• No results found

Crustal motion at the permanent GPS station SVEA, Antractica

N/A
N/A
Protected

Academic year: 2022

Share "Crustal motion at the permanent GPS station SVEA, Antractica"

Copied!
61
0
0

Loading.... (view fulltext now)

Full text

(1)

 

   

 

Crustal motion at the permanent GPS station SVEA, Antarctica

Walyeldeen Hassan Edres

Master’s of Science Thesis in Geodesy No. 3119 TRITA-GIT EX 09-017

Division of Geodesy

Royal Institute of Technology (KTH) 100 44 Stockholm, Sweden

August 2009

 

(2)

Crustal motion at the permanent GPS station SVEA, Antarctica

 

 

 

                      Author:      W. Hassan 

Supervisor:     Dr. M. Horemuž  

Examiner:     professor. L. E. Sjöberg    

 

 

(3)

 

  Acknowledgements

 

  First  and  foremost,  I  would  like  to  take  this  opportunity  to  present  my  sincere  gratitude and all kinds of respect to my Supervisor Dr. Milan Horemuž for his advice  and guidance during this thesis work. I wish also to give my sincere thankfulness to  Professor Lars Sjöberg for his guidance during the master courses as well as for his  researches  to  help  us  to  understand  and  solve  many  problems  in  Geodesy  field.  I  would like to thank Mr. Erick Asenjo   for his information about the SVEA station. My  deepest gratitude also to Dr. Huaan Fan. 

 

I  would  like  to  express  my  deepest  appreciation  and  my  respect  to  Sweden's  country  and  especially  to  The  Royal  Institute  of  Technology  for  giving  me  the  opportunity to study this master program.  

I wish to express my gratitude to University of  Khartoum for the scholarship,  and  also the teacher’s encouragement during my studies. 

Many thanks with respect and love to my friends Faisal .A, Abdalla .A, Mokashfi .S,  Abdalmajed  .Y,  khatim .S,  Sedahmed  .A,  and  his  wife  for  all  helps  and  the  greatest  time  during  my  study.  I  would  like  to  express  my  gratitude  and  all  respect  to  Elbasher Mohammed and Osama Adam for their greatly supports, advises and helps. 

 

I  would  like  to  thank  my  colleagues  at  the  Geodesy  and  Geoinformatics  master  program for their kind friendship during my study.  

I would like to express my sincere gratitude to my parents and my brother Anwar  and my sisters for their encouragement and support in my whole life. 

Finally,  I  also  wish  to  thank  everybody  who  has  given  me  any  kind  of  help  to  be    successful in my life. 

WalyEldeen Hassan Stockholm, May, 2009

I

(4)

                         

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(5)

   

Abstract    

Since the last two decades, the Global Positioning System (GPS) has played a special  role in Antarctica in the study of crustal motion. The permanent GPS station SVEA  was installed in Antarctica by the division of geodesy at KTH. In November 14, 2004  the station became operational and provides continuous GPS data.  

The objective of this study is to estimate the crustal motion at SVEA. The GPS data of  the first five days of January, years 2005, 2006, 2007 and 2008 of station SVEA and six  IGS  reference  stations  have  been  processed  using  the  Bernese  GPS  Software  0.5.   

Two  methods  (regression analysis and the Bernese software) were  used  to  estimate  the velocity at SVEA. In addition, horizontal velocities have been calculated from the  plate  motion  calculator.  A  student’s  t‐test  has  been  used  to  judge  whether  the  estimated motions are significant or not at risk level 5%. 

The  estimated  velocity  components  (in mm/year)  are  8.0±1.9  North,  1.0  ±  0.5  East  and 0.1 ± 0.9 Up in linear regression analysis and 8.4 ±1.9 North, 1.1 ± 0.5 East and        0.2  ±  0.9  Up  in  the  Bernese  GPS  Software.  From  the  statistical  test,  the  estimated  velocity in the North component  is significant in the Bernese GPS Software at risk  level 5%. For the rest of the components, the estimated velocities are not significant  for any method. The estimated horizontal velocities are mostly consistent with plate  motion models. In order to estimate reliable and accurate crustal motion in the Up  component, the time span should be longer than four years.   

   

Keywords: Antarctica, Campaign, GPS, IGS, processing, session, SVEA, velocity.  

 

 

II  

(6)

Abbreviation 

CODE        Center for Orbit Determination in Europe  CIO      Conventional International Origin 

DoD       Department of Defense 

GNSS       Global Navigation Satellite System  GPS       Global Positioning System 

LEO      Low Earth Orbit 

ICRF       International Celestial Reference Frame  ICRS       International Celestial Reference System  IGS       International GNSS Service 

IRM       IERS Reference Meridian  IRP       IERS Reference Pole 

ITRF        International Terrestrial Reference Frame  ITRS      International Terrestrial Reference System  NAVSTAR        Navigation System with Time and Ranging  NNR    No Net Rotation 

NNSS    Navy Navigation Satellite System   QIF        Quasi Ionosphere‐Free 

RINEX   Receiver Independent Exchange Format    RMS       Root Mean Square  

RTK    Real Time Kinematic  

SCAR       Scientific Committee on Antarctic Research  SLR        Satellite Laser Ranging 

VLBI      Very Long Baseline Interferomety  WGS      World Geodetic System 

III 

(7)

 

Contents 

 

Acknowledgements ………...………... I  Abstract ………...………..………... II  Abbreviation………...………... III  List of Figures………...………….………... IV  List of Tables ………...………….………... IIV 

1  Introduction ... 1 

1.1  Background ... 1 

1.2  Thesis Motivation and Objectives ... 2 

1.3  Thesis Outline ... 5 

2  Concepts of the global positioning system (GPS) ... 7 

2.1  Geodetic Reference System ... 7 

2.1.1  International Celestial Reference System. ... 7 

2.1.2  International Terrestrial Reference System. ... 7 

2.2  GPS Overview ... 9 

2.3  GPS observables ... 10 

2.4  The code observation ... 10 

2.4.1  The phase observation ... 10 

2.5  GPS differencing ... 11 

2.5.1  The single difference ... 11 

2.5.2  The double difference ... 11 

2.5.3  The triple difference... 12 

2.6  The error sources in GPS... 12 

2.6.1  Satellite and Receiver clock error ... 12 

2.6.2  The Ephemeris error ... 12 

2.6.3  The atmosphere effect’s ... 13 

2.6.4  Multipath ... 14 

2.6.5  Antenna phase center ... 14 

(8)

