Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Характеристика использованных данных 14
1.1. Введение 14
1.2. Описание РСДБ программ 15
1.3. РСДБ станции 24
Глава 2. Пакет OCCAM, адаптация для службы ПВЗ 28
2.1. Введение 28
2.2. Обмен данными для службы ПВЗ 29
2.3. Изменения в модели редукции 30
2.4. Расширение возможностей пакета 31
2.5. Температурное расширение антенн 33
2.6. Заключение 38
Глава 3. Результаты определения параметров вращения Земли 42
3.1. Введение 42
3.2. Оценки точности ПВЗ 43
3.3. Сравнение рядов ПВЗ 48
3.4. Влияние различных факторов на оценки ПВЗ 54
3.5. Прогноз параметров вращения Земли 59
3.6. Заключение 66
Глава 4. Результаты определения координат станций и длин баз 68
4.1. Введение 68
4.2. Определение координат станций 68
4.3. Анализ рядов длин баз 73
4.4. Координаты станции "Светлое" 81
4,5. Заключение 83
Глава 5. Оценки тропосферных параметров 88
5.1. Введение 88
5.2. Тропосферная задержка в зените 89
5.3. Тропосферный градиент 90
5.4. Заключение 91
Заключение 96
Литература
- Описание РСДБ программ
- Изменения в модели редукции
- Влияние различных факторов на оценки ПВЗ
- Анализ рядов длин баз
Введение к работе
Координатно-временное обеспечение является одной из основных задач астрометрии со времени ее возникновения. Требования к точности определения земной и небесной систем отсчета и связи между ними постоянно растут по мере развития прикладных и фундаментальных исследований в области различных областей астрономии, геодинамики, геофизики, а также для многих практических приложений в геодезии, космонавтике, изучении природных катаклизмов и в климатологии.
Диссертация написана на основе многолетнего опыта работы службы ПВЗ (параметров вращения Земли) ИПА РАН. Определение ПВЗ из радиоинтерферометрических (РСДБ) наблюдений является одной из важных составляющих работы этой службы. Для послекорреляционной обработки РСДБ наблюдений в рамках работы службы ПВЗ ИПА РАН используется пакет OCCAM. Это современный пакет, который является, наряду с CALC/SOLVE, одним из двух основных пакетов, используемых в мире для массовой обработки РСДБ наблюдений. Работа по его развитию ведется многими пользователями в разных странах. В ИПА РАН используется тщательно протестированная версия пакета, адаптированная для целей службы ПВЗ. Ряды ПВЗ, координат станций, длин баз и тропосферных параметров получены в результате обработки всех суточных сессий РСДБ наблюдений, начиная с 1979 года.
РСДБ наблюдения, ведущиеся уже около 25 лет, вошли в арсенал основных средств современной астрометрии и являются одним из основных методов установления небесной и земной систем отсчета и связи между ними посредством определения из наблюдений параметров вращения Земли. РСДБ является также одним из важнейших инструментов для геодинамических исследований, позволяющим непосредственно измерять деформации земной коры на различных уровнях - локальном, региональном и глобальном. Он позволяет измерять скорость дрейфа материковых плит.
Возросшие практические потребности ведут к необходимости повышения требований к точности и оперативности определения параметров вращения Земли. Наиболее точные ряды ПВЗ получают в меж-
Введение дународной службе вращения Земли (IERS) из сводной обработки индивидуальных рядов ПВЗ, полученных в разных центрах анализа.
Служба ПВЗ ИПА РАН является одним из таких центров анализа, предоставляющим результаты как оперативного определения ПВЗ по мере поступления наблюдений, так и глобальные решения для международных служб, использующих эти данные для выведения сводного решения - IERS и IVS (международная служба PC ДБ для астрометрии и геодезии). Ряды ПВЗ, полученные в ИПА РАН из обработки PC ДБ наблюдений в рамках работы службы ПВЗ, имеют высокую точность и используются при выведении сводных рядов ПВЗ IERS с 1996 года. Поэтому анализ точности получаемых рядов ПВЗ и повышение точности определения ПВЗ на основе усовершенствования моделей редукции и технологии вторичной обработки данных РСДБ (работа над развитием программного обеспечения, выбор стратегии обработки) наблюдений находятся в центре внимания службы ПВЗ ИПА РАН.
Фундаментальная роль РСДБ технологии обусловлена тем, что это единственная техника, позволяющая установить квазиинерциальную небесную систему отсчета путем непосредственного определения координат внегалактических радиоисточников и это единственный из современных методов космической геодезии, позволяющий определять нутацию и всемирное время, обеспечивая таким образом полный набор параметров вращения Земли. В плане установления земной системы координат РСДБ дает наиболее высокую точность на масштабе длинных баз, а также позволяет более надежно определять скорости станций, имеющих достаточно длительную историю наблюдений, поскольку регулярные РСДБ наблюдения ведутся с начала 80-х годов.
