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.     

Campagne Diademe Resultats obtenus en geodesie semi-dynamique a l'aide de mesures Doppler

Conclusions Le traitement des mesures Doppler sur des périodes voisines de 1 jour permet, par correction différentielle utilisant un bon modèle théorique, de retrouver les coordonnées,X, Y des stations du triangle méditerranéen avec des dispersions respectives de50 mètres et15 mètres. Bien que la coordonnéeZ soit moins bien déterminée, dispersion pouvant atteindre200 mètres, on peut retrouver les dimensions du triangle. L'analyse spectrale de la matrice de covariance fait appara?tre comme la plus grande composante de l'ellipso?de d'erreur, la cote du centre de gravité au-dessus du plan équatorial. Ceci peut s'expliquer par un manque de diversité des passages (période courte), un réseau d'observation trop restreint et dans le même hémisphère (mauvaise détermination dui), des imperfections du modèle de perturbations (Harmoniques de résonances, frottement). L'élimination des paramètres internes et la résolution, sur les seuls déplacements significatifs, diminue la dispersion à une dizaine de mètres surX, Y etZ. Ces résultats ne constituent qu'une première étape d'un traitement systématique en cours, qui sera exposé au COSPAR 1969.     

Les mouvements de l'ecorce terrestre et leur observation geodesique

Conclusion Les exemples cités dans cet article et étudiés en Tchécoslovaquie montrent que sur la terre entière, se produisent des mouvements de l'écorce terrestre, horizontaux et verticaux, positifs et négatifs. En même temps on peut constater que ce sont les régions de tectonique jeune qui subissent ces mouvements et qu'ils s'y manifestent beaucoup plus intensivement (système slovaco—carpathien) que sur les masses de continent plus stables de l'écorce terrestre (Bohême et Moravie—Massif de Bohême) et que dans les régions séismiquement actives (bassin de Komarno en Slovaquie du Sud) leur direction peut changer. On peut supposer que ces mouvements provoquent certaines tensions dans les roches de l'écorce terrestre. Si une réserve suffisante d'énergie potentielle s'accumule en forme de tensions élastiques, il suffit d'une impulsion insignifiante (par ex. des dérangements aux lieux, fatigués tectoniquement, une altération du milieu minier par l'exploitation, etc..) pour transformer l'énergie potentielle accumulée en énergie cinétique. Ensuite se produisent des pressions des roches, des secousses et des dérangements différents de la structure des roches et par suite des mouvements secondaires. A. PELNAR conclut également que les secousses dans les mines de Pribram en Bohême peuvent être causées par des mouvements verticaux petits, mais bien impétueux des massifs, montagneux, moyennant quoi une énergie considérable se libère par un, écrasement des établissements miniers. Comme les mouvements mentionnés sont fonction du temps, les changements de tension et les déformations dans les roches et leurs conséquences se présentent comme une fonction du temps. L'importance des études de l'écorce terrestre est immense non seulement au point de vue scientifique (géologie, géodésie, géophysique), mais aussi au point de vue pratique (géologie d'ingénieur, industrie minière). L'étude détaillée des mouvements de l'écorce terrestre, de leurs causes, de l'énergétique, de l'action, de la connection et des conséquences de leurs marques permettra de résoudre un nombre de problèmes, parmi les autres même le problème des pressions et des couches montagneuses et aidera à résoudre maintes discussions à cet égard (voir par ex. la discussion entre le savant tchèque A. PELNAR et le spécialiste G. SPACKELLER sur la question de savoir si les secousses à Ostrava sont causées par les dernières manifestations du plissement varisque ou si elles sont provoquées par l'exploitation des mines ou toute autre cause inconnue. Les mouvements du groupe B joueront aussi un r?le important dans la solution de ces problèmes.     

Etude de la structure du spectre diurne des marees terrestres par la methode des moindres carres

Résumé Un grand nombre d'enregistrements de gravimètres et de pendules horizontaux ont été analysés dans le but de mettre en évidence les effets de résonance du noyau prévus par différents modèles théoriques. Seuls ont été retenus des enregistrements de longueur suffisante et présentant la meilleure stabilité dans le temps. Les portions d'enregistrement fortement perturbées ont été éliminées sur la base de critères objectifs. Un remarquable accord d'ensemble se dégage pour les constituants principaux et des effets systématiques apparaissent qui présentent certains écarts par rapport aux modèles théoriques. En ce qui concerne la structure fine (π₁ Ψ₁ φ₁) il semble prématuré de conclure.

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Summary Several high quality clinometric and gravimetric tidal series were analysed to investigate the possible liquid core resonance effect in the diurnal spectrum. The disturbed parts of the records were eliminated according to specific criteria. The tidal constituents show a very good internal consistency. Systematic effects appear which do not fit perfectly the theoretical models. As far is the fine structure of the spectrum (π₁ Ψ₁ φ₁) is concerned conclusions would he premature.