3  Data Processing ... 15 

3.1  GPS Data ... 15 

3.2  Overview of the Bernese GPS Software Version 0.5 ... 16 

3.3  The Processing Steps ... 17 

3.3.1  Orbit Generation ... 17 

3.3.2  Receiver Clock Synchronization ... 18 

3.3.3  Baselines ... 18 

3.3.4  Preprocessing Phase Observations ... 19 

3.3.5  Screening of Post‐Fit Residuals ... 19 

3.3.6  First Network Solution ... 20 

3.3.7  Ambiguity Resolution ... 20 

3.3.8  Final network Solution... 20 

3.3.9  Flow Diagram for the Processing Steps ... 21 

4  The SVEA GPS Station Coordinates ... 23 

4.1  Combination of Solutions ... 23 

4.2  Stability of the Session Solution ... 28 

5  Velocity Estimation and Analysis ... 31 

5.1  Velocity estimation using Linear Regression Analysis ... 31 

5.2  Velocity Estimation using the Bernese GPS software ... 33 

5.3  The horizontal displacement of station SVEA ... 34 

5.4  Analysis of the Estimated Velocity ... 36 

5.5  The Horizontal Velocity from the Plate Motion Calculator ... 37 

6  Conclusions and Recommendations ... 39 

References ... 41 

Appendix ... 43      

 

 

 

 

(9)

 

List of Figures 

Figure 1.1: The permanent GPS station SVEA ….………..………..……….  4  Figure 1.2: The Antarctica Map, the location of the reference IGS stations and station  SVEA………..……….   4   Figure 3.1: The baselines between SVEA station and the IGS stations ……… ..…..18  Figure 3.2: The flow diagram shows a summery of the processing strategy (for each session) by using Bernese GPS software……….……….…… 21  Figure 4.1 The temporal coordinate change of station SVEA in the X coordinate …24   Figure 4.2: The temporal coordinate change of station SVEA in the Y coordinate …25  Figure 4.3: The temporal coordinate change of station SVEA in the Z coordinate …25  Figure  4.4:  The  temporal  coordinate  change  of  station  SVEA  in  the  North   component ………..…27  Figure  4.5:  The  temporal  coordinate  change  of  station  SVEA  in  the  East  component………. 27 

Figure  4.6:  The  temporal  coordinate  change  of  station  SVEA  in  the  UP         component ……… 28 

Figure  5.1:  The  estimated  horizontal  velocity  (mm/yr)  using  Linear  Regression  Analysis  (black) is     8.1 ± 1.9 at azimuth  7.46  0.06 ° , and Bernese software (red)  is 8.5 ± 1.9 at azimuth  7.12  0.06 °  …….………  35  Figure  5.2:  The  estimated  velocity  using  Bernese  GPS  software  and  Linear  Regression  versus  the  calculated  velocity  from  plate  motion  models  in  the  North  component  ………  38  Figure  5.3:  The  estimated  velocity  using  Bernese  GPS  software  and  Linear  Regression  versus  the  calculated  velocity  from  plate  motion  models  in  the  East  component    ………  38   

   

IV

(10)

    Lis

Tab SYO Tab stat Tab cros stat all I Tab solu

Tab solu Tab solu

Tab solu

Tab the  Tab pre

Tab the 

Tab pre Tab usin

Tab

st of Tabl

ble  1.1:  Th OG, MAW1, ble  1.2:  Th

tions ………

ble  3.1:  Th ss  mark  (X tions while IGS stations ble  4.1:  The ution and th ble  4.2:  The ution and th ble  4.3:  The ution and th ble  4.4:  The ution and th ble  5.1: The Bernese G ble 5.2: The

dicted coor ble 5.3: The Bernese G ble 5.4: The

dicted coor ble 5.5: The ng the Line ble 5.6: The

es 

he  general  MCM4 and he  approxi

………

e  campaig X) refers  to

 the right m s………

e  residuals he RMS in ( e  residuals he RMS in ( e  residuals he RMS in ( e  residuals he RMS in ( e estimated PS softwar e residual 

rdinates, us e estimated

PS softwar e residual 

rdinates, us e results of ear Regress e calculated

informatio d VESL) as  imate  dist

………

gns  and  ses o  the  obser mark ( ) re

………

s  in  (mm) b (mm) camp s  in  (mm) b

(mm) camp s  in  (mm) b

(mm) camp s  in  (mm) b

(mm) camp d velocity  re………

errors in (m sing Linear d velocity  re ………..……

errors in (m sing the Be f the statis sion Analys d horizonta

on  of  the  well as SV tance  from

………

ssions  that rvation  dat efers to the

………

between  th paign 2005

between  th paign 2006

between  th paign 2007

between  th paign 2008

(mm⁄yr) a

….. ………

(mm) betwe r Regressio

(mm⁄yr) an

………

(mm) betwe ernese GPS  stical stude is and the B al velocity fr

IIV

reference  EA GPS sta m  station  S

………

t  have  bee ta  that  are e observatio

………

he  combine

….………

he  combine

………

he  combine

…..………

he  combine

………

and its stan

………

een the com on Analysis

nd its stan

………

een the com software … ent’s t‐ test

Bernese GP from the Pla

IGS  statio ation…………

SVEA  to  th

………

en  used  for e  not  availa on data tha

………

ed  solution

………

ed  solution

………

ed  solution

………

ed  solution

………

ndard error

………

mputed coo ...

dard error

………

mputed coo

………

t of the est PS software

ate Motion

ons  (DAV1,

………

he  referen

………

r  processin able  for  so at are availa

………

n  and  the 

………

n  and  the 

………

n  and  the 

………

n  and  the 

………

r    (± mm)

……….

ordinates a ...…..

r    (± mm)

……….

ordinates a

….………

timated vel e ………

 Calculator

, OHI2,

………. 3  nce  IGS   

……… 3    ng.  The  ome  IGS  able for 

…16  session 

……… 28  session 

… 29  session 

… 29  session 

… 29  m), using 

…..  32  and the 

.  32 m), using 

.  33  and the 

….   33  locities, 

…..  36 

r…..  37 

(11)

Chapter 1

1 Introduction 

 

1.1 Background   

In many applications of engineering, deformation measurement is a very important  field,  especially  in  geodesy  to  study  the  crustal  motion  and  other  geodynamic  phenomena.  In  general  there  are  two  reasons  for  deformation  studies:  practical  reasons and scientific reasons.  Practical reasons include checking the stability of a  structure  and  detecting  the  precursors  of  earthquakes;  scientific  reasons  include  understanding the mechanism of deformation [CHEN, 1983]. 

