Atmospheric refraction in geodetic techniques: analysis of tropospheric effects in GNSS and development of a 3D refractivity model for terrestrial measurements

Abstract

[ES] La refracción atmosférica sigue siendo una de las principales limitaciones para alcanzar precisiones del orden de milímetros en mediciones geodésicas de alta precisión. Esta tesis aborda los efectos de la refracción en dos ámbitos diferentes pero complementarios: la estimación de distancias basadas en GNSS y las observaciones ópticas terrestres. La primera parte se centra en la cuantificación y el análisis de los retardos troposféricos a nivel de dobles diferencias (DD), en el marco de la metodología Ground-Based Distance Meter (GBDM+), desarrollada en la Universitat Politècnica de València (UPV).Los análisis realizados muestran que, aunque el procesamiento DD reduce eficazmente los errores atmosféricos, los retardos residuales, especialmente para líneas base superiores a 3-4 km o con diferencias de altura significativas, pueden alcanzar varios decímetros. Estos efectos deben tenerse en cuenta para preservar la trazabilidad y la exactitud de las mediciones. Se evalúan varios modelos empíricos de la literatura, junto con estimaciones basadas en Posicionamiento de Punto Preciso (PPP) obtenidas mediante el servicio en línea CSRS-PPP. Las estimaciones PPP ofrecen, además, la ventaja de la estimación de la incertidumbre, lo que permite su propagación a la distancia, especialmente relevante para aplicaciones metrológicas. La segunda parte presenta el desarrollo y la validación de un modelo tridimensional de refractividad (3D-RM) para mediciones geodésicas terrestres. El modelo integra datos de una red de sensores meteorológicos, productos de teledetección (ERA5), perfiles verticales generados mediante la aplicación del Turbulence Transfer Model (TTM) e información topográfica usando un Modelo Digital de Elevaciones (MDE), lo que permite obtener correcciones de refracción a lo largo de toda la trayectoria. La validación con diversos conjuntos de datos de campo demuestra que el 3D-RM mejora de forma significativa la precisión y la exactitud respecto a las correcciones convencionales basadas en datos en la estación, especialmente en distancias largas. Una variante simplificada (3D-RM 2), que evita tener que instalar un sensor en la posición del instrumento, logra resultados comparables, aumentando la flexibilidad del modelo para su aplicación práctica. Aunque las correcciones de ángulo vertical no se han podido evaluar completamente debido a limitaciones instrumentales, los patrones diurnos observados sugieren el potencial del modelo para futuras aplicaciones angulares. En conjunto, esta tesis contribuye a una mejor comprensión de los efectos atmosféricos en las mediciones geodésicas y propone estrategias prácticas para su modelización y mitigación. Se hace especial hincapié en el papel de los modelos atmosféricos basados en fundamento físico para garantizar la trazabilidad y alcanzar resultados de alta precisión en entornos reales y complejos.

[CA] La refracció atmosfèrica continua sent una de les principals limitacions per a aconseguir precisions de l'ordre de mil·límetres en mesures geodèsiques d'alta precisió. Esta tesi aborda els efectes de la refracció en dos àmbits diferents però complementaris: l'estimació de distàncies basades en GNSS i les observacions òptiques terrestres. La primera part se centra en la quantificació i l'anàlisi dels retards troposfèrics a nivell de dobles diferències (DD), en el marc de la metodologia Ground-Based Distance Meter (GBDM+), desenvolupada a la Universitat Politècnica de València (UPV). Les anàlisis realitzades mostren que, encara que el processament DD redueix eficaçment els errors atmosfèrics, els retards residuals, especialment per a línies base superiors a 3-4 km o amb diferències d'altura significatives, poden arribar a diversos decímetres. Estos efectes han de tindre's en compte per a preservar la traçabilitat i l'exactitud de les mesures. S'avaluen diversos models empírics de la literatura, junt amb estimacions basades en Posicionament de Punt Precís (PPP) obtingudes mitjançant el servei en línia CSRS-PPP. Les estimacions PPP ofereixen, a més, l'avantatge de l'estimació de la incertesa, permetent la propagació a la distància, especialment rellevant per a aplicacions metrològiques. La segona part presenta el desenvolupament i la validació d'un model tridimensional de refractivitat (3D-RM) per a mesures geodèsiques terrestres. El model integra dades d'una xarxa de sensors meteorològics, productes de teledetecció (ERA5), perfils verticals generats mitjançant l'aplicació del Turbulence Transfer Model (TTM) i informació topogràfica utilitzant un Model Digital d'Elevacions (MDE), el que permet obtindre correccions de refracció al llarg de tota la trajectòria. La validació amb diversos conjunts de dades de camp demostra que el 3D-RM millora de manera significativa la precisió i l'exactitud respecte a les correccions convencionals basades en dades de l'estació, especialment en distàncies llargues. Una variant simplificada (3D-RM 2), que evita haver d'instal·lar un sensor en la posició de l'instrument, aconseguix resultats comparables, augmentant la flexibilitat del model per a la seua aplicació pràctica. Encara que les correccions d'angle vertical no s'han pogut avaluar completament a causa de limitacions instrumentals, els patrons diürns observats suggerixen el potencial del model per a futures aplicacions angulars. En conjunt, esta tesi contribuïx a una millor comprensió dels efectes atmosfèrics en les mesures geodèsiques i proposa estratègies pràctiques per a la seua modelització i mitigació. Es fa especial èmfasi en el paper dels models atmosfèrics amb fonament físic per a garantir la traçabilitat i aconseguir resultats d'alta precisió en entorns reals i complexos.

[EN] Atmospheric refraction remains one of the main limitations to achieving millimetre-level accuracy in high-precision geodetic measurements. This thesis addresses refraction effects in two different but complementary domains: GNSS-based distance estimation and terrestrial optical observations. The first part focuses on the quantification and analysis of tropospheric delays at the double-difference (DD) level, within the framework of the Ground-Based Distance Meter (GBDM+) methodology, developed at the Universitat Politècnica de València (UPV). Based on controlled analyses, this thesis shows that although DD processing effectively reduces atmospheric biases, DD residual delays, particularly for baselines longer than 3-4 km or with significant height differences, can still reach several decimetres. These effects must be accounted for to preserve measurement traceability and accuracy. Several empirical models from the literature are evaluated, alongside Precise Point Positioning (PPP)-based estimates obtained from the CSRS-PPP online service. PPP-based estimates provide the additional advantage of uncertainty estimation, allowing its propagation to the final distance, which is particularly relevant for metrological applications. The second part presents the development and validation of a three-dimensional refractivity model (3D-RM) for terrestrial geodetic measurements. This model combines data from a meteorological sensor network, remote sensing products (ERA5), vertical profiling via the application of the Turbulence Transfer Model (TTM), and terrain information using a Digital Terrain Model (DTM) to enable full-path refraction corrections. Validation with multiple field datasets demonstrates that 3D-RM significantly improves precision and accuracy compared to the conventional station-based corrections, particularly over long distances. A simplified variant (3D-RM 2), which avoids the need to install a sensor at the instrument location, achieves comparable results, increasing the model's flexibility for practical deployment. Although vertical angle corrections could not be fully assessed due to instrumental constraints, observed diurnal patterns suggest the model's potential for future angular applications. Overall, the thesis advances the understanding of atmospheric effects on geodetic measurements and proposes practical strategies for their modelling and mitigation. Particular emphasis is placed on the role of atmospheric modelling in ensuring traceability and achieving high-precision results in complex, real-world environments.