ITRF: International Terrestrial Reference Frame BEATRIZ G. ATAIDE CAIO MENDONÇA GABRIEL PASSONI...

ITRF: International

Terrestrial Reference Frame

BEATRIZ G. ATAIDECAIO MENDONÇA

GABRIEL PASSONINATIELLY M. MELO

Porque estabelecer um Sistema de Referência?•Estudar os fenômenos da Terra:• Deslocamento de placas;• Movimento do eixo de rotação da Terra e velocidade de rotação;• Marés Terrestres e Oceânicas;

•Aplicações:• Conhecimento das orbitas dos satélites artificiais;• Navegação terrestre, aérea e marítima;• Aplicações em cartografia e posicionamento

Introdução•A superfície física da Terra é irregular Não é representada por uma simples relação matemática

•Torna-se necessário uma superfície de referência matematicamente tratável

•Sistema Geodésico de Referência (GRS): é um sistema de coordenadas associado a algumas características terrestres.

•Implementação:• Definição ideia conceitual• Realização ou materialização conjunto de estações• Densificação redes de referência

Introdução• A definição do GRS evolui com o avanço da tecnologia

• Referencial mais preciso ITRS (International Terrestrial Reference System)• Realização ITRF (International Terrestrial Reference Frame)

• Responsabilidade: IERS (International Earth Rotations and Reference System Service)

Organização IERSO IERS É O RESPONSÁVEL POR MANTER E ATUALIZAR O ITRS/ITRF

• Centros de Combinação (IERS-CCs) cálculo da realização do ITRS:

• DGFI: Deutsches Geodätisches Forschungsinstitut;• IGN: Institut Géographique National;• JPL: Jet Propulsion Laboratory.

• Centros Técnicos (IERS-TCs) desenvolver e organizar as atividades em cada técnica de observação:

• IGS: International GNSS Service ;• IVS: International VLBI Service;• ILRS: International Laser Ranging

Service ;• IDS: International DORIS Service .

Onde encontrar as informações?

http://www.iers.org/

http://itrf.ign.fr/

ITRS: International Terrestrial Reference System• Sistema de referências espacial mundial rotacionando com a Terra;

• Definição conceitual de como o sistema de coordenadas é formado:• Origem geocêntrica;• Orientação equatorial (pelo BIH na época 1984,0):• Eixo Z: Polo terrestre convencional (CTP);• Eixo X: Meridiano de Greenwich;• Eixo Y: torna o sistema destrogiro• Evolução temportal garantida pela NNR (No-Net-Rotation)• Modelo geométrico: GRS80• Teoria fundamental envolvida (modelos físicos e matemáticos) e os padrões adotados

ITRF: International Terrestrial Reference Frme • Conjunto de pontos em um sistema de coordenadas cartesianas tridimensional que realizam o sistema de referência ideal, o ITRS, conforme definido na resolução N°. 2 adotada em Viena em 1991.•A realização determinação das coordenadas e velocidade das estações.• A realização deste sistema é importante para:• Monitorar o movimentos das placas tectônicas;• Descrever o movimento dos satélites artificiais (órbitas);• Modelar as observáveis;• Representar, interpretar e quando necessário realizar a transformação dos

resultados.

ITRF – Dados de entrada• Principais técnicas geodésicas espaciais:• GNSS (Global Navigation Satellite System);• SLR (Satellite Laser Range);• VLBI (Very Long Baseline Interferometry);• DORIS (Doppler Orbitography and Radio positioning Integrated by Satellite) ;

• Estas técnicas apresentam soluções diferentes, porém, na realização do ITRS são combinadas para estimar a posições e velocidades das estações em uma época referência, bem como estimar os parâmetros de transformação (fator de escala, translações e rotações sobre os eixos X, Y e Z) e suas variações.

ilrsaposeop100227v20.snx

ITRF - Realização •A realização é revista periodicamente Ajustamento de um

conjunto de coordenadas e respectiva MVC obtidas através de várias tecnologias geodésicas espaciais;

Origem do sistema

SLR GNSS DORIS

Escala

VLBI SLR GNSS

Orientação

Nenhum dos sistemas

(NNR)