The  methods  for  deformation  monitoring  can  be  divided  into  geodetic  and  non‐

geodetic methods [Horemuž, 2004]. In geodetic methods, the geodetic concepts and  precise geodetic instruments were used to detect the deformation. This method has  a wide application in global deformation such as landslides, tectonic and continental  motion by using the geodetic space technique such as the global positioning system  (GPS),  Very  Long  Baseline  Interferometry  (VLBI)  and  satellite  laser ranging  (SLR). 

The  geodetic  methods  were  used  in  local  deformation  studies  such  as  in  dams,  mining  and  structures  (VASA ship)  by  using  highly  accurate  instruments  such  as  Precise Level, Precise Theodolite, and Precise Total Station.

 

Usually,  the  geodetic  deformation  methods  make  use  of  the  deformation  network. 

The deformation network can be either a reference (absolute) network or a relative  network.  In  absolute  deformation  networks,  some  of  the  network  points  (stations)  are regarded as fixed points, which are placed outside the deformable body so that  the deformation can be explained as absolute displacement of the object points. In  the relative  deformation  network, all  points  (stations) are  regarded  as  a  subject  of  deformation,  or in other words,  all points are located inside the  deformable body. 

The  relative  deformation  networks  are  more  complicated  than  the  absolute  ones  due to the relative deformation (rotation and displacement) between the deformation  network points [Caspary, 1988].   

 

 

 

(12)

1. Introduction    

 

1.2 Thesis Motivation and Objectives 

 

Since  the  mid  19th  century,  several  researches  in  the  geodesy  field  have  been  conducted in Antarctica using the photogrammetrical and astronomical techniques. 

In the last couple of decades, the Global Positioning System (GPS) has become a very  important geodetic technique for monitoring deformation networks due to its high  accuracy to detect the crustal motion and realize the Terrestrial Reference System in  Antarctica [Dietrich, et al., 1998; Reinhard, et al., 2008]. 

In this thesis, we are going to use the permanent GPS station SVEA. It is installed in a  rock  area  in  Heimefrontfjella,  Antarctica  by  the  division  of  geodesy  at  the  Royal  Institute of Technology, Stockholm, Sweden, under the supervision of Professor Lars  Sjöberg  and  Mr.  Erick  Asenjo.  This  station  is  equipped  with  a  Trimble  R7  GPS  receiver  with  consumption  1.8‐2.3  W,  antenna  type  ASHTECH  with  Radome  code  SNOW  (ASH701945E_M SNOW)  and steel tripod (see figure.1.1). The R7 GPS receiver  is a dual frequency system with L C capability and the operating temperature of this  receiver goes down to  40 °  C.  

Data are logged in a 1 GB Compact Flash memory; this memory can work down to  40 °   C.  The  data  are  collected  annually  by  manually  changing  the  memory  card  during  the  summer  expeditions.  At  this  time,  the  automatic  transfer  of  data  via  satellite communication is not possible.  

The  receiver  is  powered  from  six  12  V  batteries,  with  a  capacity  of  600  Ah.  The  batteries are charged through solar panels until the sun is above the horizon and by  wind generators during the period of winter darkness. 

This station has been in operation since the 1

st

 of December 2004 and provides daily  observation and navigation data of continuous measurements with a recording dual  frequency (phase and code observations) in an interval sampling rate of 15 seconds.       

In addition, Real Time Kinematic (RTK) service will be available when station SVEA  is open [Sjöberg, et al., 2006]. 

The main objectives of this thesis are to process the GPS data of the first five days of  January,  years  (2005, 2006, 2007 and 2008)  of  the  SVEA  station  using  the  Bernese  GPS  software  0.5  with  International  GNSS  Service  (IGS) reference  stations  in  Antarctica  as  a  reference  (absolute) network,  in  order  to  estimate  the  possible  crustal motions and plate motions at station SVEA. 

   

 

 

 

(13)

1.2 Thesis motivation and objectives 

Table  1.1  shows  the  general  information  about  the  reference  IGS  stations  (DAV1,   OHI2, SYOG, MAW1, MCM4 and VESL)  and  station  SVEA,  these  IGS  reference  stations  have  been  chosen  depending  on  the  approximate  shortest  distance  from  station  SVEA  as  in  Table  1.2.  The  map  of  Antarctica  and  the  location  of  the  IGS  reference stations, as well as the location of station SVEA, is given in Figure 1.2. 

     

Table 3.1: The general information of the reference IGS stations (DAV1, OHI2, SYOG, MAW1, MCM4 and VESL) as well as SVEA GPS station. 

STATION NAME       RECEIVER TYPE      ANTENNA TYPE      Location          dav1 66010M001       ASHTECH UZ‐12      AOAD/M_T      AUST         Davis, Antarctica          mcm4 66001M003        ASHTECH Z‐XII3      AOAD/M_T      JPLA      Ross Island, Antarctica       ohi2 66008M005       AOA SNR‐8000       AOAD/M_T      DOME       O'Higgins, Antarctica       maw1 66004M001        LEICA GRX1200      AOAD/M_T      AUST      Mawson, Antarctica        syog 66006S002      TRIMBLE 4000SSI      AOAD/M_T      DOME        East Ongle Island, Antarctica    vesl 66009M001      TRIMBLE 4000SSI      TRM29659.00  TCWD      Vesleskarvet,  Antarctica         

SVEA      TRIMBLE R7       ASH701945E_M   SNOW    Heimefrontfjella, Antarctica 

 

Table 1.4: The approximate distance from station SVEA to the reference IGS stations. 

Base line   Distance in km 

SVEA  ⎯  DAV1       2879.1 

SVEA  ⎯  MAW1     2574.2 

SVEA  ⎯  MCM4     3050.7

SVEA  ⎯  OHI2         2153.9 

SVEA  ⎯  SYOG      1804.8

SVEA  ⎯  VESL      422 

 

 

 

 

 

(14)

1.  Introduction   

  Figure 1.1: The permanent GPS station SVEA.      

       

    

Figure 1.2: The Antarctica Map, the location of the reference IGS stations and station 

SVEA.         

