ITRF: International Terrestrial Reference Frame BEATRIZ G. ATAIDE CAIO MENDONÇA GABRIEL PASSONI NATIELLY M. MELO

Porque estabelecer um Sistema de Referência? Estudar os fenômenos da Terra: Deslocamento de placas; Movimento do eixo de rotação da Terra e velocidade de rotação; Marés Terrestres e Oceânicas; Aplicações: Conhecimento das orbitas dos satélites artificiais; Navegação terrestre, aérea e marítima; Aplicações em cartografia e posicionamento

Introdução A superfície física da Terra é irregular  Não é representada por uma simples relação matemática Torna-se necessário uma superfície de referência matematicamente tratável Sistema Geodésico de Referência (GRS): é um sistema de coordenadas associado a algumas características terrestres. Implementação: Definição  ideia conceitual Realização ou materialização  conjunto de estações Densificação  redes de referência

Introdução A definição do GRS evolui com o avanço da tecnologia Referencial mais preciso  ITRS (International Terrestrial Reference System) Realização  ITRF (International Terrestrial Reference Frame) Responsabilidade: IERS (International Earth Rotations and Reference System Service)

Organização IERS O IERS é o responsável por manter e atualizar o ITRS/ITRF Centros de Combinação (IERS-CCs)  cálculo da realização do ITRS: DGFI: Deutsches Geodätisches Forschungsinstitut; IGN: Institut Géographique National; JPL: Jet Propulsion Laboratory. Centros Técnicos (IERS-TCs)  desenvolver e organizar as atividades em cada técnica de observação: IGS: International GNSS Service ; IVS: International VLBI Service; ILRS: International Laser Ranging Service ; IDS: International DORIS Service .

Onde encontrar as informações? http://www.iers.org/ http://itrf.ign.fr/

ITRS: International Terrestrial Reference System Sistema de referências espacial mundial rotacionando com a Terra; Definição conceitual de como o sistema de coordenadas é formado: Origem geocêntrica; Orientação equatorial (pelo BIH na época 1984,0): Eixo Z: Polo terrestre convencional (CTP); Eixo X: Meridiano de Greenwich; Eixo Y: torna o sistema destrogiro Evolução temportal garantida pela NNR (No-Net-Rotation) Modelo geométrico: GRS80 Teoria fundamental envolvida (modelos físicos e matemáticos) e os padrões adotados

ITRF: International Terrestrial Reference Frme Conjunto de pontos em um sistema de coordenadas cartesianas tridimensional que realizam o sistema de referência ideal, o ITRS, conforme definido na resolução N°. 2 adotada em Viena em 1991. A realização  determinação das coordenadas e velocidade das estações. A realização deste sistema é importante para: Monitorar o movimentos das placas tectônicas; Descrever o movimento dos satélites artificiais (órbitas); Modelar as observáveis; Representar, interpretar e quando necessário realizar a transformação dos resultados.

ITRF – Dados de entrada Principais técnicas geodésicas espaciais: GNSS (Global Navigation Satellite System); SLR (Satellite Laser Range); VLBI (Very Long Baseline Interferometry); DORIS (Doppler Orbitography and Radio positioning Integrated by Satellite) ; Estas técnicas apresentam soluções diferentes, porém, na realização do ITRS são combinadas para estimar a posições e velocidades das estações em uma época referência, bem como estimar os parâmetros de transformação (fator de escala, translações e rotações sobre os eixos X, Y e Z) e suas variações. ilrsaposeop100227v20.snx

Nenhum dos sistemas (NNR) ITRF - Realização A realização é revista periodicamente  Ajustamento de um conjunto de coordenadas e respectiva MVC  obtidas através de várias tecnologias geodésicas espaciais; Origem do sistema SLR GNSS DORIS Escala VLBI Orientação Nenhum dos sistemas (NNR)

