Dzhuman B. Modeling of the Earth's regional geophysical fields for solving geodetic problems

Українська версія

Thesis for the degree of Doctor of Science (DSc)

State registration number

0523U100170

Thesis Registration Form

0523U100170.pdf

Applicant for

Specialization

  • 05.24.01 - Геодезія та картографія

28-09-2023

Specialized Academic Board

Д 35.052.12

Lviv Polytechnic National University

Essay

Solving modern scientific and applied problems of geodesy, geophysics, global geodynamics etc. is closely related to the modeling of various fields of the Earth and planets. Nowadays new geodetic and geophysical technologies are developed actively and the accuracy of measuring devices increase. Accordingly the technological challenges of modern times require the improvement of methods of creating models of the global and regional fields of the Earth. Parameterization of the Earth's fields using spherical Legendre functions is considered standard on a global scale since they have similar properties to these fields. On a regional scale other methods are used to solve similar problems which based on model and operational approaches. The dissertation elaborates general information on the theory of modeling of the regional fields of the Earth used in geodesy. An analysis of modern modeling methods is carried out. Their accuracy, disadvantages and advantages are shown. We propose a system of functions on a spherical trapezoid (STHA-functions) based on spherical functions with real indices, obtaine calculation formulas of STHA-functions using hypergeometric series, analytical formulas for finding the full norm of given functions, an algorithm for finding the number of zeros of STHA-functions on a spherical trapezoid depending from their order and degree. Gaussian quadrature formulas have been adapted to STHA functions. Formula for calculating the resolution of the STHA model has been found. The advantages of the proposed method are substantiated compared to other methods. The formulas for the decomposition of geopotential functionals into a series according to STHA-functions and formulas adapted to programming for calculating the model of the regional gravity field of the Earth by the STHA-method were obtained based on the values of gravity anomalies in free air ∆g using the "Remove-Compute-Restore" procedure. The formulas for the decomposition of the components of the Earth's magnetic field in a series according to the STHA-functions and the formula for the decomposition of the ionosphere parameter VTEC in a series according to these functions were also obtained. It is proposed to adopt STHA polynomials as the basic system of functions for representing the local analytical covariance function. To test this approach, a number of covariance and cross-covariance functions were constructed and compared using Legendre polynomials and STHA polynomials. It was established that the discrepancy between these functions is no more than 5%. This approach will make it possible to significantly reduce the number of expansion coefficients in the series of the analytical covariance function. Approbation of the proposed methodology was carried out by calculating a high-precision STHA model of the geoid on the territory of Vinnytsia and Odesa regions relative to the GRS80 ellipsoid and the Krasovsky ellipsoid to ensure the needs of the "GeoTerrace" network. The accuracy of the obtained geoid model was evaluated in relation to the GNSS leveling data at 485 points of the high-altitude SGN. The standard deviation is ≈2.1 cm. It is practically confirmed that when modeling the Earth's magnetic field, the number of STHA coefficients of the decomposition of components of the magnetic field is significantly smaller compared to the number of SCHA coefficients without loss of accuracy. The accuracy of the calculation of the angle of magnetic inclination according to the (SHA+STHA) model was ±5.5´, which allows to use this angle when conducting relevant geodetic works. The method of spatio-temporal STHA modeling of the VTEC ionosphere parameter on a regional scale is applied. Each coefficient is arranged in a series of power polynomials. At the same time, the root mean square error of internal convergence was 0.21 TECu, and the root mean square deviation of the obtained model compared to the GIM model from IGS was 1.05 TECu. The results of the scientific work were implemented within the framework of the state order "Development of a network of active permanent stations of the global navigation satellite system in the southwestern cross-border sector of Ukraine for the expansion of accurate positioning services" (No. DZ / 102 - 2021 dated March 4, 2021), executed in accordance with the order of Cabinet of Ministers of Ukraine "On approval of the list of the most important scientific and technical (experimental) developments according to the priority directions of the development of science and technology within the framework of the implementation of the state order for the most important scientific and technical (experimental) developments and scientific and technical products in 2021-2022" dated August 18, 2021 No. 950. Keywords: modeling, regional scale, GNSS leveling, Earth's gravity field, geopotential, geoid model, Earth's magnetic field, magnetic field components, VTEC ionosphere parameter.

