Уточнение опорных систем координат и параметров их ориентации из обработки РСДБ наблюдений тема автореферата и диссертации по астрономии, 01.03.01 ВАК РФ

УЧРЕЖДЕНИЕ РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК ИНСТИТУТ ПРИКЛАДНОЙ АСТРОН*

4852787

КУРДУБОВ Сергей Леонидович

Уточнение опорных систем координат и параметров их ориентации из обработки РСДБ

наблюдений

01.03.01 - Астрометрия и небесная механика

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

ь СЕН 2011

Санкт-Петербург - 2011

Работа выполнена в Учреждении Российской академии наук Институт прикладной астрономии РАН.

Защита состоится «16» сентября 2011 г. в 10 часов на заседании диссертационного совета Д 002.067.01 при Учреждении Российской академии наук Институте прикладной астрономии РАН, расположенном по адресу: 191187, Санкт-Петербург, наб. Кутузова, д. 10.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института прикладной астрономии РАН.

Автореферат разослан « августа 2011 г.

Отзывы и замечания по автореферату в двух экземплярах, заверенные печатью, просьба высылать по вышеуказанному адресу на имя ученого секретаря диссертационного совета.

Ученый секретарь диссертационного совета,

Научный руководитель:

Ведущая организация:

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор,

Губанов Вадим Сергеевич

доктор физико-математических наук,

профессор,

Витязев Вениамин Владимирович доктор физико-математических наук, Медведев Юрий Дмитриевич Учреждение Российской академии наук Главная астрономическая обсерватория РАН

доктор физ.-мат. наук,

Медведев Ю.Д.

Общая характеристика работы

Метод радиоинтерферометрии со сверхдлинными 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 в 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/ГЛО-НАСС станций, РСДБ сеть остается важнейшей частью международной земной системы координат ITRF (International Terrestrial Reference Frame), определяющей 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 посто-

янными 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 102 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 вводить 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 ICRF 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 основных задач координатно-времен-ного обеспечения современной науки и практической деятельности людей. Решение этой проблемы осуществляется с помощью отечественного програм-ного 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 целью 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.

в Впервые в России совместное определение координат наземных станций, 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 радиоисточников использовался при выводе новой международной системы небесных координат ICRF2 [А1] 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-КВО". 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 современными международными требованиями и стандартами.

2. Новый каталог координат и скоростей 125 наземных станций, принимавших участие в РСДБ наблюдениях по геодезическим программам за период 1980-2009 гг. (для 15 станций с учетом смещений вследствие ремонтов и землетрясений).

3. Новый каталог координат 3009 внегалактических радиоисточников, наблюдавшихся в течение 1980-2009 гг.

4. Новые независимые ряды ПВЗ, 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), 26th IAU General Assembly, (Чехия, Прага, 14-25 августа 2006), РСДБ-2012 для астрометрии, геодинамики и астрофизики (С.-Петербург, 11-15 сентября 2006), 18th Working Meeting on European VLBI 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). 19th 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 [А2], в рецензируемых журналах — 6 статей, 11 статей опубликованы в сборниках трудов международных конференций и 3 — в сборниках тезисов докладов.

Личный вклад автора В работе [А2] автору принадлежит обработка РСДБ наблюдений с помощью пакета QUASAR, анализ и сравнение с зарубежными аналогами полученных каталогов.

В работах [A3], [A4] автору принадлежит уточнение стохастической модели РСДБ наблюдений, обработка наблюдений.

В работе [А5] автору принадлежит обработка наблюдений по программе CONT с помощью пакета QUASAR, построение спектров временных рядов ПВЗ.

В работе [А6] автору принадлежит модернизация программного пакета QUASAR для возможности получения с его помощью глобальных решений по всем РСДБ наблюдениям.

В работе [А7] 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 [А8], [А9], [А10] 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 [AI] автору принадлежит получение каталога радиоисточников из глобального уравнивания РСДБ наблюдений с помощью пакета QUASAR.

В работе [All] 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 с предлагаемой другими авторами.

В работе [А12] автору принадлежит построение SINEX файлов для координат станций из обработки РСДБ наблюдений и построение спектров разно-

стей координат станций, получаемых различными техниками по сравнению с ITRF.

В работе [А13] автору принадлежат получение величин антенных выносов станции "Светлое" из обработки РСДБ наблюдений для различных интервалов времени и анализ результатов.

В работах [А14], [А15], [А16], [А16], [А17], [А18] автору принадлежат обработка наблюдений с помощью пакета QUASAR, получение суточных SINEX файлов, построение каталогов координат РСДВ станций и радиоисточников.

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.

Содержание работы

Во Введении обоснована актуальность диссертационной работы, сформулирована цель и аргументирована научная новизна исследований, показана практическая значимость полученных результатов, представлены выносимые на защиту научные положения.

В первой главе приводятся основы методики глобального уравнивания РСДБ наблюдений. В первом параграфе описываются особенности астромет-рических РСДБ наблюдений и общий вид редукционной модели. Приводится релятивистская формула для предвычесленной задержки, описывается параметризация, постоянные и стохастические параметры.

Второй параграф посвящен обоснованию параметризации задачи глобального уравнивания РСДБ наблюдений. В данной работе использовалась параметризация, при которой глобальными параметрами, постоянными на всем интервале наблюдений, являются координаты и скорости РСДБ станций и координаты радиоисточников. К суточным параметрам относятся ПВЗ, линейный тренд влажной компоненты тропосферной задержки в зените, квадратичный тренд рассинхронизации часов станций, градиенты тропосферной задержки в двух направлениях. К стохастическим параметрам — случайная составляющая тропосферной задержки и рассинхронизации часов.

Третий параграф посвящен описанию метода СКК и особенностям его применения для обработки РСДБ наблюдений [10].

