Решение задач фундаментального координатно-временного обеспечения классическими и спутниковыми методами тема автореферата и диссертации по астрономии, 01.03.01 ВАК РФ

- РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ИНСТИТУТ ПРИКЛАДНОЙ АСТРОНОМИИ

На правах рукописи УДК 519.2+521+522

МАЛКИН Зиновий Меерович

Решение задач фундаментального координатно-временного обеспечения классическими и спутниковыми методами

Специальность 01.03.01 Астрометрия и небесная механика

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

С.-Петербург 1997

Работа выполнена в Институте прикладной астрономии РАН.

Официальные оппоненты:

академик НАН Украины,

доктор физико-математических наук Я.С.Яцкив

доктор физико-математических наук Г.А.Красинский доктор физико-математических наук Л.С.Юношев

Ведущая организация: Главная астрономическая обсерватория РАН

Защита состоится 26 июня 1997 г. в 15 час. на заседании диссертационного совета Д-200.06.01 при Институте прикладной астрономии РАН (197110, С.-Петербург, Ждановская ул., д. 8) по защите диссертаций на соискание ученой степени доктора физико-математических наук.

Отзывы на диссертацию и автореферат направлять в адрес диссертационного совета.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института прикладной астрономии РАН.

Автореферат разослан

мая 1997 г.

Ученый секретарь доктор физ.-мат. наук

А.Т.Байкова

Общая характеристика работы

Актуальность темы диссертации

По мере развития фундаментальных и прикладных исследований в области астрометрии, геодинамики, геофизики, исследования космоса, а также для многих практических приложений в таких областях как геодезия, космонавтика, изучение природных катастрофических явлений, обороны и др., непрерывно повышаются требования к точности определения земной и небесной систем координат и связи между ними, задаваемой параметрами вращения Земли (ПВЗ), а также синхронизации шкал времени. Сравнительно недавно эта область астрометрии получила название координатно-временное обеспечение (КВО), хотя перечисленные задачи являются основными для астрометрии со времени ее возникновения.

Возросшие практические потребности, с одной стороны, и необходимость более детального изучения многих геофизических и геодинамических явлений, с другой стороны, выдвигают новые требования к точности и оперативности ПВЗ. Международная служба вращения Земли (1Е118) ставит задачу довести в течение ближайших пяти лет точность определения ПВЗ до 0.0001". Разумеется, здесь имеется в виду точность сводного ряда ПВЗ, получаемого в 1ЕШэ как результат сводной обработки индивидуальных рядов, вычисляемых в различных обрабатывающих центрах. С другой стороны, решение многих современных проблем наук о Земле невозможно без повышения точности определения координат станций и положения геоцентра на миллиметровом уровне точности. Для решения этих задач необходимо, в первую очередь, добиваться повышения точности самих индивидуальных рядов ПВЗ и координат станций, получаемых на основе обработки данных наблюдений различными методами.

В течение многих десятилетий основными и наиболее точными инструментами для определения ПВЗ и координат станций были классические инструменты служб времени и широты. Эти же инструменты вносили заметный вклад в создание звездных каталогов, т.е. небесной системы координат. Реальная предельная точность этих инструментов лежит в пределах 0.05 — 0.1" и даже такой невысокой, по современным понятиям, точности приходилось добиваться индивидуально на каждом инструменте, непрерывно совершенствуя методику исследования инструмента, наблюдений и их обработки. Поэтому работы, направленные на

повышение точности результатов наблюдений времени и широты, всегда были актуальны для науки и практики.

.Точность определения параметров вращения Земли и координат станций классическими методами не позволяет решать многие задачи фундаментальной науки и практики с необходимой точностью. К таким задачам относятся изучение целого класса явлений, связанных с динамикой Земли, взаимодействием жидкого и твердого ядра, ядра и мантии, мантии и атмосферы, движение тектонических плит и геоцентра, изу-• •ние локальных деформаций земной коры, вызывающих, в частности, природные катастрофические явления, высокоточная наземная и космическая навигация, баллистическое обеспечение геодезических и навигационных ИСЗ и др. Поэтому в течение последних 20 лет развились принципиально новые методы получения координатно-временной информации с точностью, превышающей на два-три порядка точность классической астрометрии, т.е. на уровне 0.0001—0.0003". В настоящее время основные данные о ПВЗ и земной системе координат дают три метода наблюдений: радиоинтерферометрия со сверхдлинными базами (РСДБ), лазерная локация ИСЗ (SLR) и глобальная навигационная система GPS, имеющие примерно одинаковую точность.

РСДБ наблюдения позволяют независимо определять все типы ПВЗ: координаты полюса, всемирное время UT1 и поправки к углам нутации. Они же позволяют поддерживать наиболее точную на сегодняшний день небесную систему координат, опирающуюся на координаты внегалактических радиоисточников. Наконец, это один из основных методов изучения глобальных деформаций земной коры. Поэтому метод РСДБ является базовым для системы КВО. В то лее время его применение ограничено в силу сложности и дороговизны наблюдений и принципиальной невозможности привязки координатных определений к геоцентру.

Спутниковые методы эффективны, в основном, для определения координат полюса и длительности суток, а также позволяют определять всемирное время на ограниченных интервалах времени (на длительных интервалах необходимо использование данных РСДБ для периодической калибровки). Кроме того, они обеспечивают наиболее оперативное определение координат полюса и, с некоторыми ограничениями, UT1. Эти наблюдения также являются самым точным средством определения геоцентрических координат станций и положения геоцентра (хотя при изучении их изменений большой вклад вносят также и РСДБ наблюдения).

Применение ИСЗ является в настоящее время одним из основных

средств решения многих задач геодезии, геофизики и геодинамики. Для этой цели применяются две группы ИСЗ - геодезические, имеющие устойчивые орбиты, специально разработанную конструкцию для минимизации внешних воздействий на эволюцию орбиты и снабженные уголковыми отражателями для высокоточных светодальномерных измерений, и навигационные, обеспечивающие высокоплотные радиотехнические измерения. Хотя у каждого из этих методов имеются свои достоинства и недостатки, их применение позволяет решать задачи определения координат, движений земной коры и определения параметров вращения Земли, обеспечивая высокую временную и пространственную плотность результатов. недоступную РСДБ. Таким образом, работы, направленные на освоение и использование методов, связанных с наблюдениями ИСЗ, для решения задач КВО безусловно актуальны.