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Commission des Marées Terrestres A.I.G. Section V, présenté à la XVI^è Ass. Gén. Grenoble.     

Choix de formules de la refraction atmospherique pour les observations par chambres balistiques

Résumé L'exposé ci-dessous condense les travaux effectués par MM. Levallois et Dufour sur la réfraction atmosphérique pour les distances zénithales inférieures à 80°. L'originalité du résultat réside essentiellement dans le fait que sa partie principale ne fait intervenir les conditions météorologiques que sous la forme des température et pression au point de station et de la pression au point visé. Ce résultat s'adapte donc immédiatement à toute hypothèse de loi de densité en fonction de l'altitude. *** DIRECT SUPPORT *** A06D2016 00002     

Etude comparative des differents resultats obtenus en geodesie spatiale sur le reseau europeen

Conclusions Les différentes méthodes de géodésie spatiale utilisées sur le réseau européen ont prouvé la possibilité d'établir un réseau primaire à grandes milles, entre1500 et2000 kilomètres, avec une précision de3 à5 mètres sur les cordes, et d'environ0″5 sur l'orientation, et peut-être mieux. Le dépouillement complet de l'expérienceRCP 133 pourra confirmer ces chiffres et permettra de vérifier en particulier le facteur d'échelle trouvé. Les méthodes géométriques semblent les plus adaptées à ce travail, mais il serait nécessaire d'atteindre la précision ultime des Lasers:30 cm et d'utiliser les photographies d'écho Laser, l'expérience préliminaire réalisée par l'ONERA étant plus qu'encourageante à ce sujet. Les méthodes semi-dynamiques ont prouvé qu'avec un bon modèle de potentiel, on pourrait retrouver, même à l'échelle d'une portion de continent, la position du centre de gravité de la terre avec une précision d'environ20 mètres. Là encore, on peut espérer mieux: amélioration du modèle, choix de la période de traitement, utilisation d'autres satellites, utilisation de mesures photographiques (pour fixer l'orientation) et Laser. Le réseau constitué par les observations sur Pageos, avec pour échelle la distance San Fernando—Haute Provence, sera déjà une première réalisation de réseaux primaires. Mais il serait probablement souhaitable, à l'occasion du lancement de GEOS-C, d'établir un réseau optimisé et avec le maximum de précision.     

The deflection of the vertical in the Western and Central Mediterranean area

The deflection of the vertical at 23 stations was determined by gravimetrical methods and compared to the difference of astronomic observations and geodetic values of the European adjustment. The results show a fair agreement between the two independent sets of values, indicating that doubts about the relative reliability of submarine gravity observations are not justified. A systematic discrepancy in the meridian components of the deflection may reflect on theHayford ellipsoid as used in the European adjustment.

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Zusammenfassung Auf 23 Stationen wurde die Lotabweichung gravimetrisch bestimmt und den astro-geod?tischen Werten der europ?ischen Ausgleichung gegenübergestellt. Die beiden Ergebnisse stimmen sehr gut überein. Damit werden die Bedenken hinf?llig, die sich gegen den Wert von Messungen in Unterseebooten richteten. Systematische Abweichungen in den meridionalen Komponenten beruhen m?glicherweise auf der art der Anwendung des Hayfordschen Ellipsoids in der Ausgleichung des Zentraleurop?ischen Netzes.

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Resumen La desviación de la vertical en 23 estaciones ha sido determinada por el método gravimétrico y compara con los resultados astrogeodéticos de la compensación europea. Existe muy buen acuerdo entre los dos conjuntos de datos, que demuestra que las dudas emitidas en cuanto al valor de las observaciones en submarino son injustificadas. Una discordancia sistemática en las componentes meridianas podria ser debida al empleo del elipsoide deHayford en la compensación de la red europea.

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Résumé La déviation de la verticale en 23 stations a été déterminée par la méthode gravimétrique et comparée aux résultats astrogéodésiques de la compensation européenne. Il y a très bon accord entre les 2 ensembles de données, ce qui montre que les doutes émis quant à la valeur des observations en sous-marins sont injustifiés. Une discordance systématique dans les composantes méridiennes pourrait être due à la fa?on dont on a employé l'ellipso?de deHayford dans la compensation du réseau central européen.

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Sommario E'stata determinata col metodo gravimetrico la deviazione della verticale in 23 stazioni e comparata ai risultati astro-geodetici della compensazione europea. Vi é molto buon accordo tra i due insiemi di dati, ciò che dimostra che i dubbi emessi circa il valore delle osservazioni in sottomarino sono ingiustificati. Una discordanza sistematica tra le componenti maridiane potrebbe essere dovuta all'impiego nella compensazione della rete central europea dell'ellisoide diHayford.

