Novinky zeměměřické knihovny č. 1/2006

Klíčová slova: orientace Země, referenční rámce, kombinace technik, VLBI, GPS

Shrnutí:

 Kombinace souřadnic stanic a rychlostí pomocí nezávislých technologií prostorové geodezie se stalo již dlouho běžnou metodou pro vytváření pevných globálních terestrických referenčních rámců (TRF). V zásadě částečné výhody jedné z observačních metod může kompenzovat nevýhody jiných, pokud se kombinace zavede správně, naleznou vhodné váhy a přesné návaznosti v kolokacích. V poslední době se metodologie rozšířila o kombinace časových řad výsledků na úroveň normálních rovnic. Tím lze zapojovat plně uceleným způsobem parametry orientace Země (EOP) do TRF. Předložená studie se zabývá kombinací VLBI a GPS. A jejich vlivu na EOP. Lze očekávat vliv na EOP jako velmi malý a nenalézá se zde žádný praktický způsob pro řádné začlenění odhadů změn délky dne z GPS. Přesto lze vidět náznaky pro přesnější pohyb pólu díky spolupůsobení GPS na výsledky UT1-UTC z VLBI. Situace u kombinovaného pohybu pólu je složitější. Data VLBI působí přímo pouze nepatrně, pokud vůbec, což zřejmě způsobuje malý rozsah a řídká síť VLBI a kvalita navázání VLBI na rámec GPS. Kombinační strategie VLBI a GPS si bude vyžadovat další výzkum.

1. Úvod

Běžné orientační úhly Země popisují polohu pólu měnící se v čase v terestrickém referenčním rámci (TRF), tedy x_p a y_p, rotaci okolo osy pólů (UTC1-UTC) a pohyb pólu v celosvětovém rámci (precese a nutace). Každý z úhlů se průběžně mění a má tedy sekulární, širokopásmové, sezónní, slapové a stochastické složky. Změny terestrického rámce se vztahují k přesunům mas vodstva a momentu vzhledem k systému Země, kde precese a nutace zahrnují především gravitační vlivy vzhledem k vnějším sousedním tělesům a jejich návaznost na vnitřní rozložení hmot Země. Měření vzorků orientačních parametrů Země (EOP) poskytují záznamy změn, obvykle po 24 hodinách. A obvykle poskytují data a jejich změnu. Běžná praxe Mezinárodní služby rotace Země a referenčních rámců (IERS) odděluje při rozboru dat slapové změny EOP po 12 a 24 hodinách od hodnot předepsaných modelem (McCarthy - PetitG (2004), s.127).

VLBI je jedinou technologií schopnou určovat složky EOP, protože je jediným běžným přístupem k Mezinárodnímu celosvětovému referenčnímu rámci (ICRF) realizovanému souřadnicemi souboru astronomických radiových zdrojů (McCarthy - Petit 2004). Pozorovací řady VLBI trvají obvykle 24 hodiny a to v jakoby pravidelných, leč nikoli nepřetržitých intervalech.

Výsledky EOP obvykle pro střed pozorování, běžná pozorovaní započala v roce 1984, data z předchozích let jsou skromnější.

Pozorování družic GPS se shromažďují z celosvětové sítě průběžně od roku 1994 Mezinárodní službou GPS (IGS) přejmenovanou nedávno na Službu celosvětového navigačního družicového systému (GNSS). Omezenější rozsah dat je i z předchozích let. IGS má přes 350 sledovacích stanic. GPS ovšem nemá přímý přístup k ICRF a nemůže pozorovat UT1-UTC nebo nutační změny, ale je citlivá na změny těchto hodnot. Průběžně tak činí u délky dne (LOD) skupina analytiků (Ray 1996). Změny nutačních úhlů (Rotacher et al. 1999). Naopak však vyniká ve stálém sledování pohybu pólu (a rozsahu jeho změn), díky značnému celosvětovému rozložení stanic, homogenitě a využívání kombinované analýzy až osmi nezávislých skupin (Mireaut et al. 1999). Podávají se pravidelně zprávy o pohybu pólu IGS, změnách pohybu pólu a o určování LOD pro poledne UT pro každý den.

IERS vytváří kombinace více technologií za užití výstupů VLBI, GPS a družicových laserů (SLR). O tom více ve výročních zprávách IERS (McCarthy - Petit 2004). Předložená studie je pokračováním předchozích snah o rigorózní řešení (Kouba et al., 1998), (Richter et al., 2003), (Ponte – Ali, 2002), (Ray - Kouba, 2003) a (Kouba, 2005).