В четвертом параграфе исследуются ковариационные функции стохастических сигналов, необходимые для обработки РСДБ наблюдений мето-

дом СКК. Получены ковариационные функции внутрисуточных флуктуа-ций шкал времени и стохастической компоненты тропосферной задержки для всех суточных сессий всех станций. Ковариационные функции сигналов нормировались на дисперсии для получения корреляционных функций. После этого дисперсии сигналов и корреляционные функции усреднялись отдельно (в противном случае дисперсия служила бы весом для корреляционной функции). Для каждой станции, наблюдавшей достаточное число раз (более 25 суточных сессий за сезон), были получены средние корреляционные функции для каждого сезона. Различия между сезонными функциями для каждой станции и между средними для всех станций невелики. Отсутствие сильных различий в средних корреляционных функциях, полученных для одной станции, но в разные сезоны, свидетельствует о стационарности процесса.

Корреляционные функции разных станций отличаются незначительно. Для дальнейшего использования средняя корреляционная функция для каждого сигнала аппроксимировалась следующей моделью

2

Q{r) = X>e~aiW(cos(AT) + 7»sin(ftr)). (1)

i=1

Такая модель была выбрана потому, что выражение в правой части (1) описывает корреляционные функции решений стохастических дифференциальных уравнений второго порядка.

Параметры модели (1) оценивались градиентным методом итераций при условии положительной определённости этих функций.

Полученные параметры моделей приведены в таблице 1. В таблице ZEN-wet — флуктуация тропосферной задержки, CLCK-off — рассинхронизация шкал времени на станциях. Можно отметить интересную особенность — модель является суммой вырожденной, почти марковской компоненты и компоненты, в которой преобладает гармоническая часть.

Основные результаты, касающиеся дисперсий указанных выше сигналов и их шумов, представлены в приложении "А" к диссертации. Показано, что для большинства станций обнаружены значительные сезонные различия. Также заметны различия дисперсий для разных станций.

Результаты первой главы опубликованы в работах [А19],[АЗ].

Во второй главе описывается программный пакет QUASAR как основной инструмент вторичной обработки РСДВ наблюдений. Первый параграф посвящен описанию общей схемы и принципов работы пакета.

Во втором параграфе описывается произведенные в пакете модернизации, необходимые для решения поставленной задачи глобального уравнивания всех РСДБ наблюдений. Первая версия многофункционального программного пакета QUASAR была создана в ИПА РАН в 1998-2002 гг. В. С. Губановым (руководитель) и И. Ф. Суркисом при участии И. А. Верещагиной,

Таблица 1. Параметры моделей ковариационных функций сигналов

Параметр ZEN-wet CLCK-off

а2, мм2 136.5 388.8

ai 0.564 0.893

ai, 1/сутки 3.216 4.620

Ри рад/сутки 6.092 6.740

71 -0.915 -0.763

«2 0.436 0.107

«2, 1/сутки 36.869 42.773

02, рад/сутки 7.886 27.502

72 7.340 6.678

Ю. JI. Русинова и К. Я. Шабун [А20], [11]. Дальнейшие усовершенствования сделаны В. С. Губановым и С. Л. Курдубовым при участии И. Ф. Суркиса. В данной работе программный пакет QUASAR подвергся модернизации и усовершенствованию, необходимому для возможности совместной обработки всех доступных РСДБ наблюдений и получения каталогов координат станций и радиоисточников, сравнимых с зарубежными аналогами.

В процессе совершенствования пакета и подготовки его к массовой обработке наблюдений производилось его тестирование, выявление и исправление различных программных ошибок. Ниже приведены основные направления модернизации пакета:

• Новая модель редукций для нутации IAU2000.

Согласно рекомендациям MAC 2003 года, было внедрено использование координат небесного полюса CIP (Celestial Intermediate Pole) и концепция нсвращающсгося начала [12], вместо использовавшихся ранее углов нутации Аф, As.

• Априорные ковариационные функции для метода СКК.

Для обработки РСДБ наблюдений методом СКК внедрены уточнённые корреляционные функции (подробно описанные в главе 1). В усовершенствованной версии пакета для каждой станции используется характерная для неё дисперсия стохастического сигнала, взятая из таблиц, приведенных в приложении "А".

• Ограничение использования регуляризации ПВЗ.

В ранних работах при вычислениях с пакетом QUASAR использовалась регуляризация оцениваемых параметров, что приводило к смещению

значений оценок параметров в сторону априорных значений. Следствием этого являлась, например, существенная разница между оценками ПВЗ, полученными с различными опорными рядами. Регуляризация ПВЗ теперь применяется только в специальных случаях.

• Система управления дополнительными условиями для станций и радиоисточников.

Эксперименты показали, что использовавшаяся ранее система наложения условий отсутствия вращений и сдвигов на координаты станций и радиоисточников не позволяла получить нерегуляризированные оценки координат. Поэтому была создана система управления дополнительными условиями, позволяющая выделять некоторый набор станций и радиоисточников, относительно равномерно распределённых по земной поверхности и по небесной сфере, на поправки координат которых накладываются условия. Координаты остальных станций и радиоисточников определяются свободно, за исключением случаев, когда наблюдений недостаточно — тогда накладываются мягкие условия.

• Учёт метеопараметров и картирующих функций тропосферы.

Влажная составляющая тропосферной задержки в зените всегда остаётся параметром, определяемым из наблюдений. Для распространения величины задержки в зените на другие углы места используются так называемые картирующие функции. В текущей версии пакета добавлена возможность использования картирующей функции тропосферной задержки по численной модели VMF1 (Vienna Mapping Function) [13]. Если метеопараметры некорректны и отсутствуют VMF1 данные, то используется моделирование метеопараметров.

• Учёт атмосферной нагрузки.

Была добавлена и протестирована возможность использования численной модели атмосферной нагрузки, получаемой из карт [14]. В случае, когда данные карт численной модели недоступны, атмосферная нагрузка вычисляется по регрессионной формуле с использованием величины атмосферного давления на станции.