В работе представлены долговременные ряды геодинамических параметров - ПВЗ, координат станций, длин баз и неравновесной составляющей тропосферной задержки в зените, которая считается плохо поддающейся моделированию величиной, являющейся одним из самых больших источников ошибок, а также представляющей особенный интерес в климатологических исследованиях.
Актуальность работы обусловлена спецификой метода РСДБ, которая позволяет, в отличие от остальных методов космической геодезии, определять все виды параметров вращения Земли, которые реализуют связь между земной и небесной системами отсчета и используются как фундаментальных исследований вращения Земли, так и в прикладных целях - для редукционных вычислений и навигации. Временные ряды координат станций и длин баз позволяют проводить исследования
Введение 9 движений земной коры на разных масштабах, позволяя изучать как тектонические движения плит, так и смещения земной коры на региональных и локальных уровнях.
Характеристики неравновесной компоненты тропосферной задержки в зените полезны для моделирования этой части групповой задержки, которая составляет самую большую величину (около 20 мм) [73] в бюджете ошибок для задержки и оценивается чаще всего как стохастическая или псевдостохастическая величина.
Для обработки РСДБ наблюдений разработана новая версия пакета OCCAM, обладающая более высокой гибкостью и позволяющая с высокой точностью вычислять параметры вращения Земли, координаты станций и длины баз, а также тропосферные параметры.
Цели работы
Модификация пакета OCCAM с целью увеличения точности и повышения уровня автоматизации обработки РСДБ наблюдений.
Организация регулярных оперативных вычислений ПВЗ, координат станций, длин баз и тропосферных параметров в рамках работы службы ПВЗ ИПА РАН и международных служб IERS и IVS.
Вычисление и исследование долговременных высокоточных рядов ПВЗ, координат станций, длин баз и тропосферных параметров из обработки всех имеющихся в наличии суточных сессий РСДБ наблюдений, анализ их точности и выявление основных закономерностей.
Научная новизна работы
Впервые в отечественной практике получены длительные 24-летние высокоточные ряды ПВЗ, координат станций, длин баз и тропосферных параметров (задержка в зените, градиенты).
Разработана новая версия пакета OCCAM, обладающая рядом преимуществ по сравнению с предыдущей.
Предложена уточненная модель учета температурного расширения антенн.
Введение
Исследовано влияние различных факторов на точность определения ПВЗ и координат станций (состав наблюдательной сети, модель редукции, состав определяемых параметров).
Определены параметры линейного тренда и сезонной составляющей для неравновесной составляющей тропосферной задержки в зените, проведено сравнение со среднесуточными метеоданными.
Определены скорости изменения длин баз. Для европейского региона проведено сравнение рядов длин баз, полученных из GPS и PC ДБ данных на 6-летнем интервале наблюдений.
Определены координаты станции "Светлое", наблюдения на которой по программам IVS начались в марте 2003 года.
Научная и практическая значимость работы
Модифицированный пакет OCCAM применяется в регулярной работе службы ПВЗ ИПА РАН и полученные данные используются в работе международных служб IERS и IVS. Точность результатов находится на уровне лучших мировых центров анализа РСДБ наблюдений.
Полученные долговременные ряды ПВЗ, координат станций, длин баз и тропосферных параметров служат важным материалом для многих геофизических исследований, изучения деформаций земной коры и климатологических исследований.
Результаты исследования различных факторов, влияющих на точность получаемых данных позволяют исследовать источники систематических ошибок.
Предложенная модель температурных деформаций РСДБ антенн позволяет более корректно производить учет этого эффекта.
Методика и программы прогнозирования ПВЗ используются в регулярной работе службы ПВЗ ИПА РАН с 1996 г.
Апробация работы
Результаты, полученные в диссертации, представлялись на семинарах и Ученых советах ИПА РАН, на отечественных и международных конференциях:
Введение "Современные проблемы и методы астрометрии и геодинамики", Санкт-Петербург, 1996 г.; XXVII Всероссийская радиоастрономическая конференция, Санкт-Петербург, 1997 г.; "Радиоастрономия в космосе", Школа-семинар молодых радиоастрономов, Путино, 1998 г.;
IAU Coll. 178 "Polar Motion: Historical and Scientific Problems", Италия, 1999; IX Astronomical Data Analysis and Software Systems Conference, США, 1999; 1st IVS General Meeting, Германия, 2000;
Астрометрия, небесная механика и геодинамика на пороге XXI века, Санкт-Петербург, 2000;
Всероссийская астрономическая конференция ВАК-2001, Санкт-Петербург, 2001 г.;
15th European VLBI Meeting, Испания, 2001;
2nd IVS General VLBI Meeting, Япония, 2002; EGU Meeting, Франция, 2002; OCCAM Workshop, Австрия, 2002; Journees 2003, Astrometry, Geodynamics and Solar System Dynamics: from Milliarseconds to Microarcseconds, Санкт-Петербург, 2003;
3nd IVS General VLBI Meeting, Канада, 2004.