ITRF – Histórico de realizaçõesEVOLUÇÃO DOS EQUIPAMENTOS E MAIOR PERÍODO DE DADOS ATUALIZAÇÕES DO ITRF •11 realizações publicadas:

• A primeira em 1988• ITRF88• Entre 1989 e 1995• ITRF89• ITRF90• ITRF91• ITRF92• ITRF93• ITRF94

• Entre 1995 e 1997• ITRF96 • ITRF97• Após 2000 Maior intervalo de tempo

para refletir mudanças significativas• ITRF2000• ITRF2005• ITRF2008

Nova realização ITRF2013

ITRF – Informações relevantes• Todas as realizações incluem um conjunto de coordenadas (posições) e velocidades das estações;

• Através do ITRF é possível modelar as mudanças da crosta da Terra;

• Todas as realizações estão inter-relacionadas parâmetros de transformação.

Principais técnicas aplicadas na realização do ITRF• Será apresentado a seguir uma breve descrição das técnicas:

• GNSS (Global Navigation Satellite System);

• SLR (Satellite Laser Range);

• VLBI (Very Long Baseline Interferometry);

• DORIS (Doppler Orbitography and Radio positioning Integrated by Satellite)

Global Navigation Satellite System (GNSS)

• Constituído por uma constelação de satélites que orbitam a Terra;

• Composto por duas constelações ativas:• GPS (Global Positioning System)• GLONASS (Globalnaya Navigatsionnaya Sputnikovaya

Sistema)• Futuramente:• GALILEO• BEIDOU/COMPASS

• A Constelação GNSS garante 4 satélites 24 h/dia em qualquer ponto da Terra;

• Satélite fase da onda portadora e pseudo distância principio de triangulação posicionamento do receptor;

•Permites estudar o movimento das placas tectônicas e orientação da Terra.

Estações da rede GNSS global. Fonte: <http://www.igs.org/>

• Rede IGS 497 estações receptoras (28/07/2015);

• Receptoras GNSS (GPS e GPS+GLONASS) coleta de dados contínua e de alta precisão.

Satellite Laser Range (SLR)• A técnica utiliza-se de pulsos lasers curtos associado a uma cronometragem eletrônica medir a distância das estações terrestres aos satélites refletores posicionamento;

•Permites determinar:• geocentro de forma precisa;• movimentação da crosta;• orbitas dos satélites ;• Componentes do campo de gravidade; • parâmetros de orientação da Terra (EOPs)

Rede de estações SLR. Fonte: <http://ilrs.gsfc.nasa.gov/>

• Rede SLR 56 estações ativas e mais de 40 satélites refletores (28/07/2015);

Very Long Baseline Interferometry (VLBI)• Baseia-se na medida de diferença de tempo de uma onda de rádio emitida por quasares a duas antenas na Terra;

•A rede global VLBI permite grande número de observações em vários quasares determinar o reference frame inercial + posição das anteanas

Rede de antenas VLBI. Fonte: <http://ivs.nict.go.jp/>

• Rede VLBI cerca de 45 antenas e 3400 fontes de rádio extragalácticas ( 28/07/15);

• Permite a orientação do reference frame terrestre em relação ao celeste.

Doppler Orbitography and Radio positioning Integrated by Satellite (DORIS)• Baseia-se na mudança nos sinais de radifrequência Doppler emitidos pelas estações terrestre e recebidas pelos receptores a bordo dos satélites;

• Permite realizar:• Determinação precisa das orbitas dos satélites;• Posição das estações terrestres de forma acurada;• Monitoramento de deformações da Terra;• Monitoramento de deformações da crosta devido

a marés;• Monitorar variações da hidrosfera

Estações da rede DORIS global Fonte: <http://ids-doris.org/>

• Rede DORIS 58 estações terrestres (09/10/15)

Descrição da Rede IERS• Composta pelas estações das diferentes técnicas geodésicas (SLR, VBLI, GNSS e DORIS);• Estações estáveis e com longo período de observação;

•Estações inter-relacionadas (co-location):• Estações vizinhas são agrupadas em uma únicas

estação (30 km)

•Número DOMES:• Identificador inequívoco as estações de referência

Soluções ITRF• Conjunto de posições (coordenadas) e velocidades das estações e suas respectivas matrizes de variância/covariância;

•Parâmetros de Orientação da Terra (Earth Orientation Parameters - EOPs);

•Denominadas de ITRFyy• “yy” o ultimo ano em que os dados foram utilizados para o processamento do

frame

Soluções ITRF

ITRF2000• O ITRF2000, referenciado à época 1997, baseia-se em cerca de 500 estações.

