Földrajzi helymeghatározás

Átírás

1 Földrajzi helymeghatározás Feladata az álláspont F és L szintfelületi földrajzi koordinátáinak meghatározása. Ez az álláspont helyi függőlegese térbeli irányának meghatározását jelenti a Földhöz kötött, vele együttforgó földi térbeli derékszögű koordináta-rendszer (ITRS, korábban CIO) alapirányaihoz viszonyítva

2 Földrajzi helymeghatározás

3 Szintfelületi földrajzi szélesség és hosszúság együttes meghatározása A meghatározás elve A számítás lépései Fotografikus zenitkamerák Digitális zenitkamerák Geodéziai alkalmazások BME QDaedalus mérések Szintfelületi azimut meghatározása

4 A meghatározás elve függőleges tengelyű kamarával mérőképet készítünk a Zenitpont környezetében lévő csillagokról észlelési időpontot rögzítjük UTC-ben a Zenitpont δ Zenit deklinációját és α Zenit rektaszcenzióját meghatározzuk a mérőkép kiértékelésével (δ Zenit, α Zenit )-et átszámítjuk ITRS-be: (F, L )

5 A zenitkamera és a mérőkép

6 Zenitpont átszámítása ITRS-be

7 Átszámítás lépései Zenit z P x P y Λ Φ, z y x R y R x =R Z Y X ), ( (GAST) ) ( ) ( ad ú ú ú û ù ê ê ê ë é - - ú ú ú û ù ê ê ê ë é UT1= UTC+(UT1 UTC) UT1 IAU 1982 GMST precesszió, nutáció GAST

8 TZK1 fotografikus hordozható zenitkamera (1975, IfE, Hannover)

9 A TZK1 főbb részei és a feldolgozás kamera (f = 80 cm, Ø = 16 cm, látómező: 4.5 ) kvarcóra (1 ms pontosság, ~0.5 m, ~0.02") dőlésmérők (TALYVEL) fotolemez kiértékelés (PK1 Zeiss monokomparátor, 0.5 µm pontosság) mérési pontosság: ±0.3 - ±0.5 (1 felvétel), ±0.2 - ±0.3 (4 felvétel) 30 perc mérési idő 3-5 óra feldolgozás

10 TZK2-D (IfE), DIADEM (GGL) IfE: Institut für Erdmessung, University of Hannover GGL: Geodesy and Geodynamics Laboratory, ETH Zürich

11 TZK2-D / TZK 2000 zenitkamera

12 Főbb részei: TZK2-D zenitkamera kamera (Zeiss Mirotar, f =1020 mm, Ø 200 mm) CCD érzékelő (KX2E, Apogee) GPS-vevő (Z12, Ashtech) dőlésmérők (HRTM) PC (automatikus mérésfeldolgozás) állvány, forgórész, 5 motor

13 TZK2-D dőlésmérők helyi függőleges irányának érzékelésére 2 precíz HRTM (High Resolution TiltMeter) érzékelő egység pontosság

14 TZK2-D CCD érzékelője KAF 1602E szenzor 1530 pixel 1020 pixel pixelméret: 9 µm 14 m fényességig észlel (13 millió csillag) 47.4' 31.6'-os látómező felvételenként csillag látható

15 CCD kamera felvétele 1: teljes felvétel 2-4: nagyítás (felbontás: 1.86 / pixel)

16 CCD feldolgozás két mérőkép (180 ), s expozíciós idő

17 A felvételen megtalált csillagok

18 Képszegmentálás, csillag középppont meghatározás

19 Csillagkatalógusok HIPPARCOS (ESA, 1997) >9 m, csillag, pontosság SAO >9.5 m, csillag Tycho-2 >9.5 m, csillag, 23 MB GSC-I, II (Guide Star Catalog) 6 m -15 m (21) m, 20(946) millió csillag UCAC3 (2009) USNO CCD Astrometry C. >16 m, 101 millió csillag (< m -14 m ), 2.4 GB USNO-A 2.0, USNO B 1.0 >21 m, 526/1043 millió csillag (<0.2 pontosság, 6/80 GB)

20 GSC katalógusbeli csillagok

21 Azonosított csillagok koordinátáinak feldolgozása egy CCD felvételen látható csillagok (>14 m ) átlagos száma Tycho-2: 2 50 (Tejút) GSC: 135 >100 (Tejút) UCAC3: 135 >100 (Tejút) (x, y) képkoordináták (δ, α) égi csillagkatalógus koordináták (ξ, η) érintősikbeli koordináták: (δ, α) (ξ, η) projektív transzformáció 8 paraméterének meghatározása: (ξ, η) = f(x,y; a 1,a 2,b 1,b 2,c 1,c 2,d,e) zenitpont helyzetének interpolálása LKN kiegyenlítéssel: (δ Zenit, α Zenit )

22 Szintfelületi földrajzi koordináták számítása Φ = δ (katalógus, ERP, x,y, modell, refrakció) + dőléskorrekció Λ = α (katalógus, ERP, x,y, modell, refrakció) + dőléskorrekció GAST(GPST, ERP)