Цели работы

Основными целями настоящей работы являются:

1. Исследование методов определения ПВЗ и координат станций и поиск путей повышения их точности.

2. Анализ методов обработки наблюдений с целью изучения и, по-воз-можности, уменьшения методических ошибок.

3. Получение высокоточных значений ПВЗ и координат станций.

4. Разработка принципов построения и создание службы определения ПВЗ.

5. Создание и исследование локальных геодезических сетей РСДБ комплекса КВАЗАР.

По мере выполнения работы были поставлены и решены следующие конкретные задачи:

1. Построение новой теории инструментальных ошибок фотографической зенитной трубы (ФЗТ).

2. Определение всемирного времени, долготы места и вывод каталога звезд международной программы наблюдений на ФЗТ в Китабе.

3. Определение параметров нутации Земли по наблюдениям на ЗТ.

4. Разработка оптимальной методики высокоточного вычисления ПВЗ из SLR наблюдений.

5. Разработка методов оперативного определения ПВЗ из SLR наблюдений с задержкой порядка 2 суток без потери точности и создание структуры службы определения ПВЗ (обмен данными, прогнозирование, вычисление суточных рядов ПВЗ, автоматизация оперативных вычислений и т.д.).

6. Определение координат российских станций в глобальной координатной системе по результатам GPS наблюдений кампании BSL'93.

7. Создание и исследование локальных геодезических сетей наблюдательных пунктов (НП) РСДБ комплекса КВАЗАР;

8. Создание программной системы для высокоточного анализа SLR наблюдений^ рядов ПВЗ и геодезических измерений.

Научная новизна работы

1. Разработана новая теория инструментальных ошибок ФЗТ, основные выводы которой прилолшмы также для фотоэлектрической зенитной трубы (ФЭЗТ), построенной по классической оптической схеме. Предложены новые методы исследования и учета инструментальных ошибок ФЗТ.

2. Получен каталог звезд международной программы ФЗТ модифицированным МНК; уточнена долгота Китаба.

3. Получены точные универсальные формулы обработки наблюдений шкальных пар на зенит-телескопах. Предложена методика определения цены оборота по наблюдениям шкальных пар и/или рядов по нескольким периодам наблюдений с возможным изменением цены оборота винта микрометра между ними.

4. Определены главные коэффициенты нутации Земли по наблюдениям с ЗТФ-135 в Пулкове.

5. Проведен анализ наблюдений ярких зенитных звезд в Полтаве с целью обнаружения свободной нутации Земли с близеуточным периодом; показано, что предыдущие выводы об обнаружении нутационного колебания в исследуемой полосе частот недостаточно обоснованы.

6. Предложена методика точного учета потемнения солнечного диска к краю при вычислении орбиты ИСЗ в полутени Земли.

7. Проведено исследование методики определения ПВЗ из SLR наблюдений, включающее изучение влияния на окончательный результат отдельных элементов модели редукции, координат станций, состава определяемых параметров и т.д. Выработанная в результате этого исследования стратегия определения ПВЗ применена для вычисления рядов ПВЗ за 1988-1996 гг., точность которых находится на уровне лучших мировых центров обработки SLR наблюдений.

8. Разработан метод оперативного определения ПВЗ из SLR наблюдений, позволяющий определять координаты полюса и, с некоторыми ограничениями, всемирное время с точностью и оперативностью, лучшими, чем в других центрах обработки SLR наблюдений.

9. Разработана методика тестирования методов прогноза ПВЗ. С ее использованием исследованы два метода прогноза ПВЗ, применяющиеся в IERS, и предложен комбинированный метод прогноза координат полюса и всемирного времени, используемый в службе определения ПВЗ ИПА РАН. Предложено уточнение стандартной модели нутации IERS, включенное в новую версию стандарта.

10. Получено новое сводное решение BSL'93, имеющее существенно более высокую точность, чем существующее. Впервые определены координаты пяти российских станций и глобальной координатной системе ITRF на сантиметровом уровне точности.

11. Проведен сравнительный анализ алгоритмов сглаживания временных рядов методом Уиттексра и предложена его обобщенная формулировка. Показано, что алгоритм Юсупова имеет определенные преимущества перед алгоритмом Вондрака, связанные с независимостью степени сглаживания от размерности аргумента и большей устойчивостью при сглаживании существенно неравномерных по времени рядов. Рассмотрены возможности увеличения крутизны передаточной функции метода Уиттекера и использования его в качестве полосового фильтра.

12. Предложены простые и эффективные формулы для аппроксимации нормального распределения, распределений Стьюдента и ({Q, п), которые позволяют значительно упростить вычисление квантилей этих распределений при сохранении достаточной для практических нужд точности.

Научная и практическая значимость работы

1. Разработанная теория инструментальных ошибок зенитной трубы послужила основой для уточнения методики исследования ошибок ФЗТ в Китабе и использована при разработке проекта ФЭЗТ. Предложенные методы исследования и учета инструментальных ошибок применены при обработке наблюдений на ФЗТ в Китабе. Предложенный метод уравнивания наблюдений применен при выводе рабочих каталогов звезд на ФЗТ в Китабе и ЗТФ-135. Новый каталог прямых восхождений звезд международной программы ФЗТ позволил значительно повысить точность определения всемирного времени. Уточненная методика определения цены оборота использована для определения цены оборота ЗТ Бамберга и ЗТФ-1Э5.

2. Разработанная методика определения ПВЗ из SLR наблюдений в течение двух лет применяется в работе службы определения ПВЗ ИПА РАН, составляя в настоящее время ее основу и обеспечивая точность глобальных решений на уровне лучших мировых центров обработки SLR наблюдений и вычисление срочных данных с превосходящей другие центры точностью и оперативностью. Создана структура службы определения ПВЗ, решающая вопросы обмена данными, автоматизации оперативных вычислений, получение суточных рядов ПВЗ, прогноз и др. Работа службы в течение двух лет показала высокую степень надежности применяемых алгоритмических и программных решений. Результаты, получаемые службой ПВЗ ИПА РАН используются в IERS при получении сводных оперативных и глобальных решений. Уточненная модель нутации использована в новой версии стандарта IERS Conventions.