Публикации по теме диссертации и вклад автора:
Материалы диссертации опубликованы в 26 работах [35-46,60-71, 93,97] общим объемом 116 страниц, из которых 17 написаны совместно с другими авторами. В совместных работах [35-37] автору принадлежат результаты тестирования методов прогноза координат полюса и всемирного времени и выбор оптимальных параметров для комбинированной модели, а также участие в разработке матобеспечения. В работах [38,40,44,46,71] автором получены ряды ПВЗ, координат станций, длин баз и тропосферных параметров из обработки РСДБ наблюдений. В работе [41] автору принадлежит адаптация пакета OCCAM для участия в службе ПВЗ ИПА РАН. В работах [42, 69, 70] автору принадлежат результаты определения ПВЗ в разных режимах с пакетом OCCAM, анализ полученных данных производился совместно. В работах [39,43,45] автором вычислены ряды длин баз по данным РСДБ наблюдений. В работе [97] автор принимал участие в организации и обработке РСДБ наблюдений с участием станции "Светлое" и в работе по уточнению ее координат. В работе [93] автором вычислены
Введение ряды длин баз по РСДБ данным и влияния атмосферной нагрузки на изменение длин баз, проведен спектральный анализ результатов.
Структура и краткое содержание диссертации
Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и приложения. Объем диссертации составляет 127 страниц. Диссертация содержит 32 таблиц, 12 рисунков и список литературы из 100 названий.
Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цели работы, указаны научная новизна, научная и практическая значимость результатов работы, перечислены результаты, выносимые на защиту, приведены структура и содержание диссертации, указаны печатные работы, в которых опубликованы основные результаты и определена доля участия автора в совместных публикациях.
В первой главе содержится описание программ РСДБ наблюдений, проводившихся с 1979 года по настоящее время. Указаны цели, количество сессий и состав наблюдательных сетей для основных типов РСДБ программ. Приведена статистика наблюдений по годам и статистика наблюдений для станций.
Во второй главе приведено описание версии пакета OCCAM, использующейся в службе ПВЗ ИПА РАН. За шесть лет эксплуатации пакета в службе ПВЗ ИПА РАН в нем произведены значительные изменения с целью приведения его в соответствие с IERS Conventions (2003), другими современными моделями редукции, расширения его возможностей и удобства в работе, а также автоматизации вычислений. В настоящее время пакет позволяет производить обработку отдельных сессий РСДБ наблюдений с точностью на уровне других ведущих центров анализа. В частности, автором произведены следующие доработки пакета: изменение кода для обеспечения возможности обработки сессий с большим количеством наблюдений; возможность определения горизонтального градиента тропосферы; учет эксцентриситетов мобильных станций, что дает возможность обрабатывать наблюдения всех станций международной РСДБ сети; доработка модели учета температурной деформации антенн для корректного учета этого эффекта для всех типов антенных монтировок;
Введение автоматическое обновление каталога радиоисточников, что значительно упрощает обработку наблюдений при регулярно появляющихся новых источниках; другие многочисленные улучшения в пакете.
Третья глава посвящена вычислению и анализу рядов ПВЗ, полученных в настоящей работе. Приводится анализ точности рядов ПВЗ. Проведен анализ ПВЗ, полученных с разными пакетами, каталогами и на разных сетях станций. Исследовано влияние различных факторов на точность ПВЗ.
В четвертой главе приводятся результаты определения координат и скоростей станций и длин баз. Проведено сравнение длин баз для европейских сетей GPS и PC ДБ станций. Особое внимание уделено определению координат станции "Светлое", начавшей регулярные РСДБ наблюдений с марта 2003 года. Рассмотрено также изменение координат и скорости станции Gilmor Creek после землетрясения на Аляске в ноябре 2002 года. Также рассмотрено влияние некоторых факторов на определение координат станций из анализа долговременных временных рядов.
В пятой главе проводится анализ долговременных рядов неравновесной составляющей тропосферной задержки в зените (WTD). Определяются характеристики долговременных рядов неравновесной составляющей тропосферной задержки в зените - параметры линейного тренда и величина амплитуды сезонной составляющей. Проводится сравнение с рядами среднесуточных метеоданных, а также с результатами других центров анализа.
В приложении 1 приводятся статистические данные о количестве РСДБ наблюдений и составе различных сетей РСДБ станций.
