Astronomical geodesy, determination of vertical deflections, fine structure of geoid, determination of azimuth
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 Rózsa, Szabolcs Tóth, Gyula Tuchband, Tamás
Starting date
2017-12-01
Closing date
2023-11-30
Funding (in million HUF)
19.420
FTE (full time equivalent)
9.31
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 függővonal-elhajlások ismeretének óriási jelentősége van a geoid meghatározásában. A függővonal-elhajlások hagyományos csillagászati földrajzi helymeghatározással történő mérése rendkívül hosszadalmas és költséges, ráadásul az elérhető pontosság sem megfelelő. Eötvös-inga mérések alapján is lehetséges függővonal-elhajlás interpoláció, azonban ehhez is igen pontos kiinduló adatok szükségesek, ráadásul így is nehezen érhető el az 1 szögmásodperc alatti pontosság. A probléma megoldására kiváló lehetőséget nyújt az új QDaedalus mérőrendszer alkalmazása. A QDaedalus rendszer igen érzékeny CCD érzékelővel felszerelt GPS időjellel és számítógéppel vezérelt speciális geodéziai mérőállomás, amiből jelenleg csak néhány működik a világon. A rendszerrel a csillagászati mérés rendkívül gyors, éjszakánként több ponton is akár 0.1-0.3 szögmásodperces pontossággal mérhetők függővonal-elhajlások. Mindez új távlatokat nyit az igen pontos, nagy felbontású helyi geoid vagy kvázigeoid meghatározásokban és a Föld belső szerkezetének kutatásában. Első lépésben fontos feladat a rendszer tesztelése, pontossági vizsgálata, kalibrálása, az alkalmazási lehetőségek feltárása. Eddig a rendszert nappali csillagászati azimút meghatározásokra nem alkalmazták, fontos feladatunk ennek kidolgozása is. A mérések kiértékelésére szolgáló szoftver rosszabb meteorológiai körülmények és nagyobb fényszennyezés esetén nem működik kielégítően, ezért a mérések kiértékelésére, a hibaszűrésre új koncepciót kell kialakítani és ennek megfelelő új szoftvert kidolgozni. Jelentős mennyiségű terepi mérést és vizsgálatokat tervezünk, a geoid finomszerkezetének meghatározására.
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 szélső pontosságú lokális geoidkép meghatározása a GPS technika alkalmazásával vált rendkívül fontossá és került a geodéziai kutatások homlokterébe. Így az egész világon és Magyarországon is alapvetően fontos feladat a Geoid finomszerkezetének meghatározása. A geoid meghatározása eddig közvetett információk (globális geopotentiális modellek, nehézségi erőtér és topográfiai modellek, GPS-szintezés adatok) alapján és felhasználásával történt. A legfontosabb közvetlen adatrendszert, a függővonal-elhajlás értékeket eddig azért nem vonták be megfelelőképpen a számításokba, mert nem álltak rendelkezésünkre megfelelő minőségű és mennyiségű függővonal-elhajlás mérések. A feltételezésünk szerint a nagypontosságú és megfelelő mennyiségű függővonal-elhajlás adatok figyelembe vétele forradalmi módon megváltoztathatja a geoidmeghatározást. Ennek vizsgálata a legfontosabb feladatunk. Ehhez viszont meg kell vizsgálni a függővonal-elhajlások mérésére alkalmas új QDaedalus rendszer pontosságát és alkalmazhatóságát különböző körülmények között. Mivel ebből a rendszerből még csak néhány működik a világon, mi most az elsők között már rendelkezünk ilyennel, ezért a soronkövetkező kutatásaink úttörő jellegűek. További fontos feladatunk a QDaedalus rendszer egyéb alkalmazási lehetőségeinek feltárása és vizsgálata.
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! Kutatási eredményeink hasznosítása elsősorban a geodézia területén várható. Az eddigieknél pontosabb függővonal-elhajlások mindenképpen lehetővé teszik a magyarországi geodkép finomítását, pontosítását. Ennek a gyakorlati jelentősége igen nagy, hiszen a GPS használatával pontosabb magasságok határozhatók meg. Ugyanakkor további tudományos problémákat is felvethetnek az eredmények, hiszen ha sikerül növelni a geoidmeghatározás pontosságát, akkor elérhetjük azt a tartományt, ahol már a négydimenziós geodézia problémáiba ütközünk és figyelembe kell venni pl. a geoid nem árapály jellegű szezonális változásait is. Lehetővé válik továbbá az asztrogeodéziai pontokban az eddig ismert és használt függővonal-elhajlás értékek ellenőrzése és pontosítása, valamint megoldható a geodéziai alaphálózataink pontjaiban a csillagászati azimút értékek újramérése és pontosítása is. Ennek pl. a különböző dátum-transzformációknál és az alaphálózataink pontosításában lehet jelentősége. Az eredményeknek fontos egyéb földtudományi alkalmazása is lehetséges. Megfelelő mennyiségű és minőségű függővonal-elhajklás értékek rendszere új perspektívát nyithat a Föld belső szerkezetének kutatásában és ezen keresztül az ásványi nyersanyagok kutatásában.
