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.     

Astrofix en coordonnees rectangulaires: Methode de bhattacharji,methode de dollen et methode de dollen generalisee

Résumé Dans la première partie de cette note on met en évidence l’efficacité et la simplicité de résolution que les coordonnées rectangulaires offrent dans les problèmes de l’astronomie géodésique. Dans la dernière partie on expose une nouvelle méthode pour la détermination astronomique du point.     

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.     

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).

     

Adjustment of European Triangulation

Zusammenfassung Bei der Ausgleichung des Südwest-Blockes und des Nordblockes der europ?ischen Triangulation war es nicht m?glich, die Bowie-Methode anzuwenden, weil die Grundlinien und die Laplaceschen Punkte sich im allgemeinen nicht in den Knotennetzen zwischen Meridianund Parallelkreisketten befinden. Mit Rücksicht hierauf gibt es in dem Schema nur einige wenige Netzteile, die zun?chst für sich ausgeglichen werden konnten; in der Hauptsache mu\te fast der ganze Block in einem Gu? ausgeglichen werden. Die Ausgleichung des südwesteurop?ischen Blockes erfolgte nach der Methode der bedingten Beobachtungen; die Gleichungen der verschiedenen Art wurden durch die Mathematiker des Coast and Geodetic Survey aufgestellt und sofort auf Lochkarten der International Business Machines (IB.M.) übertragen, soda? alle Berechnungen mit Hilfe der I.B.M.-Maschinen rein mechanisch durchgeführt werden konnten. Die Aufl?sung der 2348 Normalgleichungen des süwesteurop?ischen Blocks erfolgte nach der Methode von Doolittle. Die Rechnungen erfolgten auf 6 Dezimalstellen. Die Ausgleichung des Südwest-Blocks erforderte fast 18 Monate Arbeit. Die Ausgleichung des nordeurop?ischen Blocks wurde im Gegensatz hierzu nach vermittelnden Beobachtungen durchgeführt, wobei die vorhandenen Basis- und Laplacebedingungen besonders berücksichtigt werden mu?ten. Sie umfa?t auch den D?nisch-Norwegischen Anschlu?, der mit Hilfe der Hochzieltriangulation hergestellt wurde. Die bereits verliegende Ausgleichung des baltischen Ringes hat die Arbeit weitgebend erleirchtert. Der nordeurop?ische Block ergab ein System von 2475 Normalgleichungen, die in der sehr kurzen Zeit von 3 Monaten gel?st wurden, wobei an den Maschinen sechs Tage pro Woche und t?glich jeweils 16 Stunden gearbeitet wurde. Die Durchführung der Arbeit hat gezeigt, da? die Aufl?sung gro?er Normalgleichungssysteme keine besonderen Schwierigkeiten mehr bereitet, und da? es kaum vorteilhaft ist, in den schw?cheren Teilen des Netzes Ketten auszuscheiden. Dieser Fall trifft in Italien zu. Weiterhin zeigt die Arbeit 1) da? es wohl angebracht w?re, in einigen Teilen des Netzes die Beobachtungen zu wiederholen, 2) da? die astronomischen Fundamental-Meridiane verschiedener L?nder, auf die sich die L?ngen beziehen, oft nur ungenügend übereinstimmen.

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Resumen En la compensación europea no fué posible adoptar el método deBowie, dado que las bases geodésicas y los puntos deLaplace no se encuentran en general en los cruces entre las cadenas meridianas y paralelas; por esta razón no hay en el esquema sino algunas raras figuras compensadas de antemano; todo el resto de la red está compensada en un solo bloque. La compensación del bloque de la Europa Sud-Oeste ha sido efectuada por el método de observaciones condicionadas; las ecuaciones de los diferentes tipos fueron escritas por los matemáticos del Coast and Geodetic Survey, y llevadas inmediatamente a cartas perforadas de la “International Business Machines” (I.B.M.); a partir de ese momento, todo el cálculo se prosiguió por via mecánica con la intervención de las máquinas I.B.M. El método empleado para la resolución de los sistemas normales, cuyo número de ecuaciones para ese bloque era de 2348, es el de Doolittle, empleando inicialmente 6 cifras decimales; el cálculo de ese bloque exigió aproximadamente 18 meses de trabajo. La compensación del bloque de la Europa Norte ha sido efectuado. al contrario, por el método de variación de coordenadas, teniendo tam bién en cuenta el enlace geodésico entre Noruega y Dinamarca, efectuado por el método de los cohetes. La compensación que ya existía del anillo báltico ha facilitado mucho la tarea. El método empleado en el cálculo ha sido el de las observaciones indirectas condicionadas, siendo regidas las condiciones por la concordancia de las bases existentes y de los azimutes de Laplace. El bloque de la Europa Norte ha conducido a un sistema de 2475 ecuaciones que han sido resueltas en el tiempo extremadamente corto de 3 meses, trabajando las máquinas 6 dias por semana, durante 16 horas por dia. La experiencia adquirida durante la ejecución del trabajo, ha demostrado que no hay dificultad alguna para resolver grandes sistemas de ecuaciones simultáneas, y que, por tanto, no representa gran ventaja extraer cadenas en las partes más delicadas de la red. Es el caso que se ha presentado en Italia. Sin embargo, se infiere del trabajo efectuado, que sería conveniente volver a observar la red en algunas zonas, y que con frecuencia no hay concordancia suficiente entre los meridianos astronómicos fundamentales de los diferentes paises, en los que se apoyan las determinaciones de longitud.