• Учёт релятивистских эффектов в задержке и шкале времени. Скорректирован учет релятивистских эффектов в задержке и шкале времени.

• Система формирования результатов.

Результаты обработки могут быть представлены в виде рядов ПВЗ, каталогов станций и источников в текстовых форматах. Реализована возможность получения методом СКК суточных файлов, содержащих свободные от условий матрицы нормальных систем (так называемые "Daily SINEX") для использования в комбинированных продуктах IVS. Каталоги станций и радиоисточников формируются в специальных форматах, рекомендованных IVS.

В третьем параграфе описывается получение с помощью пакета QUASAR и метода среднеквадратической коллокации SINEX файлов, необходимых для комбинации результатов, получаемых в центре анализа ИПА РАН, с результатами других международных центров.

Результаты второй главы опубликованы в работах [А20], [А6], [А7|, [А21].

В третьей главе описывается процесс обработки РСДБ наблюдений. В первом параграфе описывается наблюдательный материал, перечисляются наблюдательные программы, которые использовались для построения глобального решения. Во втором параграфе перечисляются проблемы, препятствующие построению глобального решения, которые выявляются на этапе посессионного и на этапе предварительного глобального уравнивания. Кратко описывается система графической коррекции пакета QUASAR, с помощью которой производился поиск скачков рассинхронизации часов, выбросов и других особенностей в наблюдениях. Третий параграф посвящен выбору дополнительных условий, необходимых для устранения дефицита ранга матрицы нормальной системы.

Четвертый параграф посвящен получению и анализу временных рядов координат радиоисточников. Построены ряды координат радиоисточников, построены ковариационные функции рядов координат для источников, имеющих достаточную историю наблюдений.

Был предложен и обоснован критерий стабильности, исходя из ковариационных свойств полученных рядов. Наиболее нестабильные источники исключаются из списка "определяющих" ("defining"), по которым накладываются условия отсутствия вращения для небесной системы координат.

Результаты третьей главы опубликованы в работах [А8], [А9].

В четвертой главе приводятся характеристики главных результатов диссертационной работы — каталогов координат РСДБ станций и внегалактических радиоисточников. В параграфе, посвященнном земной системе координат, приводится сравнение глобальных характеристик полученного каталога (параметров трансформации по отношению к опорной системе координат) с характеристиками зарубежных аналогов.

В таблицах 2 и 3 приведены параметры трансформации полученного каталога координат станций iaa2009b по отношению к каталогу ITRF2005 в сравнении с каталогами других центров анализа (каталог bkg2008b получен

в Bundesamt für Kartographie und Geodäsie, каталог gsf2008a — в Goddard Space Flight Center). В таблицах T1,T2,T3 — параметры сдвига, D — разница масштабов, Rl, R2, R3 — параметры поворота. Предыдущая версия полученного каталога iaa2008c приведена для иллюстрации исправления разницы в масштабе после приведения учета релятивистских эффектов в соответствие с международными стандартами.

Таблица 2. Параметры трансформации различных каталогов по отношению к ITRF'2005 на эпоху 2000.0; сравнение выполнялось по 38 станциям__

Параметр bkg2008b gsf2008a iaa2008c iaa2009b

Т1, мм 0.1 -0.3 6.7 3.6

Т2, мм -2.6 3.4 -4.1 0.6

ТЗ, мм 5.7 4.6 11.2 -1.7

D, Ю-10 0.0 4.3 -19 1.7

R1, мке дуги -135 -98 -109 -21

R2, мке дуги 115 27 25 -93

R3, мке дуги 25 -22 -27 -3

Таблица 3. Параметры трансформации различных каталогов по отношению к 1ТИР2005 на эпоху 2008.0; сравнение выполнялось по 38 станциям__

Параметр bkg2008b gsf2008a iaa2008c iaa2009b

Tl, мм 2.4 -1.2 7.0 4.5

T2, мм -3.9 5.9 -3.3 -1.6

ТЗ, мм 16.2 20.4 22.4 -5.4

D, Ю"10 1.2 2.9 -20.0 2.7

R1, мке дуги -130 -6 -57 -200

R2, мке дуги 218 60 171 -119

R3, мке дуги -17 -13 -18 4

Для анализа точности полученных каталогов и возможности их использования в ежедневной обработке РСДБ наблюдений были вычислены ряды ПВЗ на базе полученных каталогов. Вычисления ПВЗ по 822 сессиям программ IVS-R1 и IVS-R4 с использованием полученных каталогов производились с помощью альтернативного пакета службы ИПА РАН OCCAM/GROSS. Результаты тестирования полученных каталогов путем обработки РСДБ наблюдений независимым пакетом представлены в таблице 4.

Показано, что результаты определения ПВЗ с новыми каталогами лучше (меньше взвешенные среднеквадратические разности по сравнению с международным комбинированным рядом), чем с использоанием старых опорных каталогов ITRF2005 и ICRF-Ext.2 и не уступают в точности результатам, полученным с новыми международными каталогами ICRF2 и VTRF2008.

Таблица 4. Взвешенные СКО разностей рядов ПВЗ по сравнению с международным рядом IERS Bulleten A finals. Риды ПВЗ вычислены пакетом OCCAM/GROSS с использованием каталогов координат станций и радиоисточников, нолученых в данной работе (iaa2009b.trf/iaa008c), а также международных каталогов ITRF2005/ICRF-Ext.2 и VTRF2008/ICRF2._ __

Параметр iaa2009b.trf/iaa008c ITRF2005/ICRF.ext2 VTRF2008/ICRF2

Хр, мке дуги 83 89 8G

Yp, мке дуги 82 88 81

UT1,mkc 4.3 4.7 4.3

Хс, мке дуги 97 100 97

Ус, мке дуги 111 110 111

В параграфе, посвященном небесной системе координат, описывается полученный каталог координат радиоисточников в сравнении с зарубежными аналогами, а также участие в рабочей группе по построению ICRF2. В таблице 5 представлены результаты сравнения полученного каталога радиоисточников с другими каталогами, представленными в рамках рабочей группы ICRF2 (mao008a — Main Astronomical Observatory, Kiev; aus007 — Geoscience Australia, opa008b — Observatoire de Paris, usnOlOb — United States Naval Observatory, maoC08a — комбинированный каталог).

