Evaluation et representation des erreurs sur les deformations d'un reseau geodesique: Utilisation de la methode de Monte Carlo

Résumé Le problème de la comparison des données obtenues à différentes époques sur un réseau geódésique pour en déduire les déformations subies par ce réseau au cours du temps est discuté, et conduit à proposer un mode de représentation simultané des déformations et des erreurs, utilisant les tenseurs de déformations classiques avec une méthode de Monte Carlo permettant de simuler un grand nombre de séries de mesures.

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The repetition of geodetic measurements is employed in many cases to monitor ground deformations, and is widely used for civil engineering, geodynamics and slope instabilities studies. Generally the networks used are small and the main problem to solve is how to detect stable zones, i.e. where the signal/noise ratio of the deformation measurements are below unity. This is commonly done using statistical tests. We present here a new tool, the simultaneous display of the deformations and their related errors, using a classical Monte Carlo methodology when computing strain tensors. Such a representation provides to non-specialists in a quit efficient way the significance level of the deformation patterns. Some examples show that even when statistical test show a poor confidence level, this methodology may give anyway in some situations the pattern of the deformation (but—obviously—not its amplitude).

     

10 Hz or 10 s?

Data sampling frequencies in many kinematic GNSS applications are often in the range of 2–10 Hz or even higher. In contrast, the sampling frequency of standard reference stations is usually not higher than 1 Hz, and many stations even deliver data at sampling intervals as large as 30 s. An easily implemented algorithm for data interpolation will be presented and it will be demonstrated that interpolation of pseudorange and carrier phase reference station data is possible at a high level of accuracy. This technique—which has not received proper attention so far—is helpful to reduce data storage capacity for postprocessing applications, but and can also be beneficial for real-time applications suffering from slow data links. Results of test trials indicate that a standard deviation better than 2 mm can be reached for interpolated carrier phases collected at reference sites sampling data with 5-s intervals in double difference mode. These interpolated double difference data obviously still follow a Gaussian distribution. A trend function for the expected standard deviation of interpolated double difference carrier phase measurements will be presented. From this function, a recommendation for an optimal sampling rate of reference station data can be derived which is close to 10 s.     

Regional adjustment of inertial gravity disturbance vector measurements by optimal two-dimensional smoothing

A two-dimensional signal processing algorithm is developed to obtain smoothed estimates of the gravity disturbance vector from vector measurements obtained by an inertial surveying system. The method differs from a conventional least squares regional adjustment of such measurements in that it accommodates a signal model in the smoothing process. Using principles from the physical theory of geodesy, it is shown that for a local region on the surface of the earth, an appropriate signal model is obtained by applying the two-dimensional Laplacian operator to a function representing the surface disturbance potential and equating the result to spatial white noise. The model of the vector measurement is the three orthogonal spatial derivatives of a three dimensional disturbance potential evaluated at the surface contaminated by additive white noise. The problem of simultaneous smoothing of all the gravity disturbance measurements from all survey traverses in the region is solved by representing the surface disturbance potential by a two-dimensional Karhunen-Loeve expansion that makes no specific reference to either the geometry or the ordering of the parameter space, thereby making no assumptions of causality, stationarity or isotropy. The problem of estimating the gravity anomaly and the two vertical deflection components reduces to estimating the Karhunen-Loeve coefficients which are uncorrelated and rapidly converging. Simulation results as well as smoothing of actual gravity disturbance vector measurements obtained by the U.S. Army Engineer Topographic Laboratories (USAETL) with the Rapid Geodetic Survey System (RGSS) at the White Sands Missile Range (WSMR) are presented in the paper. An analysis of these results shows that the optimal two-dimensional smoother obtains a performance benefit relative to conventional regional least squares by a factor of 2 and a benefit relative to single-traverse smoothed results by a factor of 4.