В приложении 2 приведены сведения о РСДБ станциях, характеризующие географическое положение, геометрию антенн, а также их активность в процессе РСДБ наблюдений.
В заключении сформулированы основные результаты, полученные в диссертации.
Описание РСДБ программ
Наблюдения по проекту POLARIS (1980 - 1983) курировались национальной геодезической службой США. Дважды в месяц с ноября 1980 г. велись наблюдения на одной базе Хайстек (шт. Массачусетс) - HRAS 085 (шт. Техас, Гарвардская радиоастрономическая станция). С июня 1981 года обсерватория в Хайстеке была заменена станцией Westford (шт. Массачусетс) и наблюдательные 24-часовые сеансы стали проводиться раз в неделю. Позднее к наблюдениям по этому проекту присоединилась шведская станция Onsala, наблюдая раз в месяц, для расширения сети POLARIS до трансатлантической. Вскоре стало очевидно, что длинные базы через Атлантику существенны для обеспечения полной точности мониторинга параметров вращения Земли методом РСДБ. С 1983 года вступила строй третья станция проекта POLARIS в Ричмонде (Richmond, шт. Флорида), что позволило начать полноценный мониторинг параметров вращения Земли. В конце 1983 года начались наблюдения на только что построенном геодезическим радиотелескопе Wettzell на юго-востоке Германии, что позволило значительно увеличить чувствительность и точность измерений. Всего по этой программе выполнено 151 сеансов наблюдений, большинство наблюдений поводилось на одной базе, 29 сессий - на сети из трех или четырех станций.
Для станции Wettzell конструкция специализированного геодезического радиотелескопа была частью более широкой концепции геодинамической фундаментальной станции, которая объединяла бы различные техники, такие как SLR, GPS, LLR, оптические и допплеровские наблюдения, также как инструменты дополнительного геодезического мониторинга на одной станции, чтобы иметь возможность для сравнения и объединения РСДБ данных, так и данных, полученных с помощью других методов космической геодезии.
Наблюдения по проекту CDP (Crustal Dynamic Project) начались 1979 году, проект был основан NASA с целью глобального изучения движения плит. Основной целью проекта было исследование движения плит в настоящее время, определение направления и скоростей движения плит и выявление характера этого движения - является оно непрерывным или эпизодическим, исследование плит на внутреннюю стабильность. РСДБ наблюдения по этому проекту проводились в 1979— 1988 гг., всего 95 сессий, в наблюдениях участвовали от 3 до 7 станций.
Проект IRIS (International Radio Interferometric Surveying). Цель программы IRIS - увеличение частоты наблюдательных сессий до уровня, который обеспечивает квазинепрерывный мониторинг параметров вращения Земли. Концепция мониторинга была предложена на Симпозиуме IAG N82 "Time and Earth s Rotation" в Сан-Фернандо, Испания в 1978 под аббревиатурой POLARIS.
Проводилось три серии программ наблюдений IRIS: А - Athlantic, Р - Pacific, S - South. IRIS-A сессии проводились с 1984 по 1993 год, сначала раз в пять дней, с 1991 года - раз в неделю, всего 652 сессии, в каждом эксперименте участвовало от 3 до 6 станций, чаще всего 3-4 станции (Westford, Richmond, HRAS 085, Wettzell), наблюдая в 1984-1989 гг. по 14-15 источников за сессию, а с 1990 г. - по 24-27 источников. С 1993 г., когда организационная и финансовая реструктуризация стали причиной перехода проекта под начало морской обсерватории США (USNO - US Naval Observatory) под названием NEOS (National Earth Orientation Service), наблюдения по программе IRIS-A сменились наблюдениями по программе NEOS-A.
Цель IRIS-S (International Radio Interferometric Surveying - South) сессий - продолжить серию измерений по определению полного набора параметров вращения Земли, компонентов длин баз и положений внегалактических радиоисточников. Наблюдения по этой программе проводились с января 1986 по декабрь 2001 года, всего 165 сессий (134647 задержек). Эти сессии проводились один раз в месяц, планировались и коррелировались в Бонне. В каждом эксперименте в среднем участвовало по 5 станций, наблюдая в среднем 31 источник за сессию. Стандартная конфигурация сети эксперимента состоит из четырех станций - одна станция в США (Westford, шт. Массачусетс), одна станция в Южной Африке (HARTRAO), одна станция в Европе (Wettzell, Германия) и одна станция в Южной Америке (Fortaleza, Бразилия). С добавлением к сети с января 1997 г. станции Fairbanks (Gilcreek, Аляска) эти эксперименты стали давать ПВЗ хорошего качества. Когда в наблюдениях участвует антарктическая станция O Higgins, к сети добавляются две или более станций южного полушария. Вместе со станциями O Higgins и Hobart26 (Тасмания) сеть состоит из семи станций. Эта сеть с длинными базами в направлении север-юг, также запад-восток, а также широкополосными возможностями, обеспечивает хорошее определение ПВЗ даже с антенной O Higgins.