Таблица 5. Взвешенные СКО разностей между каталогами (из ШИЙ ТК35), микросекунды дуги, (склонение/нрямое восхождение).___

каталог aus007a bkgOOla gsf007b iaa008c mao008a opa008b usnOlOb

maoC08a 155/208 39/37 27/30 45/42 43/54 27/39 27/41

aus007a 137/200 141/218 139/204 139/238 141/229 135/221

bkgOOla 40/39 47/47 59/61 42/42 42/69

gsf007b 49/64 41/46 15/15 24/29

iaa008c 59/52 46/40 49/49

mao008a 41/46 46/55

opa008b 24/28

Предложена и реализована методика выборки в полученном каталоге определяющих источников, отличная от использованной в конечной версии ICRF2, приводятся результаты сравнения методик.

Последний параграф посвящен проблеме определения и переменности антенных выносов станций. Показана переменность антенного офсета станции "Светлое", показано влияние принятого в обработке значения антенного офсета на систематические ошибки определения ПВЗ по данным наблюдений локальной сети станций.

10-006'--—'---——--- - ■ ■—•—'■ ■ ■ --- ■■ ■ '—-

1 10 100 1000 10000 100000 10+QO6

Number of observations

Рис. 1. Распределение формальных ошибок полученного каталога радиohcj очников в склонении

1

1 10 100 1000 10000 100000 10+006 Number of observations

Рис. 2. Распределение формальных ошибок каталога в прямом восхождении

Результаты четвертой главы опубликованы в работах jA2j, [Al], [All] [А13].

В Заключении сформулированы основные результаты, полученные в

диссертационной работе.

Список публикаций

[Al] The Second Realization of the International Celestial Reference Frame by Very Long Baseline Interferometry, Presented on behalf of the IERS / IVS Working Group, Ed. by A. Fey, D. Gordon. — Frankfurt am Main: Vcrlag des Bundesamts fur Kartographie und Geodasie, 2009.

[A2] C. JI. Курдубов, В. С. Губанов. Основные результаты глобального уравнивания РСДБ-наблюдений // Письма в астрономический журнал. — 2011.- Т. 37, №4. - С. 294-302.

[A3] В. С. Губанов, С. Л. Курдубов. О глобальном уравнивании РСДБ-наблюдений // Труды ИПА РАН. - 2005. - Вып. 13.— С. 434-439.

[А4] Б. С. Губанов, С. Л. Курдубов. О глобальном уравнивании РСДБ-наблюдений. // "Фундаментальное и прикладное координатно-временное обеспечение"(КВО-2005), Санкт-Петербург, 11-15 апреля 2005 г., Тезисы докладов. - СПб.: ИПА РАН, 2005. - С. 203-204.

[А5] А. М. Финкельштейн, Е. А. Скурихина, И.А. Рахимов и др. CONTOS: Предварительные результаты // Труды ИПА РАН. - 2006. -Вып. 14. - С. 3-19.

[А6] В. С. Губанов, С. Л. Курдубов, И. Ф. Суркис. Новая версия пакета QUASAR для обработки РСДБ-наблюдений // Труды ИПА РАИ. -

2007.- Вып. 16.-С. 61 82.

[А7] С. Л. Курдубов, Е. А. Скурихина. Подготовка пакета QUASAR для работы в службе ПВЗ ИПА РАН // Труды ИПА РАН.- 2007,-Вып. 16. - С. 231-237.

[А8] S. Kurdubov, Е. Skurikhina. Source selection for ICRF defining set from source positions time series // Proceedings of the "Journces 2008 Systemes de reference spatio-temporels-/ Ed. by M. Soffel, N. Capitaine. — Lohrmann-Observatorium and Observatoire de Paris, 2009. — P. 233-234.

[A9] S. Kurdubov, E. Skurikhina. Source Selection for NNR Constraints from Source Position Time Series // «Measuring the Future», IVS 2008 General Meeting Proceedings / Ed. by A. Finkelshtein, D. Behrend. — SPb: Nauka,

2008. - P. 279-283.

[А10] С. Л. Курдубов, Е. А. Скуршина. Участие центра анализа ИПА РАН в подготовке следующей реализации ICRF // КВНО-2009, сборник тезисов. - СПб.: ИПА РАН, 2009,- С. 127-128.

[All] S. Kurdubov, Е. Skurikhina. Dependence of Catalogue Orientation Parameters Accuracy from Sources Set Selection // Proceeding of the 19th European VLBI for Geodesy and Astrometry Working Meeting / Ed. by P. C. G. Bourda, A. Collioud. - Bordeaux: 2009. - P. 5-9.

[A12] S. Kurdubov, N. Panafidina. Scale difference between various TRF solutions // Proceeding of the 19th European VLBI for Geodesy and Astrometry Working Meeting / Ed. by P. C. G. Bourda, A. Collioud. — Bordeaux: 2009. - P. 23-27.

[A13] S. Kurdubov, E. Skurikhina. Antenna Axis Offset Estimation from VLBI // IVS 2010 General Meeting Proceedings "VLBI2010: From Vision to Reality" / Ed. by D. Behrend, K. D. Baver. - NASA/CP-2010-215864, 2010. -P. 247-250.

[A14] Z. Malkin, E. Skurikhina, A. Melnikov et al. IAA VLBI Analysis Center Report 2004 // IVS 2004 Annual Report / Ed. by D. Behrend, K. D. Baver, N. R. Vandenberg. — NASA/TP-2005-212772, 2005.- P. 215-218.