ITRF – Histórico de realizações Evolução dos equipamentos e maior período de dados  atualizações do ITRF Entre 1995 e 1997 ITRF96 ITRF97 Após 2000  Maior intervalo de tempo para refletir mudanças significativas ITRF2000 ITRF2005 ITRF2008 Nova realização  ITRF2013 11 realizações publicadas: A primeira em 1988 ITRF88 Entre 1989 e 1995 ITRF89 ITRF90 ITRF91 ITRF92 ITRF93 ITRF94

ITRF – Informações relevantes Todas as realizações incluem um conjunto de coordenadas (posições) e velocidades das estações; Através do ITRF é possível modelar as mudanças da crosta da Terra; Todas as realizações estão inter-relacionadas  parâmetros de transformação.

Principais técnicas aplicadas na realização do ITRF Será apresentado a seguir uma breve descrição das técnicas: GNSS (Global Navigation Satellite System); SLR (Satellite Laser Range); VLBI (Very Long Baseline Interferometry); DORIS (Doppler Orbitography and Radio positioning Integrated by Satellite)

Global Navigation Satellite System (GNSS) Constituído por uma constelação de satélites que orbitam a Terra; Composto por duas constelações ativas: GPS (Global Positioning System) GLONASS (Globalnaya Navigatsionnaya Sputnikovaya Sistema) Futuramente: GALILEO BEIDOU/COMPASS A Constelação GNSS garante 4 satélites 24 h/dia em qualquer ponto da Terra; Satélite  fase da onda portadora e pseudo distância  principio de triangulação  posicionamento do receptor; Permites estudar o movimento das placas tectônicas e orientação da Terra. Estações da rede GNSS global. Fonte: <http://www.igs.org/> Rede IGS  497 estações receptoras (28/07/2015); Receptoras GNSS (GPS e GPS+GLONASS)  coleta de dados contínua e de alta precisão.

Satellite Laser Range (SLR) A técnica utiliza-se de pulsos lasers curtos associado a uma cronometragem eletrônica  medir a distância das estações terrestres aos satélites refletores  posicionamento; Permites determinar: geocentro de forma precisa; movimentação da crosta; orbitas dos satélites ; Componentes do campo de gravidade; parâmetros de orientação da Terra (EOPs) Rede de estações SLR. Fonte: <http://ilrs.gsfc.nasa.gov/> Rede SLR  56 estações ativas e mais de 40 satélites refletores (28/07/2015);

Very Long Baseline Interferometry (VLBI) Baseia-se na medida de diferença de tempo de uma onda de rádio emitida por quasares a duas antenas na Terra; A rede global VLBI permite grande número de observações em vários quasares  determinar o reference frame inercial + posição das anteanas Rede de antenas VLBI. Fonte: <http://ivs.nict.go.jp/> Rede VLBI  cerca de 45 antenas e 3400 fontes de rádio extragalácticas ( 28/07/15); Permite a orientação do reference frame terrestre em relação ao celeste.

Estações da rede DORIS global Fonte: <http://ids-doris.org/> Doppler Orbitography and Radio positioning Integrated by Satellite (DORIS) Baseia-se na mudança nos sinais de radifrequência Doppler emitidos pelas estações terrestre e recebidas pelos receptores a bordo dos satélites; Permite realizar: Determinação precisa das orbitas dos satélites; Posição das estações terrestres de forma acurada; Monitoramento de deformações da Terra; Monitoramento de deformações da crosta devido a marés; Monitorar variações da hidrosfera Estações da rede DORIS global Fonte: <http://ids-doris.org/> Rede DORIS  58 estações terrestres (09/10/15)

Descrição da Rede IERS Composta pelas estações das diferentes técnicas geodésicas (SLR, VBLI, GNSS e DORIS); Estações estáveis e com longo período de observação; Estações inter-relacionadas (co-location): Estações vizinhas são agrupadas em uma únicas estação (30 km) Número DOMES: Identificador inequívoco as estações de referência

