Interpretation and explotation of GOCE gravity gradients  Page description

Help  Print 
Back »
 

Details of project

  
Identifier
106118
Type K
Principal investigator Földváry, Lóránt
Title in Hungarian GOCE gravitációs gradiensek értelmezése és hasznosítása
Title in English Interpretation and explotation of GOCE gravity gradients
Keywords in Hungarian gradiometria, GOCE, SGG
Keywords in English gradiometry, GOCE, SGG
Discipline
Geodesy (Council of Complex Environmental Sciences)100 %
Ortelius classification: Geodesy
Panel Earth sciences 2
Department or equivalent Department of Geodesy and Surveying (Budapest University of Technology and Economics)
Participants Ádám, József
Kiss, Annamária
Laky, Sándor
Tóth, Gyula
Starting date 2012-09-01
Closing date 2015-08-31
Funding (in million HUF) 4.680
FTE (full time equivalent) 4.18
state closed project
Summary in Hungarian
A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára
Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára.
A GOCE gradiometriai műhold nagy pontossággal méri a nehézségi erőtér közepes hullámhosszú összetevőit. A mérések feldolgozása nem egyértelmű feladat. A mérések az 5-100 mHz frekvenciatartományban tekinthetők a nehézségi erőtér által generáltnak, ennek megfelelően egy megfelelő áteresztő szűrővel a jelet erre a tartomány kell korlátozni. Míg a nehézségi erőteret a tér koordinátáival jellemezzük, a szűrés a műhold pályája mentén, időtartományban történik. Ez meglehetősen összetetten nyilvánul meg a térben, megnehezítve a szűrt mérési adatok geodéziai célú értelmezését és feldolgozását. Olyan eljárást szeretnénk kifejleszteni a mérések feldolgozására, amely egyrészt számítástechnikailag hatékony (mind idő, mind kapacitás tekintetében), másrészt kellő pontosságot biztosít. A pályázat további célja egy GOCE mérések hazai hasznosítása, be kívánunk vonni egy GOCE modellt a hazai regionális geoid modellbe.

Mi a kutatás alapkérdése?
Ebben a részben írja le röviden, hogy mi a kutatás segítségével megválaszolni kívánt probléma, mi a kutatás kiinduló hipotézise, milyen kérdéseket válaszolnak meg a kísérletek.
A GOCE gradiometriai műhold nagy pontossággal méri a nehézségi erőtér közepes hullámhosszú összetevőit. A mérések azonban jellegüknél fogva (mely szerint értékes információt csak egy szűk frekvencia tartományon belül hordoznak magukban) a bevált feldolgozási módszerekkel nem dolgozhatók fel. Vizsgálataink a GOCE gradiometriai adatok feldolgozásának alapvető elvi kérdéseit vizsgálja.

Mi a kutatás jelentősége?
Röviden írja le, milyen új perspektívát nyitnak az alapkutatásban az elért eredmények, milyen társadalmi hasznosíthatóságnak teremtik meg a tudományos alapját. Mutassa be, hogy a megpályázott kutatási területen lévő hazai és a nemzetközi versenytársaihoz képest melyek az egyediségei és erősségei a pályázatának!
A GOCE mérések megfelelő feldolgozásával lehetőségünk nyílik a magyarországi geoidkép pontosítására, amely számtalan további alkalmazás számára teret nyit a további pontosítás irányába. Ezeket a következő pontban fejtjük ki részletesebben. Szakmai aspektusból a tervezett kutatásunk a GOCE mérési jelek optimális feldolgozhatóságához járulnak hozzá, vizsgálatainkkal a mérések pontos feldolgozásának meg nem oldott részfeladataira, kérdéseire keres választ. Ezen túlmenően a GOCE mérések tervezzük a magyarországi hasznosítását is azáltal, hogy be kívánjuk vonni a GOCE-ból nyert ismereteket a magyarországi geoidkép pontosításába.