Read more

Research papers

Dzhuman B. Gravimetric geoid model determination of Central Ukraine area using combination of LSC and truncated SHA methods. Acta Geodyn. Geomater., 20, No. 1 (209), 1–9, 2023. DOI: 10.13168/AGG.2023.0001

Zablotskyi F., Maksymchuk V., Dzhuman B. On construction of gravimetric geoid model on the Lviv region area. Geofizicheskiy Zhurnal. 2022. vol. 44. № 1(2022). P. 124-130. https://doi.org/10.24028/gzh.v44i1.253714.

Serant, O., Sidorov, I., Balyan, A., Kubrak, O., Yarema, N., & Dzhuman, B. (2022). Determination of mall building vertical displacements by sedimentary marks. Geodesy and Cartography, 48(3), 144–149. https://doi.org/10.3846/gac.2022.14597

Сумарук Ю. П., Янків-Вітковська Л. М., Джуман Б. Б. Моделювання регіонального магнітного поля з використанням сферичних функцій: теоретичний аспект. Геофиз. журн. 2019. Т. 41. № 1. С. 180—191. https:// doi.org/10.24028/gzh.0203-3100.v41i1.2019. 158872.

Сумарук Ю. П., Янків-Вітковська Л. М., Джуман Б. Б. Моделювання регіонального магнітного поля з використанням сферичних функцій: практичний аспект. Геофиз. журн. 2019. Т. 41. № 6. С. 165—172. DOI: https://doi.org/10.24028/gzh.0203-3100.v41i6.2019.190073.

Янків-Вітковська Л. М., Джуман Б. Б. Апроксимація параметрів іоносфери з використанням сферичних функцій. Космічна наука і технологія. 2018. №6 (115). DOI: https://doi.org/10.15407/knit2018.06.074

Savchuk S., Yankiv-Vitkovska L., Dzhuman B. The influences of seismic processes, the Sun and the Moon on the small changes of coordinates of GNSSstations. Geodynamics = Геодинаміка. – 2018. – № 2 (25). – P. С. 15–26.

Заблоцький Ф., Джуман Б. Побудова геометричної STHA-моделі геоїда на територію Львівської області. Сучасні досягнення геодезичної науки та виробництва. 2021. Вип. ІІ (42). С. 49–56.

Заблоцький Ф., Джуман Б., Брусак І. Про точність моделей (квазі)геоїда відносно системи висот UELN/EVRS2000. // Сучасні досягнення геодезичної науки та виробництва. 2021. № І(41). С. 29–36.

Тревого І., Заблоцький Ф., Піскорек А., Джуман Б., Вовк А. Про модернізацію Української висотної системи // Геодезія, картографія і аерофотознімання : міжвідом. наук.-техн. зб. / М-во освіти і науки України, Нац. ун-т "Львів. політехніка" ; відп. ред. К. Р. Третяк. Львів : Вид-во Львів. політехніки, 2021. Вип. 93. С. 13–26.

Паляниця Б.Б., Джуман Б.Б., Сідоров І.С. (2019). Гравіметричні роботи на території Дністровської ГАЕС. Сучасні досягнення геодезичної науки та виробництва, Вип. ІІ (38), С. 24–31.

Dzhuman, B. B. (2018). Modeling of the regional gravitational field using first and second derivative of spherical functions. Geodesy, cartography and aerial photography, (88), 5—12. https://doi.org/10.23939/istcgcap2018.02.005

Джуман Б. Б. (2018). Зв’язок між глобальним та регіональним гравітаційним полем. Сучасні досягнення геодезичної науки та виробництва, Вип. І (35), С. 79–82.

Джуман Б. Б. (2018). Про перехід від глобальних до локальних сферичних гармонік. Сучасні досягнення геодезичної науки та виробництва, Вип. І (39), С. 57–61.

Джуман Б. Б. Застосування другого методу Неймана до сферичних функцій на сферичній трапеції. Сучасні досягнення геодезичної науки та виробництва. 2018. № ІІ(36). С. 21–24.

Dzhuman, B. B. (2017). Modeling of the Earth gravitational field using spherical functions. Geodesy, cartography and aerial photography, 86, 5–10.

Yankiv-Vitkovska, L. M. & Dzhuman, B. B. (2017). Constructing of regional model of ionosphere parameters. Geodesy, cartography and aerial photography, 85, 27–35.