Soluções ITRF Conjunto de posições (coordenadas) e velocidades das estações e suas respectivas matrizes de variância/covariância; Parâmetros de Orientação da Terra (Earth Orientation Parameters - EOPs); Denominadas de ITRFyy “yy” o ultimo ano em que os dados foram utilizados para o processamento do frame

Soluções ITRF

Estações que formam o ITRF2000. O ITRF2000, referenciado à época 1997, baseia-se em cerca de 500 estações. Estações que formam o ITRF2000. Fonte: http://www.upv.es/unigeo/index/docencia/etsigct/astronomia/teoria/astronomiaT2.pdf

ITRF2000: Características Escala: Média ponderada de determinadas medidas de VLBI e SLR de alta precisão. Origem: Média ponderada das determinações SLR (o centro da órbita de satélites corresponderá ao geocentro terrestre). Orientação: Seleção de determinadas estações (suas coordenadas e velocidades) ITRF de qualidade geodésica: Com observações contínuas, pelo menos nos últimos 3 anos. Localizado na plataforma rígida e longe das áreas de deformação. Determinou-se a velocidade com precisão melhor que 3 mm por ano. Que a velocidade seja inferior a 3 mm/ano

ITRF2005 A estrutura do ITRF2005 refere-se à época 2000, baseada nas determinações VLBI, SLR, DORIS e GPS em 608 estações; Definido por séries de soluções das diferentes técnicas geodésicas espaciais: GPS entre 1996.0 e 2006.0 DORIS entre 1993.0 e 2005.8 SLR entre 1992.9 e 2005.9 VLBI entre 1980.0 e 2006.0 Estações que formam o ITRF2005 Fonte: http://itrf.ensg.ign.fr/ITRF_solutions/2005/ITRF2005.php

ITRF2005: Características Origem: definida de forma que os parâmetros de translação nulos na época 2000.0 e nenhuma a variação desses parâmetros entre ITRF2005 e série temporal SLR; Escala: definido de forma que o fator de escala seja nulo para a época 2000.0 e não sem variação entre ITRF2005 e série temporal VLBI; Orientação: definido de forma que os parâmetros de rotação sejam nulos para os eixos na época 2000.0 e variações entre ITRF2005 e ITRF2000 sejam nulas.

ITRF2008 Ultima realização do ITRS  referencial em vigência; A estrutura do ITRF2008 refere-se à época 2005.0, baseada nas determinações VLBI, SLR, DORIS e GPS em 934 estações; Dados de entrada: séries temporais das posições das estações e EOPs  quatro técnicas geodésicas espaciais: GPS entre 1997.0 e 2009.5; DORIS entre 1993.0 e 2009.0 ; SLR entre 1983.0 e 2009.0 VLBI entre 1980.0 e 2009.0 Solução melhorada do ITRF2005: precisão das posições e velocidades das estações definições dos parâmetros de origem e escala Estações que formam o ITRF2008. Fonte: Altamimi et. al. (2011)

ITRF2008: Características Origem: A origem ITRF2008 é definida de tal maneira que os parâmetros de translação sejam nulos na época 2005.0 e as variações entre o ITRF2008 e a série temporal SLR sejam nulos. Escala : A escala ITRF2008 é definida de tal forma que o fator de escala seja nulo, assim como para variação de escala entre ITRF2008 e a média de VLBI e SLR. Orientação: A orientação ITRF2008 é definida de tal maneira que os parâmetros de rotação sejam nulos na época 2005.0 e as variações de rotação entre o ITRF2008 e oITRF2005 sejam nulos.

ITRF2013 Pontos fracos identificados no ITRF2008  soluções individuais e suas inter-relações; Novas estações fora instaladas; O ITRF2013 torna-se necessário  melhorar os resultados existentes: Posições e velocidades das estações da rede e inter-relação das quatro técnicas geodésicas; EOPs totalmente consistentes; Estimativas do geocentro através das técnicas GNSS, SLR e DORIS; Entre outras melhorias.

