Содержание
Введение ............................................................ 4
Глава 1. Глобальное уравнивание РСДБ наблюдений.....................11
1.1. Модель астрометрических РСДБ наблюдений.....................12
1.2. Параметризация задачи глобального уравнивания...............16
1.3. Метод среднеквадратической коллокации.......................17
1.4. Алгоритм глобального уравнивания методом СКК................21
1.5. Построение ковариационной модели стохастических параметров 26
Глава 2. Модернизация программного пакета QUASAR .... 35
2.1. Общая схема работы пакета обработки РСДБ наблюдений QUASAIl 36
2.2. Тестирование и совершенствование пакета QUASAR..............46
2.3. Участие в международной службе РСДБ.........................54
Глава 3. Обработка наблюдений ......................................58
3.1. Наблюдательные программы....................................58
3.2. Технология обработки........................................60
3.3. Оцениваемые параметры.......................................64
3.4. Использование дополнительных условий........................65
3.5. Исследование стабильности положений радиоис/гочников. Ряды координат радиоисточников......................................67
Глава 4. Результаты глобального уравнивания.........................73
4.1. Уточнение земной системы координат..........................73
4.2. Уточнение небесной системы координат........................78
4.3. Ряды ПВЗ....................................................89
4.4. Антенные оффсеты станций....................................94
2
Заключение..................................................99
Литература................................................100
Приложение А. Результаты оценки величин дисперсий стохастических сигналов .................................... 110
Приложение Б. Каталог координат радиоисточников.........114
Приложение В. Каталог координат РСДБ станций..........146
3
Введение
Метод радиоинтерферометрии со сверхдлиниыми базами (РСДБ) позволяет получать самые точные позиционные наблюдения в современной астрометрии. Метод основан на наблюдениях внегалактических объектов в радиодиапазоне с помощью группы радиотелескопов, разнесенных на значительные расстояния.
Первые РСДБ эксперименты для решения задач геодезии проводились в 1979 году [1]. Регулярные РСДБ наблюдения в двух полосах 2.2-2.3 ГГц и 8.2-8.6 ГГц начали проводиться после внедрения более совершенных систем регистрации сигналов в 1982 году [2]. На радиотелескопах ведется запись шумового сигнала радиоисточников на магнитный носитель, в двух полосах, совместно с метками времени высокоточного водородного стандарта. После первичной обработки наблюдений на корреляторе, вычисляются задержки между моментами прихода сигнала радиоисточника на РСДБ станции, участвовавшие з данном наблюдении. Вычисление задержек в двух полосах позволяет исключить ионосферную коррекцию, зависящую от длины волны.
Получаемые из обработки РСДБ наблюдений координаты радиоисточников позволяют создать высокоточный каталог, реализующий небесную систему координат. Первой работой по построению небесной системы координат из обработки РСДБ наблюдений был каталог из 85 радиоисточников, построенный в Goddard Space Flight Center (GSFC) в 1986 году [3]. Согласно решению MAC с 1998 года международной небесной системой координат ICRF (International Celestial Reference Frame) является система, построенная на координатах 608 внегалактических радиоисточников [4], [5].
Координаты наземных станций, участвующих в РСДБ наблюдениях, позволяют реализовать на земле систему отсчёта, имеющую непосредственную связь с небесной системой координат. Несмотря на развитие сетей GPS/ГЛ О-
НАСС станций, РСДБ сеть остается важнейшей частью международной земной системы координат ITRF (International Terrestrial Reference Frame), опре-деляющей маштаб ITRF. Построение опорной системы координат на основе координат РСДБ станций остаётся актуальной задачей, так как только с помощью РСДБ технологии возможен мониторинг всех параметров вращения земли (ПВЗ).
Основным способом построения систем координат из обработки РСДБ данных является совместная обработка (глобальное уравнивание) всех доступных наблюдений в рамках параметрической модели. Метод наименьших квадратов (МНК) является одним из важнейших инструментов научных исследований в тех областях естествознания, где приходится иметь дело с анализом экспериментальных данных. Однако МНК нельзя считать оптимальным методом при обработке РСДБ наблюдений. Линейные модели с постоянными коэффициентами не могут достаточно точно описывать физические процессы, протекающие в ходе РСДБ наблюдений. В частности, динамика турбулентной атмосферы как среды распространения излучения космических объектов создаёт нестабильность измеряемых величин в широком диапазоне от 10'8 до Ю2 Гц [6]. Если низкочастотные вариации состояния атмосферы вплоть до 10“4 Гц создают эффекты типа трендов и поддаются линейному моделированию, то более высокочастотные флуктуации уже ведут себя как случайный процесс. Аналогичные проблемы могут возникать и вследствие неустойчивости измерительной системы инструмента. В РСДБ устойчивость инструментальной системы почти полностью определяется стабильностью опорных стандартов времени и частоты, однако даже у лучших водородных мазеров фазовые флуктуации на суточном интервале времени не могут быть представлены только в виде тренда, так как они содержат случайную компоненту, амплитуда которой превышает точность современных РСДБ наблюдений [7], |8]. В этих случаях в модели данных приходится вво-
дить стохастические (случайные) параметры, которые неудовлетворительно оцениваются традиционным методом наименьших квадратов.