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Sommaire Un algorithme de traitement du signal en deux dimensions est développé pour obtenir une estimation lissée du vecteur de la perturbation de la pesanteur à partir des mesures de vecteur obtenues avec un système d’arpentage inertiel. La méthode diffère d’un compensation régionale conventionnelle par moindres carrés de telles mesures, par le fait qu’elle contient un modèle du signal dans le processus de compensation. En s’appuyant sur les principes de la géodésie physique, il est montré que pour une région locale de la surface de la terre, un modèle approprié du signal est obtenu en appliquant l’opérateur à deux dimensions de Laplace à une fonction représentant le champ perturbateur à la surface de la terre et égalisant le résultat à un bruit blanc spatial. Le modèle du vecteur de mesures est défini par les trois dérivées spatiales de la fonction tridimensionnelle du potentiel perturbateur évaluées à la surface et contaminées par un bruit blanc. Le problème du lissage de toutes les mesures de gravité perturbatrice obtenues à partir des polygonales effectuées est résolu en représentant le potentiel perturbateur à la surface à l’aide d’un développement Karhunen-Loeve à deux dimensions qui ne fait aucunement référence à la géométrie ou à l’ordre des paramètres; ceci prévient toute dépendance spatiale des points adjacents. Le problème de l’estimation de l’anomalie de la gravité et des deux composantes de la déviation de la verticale se réduit à celle des coefficients Karhunen-Loeve qui sont non-corrélés et convergent rapidement. Les résultats de simulation aussi bien que le lissage des données du vecteur de perturbation de la pesanteur foumi par l’U.S. Army Engineer Topographics Labs (USAETL) sont présentés. L’analyse de ces résultats montre que le lissage optimal à deux dimensions améliore les résultats par un facteur 2 comparés aux résultats d’une compensation régionale par moindres carrés, et par un facteur 4 comparés aux résultats lissés d’une simple traverse.

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Presented at the Second International Symposium on Inertial Technology for Surveying and Geodesy, Banff, Canada, June 1–5, 1981.     

Toute la Geodesie sans ellipsoide Les reperes laplaciens Application plus particuliere aux travaux a latitude elevee

Resume Après de nombreuses années d’hésitation, on a finalement reconnu, au Congrès de Florence, en 1955, que dans le repérage des altitudes, seule la notion depotentiel était claire et sans ambigu?té, l’altitude au sens courant du terme étant conventionnelle. De la même fa?on, pour le repérage géométrique des points à la surface de la Terre, les coordonnées (X Y Z) des points, dans letrièdre cartésien terrestre général, sont les inconnues fondamentales; les coordonnées géodésiques couramment utilisées (longitude, latitude altitude H au-dessus de l’ellipso?de) sont conventionnelles. Mais pratiquement, afin d’écrire commodément les relations d’observation, il para?t intéressant de passer par l’intermédiaire detrièdres locaux (trièdres laplaciens), liés de fa?on invariable au système cartésien général, et de repérer toutes les grandeurs dans ces trièdres locaux. Toutes les observations utilisées en Géodésie s’expriment de fa?on simple et sans singularités dans ces trièdres locaux. La jonction des triangulations classiques, l’Astrogéodésie, la synthèse des Géodésies classique et spatiale sont facilitées. En astronomie de position, les grandeurs longitude, latitude, azimut, sont avantageusement remplacées par: déviation Est-Ouest, déviation Nord-Sud, azimut de Laplace. Les relations d’observation s’écrivent sans difficulté, même dans les régions polaires. L’application pratique des nouvelles formules obtenues a été réalisée avec succès par L.F. Gregerson (Service Géodésique du Canada).

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Summary At Florence, in 1955, it was accepted that, in the problems of levelling, the notion ofpotential was scientifically clear, and that the altitude could derive from it only through a conventional process. In the same manner, when we want to have a geometric reference of the points at the earth surface, we use the coordinates (X Y Z) in thegeneral cartesian trihedron as fundamental unknowns, the geodetic coordinates (λϕH) deriving from (X Y Z) through a conventional process. Practically, in order to set up the observation equations, it is necessary to define local trihedrons (laplacian trihedrons), deriving from the cartesian general system through a fixed transformation, and to refer all the unknowns in these local trihedrons. All the observations used in Geodesy can be expressed simply and without any singularity in these local trihedrons. The links between classical geodetic nets, the astrogeodesy, the combination between classical and spatial geodesy, become easier. In astronomical controls, “longitude, latitude, azimut” must be replaced by: W-E deflection, N-S deflection and Laplace azimuth. Thus all the observation equations can be set, even in polar regions. A practical application of the new formulae was done successfully by L.F. Gregerson (Geodetic Survey of Canada).

     

Resultats de la determination de mouvements des continents d'apres les methodes astronomiques

Sommaire La discussion des observations des latitudes faites dans des stations astronomiques situées sur les continents divers peut permettre de déterminer des mouvements des continents. L'accroissement du nombre des stations astronomiques permet de déceler non seulement le déplacement des continents mais aussi des mouvements de rotation des continents. Le travail qui. suit a été présenté au Symposium tenu à Zurich en septembre 1974 et consacré aux “Problems of Recent Crustal Movements”. N. Stoyko est revenu gravement malade de ce symposium (il devait décéder deux ans plus tard) sans avoir pu contribuer à la rédaction de cette communication qui ainsi ne se trouve pas insérée dans les actes du Symposium de Zurich. A. Stoyko a rédigé le texte par la suite et j'ai demandé au Bulletin Géodésique en hommage à N. Stoyko s'il pouvait en assurer la publication. Je le remercie d'avoir bien voulu le faire.S. Débarbat “Problems of Recent Crustal Movements”, Fourth International Symposium, Moscow, USSR, 1971 Ed. “Valgus”, Tallinn, 1975, pp. 205–211.     