(15)

1.3 Thesis Outline     

        1.3 Thesis Outline 

 

The  thesis  consists  of  six  chapters.  The  first  chapter  is  an  introduction  which  describes  the  background  of  the  deformation  and  the  thesis  motivation  and  objectives. Chapter two is oriented to give overview of the most important theory  behind the GPS. Chapter three describes the processing strategy in the Bernese GPS  software  that  has  been  used  in  this  thesis.  Chapter  four  contains  the  temporal  change  of  SVEA  coordinates  and  the  daily  repeatability  results.  Chapter  five  describes  the  estimation  of  the  velocity  by  using  two  methods  and  then  the  statistical  analysis  of  the  estimated  velocity  as  well  as  the  calculated  horizontal  velocity  from  the  plate  tectonic  motion  calculator.  The  last  chapter  contains  the  conclusion of this study and some recommendations for the next work.  

                             

 

(16)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(17)

 

 

Chapter 2 

2 Concepts of the global positioning system (GPS) 

 

In order to understand the GPS positioning it is important to understand the basic  theories  and  concepts  behind  the  global  positioning  system  (GPS).  This  chapter  gives an overview and the most important concepts of the GPS System.    

2.1 Geodetic Reference System 

2.1.1 International Celestial Reference System. 

 

The  space  fixed  inertial  system  is  usually  related  to  extraterrestrial  objects  like  stars, quasars (extragalactic radio sources), planets, or the Moon. They are therefore,  also is called the International Celestial Reference System (ICRS) [Seeber .G, 2003]. 

This system is a very important to describe the dynamic motion of the GPS satellite  according  to  the  principles  of  Newton’s  mechanics  .The  ICRS  was  defined  as  the  system  with  origin  at  the  gravity  center  of  earth  and  the  Z  axis  toward  the  mean  position  of  the  celestial  pole  that  has  been  defined  by  the  Conventional   International  Origin  (CIO)  at  epoch J2000.0  (The time epoch, 12 January 1 of year 2000) and  the  X‐axis  is  toward  the  vernal  equinox,  which  is  defined  by  a  set  of  fundamental stars at epoch J2000.0 [Fan, 2007]. In January 1998 the International  Earth Rotation Service (IERS) was established the International Celestial Reference  Frame  ICRF (The realization of ICRS)  by  using  a  set  of  608  radio  star  observed  by  VLBI.      

2.1.2 International Terrestrial Reference System. 

 

The position of the points on  (or close to) the Earth surface can be  defined by the  International  Terrestrial  Reference  system  (ITRS).  This  system  was  defined  as  the  system with origin at the gravity center of Earth and the  Z­ axis toward the mean  position of the pole that has been defined by IERS Reference Pole (IRP). The X­axis is  toward the intersection of the Greenwich meridian plane which was defined by IERS  Reference Meridian  (IRM) in the equatorial plane and Y­axis is perpendicular with  the X­axis in the same equatorial plane [Fan, 2007].

The ITRS was realized by a number of terrestrial sites where the temporal effects  (plate tectonic motion, tidal effects)  were  used  to  improve  the  ITRS  [Hofmann‐

Wellenhof , et al, 2002], and the result of this realization is the terrestrial reference 

frame  such  as  the  World  Global  System  1984  (WGS 84)   and  the  International 

Terrestrial Reference Frame    .  

(18)

2.  Concepts of the global positioning System (GPS)   

• World Geodetic System 1984 (WGS84) : 

         The World Geodetic System 1984 (WGS84) is a Conventional Terrestrial Frame,    realized by modifying the Navy Navigation Satellite System (NNSS), or TRANSIT. 

Associated to this frame is a geocentric ellipsoid of which is defined by the semi  major  axis  a,  the  flattening  of  the  ellipsoid  f,  the  angular  velocity  of  earth  rotation     and  the  geocentric  gravitational  constant  μ  (Mass of earth include the atmosphere) .This frame has been used for GPS satellite system since 1987,  and the origin and axes of WGS84 defined as [Fan, 2007]: 

− The origin at Earth’s centre of mass including the oceans and the atmosphere. 

− The  Z‐Axis  from  the  origin  toward  the  IERS  Reference  Pole  (IRP)  which  is  consistent with the CIO within precision of the realization (0.03 sec). 

− The  X‐Axis  at  the  Intersection  of  the  Greenwich  meridian  plane  with  the  equatorial plane. 

− The  Y‐Axis  is  inside  the  equatorial  plane  and  completes  a  right‐handed  coordinate system (O-XYZ). 

 

− International Terrestrial Reference Frame  ITRF  

The  International  Terrestrial  Reference  Frame  (ITRF)  is  a  Conventional  Terrestrial  System,  realized  by  a  set  of  control  ground  points  most  of  them  equipped  by  Satellite  Laser  Ranging  (SLR) or  Very  Long  Base  Line  Interferometry  (VLBI).  This  frame  has  been  updated  and  designated  by ITRF ,  where      is  the  last  year  in  which  data  were  used  for  the  realization, and the origin and axes of (ITRF) defined as [Fan, 2007]: 

− The origin at Earth’s centre of mass includes the oceans and the atmosphere. 

− The  Z‐Axis  from  the  origin  toward  the  IERS  Reference  Pole  (IRP)  which  is  consistent with the CIO within precision of the realization (0.03 sec). 

− The  X‐Axis  at  the  Intersection  of  the  Greenwich  meridian  plane  with  the  equatorial plane. 

− The  Y‐Axis  is  inside  the  equatorial  plane  and  completes  a  right‐handed  coordinate system (O-XYZ). 

 

Example  of  ITRF   :    ITRF   designates  the  frame  of  coordinate  and  velocities constructed in 1998 using  all the IERS data  available through 1997,  the last ITRF is designated  ITRF  which is coincided with WGS 84 at 10cm  level [Fan, 2007]. 

 

(19)

2. 2 GPS Overview   

2.2 GPS Overview 

 

In  1973,  the  US  Department  of  Defense  (DoD)  commenced  the  development  of  NAVSTAR  (Navigation System with Time and Ranging)  Global  Positioning  System  (GPS), and the first satellites were launched in 1978. The GPS system was controlled  and oriented by the DoD but is partially available for civilian and foreign users.  

In  general  GPS  satellite  system  consists  of  three  segments  (space segment;

Control/monitoring segment and the User segment).