3. Полученные в результате сводной обработки GPS наблюдений кампании BSL'93 координаты уровнемерных станций позволяют произвести их более точную взаимную привязку и повысить, таким образом, точность определения уровня и топографии Балтийского моря. Впервые определенные высокоточные координаты пяти российских станций в международной глобальной системе ITRF позволяют значительно повысить точность взаимной привязки отечественной и зарубежных геодезических систем.

4. Разработаны принципы построения и исследования локальных геодезических сетей (ЛГС) РСДБ комплекса КВАЗАР. Построены первые

С

очереди JIFC НИ Светлое и Зеленчукская. GPS измерения на ЛГС НП Светлое в 1994-1996 гг. совместно с нивелирными и светодаль-номерными измерениями показали, что реальная точность определения взаимного положения марок составляет 2-3 мм, что соответствует точности локальных сетей основных станций глобальной системы ITRF.

На защиту выносятся

1. Новая теория ФЗТ и методы исследования инструментальных ошибок ФЗТ и ЗТ, позволяющие повысить точность их учета, и результаты наблюдений на этих инструментах.

2. Методика определения ПВЗ из SLR наблюдений, позволяющая значительно повысить точность вычисления координат полюса и скорости врашения Земли, и результаты ее применения для обработки наблюдений за 1988-1997 гг..

3. Принципы построения, алгоритмы вычислений и результаты работы службы определения ПВЗ, позволяющие получать независимые оперативные и окончательные данные о ПВЗ.

4. Результаты исследования региональных и глобальных геодезических сетей по GPS наблюдениям.

5. Программная система GROSS для анализа SLR наблюдений и геодезических измерений на миллиметровом уровне точности.

Апробация работы

Результаты, полученные в диссертации, представлялись на пленуме комиссии по изучению вращения Земли Астрономического совета АН СССР, Полтава, 1972 г.; всесоюзном совещании "Вращение Земли и геодинамика", Кнтаб, 1981 г.; выездном заседании проблемно-тематической группы "Вращение Земли" секции астрометрии Астрономического совета АН СССР, Благовещенск, 1984 г.; II Орловской конференции, Полтава. 1988 г.; VII международном Лорманновском коллоквиуме, Дрезден, 1988 г.; симпозиуме 141 MAC "Inertial Coordinate System on the Sky", С.-Петебург, 1990 г.; конференции с международным участием "Теоретическая, прикладная и вычислительная небесная механика", С.-Петербург, 1993 г.; девятом Европейском совещанир по применению РСДБ в

геодезии и астрометрии, Бад Нойенар, 1993 г.; российской астрометри ской конференции, С.-Петербург, 1993 г.; шестой Генеральной ассамб; WEGENER, С.-Петербург, 1994 г.; международной конференции "( временные проблемы теоретической астрономии", С.-Петербург, 1994 пятом российском симпозиуме "Метрология времени и пространств Москва, 1994 г.; XXVI радиоастрономической конференции, С.-Пет бург, 1995 г.; совещании подкомиссии IAG SSC 8.1 "Studies of Baltic Se Рига, 1996 г.; конференции "Современные проблемы и методы астро] трии и геодинамики", С.-Петербург, 1996 г.; совещании по APT и APi Кашима, 1996 г.; семинарах ГАО РАН, ИПА РАН, Финского геодези ского института.

Публикации и вклад автора

Материалы диссертации опубликованы в 53 работах, из которых написаны совместно с другими авторами. В совместных работах авте принадлежат: [1] - обработка наблюдений, участие в дискуссии резу татов; [3] - разработка методики и обработка результатов исследова! механических контактов, участие в изготовлении и исследовании сис мы фотоэлектрической регистрации; [5] - участие в наладке и модер зации аппаратуры и уточненная методика обработки сличений сред! и звездных часов; [9] - участие в организации и обработка резуль тов исследования температурного поля павильона ФЗТ2, изучение за симости результатов определения всемирного времени от конфигура1 крыши павильона; [10] - постановка задачи, уравнивание наблюде] МНК; [17] - участие в анализе точности определения цены оборота j ными методами, вывод формул обработки наблюдений шкальных г разработка методики совместной обработки наблюдений шкальных дов, сделанных в разные наблюдательные сезоны, участие в обрабо наблюдений и дискуссии результатов; [18,20] - уточнение пулковс методики определения главных коэффициентов нутации, участие в п< работке мгновенных широт, вычисление коэффициентов нутации;

- участие в проектировании ФЭЗТ, разработка теоретического обос вания и технических предложений на ряд узлов инструмента; [33,5.' постановка задачи, участие в обработке и дискуссии результатов; [34

- постановка Задачи, участие в наблюдениях и обработке результатов дельных наблюдательных сессий, сводная обработка данных; [37,43,4 постановка задачи, методика исследования точности прогноза, метод

прогноза нутации, участие п разработке алгоритмов й программ, интеграция методов прогноза в общее программное обеспечение службы ПВЗ ИПА РАН; [47] - постановка задачи, организация работы по геодезическому обеспечению НП; [49] - участие в наблюдениях и их обработке: [50] - разработка пакета GROSS для обработки SLR наблюдений; [52] -постановка задачи, общая организация работы службы ПВЗ, организация обработки SLR наблюдений, участие в организации обработки РСДБ наблюдений и обмена данными.

Объем и структура диссертации

Диссертация состоит из введения, трех частей (9 глав) и заключения. В первой части, включающей три главы, приведены результаты теоретических и методических исследований некоторых классических астро-метрических инструментов служб времени и широты и результаты обработки наблюдений на них. Во второй части, состоящей из четырех глав, изложены теоретические, методические и практические результаты применения спутниковых методов для определения ПВЗ и координат станций. В третьей части, включающей две главы, собраны результаты, касающиеся алгоритмов и программ обработки наблюдательных данных.

Общий объем диссертации 245 страниц. Диссертация содержит 49 таблиц, 30 рисунков и список литературы из 230 названий (20 страниц).

Содержание диссертации

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 отражены основные результаты и определена доля участия автора в совместных публикациях.

