ITRS-ITRF سیستم و فریم مرجع زمینی

برای بیان موقعیت یک نقطه توسط سیستم های تعیین موقعیت ماهواره ای GNSS نیاز به داشتن یک سیستم مختصات و یا فریم متناظر با آن داریم. در نوشته های قبلی درباره سیستم و فریم مرجع سماوی به عنوان ابزاری برای بیان مختصات نقاط سماوی پرداختم. این سیستم و مرجع سماوی که تحت عنوان ICRS و ICRF مطرح می شوند توسط سرویس IERS معرفی می شوند.

در ادامه معرفی محصولات سرویس IERS به معرفی سیستم مختصات مرجع بین المللی و فریم مربوط به آن می پردازم.

سیستم مختصات مرجع بین المللی ITRS

قبل از معرفی ITRS بهتر است ابتدا درباره مفهوم سیستم مرجع زمینی یا TRS که مخفف Terrestrial Reference System می باشد توضیح دهم. یک سیستم مرجع زمینی سیستمی است که به همراه زمین در حرکت روزانه آن در فضا حرکت می کند. در اصطلاح به این سیستم، “بسته به زمین” یا Earth -Fixed می گویند. در چنین سیستمی مختصات یک نقطه تحت تاثیر تغییرات کوچک تاثیرات ژئوفیزیکی، نظیر تغییرات تکتونیک و جزر و مد، قرار می گیرد.

از طرف دیگر این مرکز این سیستم منطبق بر مرکز جرم زمین می باشد. به این نقطه در اصطلاح Geocenter می گویند. محور Z سیستم نیز از نقطه قطب می گذرد. واحد اندازه گیری در این سیستم واحد متر SI می باشد.

علاوه بر مختصات کارتزین XYZ، میتوان از مختصات ژئودتیکی نیز برای بیان محل قرار گیری یک نقطه استفاده کرد. با توجه به آنچه گفته شد سیستم ها و دیتوم های مرجع متفاوتی معرفی شدند که ما با  آن ها در درس های مختلف ژئودزی (به خصوص ژئودزی II) آشنا شدیم.

اما با شروع کار سرویس IERS و به منظور یکپارچه شدن، سیستم مختصات مرجع بین المللی یا ITRS که مخفف International Terrestrial Reference System می باشد، معرفی شد. برای معرفی چنین سیستمی، سرویس IERS، شرایط زیر را در نظر گرفت:

• این سیستم یک سیستم ژئوسنتریک می باشد. مبدا آن منطبق بر مرکز جرم زمین (شامل جرم اقیانوس و اتمسفر) می باشد. البته با توجه به این که دقت مشاهدات به سطحی رسیده است که میتوان تغییرات مرکز جرم زمین را با توجه به توزیع جرم آن به دست آورد، مرکز این سیستم به صورت یک نقطه متوسط در نظر گرفته می شود.
• واحد اندازه گیری در این سیستم متر SI است.
• قطب در این سیستم بر اساس قطب مرجع بین المللی یا IRP تعریف می شود. همچنین نصف النهار مرجع (که همان گرینویچ است) نیز توسط BIH معرفی شده است. این کار توسط روش های لیزری ماهواره ای مانند SLR و روش فضایی VLBI، انجام شده است. در طول سال های مختلف، BIH این تعاریف را ارئه داده و با پیشرفت روش های اندازه گیری، دقت آن ها بهبود یافته است.
• تغییراتِ زمانیِ توجیهِ ارائه شده برای این سیستم که در بالا به آن اشاره کردم، صفر در نظر گرفته می شود. یعنی با گذر زمان سیستم هیچ گونه تغییری نیست به این تعریف پیدا نمی کند.

برای اطلاع از جزئیات بیشتر این سیستم و مطالعه تخصصی تر می توانید به بخش 4 از نکته های فنی IERS مراجعه کنید.

