Desarrollo, implementación y análisis de un modelo cinemático local de velocidades para Costa Rica basado en la integración y homogenización de datos de estaciones GNSS continuas

El primer procesamiento estricto realizado con el software científico Bernese y contemplando las más estrictas normas de cálculo recomendadas internacionalmente, permitió obtener un campo puntual de alta exactitud, basado en la integración y estandarización de los datos de una red GPS ubicada en Costa Rica. Este procesamiento contempló un total de 119 semanas de datos diarios, es decir unos 2,3 años, desde enero del año 2009 hasta abril del año 2011, para un total de 30 estaciones GPS, de las cuales 22 están ubicadas en el territorio nacional de Costa Rica y 8 internaciones pertenecientes a la red del Sistema Geocéntrico para las Américas (SIRGAS). Las denominadas soluciones semilibres generaron, semana a semana, una red GPS con una alta exactitud interna definida por medio de los vectores entre las estaciones y las coordenadas finales de la constelación satelital. La evaluación semanal dada por la repetibilidad de las soluciones brindó en promedio errores de 1,7 mm, 1,4 mm y 5,1 mm en las componentes [n e u], confirmando una alta consistencia en estas soluciones. Aunque las soluciones semilibres poseen una alta exactitud interna, las mismas no son utilizables para fines de análisis cinemático, pues carecen de un marco de referencia. En Latinoamérica, la densificación del Marco Internacional Terrestre de Referencia (ITRF), está representado por la red de estaciones de operación continua GNSS de SIRGAS, denominada como SIRGAS-CON. Por medio de las denominadas coordenadas semanales finales de las 8 estaciones consideradas como vínculo, se refirió cada una de las 119 soluciones al marco SIRGAS. La introducción del marco de referencia SIRGAS a las soluciones semilibres produce deformaciones en estas soluciones. Las deformaciones de las soluciones semilibres son producto de las cinemática de cada una de las placas en las que se ubican las estaciones de vínculo. Luego de efectuado el amarre semanal a las coordenadas SIRGAS, se hizo una estimación de los vectores de velocidad de cada una de las estaciones, incluyendo las de amarre, cuyos valores de velocidad se conocen con una alta exactitud. Para la determinación de las velocidades de las estaciones costarricenses, se programó una rutina en ambiente MatLab, basada en una ajuste por mínimos cuadrados. Los valores obtenidos en el marco de este proyecto en comparación con los valores oficiales, brindaron diferencias promedio del orden de los 0,06 cm/a, -0,08 cm/a y -0,10 cm/a respectivamente para las coordenadas [X Y Z]. De esta manera se logró determinar las coordenadas geocéntricas [X Y Z]T y sus variaciones temporales [vX vY vZ]T para el conjunto de 22 estaciones GPS de Costa Rica, dentro del datum IGS05, época de referencia 2010,5. Aunque se logró una alta exactitud en los vectores de coordenadas geocéntricas de las 22 estaciones, para algunas de las estaciones el cálculo de las velocidades no fue representativo debido al relativo corto tiempo (menos de un año) de archivos de datos. Bajo esta premisa, se excluyeron las ocho estaciones ubicadas al sur de país. Esto implicó hacer una estimación del campo local de velocidades con solamente veinte estaciones nacionales más tres estaciones en Panamá y una en Nicaragua. El algoritmo usado fue el denominado Colocación por Mínimos Cuadrados, el cual permite la estimación o interpolación de datos a partir de datos efectivamente conocidos, el cual fue programado mediante una rutina en ambiente MatLab. El campo resultante se estimó con una resolución de 30' X 30' y es altamente constante, con una velocidad resultante promedio de 2,58 cm/a en una dirección de 40,8° en dirección noreste. Este campo fue validado con base en los datos del modelo VEMOS2009, recomendado por SIRGAS. Las diferencias de velocidad promedio para las estaciones usadas como insumo para el cálculo del campo fueron del orden los +0,63 cm/a y +0,22 cm/a para los valores de velocidad en latitud y longitud, lo que supone una buena determinación de los valores de velocidad y de la estimación de la función de covarianza empírica, necesaria para la aplicación del método de colocación. Además, la grilla usada como base para la interpolación brindó diferencias del orden de -0,62 cm/a y -0,12 cm/a para latitud y longitud. Adicionalmente los resultados de este trabajo fueron usados como insumo para hacer una aproximación en la definición del límite del llamado Bloque de Panamá dentro del territorio nacional de Costa Rica. El cálculo de las