В первой главе приведены результаты анализа и ревизии теории инструментальных ошибок ФЗТ. Исследование ФЗТ? в Китабе и участие автора в разработке проекта ФЭЗТ в ГАО РАН выявили многие проблемы, вплоть до ошибок, в существовавшей теории ФЗТ и привели к необходимости ее ревизии. При разработке технического задания на проектирование ФЭЗТ возникла необходимость уточнения узких мест

в конструкции типовой зенитной трубы, чтобы обратить на них осоС внимание при проектировании ФЭЗТ.

Разработанная теория охватывает все известные, а также некотор рассмотренные впервые, инструментальные ошибки ФЗТ, большинст из которых влияет на результаты наблюдений на ФЭЗТ, построенной стандартной оптической схеме. Получены точные формулы влияния результаты наблюдений неточности перекладки ротора, наклонов фот пластинки и оси вращения ротора, ошибок движения каретки. При эте в частности, выявились серьезные ошибки существовавшей теории результаты определения всемирного времени. Приведена методика и ] зультаты вычислений поправки за кривизну параллели в зависимое от различных факторов. Рассмотрено влияние рефракции вне и внут инструмента. Исследованы различные причины изменения масштаба <} топластинки. Предложены новые методы определения и учета масшта и ориентации пластинки.

Анализ строгих формул влияния инструментальных ошибок на { зультаты наблюдений показал, что большинство из них компенсирует для северных и южных звезд и/или при чередовании порядка наблки ний EWEW и WEWE и, следовательно, при их достаточном постоянст1 практически не влияют на окончательные результаты определения ш роты и всемирного времени по вечеру при рациональной программе методике наблюдений. Не компенсируются рефракционные ошибки вьи объектива, азимут движения каретки, ошибки учета кривизны пара лели. Для уменьшения влияния первых из них предложена конструкц павильона для зенитной трубы, свободного, в значительной степени, рефракционных ошибок.

Во второй главе приведены результаты исследования некоторых с стематических ошибок наблюдений на ФЗТ2 и результаты определен всемирного времени и долготы Китаба.

Для вывода каталога прямых восхождений звезд международной пр граммы ФЗТ применен модифицированный метод наименьших квадр тов, предложенный в настоящей работе. Сравнение т-члена, вычисле ного с новым каталогом прямых восхождений и с каталогом, исполь:-вавшимся до него, показало, что амплитуда годовой и полугодовой сост вляющих уменьшилась на 15% и 32% соответственно. Систематическ разности между полученным каталогом и сводным каталогом звезд пр

грамм ФЗТ ЫРгТ74 м<иут быть представлены в виде (в мс) с*(ФЗТ2) - а(МРгТ7А) = -7 - 2эта 4-4соэа + 1яп2а + Особ2а. (1)

Изучение температурного поля внутри павильона ФЗТ2 показало наличие устойчивых температурных градиентов. Определено влияние конфигурации крыши павильона на результаты наблюдений. Оказалось, что каталог прямых восхождений и форма 7"-члена мало зависят от положения крыши, в то время как постоянные составляющие г-членоп, определенные по наблюдениям с полностью открытой и приоткрытой крышей, различаются в среднем за исследованный период на 12 мс.

Исследованы системы регистрации времени ФЗТг. По результатам исследований произведена замена механического контакта каретки на фотоэлектрический и улучшена система регистрации моментов срабатывания контакта винта, после чего обе системы регистрации времени показали высокую точность в случайном и систематическом отношении.

Определен мертвый ход винта каретки по сопоставлению моментов, зарегистрированных контактами винта и каретки и путем прямых измерений механизма винта. Различие величин мертвого хода, полученными двумя методами оказалось равным 0.6 мс. Выявлена зависимость мертвого хода от рабочего участка винта.

Исследованы возможные систематические ошибки приема сигналов времени. Показано, что их сезонное изменение не превышает 0.2 мс.

Исследованы результаты определения всемирного времени на ФЗТг в Китабе за период 1976.3-1984.0 гг. Показано, что после модернизации инструмента и аппаратуры ФЗТ, улучшения каталога прямых восхождений и принятия другим мер значительно повысилась точность наблюдений. Случайная ошибка определения всемирного времени по одной звезде уменьшилась с 22.6 до 18.3 мс, случайная ошибка вечера - с 16.8 до 11.5 мс, амплитуда переменной части .г-члена - с 9.0 до 6.0 мс.

На основе изучения различных систематических ошибок наблюдений, влияющих на результат определения долготы, и постоянной составляющей г-члена определена поправка к долготе Кнтаба, которая оказалась равной +21.0 ± 3.4 мс.

В третьей главе представлены некоторые результаты, касающиеся наблюдений на зенит-телескопах.

Определены главные коэффициенты нутации по наблюдениям с ЗТФ-135 за период 1948.7-1989.0. После сравнительного анализа нескольких

методов их определения и выбора оптимальной методики получены поправки к главным коэффициентам нутации в долготе и наклоне, которые приведены в табл. 1 вместе с другими результатами последних определений главных членов нутации по классическим (оптическим) наблюдений и значения, полученные из РСДБ наблюдений и рекомендуемые IERS Conventions (1996). Все значения приведены к эпохе J2000 и выражены в единицах 0.0001" .

Таблица 1. Результаты определения главных членов нутации.

Метод M N Автор, год

Оптика 68445 ± 22 68432 ±08 68495 ±26 68494 ±10 68536± 8 68467 ±33 92101 ± 18 92058 ±11 92006 ±17 92044 ±10 92062± 8 92031 ±25 Н.Каптейн,1988 Н.Каптейн, 1988 В.В.Лапаева, 1988 Я.С.Яцкив, 1991 Я.Вондрак, 1993 Настоящая работа

Среднее простое Среднее взвешенное 68478± 7 68484± 5 92050± 6 92053± 5

РСДБ 68443 92054

Данные таблицы показывают, что полученные в настоящей работе результаты близки к средним значениям по классическим определениям, которые, в свою очередь, близки к современным результатам, полученным по РСДБ наблюдениям.

Проведен анализ наблюдений двух ярких зенитных звезд в Полтаве за период с июня 1939 г. по август 1965 г. с целью обнаружения свободной нутации Земли с близеуточным периодом. Показано, что задача не имеет определенного однозначного решения по двум причинам.