Наблюдения по программе IRIS-P (Pacific network) - при участии японских станций проводились с 1987 по 1994 год. Всего 90 проведено сессий (10-12 сессий в год). В каждой сессии участвовало в основном 3-4 станции (Gilcreek, Hobart26, Kauai, Kokee, Mojave, Kashima), наблюдая от 15 до 24 источников.
Для определения изменений в ориентации Земли в высокой точностью для высокоточной системы навигации и для других правитель-ственных учреждений США было решено начать РСДБ программу мониторинга ПВЗ, используя только американские радиотелескопы. Созданная морской обсерваторией США (USNO) сеть NAVNET состояла из радиотелескопов в Западной Вирджинии, Флориде, на Аляске и Гавайях. Наблюдения по этой программе начались в мае 1991 года. Расписания сетей NAVNET и IRIS-A были составлены таким образом, чтобы наблюдения проводились в начале и конце рабочей недели, что позволяло проводить корреляционную обработку в течение пяти дней после наблюдений. Наблюдения экспериментальной серии NAVNET (сессии NAVEX) производились раз в месяц одновременно с другими РСДБ экспериментами (IRIS-A или IRIS-S) для установления (подтверждения) точности измерения ПВЗ и подтверждения существования внутрисуточных вариаций ПВЗ. NAVY, NAV эксперименты проводились с 1989 по 1992 год для регулярного мониторинга ПВЗ, под руководством Военно-морской обсерватории США. Дальнейшее развитие эксперименты получили в программе NEOS-A.
Сессии по программе ATD (Analysis and Technique Development) проводились в 1987 - 1988 гг. в рамках CDP проекта NASA с целью совершенствования РСДБ технологии. Высококачественная сеть станций с высокой скоростью слежения (за исключением антенны Ft. Davis): Mojave(Kajn opHiia), Westford (Массачусетс), Fairbanks (Аляска), Ft. Davis (Техас). Всего поводилось 18 экспериментов: ежемесячно в 1987 году и раз в два месяца в 1988 году. Эти серии были почти однородными: 5 сессий использовали модифицированы сети; Ft. Davis не использовался в феврале, ноябре и декабре 1987 г.. Станция Goldstone-DSS13 (СА) была заменена станцией Ft. Davis в июле 1988, станция Pie town (Нью Мехико) была заменена станцией Fairbanks.
Изменения в модели редукции
В процессе эксплуатации пакета OCCAM в службе ПВЗ ИПА РАН для удобства использования и автоматизации процесса вычислений в пакет были внесены существенные изменения. Также были исправлены замеченные недостатки (обо всех из них сообщается координатору пакета Титову О.А,).
В предыдущей версии пакета были ограничения по количеству станций, баз, источников в каждой сессии и количеству наблюдений, что не позволяло обрабатывать некоторые виды РСДБ сессий. Границы соответствующих массивов были изменены, что дало возможность обрабатывать даже самые объемные RDV сессии.
Для автоматизации счета используется командный файл, при запуске которого можно указать тип файлов, который следует обработать или промежуток времени, из которого нужно выбрать соответствующие файлы. Необходимые для обработки файлы автоматически выбираются из базы данных.
Для упрощения работы с пакетом была изменена его структура -все пять частей пакета, которые были написаны как отдельные программы, были включены в единую программу в виде подпрограмм. В настоящей версии пакета используется два типа конфигурационных файлов - единый для всех сессий occam-a.cfg, в котором указываются параметры, общие для всех сессий, и файлы для отдельных сессий, в которых отражаются особенности обработки индивидуальных сессий, имеющих свои особенности. Такие файлы накапливаются в специальной директории и используются при массовой обработке данных.
Иногда в ngs-файлах встречаются ошибки - дублируются наблюдения или в формате вывода встречаются строчки, содержащие " "; такие данные автоматически исключаются из обработки, а сообщения об ошибках выводятся в log- файл для каждой сессии. Также автоматически исключаются из обработки базы, содержащие малое количество наблюдений (это количество указывается в общем конфигурационном файле).
Для оптимизации процедуры оценивания параметров в качестве опорной станции выбирается станция по специальному алгоритму, учитывающему как количество наблюдений, так и равномерность наблюдений в течение сессии (отсутствие больших пропусков по времени или поздний старт). Также имеется возможность выбора опорной станции из каких-то других соображений - ее можно указать или в общем для всех сессий конфигурационном файле или в конкретном конфигурационном файле для данной сессии.