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Résumé Il ne fut pas possible, dans la compensation européenne, d’adopter la méthode deBowie, étant donné que les bases géodésiques et les points deLaplace ne se trouvent en général pas aux croisements entre cha?nes méridiennes et parallèles; il n’y a dans le schéma que quelques rares figures rigides compensées à l’avance; tout le reste du réseau étant compensé en un seul bloc. La compensation du bloc de l’Europe Sud-Ouest a été effectuée par la méthode des observations conditionnées; les équations des différents types étaient écrites par les calculateurs duCoast and Geodetic Survey, et reportées immédiatement sur des cartes perforées de l’International Business Machines (I.B.M.); à partir de ce moment-là, tout le calcul se poursuivit par voie mécanique à l’aide des machines I.B.M. La méthode employée pour la résolution des systèmes normaux, dont le nombre d’équations était pour ce bloc de 2348, est celle de Doolittle, en employant initialement 6 chiffres décimaux; le calcul de ce bloc demanda à peu près 18 mois de travail. La compensation du bloc de l’Europe Nord a été effectuée au contraire par la méthode de variation de coordonnées, tenant compte aussi de la jonction géodésique entre Norvège et Danemark effectuée au moyen de la méthode des fusées. La compensation existante de l’anneau baltique a grandement facilité la tache. La méthode employée dans le calcul a été celle des observations indirectes conditionnées, les conditions étant dues à l’accord des bases existantes et des azimuths laplaciens. Le bloc de l’Europe Nord a conduit sur un système de 2475 équations qui ont été résolues dans le temps très court de 3 mois, en travaillant aux machines six jours par semaine, pendant 16 heures par jour. L’expérience acquise pendant l’exécution du travail a montré qu’il n’y a aucune difficulté à résoudre des grands systèmes d’équations simultanées, et que pourtant il n’y a pas grand avantage d’extraire des cha?nes dans les parties plus délicates du réseau. C’est le cas qui s’est présenté en Italie. Du travail effectué, il ressort encore qu’il serait convenable de réobserver le réseau en quelques zones; et qu’il n’y a pas souvent accord suffisant entre les méridiens astronomiques fondamentaux des différents pays. auxquels s’appuient les déterminations de longitude.

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Sommario Nella compensazione europea non fu possibile adottare il metodo diBowie, poichè le basi geodetiche ed i punti diLaplace non si trovano in generale agli incroci fra catene parallele e meridiane; per questa ragione non c’è nella rete che qualche rara figura rigida compensata preventivamente; tutto il resto della rete è stato compensato di un solo getto. La compensazione del blocco dell’Europa Settentrionale è stata effettuata con il metodo delle osservazioni condizionate; le varie equazioni sono state scritte dai matematici delCoast and Geodetic Survey, e trasportate immediatamente su schede perforate della International Business Machines (I.B.M.); da questo momento il calcolo si è svolto meccanicamente mediante le macchine I.B.M. Il metodo impiegato per la risoluzione del sistema normale, il cui numero di equazioni era, per questo blocco, di 2348, è quello detto di Doolittle; si sono impiegate inizialmente 6 cifre decimali, ed il calcolo per tutto il blocco ha richiesto 18 mesi di lavoro circa. La compensazione del blocco dell’Europa Settentrionale è stata invece effettuata con il metodo per variazione di coordinate, tenendo anche conto del collegamento geodetico mediante razzi illuminanti esistente fra la Danimarca e la Norvegia. L’esistente compensazione dell’anello baltico ha grandemente facilitato il compito. Il metodo di calcolo è stato quello delle osservazioni indirette condizionate, le condizioni essendo dovute all’esistenza di basi misurate e degli azimut laplaciani. Il calcolo del blocco dell’Europa Settentrionale ha richiesto la risoluzione di un sistema di 2475 equazioni, che sono state risolte nel tempo brevissimo di 3 mesi, operando le macchine sei giorni per settimana, e durante 16 ore al giorno. L’esperienza acquistata durante l’esecuzione del lavoro, ha mostrato che non c’è alcuna grande difficoltà nel risolvere grandi sistemi di equazioni simultanee, e che pertanto non si realizza un grande vantaggio nell’estrarre catene nelle parti più delicate di una rete continua. E’il caso che si è presentato in Italia. Ancora appare dal lavoro effettuato, che sarebbe opportuno riosservare la rete in qualche parte; e che spesso non c’è sufficiente accordo fra i meridiani astronomici fondamentali dei vari Paesi, ai quali si appoggiano le determinazioni astronomiche.

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Communication présentée à l’Assemblée Générale de Bruxelles     

La representation du potentiel terrestre par masses ponctuelles

Résumé Un modèle de représentation du potential terrestre par 126 masses ponctuelles de profondeurs situées entre 1000 et 1500 km a été construit à partir de la Standard Earth II du S.A.O. et utilisé avec succès pour la représentation du géo?de, des anomalies de gravité, ainsi qu’en calcul d’orbites par correction différentielle utilisant des observations réelles de satellites artificiels. Les propriétés de décroissance rapide de ces fonctions sont mises en évidence, et leur utilisation envisagée à l’analyse scientifique de mesures altimétriques.