A kutatás összefoglalója, célkitűzései laikusok számára
Ebben a fejezetben írja le a kutatás fő célkitűzéseit alapműveltséggel rendelkező laikusok számára. Ez az összefoglaló a döntéshozók, a média, illetve az érdeklődők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI Hivatal számára.
A hétköznapi életben a vízszintes irány “tudományos” meghatározására nincs szükségünk. Nagyobb léptékekben azonban a vízszintes nem tekinthető egy síknak, de még egy gömbbel sem közelíthető meg megfelelő pontossággal, csak egy bonyolult felülettel, egy ilyen a geoid. Nyilvánvalóan az élet számtalan területén szükség van a vízszintes alakjának ismeretére, hasznát veszik oceanográfiai, szeizmológiai és lemeztektonikai vizsgálatok egyaránt. Kisebb, pl. országos léptékben is fontos, nagyobb területre kiterjedő építkezések (pl. autópálya építés) esetében, különösen föld alatti munkák során (alagútépítések), rá vagyunk szorulva a vízszintes pontos megfogására. Egy geoid modell alapvető építőköve a GPS mérőrendszereknek is (ez alapján tudja a műholdakhoz képesti helyzetünkből külön választani a vízszintes és a magassági információt).
A geoid meghatározásának egy kiváló eszköze a GOCE műhold, amely segítségével az egész Földre vonatkozóan meg lehet határozni ezt a felületet, eddig soha nem látott felbontásban. A felbontás annyira finom, hogy nem csak globális vizsgálatokhoz használható, hanem regionálisan (pl. magyarországi geoid darab) is sok új ismeretet jelent. A nyers mérések értelmezése és feldolgozása azonban nem egyértelmű feladat: a mérések csak egy bizonyos frekvenciatartományban tekinthetők jónak. Ennek az elkülönítése a zajtól önmagában egy komoly feladat, de különösen nagy kihívást jelent az azt követő feldolgozási módszer megtalálása. Pályázatunkban első éveiben a mérések szűrésével kívánunk foglalkozni, majd az utolsó időszakban a GOCE műholdból nyert ismereteket át kívánjuk ültetni a hazai gyakorlatba, és a magyarországi geoid meghatározásába szeretnénk bevonni.
Summary
Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.
The GOCE gradiometry satellite observes the middle-wavelength features of the gravity field with high precision and accuracy. The processing of the measurements is not a unique task. The observations are reliable within the measurement bandwidth, between 5-100 mHz, which requires a spectral filtering of the observations. Tough the gravity field is generally treated in the space domain, the filtering takes place along the orbit, in the time domain. This filtering projects to the space domain in a complex way, resulting in a difficult interpretability and exploitation of the measurements. An adjustment method is planned to be developed, which is a computationally efficient (both in time and capacity), and still reasonable accurate. The final goal of the project is to exploit the GOCE observations for regional use, by including a state-of-the-art GOCE gravity model into the regional Hungarian gravity model.

What is the major research question?
Describe here briefly the problem to be solved by the research, the starting hypothesis, and the questions addressed by the experiments.
The GOCE gradiometry satellite observes the middle-wavelength features of the gravity field with high precision and accuracy. The observations, however, cannot be adjusted with the classical adjusting techniques due to its band limited nature. The proposed investigations are dealing with fundamental issues of processing such a band limited signal for geodetic purposes.

What is the significance of the research?
Describe the new perspectives opened by the results achieved, including the scientific basics of potential societal applications. Please describe the unique strengths of your proposal in comparison to your domestic and international competitors in the given field.
The appropriate processing of the GOCE measurements makes them feasible for improving regional geoid models, which allows refinements for several applications, which are detailed in the next section. From specific aspects, the proposed research contributes to optimizing the adjusting method of the GOCE SGG observations, our investigations focus on problematic tasks of the processing sequence. Furthermore, we propose the regional use of the GOCE gravity gradients by including a GOCE gravity model into the regional Hungarian gravity model.

Summary and aims of the research for the public
Describe here the major aims of the research for an audience with average background information. This summary is especially important for NRDI Office in order to inform decision-makers, media, and others.
In the daily life we don’t need a “scientific” definition for the horizontal direction. In regional scales, however, the horizontal is not a plane anymore, and it is even not a sphere, but a complex surface, the so-called geoid. Obviously, in several applications the adequate knowledge of the horizontal globally is essential: investigations in oceanography, seismology and plate tectonics make use of a global geoid. In regional scale, in case of constructions over large areas (e.g. highways), especially when no orientation in space can be achieved (mining and tunnelling), we need an appropriately defined horizontal surface. Geoid models are basic tools for GPS systems, these make possible to convert our position with respect to the satellites to vertical and horizontal coordinates.
The GOCE is an excellent tool for determination of the geoid, which enables globally mapping this horizontal surface with unprecedent resolution. The resolution is so fine that not only global applications can make use of it, but also regional ones, such as the Hungarian regional geoid. However, the interpretation and the exploitation of the observations is not a unique task: the observations are reliable only within a certain bandwidth. Filtering of the noise itself is an interesting issue, but to find a proper method for the subsequent processing is especially challenging. In the first years of this project the filtering of the measurements and related researches are planned tp be performed. Then in the last year the results of the GOCE are planned to be utilized for Hungarian needs, as they are going to be involved in the processing of the Hungarian regional geoid.




