Title Utjecaj vulkanske aktivnosti na raspršenje položaja određenog satelitskim navigacijskim sustavima Title (english) Effects of volcanic activity on the dispersion of position derived from satellite navigation systems Author Ivan Toman Mentor Serđo Kos (mentor)Mentor David Brčić (komentor)Committee member Jasmin Ćelić (predsjednik povjerenstva)Committee member Branko Grisogono (član povjerenstva)Committee member Sanjin Valčić (član povjerenstva)Granter University of Rijeka Defense date and country 2022-06-20, Croatia Scientific / art field, TECHNICAL SCIENCES Universal decimal classificationUDC ) 55 - Geology. Meteorology. Hydrology 629.5 - Watercraft engineering Abstract Satelitski navigacijski sustavi danas nalaze široku upotrebu u prometu i brojnim drugim suvremenim djelatnostima, a koriste se sve intenzivnije i za potrebe znanstvenih istraživanja. U pomorstvu, satelitska navigacija predstavlja temeljni način određivanja položaja i vođenja navigacije. Učinak elektriciteta u Zemljinoj atmosferi na raspršenje položaja izračunanog satelitskim sustavima je vrlo dobro poznat i značajan je u dijelu pomorskih operacija koje zahtijevaju visoki stupanj točnosti. U
... More satelitskoj tehnologiji, uobičajena mjera za količinu elektriciteta u atmosferi je ukupni sadržaj elektrona, kao broj slobodnih elektrona između satelita i površine Zemlje u stupcu presjeka 1m2 (engl. Total Electron Content, TEC). Istraživanja sprege litosferne dinamike i električnih svojstava atmosfere su tek u začecima. Posebno utjecaj vulkanske aktivnosti na atmosferski elektricitet nije dovoljno istražen. Zbog toga su i posljedični učinci vulkanske aktivnosti na položajnu točnost satelitski izračunanog položaja nepoznati. Cilj disertacije je temeljem statističke analize sprege vulkanske aktivnosti i raspršenja položaja dobivenog satelitskim navigacijskim sustavima odrediti kvalitativne i kvantitativne povezanosti dvaju promatranih objekata istraživanja. U tu svrhu, analizirana je aktivnost 6 vulkana za razdoblje 2000. — 2021., u kontekstu položajne točnosti satelitski određenog položaja u njihovoj blizini. Vulkanska aktivnost je karakterizirana satelitski određenom spektralnom radijancijom kao mjerom za toplinsko zračenje. Raspršenje položaja je određeno iz podataka referentnih GNSS (engl. Global Navigation Satellite System) stanica, a kao metoda određivanja položaja izabrano je jednofrekvencijsko određivanje položaja GPS (engl. Global Positioning System) sustavom, s modeliranom ionosferskom ispravkom, ali bez korištenja diferencijskih usluga i ostalih metoda poboljšanja točnosti položaja. Položajna točnost je analizirana kroz 24-satnu aritmetičku sredinu pogreške, srednju kvadratnu pogrešku i standardnu devijaciju pogreške izračuna položaja u blizini vulkana, a kao moguć eksplanatoran parametar za dobivene rezultate analizirana je 24-satna aritmetička sredina i standardna devijacija ukupnog sadržaja elektrona nad vulkanskim područjem. Istraživanjem je utvrđena korisnička položajna statistička ravnoteža u funkciji vulkanske aktivnosti i pripadajućoj raspodjeli TEC vrijednosti. Rezultati usporedbe položajne točnosti kroz promatrane statističke pokazatelje u aktivnim i neaktivnim periodima vulkana, pokazuju značajne kvantitativne razlike između pojedinih analiziranih vulkana, ali i prilično konzistentan kvalitativni obrazac, poboljšanje položajne točnosti u blizini eruptirajućih vulkana i to za 5 ili 6 (ovisno o promatranim statističkim pokazateljima) od 6 promatranih vulkana. Pritom se izbačen vulkanski aerosol u visinu stratosfere, hipotezom postavlja kao temeljni uzročnik koji ograničava amplitudu ukupnog sadržaja elektrona u ionosferi iznad aktivnog vulkanskog područja, čime posljedično umanjuje pogreške jednofrekvencijskog određivanja položaja GPS sustavom. Rezultati osim toga pokazuju i opadanje točnosti udaljavanjem korisnika sustava od aktivnog vulkana kao i slabljenjem stupnja vulkanske aktivnosti. Iz visoke stohastičnosti rezultata proizlaze specifičnosti statističkog modeliranja izučavane povezanosti, a takvi rezultati ujedno ukazuju i na temeljnu činjenicu da vulkanska aktivnost predstavlja tek sekundaran učinak na položajnu točnost satelitskih navigacijskih sustava, nakon utjecaja Sunčeve aktivnosti, kozmičkog zračenja i drugih primarnih forsirajućih čimbenika na Zemljinu ionosferu. Pokazano je također da pri analizi utjecaja vulkanske aktivnosti na raspršenje položaja određenog GPS sustavom, spomenuti primarni čimbenici stvaraju značajan otežavajući element i umanjenje njihovih učinaka u procesu analize predstavlja velik metodološki izazov. Konačna razmatranja rezultata su pokazala potrebu za proširenjem budućih istraživanja na učinak vulkanske aktivnosti na ostale GNSS sustave i posebno na preciznije metode određivanja položaja satelitskim navigacijskim sustavima. Less Abstract (english) Satellite navigation systems have wide application in traffic and many other contemporary activities, while also being increasingly used for scientific research purposes. In maritime traffic, satellite navigation methods are basic means of positioning and navigation. The effect of atmospheric electricity to the dispersion of position derived from satellite navigation systems is well known and it is important in maritime activities where high positional accuracy is required. In satellite