  − The space segment consists of 28 satellites including spares. The satellites are in  6  orbits,  at  a  height  of  20200  km  above  the  Earth.  The  six  orbital  planes  are  equally  spaced,  and  are  inclined  at  55  degree  to  the  equator.  The  system  has  been designed so that at least four to eight satellites will always be available in  view at least 15 degree above the horizon, each GPS satellite broadcast L Band  carrier  frequencies,  both  frequencies  are  derived  from  the  fundamental  frequency  (f =10.23 MHZ)  .  L1  =  1575.42  MHz (10.23 × 154) and  L2  =  1227.6  MHz (10.23 × 120), wave length 19 cm and 24.4 cm respectively. The carriers are  phase modulated to carry two codes, known as the P code (precise code) and the  C/A  code  (Course/Acquisition code). In  addition  the  GPS  satellite  broadcast  continues  information  about  the  satellite  clock,  the  satellite  orbit,  the  satellite  health status, and various other data, which are called GPS navigation message. 

− The  Control/monitoring  segment  consists  of    a  master  control  station  located    near    Colorado  Springs,  five  monitor  stations    around  the  equator  and  three  ground  control  stations.  The  main  task  of  control/monitoring  segment  is  to  update  the  satellite  orbit,  satellite  clock  and  the  satellite  states  (health)  by  tracking the navigation signals by the monitor stations and sends their data back  to the master control station, and then the calculated orbit, clock parameters and  other  parameters  are  uploaded  to  the  satellite  via  one  of  the  three  ground  control stations.    

 

− The User segment consists of the user community and GPS receivers. In general  the user community can be divided into two groups’ military users and civilian  users. The GPS receiver types can be classified into four groups depends on the  used code as the following [Sjöberg L E, 2007]: 

 

i. C/A –code pseudorange receiver. 

ii. C/A –code carrier phase receiver. 

iii. P –code carrier phase receiver. 

iv. Y –code carrier phase receiver. 

   

 

(20)

2. Concepts of the global positioning System (GPS) 

 

2.3 GPS observables   2.4 The code observation   

The  code  observation  is  observing  the  signal  traveling  time  from  the  satellite  to  receiver (the difference ∆  between the time of emission on the satellite ( )  and the reception time on the receiver  t )) as the following [Sjöberg, 2007]: 

  ∆ ̃ ∆         2.1   

   

         ,    are the receiver and  satellite clock readings.   

        ,    are the receiver and satellite clock biases. 

When  the  traveling  time  is  known  the  pseudorange    can  be  calculated  by  multiplying the traveling time by the light speed ( ), as the following: 

 ∆  ∆ ̃  ∆    ∆         2.2   Where   is the true distance between the position of the satellite at epoch    and 

receiver position at epoch     (   ,   , ∆ ∆ ), 

which is difference from the geometric distance by the time derivation of p or the  radial velocity of the satellite relative to the receiver antenna [Sjöberg, 2007]. 

2.4.1 The phase observation   

The  phase  observation  is  the  difference  between  two  phases  that  has  been  measured by the GPS receiver, the basic equation of the phase observation can be  written as [Sjöberg, 2007]: 

        1 ∆        2.3    

    is the phase measurement (in cycles) at epoch t. 

 

      is the random observation error. 

       is the omitted phase  from the satellite  at time t. 

       is the phase generated by the receiver at signal reception time t. 

(21)

2.4 GPS differencing   

,         are the signal frequency and signal speed respectively.  

      is the satellite to receiver distance. 

       is an unknown integer number of cycles (the initial phase ambiguity). 

 

∆        is the clock  (receiver and satellite ) bias difference .  2.5 GPS differencing 

  The  basic  observable  of  GPS  is  the  phase  measurement,  and  in  order  to  compute  high accurate position it is necessary to use a linear combination of the observables  for  further  processing.  These  combinations  are  in  the  form  of  single  differences,  double differences and triple differences .These differences are used to correct the  clock errors, cycle slips and the integer ambiguities. Bellow the main concept of the  GPS phase differencing. 

2.5.1 The single difference 

 

A single difference is the difference in phase of simultaneous measurement between  one  satellite   and  two  receivers  ,   [Sjöberg,  2007;  seeber,  2003];  the  single  deference formula can be written as :  

∆     ∆           

1 1        2.4    The main advantage of the single difference is the effects of the satellite clock errors  can be eliminated.  

 

2.5.2 The double difference 

 

A double difference is the difference of two single differences observed at the same  receivers  ,   but  with  respect  to  two  different  satellites  ,  at  the  same  time  [Sjöberg, 2007; seeber, 2003]; the double difference formula can be written as:  

 

∆ ∆ ∆ ∆ ∆  

1        2.5    The  main  advantage  of  the  double  differencing  is  the  effect  of  the  receiver  clock  error  can  be  eliminated,  but  the  phase  integer   1   are  still  remaining. 

 

(22)

2.  Concepts of the global positioning System (GPS)

 

2.5.3 The triple difference 

  

A  triple  difference  is  the  difference  of  two  double  differences  related  to  the  same  receivers  ,   and  satellites  ,   but  at  different  epochs  ( , ) [Sjöberg,  2007; 

seeber, 2003], the triple difference equation can be written as: 

 

, ∆ ∆ ∆ ∆  

   

       (2.6)  The  main  advantage  of  the  triple  differencing  is  that  the  phase  ambiguity  can  be  eliminated if there is no cycle slips  between epoch    and epoch , so that the  triple difference can be used to detect the cycle slips [Sjöberg, 2007].  

2.6 The error sources in GPS 

  The GPS position of the ground station is influenced by many errors; those errors  should  be  eliminated  or  reduced  in  order  to  compute  accurate  position.  Bellow  is  given an overview of the most important sources of the GPS position error and how  to eliminate or reduce those errors.    

2.6.1  Satellite and Receiver clock error   

The crux of the GPS satellite is four atomic clocks (two Cesium and two Rubidium) and  all  GPS  receivers  are  equipped  with  a  quartz  clock  for  time  measuring  and  signal  synchronization. And all those clocks contain some biases, which are denoted by the  satellite clock error and receiver clock error. Usually the best way to eliminate those  errors is by forming GPS differencing.   

2.6.2 The Ephemeris error   

There are three sets of data available to determine the satellite position and velocity  vectors  in  the  terrestrial  reference  frame  at  very  instant:  almanac  data,  broadcast  ephemerides, and precise ephemeris [Hofmann‐Wellenohof, et al., 2002].  