В общем для всех сессий конфигурационном файле указывается информация, касающаяся моделей или отдельных опций в процессе редукции, выбора априорных данных (опорного файла ПВЗ, эфемерид, каталогов радиоисточников и координат и скоростей станций, а также файлов океанической и атмосферной нагрузки, файла опорных температур для учета температурных деформаций антенн), способа интерполяции опорных ПВЗ. Здесь же можно указать величины, относящиеся к способу представления оцениваемых величин - порядок полинома для функции часов, тропосферы и атмосферного градиента, а также режим вычислений - оценивать ПВЗ или координаты станций, оценивать или нет тропосферные градиенты, а также величину аддитивной ошибки, (постоянный фактор, который можно добавлять к априорным ошибкам, чтобы хи-квадрат был ближе к 1).
В конфигурационном файле для данной сессии можно указать опорную станцию для данной сессии, аддитивную ошибку (общую величину для всех станций или значение этой величины для какой-то отдельной станции). Можно указать величину спектральной плотности для отдельной станции и общую для всех станций, если мы хотим использовать значения, отличающиеся от стандартных, используемых в пакете (для тропосферной задержки в зените и коэффициентов функции часов). Если сессия содержит скачок функции часов для каких-то из станций, для исключения скачка следует указать название станции и номер наблюдения со скачком.
Также можно выбрать порядок полинома для функции часов или тропосферной задержки в зените. Можно также указать станцию, базу или номера отдельных наблюдений, которые мы хотим исключить из обработки. Имеется также возможность предварительной коррекции часов.
Добавлена возможность оценивания тропосферного градиента как одного из стохастических (или регулярных) параметров.
Вывод результатов определения ПВЗ производится в формате IERS. В отдельный файл выводятся ПВЗ, имеющие или слишком большое отклонение от опорного файла ПВЗ или слишком большое количество неиспользованных в обработке (перевзвешенных) наблюдений.
Результаты определения координат станций выводятся также в SI-NEX формате. Результаты определения тропосферных параметров также выводятся в файл в формате, подобном SINEX, разработанном в IVS специально для тропосферного проекта.
Анализ длин баз, полученных из РСДБ наблюдений, показал, что имеются сезонные вариации длин баз с амплитудой п несколько миллиметров (до 1-1.5 см) [81]. Естественно связать это с сезонным ходом температур и как следствие, температурными деформациями РСДБ антенн. Поскольку они имеют большие размеры и металлическую конструкцию, изменение их размеров вследствие температурных дефор Глава 2. Пакет OCCAM, адаптация для службы ПВЗ 34 маций может достигать величин, заметных для измерения и проявляющихся, в частности, в сезонных вариациях длин баз как одна из возможных причин этих вариаций.
В IERS Conventions (2003) содержатся рекомендации для учета температурных деформаций. Но соответствующие формулы даны только для двух типов наиболее часто встречающихся монтировок антенн -азимутальной и полярной, причем для азимутальной монтировки принимается, что смещения осей нет, это верно для большинства антенн такого типа, но не для всех 2.1. Антенны с другими типами монтировок (горизонтальной и специфическая монтировка у антенны Ричмонд) встречаются реже, хотя такие антенны, как, например, Fairbanks (Gilmor Creek) и Hobart26, наблюдают достаточно много и регулярно. Поэтому необходимо получить формулы для учета температурных деформаций для всех типов монтировок РСДБ антенн.
В таблице 2.1 приведены статистические данные, свидетельствующие о наблюдательной активности РСДБ антенн. Указан период, в течение которого наблюдала антенна, количество наблюдательных сессий, в которых она участвовала, тип монтировки и в последней колонке приводится величина смещения осей телескопа (в метрах). Для типов монтировок приняты следующие обозначения: AZEL - азимутальная, EQUA - полярная, XY — N - горизонтальная (север-юг), XY — Е — горизонтальная (запад-восток).
Таким образом, отличия (по сравнению с моделью IERS Conventions (2003)) в получаемых результатах (ПВЗ, координатах станций, длинах баз) следует ожидать для станций с горизонтальным типом монтировки (GILCREEK, KAUAI, HOBART26), станции RICHMOND, а также станций с азимутальной монтировкой, имеющих сдвиг между осями (NRAO20, КОКЕЕ, NYALES20, MEDICINA, NOTO, LA-VLBA, FD-VLBA, PIETOWN, NL-VLBA, SC-VLBA) и, соответственно, для тех сессий, в которых эти станции принимали участие.