     

Probleme de l'implantation d'une grille sur une shphere

Résumé Dans une première partie, traitée de fa?on élémentaire, l'auteur, après avoir rappelé diverses solutions particulières, propose deux méthodes pour résoudre le problème de l'optimisation d'un réseau de points de grille sur une sphère, admettant toutes deux une symétrie équatoriale, des points équidistants sur des parallèles régulièrement espacés en latitude, une ligne de points équatoriaux et deux points polaires. Une critique permet de dégager la meilleure de ces deux solutions; cette dernière solution convient, quelque soit le nombre N de points, si N>5, mais conviendra d'autant mieux que N sera plus grand. Une application numérique est donnée pour un réseau de 1.000 points, avec la localisation de ces points sur une carte de l'hémisphère terrestre Nord. Dans une seconde partie, traitée de fa?on plus théorique, l'auteur précise la notion de distance interpoints, montre les limites de validité des solutions précédentes pour finalement proposer une troisième solution, la solution dite “en spirale”, qui lui para?t définitivement la meilleure.     

Superconducting tensor gravity gradiometer

A sensitive gravity gradiometer can provide much needed gravity data of the earth and improve the accuracy of inertial navigation. A complete determination of all five independent components of the gravity gradient tensor is possible in principle by rotating a single in-line component gradiometer. In order to avoid dynamically induced noise sources arising from rotation, a hard-mounted assembly of component gradiometers may nevertheless be advantageous in an ultra-sensitive device. Superconductivity and other properties of materials at low temperatures can be used to obtain a sensitive, low-drift, gravity gradiometer. By differencing the outputs of accelerometer pairs using superconducting circuits, it is possible to construct a non-rotating tensor gravity gradiometer. Additional superconducting circuits can be provided to determine the linear and angular acceleration vectors. A three-axis in-line gravity gradiometer (a “vector” gradiometer) is being developed for satellite geodesy. A two-dimensional spring concept for a three-axis cross component gradiometer is discussed. The superconducting tensor gravity gradiometer constitutes a complete package of inertial navigation instruments with angular and linear acceleration readouts as well as gravity signals. Accuracy of inertial navigation could be improved by use of such a gradiometeraided inertial navigator.

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Sommaire Un gradiomètre gravimétrique sensible peut foumir une grande partie des données gravimétriques terrestres et augmenter la précision de la navigation inertielle. Une détermination complète des cinq composantes indépendantes du tenseur de gradient de gravité est possible en principe par la rotation d’un seul axe d’un gradiomètre. Dans le but d’éviter les sources de bruit provenant de la rotation, un assemblage complexe de gradiomètres peut être néanmoins avantageux dans un appareil ultra-sensible. La superconductivité et d’autres propriétés des matériaux à basse température peuvent être utilisées pour obtenir un gradiomètre gravimétrique sensible et à faible dérive. Il est possible, en différentiant les sorties de paires d’accéléromètres utilisant des circuits superconducteurs, de construire un gradimètre non-rotatif qui mesure le tenseur de gravité. Des circuits superconducteurs additionnels peuvent être ajoutés pour déterminer les vecteurs d’accélération linéaires et angulaires. Un gradiomètre gravimétrique à trois exes est présentement développé pour la géodésie spatiale. Le concept d’un ressort à deux dimensions comme composante d’un gradiomètre à trois axes est discuté. Le gradiomètre de mesure du tenseur de gravité à l’aide de circuits superconducteurs constitue l’ensemble complet pour un instrument de navigation inertielle avec lecture des accélérations angulaires et linéaires et des données de gravité. La précision de la navigation inertielle pourrait être améliorée par l’emploi d’un tel gradiomètre avec les systèmes inertiels.

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

A comparison of models in inertial surveying

The output of an inertial measuring unit contains the combined effect of vehicle acceleration, accelerations due to the reference system, gravitational attraction, calibration and alignment errors, and measuring noise. The separation of individual effects from the total output is the task of modelling. Differences in the existing models are mainly due to the treatment of system errors and of the anomalous gravity field. The paper discusses the state space formulation as a general approach to represent errors of a dynamic system and describes its application to the modelling of an inertial system. Complications due to the effects of the anomalous gravity field are discussed and possible solutions are indicated. Finally, the models in the existing inertial survey systems are compared and implementation requirements for survey applications are outlined.

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Sommaire Les mesures effectuées par l’unité de mesure inertielle continnent les effets de l’accélération du véhicule et de celle due au système de référence, de l’attraction gravitationnelle, des erreurs de calibrage et d’alignement, et finalement du bruit de fond. La séparation de chacun de ces effets sur les mesures est le sujet de la modélisation. Les différences dans les modèles existant sont principalement dues au traitement du système d’erreurs et des anomalies du champ de gravité. La communication discute de la formulation du vector d’erreurs comme approche générale pour la représentation d’erreurs dans un système dynamique et décrit son application dans la modélisation d’un système inertiel. Les complications dues aux effets des anomalies du champ de gravité sont discutées et des solutions possibles sont indiquées. Enfin, les modèles dans les présents systèmes inertiels d’arpentage sont comparés et les exigences pour les applications en arpentage sont soulignées.

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

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.