23 AURIGA feldolgozó rendszer Automated Realtime Image Processing System for Geodetic Astronomy csillagok keresése a képen (x,y) képkoordináták GAST és a csillagok látszó (α,δ) látszó helyének számítása érintősíkra vetítés referencia csillagok (X,Y) kép adatok mérési idő (epocha) t GPS csillagkatalógusok Tycho-2 UCAC3 azonosítás zenitpont interpolációja korrekciók (dőlés, pólusmozgás) ellipszoidi koordináták (φ,λ) dőlésmérő leolv. (n 1,n 2 ) I, (n 1,n 2 ) II függővonal (Φ,Λ) fgv.-elhajlás (ξ,η)

24 A meghatározás pontossága 1 felvétel, s, csillag, ± felvétel, perc, csillag, ± 0.08 >100 felvétel, >50-60 perc, > csillag, ± 0.05 Hagyományos földrajzi helymeghatározás: ~40 csillag(pár), >5 éjszaka, ± ± 0.2

25 Ismételt észlelések, Hannover TZK2-D, 84 éjszaka

26 Hogyan függ a pontosság a mérőképek számától?

27 A földrajzi helymeghatározás mérések geodéziai hasznosítása a Föld alakjának és méreteinek meghatározása geodéziai alaphálózatok térbeli elhelyezése és tájékozása az ITRS alapirányaihoz viszonyítva a szintfelületek, különösképpen a geoid alakjának, részleteinek meghatározása a nehézségi erőtér geometriai szerkezetének tanulmányozása precíz mérnökgeodéziai hálózatok létesítése

28 Kvázigeoid-metszetek (Németország 2006) REAL GOCE projekt 500 km-es vonalak mentén GPS/szintezési, gravimetriai adatokkal összevetve

29 Asztrogeodéziai geoidmeghatározás CHGeoid2004 svájci kvázigeoid: 68 függővonal-elhajlás mérése (ECGN kampány, 2003) Portugália, 2004; Görögország, 2006; Németország, Hollandia: 450 álláspont

30 A nehézségi erőtér helyi szerkezete Geoidmetszet meghatározások (Hirt és Bürki, 2010)

31 Geoidmetszet, Benthe, Németország

32 Mérnökgeodézia - AlpTransit 57 km-es alagút a svájci Alpok alatt 5 fontos alagút állomáson TZK2-D és DIADEM függővonal-elhajlás mérések 2005-ben (0.1 -es pontossággal)

33 Mérnökgeodézia - AlpTransit Azimutmérések az ICARUS rendszerrel (0.5 -es pontossággal)

34 A QDaedalus rendszer Eredetileg csillagászati-geodéziai mérések céljából tervezték meg Sokcélú digitális kiegészítő rendszer mérőállomásokhoz A Zürichi Műszaki Egyetem Geodéziai és Geodinamikai Laboratóriumában fejlesztették ki GNSS vevővel időzített CCD kamera mérések

35 Fő egységek A rendszer részei mérőállomás (Leica TCA 1800) CCD érzékelő (AVT Guppi) fókuszáló mechanika szoftver (Qt, C++) További egységek előtétlencse (13 m-nél távolabbi irányokhoz) interfész egység külső ublox GNSS vevő (a CCD időzítéséhez)

36 QDAEDALUS rendszer

37 Az egységek kapcsolatai

38 Kalibrálás CCD-egység Teodolit egység

39 Függővonal-elhajlás mérés QDaedalus rendszerrel ~ perc mérési idő éjszaka közelítő tájékozás (pl. a Sarkcsillagra) szokásos mérési eljárás a csillagok zenittávolsága: 30 ± 2 (> 6 m ) az első csillagot külön mérjük, a többit automatikusan ± 0.1" pontosság érhető el a (ξ, η) függővonalelhajlás összetevők tekintetében ez igen jó a geoidmeghatározás céljából (1 mm / 2 km)

40 Mérés a Qdaedalus-szal

41 Csillagok helyzete a mérés során

42 IIIIIIIIII IIIIIIIIII II IIIIIIIII IIIIIIIIII II II II II IIIIIIII II II II II IIII II II II IIII II II II II II II II II II II II II II II II II II II II II II II II II II II II II II II II II II II II II II II II II II IIIIIII II II II II II II II IIIIIIIII II II II II II II II II II II II II II II II II II II II II IIIIIIIIII II II II IIIIIIIIII II II II II II IIII II II II II II II II II II II II II II II IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII II II IIIIIIIII IIIIIIIIII II II IIIIIIIII IIIIIIIIII IIIIIIII II Version 1.0 ETH-Zurich July 2012 Institute of Geodesy and Photogrammetry (IGP) Geodesy and Geodynamics Laboratory (GGL) *********************************************************************************************************** ASTRONOMICAL GEODESY COMPUTATION *********************************************************************************************************** Number of observations : 214 Number of elim. obs. : 9 Number of unknowns : 6 Redudancy (computed) : 207 *********************************************************************************************************** UNKNOWN PARAMETERS *********************************************************************************************************** Astronomical latitude : ± 0.10 => Xi : Astronomical longitude : ± 0.15 => Eta : 3.42 Orientation unknown [1] : ± 2.52 Orientation unknown [2] : ± 2.38 Orientation unknown [3] : ± 2.38 Index error : ± 0.07