The ephemeris data were processed at the Master Control Station and updated to be  as  part  of  the  satellite  navigation  message  for  each  individual  satellite.  The  ephemeris error is the disagreement between the true position and velocity of the  satellite and the interpolated satellite position and velocity [Mohinder, et al., 2007]. 

Nowadays, there is precise position of the satellite  (precise orbit) available with an 

error about 0.05 to 0.2 m, which is leads in general about a part of millimeter in the 

final ground position.  

(23)

2.5 The Error sources in GPS 

 

2.6.3 The atmosphere effect’s 

 

The Earth’s atmosphere is usually distinguished by two layers, the ionosphere layer  and the troposphere layer, since the GPS satellite signals crossing those layers it will  be affected by the components of those layers (signal delay and signal bending).  

− The ionosphere is the upper part of Earth’s atmosphere between approximately  70 and 1000 km. Signal propagation is mainly affected by free charged particles  [Seeber,  2003].The  ionosphere  effect  can  be  eliminated  by  combine  the  GPS  observable        simultaneously  for  range,  pseudorange,  phase  and  Doppler  observables.  The  following  equations  2.7  to  2.11  describes  the  elimination  of  the  ionosphere  effect  for  phase  observable,  which  is  so  called  Ionosphere ‐ Free Linear combination[Rolf, et al.,2007,p39‐40]: 

 

Ionosphere ‐ Free Linear combination    can be written as: 

          2.7      Ionosphere ‐ Free Linear combination    in double difference equation can be  written as: 

       2.8         Or in term    : 

   ,                 2.9         

Where  

    is  called  the  Narrow–Lane  ambiguity  and  ( is  called  Wide–

Lane ambiguity. 

Wide ‐ Lane Linear combination   can be written a s: 

        2.10     Wide‐Lane Linear combination    in double difference equation can be written  as: 

   ,             2.11   

 

 

(24)

2 . Concepts of the global positioning System (GPS) 

 

The  ionosphere  effect  can  be  eliminated  by  using  Ionosphere  ‐  Free  Linear  combination  L  ,  but  the  integer  ambiguity  cannot  be  integer  due  to  the  multiplication with non‐integer coefficients [Sjöberg, 2007]. 

− The troposphere is the lower part of Earth’s atmosphere, which extends from  the  surface  to  about  40  km.  Signal  propagation  depends  mainly  on  the  water  vapor  content  and  on  temperature  [Seeber,  2003].  The  troposphere  can  be  divided into two parts: dry part is about 90% of the total troposphere effect and  wet part is about 10% of the troposphere effect. Usually the way to eliminate  the  troposphere  effect  is  by  estimating  the  local  troposphere  model  as  in  the  practical solution (at least in GPS positioning) is to extend the network solution  software  with  some  extra  unknown  parameters  for  the  so‐called  zenith  troposphere delay [Sjöberg, 2007], or by using the global troposphere models  such as the troposphere models from the International GNSS service (IGS).  

 

2.6.4 Multipath   

The multipath effect is an error due to the reflection of the transmitted GPS satellite  signal by the environment (buildings, water, trees and other reflecting bodies) around  the GPS receiver which is meaning the receiver will receive the omitted signal from  the GPS satellite through more than one path. There are many methods to reduce or  to estimate the multipath effects, these methods were classified by Ray et al. (1999)  as (1) antenna –based mitigation (such as choke ring antenna) , (2) improved receiver  technology (such as Delay Lock Loop), and (3) signal and data processing. However,  multi path effects cannot be eliminated totally because the multi path environment  is specific to each site [Hofmann‐Wellenhof, et al, 2002].  

 

2.6.5 Antenna phase center   

The  antenna  phase  center  is  the  point  to  which  the  radio  signal  measurement  is  referred and generally is not identical with the geometrical antenna center due to  the offsets are different for the satellite signals (   ) as well as the offsets are  function  of  the  azimuth  and  the  zenith  angle  [Hofmann‐Wellenhof,  et  al,  2002]. 

There are two effects of the antenna phase center (offset and variation), and general  there are two calibration methods for modeling the antenna phase center (absolute and relative).  Nowadays,  the  antenna  phase center  models  are  developed  by  many  calibration  agencies  (such as IGS, National Geodetic Survey and other agencies)  for  most of GPS antenna types.  

 

(25)

 

Chapter 3 

3 Data Processing 

 

In  order  to  compute  highly  accurate  positions  by  GPS,  the  GPS  data  should  be  processed  in  the  correct  way  and  should  use  the  appropriate  GPS  software.  This  chapter will begin by providing some basic information on the GPS data that have  been used in this thesis, the second part is an overview of the Bernese GPS software  and the last part describes the processing strategy.  

3.1 GPS Data    

The GPS data can be divided into two groups. The first group is the GPS observation  data  in  Receiver  Independent  Exchange  Format  (Rinex) see  [Werner,  2007]  for  details. The observation data of station SVEA is available daily with the 15 second  recording  rate  since  14  November  2004  until  21  January  2008  in  the  division  of  geodesy  at  KTH  (see section 1.2),  and  for  the  rest  of  IGS  reference  stations  the  observation  data  is  available  daily  with  the  30  second  recording rate  (except some IGS station)  in all  IGS analysis centers. The second group is the product data. This  data is available daily in all IGS analysis centers and contains the following files: 

− Precise ephemeris: This file describes the precise position of the satellites on the  orbit. 

− Pole information: This file describes the Earth’s rotation parameters. 

− Ionosphere model: This file contains the ionosphere correction. 

− Absolute Antenna model: This file contains the antenna correction. 

In  this  thesis,  from  the  continuous  GPS  data  of  SVEA,  a  very  small  sample  observation data has been chosen. Only the observation data of the first five days of  January, years (2005, 2006, 2007 and 2008) were used for processing. The years are  denoted  as  campaigns  and  the  days  are  denoted  as  sessions  of  these  campaigns.        

Table 3.1 shows the campaigns and sessions that have been used for the processing. 

The observation data for some IGS stations at some sessions were not available, so  each session with uncompleted observation data was neglected to avoid the changes  on the network geometry from session to a session.   

