TESTNE GRAVIMETRI NE MERITVE ZA POTREBE PROJEKTA NOVE GRAVIMETRI NE MRE E SLOVENIJE Bo o Koler * , Miran Kuhar * , Klemen Medved ** Povzetek Med 7. julijem 2005 in 13. oktobrom 2005 smo na obmo ju Slovenije izvedli testne gravimetri ne meritve z relativnim gravimetrom Scintrex CG-3M (Avtomated Gravity Meter) številka 10341. Testne meritve smo navezali na absolutne gravimetri ne to ke oziroma to ke, ki so bile predhodno navezane na absolutne gravimetri ne to ke. Osnovni namen izvajanja testnih meritev je bil testiranje, spoznavanje instrumenta in pridobivanje ustreznih izkušenj za izmero gravimetri ne mre e 1. reda. Meritve smo izvajali na to kah, na katerihje bil te nostni pospešek predhoddno izmerjen. To so reperji II. NVN, reperji, na katerih so bile izvedene gravimetri ne meritve leta 1995 (izvedene so bile v okviru povezave nivelmanskih mre Slovenije in Avstrije), ter kalibracijska baza Republike Slovenije, ki je bila izmerjena leta 1998. Vse meritve so bile izvrednotene in opravljena je primerjava s prejšnjimi vrednostmi te nostnega pospeška na izmeritvenih to kah. Uvod Testne meritve smo s prekinitvami izvajali od 7. julija 2005 do 13. oktobra 2005 na obmo ju Slovenije. Vse meritve so bile izvedene z relativnim gravimetrom Scintrex CG- 3M (Avtomated Gravity Meter) številka 10341, ki je last Geodetske uprave Republike Slovenije. Relativni gravimetri so zelo ob utljivi instrumenti, s katerimi je potrebno ravnati pazljivo. Posebno pozornost je potrebno posvetiti transportu instrumenta. Med prevozom je instrument v potovalnem zaboju, ki je nameš en in pritrjen v vozilo (slika 1). Slika 1 - Instrument v potovalnem zaboju, ki je nameš en v prtlja niku vozila * doc.dr.Bo o Koler, univ.dipl.in .geod., doc.dr.Miran Kuhar, univ.dipl.in .geod. Univerza v Ljubljani, Fakulteta za gradbeništvo in geodezijo, Oddelek za geodezijo, Jamova 2, 1000 Ljubljana. ** Klemen Medved, univ.dipl.in .geod., Geodetska uprava R. Slovenije, Zemljemerska 12, 1000 Ljubljana. Tako poskušamo omiliti tresljaje in neza eljeno premikanje instrumenta, ki bi mu lahko škodovalo. Sama vo nja mora potekati im bolj teko e in brez sunkovitih pospeševanj oziroma zaviranj. Testne meritve smo navezali na absolutne gravimetri ne to ke oziroma to ke, ki so bile predhodno navezane na absolutne gravimetri ne to ke. Osnovni namen izvajanja testnih meritev je bil testiranje, spoznavanje instrumenta in pridobivanje ustreznih izkušenj za izmero gravimetri ne mre e 1. reda. Meritve smo izvajali na posameznih to kah, na katerih je bil te nostni pospešek predhodno izmerjen, saj imamo tako mo nost primerjati rezultate meritev. Na osnovi primerjave lahko odkrijemo morebitne grobe in sistemati ne pogreške. V testne meritve smo vklju ili:  gravimetri ne to ke osnovne gravimetri ne mre e,  reperje II. NVN,  reperje, na katerih so bile izvedene gravimetri ne meritve leta 1995, in sicer v okviru povezave nivelmanskih mre Slovenije in Avstrije,  kalibracijsko bazo Republike Slovenije, ki je bila izmerjena leta 1998. 