ITRF2013: Cronograma Realização da solução final pelos Centros do IERS: Ser finalizado entre julho e agosto de 2014; Sem previsões para publicação do ITRF2013.

TRANSFORMAÇÃO ENTRE ITRF’s Relacionamento entre ITRFs são baseados nos parâmetros de transformação  comparar dados ou resultados de diferentes ITRFs; Transformação entres dois sistemas de referências é dada pela similaridade Euclidiana de sete parâmetros três componentes de translação, um fator de escala e três ângulos de rotação (T1, T2, T3, D, R1, R2 e R3)

TRANSFORMAÇÃO ENTRE ITRF’s Transformação do vetor de coordenadas do sistema de referência (1) para o vetor de coordenadas no sistema de referência (2): Onde: e Genericamente, X1, X2, T, D e R são dados em função do tempo, logo, os parâmetros e as coordenadas da estação para a época inicial (t0) devem ser atualizados para a época de interesse (t), fazendo:

TRANSFORMAÇÃO ENTRE ITRF’s Parâmetros de transformação  fornecidos na página do ITRF (http://itrf.ensg.ign.fr/rel_trs.php)

Exercício Transformar as coordenas da estação BRAZ, localizada em Brasília do ITRF2005 para o ITRF2000. Fonte: Alves (2015a)

Solução 1) Atualizar os parâmetros de transformação e as coordenadas da época 2000para a época 1997: Coordenadas: Translações: Fator de escala: 2) Realizar a transformação entre os ITRFs: Fonte: Alves (2015a)

Considerações finais É necessidade e importâncias dos sistemas de referências para as ciências geodésicas  posicionamento; O IERS é o responsável pela definição do sistema de referência ideal, o ITRS, e sua realização através do IRTF  Sistema de referencia mais preciso atualmente; O ITRF é obtido através da combinação de soluções das técnicas geodésicas espaciais; Novas realizações do ITRS são tornam-se necessárias, de modo a melhorar a qualidade do sistema de referência

Referências Bibliográficas ALVES, Daniele Barroca Mara. Notas de aula de Geodésia II: As diferentes versões da Transformada de Helmert e suas aplicações na Transformação entre Sistemas de Referência. Universidade Estadual Paulista, Faculdade de Ciências e Tecnologia. Presidente Prudente, 2015a. ALVES, Daniele Barroca Mara. Notas de aula de Geodésia II: Referenciais. Universidade Estadual Paulista, Faculdade de Ciências e Tecnologia. Presidente Prudente, 2015b. ANGERMANN, D. et al. ITRS Combination Center at DGFI: A Terrestrial Reference Frame Realization 2003. München, 2004. CDDIS - Crustal Dynamics Data Information System. Disponível em: <http://cddis.gsfc.nasa.gov>. Acesso: 09 de out. de 2015. IDS - International DORIS Service. Disponível em: <http://ids-doris.org/>. Data de Acesso: 09 de out. de 2015. IERS – International Earth Rotation and Reference System Service. Combination Centres. IERS Annual Report, 2003. IGS - International GNSS Service. Disponível em: <http://www.igs.org/>. Data de Acesso: 28 de jul. de 2015. ILRS - International Lasert Ranging Service. Disponível em: <http://ilrs.gsfc.nasa.gov/>. Data de Acesso: 21 de jan. de 2015. ITRF - International Terrestrial Reference Frame. Disponível em: <http://itrf.ensg.ign.fr/>. Data de acesso: 09 de out. de 2015. ITRS - International Earth Rotations and Reference System Service. Disponível em: <www.iers.org/>. Data de acesso: 09 de out. de 2015. IVS - International VLBI Service for Geodesy & Astrometry. Disponível em: <http://ivs.nict.go.jp/>. Data de Acesso: 28 de jul. de 2015.

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