Методы изучения движения литосферный плит

Одним из примеров сети РСДБ служит отечественная сеть "Квазар", задуманная как система  радиообсерваторий на территории России и СНГ с передачей данных по спутниковым и оптоволоконным каналам связи в центр управления и обработки. Первая очередь этой сети "Квазар", по проекту, состоит из трех радиотелескопов с антенными зеркалами диаметром 32 метра каждый, расположенных в поселке Светлое (под Санкт-Петербургом), станице Зеленчукская (Ставропольский край) и в урочище Бодары (в Бурятии, южнее озера Байкал).

 Кроме "Квазара"  существует европейская РСДБ-сеть EVN (European VLBI Network), американская - VLBA, австралийская - LNA, японский проект - VERA, а также проекты Китая и Южной Кореи.

Следующим шагом  в развитии РСДБ стало объединение  всех радиотелескопов и сетей  в единую мировую радиоинтерферометрическую сеть. "В 90-е годы, - писал в 1998 году Н. С. Кардашев, - в астрономии возникла очень интересная и необычная ситуация - создан принципиально новый радиотелескоп, охватывающий весь земной шар. Все крупнейшие радиотелескопы мира объединены в глобальную систему; они могут по команде наводиться на одну и ту же часть неба. Принимаемые ими сигналы синхронизируются высокостабильными атомными генераторами и обрабатываются. Получающиеся изображения астрономических источников обладают таким же угловым разрешением, как если бы мы имели единый радиотелескоп с размерами порядка Земли. Эта глобальная сеть радиоинтерферометров дает поразительные результаты, которые было трудно предвидеть".

Для геодезии особенно важно  то, что РСДБ позволяет очень жестко определить ориентировку опорной геодезической сети по отношению к небесной сфере. Однако необходимо учитывать погрешности, источниками которых являются движение полюсов, дрейф материков и изменения параметров вращения Земли.

По-видимому, первый результат  по глобальному мониторингу дрейфа континентов был получен с применением радиотелескопов РСДБ направленных не на квазары, а на спутники системы Navy Navigation Satellite (Anderle, Malyevac, 1983). В статье (Kuznetsov, 1990) сравнивается направление дрейфа материков с вектором градиента высоты геоида. Показано, что наблюдается хорошее совпадение (больше половины из 20точек наблюдений) направлений векторов скоростей дрейфа - с максимальным градиентом высот геоида.

 

Глобальная навигационная  спутниковая система (ГНСС)

 

Движение континентальных  плит обычно незаметно, так как чрезвычайно  медленно. Однако оно проявляется при столкновениях плит, что вызывает деформации, сопровождающиеся землетрясениями. До 80-х годов ХХ века основными методами измерения сейсмической активности были оптические и интерферометрические измерения.

Появление ГНСС-технологий позволило ученым уточнить результаты предыдущих исследований. Толчком к расширению применения ГНСС-технологий стало землетрясение Лома Приета в 1989 году. Удар по побережью Сан-Франциско унес 68 жизней и нанес ущерб в 6 млрд. долларов. Незадолго до катастрофы, геофизики USGS Уилл Прескот и Джим Саваж проводили измерения в районе землетрясения. Впоследствии им удалось показать зависимость в возникновении подземных толчков от изменения векторов движения литосферных плит. Это был важный шаг вперед в сейсмике, и он не был бы совершен без спутниковых измерений.

Геофизики используют два вида сбора данных с помощью  ГНСС-приемников. Первый состоит в периодическом сборе и анализе информации, полученной с некоторого числа пунктов в течение длительного периода с помощью постобработки. Это позволяет получить детальную картину о сейсмической обстановке на больших площадях.

Непосредственно после землетрясения  ученые проводят измерения, чтобы восстановить картину событий. Полученные данные позволяют им получить картину косейсмических движений – это позволяет предугадать постсейсмические движения, которые бывает сложно отличить от косейсмических. 

Второй метод измерений  опирается на работу постоянно действующих  станций. Данные из сетей референцных станций непрерывно собирают и обрабатывают информацию о движениях земной коры. В некоторых регионах созданы сети не только для научных исследований, но и для проведения геодезических, строительных и сельскохозяйственных работ, для коммерческого использования данных сетей станций. Наблюдение за изменениями в режиме реального времени позволяет собирать информацию обо всех трех типах сейсмических движений.