Во-первых, в изучаемой полосе частот найдено несколько близких по амплитуде (от 0.014" до 0.022") периодических колебаний широты с периодами 23л56'п22\ 23к56т41*, 23л56"'52.54, 23л57т06.5*, 23л57т25.5*. Кроме амплитудного проведены фазовый и спектральный анализы. В результате не найдено оснований отождествлять какое-либо одно из обнаруженных колебаний со свободной нутацией Земли.

Во-вторых, автором совместно с В.С.Губановым, показано, что задача определения периода близеуточной нутации по наблюдениям в постоянные моменты среднего или звездного времени не имеет однозначного

решения, что следует in теории спектрального оценивания импульсно модулированных сигналов, и является, таким образом, некорректно поставленной.

Получены точные и универсальные формулы обработки наблюдений шкальных пар на ЗТ. Предложен метод определения цены оборота винта по наблюдениям шкальных пар и/или рядов, позволяющий объединять наблюдения, сделанные в различные периоды времени с различным положением микрометра в инструменте и, таким образом, повысить точность определения цены оборота и ее температурного хода. Полученные результаты применены для определения цены оборота винта ЗТ Бамберга и ЗТФ-135.

В четвертой главе описаны исследования методики обработки SLR наблюдений и выбранная на их основе оптимальная стратегия вычисления ПВЗ, а также ряды ПВЗ за 1988-1996 г., полученные на основе этой методики; метод оперативных вычислений ПВЗ, применяемый в службе ПВЗ ИПА РАН; случайные и систематические ошибки результатов.

Проведено исследование интегратора VASOMI, разработанного в ГАО НАНУ для интегрирования орбит ИСЗ. Определены оптимальные параметры его настройки для интегрирования орбит ИСЗ типа Lageos с необходимой точностью.

Проведено исследование методов учета ПВЗ при интегрировании орбит ИСЗ. Показано, что метод интерполяции ПВЗ и учет приливных вариаций всемирного времени мало влияют на результат, в то время как ошибки модели нутации оказывают на него сильное влияние.

Предложена методика точного учета потемнения солнечного диска к краю при вычислении орбиты ИСЗ в полутени Земли.

Проведено исследование методики определения ПВЗ из SLR наблюдений, включающее изучение влияния на окончательный результат отдельных элементов модели редукции, координат станций, состава определяемых параметров, длины орбитальной дуги и поддуги и т.д. Выработанная в результате этого исследования стратегия определения ПВЗ применена для вычисления рядов ПВЗ за 1988-1996 гг. Эти ряды представлены в годовой отчет IERS и использованы, наряду с другими двумя лучшими рядами ПВЗ, полученными из SLR наблюдений (из 11 представленных в IERS). при выводе сводного решения.

Разработан метод оперативного определения ПВЗ из SLR наблюдений, позволяющий определять координаты полюса и, с некоторыми огра-

ничениями, всемирное время с точностью и оперативностью, лучшими, чем в других центрах обработки SLR наблюдений. В основе этого метода лежат итеративное улучшение априорных значений ПВЗ, что позволяет получать значения координат полюса и длительности суток, независимые от их априорных значений.

Таблица 2. Точность глобальных решений.

Решен!«? XY 0.001" UT1 0.0001s D 0.0001 с

Ряды ПВЗ, вошедшие в сводное решение IERS

EOP(CSR)96L01 0.24 0.36

EOP(GSFC)96L01 0.G4 0.32

EOP(IAA)96LO! 0.38 0.49

Ряды ПВЗ, не вошедшие в сводное решение 1ERS

EC)P(CGS)96L01 0.58 1.86

E()P(CLG)96L01 2.25 0.98

EOP(CLG)96L02 2.52 1.0G

E()P(GAOUA)96L01 1.18 1.74

EOP(GSFC)96L02 0.58 0.71

EOP(GZ)96L02 0.42

EC>P(IAA)96L02 0.33 0.25

EOP(IARAS)96L01 0.28 0.26

EOP (IFAG)96L01 0.30 0.08

EOP(IAA)96LQ3 0.24

Для сравнения точности определения ПВЗ в ИПА РАН и других центрах обработки SLR наблюдений приведем данные последнего годового отчета IERS за 1995 г. (табл. 2). В первой части таблицы приведены данные для трех наиболее точных и стабильных рядов, отобранных IERS для включения в сводное решение; во второй части - ряды не включен-

точные оперативные значения всемирного времени, получаемые из РСДБ наблюдений, должны обеспечить более высокую точность результатов обработки SLR данных. Наконец, после организации определения ПВЗ из GPS наблюдений, которая ведется в настоящее время, предполагается вычисление сводных рядов ПВЗ на основе объединения результатов, полученных всеми тремя методами.

Для различных практических приложений необходимо иметь прогноз ПВЗ на достаточно длительный период времени. Поэтому при организации службы ПВЗ ИПА РАН было проведено исследование по выбору метода прогнозирования. На первом этапе исследовались два метода, применяющиеся в IERS для прогноза координат полюса и всемирного времени - АРСС и экстраполяция детерминированной составляющей.

Для тестирования разработана специальная методика методов прогноза ПВЗ по трем параметрам: среднеквадратическое отклонение прогнозированных от наблюденных ПВЗ, максимальное (по модулю) отклонение прогнозированных от наблюденных ПВЗ, влияние возможных ошибок в последних наблюдениях ПВЗ на результат прогноза (что важно для практической службы ПВЗ, когда точность последних оперативных определений обычно ниже, чем более старых данных).

С использованием предложенной методики исследованы указанные выше два метода прогноза и предложен комбинированный метод, используемый в службе определения ПВЗ ИПА РАН. Суть комбинированного прогноза заключается в использовании разных методов для разных сроков прогноза. Точность комбинированного прогноза ненамного выше, чем точность прогноза IERS, но он имеет то преимущество, что он обеспечивает плавный, без излома, переход между наблюденными и прогнозированными значениями.