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 Föld elméleti alakjának, a geoidnak a minél pontosabb meghatározása napjainkban igen fontos feladat. Valójában a geoid a magasságmeghatározásaink alapfelülete. A ma már mindenki által ismert és használt GPS technika, a geoid felületének pontos ismerete nélkül pontos magasságmeghatározásra nem lenne használható. A geoidmeghatározás egy új lehetősége napjainkban a függővonal-elhajlás méréseken keresztül is megvalósíthatóvá válik. (A függővonal-elhajlás a helyi függőleges irányának a Föld tömegrendellenességei által okozott parányi elferdülése, eltérése a “szabályos” függőleges iránytól.) A korábbi függővonal-elhajlás mérések rendkívül körülményesek, drágák és pontatlanok voltak, emiatt a geoidmeghatározás céljára csak nagyon kevés felhasználható érték állt rendelkezésünkre. A függővonal-elhajlások forradalmian új, rendkívül pontos és gyors mérését a QDaedalus mérőrendszer megépítése tette lehetővé, amelyből még csak néhány működik a világon, mi viszont már az elsők között rendelkezünk vele. Megfelelő mennyiségű és minőségű függővonal-elhajklás értékek rendszere új perspektívát nyithat a Föld belső szerkezetének kutatásában és ezen keresztül az ásványi nyersanyagok kutatásában. Kutatásaink legfontosabb feladata a QDaedalus rendszer pontosságának és alkalmazhatóságának különböző körülmények közötti vizsgálata, az új csillagászati azimútmérések lehetőségének kidolgozása, a mérések kiértékelését végző szoftver új koncepciójának kialakítása és ennek megfelelő új szoftver készítése. Jelentős mennyiségű függővonal-elhajlás mérést és fontos vizsgálatokat tervezünk a geoid finomszerkezetének meghatározására, pontosítására.
Summary
Summary of the research and its aims for experts Describe the major aims of the research for experts. Deflections of the vertical play substantial role in geoid determination. Conventional astrogeodetic measurements of vertical deflections are extremely lengthy and costly and the achievable accuracy is not sufficient. Vertical deflections can also be interpolated by using torsion balance measurements; the interpolation requires, however, accurate reference data as well. Moreover it is still hard to achieve suitable accuracy by interpolation. An excellent possibility to the solution of this problem is offered by the QDaedalus measuring system. QDaedalus is a special total station system equipped with a very sensitive CCD chip enhanced with GPS timing and computer control capabilities. The determination of vertical deflections by the system is very fast, these deflections can be determined with an accuray of 0.1-0.3 arcseconds at several stations during one night only. All of this gives us a new perspective in local high accuracy and high resolution geoid determination and in the researche of the inner structure of the Earth. A first step would be to calibrate, test and assess the accuracy of the system and to explore possible application areas. The system has not yet been applied for astronomical azimuth determination in the daytime hence our important task is to develop such an application. The system software doesn’t work satisfactorily in bad meteorological conditions and in high light pollution environment, therefore a new concept has to be established and a new software has to be developed which offers better outlier detection and elimination. A significant amount of field measurements and tests are planned to determine fine structure of the geoid.
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. With the permeation of GPS technology high accuracy local geoid determination became extremely important and it has moved to the forefront of geodetic research. Hence worldwide and also in Hungary it is a basic task to determine fine structure of the geoid. Hitherto geoid determination was based on and done using by indirect information only (global geopotential models, gravimetry, topographic models, GPS/levelling). The most important piece of direct information, i.e. vertical deflections, was not considered extensively in the computations simply because these data were not available with sufficient accuracy and density. It is our presumption that availability of accurate and sufficiently dense set of vertical deflections would revolutionize geoid determination, hence this is our most important research area. For this purpose, however, it is necessary to assess the accuracy and applicability of the new QDaedalus system, which is capable of vertical deflections determination, in different conditions. Since only few such a system is available worldwide and we have this system, our research can be considered as a pioneering work in this regard. Another task would be to explore and test other possible application areas of QDaedalus.