Для оценки стохастических параметров в работе применялся метод средней квадратической коллокации (СКК), основы которого изложены в монографиях [9], (10].
Актуальность работы Повышение точности практической реализации международных небесной и земной опорных систем координат 1CRK и ITRF в виде соответствующих каталогов координат внегалактических радиоисточников и координат наземных станций, а-также опорной системы параметров вращения Земли, является актуальной научной проблемой, имеющей фундаментальное значение для решения всех оснозных задач координатно-временного обеспечения современной науки и практической деятельности людей. Решение этой проблемы осуществляется с помощью отечественного програм-иого пакета путём совместного анализа практически всех наблюдений, выполненных методом РСДБ за период 1979-2009 гг. по многочисленным международным программам (всего более 6 млн. измерений).
Цель диссертационной работы Основной целыо работы являлось получение каталога геоцентрических координат РСДБ станций, каталога экваториальных координат внегалактических радиоисточников и взаимосогласованных параметров вращения Земли из обработки всех доступных данных РСДБ с помощью отечественного пакета обработки РСДБ наблюдений QUASAR.
Научная новизна
• Программный пакет QUASAR является единственным средством глобального уравнивания РСДБ наблюдений, полностью разработанным и созданным в России.
• Впервые в России совместное определение координат наземных стан-
ций, координат внегалактических радиоисточников и параметров ориентации Земли выполнено по единой методике, гарантирующей согласованность этих результатов.
Научная и практическая значимость Важной задачей является независимая обработка всех РСДБ наблюдений и получение каталогов координат радиоисточников и станций, которые могут быть использованы для решения, прикладных задач, комбинирования или сравнения. В частности, полученный в работе каталог радиоисточииков использовался при выводе новой международной системы небесных координат ICRF2 (11] как один из каталогов сравнения. Основным инструментом в мире для обработки РСДБ наблюдений и построения опорных систем координат является программный пакет CALC/SOLVE, разработанный-в Goddard Space Flight Centre NASA, поэтому актуальной научной задачей является создание и поддержка независимого альтернативного инструмента обработки РСДБ наблюдений — программного пакета QUASAR.
Полученные в работе каталоги координат РСДБ станций и радиоисточников используются в ИПА РАН в работе службы определения ПВЗ по национальным программам на сети ’’Квазар-КВО1’. Обработка наблюдений в рамках службы производится с помощью модернизированной в ходе данной работы версии пакета QUASAR.
На защиту выносятся следующие основные результаты и положения:
1. Методика совместного уравнивания РСДБ наблюдений на глобальных сетях станций с помощью программной системы QUASAR на основе метода средней квадратической коллокации. Практическая реализация новой версии программной системы QUASAR, позволяющая решать задачу глобального уравнивания РСДБ наблюдений в соответствии с со-
временными международными требованиями и стандартами.
2. Новый каталог координат и скоростей 125 наземных станций, принимавших участие в РСДВ наблюдениях по геодезическим программам за период 1980-2009 гг. (для 15 станций с учетом смещений вследствие ремонтов л землетрясений).
3. Новый каталог координат 3009 внегалактических радиоисточников, наблюдавшихся в течение 1980-2009 гг.
4. Новые независимые ряды ГШЗ, согласованные с полученными каталогами координат радиоисточников и РСДБ станций (координаты земного полюса, всемирное время и координаты небесного полюса).
Апробация работы Результаты, полученные в настоящей диссертационной работе, были представлены на конференциях: КВО-2005 (С.-Петербург, 11-15 апреля 2005), 2GUl IAU General Assembly, (Чехия, Прага, 14-25 августа 2006), РСДБ-2012 для астрометрии, геодинамики и астрофизики (С.-Петербург, 11-15 сентября 2006), 18*/l Working Meeting on European VLB1 for Geodesy and Astrometry (Австрия, Вена, 12-13 апреля 2007), JOURNEES 2007 (Франция, Медон, 17-19 сентября 2007), Fifth IVS General Meeting (Санкт-Петербург, 3-6 марта 2008). 19*/г European VLBI for Geodesy and Astrometry (EVGA) Working Meeting (Франция, Бордо, 24-25 марта 2009),
Публикации. Материалы диссертации опубликованы в 21 печатной работе, из них в журнале из списка ВАК — одна статья [12], в рецензируемых журналах — 6 статей, 11 статей опубликованы в сборниках трудов международных конференций и 3 — в сборниках тезисов докладов.
Личный вклад автора В работе [12| автору принадлежит обработка РСДБ наблюдений с помощью пакета QUASAR, анализ и сравнение с зарубежными аналогами полученных каталогов.
8
В работах [13], [14] автору принадлежит уточнение стохастической модели РСДБ наблюдений, обработка наблюдений.
В работе [15] автору принадлежит обработка наблюдений по программе CONT с помощью пакета QUASAR, построение спектров временных рядов ПВЗ.