2. Vnitrotechnologické kombinace

Původně se kombinovaly řady řešení GPS a VLBI (řádně dávkově zpracované) odděleně, což nevyžadovalo žádné místní navázání. Výsledky GPS byly týdenní terestrické rámce a EOP vytvářené IGS z váhových kombinací poddodávek až z osmi nezávislých analytických center (Ferland, 2004). Týdenní řešení SINEX od IGS za období od 28. února 1999 do 28. února 2004 obsahuje parametry souřadnic 346 stanic a každodenní pohyb pólu a změny pohybu pólu s odhadem souřadnic a lineárních rychlostí pro střední epochu 29. srpna 2001. K hodnotám LOD se nepřihlíželo. Užilo se též externích kalibrací (Milreault et al.,1999, Ray, 1999).

Řešení VLBI pochází z rozborů  skupiny NASA Goddard Space Flight Center (GSFC) z jednotlivých čtyřiadvacetihodinových observačních řad redukovaných do formátu SINEX. Kombinovala se data 62 stanic. A získalo řešení pro 677 ne zcela po sobě následujících dnů během pětiletého období. Kombinaci GPS a VLBI bez vnitřní deformace se pokusil přiblížit ITRF2000 (Altamini et al., 2002).

Software pro obě výše uvedená řešení poskytl Institut Géographique National de France (Altamini - Boucher, 2003), tj. CATREF.

3. Mezitechnologické kombinace

Uskutečnily se čtyři zkušební kombinace VLBI-GPS, kdy se vždy užilo homogenního kontinuálního pětiletého řešení, čtrnáctiparametrické Helmertovy transformace pro nastavení rámců VLBI a GPS, a to včetně rychlostí. Kovariance GPS se upravily co do měřítka násobkem (1,5)² a VLBI (3,2)² na základě zkušeností s ITRF2000 (Altamini et al., 2002).

Rozdíly mezi jednotlivými řešeními se týkají především zpracování kolokačních spojení VLBI - GPS. Je třeba uvést, že včetně parametrů pohybu pólu a změn pohybu pólu v časových řadách působí účinně jako dvourozměrný denní kolokační bod bez jakýchkoliv chyb v navázání (Ray - Altamini, 2005). To nás zbavuje potřeby vytvářet dvě místní návazné složky a dvě kolokační rychlostní složky pro Helmertovo otáčení kolem X a Y a jejich změn.

4. Geofyzikální vybuzení

Pro nezávislé ověření řad „na pevné zemi“ se užilo řad geofyzikálního pohybu pólu a LOD odvozených připojením atmosférického úhlového momentu (AAM) od Národního centra pro environmentální předpovědi (NCEP) podle (Kalnay et al., 1996). A oceánského úhlového momentu (OAM od  Ponte - Ali, 2002).

Užitím čtyřletého srovnávacího období zjistili (Ponte - Ali, 2002) že vzájemná spojitost amplitudy (AAM+OAM) a geodetických excitací pohybu pólu a LOD tvoří asi 80% nebo více pro periody delší sedmi dnů, ale že klesá u kratších period. Značně významnější roli hraje rozložení oceánů na excitaci pohybu pólu  než na LOD.

Účinné excitační funkce se vypočetly z geodetických měření postupem (Barnes et al., 1983). Pro usnadnění interpretace se rovníkové funkce (úměrné změnám pohybu pólu) uvedly do měřítka násobením Chandlerovou rotační frekvencí (2п / 434 dní). Pohyb pólu z každodenních půlnočních údajů byl vyjádřen jako kubický spline. Postup tak poskytl lepší, méně shlazená určení pohybu pólu než průměry dvou sousedních denních dávek (Kouba, 2005).

Uvedeného postupu nebylo možno užít pro VLBI vzhledem k přerušovanému pozorování.

5. Srovnání geodetického a geofyzikálního vybuzení pohybu pólu

Plně optimální kombinace dat pohybu pólu z GPS a VLBI i bez znehodnocení z pouhých výsledků IGS se nezdá vhodná, Spojení VLBI – GPS se ukazuje souhlasit na jednomilimetrové úrovni (Ray - Altamini, 2005).

6. Srovnání geodetického a geofyzikálního vybuzení LOD

Jsou dva způsoby pro zlepšení údajů o VLBI UT1-UTC/LOD pomocí dat o pohybu pólu z měření GPS ve společné kombinaci. Z nich to přesnější řešení tkví v redukci vlivu větších chyb získávaných z VLBI redukcí přesnějšími daty GPS přímými parametrickými korelacemi.