Establishment of precise gravity network of airport stations in India

A precise gravity network of thirty-five stations based on the first order gravity station at Palam airport, New Delhi (979.13433 gals—University of Wisconsin 1969 value) was established during April–June 1971, covering the entire country, in order to use them as reference bases for any future gravity surveys in India with a repeatability of ±0.05 mgal or less. The instrument, a LaCoste-Romberg geodetic gravimeter No. G-84, was transported by air over the network of airport stations embracing Trivandrum in the south, Srinagar in the north, Bombay in the west and Mohanbari in the east. The four airport stations in New Delhi, Calcutta, Madras and Bombay which were more precisely established by a large number of repeat observations were utilised as base stations for facilitating easy occupation of the remaining thirty-one stations within their respective zones. The observations were reduced by procedure which permits automatic removal of instrumental drift from the observed readings. According to the depicted drift curve, the instrumental drift though comparatively small, is found not exactly linear due to the possible tare effect observed at the initial stage and also the resulting creep drift that might have been developed during transportation of the gravimeter by air. The final results along with their probable errors of the order of ±0.01 mgal for base stations and ±0.03 mgal for other stations relative to the adopted value at Palam airport, are given in Table 1. Fourteen of the sites occupied are reoccupations of stations already established by the University of Wisconsin in 1963, and the results of the old and the new measurements as given in Table 2, are in remarkable agreement, which ensures the correctness of the calibration factors of the present instrument relative to that of the Wollard's LaCoste-Romberg gravimeter No. G-1-A actually employed in the 1963 measurements.     

From kinematical geodesy to inertial positioning

WhenH. Moritz (1967, 1971) studied “kinematical geodesy” for the purpose of separation of gravitation and inertia, especially within combined accelerometer-gradiometer systems, it was hard to believe that within five years time inertial survey systems would be available, exactly operating according to his theoretical design. Here, we attempt to give a geodetic introduction into the fundamental equation of inertial positioning materialized by inertial survey systems with emphasis on a careful error model, including 36 parameters of type time interval, initial positions, initial gravity, varying acceleration, varying gravity gradients, accelerometer bias, accelerometer random uncertainty, accelerometer non-orthogonality, initial misalignment angles, accelerometer scale factor uncertainty. The notion of “multipoint” boundary value problem and initial value problem of inertial positioning is reviwed. So-called “post-mission” adjustment techniques for inertial surveys are discussed.

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Sommaire QuandH. Moritz (1967, 1971) a étudié la géodésie cinématique dans le but de séparer la gravitation et l’inertie, spécialement en combinant accéléromètres et gradiomètres, il était difficile de croire qu’en cinq ans les systèmes d’arpentage inertiels seraient disponibles et fonctionneraient exactement selon ses prévisions théoriques. Ici, nous allons tenter de donner une introduction géodésique à l’équation fondamentale du positionnement inertiel, matérialisée par un système d’arpentage inertiel en soulignant l’importance d’un modèle d’erreur incluant 36 paramètres du genre intervalle de temps, positions initiales, gravité initiale, accélération variable, gradient de la gravité variable, déviation des accéléromètres, incertitude aléatoire des accéléromètres, non-orthogonalité des accéléromètres, angles initiaux des défauts d’alignement, incertitude du facteur d’échelle des accéléromètres. La notion de problème “multipoint” aux limites et du problème de la valeur initiale du positionnement inertiel y est revue. Les techniques de compensation “après la mission” y sont discutées.

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Presented at the 2nd International Symposium on Inertial Technology for Surveying and Geodesy, Banff, Canada, June 1–5, 1981.     

Defining the basic entities in a geodetic data base

The term “entity” covers, when used in the field of electronic data processing, the meaning of words like “thing”, “being”, “event”, or “concept”. Each entity is characterized by a set of properties. An information element is a triple consisting of an entity, a property and the value of a property. Geodetic information is sets of information elements with entities being related to geodesy. This information may be stored in the form ofdata and is called ageodetic data base provided (1) it contains or may contain all data necessary for the operations of a particular geodetic organization, (2) the data is stored in a form suited for many different applications and (3) that unnecessary duplications of data have been avoided. The first step to be taken when establishing a geodetic data base is described, namely the definition of the basic entities of the data base (such as trigonometric stations, astronomical stations, gravity stations, geodetic reference-system parameters, etc...). Presented at the “International Symposium on Optimization of Design and Computation of Control Networks”, Sopron, Hungary, July 1977.