В работе [16] автору принадлежит модернизация программного пакета QUASAR для возможности получения с его помощью глобальных решений по всем РСДБ наблюдениям.
В работе [17] автору принадлежит модернизация пакета QUASAR для возможности получения суточных SINEX (Solution/Software INdependent Exchange format) файлов для сводной обработки международной службы РСДБ IVS (International VLBI Service).
В работах [18], [19], [20] автору принадлежит получение временных рядов координат внегалактических радиоисточников с помощью пакета QUASAR и алгоритм выборки оптимального набора радиоисточников для фиксации небесной системы координат с помощью автоковариационных функций.
В работе [11] автору принадлежит получение каталога радиоисточников из глобального уравнивания РСДБ наблюдений с помощью пакета QUASAR.
В работе [21] автору принадлежит методика выборки оптимального набора источников для фиксации осей небесной системы координат на основе ошибок определения координат радиоисточников и их распределения по небесной сфере. Также автору принадлежит сравнение этой методики е предлагаемой другими авторами.
В работе [22] автору принадлежит построение SINEX файлов для координат станций из обработки РСДБ наблюдений и построение спектров разностей координат станций, получаемых различными техниками по сравнению с ITRF.
В работе [23] автору принадлежат получение величин антенных выносов
станции ,:Сзетлое’: из обработки РСДБ наблюдений для различных интервалов времени и анализ результатов.
В работах [24], [25], [26], [26], [27], [28] автору принадлежат обработка наблюдений с помощью пакета QUASAR, получение суточных SINEX файлов, построение каталогов координат РСДБ станций и радиоисточииков.
Структура и объем диссертации Диссертация состоит из четырёх глав, введения, заключения и трех приложений. В диссертации содержится 21 рисунок, 22 таблицы, список литературы содержит 72 наименования. В приложении А приводятся полученные в работе характеристики стохастических сигналов для различных РСДБ станций. В приложении Б приводится полученный в работе каталог координат радиоисточников. В приложении В приводится полученный в работе каталог координат и скоростей РСДБ станций.
10
Глава 1
Глобальное уравнивание РСДБ наблюдений
Радиоинтерферометрические наблюдения со сверхдлинными базами на глобальных сетях станций проводятся начиная с 1979 года, в основном суточными или часовыми сессиями.
Шумовые сигналы от радиоисточников, записанные на станциях в процессе наблюдений на электромагнитный носитель, отправляются в центр корреляционной обработки. В результате первичной обработки на корреляторе, получаются временные задержки прихода фронта электромагнитной волны от радиоисточника на станции участвующие в данном наблюдении. Эти задержки являются исходным материялом для вторичной обработки для получения параметров вращения Земли (ПВЗ) из обработки суточной многобазовой сессии или всемирного времени из обработки часовой или однобазовой сессии.
Для получения каталогов координат наземных станций и наблюдаемых радиоисточников необходима совместная обработка всех доступных наблюдений (глобальное уравнивание). Глобальное уравнивание позволяет совместно определить как суточные, так и глобальные параметры, которые можно считать постоянными на всем интервале наблюдений, например координаты станций и координаты радиоисточников.
В первой главе излагаются особенности астрометрических РСДБ наблюдений и соответствующей им параметрической модели, приводятся основные формулы метода среднеквадратической коллокации, проводится обоснование использования этого метода и параметры стохастической модели.
11
1.1. Модель астрометрических РСДБ наблюдений
Результатом первичной обработки РСДБ наблюдений на корреляторе является измеренная на каждый момент времени задержка прихода радиосигнала на различные станции. Дальнейшая обработка заключается в том, что эта задержка предвычисляется с помощью редукционных вычислений и сравнивается с наблюдённой. В результате получаются разности О-С ("observatum-calculatum1') наблюдённых и предвычисленных задержек, из которых извлекается информация о поправках к параметрам редукционных моделей.
1.1.1. Основные параметры общей модели редукций
Формула геометрической задержки, преобразованная в геоцентрическую систему координат, согласно IERS Conventions [29] имеет вид:
д V- - *&[1 - (1 + 7)и - - %Ь] - %^(1 + к • V®/2e) ^ t
ТС = ^ 1 | *■{?.+*) +^гГ”
С 1
(1.1)
в которой тс — предвычисленная временная задержка радиосигнала, Ьо - геоцентрический вектор базы, направленный из пункта 1 в пункт 2 в небесной системе координат CRF; с — скорость света, 7 - параметр PPN (для ОТО 7=1), U - некоторый гравитационный потенциал (подробнее см. параграф 2.2.7), V® - барицентрическая скорость геоцентра; щ - геоцентрическая скорость і-го пункта, 5ті — многочисленные редукционные поправки (для учёта атмосферной рефракции, температурной деформации антенн и других).
Вектор направления на радиоисточник получается из экваториальных
координат радиоисточника: К = (cos 8 cos a. cos S sin a, sin 5). Геометрический
—*
вектор базы интерферометра b в земной системе координат TRF получается как разность каталожных координат станций, входящих в данную базу
12
- Київ+380960830922