componentes del Polo de Euler por medio de una rutina programa en ambiente MatLab y aplicado a diferentes combinaciones de puntos no brindó mayores aportes a la definición física de este límite. La estrategia lo que confirmó fue simplemente la diferencia en la dirección de todos los vectores velocidad y no permitió reveló revelar con mayor detalle una ubicación de esta zona dentro del territorio nacional de Costa Rica. ABSTRACT The first strict processing performed with the Bernese scientific software and contemplating the highest standards internationally recommended calculation, yielded a precise field of high accuracy, based on the integration and standardization of data from a GPS network located in Costa Rica. This processing watched a total of 119 weeks of daily data, is about 2.3 years from January 2009 to April 2011, for a total of 30 GPS stations, of which 22 are located in the country of Costa Rica and 8 hospitalizations within the network of Geocentric System for the Americas (SIRGAS). The semi-free solutions generated, every week a GPS network with high internal accuracy defined by vectors between stations and the final coordinates of the satellite constellation. The weekly evaluation given by repeatability of the solutions provided in average errors of 1.7 mm 1.4 mm and 5.1 mm in the components [n e u], confirming a high consistency in these solutions. Although semi-free solutions have a high internal accuracy, they are not used for purposes of kinematic analysis, because they lack a reference frame. In Latin America, the densification of the International Terrestrial Reference Frame (ITRF), is represented by a network of continuously operating GNSS stations SIRGAS, known as SIRGAS-CON. Through weekly final coordinates of the 8 stations considered as a link, described each of the solutions to the frame 119 SIRGAS. The introduction of the frame SIRGAS to semi-free solutions generates deformations. The deformations of the semi-free solutions are products of the kinematics of each of the plates in which link stations are located. After SIRGAS weekly link to SIRGAS frame, an estimate of the velocity vectors of each of the stations was done. The velocity vectors for each SIRGAS stations are known with high accuracy. For this calculation routine in MatLab environment, based on a least squares fit was scheduled. The values obtained compared to the official values, gave average differences of the order of 0.06 cm/yr, -0.08 cm/yr and -0.10 cm/yr respectively for the coordinates [XYZ]. Thus was possible to determine the geocentric coordinates [XYZ]T and its temporal variations [vX vY vZ]T for the set of 22 GPS stations of Costa Rica, within IGS05 datum, reference epoch 2010.5. The high accuracy vector for geocentric coordinates was obtained, however for some stations the velocity vectors was not representative because of the relatively short time (less than one year) of data files. Under this premise, the eight stations located in the south of the country were excluded. This involved an estimate of the local velocity field with only twenty national stations plus three stations in Panama and Nicaragua. The algorithm used was Least Squares Collocation, which allows the estimation and interpolation of data from known data effectively. The algorithm was programmed with MatLab. The resulting field was estimated with a resolution of 30' X 30' and is highly consistent with a resulting average speed of 2.58 cm/y in a direction of 40.8° to the northeast. This field was validated based on the model data VEMOS2009 recommended by SIRGAS. The differences in average velocity for the stations used as input for the calculation of the field were of the order of +0.63 cm/yr, +0.22 cm/yr for the velocity values in latitude and longitude, which is a good determination velocity values and estimating the empirical covariance function necessary for implementing the method of application. Furthermore, the grid used as the basis for interpolation provided differences of about -0.62 cm/yr, -0.12 cm/yr to latitude and longitude. Additionally, the results of this investigation were used as input to an approach in defining the boundary of Panama called block within the country of Costa Rica. The calculation of the components of the Euler pole through a routine program in MatLab and applied to different combinations of points gave no further contributions to the physical definition of this limit. The strategy was simply confirming the difference in the direction of all the velocity vectors and not allowed to reveal more detail revealed a location of this area within the country of Costa Rica.