5400000 5450000 5500000 5550000 5600000 5040000 5060000 5080000 5100000 5120000 5140000 5160000 5180000 SKICA MERITEV X Y 2 7 148 3674 3959 5486 3926 3910 3974 1424 2839 1032 139 1256 1073 8 1272 1432 5324 5347 2870 2873 2879 2728 1014 2678 2666 1080 5414 2880 5406 1020 2732 23 1049 2762 1006 2718 2716 1074 2706 1093 1083 1000 1001 2752 2758 101 200 1078 300 1061 1017 1004 2753 400 401 500 501 550 38 41 3787 2154 5 399 1851 911 5596 21 2 963 12 7070 7065 7058 7049 439 5 20 19 348 6 551 39 43 44 7.julij 2005 15.julij 2005 19.julij 2005 20.julij 2005 22.julij 2005 28.julij 2005 2.avgust 2005 4.avgust 2005 10.avgust 2005 11.avgust 2005 10.september 2005 11.september 2005 merjena tocka absolutna tocka tocka navezave grav imetricna tocka DAN ILA U REK 43 Slika 2 - Prikaz obmo ja meritev po dnevih Na sliki 2 je prikazani obmo je meritev, merjene to ke in trase merjenj za posamezen dan. Relativni gravimeter Scintrex CG-3M Scintrex CG-3M je avtomatizirani gravimeter. Delovni razpon gravimetra (brez resetiranja) je 7000 mGal-a (1 mGal = 10 -5 ms -2 ), kar pomeni, da je mo no meritve izvajati skoraj na celotni Zemljini obli. Postopek izmere je avtomatiziran. Tako so odpravljeni pogreški operaterja. Meritve se shranjujejo v interni spomin gravimetra. Relativni gravimeter Scintrex CG-3M ima standardno lo ljivost 1 µGal-a (1 µGal = 10-8 ms -2 ) s standardnim odklonom manjšim od 5 µGal-a. Visoka natan nost CG-3M gravimetra je rezultat avtomatizacije merskega procesa, visokokvalitetne izdelave, malega hoda gravimetra ter precizne kalibracije. Gravimetri ni senzor CG-3M gravimetra sloni na kvar nem elasti nem sistemu. Sila, ki je prisotna zaradi te nostnega pospeška na utilu instrumenta (merska masa), je v uravnovešena z ustrezno vzmetjo in relativno majhno elektrostati no silo kondenzatorja. Autograv CG-3M vsebuje mersko utilo, nadzorni mehanizem z mikroprocesorjem in baterije v prenosnem ohišju. Gravimeter CG-3M nenehno od itava podatke z internega senzorja nagiba. Na osnovi teh meritev CG-3M avtomati no kompenzira meritve zaradi nehorizontalnosti gravimetri nega senzorja. Na podlagi geografskega polo aja in asovne cone CG-3M avtomati no ra una popravek zaradi plimovanja trdne Zemlje v realnem asu, in to za vsak od itek. Da bi eliminirali vplive sprememb zra nega tlaka in temperature, je celotni merilni sistem hermeti no zaprt v aluminijastem ohišju. Termostat vzdr uje konstantno temperaturo, najob utljivejši elementi (vzmet, ob utljive elektronske naprave, analogno digitalni pretvornik, libeli) pa so v dvojnem vakumskem ohišju. To zmanjšuje vpliv zunanjih temperaturnih sprememb za faktor 10 4 . Gravimeter na zaslonu prikazuje in shranjuje v spomin naslednje podatke: popravljeno meritev, standardni odklon, naklona okoli x-osi in y-osi, vrednost temperaturnega senzorja, popravek za plimovanje trdne Zemlje, trajanje meritev, as za etka merjenja, in osnovne informacije o privzetih parametrih merjenja. Postopek izmere Na to kah osnovne gravimetri ne mre e smo po postavitvi in horizontiranju instrumenta višino instrumenta izmerili trikrat (ob vsaki nogi stativa – v obdelavi se nato upošteva aritmeti na sredina izmerjenih višin), saj se podatek o merjenem g nanaša na ploskev. Zaradi tresljajev, ki so prisotni