7. Rozbor a závěry

Nepodařilo se ověřováním přesných kombinací včetně EOP docílit zpřesnění současných dat       o pohybu pólu z měření VLBI vyjma lepšího spojení rotačního seřízení obou rámců GPS a VLBI (Ray - Altamini, 2005).

1.       Altamimi Z, Sillard P, Boucher C (2002) ITRF2000: a new release of the International Terrestrial Reference Frame for Earth science application. J Geophys Res 107(B10):2214, doi:10.1029/2001JB000561

2.       Altamimi Z (2003) Consistency of multi-technique combination of TRF and EOP, EGS-AGU-EUG Joint Assembly. Geophys Res Abstr 5:02908

3.       Altamimi Z, Boucher C (2003) Multi-technique combination of time series of station positions and Earth orientation parameters. In: Richter B, Schwegmann W, Dick WR (eds) Proceedings of the IERS workshop on combination research and global geophysical fluids, IERS Technical Note No. 30. Verlag des Bundesamts für Kartographie und Geodäsie, Frankfurt am Main, pp 102–106

4.       Barnes RTH, Hide R, White AA, Wilson CA (1983) Atmospheric angular momentum fluctuations, length-of-day changes and polar motion. Proc R Soc Lond A 387:31–73

5.       Ferland R (2004) Reference Frame Working Group technical report. In: Gowey K, Neilan R, Moore A (eds) IGS 2001–2002 Technical Reports. Jet Propulsion Laboratory Publication 04–017, Pasadena, California, pp 25–33

6.       Gross R (2004) Combinations of Earth orientation measurements: SPACE2003, COMB2003, and POLE2003. Jet Propulsion Laboratory Publication 04–12, Pasadena California, p 28

7.       International VLBI Service for Geodesy and Astrometry (IVS) (2004) Products and publications available at http://ivscc.gsfc.nasa.gov/

8.       Kalnay E et al (1996) The NCEP/NCAR 40-year reanalysis project. Bull Am Meteorol Soc 77:437–471

9.       Kouba J (2005) Comparison of polar motion with oceanic and atmospheric angular momentum time series for 2-day to Chandler periods. J Geodesy doi:10.1007/s00190-005-0440-7

10.   Kouba J, Ray J, Watkins M (1998) IGS reference frame realization. In: Dow JM, Kouba J, Springer T (eds) 1998 IGS Analysis Center Workshop Proceedings. European Space Operations Centre, Darmstadt, Germany, pp 139–171

11.   McCarthy DD, Petit G (eds) (2004) IERS Conventions (2003), IERS Technical Note No. 32. Verlag des Bundesamts für Kartographie und Geodäsie, Frankfurt am Main, p 127

12.   Mireault Y, Kouba J, Ray J (1999) IGS Earth rotation parameters. GPS Solut 3(1):59–72

13.   Ponte RM (1993) Variability in a homogeneous global ocean forced by barometric pressure. Dyn Atmos Oceans 18:209–234

14.   Ponte RM, Ali AH (2002) Rapid ocean signals in polar motion and length of day. Geophys Res Lett 29(15), doi:10.1029/2002GL015312

15.   Ray J (1996) Measurements of length of day using the Global Positioning System. J Geophys Res 101(B9):20141–20149 

16.   Ray J, Kouba J (2003) Comparisons of single- and multi-technique combinations of polar motion observations, EGS-AGU-EUG Joint Assembly. Geophys Res Abstr 5:05937

17.   Ray J, Altamimi Z (2005) Evaluation of co-location ties relating the VLBI and GPS frames. J Geod 79(4–5):189–195, doi:10.1007/s00190-005—0456-z 

18.   Richter B, Schwegmann W, Dick WR (eds) (2003) In: Proceedings of the IERS workshop on combination research and global geophysical fluids, IERS Technical Note No. 30. Verlag des Bundesamts für Kartographie und Geodäsie, Frankfurt am Main, p 235

19.   Robertson DS, Carter WE, Campbell J, Schuh H (1985) Daily Earth rotation determinations from IRIS very long baseline interferometry. Nature 316:424–427

20.   Rothacher M, Beutler G, Herring TA, Weber R (1999) Estimation of nutation using the Global Positioning System. J Geophys Res 104(B3):4835–4860

Yoder CF, Williams JG, Parke ME (1981) Tidal variations of Earth rotation. J Geophys Res 86:881–891