Impiego del GPS in altimetria su corte distanze

Il GPS è un sistema che consente d’individuare la posizione di un qualsiasi punto sulla superficie terrestre, dal quale sia possibile ricevere i segnali da almeno quattro satelliti. È costituito da un sistema di satelliti in orbita, i quali trasmettono informazioni a dei ricevitori GPS sulla Terra. Questi dati raccolti riguardano coordinate geografiche ed orari, che vengono successivamente elaborate dal ricevitore stesso. In campo topografico possono essere adottate diverse modalità operativo, soprattutto: il metodo statico e statico rapido, mentre per il rilievo di dettaglio è principalmente utilizzato il metodo cinematico. Il GPS può essere utilizzato per rilievi sia in planimetria che in altimetria. In questa tesi si è deciso di valutare principalmente l’utilizzo del GPS in altimetria in modalità statica. Per fare ciò, si è eseguito un confronto su corte distanze tra le misurazioni altimetriche, in una prima fase eseguite con strumentazione topografica classica e successivamente con il sistema GPS. Il sito scelto per effettuare questa valutazione è stato il terrazzo di copertura dell’edificio della Scuola di Ingegneria di Bologna, sul quale sono presenti due antenne di riferimento (SLITTA e UNBO) con ricevitori GPS, che hanno consentito la realizzazione di una baseline di test. Essendo molto corta la distanza tra le due antenne, si può quindi parlare di short-baselines. Il sistema GPS fornisce dati con una precisione che risente in modo molto minore, rispetto alle tecniche topografiche classiche, della propagazione della varianza all’aumentare della distanza, ma al tempo stesso non consente di raggiungere precisioni millimetriche anche su brevissime distanze. Verranno descritte le due metodologie di rilievo e i risultati ottenuti da ognuna. Si procederà in seguito con l’analisi e la rielaborazione di questi dati tramite software e solo in fine verrà eseguito il confronto, atto a verificare la precisione del GPS rispetto alla strumentazione topografica.

Impiego del GNSS per il monitoraggio in aree sismiche

In questo elaborato si tratterà il metodo di analisi e modellazione post-sismica del terreno attraverso l’utilizzo dei dati GPS e dati SAR. Si prenderanno in esame due eventi sismici: il grande terremoto di Tohoku in Giappone del marzo 2011, con particolare attenzione alla conseguente formazione di un grande tsunami, e la sequenza sismica umbro-marchigiana del settembre/ottobre 1997. In tale contesto verranno descritti i diversi strumenti di monitoraggio e i modelli delle sorgenti sismiche, i quali hanno il compito di determinare importanti informazioni per la più rapida valutazione possibile del rischio sismico e per la corretta pianificazione delle attività umane e del territorio. Obiettivo della tesi è descrivere l’efficacia dell’utilizzo congiunto della tecnica di monitoraggio GPS e l’Interferometria Differenziale SAR. Grazie all’analisi ed alla conseguente modellazione dei dati raccolti nei due eventi sismici descritti in questo lavoro si dimostra l’importanza di tali tecniche per comprendere al meglio i fenomeni sismici. Nel primo capitolo verranno descritte le tecniche di monitoraggio GPS e SAR e le successive tecniche di analisi e modellazione dei dati al fine di avere una previsione dell’evento preso in considerazione. Nel secondo capitolo si esamineranno le peculiarità dell’evento sismico giapponese (2011) e delle elaborazioni condotte per caratterizzare lo tsunami provocato dalla rottura del fondale oceanico. Nel terzo capitolo si analizzerà la sequenza sismica umbro-marchigiana del 1997 prestando attenzione allo sviluppo della rete geodetica del territorio nazionale italiano con riferimenti allo sviluppo della Rete Integrata Nazionale GPS (RING). Nel quarto capitolo verrà descritto in modo introduttivo la struttura del software Bernese GNSS v. 5.2; un software di elaborazione dati usato in ambito scientifico per l’analisi di reti GNSS per il controllo delle deformazioni.

Calcolo delle coordinate delle stazioni GNSS italiane in Antartide e valutazione dei risultati.

La tesi di carattere sperimentale parla del calcolo, tramite diversi software, delle coordinate tridimensionali di alcune stazioni GNSS antartiche al fine di valutarne ripetibilità e accuratezza. Inoltre si descrive nel dettaglio il progetto nazionale di ricerca in Antartide (PNRA) e l'osservatorio geodetico italiano. Tutto questo anticipato da un ampio capitolo dove si descrive il sistema di posizionamento globale (GPS).