pri prevozu in prenosu instrumenta, smo po horizontranju instrumenta po akali 10 minut, da se merilni sistem umiri. Po 10 minutah smo pri eli z izmero. Na to kah osnovne gravimetri ne mre e smo izvedli 5 meritev. Na reperjih II. NVN je bila višina od vrha instrumenta do reperja izmerjena le enkrat, ker se podatek o merjenem g nanaša na najvišjo to ko reperja. Ker so predhodne meritve na nivelmanskih reperjih II. NVN podane na 10 µGal natan no, smo izvedli 3 meritve, in to takoj po postavitvi in horizontiranju instrumenta. Obdelava merskih podatkov gravimetri-ne izmere Pri meritvah te nostnega pospeška so prisotni številni vplivi. Vse vplive na izmerjene vrednosti te nostnega pospeška lahko razdelimo v dve skupini (Torge, 1989): 1. vplivi zaradi nepopolnosti instrumenta – instrumentalni pogreški, 2. zunanji vplivi okolice. Instrumentalni pogreški so posledica konstrukcije gravimetra. V to skupino sodijo pogreški itanja (v primeru, da gravimeter nima avtomatiziranega postopka izmere in od itavanja merjene vrednosti), pogrešek zaradi nepravilnega horizontiranja, elasti na histereza, nestabilna napetost v instrumentu ter kalibracijska funkcija. Elasti na histereza ali zmanjšanje (popuš anje) napetosti vzmeti nastane zaradi spremembe dol ine vzmeti po dolo enem asu. Vpliv se lahko zmanjša (< 0,001 mGal) z na inom dela. Pri stacionarnem in terenskem delu z gravimetrom prihaja do sprememb v ravnote ju sistema vzmeti. Zaradi tega se spreminja ni elni polo aj utila (ang. zero position), kar je znano kot hod gravimetra (ang. gravimeter drift). S hodom gravimetra imamo opravka zaradi sprememb nemodeliranih zunanjih vplivov in popuš anja napetosti sistema vzmeti. S posebnim na inom dela in uvedbo ustreznega popravka za merjene vrednosti lahko upoštevamo vpliv hoda na opazovanja, predvsem v daljšem asovnem obdobju. Vse vplive upoštevamo z uvedbo ustreznih popravkov. Pred izra unom ustreznih popravkov moramo iz rezultatov izmere odstraniti periodi ni vpliv plimovanja trdne Zemlje. Gravimeter Scintrex Autograv CG-3M omogo a avtomatski izra un in upoštevanje plimskega popravka, lahko pa plimovanje odpravimo z ustreznimi programi po meritvah. Od naštetih vplivov ima lahko hod gravimetra najve jo vrednost, posebej e se meritve izvajajo dalj asa. Pri naših meritvah smo upoštevali naslednje popravke. Vpliv zra nega tlaka Sprememba zra nega tlaka povzro i spremembo mase zra nega stolpa nad merjeno gravimetri no to ko. Vpliv zra nega tlaka na spremembo te nosti v µGalih je podan z ena bo (Schüler, 2000): = P g ( ) n p p 30 , 0 2559 , 5 15 , 288 0065 , 0 1 25 , 1013 = H p n kjer so: p merjeni zra ni tlak na stojiš u v hPa oz. mbar, p n izra unani normalni zra ni tlak na stojiš u v hPa oz. mbar, H nadmorska višina gravimetri ne to ke v metrih. Spremembe te nosti so torej odvisne od vremena (stabilnosti zra nega tlaka), v praksi pa se upoštevajo le pri najnatan nejših izmerah (v mikrogravimetri nih mre ah) ob nestabilnem vremenu, saj se pri spremembi tlaka za 1 hPa spremeni merjena te nost le za 0,3 - 0,4 µGal. Zra ni tlak na stojiš u smo merili z Meteo Station HM 30 švicarskega proizvajalca