[A15] Z. Malkin, E. Skurikhina, J. Sokolova et al. IAA VLBI Analysis Center Report 2005 // IVS 2005 Annual Report / Ed. by D. Behrend, K. D. Baver. -NASA/TP-2006-214136, 2006.

[A16] E. Skurikhina, S. Kurdubov, V. Gubanov. IAA VLBI Analysis Center Report 2006 // IVS 2006 Annual Report / Ed. by D. Behrend, K. D. Baver. -NASA/TP-2007-214151, 2007.

[A17] В. С. Губанов, С. Л. Курдубов, Малкин 3. М. и др. Обработка РСДБ-наблюдений в ИПА РАН // "Фундаментальное и прикладное коорди-натно-временное обеспечение" (КВО-2005), Санкт-Петербург, 11-15 апреля 2005 г., Тезисы докладов. - СПб.: ИПА РАН, 2005. - С. 99-100.

[А18] А. М. Финкмъшгпейн, И. С. Гаязов, С. Л. Курдубов и др. Определение ПВЗ из наблюдений на РСДБ-сети «КВАЗАР-КВО» // КВНО-2009, сборник тезисов. - СПб.: ИПА РАН, 2009. - С. 67-71.

[А19] С. Л. Курдубов. Ковариационный анализ стохастическиз параметров модели РСДБ-наблюдений // Труды ИПА РАН. - 2006.- Вып. 14. С. 138-157.

[А20] V. S. Guhanov, Yu.L. Rusinov, I.F. Surkis et al. Project: Global Analysis of 1979-2004 VLBI Data // International VLBI Service for Geodesy and Astrometry 2004 General Meeting Proceedings / Ed. by N. R. Vanden-berg, K. D. Baver. - Ottawa, Canada: NASA/CP-2004-212255, 2004. -P. 315-319.

[A21] S. Kurdubov. QUASAR software in IAA EOP service: Global Solution and Daily SINEX // Proceeding of the 18th European VLBI for Geodesy and Astrometry Working Meeting / Ed. by J. Bohm, А. Рапу, H. Schuh. — GEOWISSENSCHAFTLICHE MITTEILUNGEN, 2007.- P. 79-84.

Цитируемая литература

[1] Т. A. Clark. Geodetic interferometry submission for the IUGG Quadrennial Report // Reviews of Geophysics and Space Physics.— 1979.— Vol. 17.— P. 1430-1437.

[2] A. E. E. Rogers, R. J. Cappallo, H. F. Hinteregger et al. Very-long-baseline radio interferometry - The Mark III system for geodesy, astrometry, and aperture synthesis // Science. - 1983. - Vol. 219. - P. 51-54.

[3] С. Ma, T. A. Clark, J. W. Ryan et al. Radio-source positions from VLBI // Astronomical Journal. - 1986.- Vol. 92. - P. 1020-1029.

[4] C. Ma, E.F. Arias, T.M. Eubanks et al. The International Celestial Reference Frame as realized by Very Long Baseline Interferometry // Astron. J.— 1998,-Vol. 116.-P. 516-546.

[5] C. Ma. The International Celestial Reference Frame (ICRF) and the Relationship Between Frames // International VLBI Service for Geodesy and Astrometry 2000 General Meeting Proceedings / Ed. by F. Takahashi. -2000. - P. 52.

[6] G. Elgered, J. L. Davis, T. A. Herring, I. I. Shapiro. Geodesy by radio interferometry - Water vapor radiometry for estimation of the wet delay / / Journal of Geophysical Research. — 1991. - Vol. 96. - P. 6541-6555.

[7] A. R. Thompson, J. M. Moran, G. W. Swenson. Interferometry and synthesis in radio astronomy. — New York: Wiley-Interscience, 1986. — P. 554.

[8] O. J. Sovers, J. L. Fanselow, Chr. S. Jacobs. Astrometry and geodesy with radio interferometry: experiments, models, results // Reviews of Modern Physics. - 1998. - Vol. 70, no. 4. - P. 1393-1454.

[9] Г. Мориц. Современная физическая геодезия. — Москва: Наука, 1983. — С. 392.

[10] В. С. Губанов. Обобщенный метод наименьших квадратов. Теория и применение в астрометрии. — СПб: Наука, 1997. — С. 318.

[11] И. Ф. Суркис. Обработка РСДБ наблюдений: Програмный пакет QUASAR. III. Структура и схема функционирования. // Сообщения ИПА РАН. - 2002. - Вып. 143.

[12] N. Capitaine. Recent developments in the concepts and models for fundamental astronomy // SF2A-2004: Semaine de l'Astrophysique Française / Ed. by F. Combes, D. Barret, T. Contini, F. Meynadier, & L. Pagani.- 2004. -P. 7-11.

[13] J. Boehm, B. Werl, H. Schuh. Troposphere mapping functions for GPS and very long baseline interferometry from European Centre for Medium-Range Weather Forecasts operational analysis data // J. Geophys. Res. — 2006. — Vol. 111. - P. B02406.

[14] L. Petrov, J.-P. Boy. Study of the atmospheric pressure loading signal in very long baseline interferometry observations // Journal of Geophysical Research. - 2004. - Vol. 109, no. B3.— P. 405.

Подписано в печать 11.08.2011 Формат 60x84 'Лб Офсетная, печать Печ. л. 1.0 Уч.-изд.л1.0 Тираж 100 Заказ 279 бесплатно

Отпечатано в типографии ЗАО «Полиграфическое предприятие» №3 (191104, Санкт-Петербург, Литейный пр., д. 55.)

Институт прикладной астрономии РАН, 191187, С.-Петербург, наб. Кутузова, 10

Введение

Глава 1. Глобальное уравнивание РСДБ наблюдений.

1.1. Модель астрометрических РСДБ наблюдений.

1.2. Параметризация задачи глобального уравнивания.

1.3. Метод среднеквадратической коллокации.

1.4. Алгоритм глобального уравнивания методом СКК.