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. We anticipate exploitation of our research mainly in geodetic science. More accurate deflections of the vertical by all means facilitate refining and exacting geoid determination in Hungary. This is a very practical and important matter, since heighting by GPS would be thus more accurate than it is today. At the same time additional research problems would be suggested by these results. To be specific, by increasing the geoid determination accuracy, a point may be reached where one is faced with problems of four-dimensional geodesy and e.g. non-tidal seasonal variations of the geoid must also be considered. Our research would facilitate increased control and precision of astrogeodetic first order control points of known vertical deflections and astrogeodetic azimuths. These results may be important for increasing the accuracy of datum transformations and that of control networks. Further important applications of these results are possible in other Earth’s sciences. A suitable amount and quality of vertical deflection values may open a new perspective in the researches of the inner structure of the Earth and in the geophysical prospecting.
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. Nowadays it is a very important task to determine the fine structure of the theoretical shape of our Earth, the geoid. Actually the geoid is our basic reference surface of height determination, and hence without precisely knowing the geoid surface it would actually be impossible to use the familiar and widely applied GPS technique for height determination. Geoid determination is becoming possible in our days also by deflections of vertical measurements. (We call deflections of the vertical the tiny discrepancies of vertical directions caused by anomalous masses of the Earth with respect to a „regular” vertical direction.) Earlier measurements of vertical deflections were extremely elaborate, costly and inaccurate, hence there were only a few available. Deflections of the vertical measurements were revolutionalized by the new QDaedalus system in term of accuracy and efficiency. There are only a few of such systems available worldwide, however, we are between the first who have such a system. A suitable amount and quality of vertical deflection values may open a new perspective in the researches of the inner structure of the Earth and in the geophysical prospecting. Our most important research topics are the assessment of accuracy, applicability and test of QDaedalus in various circumstances, to enhance the system capabilities by new astronomical azimuth measurements, to develop a new concept of measurement processing and a new software for data processing. A significant amount of field surveys and tests are planned to increase geoid accuracy and to explore its fine structure.
Final report
Results in Hungarian
A QDaedalus rendszer a helyi függőleges irányának a rendkívül pontos és rövid idő alatti meghatározását teszi lehetővé, ellentétben az eddig rendelkezésre álló eljárással, amely egyáltalán nem tudott megfelelő mennyiségű és minőségű adatot szolgáltatni. A QDaedalus rendszeren jelentős hadver-, és szoftver-fejlesztéseket hajtottunk végre. A mérések megkezdése előtti műszer-kalibrációra új, pontosabb módszert dolgoztunk ki. Jelentősen sikerült növelni a mérések pontosságát azzal is, hogy egyrészt új mérőeszközökkel folyamatosan regisztráljuk a légkör pillanatnyi állapotát jellemző fizikai paramétereket, a légköri refrakció számításánál pedig figyelembe vesszük a mért csillagok színképét is. Új szoftvert fejlesztettünk ki a mérések feldolgozására, tovább növelve ezzel is a meghatározott értékek pontosságát. Vizsgálataink szerint a QDaedalus rendszerrel mért függővonal elhajlások felhasználásával nagy lehetőség nyílt a Föld elméleti alakja, a geoid finomszerkezetének minden eddiginél pontosabb meghatározására. Egy előre nem várt kutatási eredményünknek a geofizikai kutatásokban lehet kiemelt gyakorlati haszna. Eddig ugyanis a gravitációs kutatásokban csak a nehézségi erő nagyságát tudtuk mérni és felhasználni, mostantól viszont már igen fontos további információ lesz a nehézségi erőnek a QDaedalus által meghatározott iránya is. Várhatóan a módszer most fog szélesebb körben elterjedni a világon. A rendszer fejlesztésében és használatában mi most az élen vagyunk.
Results in English
The QDaedalus system allows the determination of the local vertical deflection with high accuracy and in a short time, unlike the previously available method, which could not provide data of sufficient quantity and quality. We have made significant hardware and software improvements on the QDaedalus system. We have developed a new method for instrument calibration before measurements. The accuracy of the measurements has been significantly improved by using new continuous recording of the physical parameters of the atmosphere and by taking into account the spectral pattern of the measured stars when calculating the atmospheric refraction. We have developed new software for processing the measurements, further increasing the accuracy of the values determined. Our investigations have shown that the use of the QDaedalus system to measure the vertical deflections has opened up a great possibility to determine the theoretical shape of the Earth, the fine structure of the geoid, more accurately than ever before. One of our unanticipated research results could be of particular practical use in geophysical researches. Up to now, we have only been able to measure and use the magnitude of the gravity, but now the direction of the gravity determined by the QDaedalus will be a very important additional information. It can be expected than the method will now be more widely used around the world. We are now at the forefront of the development and use of this system.
