok N E U N E U Sayısı SNOP TRBZ AMSR MENT ANTG ERDM Tablo değerleri incelendiğinde, epok sayısı ne olursa olsun kampanya tipi veriler ile ulaşılabilecek hassasiyetin sabit istasyonlarla ulaşılabilecek hassasiyetten düşük olduğu görülmektedir. Sabit verilerle kuzey ve doğu bileşenleri için ortalama ~2 mm lik wrms değerleri elde edilirken yükseklik bileşeni için bu değer ortalama ~5-6 mm olmaktadır. Öte yandan çok daha uzun süreli verisi olan TUSAGA istasyonları ile ulaşılabilen RMS değerleri de TUSAGA-Aktif istasyonları ile yaklaşık aynı seviyelerdedir. Buradan TUSAGA-Aktif istasyonları için gerekli zamansal çözünürlüğe ulaşıldığı sonucu çıkarılabilir. Mareograf istasyonlarına ait RMS değerleri incelendiğinde ise kuzey ve doğu bileşenleri için 3-10 mm RMS değerleri, yükseklik bileşeni için ise yaklaşık mm lik RMS değerleri elde edildiği görülmektedir. Şekil 1 de Sinop ve Trabzon da bulunan SINP ve TRBN TUSAGA-Aktif istasyonları ile SNOP ve TRBZ Mareograf istasyonlarının koordinat zaman serileri görülmektedir. 3

4 SINP TRBN Şekil-1. SINP, TRBN, SNOP ve TRBZ istasyonlarının koordinat zaman serileri Koordinat zaman serilerinin düşey bileşeni analiz edilirken dikkat edilmesi gereken önemli bir husus Yerin kullanılan toplam gelgit (tidal) etkisidir. Bu etki katı Yer tide (solid earth tide) modeli ve okyanus modeli ile hesaplanır. Okyanuslara nazaran daha rijit bir yapıda olan katı Yerin gelgit etkisini hesaplamak daha kolaydır. Harita Genel Komutanlığınca Bernese ve GAMIT yazılımlarıyla yapılan analizlerde IERS2003 (Mc-Carthy and Petit, 2004) katı Yer gelgit modeli kullanılmaktadır. Modellenmeyen periyodik sinyaller (okyanus yüklemesi ve katı Yer modelindeki hatalar gibi) GPS koordinat zaman serilerine farklı ölçeklerde etki edebilmektedir (Penna and Stewart 2003). Katı Yer etkisi nokta koordinatlarında ~0.4 m. ye varan yer değiştirmelere sebep olabilmektedir (Lambeck, 1988). Katı Yer gelgit modelleri arasındaki farklar ve bu modellerin koordinat zaman serileri üzerindeki etkileri hakkında fazla çalışma yapıldığı söylenemez. Katı Yer gelgit modellerinin 4

5 potansiyel etkisi Hugentobler (2004) tarafından Bernese yazılımında bir kod hatası keşfedildiğinde ortaya çıkmıştır. Günün saatininin kesirli bölümünü hesaplamada yapılan bir hata katı Yer modelinde önemli hatalara sebep olmuş bu da zaman serisinde karmaşık bir periyodik sinyal ortaya çıkarmıştır. Bu hatanın büyüklüğü enlemin bir fonksiyonu olarak değişmektedir (Hugentobler, 2004). Şekil 2 de Ankara için hesaplanmış Katı gelgit değerleri görülmektedir. Şekil Aralık 2011 tarihinde Ankara için hesaplanan Katı Gelgit Değerleri Şekil incelendiğinde Katı gelgit etkisinin özellikle yükseklik koordinat bileşeninde önemli yer değiştirmelere sebep olduğu görülmektedir. Zamana bağlı olarak yükseklik bileşeninde 20 cm ye varan değişimler gözlenmektedir. Diğer yandan bu etki kuzey ve doğu bileşenleri için yaklaşık 5 cm mertebesindedir. Karasal getgitin kalıcı kısmı (permanent) enleme bağlı olarak değişmektedir (Şekil 3). Karasal gel-git in Türkiye deki kalıcı etkisi maksimum ~2 cm dir (Şekil 4). 5

6 Şekil-3. Kalıcı karasal gelgit in enleme bağlı olarak değişimi Şekil-4. Kalıcı karasal gelgit in Türkiye enlemlerindeki etkisi 6

7 3. SONUÇLAR Harita Genel Komutanlığında genellikle kampanya tipi GNSS verileri Bernese yazılımı ile sabit GNSS verileri ise GAMIT/GLOBK yazılımı ile değerlendirilmektedir. Tutarlılık açısından analiz sırasında her iki yazılımda da aynı model, yaklaşım, ürün ve stratejiler kullanılmaya çalışılmaktadır. GNSS teknolojisi ile elde edilen düşey koordinatların hassasiyeti yatay koordinatların hassasiyetinden düşüktür. Düşey koordinatların hassasiyeti ortometrik yüksekliklerin hassasiyeti ile doğrudan ilişkilidir. Düşey koordinatların analizinde göz önünde bulundurulması gereken önemli bir husus Katı Yer Gelgit etkisidir. Harita Genel Komutanlığınca gerçekleştirilen analizlerde bu etki göz önünde bulundurulmakta ve IERS 2003 modeli kullanılmaktadır. Referanslar Aktuğ, B., ITRF Hız Alanı ve Göreli Hız Referans Sistemlerine Bakış, Harita Dergisi, Temmuz, 2003, Ankara. Aktuğ, B. vd. (2011), Türkiye Ulusal Temel GPS Ağı Güncel Koordinat ve Hızlarının Hesaplanması, Harita Dergisi, Ocak, 2011, Ankara. Altamimi, Z., Sillard, P., Boucher, C., ITRF2000: A New Release of the International Terrestrial Reference Frame for Earth Science Applications, Geophysical Research Letters, Vol.107, No.B10, pp2214, Dong, D., Fang, P., Bock, Y., Cheng, M. K., and Miyazaki, S. (2002), Anatomy of apparent seasonal variations from GPS-derived site position time series, J Geophys Res, 107(B4), 2075, DOI: /2001JB Herring, T. A. (2005). Documentation for the Global Kalman Filter VLBI and GPS Analysis Software (GLOBK), Version Massachusetts Institute of Technology, Cambridge, Massachusetts. Herring, T. A. and Schubert, G., (2009), Treatise on Geophysicsi 1st ed, Elsevier Press, Amsterdam. Hugentobler, U Bernese GPS Software: Error in Computation of Tides. BSW Electronic Mail. King, R., and Bock, Y. (2005). Documentation for the GAMIT GPS Analysis Software, Version Massachusetts Institute of Technology, Cambridge, Massachusetts. Lambeck, K. (1988). Geophysical Geodesy: The Slow Deformations of the Earth. Oxford Science Publications. 718pp. McCarthy, D., and Petit G. (eds). (2004). IERS Conventions (2003). IERS Technical Note No 32. Melchoir, P. (1983). The Tides of the Planet Earth. 2nd ed, Pergamon Press, Oxford, 641pp. Ozdemir, S. (2009). TUTGA (2009) GPS Kampanyası Değerlendirme Raporu, GPS Hesaplama Çalışmaları Raporu, JEO-01-09, Jeo.D.Bşk.lığı, Ankara. Tregoning, P., and van Dam, T. (2005), Atmospheric pressure loading corrections applied to GPS data at the observation level, Geophys Res Lett, 32. 7