1.5. Построение ковариационной модели стохастических параметров

Глава 2. Модернизация программного пакета QUASAR

2.1. Общая схема работы пакета обработки РСДБ наблюдений QUASAR

2.2. Тестирование и совершенствование пакета QUASAR.

2.3. Участие в международной службе РСДБ.

Глава 3. Обработка наблюдений

3.1. Наблюдательные программы.

3.2. Технология обработки.

3.3. Оцениваемые параметры.

3.4. Использование дополнительных условий.

3.5. Исследование стабильности положений радиоисточников. Ряды координат радиоисточников.

Глава 4. Результаты глобального уравнивания.

4.1. Уточнение земной системы координат.

4.2. Уточнение небесной системы координат.

4.3. Ряды ПВЗ.

4.4. Антенные оффееты станций.

Метод радиоинтерферометрии со сверхдлинными 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 в 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/ГЛО

НАСС станций, PC ДБ сеть остается важнейшей частью международной земной системы координат ITRF (International Terrestrial Reference Frame), определяющей 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 Ю-8 до 102 Гц [6]. Если низкочастотные вариации состояния атмосферы вплоть до Ю-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 вводить 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 ICRF 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 основных задач координатно-времен-ного обеспечения современной науки и практической деятельности людей. Решение этой проблемы осуществляется с помощью отечественного програмного 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 целью 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 станций, 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 радиоисточников 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-КВО". 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 современными международными требованиями и стандартами.

2. Новый каталог координат и скоростей 125 наземных станций, принимавших участие в РСДБ наблюдениях по геодезическим программам за период 1980-2009 гг. (для 15 станций с учетом смещений вследствие ремонтов и землетрясений).

3. Новый каталог координат 3009 внегалактических радиоисточников, наблюдавшихся в течение 1980-2009 гг.

4. Новые независимые ряды ПВЗ, 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), 20th IAU General Assembly, (Чехия, Прага, 14-25 августа 2006), РСДБ-2012 для астрометрии, геодинамики и астрофизики (С.-Петербург, 11-15 сентября 2006), 18i/l Working Meeting on European VLBI 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). 19i/l 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.

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 с 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 "Светлое" 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 радиоисточников.

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.

Основные результаты, касающиеся дисперсий указанных выше сигналов и их шумов, представлены в приложении, в таблицах А.1,А.2 и АДА.4. В таблицах а\ - усредненная дисперсия соответствующего сигнала, а - дисперсия шума сигнала. Из таблиц видно, что для большинства станций обнаружены значительные сезонные различия. Также заметны различия дисперсий для разных станций.

1.5.2. Переоценка сигналов

Как было отмечено в параграфе 1.5.1, стохастические сигналы содержат белый шум, который сильно коррелирует с невязками модели. На это также указывает критерий х2'гтО~1г * = 1Й7где г — полученный вектор невязок, 0,гг — матрица априорных ковариаций невязок (аппаратурная точность), N — число наблюдений, р — число оцениваемых параметров. Тогда х2 характеризует точность используемой модели и в идеальном случае должно быть х2 = 1. Но пока от ковариационной функции сигналов не отделялась шумовая часть из пункта 1.5.1, систематически получалось х2 < 1 — некоторая часть энергии невязок попадала в сигналы. Если же весь шум сигналов отфильтровать в иевязки — получалось наоборот х2 > 1- Это свидетельствует о том, что часть шума сигналов обусловлена тем, что в них присутствует чисто случайная компонента. Выделить её можно предполагая, что %2 должен быть равен единице.

Рассмотрим задачу фильтрации белого шума из данных 1 = s + п, где п — представляет собой белый шум, то есть Qnn = сг21. Используя формулу фильтрации (1.32) получим s = Q.ssQíT1! = (Qtt - Qrr)Q = 1 - tf-nQ/T1!, тогда n = o* Q^l.

Подставим n в формулу (1.38) x2 = (^Q^ifQ^nQú1!) где с — константа, от ап независящая. Пусть существует некоторое ап = ап при котором х2 ~ 1) тогда

1 Ó"n и можно получить выражение для <тп: определяющее, какую часть шума сигналов следует считать частью вектора невязок.

Глава 2

Модернизация программного пакета QUASAR

Для обработки РСДБ наблюдений необходимо специальное программное обеспечение. В мире существует несколько таких программных пакетов. Это Calc/Solve, OCCAM, OCCAM/GROSS, QUASAR, SteelBreeze. Наиболее распространённым за рубежом является программный пакет Calc/Solve [35], [36], [37], использующийся во множестве научно-исследовательских учреждений. Развитием официальной версии пакета OCCAM занимается Geoscience Australia. Пакет SteelBreeze используется и разрабатывается в МАО, Украина [38]. В России активно используются пакеты OCCAM/Gross [39] (ИПА РАН, Пулковская обсерватория) и QUASAR (ИПА РАН).

Основные отличия пакетов заключаются в методах моделирования нестабильных параметров и некоторых используемых моделях редукционных вычислений. Наиболее ярко выраженными нестабильными параметрами, требующими особых приёмов при определении из обработки РСДБ наблюдений, являются рассинхронизация часов станций и влажная компонента тропосферной задержки. Для моделирования нестабильных, стохастических параметров разработаны и применяются различные методы:

• многогрупповой метод наименьших квадратов - интервал времени, в течение которого велась сессия наблюдений, разбивается на малые интервалы длиной от десятков минут до нескольких часов и оцениваются значения стохастического параметра для каждого малого интервала времени. Для разрешимости систем нормальных уравнений добавляются различные дополнительные условия связи параметров на разных интервалах.

Используется в пакете Calc/Solve.

• филг>трация Калмана - стохастический сигнал представляется в виде марковского процесса с заданными характеристиками [40]. Получаются оценки стохастического сигнала для каждого наблюдения, точность оценок увеличивается кумулятивно.

Используется в пакетах OCCAM/GROSS и OCCAM.

• среднеквадратическая коллокация - стохастический сигнал выделяется с помощью заданной a priori автоковариационной функции.