Для прогноза углов нутации мы используем рекомендованная IERS Conventions (1996) модель Т.Херринга, реализованная в его программе KSV_1996_3. Для ее тестирования сравнивались разности между моделью Херринга и теорией нутации IAU80 со значениями EOP(IERS)C04. Сравнение показало, что разность между моделью Херринга и EOP(IERS)C04 составляет величину

(1ф(Herring) - di*(IERS) = 42.60 mas ,

de(Herring)-de(IERS) = 4.99 mas , ^

для интервала MJD=46000-50350 без существенного тренда. После учета этого смещения среднеквадратическое уклонение между KSV_1996_3 и

EOP(IERS)C04 составило 0.59 mas для dip и 0.27 mas для de.

Для периода MJD=50000 50500 было получено

dtj)[Herring) — díp(IERS) = 42.65 mas, de{Herring) - de{IERS) = 4.93 mas,

а среднскьлдратические разности между KSV_1996_3 и EOP(IERS)C04 составили 0.54 mas для dij) и 0.24 mas для de. В 1997 г., по предложению аьгора, в модель IERS Conventions (1996) были включены эти величины смещения для лучшего соответствия модели данным наблюдений.

В шестой главе приведены результаты обработки GPS наблюдений. Впервые определены координаты пяти российских станций в глобальной координатной системе ITRF на сантиметровом уровне точности по GPS наблюдениям кампании BSL'93.

Получено новое сводное решение BSL'93 на основе комбинации шести результатов обработки, полученных в разных исследовательских группах из стран, участвующих в проекте. После определения и учета систематических различий между этими решениями все они были приведены к одной системе координат п осреднены. Новое решение имеет более высокую внутреннюю точность, чем существующее. В табл. 4 приведены высоты станций для обоих решений. Найденные систематические различия вызваны, в основном, проблемами учета положения фазового центра антенны приемника Ashtech. Показано, что неопределенность ориентации этого решения, хотя и меньшая, чем у существующего, приводит к абсолютным ошибкам координат станций на уровне 2-3 см. Возможно уточнение ориентации сводного решения с использованием более современных наблюдений и методик, в первую очередь с уточнением методов учета положения фазового центра GPS антенны и добавлением опорных станций в восточной части Балтийского региона.

В седьмой главе оппсано современное состояние работ по геодезическому обеспечению комплекса КВАЗАР.

Разработаны принципы построения локальных геодезических сетей комплекса КВАЗАР и начата их реализация. Построены первые очереди ЛГС НП Светлое ц Зелснчукская. Наиболее исследованной к настоящему времени является ЛГС НП Светлое, план которой приведен на рис. 1.

На НП Светлое оборудованы: четыре основных марки 101, 102, 107, 109, конструкция которых позволяет производить измерения как классическими, так и GPS средствами с принудительной центрировкой инстру-

Таблица 4. Высоты станций но результатам кампании BSL1

Станция H (FGI) H (ИПА PAH)

Hamina 16.736±0.011 16.767±0.005

Helsinki 23.807±0.010 23.832±0.003

Hanko 21.524 ±0.011 21.537±0.004

Degerby 20.494±0.011 20.512±0.007

Mäntyluoto 21.158±0.013 21.169±0.003

Vaasa 19.090±0.009 19.100±0.003

Raahe 19.845±0.015 19.859±0.003

Kemi 20.306±0.015 20.319±0.003

Furuögrund 32.818±0.012 32.823±0.002

R at an 22.784±0.013 22.791±0.006

Spikarna 27.153±0.015 27.155±0.004

Stockholm 1 36.093±0.020 36.099±0.005

Stockholm 2 34.618±0.023 34.623±0.006

Visby 27.197±0.035 27.205±0.010

Ölands N.U. 31.374±0.028 31.380±0.006

Klagshamn 37.870±0.024 37.865 ±0.011

Tejn 36.731 ±0.020 36.732±0.007

Gedser 40.901±0.0il 40.903±0.012

List/Sylt 44.680±0.033 44.662±0.0Ö3

Helgoland 43.559±0.052 43.553±0.022

Borkum 44.715±0.036 44.692±0.004

Travemünde 40.704±0.030 40.695±0.003

Warnemünde 59.610±0.028 59.614±0.004

Sassnitz 75.434±0.035 75.432±0.007

Swinoujscie 37.902±0.032 37.902±0.006

Ustka 33.878±0.031 33.892±0.010

Wladyslawowo 31.357±0.034 31.371±0.012

Svetlogorsk 50.789±0.012 50.814±0.007

Molas 29.325±0.009 29.348±0.005

Klaipeda 52.895±0.015 52.915±0.009

Liepaja 32,682±0.025 32.699±0.007

Skulte 2G.435±0.010 26.457±0.002

Ristna 25.598±0.008 25.613±0.001

Tallina 19.930±0.011 19.953±0.003

Gogland 20.276±0.008 20.303±0.001

Shepelevo 19.516±0.007 19.563±0.011

Vyborg 23.623±0.008 23.658±0.Ö03

105

106 110

109

Рис. 1. Геодезическая сеть НП Светлое.

меита (теодолита, светодальномера, GPS антенны и т.д.), три основные марки 103, 104, 108 для классических и GPS наблюдений со штатива, а также несколько рабочих (с номерами, большими 150) и нивелирных марок.

В 1994-1996 гг. были проведены 9 сессий GPS измерений на НП Светлое. Для измерений применялись приемники Trimble 4000SST и Leica System '200, а обработка производилась пакетами Trimvec, GPSurvey, Ski, Bernese. Сводная обработка всех результатов, полученных с разными приемниками и программами, позволила оценить реальную точность определения взаимного положения марок ЛГС, которая составила в среднем около 1.5 мм, что примерно втрое превышает ошибку среднего из измерений с одним приемником, обработанными одной программой.

Для контроля параметров локальной сети, полученных из GPS наблюдений проводились нивелирные (точность около 0.1-0.3 мм в зависимости от длины базы) и светодальномерные (точность около 1.5 мм) наблюдения. Среднеквадратическое расхождение превышений, определенных из GPS и нивелирных измерений составило 1.7 мм, а расстояний - 3.0 мм.

На основе совместного анализа GPS, нивелирных и светодальномер-ных измерений можно сделать вывод, что реальная точность определения взаимного положения марок составляет 2-3 мм, что соответствует точности локальных сетей основных станций, образующих систему ITRF.