Влияние различных факторов на оценки ПВЗ
Для дальнейшего исследования возможных источников систематических ошибок определения ПВЗ и оценки их точности проведен сравнительный анализ ПВЗ, вычисленных на разных сетях станций, а также в разных релсимах обработки (с разными станциями в качестве опорных, с учетом температурных деформаций РСДБ антенн и без, с разными способами учета атмосферной нагрузки, с учетом и без учета горизонтального градиента тропосферы, с разными способами интерполяции опорного ряда ПВЗ). Результаты всех перечисленных вариантов сравнения приведены в таблице 3.14.
Исследование влияния выбора опорной станции на оценки ПВЗ проводилось для 83 сессий с одинаковым составом станций по программе NEOS-A а также для 14 сессий по программе CONT02. В этом тесте вычислялись ПВЗ с использованием каждой из станций в качестве опорных. Ряды разностей ПВЗ, вычисленных с разными опорными станциями, показывают значимые систематические различия для координат полюса, но величина их небольшая, до 30 //as, что лежит в пределах точности рядов ПВЗ.
Многие исследователи отмечают систематические разницы в рядах ПВЗ, полученных на разных сетях РСДБ станций. Мы провели сравнение ПВЗ, полученных по программам NEOS-A и CORE-A для 80 сессий за период с 1997 по 2001 год (наблюдения по этим программам были организованы таким образом, что они производились одновременно на двух глобальных сетях, по 5-6 станций в каждой из них) которые показывали наличие систематической разности при обработке с помощью старой версии пакета OCCAM и пакета ЭРА в системе каталога станций ITRF97. При этом был обнаружены существенные систематические разности между результатами, полученными по программам NEOS-A и CORE-A [69,70].
Однако величина систематического сдвига оказывается практически незначимой при вычислениях с последней версией ОССАМа в системе каталога VTRF2003, полученного в Центре сводной обработки IVS (Геодезический институт Боннского университета). В ИПА РАН этот каталог был дополнен более точными координатами станций Светлое и GGAO (после ее перемещения на постоянный фундамент), и в настоящее время он используется для рабочих вычислений. Полученные результаты подтверждают предположение ряда авторов о том, что основная причина систематических различий между ПВЗ, полученных
Было проведено дополнительное исследование систематических разностей для отдельных подсетей стенций для программ NEOS-А и CORE-А. Из всего ряда наблюдений по этим программам были выбраны наблюдения с одинаковый составом станций и исследовались систематические разности этих выборок ПВЗ по отношению к ряду ПВЗ IERS(C04). В таблице 3.15 приведены значения приведены значения систематических сдвигов (значение относится к середине интервала) - в верхней строчке, для Хр, Yp, dtp и de в //as, для UT1 в //s; во второй строке - дрейф: для Хр, Fp, dip и de в //as/год, для UT1 в /is/год. В третьей строчке приведены значения wrms(B тех же единицах, что и значения сдвигов). Слева приведены интервал времени, количество сессий, программа (обозначены: NA - NEOS-A, С А CORE-А) и состав сети. Названия станций приведены в двухбуквенном сокращении, полное название можно посмотреть в приложении 2. Видно, что изменение состава сети станций приводит к заметным систематическим смещениям относительно ряда IERS(C04).
Для учета влияния температурных деформаций на оценки ПВЗ рассматривались разности между рядами этих величин, полученными с учетом температурных деформаций (с опорной температурой 20С) и без. Ряды ПВЗ были получены по программе NEOS-A с мая 1993 года. Разности в величинах координат полюса, вычисленных с учетом температурных деформаций и без учета, представлены на 3.1 Их величины лежат в основном в пределах от -0.01 до 0.02 mas и для всемирного времени от - 0.01 ms до 0.03 ms и имеют годовую периодическую составляющую.
В случае, когда в качестве опорной температуры используются средние для каждой станции величины (вычисленные за весь период наблюдений), заметных сезонных вариаций в разностях рядов ПВЗ не наблюдается. По-видимому, это связано с тем, что координаты опорной точки радиотелескопа при выводе каталогов координат и скоростей станций ITRF2000 и VTRF2003 были отнесены именно к средним температурам на каждой из станций. Поэтому при учете температурных деформаций РСДБ антенн в качестве опорной температуры рекомендуется использовать среднее значение температуры на станции.
Анализ рядов длин баз
Результаты GPS и РСДБ наблюдений на европейских станциях, ведущих наблюдения обоими методами, были проанализированы с целью изучения изменений длин баз. РСДБ данные получены из обработки с пакетом OCCAM, при этом использованы все доступные наблюдения, полученные как на европейских, так и на глобальных сетях. Для повышения точности определения горизонтальной составляющей смещения станций применена усовершенствованная модель температурных деформаций РСДБ антенн. GPS данные получены путем пеработки официальных недельных решений EPN (European Permanent GPS Network), в результате которой были получены длительные однородные ряды координат станций. Определены как линейные, так и сезонные составляющие в изменении длин баз. Наблюдается хорошее согласие между скоростями изменений длин баз, полученными по РСДБ и GPS данным. Однако, для сезонных составляющих обнаружены существенные расхождения между результатами, полученными по двум методам наблюдений.
