Diagnosis of metrological characteristics of high-precision GNSS observations by methods of non-classical error theory of measurements

Abstract

Мета дослідження – провести діагностику метрологічної характеристики високоточних GNSS-спостережень методами некласичної теорії похибок вимірів (НТПВ) на прикладі референцних станцій України. Нами було підібрано 72 референцні GNSS-станції України, завантажено добові файли спостережень із серверу центру аналізу LPI, та створено часові серії в топоцентричній системі координат. Тривалість часових серій становить майже два роки (24 березня 2019–2 січня 2021). Із використанням спеціалізованого програмного пакету виконали очищення часових серій від вискоків, розривів, сезонних впливів, та вилучено трендову складову. Перевірка емпіричних розподілів похибок забезпечувалася процедурою некласичної теорії похибок вимірів на основі рекомендацій, запропонованих Г. Джеффрісом і на принципах теорії перевірок гіпотез за критерієм Пірсона. Встановлено, що отримані часові серії координат на більшості референцних GNSS-станцій не підтверджують гіпотезу про їх підпорядкування нормальному закону розподілу Гаусса. Проведення НТПВ-діагностики точності високоточних GNSS-вимірів, яка ґрунтується на використанні довірчих інтервалів для оцінок асиметрії і ексцесу значної вибірки із наступним застосуванням – тесту Пірсона, підтверджує наявність слабких, не вилучених із GNSS-опрацювання джерел систематичних похибок. Авторами задіяна можливість НТПВ для вдосконалення методики опрацювання високоточних GNSS-вимірів та необхідність врахування джерел систематичних похибок. Неврахування окремих факторів породжують ефект зміщення часового координатного ряду, що, своєю чергою, зумовлює суб’єктивні оцінки швидкостей руху станції, тобто їхню геодинамічну інтерпретацію. Дослідження причин відхилень розподілу похибок від встановлених норм забезпечує метрологічну грамотність інтерпретації високоточних GNSS-вимірів великого обсягу.

The aim of the research is to diagnose the metrological characteristics of high-precision GNSS-observations by methods of non-classical error theory of measurements (NETM) based on Ukrainian reference stations. Methodology. We selected 72 GNSS reference stations, downloaded daily observation files from the LPI analysis center server, and created time series in the topocentric coordinate system. The duration of the time series is almost two years (March 24, 2019 – January 2, 2021). Using a specialized software package, the time series have been cleaned of offsets and breaks, seasonal effects, and the trend component has been removed. Verification of empirical distributions of errors was provided by the procedure of NETM on the recommendations offered by G. Jeffries and on the principles of hypothesis tests the theory according to Pearson's criterion. The main result of the research. It is established that the obtained time series of coordinates of reference GNSS stations do not confirm the hypothesis of their conformity to the normal Gaussian distribution law. NETM diagnostics of the accuracy of high-precision GNSS measurements, which is based on the use of confidence intervals for assessing the asymmetry and kurtosis of a significant sample, followed by the Pearson test, confirms the presence of weak, not removed from GNSS-processing, sources of systematic errors. Scientific novelty. The authors use the possibility of NETM to improve the processing of high-precision GNSS measurements and the need to take into account the sources of systematic errors. Failure to take into account certain factors creates the effect of shifting the time coordinate series, which, in turn, leads to subjective estimates of station velocity, i.e. their geodynamic interpretation. Practical significance. Research of the reasons for deviations of errors distribution from the established norms provides metrological literacy of carrying out high-precision GNSS measurements of large samples.