Геофизик из Королевского научного исследовательского института Новой Зеландии Джон Биван считает, что использование данных постобработки и отслеживания данных о деформациях почвы в реальном времени дополняют друг друга. В районах с низкой сейсмической активностью оправдано использование режима постобработки, а в районах с высокой лучше использовать слежение в реальном времени.  Например, в Китае установлена сеть из 260 референцных станций Trimble, которые в реальном времени зафиксировали косейсмические смещения от 2 до 12 сантиметров, вызванные землетрясением в Восточной Японии.

Для повышения  эффективности использования сетей  базовых станций, расширяется количество областей их использования. Так, в штате  Вашингтон установлена сеть из 102 базовых станций. Сеть работает на технологии Trimble VRS, и используется не только для научных, но и для коммерческих целей – например, для кадастровых работ.

В целом, использование  ГНСС-технологий позволяет повысить безопасность людей и объектов. Так, в Новой Зеландии, Японии и Калифорнии разработаны системы, ведущие постоянный мониторинг сейсмической активности. В состав систем мониторинга входят не только базовые станции, но и разного рода сейсмические датчики. Специализированное программное обеспечение позволяет отслеживать данные как со спутниковых станций, так и с традиционных сейсмических датчиков одновременно.

Система Глобального  Позиционирования (GPS - Global Positioning System).

Система является спутниковой  и работает под управлением Министерства Обороны США. Система является глобальной, всепогодной и обеспечивает возможность получения точных координат и времени 24 часа в сутки (По материалам "Mapping Systems: General Reference, Trimble Navigation Limited, 1996").

Определение положения точек  с помощью спутников. Появление  искусственных спутников Земли произвело переворот в методах геодезии и значительно повысило точность навигации и определения положения точек и объектов на поверхности Земли.

Большое преимущество, которое  дает геодезии использование искусственных  спутников, состоит в том, что спутник может синхронно наблюдаться с нескольких наземных станций, что позволяет определять их взаимное расположение. Сам спутник при этом может играть пассивную роль (например, отражая луч лазера, посланный с наземной станции, обратно на ту же станцию) или активную роль (непрерывно осуществляя передачу радиосигнала).

Основы системы GPS можно  разбить на пять основных подпунктов:

* Спутниковая трилатерация - основа системы.

* Спутниковая дальнометрия – измерение расстояний до спутников.

* Точная временная привязка  – зачем нужно согласовывать  часы в приёмнике и на

спутнике и для чего требуется 4-й космический аппарат.

* Расположение спутников  – определение точного положения  спутников в космосе.

* Коррекция ошибок –  учёт ошибок вносимых задержками  в тропосфере и ионосфере.

Спутниковая трилатерация

Точные координаты могут  быть вычислены для места на поверхности  Земли по

измерениям расстояний от группы спутников (если их положение  в космосе известно). В этом случае спутники являются пунктами с известными координатами. Предположим, что расстояние от одного спутника известно, и мы можем описать сферу заданного радиуса вокруг него.

Если мы знаем также  расстояние и до второго спутника, то определяемое местоположение будет  расположено где-то в круге, задаваемом пересечением двух сфер.

Третий спутник определяет две точки на окружности.

Теперь остаётся только выбрать  правильную точку. Однако одна из точек  всегда может быть отброшена, так как она имеет высокую скорость перемещения или находится на, или под поверхностью Земли. Таким образом, зная расстояние до трёх спутников, можно вычислить координаты определяемой точки.

Спутниковая дальнометрия

Расстояние до спутников  определяется по измерениям времени  прохождения радиосигнала от космического аппарата до приёмника умноженным на скорость света.

Для того, чтобы определить время распространения сигнала нам необходимо знать когда он покинул спутник. Для этого на спутнике и в приёмнике одновременно генерируется одинаковый Псевдослучайный Код. Каждый спутник GPS передаёт два радиосигнала: на частоте L1=1575.42 МГц и L2=1227.60 МГц. Сигнал L1 имеет два дальномерных кода с псевдослучайным шумом (PRN), P-код и C/A код. “Точный” или P-код может быть зашифрован для военных целей. “Грубый” или C/A код не зашифрован. Сигнал L2 модулируется только с P-кодом. Приёмник проверяет входящий сигнал со спутника и определяет когда он генерировал такой же код. Полученная разница, умноженная на скорость света (~ 300000 км/с) даёт искомое расстояние.