Estações que formam o ITRF2000.

Fonte: http://www.upv.es/unigeo/index/docencia/etsigct/astronomia/teoria/astronomiaT2.pdf

ITRF2000: Características• Escala: Média ponderada de determinadas medidas de VLBI e SLR de alta precisão.

•Origem: Média ponderada das determinações SLR (o centro da órbita de satélites corresponderá ao geocentro terrestre).

• Orientação: Seleção de determinadas estações (suas coordenadas e velocidades) ITRF de qualidade geodésica:• Com observações contínuas, pelo menos nos últimos 3 anos. • Localizado na plataforma rígida e longe das áreas de deformação. • Determinou-se a velocidade com precisão melhor que 3 mm por ano. • Que a velocidade seja inferior a 3 mm/ano

ITRF2005•A estrutura do ITRF2005 refere-se à época 2000, baseada nas determinações VLBI, SLR, DORIS e GPS em 608 estações;

•Definido por séries de soluções das diferentes técnicas geodésicas espaciais:• GPS entre 1996.0 e 2006.0• DORIS entre 1993.0 e 2005.8• SLR entre 1992.9 e 2005.9 • VLBI entre 1980.0 e 2006.0

Estações que formam o ITRF2005 Fonte: http://itrf.ensg.ign.fr/ITRF_solutions/2005/ITRF2005.php

ITRF2005: Características• Origem: definida de forma que os parâmetros de translação nulos na época 2000.0 e nenhuma a variação desses parâmetros entre ITRF2005 e série temporal SLR;

• Escala: definido de forma que o fator de escala seja nulo para a época 2000.0 e não sem variação entre ITRF2005 e série temporal VLBI;

• Orientação: definido de forma que os parâmetros de rotação sejam nulos para os eixos na época 2000.0 e variações entre ITRF2005 e ITRF2000 sejam nulas.

ITRF2008• Ultima realização do ITRS referencial em vigência;

•A estrutura do ITRF2008 refere-se à época 2005.0, baseada nas determinações VLBI, SLR, DORIS e GPS em 934 estações;

•Dados de entrada: séries temporais das posições das estações e EOPs quatro técnicas geodésicas espaciais:• GPS entre 1997.0 e 2009.5;• DORIS entre 1993.0 e 2009.0 ;• SLR entre 1983.0 e 2009.0 • VLBI entre 1980.0 e 2009.0

•Solução melhorada do ITRF2005:• precisão das posições e velocidades das estações• definições dos parâmetros de origem e escala

Estações que formam o ITRF2008. Fonte: Altamimi et. al. (2011)

ITRF2008: Características•Origem: A origem ITRF2008 é definida de tal maneira que os parâmetros de translação sejam nulos na época 2005.0 e as variações entre o ITRF2008 e a série temporal SLR sejam nulos.

•Escala : A escala ITRF2008 é definida de tal forma que o fator de escala seja nulo, assim como para variação de escala entre ITRF2008 e a média de VLBI e SLR.

•Orientação: A orientação ITRF2008 é definida de tal maneira que os parâmetros de rotação sejam nulos na época 2005.0 e as variações de rotação entre o ITRF2008 e oITRF2005 sejam nulos.

ITRF2013• Pontos fracos identificados no ITRF2008 soluções individuais e suas inter-relações;• Novas estações fora instaladas;•O ITRF2013 torna-se necessário melhorar os resultados existentes:• Posições e velocidades das estações da rede e inter-relação das quatro

técnicas geodésicas;• EOPs totalmente consistentes;• Estimativas do geocentro através das técnicas GNSS, SLR e DORIS;• Entre outras melhorias.

