Раздел 04 из 05

Спутниковая геодезия и глобальные навигационные системы

Системы GPS, ГЛОНАСС, Galileo и BeiDou в задачах геодинамики. Измерение скоростей тектонических плит, постсейсмических и вулканических деформаций с точностью 1–3 мм.

Прогресс курса
80%

Глобальные навигационные спутниковые системы

GNSS (Global Navigation Satellite Systems) — совокупность спутниковых систем, обеспечивающих непрерывное трёхмерное позиционирование в любой точке земного шара. В научной геодезии используется совместная обработка данных нескольких GNSS для повышения точности и надёжности.

GPS
США (DoD)
31 спутник на 6 орбитальных плоскостях. Высота 20 200 км, период ~12 ч. Частоты L1 (1575.42 МГц) + L2 (1227.60 МГц) + L5 (1176.45 МГц). Операционная система с 1994 года.
ГЛОНАСС
Россия (Роскосмос)
24+ спутника, 3 орбитальные плоскости. Высота 19 100 км. FDMA-модуляция (каждый спутник — своя частота). Восстановлена полная группировка в 2011 году.
Galileo
ESA / ЕС
30 спутников (MEO). Высота 23 222 км. Открытая служба E1 + E5 + E6. Наилучшая точность среди гражданских GNSS — потенциально <1 м в реальном времени.
BeiDou (BDS-3)
Китай (CNSA)
35+ спутников (MEO + GEO + IGSO). Глобальное покрытие с 2020 года. Оптимальная точность в Азиатско-Тихоокеанском регионе. B1/B2/B3 сигналы.

Принципы высокоточного позиционирования

Для геодинамических задач используются методы, обеспечивающие точность на уровне миллиметров. Стандартное навигационное определение (10–15 м) неприемлемо — оно хуже годовых скоростей тектонических плит.

1–3 мм
Статический PPP / CORS (суточная сессия)
5–10 мм
RTK (Real-Time Kinematic) в поле
0.1–1 мм/год
Точность скоростей из многолетних рядов
~20 лет
Оптимальная длина ряда для скоростей плит

PPP — Точное абсолютное определение координат

PPP (Precise Point Positioning) — метод одиночного приёмника, использующий точные эфемериды (IGS) и поправки часов спутников вместо дифференциальных измерений. Обеспечивает точность 1–3 см в режиме реального времени и 1–3 мм в постобработке при сессии >2 часов. Онлайн-сервисы: CSRS-PPP (Natural Resources Canada), APPS (JPL NASA), GNSS Solutions (Leica).

Геодинамические применения GNSS

Длинные временны́е ряды координат GNSS-станций позволяют измерять медленные деформации, недоступные другими методами. Скорости движения плит (1–15 см/год) уверенно определяются уже за 5–10 лет наблюдений.

+100 мм 0 −100 мм М7.2 Горизонт. (N-S) Вертикальная Годы после землетрясения →

Схема: постсейсмический временно́й ряд GNSS — косейсмический скачок и логарифмическое затухание

Задачи геодинамики, решаемые GNSS

  • Скорости движения плит — прямое измерение в системах отсчёта ITRF. Сравнение с геологическими моделями NNR-NUVEL-1A.
  • Накопление упругих деформаций — межсейсмический дефицит на субдукционных зонах. Оценка сейсмического потенциала.
  • Постсейсмические деформации — логарифмическое затухание; разделение постсейсмического скольжения и вязкой релаксации мантии.
  • Гляциоизостатический отскок (GIA) — поднятие Скандинавии и Канады после дегляциации со скоростью до 1 см/год.
  • Вулканические деформации — инфляция вулкана при магматическом вторжении; оценка объёма магматической камеры.

Сети постоянно действующих станций CORS

CORS (Continuously Operating Reference Stations) — наземные GNSS-приёмники, непрерывно записывающие данные и передающие их в центры обработки. Образуют основу мониторинга деформаций земной коры.

  • IGS (International GNSS Service) — ~500 станций по всему миру, ежедневные решения координат.
  • ГГС России — сеть пунктов ВГД (высокоточной геодезии) Росреестра.
  • EUREF Permanent Network (EPN) — ~300 станций в Европе. Основа для мониторинга европейской плиты.
  • PBO / NOTA (США) — сеть для мониторинга зоны Кордильер и Аляски (UNAVCO).

Системы координат и опорные системы отсчёта

Все геодезические измерения привязываются к Международной земной системе отсчёта ITRF (International Terrestrial Reference Frame). Актуальная реализация — ITRF2020. Российская государственная система — ГСК-2011, согласованная с ITRF.

Геоид и эллипсоид

GNSS измеряет высоты над эллипсоидом WGS-84 (GPS) или ПЗ-90.11 (ГЛОНАСС). Для перевода в ортометрические высоты (над уровнем моря) необходима модель геоида: EGM2008, EIGEN-6C4 или российская модель ТГСО-2024.

Программное обеспечение обработки

  • GAMIT/GLOBK (MIT) — научный пакет для обработки GNSS и построения глобальных полей скоростей. Стандарт в геодинамике.
  • Bernese GPS Software — высокоточная коммерческая обработка; используется IGS.
  • CSRS-PPP онлайн — бесплатная обработка для одиночных приёмников (Natural Resources Canada).
  • GNSS Velocity Viewer — интерактивная база данных скоростей станций NASA/JPL.