В 1990-1994 гг. проведены работы по привязке всех НП к отечественной геодезической сети. Точность привязки, произведенной по классической геодезической методике, составила около 0.5-1 м. Поскольку НП комплекса КВАЗАР будут включены в состав фундаментальной геодезической сети РФ, планируется повторная привязка НП к другим пунктам фундаментальной сети средствами спутниковой геодезии.

Первая привязка к глобальной системе координат ITRF произведена по наблюдениям DORIS, ведущимся с 1991 г. на НП Бадары. Обработка производится в нескольких центрах IERS. Результатом наблюдений за 1991-1995 гг. стало определение координат с ошибкой порядка 1.5-2 см.

Наиболее надежные на сегодняшний день координаты НП Светлое в системе ITRF получены из обработки GPS наблюдений, проведенных в рамках кампании BSL'93. Были учтены также предварительные результаты кампании DOSE'93. В настоящее время точность привязки НП Светлое к системе ITRF составляет 3-4 см. С осени 199G г. НП Светлое включен в состав постоянных станций Европейской опорной сети EUREF и с весны 1997 г. - в каталог IERS. Ведущаяся в настоящее врс-

мя обработка непрерывных наблюдений позволит значительно улучшить привязку к. глобальным геодезическим сетям.

Предварительные координаты НП Зеленчукская определены по GPS наблюдениям, проведенным в рамках проекта WEGENER, обработка которых проведена в IFAG. Предварительные результаты обработки наблюдений 1994 г. показали высокую точность по внутренней сходимости. Однако, имея в виду короткий период наблюдений (несколько дней) и расположение НП Зеленчукская вдали от хорошо определенных опорных станций, необходимы дополнительные измерения для уверенной привязки к глобальной системе координат.

В восьмой главе собраны результаты некоторых исследований в области алгоритмов анализа измерений, полученные при обработке классических и спутниковых наблюдений, описанных в предыдущих главах.

Рассмотрены Возможные методические ошибки методов уравнивания наблюдений служб времени и широты. Предложен критерий, позволяющий априори оценить целесообразность применения методов уравнивания, учитывающих вечеровые изменения инструментальных параметров или результатов наблюдений. Этот критерий позволяет оценить минимальную статистически значимую скорость вечерового изменения изучаемого параметра Ь, исходя из случайной ошибки одного наблюдения ст() и средней продолжительности вечера да и среднего числа звезд, наблюдающихся за один вечер п:

|»| =

24(п-1)£„_2 (4)

да ^ п(п - 2 +1\п_2) '

где £,,„-2 ~ квантиль ¿-распределения, соответствующий доверительной вероятности р = 2д — 1.

Проведен сравнительный анализ шести методов уравнивания наблюдений: четырех описанных в литературе модификаций цепного метода, отличающихся разными подходами к уравниванию групп и приведению звезд к центру группы, известного метода наименьших квадратов для безгрупповых программ наблюдений МНК1 и модифицированного метода наименьших квадратов, предложенного в настоящей работе, МНК2. Различие последних двух методов состоит в следующем.

При применении МНК1 координаты звезд находятся из решения системы условных уравнений вида д«,-—да^ = — х,-, где да,, да_, - поправки координат звезд, я,-, результаты определения широты (поправки

часов) по этим звездам. Совокупность таких уравнений по всему периоду наблюдений образует избыточную систему, которая решается методом наименьших квадратов при наложении условия Еда = 0.

При применении метода МНК2 избыточная система состоит из условных уравнений вида да,- - да_, = — Х{, где X] — я,- - среднее по всему периоду наблюдений значение разностей х^ — каждая из которых получена по наблюдениям одного вечера. В отличие от МНК1, в этом методе веса поправок координат зависят только от числа звезд, совместно наблюдавшихся с данной звездой, и не зависят от числа наблюдений. Таким образом, система каталога оказывается независимой от распределения наблюдений внутри года.

Для тестирования перечисленных методов проведен ряд численных экспериментов с введением искусственных поправок, имитирующих различные виды систематических ошибок исходного каталога и ошибок наблюдений. Результаты тестирования показывают, что все рассмотренные методы уравнивания дают близкие результаты. Можно, однако, отметить, что предлагаемый метод МНК2 позволяет исключить систему исходного каталога существенно лучше, чем МНК1.

Предложенный метод уравнивания наблюдений МНК2 успешно применен для вывода каталогов звезд программ ФЗТ и ЭТФ-135.

Предложены простые и эффективные формулы для аппроксимации нормального распределения, распределений Стьюдента и кото-

рые позволяют значительно упростить и ускорить вычисление квантилей этих распределений при сохранении достаточной для практических нужд точности.

Для аппроксимации функции, обратной к функции нормального распределения в наиболее интересном при обработке данных диапазоне доверительных вероятностей р = 0.95... 0.99999 можно предложить аппроксимирующую формулу

Ф(р) = -0.795617 - 0.014665 • * + 1.576687 • V* - 0.513114 , (5)

где £ = — 1п(1 — р), которая обеспечивает ошибку аппроксимации меньше 1.5-10-4.

Распределение п) применяется для отбраковки выделяющихся измерений. Такое измерение считается выбросом, если выполняется усло-Ы

вие — > £(<3, п) , где V - остаточная невязка наблюдения, я - выбороч-в

ная оценка дисперсии, С) = - уровень значимости, п - число измерений.

Апроксимация статистики Ç{Q, п) может быть произведена по формуле

Вычислены значения параметров а\ — а.\ для = 0.05...20 в двух вариантах: для п = б... 500 и для гг = б... 100. Ошибка аппроксимации меньше 0.007 в первом случае и меньше 0.003 во втором.

Для аппроксимации ¿-распределения предлагается использовать формулу

где Q - уровень значимости, m - число степеней свободы. Вычислены значения параметров А, В, С для Q = 0.05... 20 для односторонней и двухсторонней области. Точность аппроксимации лучше 0.01 при m > 6.