Используется в пакетах QUASAR и OCCAM.

• информационный фильтр- усовершенствованный вариант фильтра Калмана, использующий информационную матрицу.

Используется в пакете SteelBreeze.

В данной работе для обработки наблюдений использовался программный пакет QUASAR.

Отличительной чертой пакета QUASAR является то, что он позволяет любой параметр оценивать в виде коэффициентов разложения до выбранной степени. Такие величины, как, например, скорости станций или радиоисточников, оцениваются единообразно с другими параметрами, имеющими линейный тренд (при необходимости можно оценить тренд любого порядка для любого оцениваемого параметра).

2.1. Общая схема работы пакета обработки PC ДБ наблюдений QUASAR

Основной задачей программных средств обработки РСДБ данных является анализ поступающих РСДБ наблюдений и получение наиболее точных оценок ГТВЗ. Для этой цели необходимо также уточнение опорных каталоI гов, задающих Земную и Небесную систему координат, а также уточнение опорного ряда ПВЗ. Общая схема обработки РСДБ наблюдений выглядит следующим образом:

Рис. 2.1. Общая схема работы пакета обработки РСДБ наблюдений

На вход программы обработки поступают данные РСДБ наблюдений после первичной обработки на корреляторе, в формате N03 или МКЗВВН. Сначала запускается программа, обновляющая, при необходимости, каталоги станций и радиоисточников, в случае, если во вновь поступивших данных появляются новые станции и радиоисточники. Проверяется корректность данных во входных файлах и обновляется различная статистическая информация. На этапе 2. производится вычисление измеренных задержек и частных производных от задержек по параметрам модели. Производится вычисление разностей наблюдённых и предвычисленных задержек (О-С). На этапе 3. производится анализ разностей (О-С), поиск выбросов и скачков рассинхрониза-ции часов станций. Если были произведены какие-либо изменения, происходит переход к пункту 1. обработки, иначе — переход к пункту 4. Оценивание параметров модели заключается в построении матрицы нормальной системы для ПВЗ и других необходимых параметров одним из обобщений метода наименьших квадратов. Далее из этой матрицы получаются конечные значения ПВЗ по данным обработки конкретной сессии РСДБ наблюдений, SINEX файл, содержащий всю необходимую информацию для последующего комбинирования результатов с другими техниками, а также проводится глобальное переоценивание всех данных для получения глобальных параметров, таких как координаты станций и радиоисточников. В случае, если на этапе !, были обнаружены новые станции или источники, то после этапа 6. повторяется обработка по этапам 1. - 5. В следующем параграфе более детально показано, как эти этапы реализованы в программном пакете QUASAR.

2.1.1. Программные модули пакета QUASAR

Программный комплекс QUASAR реализован в виде набора исполняемых файлов, управляющих файлов-скриптов и управляющей программы для ручного режима работы. Программные модули, выполненные в виде исполняемых файлов, запускающихся в окне терминала:

• addall.exe

Выполняет формирование матрицы глобальных параметров при мульти-сессионном уравнивании. Использует результаты работы программы lscl.exe. Использует управляющие файлы reduct.dat, statsour.dat, path.dat, der.dat, estimate.dat.

• all. exe

Производит обработку матрицы нормальной системы глобальных параметров при мультисессионном уравнивании. Производит наложение необходимых дополнительных условий или исключение параметров, обращает матрицу нормальной системы, формирует выходные файлы оценок глобальных параметров и уточнённые каталоги. Использует результаты работы программы lscl.exe, average.exe, addall.exe. Использует управляющие файлы reduct.dat, statsour.dat, path.dat, der.dat, all.dat, estimate.dat, catalog.dat.

• average.exe

Собирает статистическую информацию об обрабатываемых данных. Определяет средние метеопараметры, количество наблюдений и некоторую другую информацию для станций и радиоисточников, обнаруженных в обрабатываемых в текущем задании NGS файлах. Использует результаты работы программы statsour.exe. Использует управляющие файлы reduct.dat, statsour.dat, path.dat, catalog.dat.

• cvrt.exe

Программа, анализирующая полученные результаты, формирующая файлы со списками величин оценённых параметров в обрабатываемом наборе сессий. Кроме того, программа разделяет результаты на удовлетворительные и плохие. Для плохих сессий необходима дальнейшая переобработка оператором в полуавтоматическом режиме. Использует результаты работы программ lsc.exe или lsc2.exe. Использует управляющие файлы path.dat, der.dat, reduct.dat.

• forms.exe

Программа формирования обращённых ковариационных матриц, используемых в методе кол локации. Использует результаты работы программ reduct.exe, average.exe, statsour.exe. Использует управляющие файлы path.dat, der.dat, reduct.dat, statsour.dat.

• lsc.exe

Программный модуль формирования и последующей обработки матрицы нормальной системы сессионных параметров при односессионном уравнивании (методом среднеквадратической коллокации). Производит наложение необходимых дополнительных условий или исключение параметров, обращает матрицу нормальной системы, формирует выходные файлы оценок локальных параметров. Использует результаты работы программ average.exe, reduct.exe, forms.exe, statsour.exe. Использует управляющие файлы reduct.dat, statsour.dat, path.dat, der.dat, allloc.dat, estimate.dat, catalog.dat.

• lscl.exe

Программный модуль первого шага глобального уравнивания и формирования матрицы глобальных параметров совместно с программой addall.exe (методом среднеквадратической коллокации). Использует результаты работы программ reduct.exe, forms.exe, average.exe. Использует управляющие файлы reduct.dat, statsour.dat, path.dat, der.dat, estimate.dat.