... More technology, the value of Total Electron Content (TEC) is often used as a measure of atmospheric electricity. It is a number of free electrons contained within column of 1m2 cross section between satellite and surface of the Earth. Scientific research of the coupling between lithosphere dynamics and electrical properties of the atmosphere is at its early developing stage. Specifically, the influence of volcanic activity to the atmospheric electricity in not well understood yet. Because of that, the effects of volcanic activity to the positional accuracy of satellite derived position are not known. The goal of dissertation is by implementing statistical approach to analyze coupling between volcanic activity and dispersion of position derived from satellite navigation systems, to determine qualitative and quantitative relationship of those objects of research. To that end, the activity of total of 6 volcanoes are analyzed across period between 2000 and 2021 in a context of positional accuracy in their vicinity. The volcanic activity is represented by spectral radiance measured from satellites. The dispersion of position is determined from the data of GNSS (Global Navigation Satellite System) reference stations, while as a method of calculating position, the single frequency, single point positioning is chosen, with modelled ionospheric correction but without using differential services or other means or methods of improving positional accuracy. The positional accuracy is analyzed through 24-hours arithmetic mean of error, mean squared error and standard deviation of error of calculated position in vicinity of volcano. As a possible explanatory parameter for derived results, 24-hour arithmetic mean and standard deviation of total electron content above volcanic area is analyzed. The research determined the user positional statistical balance in the function of volcanic activity and the corresponding distribution of TEC values. The results of comparison of positional accuracy across used statistical indicators during active and inactive volcanic periods show important quantitative differences among different volcanoes, but also pretty consistent qualitative pattern — the improvement of positional accuracy near active volcanoes for 5 or 6 of 6 analyzed volcanoes, depending on statistical indicator used. The volcanic aerosol injected into stratospheric region is hypothesized to be a basic cause that limits the amplitude of total electron content within ionosphere above active volcanic area, consequently reducing single frequency positional errors from GPS (Global Positioning System). Results also show decreasing of positional accuracy by increasing user distance from active volcano and also reducing accuracy with decreased volcanic activity levels. The specifics of statistical modelling are derived from highly stohasic nature of results, and such results also point to the basic matter of fact — volcanic activity is found to be a secondary factor that effects accuracy of position derived from satellite navigation systems. It only comes after the primary forcing effects on the ionosphere and positional accuracy, such as solar and cosmic rays' activity. It is also shown that those primary forcing effects represent important factor that makes the analyzing of volcanic activity driven effects difficult and thus, reducing their influence to the analysis comes as a great challenge. Final discussion of results has shown the need to expand the future research efforts to the effects of volcanic activity on other GNSS systems and in particular on more accurate methods of positioning using satellite navigation systems. Less Keywords
globalni navigacijski satelitski sustavi
globalni položajni sustav
raspršenje položaja
litosferna dinamika
vulkanska aktivnost
ukupni sadržaj elektrona
ionosfera
sprega litosfere
atmosfere i ionosfere
Keywords (english)
Global Navigation Satellite System
Global Positioning System
dispersion of position
lithopshere dynamics
volcanic activity
total electron content
ionosphere
lithosphere-atmosphere-ionosphere coupling.
Language croatian URN:NBN urn:nbn:hr:187:094798 Promotion 2023-05-19 Study programme Title: Postgraduate (doctoral) university study programme - Maritime Studies Type of resource Text Extent XIV, 258 str.: ilustr., graf. prikazi ; 30 cm File origin Born digital Access conditions Open access Terms of use Created on 2022-11-03 14:06:31