   

 

 

 

 

(26)

3. Da  

Tab cros stat for 

Campa

Campa (20 Campa

(20 Campa

(20 Campa

(20

3.2   The Soft cele GPS GPS curr resp new file  Pro The cod the 

ata processi

ble  3.1:  Th ss  mark  (X tions while

all IGS stat

aigns  (1 aign05  005) 

aign06  006) 

aign07  007)

aign08  008)

Overv e Astronom

tware  as  a estial  mech S/GLONAS  S software  rently reali pect to the w, user‐frie name  usi ocessing En e source of de in about  nearly 100

ing 

e  campaig X) refers  to e the right  tions. 

session 1

1

st

of January)

view of the mical Institu a  compreh hanics  to 

receivers. 

version 3,  ized as ver  older vers endly, and o

ing  sessio ngine (BPE) f the Berne 1200 mod 0 programs

gns  and  ses o  the  obser mark ( )

)

sessio

(2nd of Ja

e Bernese ute Univer hensive  an analyze  d Since  198 in 1996, ve rsion 5. The sions (versi

oriented fo n  is  varia ), etc.  

ese GPS Sof dules. The m

s such as:  

ssions  that rvation  dat refers to t

on 2 anuary)   (3

r

e GPS Soft sity of Ber d  scientifi data  collec 88,  the  dev ersion 4 an e most imp ion 3 and 4) or Window able,  the  P

ftware 5.0  menu progr

t  have  bee ta  that  are the observ

session 3  

rd

of January)

tware Ver rne (AIUB)

c  tool  in  cted  by  hi velopment  w nd in 2004,

portant enh ) are:  The  ws 2000 an

Perl  script

consists of ram acts as

en  used  for e  not  availa ation data 

)

sessio

(4

th

of Jan

X X X

rsion 0.5   developed geodesy,  g igh  accura was  starte the Bernes hancements user inter d XP opera t  language

f more tha s a user int

r  processin able  for  so

that are av

on 4 nuary)   s

(5th

 

d the Berne geodynami acy,  geodet ed  by  the  B se GPS soft s of version face is com ation syste e  as  the  B

n 300000  terface for 

ng.  The  ome  IGS  vailable 

session 5   hof January)

  X X

 

ese GPS  cs,  and  tic‐type  Bernese  tware is  n 5with  mpletely  ms, the  Bernese 

lines of  most of 

 

 

 

 

(27)

3.2 Overview of the Bernese GPS software version 5      

• Transfer part: to import Rinex to Bernese and to export Rinex from Bernese. 

•  Orbit  and  earth  rotation  part:  to  generate  the  precise  orbit  by  using  the  planetary  ephemeris  file,  to  generate  orbit  in  the  Bernese  format  (standard orbit), to update orbits, etc.

• Processing part: For processing the GNSS data.

• Service part: This part contains a set of useful tools to edit/browse/manipulate  binary data files, compare the coordinate sets, display residuals, etc. 

• Conversation part: Programs to extract external information necessary for the  processing. 

• The Bernese Processing Engine (BPE): is an integrated part of the Bernese GPS  Software  Version  5  menu  system.  The  Bernese  Processing  Engine  (BPE) is a tool operating on top of these parts (programs)  and is ideally suited to set up automated processing procedures. The processing strategy is set up once and for all from the RINEX files to the final results with all necessary programs. It is even possible to set up a parallel processing on different machines.

These programs (parts) are activated through pull‐down menus that reflect the main  parts of the software in a logical way.  

The Bernese GPS software has been used in many applications such as precise point  positioning  (with sub-cm accuracy), estimating the atmosphere parameters, precise  and  LEO  orbit    determination  and  estimating  of  Earth  rotation  parameters,  combined  processing  of  GPS  and  GLONASS  observations,  automatic  processing  of  permanent  networks  and  Ambiguity  resolution  on  long  baselines  (2000 km and longer).The  Bernese  GPS  software  has  been  used  in  the  CODE  Analysis  Centre  to  analyze  the  data  of  a  global  network  of  about  200  GPS  receivers  every  day  since  1992.  The  developments  in  the  Bernese  GPS  Software  is  for  the  future  GALILEO  navigation system [Rolf, et al., 2007, p.1‐4]. 

3.3 The Processing Steps  3.3.1 Orbit Generation   

The  precise  ephemeris  and  pole  information  models  from  Center  for  Orbit 

Determination  in Europe (CODE)  were used to generate the tabular orbit and the 

satellite  clock  information.  The  tabular  orbit  is  the  precise  orbit  in  the  Bernese 

format, which represents the satellite geocentric position in the inertial space every 

15  minutes.  The  standard  orbit  has  been  computed  for  each  session  by  using  the 

tabular orbit and the pole information model [Rolf, et al., 2007, p. 83‐100]. This step 

has been achieved in high accuracy (the RMS is in level 2 to 3 cm).

(28)

3. Da  

3.3   Befo coo the  syn com rece obs 3.3.

 

The dep and In  t inte bas figu

ata Processi

.2 Receiv fore startin rdinates of

coordinat chronizatio mbination  L

eiver  clock servation fil .3 Baselin

ere  are  fo pending  on d the distan this  thesis, erested just

e  lines  fro ure.3.1).

Figure

ing 

ver Clock S ng the proc f the refere tes  from  e on was don L3  to  estim k  correctio

les  [ Rolf, et nes  

our  metho n  the  comm

nce betwee ,  the  basel t in station om  the  inte

e 3.1: The b

Synchroniz essing, a p ence frame epoch  to  ne in zero  mate  the  re ons  were  w

t al., 2007, p

ds  of  form mon  observ

n the node ines  were   SVEA so th erested  sta

baselines be zation  priori coord

e IGS00 and epoch  for 

differencin eceiver  cloc written  dir p. 108‐109

ming  base vation  betw es, or other

created  u hat the sing

ation  (SVE

etween SVE

dinates hav d the IGS0

each  cam ng by using ck  correcti rectly  into  9]. 

elines  in  t ween  the  t r criteria [R

sing  the  st gle differen EA)  to  the 

EA station 

ve been cal 0 velocity  mpaign.  Th

g the ionos on  differen the  Berne

the  Bernes two  nodes  Rolf, et al., 2

tar  method nce has bee

reference 

and the IGS

lculated us model to t he  receive sphere free nce.  The  re ese  GPS  so

se  GPS  So for  each  b 2007, p. 11 d  because  n used to f IGS  station

  S stations.  

sing the  transfer  r  clock  e linear  esulting  oftware 

oftware  baseline  3‐115]. 

we  are 

form six 

ns,  (see

(29)

3.3 The processing steps 

 

3.3.4 Preprocessing Phase Observations 

 

The main goal of the pre‐processing phase observation is to detect the cycle slips at  the  phase  observation  files  in  a  single  difference  level.  In  this  step,  the  cycle  slips  have  been  screened  using  the  COMBINED  mode  due  to  the  longer  baseline.  This  mode is mandatory as there is only the ionosphere‐free linear combination   of the 

 and   observations.  