Джуман Б., Непеляк Я. Про представлення АКФ STHA-поліномами для моделювання регіонального гравітаційного поля Землі. Технічні науки та технології. 2021. № 1(23). С. 225–231. https://doi.org/10.25140/2411-5363-20211(23)-225-231

Джуман Б.Б., Заблоцький Ф.Д. Застосування квадратурних формул при моделюванні гравітаційного поля STHA-функціями. Технічні науки та технології. 2020. № 3(21). С. 293–300.

Савчук С. Про кореляцію між значеннями параметра іоносфери VTEC на GNSS-станціях України / С. Савчук, Ф. Заблоцький, Л. Янків-Вітковська, Б. Джуман // Український журнал дистанційного зондування Землі, Вип. 1(20), 2019. – С. 13-17.

Пересунько Б. О. Відновлення часового стану іоносфери за даними регулярних визначень показника TEC / Б. О. Пересунько, А. М. Недогонова, С. О. Крамаренко, Б. Б. Джуман, Л. М. Янків-Вітковська // Вісник Астрономічної Школи. - 2016. - Т. 12, № 2. - С. 105-110.

Serant O., Zablotskyi F., Dzhuman B., Balian A., Yarema N. and Kladochnyi B. (2021). About research of building subsidence using sedimentary marks // GeoTerrace-2021, Lviv, PP. 1-5.

Dzhuman B., Zablotskyi F. (2020). About the need of modernization the Ukrainian height system // GeoTerrace-2020-004, Lviv, PP. 5.

Fys, M.M., Tserklevych, A.L., Dzhuman, B.B. (2020) Transformation of a spherically symmetric model of Earth's mass one-dimensional distribution PREM to a hydrostatic state. XIXth International Conference "Geoinformatics: Theoretical and Applied Aspects", 2020, 11-14 May, 18141. doi: 10.3997/2214-4609.2020geo086

Savchuk S. Construction of the spatial-temporal model of the ionospheric parameter using the spherical functions / S. Savchuk, L. Yankiv-Vitkovska, B. Dzhuman //18th International multidisciplinary scientific geoconference SGEM 2018. Surveying geology and mining ecology management, 2–8 July, 2018, Albena, Bulgaria : proceedings. – [S. l.], 2018. – P. 661–668.

Yankiv-Vitkovska L.Restoration of the spatial-temporal state of the ionosphere by tomography/ L. Yankiv-Vitkovska, B. Dzhuman, S. Savchuk // Wybrane aspekty zabezpieczenia nawigacji lotniczej, cz. 2, 2020. – S. 235-241.

Zablotskyi F. Applying the STHA-functions for modelling the regional gravitational field / F. Zablotskyi, B. Dzhuman, L. Yankiv-Vitkovska // Wybrane aspekty zabezpieczenia nawigacji lotniczej, cz. 3, 2020. – S. 116-125.

Джуман Б., Сумарук Ю., Янків-Вітковська Л. Побудова регіонального магнітного поля з використанням сферичних функцій. 18 українська конференція з космічних досліджень, Київ, 2018, С. 55

Янків-Вітковська Л., Савчук C., Джуман Б., Пересунько Б. Дослідження та моделювання параметрів іоносфери для потреб космічної погоди. Вибрані питання астрономії та астрофізики, Львів, 2018, С. 1.

Джуман Б., Янків-Вітковська Л. Побудова регіональної моделі параметрів іоносфери. 17 українська конференція з космічних досліджень, Одеса, 2017, С. 36

Read more

Files

autoreferat-Реферат_Джуман.pdf

Дисертація_Джуман.pdf

Similar theses

0423U100113

Vivat Anatolii Yo.

Improving geodetic techniques of increasing the measuring accuracy during engineering surveying operations

0422U100034

Dorosh Liubov Ihorivna

Monitoring of technogenic-dangerous objects by means of radar interferometry

0421U102984

Marusazh Khrystyna I

Development of the methodology for a complex study of volumes changes of island glaciers on the Antarctic coast

0421U101663

Nikitenko Kira Oleksandrivna

Modeling of the accuracy of geodetic works at carrying out of monitoring at a stage of operation of the main gas pipeline.

0521U101143

Andrij O. Annenkov

Theory and practice of GNSS application for geodetic monitoring tasks of engineering structures