 

Final report

  
Results in Hungarian
A GOCE az első gravitációs gradiometriai műhold. Mérési alapelve a magas-alacsony műhold-műhold követés (SST) és a műholdas gravitációs gradiometria (SGG) kombinációja. Az OTKA projekt keretében vizsgálatokat végeztünk az SGG mérésekkel kapcsolatban. Ezen vizsgálatok az alábbiak: - spektrális szűrőt terveztünk, amely optimálisan meghatározza a mérési sávszélességen belüli SGG tartalmat - meghatároztuk az SGG adatok hibajellemzőit a koordináta transzformáció és spektrális szűrés következtében a hibaterjedés törvényének felhasználásával - alkalmaztuk a fél-analitikus kiegyenlítési eljárást a sávkorlátos SGG mérések feldolgozására - vizsgáltuk a mérési sávon belüli SGG jeltartalom alakulását a gömbharmonikus tartományban További vizsgálatokat végeztünk GOCE és GRACE mérések alapján meghatározott nehézségi erőtér modellek felhasználhatóságával kapcsolatban. Ezek: - meghatároztunk egy új magyarországi nehézségi erőtér modellt - meghatároztunk egy pontos numerikus kvadratúrát csonkítási integrálok számításához - korszerű nehézségi erőtér modellekből levezetett tömegváltozások alapján regionálisan tömegátrendező folyamatokat vizsgálatunk - elemeztük a mintavételezés hatását a periodikus nehézségi erőtérváltozások méréseire A pályázat eredményeinek a közérdeklődés számára is elérhetővé tétele céljából honlapot készítettünk: http://www.geod.bme.hu/~fl/otka106118/otka106118.html
Results in English
The GOCE is the first ever gravitational gradiometry satellite. The principle of the GOCE satellite is combined mission of high-low Satellite-to-Satellite Tracking (SST) and Satellite Gravitational Gradiometry (SGG). Within the frame of the OTKA project, investigations were performed with the SGG observables. These are: - spectral filters has been developed to eliminate the MBW signal content - error propagation of SGG data due to filtering and coordinate transformations was derived - the semi-analytical adjustment method has been adopted for band limited SGG observations - the signal content of SGG in the MBW was analyzed in the spherical harmonic domain Further investigations were focusing on the use of GOCE and GRACE-borne gravity models - an updated gravity field model has been determined for Hungary - an accurate quadrature is derived for fast evaluation of truncation coefficients - regional mass varying geophysical processes were analyzed based on the most recent gravity models - the effect of sampling on the temporal periodic gravity signal was estimated A website has been created to make the results of the project accessible for the public: http://www.geod.bme.hu/~fl/otka106118/otka106118.html
Full text https://www.otka-palyazat.hu/download.php?type=zarobeszamolo&projektid=106118
Decision
Yes





 