In the COMBINED mode, the residuals    and     between the first and second  epochs for    and     can be expressed in the following [Rolf, et al., 2007, p. 118‐

130]: 

 

                    3.1                           3.2    

 

               is the ionosphere refraction by the   carrier at time  .                   is the ambiguity difference from epoch      to   . 

 

The residual    of the ionosphere‐free linear combination   was tested under the  assumption that the integer ambiguity remains the same from epoch      to   as the  following: 

 

      | | 3        3.3      

              3.4

    ,             3.5 Where   ,   are  the  standard  errors  of          observations,  respectively.  The  factor    = √8     =√2    is  caused  by  the  fact  in  triple  –difference,  there  are  two  satellites and two receivers and two epochs. 

3.3.5 Screening of Post­Fit Residuals 

 

In  this  step,  the  data  with  low–quality  (the data was collected under extremely bad conditions or that the pre–processing at the last step was not successfully performed) has  been regarded as out layers. 

By  applying  the  least  squares'  theory  in  the  Bernese  GPS  software    the  residuals  have been estimated in a double difference level with sampling rate (zero) “because  we  are    interesting  at  all  observations”  and  without  ambiguity  resolution,  the  residuals were marked and removed from the observation data  [ Rolf, et al., 2007,p. 

130‐137]. 

(30)

 

3. Data Processing   

3.3.6 First Network Solution   

After  the  cycle  slips  and  the  outliers  are  detected  and  removed  from  the  observation,  a  linear  ionosphere‐free  combination L   with  unresolved  ambiguity  has  been  used  to  estimate  the  troposphere  parameters   by  choosing  the  following  options for each session  [ Rolf, et al., 2007, p. 239]: 

• Cut off angle (10 degree).  

• Elevation dependent weight  cos , Correlation strategy (Base line).  

• ZPD model and mapping function (dry Niell). 

• Site‐specific mapping function (with Niell) with parameters spacing (1 hour). 

• Horizontal  gradient  estimation  model  (Tilting)  with  parameters  spacing  (24 hours).

3.3.7 Ambiguity Resolution   

The  most  important  criteria  in  selecting  the  ambiguity  resolution  strategy  are  the  observation time period and the base line length. In this thesis, the observation time  period was one day (24 hours) and the base line lengths were greater than 2000 km  (as in Table 1.2).  The  Quasi  Ionosphere‐Free  (QIF) ambiguity  resolution  strategy  with the ionosphere model from CODE and the estimated troposphere model from  the last step has been used to fix the ambiguity  [ Rolf, et al., 2007, p. 167‐182].  

The ambiguities were resolved for each individual base line separately and the IGS  stations were regarded as fixed during the fixing of the ambiguities. In general the  percentage of the fixed ambiguity was from 66 % to 83% (see the appendix). Some  ambiguities  could  not  be  resolved  due  to  the  fact  that  those  satellite  signals  were  interrupted by trees, multipath, or severe ionosphere activity [Sjöberg, et al., 2002]. 

 

3.3.8 Final network Solution 

 

After the loop over all baselines are completed and the ambiguities are resolved, the 

network has been adjusted by constrained all IGS stations coordinate (relate to the

reference frame IGS00)  to  0.01  mm,  the  results  of  this  step  are  the  adjusted 

coordinates and normal equation for each session. These sessions’ normal equations 

were saved for the next work  [ Rolf, et al., 2007, p. 149‐152]. 

(31)

3.3 The processing steps   

3.3.9 Flow Diagram for the Processing Steps  

 

Figure 3.2 shows the flow diagram of the action performed in this thesis to process  the GPS data. This diagram provides a summary of the steps from Section 3.3.1 to  3.3.8. The solid rectangles (the left side) refer to the tasks or the steps and the dash  rectangles (the right side) are the corresponding results of these tasks. 

 

                                               

 

Figure 3.2: The flow diagram shows a summary of the processing strategy (for each session) using the Bernese GPS software.

 

   

Orbit Generation 

Receiver Clock Synchronization 

Preprocessing Phase Observation 

Screening of post­Fit Residuals 

Ambiguity Resolution (QIF)  First Network Solution 

Final Network Solution 

Baselines creation (star strategy)

Standard Orbit  (Orbit in Bernese format)

+ Satellite clock information  

Receiver clock error  

Baselines 

Cycle Slips detection  

Residuals file (outliers)  

Troposphere Parameters  

Fixed ambiguity  

Adjusted coordinates + 

Normal Equations  (NEQ)   

(32)

   

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

References

Related documents

Stöden omfattar statliga lån och kreditgarantier; anstånd med skatter och avgifter; tillfälligt sänkta arbetsgivaravgifter under pandemins första fas; ökat statligt ansvar

46 Konkreta exempel skulle kunna vara främjandeinsatser för affärsänglar/affärsängelnätverk, skapa arenor där aktörer från utbuds- och efterfrågesidan kan mötas eller

För att uppskatta den totala effekten av reformerna måste dock hänsyn tas till såväl samt- liga priseffekter som sammansättningseffekter, till följd av ökad försäljningsandel

The increasing availability of data and attention to services has increased the understanding of the contribution of services to innovation and productivity in

Generella styrmedel kan ha varit mindre verksamma än man har trott De generella styrmedlen, till skillnad från de specifika styrmedlen, har kommit att användas i större

På många små orter i gles- och landsbygder, där varken några nya apotek eller försälj- ningsställen för receptfria läkemedel har tillkommit, är nätet av

Det har inte varit möjligt att skapa en tydlig överblick över hur FoI-verksamheten på Energimyndigheten bidrar till målet, det vill säga hur målen påverkar resursprioriteringar

Detta projekt utvecklar policymixen för strategin Smart industri (Näringsdepartementet, 2016a). En av anledningarna till en stark avgränsning är att analysen bygger på djupa