REVUE THOMMEN AG. Resolucija instrumenta je 0.1 hPa in standarni odklon 1 hPa. Vpliv gibanja polov Popravek vpliva gibanja pola kompenzira dolgoro ne vplive zaradi spremembe trenutnega polo aja pola glede na CIO (Conventional International Origin) (Torge, 2001): Ig pol (t) ( ) ( ) ( ) sin t y cos t x sin R , = 21 6 1 2 [ ] 2 ms kjer so: kotna hitrost Zemlje (2 /dan), R radij Zemlje, K, L geografski koordinati opazovališ a, x(t), y(t) koordinati trenutnega polo aja pola glede na CIO – podatki so dostopni v elektronskem biltenu International Earth Rotation Service (IERS) oziroma na medmre ju na URL-naslovu: http://hpiers.obspm.fr/eoppc/bul/bulb/. Vpliv hoda instrumenta Hod instrumenta v grobem razdelimo na dve vrsti:  Dolgoro ni hod: je posledica staranja vzmeti, temperaturnih sprememb in sprememb pritiska; dolgoro ni hod instrumenta znaša od 10 do 100 µGal na dan in se s staranjem instrumenta zmanjšuje.  Kratkoro ni hod: je posledica tresljajev med transportom instrumenta; kratkoro ni hod instrumenta znaša do 100 µGal na uro in je v kratkih asovnih periodah (nekaj ur) skoraj linearen, odvisen pa je od instrumenta, na ina transporta in zaš ite instrumenta. Dolo anje hoda temelji na Taylorjevi vrsti merjene vrednosti g v odvisnosti od asa t: ... ) t t ( t g ) t t ( t g ) t t ( t g ) t g( g(t) 0 + + + + = 3 0 0 3 3 2 0 0 2 2 0 0 6 1 2 1 kjer 0 t predstavlja as za etka meritve. Vpeljemo koeficiente hoda in ena bo pretvorimo v polinom: ) t ( D ) t g( ) t t ( d ) t g( ... ) t t ( d ) t t ( d ) t t ( d ) t g( g(t) 0 s p p p 0 0 + = + = + + + + = =1 0 3 0 3 2 0 2 0 1 kjer g(t 0 ) predstavlja za etno meritev. Koeficiente polinoma izra unamo z izravnavo po metodi najmanjših kvadratov. Koeficienti hoda se lahko dolo ijo s ponovljenimi meritvami na istih to kah. Ponavljanja naj bodo im enakomerneje asovno razporejena, odvisna pa so od tipa hoda (linearen, nelinearen, preskoki), velikosti hoda in zahtevane natan nosti meritev. Poznamo ve metod merjenj (Torge, 1989):  Metoda razlik (ang. difference method): kontrola hoda v realnem asu na kon nih to kah; zaporedje to k: 1-2-1-2, 2-3-2-3, 3-4-3-4, 4-2-4-2, itd. (slika 3 a),  metoda zvezde (ang. star method): povezava na centralno to ko in kontrolo hoda v realnem asu; zaporedje to k: 1-2-1-3-1-4-1 (slika 3 b),  metoda korakov (ang. step method): najmanj trikratno zaporedno merjenje na posamezni to ki; zaporedje to k: 1-2-1-2-3-2-3-4-3-… (slika 3 c) in  metoda profilov (ang. profile method): enkratno, dvakratno ali ve kratno merjenje na posamezni to ki profila; zaporedje to k: 1-2-3-4-…-4-3-2-1 (slika 3 d). Slika 3 - Metode izmere in dolo anja hoda instrumenta (Torge, 1989) V našem primeru smo vse meritve izvedli po metodi profila. Meritve smo popravili s polinomskimi funkcijami 1. 2. ali 3. stopnje. Dva karakteristi na primera dolo itve hoda sta podana na sliki 4. Leva stran ka e dan 17. 07. 2005, desna pa 10. 08. 2005. O itno se pri slednjem kubi na funkcija hoda prilega to kam, vendar je zaradi neenakomerne asovne razporeditve ve kratnih opazovanj na to kah bolj smiselno uporabiti linearni hod. Slika 4 - funkcija hoda instrumenta za 15. 07. 