ITRF2013: Cronograma• Realização da solução final pelos Centros do IERS:

•Ser finalizado entre julho e agosto de 2014;

•Sem previsões para publicação do ITRF2013.

TRANSFORMAÇÃO ENTRE ITRF’s•Relacionamento entre ITRFs são baseados nos parâmetros de transformação comparar dados ou resultados de diferentes ITRFs;

• Transformação entres dois sistemas de referências é dada pela similaridade Euclidiana de sete parâmetros• três componentes de translação, um fator de escala e três ângulos de

rotação (T1, T2, T3, D, R1, R2 e R3)

TRANSFORMAÇÃO ENTRE ITRF’s•Transformação do vetor de coordenadas do sistema de referência (1) para o vetor de coordenadas no sistema de referência (2):

•Onde:

• e

•Genericamente, X1, X2, T, D e R são dados em função do tempo, logo, os parâmetros e as coordenadas da estação para a época inicial (t0) devem ser atualizados para a época de interesse (t), fazendo:

TRANSFORMAÇÃO ENTRE ITRF’s•Parâmetros de transformação fornecidos na página do ITRF (http://itrf.ensg.ign.fr/rel_trs.php)

Exercício Transformar as coordenas da estação BRAZ, localizada em Brasília do ITRF2005 para o ITRF2000.

Fonte: Alves (2015a)

Solução 1) Atualizar os parâmetros de transformação e as coordenadas da época 2000para a época 1997:

Coordenadas:

Translações:

Fator de escala:

2) Realizar a transformação entre os ITRFs:

Fonte: Alves (2015a)

Considerações finais• É necessidade e importâncias dos sistemas de referências para as ciências geodésicas posicionamento;

• O IERS é o responsável pela definição do sistema de referência ideal, o ITRS, e sua realização através do IRTF Sistema de referencia mais preciso atualmente;

• O ITRF é obtido através da combinação de soluções das técnicas geodésicas espaciais;

• Novas realizações do ITRS são tornam-se necessárias, de modo a melhorar a qualidade do sistema de referência

Referências Bibliográficas ALVES, Daniele Barroca Mara. Notas de aula de Geodésia II: As diferentes versões da Transformada de Helmert e suas aplicações na

Transformação entre Sistemas de Referência. Universidade Estadual Paulista, Faculdade de Ciências e Tecnologia. Presidente Prudente, 2015a.

ALVES, Daniele Barroca Mara. Notas de aula de Geodésia II: Referenciais. Universidade Estadual Paulista, Faculdade de Ciências e Tecnologia. Presidente Prudente, 2015b.

ANGERMANN, D. et al. ITRS Combination Center at DGFI: A Terrestrial Reference Frame Realization 2003. München, 2004.

CDDIS - Crustal Dynamics Data Information System. Disponível em: <http://cddis.gsfc.nasa.gov>. Acesso: 09 de out. de 2015.

IDS - International DORIS Service. Disponível em: <http://ids-doris.org/>. Data de Acesso: 09 de out. de 2015.

IERS – International Earth Rotation and Reference System Service. Combination Centres. IERS Annual Report, 2003.

IGS - International GNSS Service. Disponível em: <http://www.igs.org/>. Data de Acesso: 28 de jul. de 2015.

ILRS - International Lasert Ranging Service. Disponível em: <http://ilrs.gsfc.nasa.gov/>. Data de Acesso: 21 de jan. de 2015.

ITRF - International Terrestrial Reference Frame. Disponível em: <http://itrf.ensg.ign.fr/>. Data de acesso: 09 de out. de 2015.

ITRS - International Earth Rotations and Reference System Service. Disponível em: <www.iers.org/>. Data de acesso: 09 de out. de 2015.

IVS - International VLBI Service for Geodesy & Astrometry. Disponível em: <http://ivs.nict.go.jp/>. Data de Acesso: 28 de jul. de 2015.

ITRF: International Terrestrial Reference Frame

BEATRIZ G. ATAIDECAIO MENDONÇA

GABRIEL PASSONINATIELLY M. MELO

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