Европейский регион является одним из наиболее интенсивно изучаемых районов земного шара с точки зрения региональной геодинамики. Здесь расположены более 100 постоянно работающих GPS приемников, около 10 регулярно наблюдающих РСДБ станций и более 10 SLR станций, не считая временных станций, особенно вокруг Средиземного моря. Накоплен и регулярно обрабатывается большой массив наблюдательных данных. При этом в последнее время большое внимание уделяется сравнению результатов, получаемых разными методами космической геодезии.
Настоящая работа посвящена определению изменений в длинах баз между европейскими РСДБ и GPS станциями и сопоставлению результатов, получаемых методами РСДБ и GPS. Она продолжает цикл работ по этой проблеме, например, [6,7,78-80,82], При этом следует отметить, что наблюдаемые изменения длин баз подвержены, с одной стороны, ошибкам, связанным с недостаточным учетом наблюдательных ошибок, например, температурных деформаций РСДБ антенн или ошибок моделирования тропосферной рефракции, и, с другой стороны, влиянию ряда недостаточно изученных или недостаточно учитываемых геофизических факторов, приводящих к реальному изменению длин баз, таких как атмосферная и снежная нагрузки, земные приливы, послеледниковое поднятие и др. Важно, что большинство этих влияний содержат как сезонные, так и вековые компоненты. Некоторые из них обсуждаются ниже.
В этой работе мы анализируем результаты РСДБ и GPS наблюдений на б европейских станциях (Wettzell, Nyales20, Matera, Medicina, Noto, Onsala60), ведущих регулярные наблюдения обоими методами и имеющих достаточно долгую наблюдательную историю.
Длины баз по РСДБ данным были получены с пакетом OCCAM с использованием всех доступных 24-часовых наблюдательных сессий за период 1983.9-2001.5. Метод вычислений близок к описанному в [63].
Отличительной особенностью этих вычислений является использование модифицированной методики учета температурных деформаций РСДБ антенн [65,68], позволяющей более точно учитывать эти деформации, по сравнению с моделью, рекомендованной IERS Conventions (2003). Заметим, что недостаточный учет температурных деформаций антенн может быть одной из возможных причин появления сезонно Глава 4. Результаты определения координат станций и длин базго члена в длинах баз и его зависимости от длины базы, найденных, например, в [81].
Заметим, что в настоящем исследовании мы не учитываем временную задержку в нагреве/остывании конструкций и фундамента радиотелескопа по сравнению с изменением температуры воздуха, что рекомендуется IERS Conventions, поскольку для подавляющего числа антенн такие данные отсутствуют. Однако это не должно приводить к ошибкам при изучении сезонных вариаций длин баз, поскольку на сезонных масштабах времени наличие такой задержки не является существенным (разумеется, это не так для внутрисуточных вариаций положения точки пересечения осей телескопа).
Скорости линейного тренда в длинах баз вычислены в двух вариантах: по всему периоду наблюдений и за 1996-2001 гг. для более аккуратного сопоставления с GPS данными. Различия в скоростях станций, полученных по двум интервалам наблюдений, находятся в пределах ошибок их определения, поэтому в дальнейшем мы используем только данные, полученные во втором варианте, если это не оговорено особо.
Полученные изменения длин баз приведены на рис. 4.4.
Для вычисления длин баз по GPS данным были использованы недельные решения EPN (European Permanent GPS Network), официально распространяемые в виде SINEX-файлов. Однако, эти решения в оригинальном виде не пригодны для получения однородных долговременных рядов координат станций из-за периодических изменений в опорной системе координат и составе опорных станций. Поэтому их прямое использование приводит к скачкообразным изменениям в длинах баз [79]. Кроме того, метод получения официальных недельных решений EPN основан на использовании фиксированных координат 8-11 опорных станций, что приводит к искажению геометрии сети, т. е. к фиктивным изменениям в длинах баз [33,34].
Для получения однородного ряда координат станций официальные недельные решения EPN были переработаны путем удаления жесткой привязки к координатам опорных станций и дальнейшей трансформацией полученных решений к ITRF2000 [52,54]. Такая процедура позволяет получить ряды координат станций, практически свободные от внутрирегиональных деформаций, В настоящей работе мы использовали приведение решения к системе ITRF2000 с помощью 6-параметрического преобразования Хелмерта (т. е. только сдвиг и поворот), чтобы избежать возможного искажения сезонной составляющей в изменениях длин баз.