Проведен сравнительный анализ алгоритмов сглаживания временных рядов методом Уиттекера: оригинального алгоритма Уиттекера, алгоритмов Юсупова и Вондрака. Показано, что все три алгоритма эквивалентны для равноотстоящих рядов (после корректировки алгоритма Юсупова). В то же время алгоритм Юсупова имеет определенные преимущества перед алгоритмом Вондрака для неравноотстоящих рядов, а также более удобен практически, поскольку при его применении результаты сглаживания не зависят от размерности аргумента. Рассмотрены возможности увеличения крутизны передаточной функции метода Уиттекера и использования его в качестве полосового фильтра.

В девятой главе описаны программный пакет для обработки SLR наблюдений GROSS и библиотека прикладных программ MAL, разработанные автором и представляющие собой единую программную систему для обработки SLR наблюдений и геодезических измерений на миллиметровом уровне точности.

Пакет GROSS (Geodynamics, Earth Rotation, Orbit determination Satellite Software) предназначен для решения следующих задач:

1. Прогнозирование орбит высокоорбитальных геодезических и навигационных ИСЗ (Lageos, Эталон, ГЛОНАСС, NAVSTAR).

2. Определение ПВЗ (Хр, Yp, LOD, UT1), координат и скоростей станции, параметров орбит, геофизических и геодезических параметров.

3. Решение задач геодезического обеспечения.

(6)

(7)

30. Malkin, Z.M. EOP in orbit integration (abstract). Annales Geophysicae, 1995, Part 1, Supplement 1 to v.13, C174.

31. Malkin, Z.M. Sun peculiarities and shadow function (abstract). Annales Geophysicae, 1995, Part 1, Supplement 1 to v.13, C174.

32. Malkin, Z.M. On a choice of the optimal parameters for orbit integrator (abstract). Annales Geophysicae, 1995, Part 1, Supplement 1 to v.13, C174.

33. Springer, T.A., Malkin, Z.M. Analysis of the Baltic Sea Level 1993 GPS Campaign. In: J.Kakkuri (ed.), Final results of the Baltic Sea Level 1993 GPS Campaign, Rep. Finn. Geod. Inst., 1995, 95:2, 87-104.

34. Казарннов A.C., Кумкова И.И., Малклн З.М., Смоленцев С.Г., Оли-фиров В.Г., Тарбеев Ю.В., Челомбитысо A.M. Геодезическое обеспечение радиоинтерферометрического комплекса "КВАЗАР". В кн.: XXVI радиоастрономическая конференция, Тезисы докладов, СПб., 1995, 334-335.

35. Malkin, Z.M. Earth rotation parameters from Lagcosl&2 SLR observations. In: IERS Technical Note 19, Paris, 1995, L29-L32.

36. Малкин З.М. Инструментальные ошибки зенитной трубы. Сообщ. ИПА РАН, 1996, № 85.

37. Malkin, Z., Skurikhina, Е. On Prediction of EOP. Communications of IAA, 1996, № 93.

38. Казарннов A.C., Малкин З.М., Верещагин С.Г., Комаров Ю.П. Первая очередь локальной геодезической сети НП Светлое. Сообщ. ИПА РАН, 1996, № 95.

39. Малклн З.М. Обработка SLR наблюдений в ИПА РАН. В кн.: Конференция "Современные проблемы и методы астрометрии и геодинамики", Тезисы докладов, СПб., 1996, 90-91.

40. Малкин З.М. Международный проект "Уровень Балтийского моря" (BSL). В кн.: Конференция "Современные проблемы и методы астрометрии и геодинамики", Тезисы докладов, СПб., 1996, 109-111.

41. Малкин З.М. Служба ПВЗ ИПА РАН. В кн.: Конференция "Современные проблемы и методы астрометрии и геодинамики", Тезисы докладов, СПб., 1996, 114-115.

42. Малкнн З.М. Некоторые статистические характеристики SLR наблюдений. В кн.: Конференция "Современные проблемы и методы астрометрии и геодинамики", Тезисы докладов, СПб., 1996, 124-125.

43. Малкнн З.М., Скурнхпна Е.А. О прогнозировании ПВЗ. В кн.: Конференция "Современные проблемы и методы астрометрии и геодинамики", Тезисы докладов, СПб., 1996, 125-126.

44. Малкнн З.М. Обработка SLR наблюдений в ИПА РАН. В кн.: Современные проблемы и методы астрометрии и геодинамики, Труды конф., СПб., 1996, 252-258.

45. Малкнн З.М. Международный проект "Уровень Балтийского моря" (BSL). В кн.: Современные проблемы и методы астрометрии и геодинамики, Труды конф., СПб., 1996, 300-307.

46. Малкнн З.М., Скурнхпна Е.А. О прогнозировании параметров вращения Земли. В кн.: Современные проблемы и методы астрометрии и геодинамики, Труды конф., СПб., 1996, 336-343.

47. Finkclstein, A.M., Malkin, Z.M. Svetloe as a possible future fiducial site for geodynamics in the Baltic region. In: Proc. First Workshop of the Subcommission I AG SSC 8.1 "Studies of Baltic Sea", Riga, March 28-29, 1996, 12-17.

48. Малкнн'З.М. О сглаживании методом Уиттекера. Кинем, и Физ. Неб. Тел, 1996, 12, № 4, 92-96.

49. Костина Л.Д., Малкнн З.М., Персиянннова Н.Р. Предварительные результаты наблюдений широт, полученных по 7-ой широтной программе с ЗТФ-135 в Пулкове. Изв. ГАО РАН, 1996, № 210, 152-156.

50. Bajkova, A., Finkelstoin, A., Krasinsky, G., Mai kin, Z., Pyatunina, N., Vasilycv, M., Voinov. A. IAA Program Packages for Astrometric and Geodetic Data Analysis. In: Proc. Technical Workshop for APT and APSG 1996, Kashima. Dec 10-13, 1996, 247-251.

51. Малкнн З.М. Определение параметров вращения Земли из SLR наблюдений в ИПА РАН. Труды ИПА РАН, вып. 1, 1997, 113-132.

52. Малкнн З.М., Петров Л.Ю., Финкельштейн A.M., Воинов А.В., Скурнхпна Е.А. Служба определения ПВЗ ИПА РАН. Труды ИПА РАН, вып. 1, 1997, 101-112.

53. Шпрингер Т.А., Малкнн З.М. Обработка GPS наблюдений кампании BSL'93. Труды ИПА РАН, вып. 1, 1997, 170-183.