Improving GPS time series for geodynamic studies

Abstract

Accurate and stable time series of geodetic parameters can be used to help in understanding the dynamic Earth and its response to global change. The Global Positioning System, GPS, has proven to be invaluable in modern geodynamic studies. In Fennoscandia the first GPS networks were set up in 1993. These networks form the basis of the national reference frames in the area, but they also provide long and important time series for crustal deformation studies. These time series can be used, for example, to better constrain the ice history of the last ice age and the Earth’s structure, via existing glacial isostatic adjustment models.

To improve the accuracy and stability of the GPS time series, the possible nuisance parameters and error sources need to be minimized. We have analysed GPS time series to study two phenomena. First, we study the refraction in the neutral atmosphere of the GPS signal, and, second, we study the surface loading of the crust by environmental factors, namely the non-tidal Baltic Sea, atmospheric load and varying continental water reservoirs. We studied the atmospheric effects on the GPS time series by comparing the standard method to slant delays derived from a regional numerical weather model. We have presented a method for correcting the atmospheric delays at the observational level. The results show that both standard atmosphere modelling and the atmospheric delays derived from a numerical weather model by ray-tracing provide a stable solution. The advantage of the latter is that the number of unknowns used in the computation decreases and thus, the computation may become faster and more robust. The computation can also be done with any processing software that allows the atmospheric correction to be turned off.

The crustal deformation due to loading was computed by convolving Green’s functions with surface load data, that is to say, global hydrology models, global numerical weather models and a local model for the Baltic Sea. The result was that the loading factors can be seen in the GPS coordinate time series. Reducing the computed deformation from the vertical time series of GPS coordinates reduces the scatter of the time series; however, the long term trends are not influenced. We show that global hydrology models and the local sea surface can explain up to 30% of the GPS time series variation. On the other hand atmospheric loading admittance in the GPS time series is low, and different hydrological surface load models could not be validated in the present study. In order to be used for GPS corrections in the future, both atmospheric loading and hydrological models need further analysis and improvements.

Satelliittipaikannusjärjestelmä GPS (Global Positioning System) on osoittautunut arvokkaaksi työkaluksi maapallon dynamiikkaa tutkittaessa. GPS:n avulla voidaan tutkia maankuoren liikkeitä sekä lyhyillä että pitkillä ajanjaksoilla. Lyhytaikaisista liikkeistä voidaan esimerkiksi ennakoida maanjäristyksiä tai tulivuorenpurkauksia, kun taas pitkistä aikasarjoista pystytään laskemaan tektonisten laattojen liikkeitä sekä jääkauden aiheuttaman maannousun nopeuksia. Nykyisiä maannousunopeuksia eli muinaisten jääkausien vaikutuksia havaitsemalla voidaan pyrkiä ymmärtämään nykyisen ilmaston lämpenemisen vaikutuksia maapalloon.

Jotta saataisiin mahdollisimman luotettavia tuloksia GPS-aikasarjoista on häiriötekijät saatava mahdollisimman vähäisiksi. Tässä väitöskirjassa GPS-aikasarjoja on käytetty kahden ilmiön tutkimiseen. Ensimmäinen on neutraalin ilmakehän aiheuttama GPS-signaalin viivästyminen. Toinen ilmiö on nimeltään ympäristön aiheuttama pintakuormitus, eli tässä tapauksessa Itämeren, ilmakehän ja maavesien muuttuvien massojen aiheuttama maankuoren deformaatio. Nämä ilmiöt riippuvat toisistaan. GPS-laskennassa epätarkka ilmakehäkorjaus voi vaimentaa ympäristökuormituksesta johtuvaa todellista maankuoren liikettä, ja todellinen maankuoren liike voidaan puolestaan tulkita virheelliseksi ilmakehäkorjaukseksi. Ymmärtämällä näiden ilmiöiden syyt ja seuraukset GPS-aikasarjojen tarkkuutta ja vakautta voidaan parantaa.

Neutraalin ilmakehän aiheuttamaa signaalin viivästymistä mallinnetaan GPS-ohjelmissa usein yksinkertaisten ilmakehämallien avulla. Tässä työssä on käytetty numeerisesta sääennusteesta laskettuja vinoviiveitä. Vertasimme useita GPS-aikasarjoja, jotka on laskettu käyttäen erilaisia ilmakehämalleja, kuvausfunktioita sekä myös vinoviiveitä. Lasketut vinoviiveet on korjattu suoraan GPS-havaintoihin, jolloin laskennassa ilmakehäkorjaus voidaan ottaa pois päältä. Vinoviiveitä käyttämällä saadaan yhtä hyviä tuloksia kuin perinteisellä zeniittiviive-kuvausfunktio-yhdistelmällä. Kannettavat yksitaajuusvastaanottimia käyttävät laitteet voisivat erityisesti hyötyä tästä menetelmästä.

Maankuoren ympäristökuormitusta tutkittiin käyttämällä globaaleja maavesimalleja, globaaleja ilmakehämalleja sekä paikallista mallia Itämerelle. Eri tekijöiden kuorman aiheuttama deformaatio poistettiin GPS-aikasarjoista, ja vaikutusta aikasarjojen keskihajontaan tutkittiin. Tuloksista huomattiin, että kuormitustekijät näkyvät GPS-aikasarjoissa. Eri maavesimalleissa oli huomattavia eroja samoilla asemilla, parasta mallia ei pystytty valitsemaan. Myös ilmakehän kuormitus kaipaa lisätutkimuksia.