Использование кода позволяет  приёмнику определить временную  задержку в любое время. Кроме того, спутники могут излучать сигнал на одной и той же частоте, так как каждый спутник идентифицируется по своему Псевдослучайному коду (PRN или PseudoRandom Number code).

Точная  временная привязка

Как видно из сказанного выше, вычисления напрямую зависят  от точности хода часов. Код должен генерироваться на спутнике и приёмнике в одно и то же время. На спутниках установлены атомные часы имеющие точность около одной наносекунды. Однако это слишком дорого, чтобы устанавливать такие часы в каждый GPS приёмник, поэтому измерения от четвёртого спутника используются для устранения ошибок хода часов приёмника.

Эти измерения можно использовать для устранения ошибок, которые возникают, если часы на спутнике и в приёмнике не синхронизированы. Для наглядности, иллюстрации, приведённые ниже, рассматривают ситуацию на плоскости, так как только три спутника необходимо для вычисления местоположения объекта. Если часы на спутнике и в приёмнике имеют одинаковую точность хода, то точное местоположение может быть найдено по измерениям расстояния до двух спутников.

Когда GPS приёмник получает серию измерений которые не пересекаются в одной точке, то компьютер в приёмнике начинает вычитать (или добавлять) время методом последовательных итерации до тех пор, пока не сведёт все измерения к одной точке. После этого вычисляется поправка и делается соответствующее уравнивание. Если вам требуется третье измерение, то необходим четвёртый спутник для устранения ошибок хода часов в приёмнике. Таким образом, при работе в поле вам необходимо иметь минимум четыре спутника, чтобы определить трёхмерные координаты объекта.

Коррекция ошибок

Некоторые источники ошибок возникающих при работе GPS являются трудно устранимыми. Вычисления предполагают, что сигнал распространяется с непрерывной скоростью, которая равна скорости света. Однако в реальности всё гораздо сложнее.

Скорость света является константой только в вакууме. Когда  сигнал проходит  через ионосферу (слой заряженных частиц на высоте 130-290 км) и тропосферу, его скорость распространения уменьшается, что приводит к ошибкам в измерения дальности. В современных GPS приёмниках используют всевозможные алгоритмы устранения этих задержек.

Иногда возникают ошибки в ходе атомных часов и орбитах  спутников, но они обычно незначительны и тщательно отслеживаются со станций слежения.

Многолучёвая интерференция  также вносит ошибки в определение  местоположения с помощью GPS. Это происходит, когда сигнал отражается от объектов расположенных на земной поверхности, что создаёт заметную интерференцию с сигналами приходящими непосредственно со спутников. Специальная техника обработки сигнала и продуманная конструкция антенн позволяет свести к минимуму этот источник ошибок.

Обычно измеряют расстояние между наземным пунктом и спутником  и скорость изменения этого расстояния при прохождении спутника. Расстояния рассчитывают, исходя из времени, которое затрачивает электромагнитный сигнал (лазерная вспышка или радиоимпульс) на прохождение пути от спутника до принимающей станции, при условии, что скорость движения сигнала известна. Вводятся поправки за атмосферную задержку сигнала и рефракцию. Скорость изменения расстояния между спутником и принимающей станцией определяется по величине наблюдаемого доплеровского сдвига частоты – изменения частоты сигнала, поступающего со спутника. Еще одна группа спутниковых наблюдений основана на принципе интерферометрии (т.е. наложения волн), когда радиоимпульс принимается в двух пунктах на земной поверхности и определяется время его запаздывания в одном пункте по отношению к другому. По величине этой задержки и известной скорости распространения волны с учетом угла подхода (который рассчитывается на основе известных параметров орбиты спутника) вычисляется расстояние между двумя пунктами. Наблюдения нескольких спутников позволяют также точно определить направление базисной линии, соединяющей наземные станции.

 

 

Заключение

 

Мы рассмотрели два наиболее современных и точных метода наблюдения движения литосферных плит. Обоим этим методам еще есть к чему стремится и ото дня в день они не стоят на месте, а развиваются и расширяются, по всему миру появляются новые постоянно работающие базовые станции и радиотелескопы.