43 Eredmények (ETH Zürich) az első mérés időpontja: 20 h 15 min sec az utolsó mérés időpontja: 20 h 23 min sec a mérések száma : 214 ********************************************************************************************* ISMERETLEN PARAMÉTEREK ********************************************************************************************* Szintfelületi földrajzi szélesség : ± 0.10 => kszi : Szintfelületi földrajzi hosszúság : ± 0.15 => eta : 3.42 Tájékozási ismeretlen [1] : ± 1.40 Indexhiba : ± 0.07

44 Műszer pontosságvizsgálatat tesztmérések között a BME kertjében található 2033-as ponton

45 Eredmények

46 Eredmények A 6 legjobb mérés eredményei C. Hirt GGMPlus erőtér modelljével

47 BME saját feldolgozó program 2170 programsor (EMT) szűrési lehetőségek robusztus kiegyenlítés (dán módszer)

48

49 Interpolated GGMplus functionals at test point North-South DoV: arcsec East-West DoV: 3.90 arcsec

50 Szintfelületi azimut meghatározása valamely földi irány szintfelületi (ITRS) azimutja adott UTC időpontban valamely égitest (Poláris, Nap, Hold) A* csillagászati azimutja meghatározható átszámítjuk földi vonatkoztatási rendszerbe hozzáadjuk a földi irány mért törésszögét

51 Szintfelületi azimut meghatározása A B = A Pol APol = A * -D Pol +b A D A = ( x L+ y cosl) P sin P 1 cosf

52 Csillagászati azimut mérése QDaedalus rendszerrel nappali mérések a Napra és a Holdra éjszakai mérések a Polárisra, Holdra és a bolygókra földi irányok csillagászati azimutjának meghatározása követelmények precíz Nap, Hold és bolygó efemeriszek (± 0.1" ± 0.3 " pontosság) precíz ellipszis illesztés a Nap és Hold méréséhez várható: ± 0.5 pontosság a csillagászati azimut esetében

53 IIIIIIIIII IIIIIIIIII II IIIIIIIII IIIIIIIIII II II II II IIIIIIII II II II II IIII II II II IIII II II II II II II II II II II II II II II II II II II II II II II II II II II II II II II II II II II II II II II II II II IIIIIII II II II II II II II IIIIIIIII II II II II II II II II II II II II II II II II II II II II IIIIIIIIII II II II IIIIIIIIII II II II II II IIII II II II II II II II II II II II II II II IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII II II IIIIIIIII IIIIIIIIII II II IIIIIIIII IIIIIIIIII IIIIIIII II Version 1.0 ETH-Zurich July 2012 Institute of Geodesy and Photogrammetry (IGP) Geodesy and Geodynamics Laboratory (GGL) *********************************************************************************************************** ASTRONOMICAL GEODESY COMPUTATION *********************************************************************************************************** Number of observations : 140 Number of elim. obs. : 1 Number of unknowns : 7 Redudancy (computed) : 132 *********************************************************************************************************** UNKNOWN PARAMETERS *********************************************************************************************************** Orientation unknown [1] : ± 0.26 Orientation unknown [2] : ± 0.27 Orientation unknown [3] : ± 0.27 Collimation error : ± 0.29 Horizontal axis error : ± 0.44 Index error : 0.14 ± 0.86 Astronomical azimuths : => uetliberg : ± 0.32

54 Eredmények (ETH Zürich) az első mérés időpontja: 20 h 42 min sec az utolsó mérés időpontja: 20 h 51 min sec a mérések száma : 140 ********************************************************************************************* ISMERETLEN PARAMÉTEREK *********************************************************************************************... Szintfelületi azimut : ± 0.32

55 Precíz Nap, Hold és bolygó efemeriszek a QDaedalus-ban Steve Moshier C programnyelven írt eljárását módosítottuk Új függvényeket készítettünk látszó geocentrikus hely számítása látszó topocentrikus hely számítása 17 ezer C programsor Pontossági tesztek: összehasonlítás a NASA JPL Horizons Nap/Hold/bolygó efemerisszel

56

57 Összehasonlítás a JPL DE431 efemerisszel

58

59

60 Napszűrő Baader AstroSolar szűrőt ragasztottunk be vékony fém keretbe ND5 típus vizuális észleléshez könnyen feltehető/levehető kivitel

61 Napmérés a QDaedalus rendszerrel ellipszis illesztés

62 A csillagászati geodézia még ma is aktívan művelt terület Nem versenytársa, hanem fontos kiegészítője a GNSS rendszereknek

63 ZH témakörök koordinátarendszerek és kapcsolataik (ICRS, átmeneti, horizonti; CIO-BIH, ITRS; ICRS -> ITRS átszámítás, ehhez milyen adatokat szolgáltat az IERS) méréskori látszó hely fogalma, számítása időrendszerek (csillagidők, UT1, TAI, UTC, GPS idő) és kapcsolatuk szintfelületi földrajzi szélesség és hosszúság meghatározása zenitkamerával (mérés, feldolgozás, számítás lépései)