• lsclDSNX.exe

Программный модуль формирования и последующей обработки матрицы нормальной системы сессионных параметров при односессионном уравнивании (методом среднеквадратической коллокации). Производит наложение необходимых дополнительных условий или исключение параметров, обращает матрицу нормальной системы, формирует выходные файлы оценок локальных параметров. Также формирует SINEX файлы, содержащие свободные от условий нормальные матрицы, пригодные для дальнейшего комбинирования результатов между разными центрами анализа или техниками. Использует результаты работы программ average.exe, reduct.exe, forms.exe, statsour.exe. Использует управляющие файлы reduct.dat, statsour.dat, path.dat, der.dat, allJoc.dat, estimate.dat, catalog.dat.

• lsc2.exe

Программный модуль второго шага глобального уравнивания (методом среднеквадратической коллокации). Использует полученные программой all.exe оценки глобальных параметров и производит завершающую операцию СКК - оценивает исключённые на первом шаге суточные параметры, формирует файлы с результатами. Использует результаты работы программ reduct.exe, forms.exe, average.exe, lscl.exe, addall.exe, all.exe. Использует управляющие файлы reduct.dat, statsour.dat, path.dat, der.dat, estimate.dat.

• output.exe

Программный модуль формирования выходных файлов.

• pls.exe

Программный модуль формирования и последующей обработки матрицы нормальной системы сессионных параметров при односессионном уравнивании (простым методом наименьших квадратов, без учёта стохастических компонент параметров). Производит наложение необходимых дополнительных условий или исключение параметров, обращает матрицу нормальной системы, формирует выходные файлы оценок локальных параметров. Использует результаты работы программ average.exe, reduct.exe, statsour.exe. Использует управляющие файлы reduct.dat, statsour.dat, path.dat, der.dat, allloc.dat, estimate.dat, catalog.dat.

• plsl.exe

Программный модуль первого шага глобального уравнивания и формирования матрицы глобальных параметров совместно с программой addall.exe (простым методом наименьших квадратов, без учёта стохастических компонент параметров). Использует результаты работы программ reduct.exe, average.exe Использует управляющие файлы reduct.dat, statsour.dat, path.dat, der.dat, estimate.dat.

• reduct.exe

Программный модуль, производящий вычисление задержек и составляющий разности О-С. Использует результаты работы программы statsour.exe. Использует управляющие файлы reduct.dat, statsour.dat, path.dat, catalog.dat.

• statsour.exe

Программный модуль, создающий списки используемых в задании имён станций и радиоисточников. Также выбирает группы станций и радиоисточников для последующего наложения условий, необходимых при оценке координат.

2.1.2. Управление вычислениями пакета QUASAR

Управление работой пакета выполняется с помощью конфигурационных файлов, которые изменяются вручную, с помощью управляющей программы или автоматически. Каждая рабочая директория, соответствующая обрабатываемым сессиям, содержит набор управляющих файлов, контролирующих режим обработки. Далее приводится перечень и краткое описание всех конфигурационных файлов:

• all.dat

Файл, управляющий наложением NNT/NNR условий при глобальном уравнивании для определения координат станций.

• allloc.dat аналог all.dat для односессионного уравнивания

• average.dat средние значения метеопараметров всех станций

• axioff.dat значения антенных выносов всех станций

• catalog.dat имена файлов с каталогами станций и источников (без расширений)

• der.dat файл с перечнем оцениваемых параметров

• estimate.dat параметры оценивания

• extract.dat исключение параметров из матрицы нормальной системы, при глобальном уравнивании.

• globstsr.dat

Фаайл, который содержит:

• 1. список станций, на которые накладываются NNR/NNT условия в глобальном решении, он же является списком станций, координаты которых не уточняются при суточном оценивании (sng):

1. Файл с параметрами аппроксимации метео параметров для некоторых станций (для тех, для которых они вычислены)• parunits.dat

2. Файл с наименованиями и размерными коэффициентами оцениваемых параметров• path.dat

3. Файл с путями к различным директориям программного комплекса• reduct.dat

4. Настройки редукционных вычислений• regser.dat

5. Список сессий, подвергающихся регуляризации ПВЗ• regular.dat

6. Априорные СКО для стохастической регуляризации (используются, если включена стохастическая регуляризация)• sesscode.dat

7. Файл содержит имена сессий и их коды, используется для правильного распределения сессий по программам и формиройания выходных файлов. Не следует изменять этот файл вручную, он должен обновляться с файлового сервера.• task.dat

8. Перечень серий, обрабатываемых в текущей задаче• quasar.datсодержит параметры настройки пакета на текущую задачу• sigclock.datсодержит дисперсии стохастического сигнала часов станций• sigwet.dat

9. Содержит дисперсии стохастических сигналов влажной компоненты тропосферной задержки для различных станций• signals.dat

10. Файл подстановки имён для всех станций при чтении файлов VMF (Vienna Mapping Function)• statsour.dat

11. Список станций и источников, наблюдения которых будут обрабатываются в текущем задании• syn.dat

12. Файл содержит синонимы имён станций (некоторые станции в файлах наблюдений встречаются под разными именами).

13. Управление большинством программ комплекса осуществляется черезсоответствующие управляющие файлы. Только управляющая программа Quasar.е и программа для разделения сессий share.exe имеют графический пользовательский интерфейс.

14. Перед запуском этого окна составляется список всех станций и источников в обрабатываемых сериях. Для каждой станции и источника проверяется наличие данных в каталоге.• Настройки параметров редукционных вычислений.

15. Диалоговое окно спроектировано таким образом, чтобы можно было менять состав параметров редукционных вычислений.• Диалоговое окно состава оцениваемых параметров.

16. Тестирование и совершенствование пакета QUASAR

17. Однако, не всегда можно отказаться от регуляризации параметров. На данный момент регуляризация в пакете QUASAR применяется в двух случаях:

18. Оцениваются глобальные тренды ПВЗ совместно с ежесуточными определениями. Тогда ежесуточные поправки являются центрированнымислучайными величинами и применение регуляризации оправдано.

19. Отсутствует возможность определения всех 5 ПВЗ в случае плохой геометрии баз в обрабатываемой сессии или вследствие недостаточного количества наблюдений.