فریم مختصات مرجع بین المللی ITRF

همان طور که چندین بار درباره لزوم استفاده از فریم توضیح داده ام، سیستم ITRS برای اینکه قابلیت دسترسی و استفاده داشته باشد باید یک فریم یا چارچوب داشته باشد. این فریم که با عنوان ITRF توسط سرویس IERS منتشر می شود، مخفف International Terrestrial Reference Frame می باشد.

ITRF از یکسری ایستگاه دائم با مختصات معلوم تشکیل شده است. مختصات این ایستگاه ها با استفاده از دو یا چند روش با دقت بالا تعیین می شود. از جمله این روش ها می توان به تعیین موقعیت توسط سیستم های تعیین موقعیت ماهواره ای GNSS، روش های فاصله یابی لیزری نظیر SLR و LLR، روش های فاصله یابی فضایی نظیر VLBI اشاره نمود.

در واقع در اینجا ما با شبکه ای از نقاط مختصات دار تحت عنوان شبکه IERS طرف هستیم. این شبکه از تمام ایستگاه های دائم مربوط به شبکه IGS، نقاط مربوط به سیستم های SLR، LLR و VLBI و نیز شبکه نقاط مربوط به DORIS تشکیل شده است.

هر نقطه با یک عدد که به آن DOMES می گویند معرفی می شود. در واقع شما برای پیدا کردن یک نقطه در این شبکه کافی است که عدد DOMES آن را در قسمت جستجوی سایت ITRF وارد کنید.  این DOMES به صورت زیر تعریف می شود: (به عنوان مثال عدد 10002M006 را در نظر بگیرید)

• سه عدد اول مربوط به محل قرار گرفتن نقطه است. (100 بیانگر این است که این نقطه در فرانسه قرار دارد)
• دو عدد بعدی بیانگر این است که نقطه در چه ناحیه ای از کشور قرار دارد. (02 بیانگر این است که در Grasse قرار دارد)
• حرف بعدی نشان دهنده نوع نقطه است (M نشان دهنده این است که این نقطه Monument می باشد. یعنی بر روی یک پیلار بتنی قرار دارد)
• سه عدد بعدی نشان دهنده شماره نقطه متوالی است (006 در این مثال یعنی این نقطه، ایستگاهی است که سیستم GPS را دنبال می کند)

برای دانلود لیست کامل نقاط بر اساس عدد DOMES اینجا را کلیک کنید. در ایران نقاط زیر در شبکه IERS موجود می باشند:

 20403M001 Mashhad                             MASH      Geodetic Ground Mark                                                                                                                                                             
 20403M002 Mashhad                             MSHN      Forced centering device on top of a concrete pillar                                                                                                                              
 20404M001 Teheran II                          TEHR      Geodetic Ground Mark                                                                                                                                                             
 20404M002 Teheran II                          TEHN      TOP AND CENTRE OF A REINFORCED CONCRETE PILLAR
 20405M001 CHAH BAHAR                          CHAB      Geodetic Ground Mark                                                                                                                                                             
 20406M001 TORBAT-E-HEYDARIYEH                 KASH      Geodetic Ground Mark                                                                                                                                                             
 20406M002 TORBAT-E-HEYDARIYEH                 YAS1      Yas / Concrete pillar                                                                                                                                                            
 20407M001 DREZFUL                             NILO      Nilofar / Concrete pillar                                                                                                                                                        
 20408M001 BANDAR-E-BUSHEHR                    REIH      Reihaneh / Concrete pillar                                                                                                                                                       
 20409M001 YAZD                                ROSE      Rose / Concrete pillar                                                                                                                                                           
 20410M001 Zabol                               ZABO      Geodetic Ground Mark                                                                                                                                                             
 20411M001 Hamedan                             HAMD      Forced centering device on top of a concrete pillar                                                                                                                              
 20412M001 Tabriz                              TABZ      Forced centering device on top of a concrete pillar                                                                                                                              
 20413M001 Ahvaz                               AHVA      Forced centering device on top of a concrete pillar                                                                                                                              
 20414M001 Jask                                JASK      Top and axis of the sxrew of a bolt fixed on top of a concrete pillar