2005 in 10. 08. 2005 Pregled rezultatov meritev in primerjava s predhodnimi gravimetri-nimi izmerami Z meritvami smo dolo ili te nostni pospešek na 8 to kah nekdanje osnovne gravimetri ne mre e Jugoslavije in na ve kot 60 reperjih II NVN. V preglednici 1 so podani absolutni te nostni pospeški na merjenih to kah osnovne gravimetri ne mre e iz leta 2005 in iz leta 1967 v Potsdamskem sistemu ter razlika med njimi. TOOKA Te nostni pospešek – sistem IGSN71 (µGal) Te nostni pospešek – Potsdamski sistem (µGal) Razlika med sistemoma 2005-1967 (µGal) 2005 1967 GT19 980661757 980676854 - 15097 GT20 980547723 980562846 - 15123 GT348 980573154 980588193 - 15039 GT6 980630888 980645657 - 14769 GT21 980558032 980573321 - 15289 GT39 980678011 980693177 - 15166 GT43 980701702 980716566 - 14864 GT44 980715784 980730865 - 15081 Preglednica 1 - Rezultati meritev te nostnega pospeška na to kah osnovne gravimetri ne mre e Jugoslavije Med sistemom IGSN71 in Potsdamskim sistemom te nosti je bil izmerjen zamik - 14 mGal. Vendar pa so na osnovi naknadnih meritev na obmo ju bivše Jugoslavije, ki so bile izvedene v Beogradu in Zagrebu, dobili zamik v velikosti - 15,13 mGal do -15,10 mGal (Zbornik instituta za geodezijo, 1984), kar se tudi ujema z razlikami, ki smo jih dobili na osnovi testne gravimetri ne izmere. Podatke o vrednosti te nostnega pospeška na to kah osnovne gravimetri ne mre e Jugoslavije smo pridobili iz topografij. Pri primerjavi merjene vrednosti te nosti na reperjih II. NVN, ki je bila opravljena leta 1971, in naše testne izmere, smo dobili razlike okoli - 1100 µGal. Ne glede na dejstvo, da so bile primerjane meritve izvedene v sistemu IGSN71, je omenjena razlika posledica dejstva, da so pri gravimetri ni izmeri II. NVN upoštevali razliko med Potsdamskim sistemom in IGSN71 v velikosti - 14 mGal. Zaklju-ek Testne gravimetri ne meritve, ki smo jih izvedli na celotnem ozemlju Slovenije v 12 delovnih dneh, so v popolnosti izpolnile naša pri akovanja. Tako smo pridobili številne merske podatke, ki nam bodo omogo ali nadaljnje analize v zvezi z merilom instrumenta (ponovna izmera kalibracijske baze R Slovenije) in dolo itvijo funkcije hoda instrumenta. Izbira funkcije hoda instrumenta ima namre najve ji vpliv na rezultate meritev, saj je sam postopek izmere avtomatiziran. Poleg tega se je gravimeter Scintrex Autograv CG-3M izkazal kot zanesljiv in za uporabo enostaven instrument. Literatura II. Nivelman visoke to nosti Jugoslavije. Svezak 1. Geodetski fakultet sveu ilišta u Zagrebu, Zavod za višu geodeziju. Medved, K. 2001. Gravimetri ne meritve za potrebe dolo itve geopotencialnih kot EUVN to k. Diplomska naloga. Ljubljana, Univerza v Ljubljani, Fakulteta za gradbeništvo in geodezijo, Oddelek za geodezijo, Geodetska smer: 90 str. Seigel, H.O. 1995. SCINTREX CG-3/3M Gravity Meter: Operator manual. Canada. Torge, W. 1989. Gravimetry. Berlin, New York. Urek, D. 2005. Avtomatska obdelava in analiza testnih meritev z relativnim gravimetrom Scintrex CG-3M. Diplomska naloga. Ljubljana, Univerza v Ljubljani, Fakulteta za gradbeništvo in geodezijo, Oddelek za geodezijo, Geodetska smer: 106 str.