List of publications

  
Földváry L., Sujbert L., Polgár Zs.: A GOCE műhold gravitációs gradiens méréseinek szűrése és pontossági kérdései, Geomatika Szeminárium, Sopron, 2012.11.08.-09., 2012
Polgár Zs., Sujbert L., Földváry L., Asbóth P., Ádám J.: Filter design for GOCE gravity gradients, Geocarto International, 28(1): 28-36, DOI:10.1080/10106049.2012.687401, 2013
Kiss A; Földváty L.: Éves hidrológiai változások meghatározása GRACE geopotenciális modellek segítségével a La Plata vízgyűjtőn, Geomatika Szeminárium, Sopron, 2012.11.08.-09., 2012
Kiss A., Földváry L., Pereira A., Pacino M. C.: Seasonal hydrologic variations in the La Plata basin from GRACE gravity field models, IAG Scientific Assembly, 2013.09.01.-06., Potsdam, Germany, 2013
Földváry L.: Processing of periodical, averaged signals in satellite geodesy, IAG Scientific Assembly, 2013.09.01.-06., Potsdam, Germany, 2013
Földváry L., Sujbert L.: Investigations on the band limited characteristics of GOCE gradients, IAG Scientific Assembly, 2013.09.01.-06., Potsdam, Germany, 2013
Tóth Gy., Fáncsinkné Hamar É.: On the computation of truncation coefficients for the extended Stokes function, IAG Scientific Assembly, 2013.09.01.-06., Potsdam, Germany, 2013
Tóth Gy., Fáncsinkné Hamar É.: A kibõvített Stokes-féle függvény csonkítási együtthatóinak hatékony számítása, Geomatika Szeminárium, Sopron, 2012.11.08.-09, 2012
Polgár Zs., Sujbert L., Földváry L., Asbóth P., Ádám J.: Filter design for GOCE gravity gradients, Geocarto International, 28(1): 28-36, DOI:10.1080/10106049.2012.687401, 2013
Tóth Gy., Fáncsinkné Hamar É.: A kibõvített Stokes-féle függvény csonkítási együtthatóinak hatékony számítása, Geomatikai Közlemények, vol. XVI, p. 51-62, 2013
Somodi B, Földváry L: Accuracy of numerical integration Techniques for GOCE Orbit determination, Proc. in Advanced Research in Scientific Fields: The 1st Virtual International Conference, EDIS Zilina University Publishers, ISBN: 978-80-554-0606-0, pp. 1578-1583, 2012
Földváry L., Sujbert L., Polgár Zs.: A GOCE műhold gravitációs gradiens méréseinek szűrése és pontossági kérdései, Geomatikai Közlemények, vol. XVII., 33-45, 2014
Tóth Gy., Fáncsinkné Hamar É.: A kibõvített Stokes-féle függvény csonkítási együtthatóinak hatékony számítása, Geomatikai Közlemények, vol. XVI, p. 51-62, 2013
Somodi B, Földváry L: Accuracy of numerical integration Techniques for GOCE Orbit determination, Proc. in Advanced Research in Scientific Fields: The 1st Virtual International Conference, EDIS Zilina University Publishers, ISBN: 978-80-554-0606-0, pp. 1578-1583, 2012
Földváry, L., Kemény, M., Asbóth, P.: Semi-analytical approach for adjusting GOCE SGG observations, 9th International Symposium on Applied Informatics and Related Areas - AIS2014, Székesfehérvár November 12, 2014, pp 31-36, ISBN: 978-615-5460-21-0, 2014
Földváry, L., Csapó, G.: Folytonos felületek jellemezhetősége pontszerű adatokkal, 20 éves a Térinformatika Tanszék, Székesfehérvár December 15, 2014, pp 327-336, ISBN: 978-615-5460-27-2, 2014
Földváry, L.: Sine series expansion of associated Legendre functions, Acta Geodaetica et Geophysica, Volume 50, Issue 2, pp 243-259, DOI 10.1007/s40328-014-0092-2, 2015
Földváry, L.: Desmoothing of averaged periodical signals for geodetic applications, Geophysical Journal International, 201 (3): 1235-1250, DOI 10.1093/gji/ggv092, 2015
Tóth, Gy., Földváry, L.: Updated Hungarian gravity field solution based on fifth generation GOCE gravity field models, in: Editor: L. Ouwehand , Proceedings of the 5th International GOCE User Workshop, Paris, France, 25–28 November 2014 (ESA SP-728, March 2015), paper no. p_g11, ISBN 978-, 2015
Foldvary, L., Kiss, A., Su, Z.X., Wang, G. C., Wang, L.: Accuracy investigations of GRACE-borne ice mass variations in Antarctica, Earth Science Frontiers 22(4), 2015, p., 2015
Földváry L., Tóth Gy., Kiss A., Kemény M.: GOCE műhold: Eötvös-inga mérések Föld körüli pályán, Magyar Tudomány, 176(9): 1063-1070, 2015
Kiss A., Földváry L.: Éves hidrológiai változások meghatározása GRACE geopotenciális modellek segítségével, Geomatikai Közlemények, XVIII., közlésre elfogadva, 2015
Tóth Gy., Földváry L.: Új magyarországi geoidmeghatározás az ötödik generációs GOCE nehézségi erőtér modellek segítségével, Geomatikai Közlemények, XVIII., közlésre elfogadva, 2015




 

Events of the project

  
2012-10-02 12:21:24
Résztvevők változása



Back »