نسخه های ITRF ارائه شده

تا کنون 9 نسخه ITRF در سال های 1992، 1993، 1994، 1996، 1997، 2000، 2005، 2008 و 2014 توسط IERS منتشر شده است. که دو نسخه اول ITRF92 و ITRF93 در حال حاضر در دسترس نمی باشد. هر کدام از نسخه های ارائه شده پس از پیشرفتی در تکنولوژی، ساختار، الگوریتم و محاسبات منتشر شده اند. برای آشنایی با تغییرات در هر نسخه کافی است بر روی آن کلیک کنید.

ITRF2014

آخرین نسخه ارائه شده توسط سرویس IERS، فریم سال 2014 یا ITRF2014 می باشد. فایل های ارائه شده برای ITRF2014 در قالب فایل SINEX می باشد.  SINEX که مخفف Solution (Software/technique) INdependent EXchange Format می باشد، شامل مختصات تقریبی هر ایستگاه، اپک مشاهداتی برای تهیه فایل، اطلاعات مربوط به Solution یا حل مختصات نقاط در این فایل، اطلاعاتی درباره ماتریس کواریانس ایستگاه ها، بردار جا به جایی ایستگاه و اطلاعاتی دیگر می باشد که از آن برای به دست آوردن مختصات نقاط و استفاده از سیستم مرجع استفاده می کنند.

برای دسترسی به فایل های SINEX مربوط به ITRF2014 اینجا را کلیک کنید. ( از نرم افزار های تبدیل IP استفاده نکنید، در غیر این صورت به FTP آن دسترسی نخواهید داشت.). توجه: حجم فایل های SINEX معمولا زیاد است!

سیستم مختصات مورد استفاده برای کاربران GNSS

هر کدام از سیستم های تعیین موقعیت ماهواره ای، سیستم مختصات مرجع متفاوتی برای ارسال اطلاعات مداری خود به کاربران، انتخاب کرده اند. این سیستم های مختصات مرجع، در گذشته، آفست های کوچکی نسبت به هم داشتند. تا این که توسعه دهندگان سیستم های تعیین موقعیت ماهواره ای GNSS، تصمیم گرفتند که سیستم های مختصات مرجع خود را بر آخرین نسخه ITRF منطبق کنند.

به عنوان نمونه، WGS84 به عنوان سیستم مرجع GPS، با دقتی در حدود 1 سانتی متر، منطبق بر ITRF2014 می باشد. در مورد سیستم GLONASS، سیستم مختصات PZ-90.2 که به عنوان سیستم مرجه این سیستم تعیین موقعیت ماهواره ای استفاده می شود، با دقت سانتی متری با ITRF انطباق دارد. سیستم های CGS2000 و GTRF که به ترتیب مربوط به سیستم های Beidou و Galileo می باشند نیز با ITRF انطباق دارند.

پس وقتی ما مختصات یک نقطه را به دست می آوریم، این مختصات در یک فریم مرجع قابل بیان می باشد. میتوان مختصات یک نقطه را با استفاده از فرمول های تبدیل از یک فریم به فریم دیگر نیز تبدیل کرد. برای آشنایی با این تبدیلات می توانید به کتاب های مرجع ژئودزی ماهواره ای مراجعه نمایید. در این تبدیلات از پارامترهای تبدیل استفاده می شوند. برای دسترسی به پارامترهای تبدیل، بر روی لینک زیر کلیک کنید:

پارامترهای تبدیل بین ITRF های مختلف

در انتها، برای دسترسی به سایت اصلی تولید ITRF که در آن، آخرین ITRF های منتشر شده و فایل های مربوط به آن را قرار می دهد، بر روی لینک زیر کلیک کنید.:

سایت اصلی ITRF