УДК 521.92
АНАЛИЗ ТОЧНОСТИ ПРОГНОЗА CPO ДВИЖЕНИЯ НЕБЕСНОГО ПОЛЮСА
© 2010 г. З. М. Малкин
Учреждение Российской академии наук Главная (Пулковская) астрономическая обсерватория РАН,
Санкт-Петербург, Россия Поступила в редакцию 14.04.2010 г.; принята в печать 08.06.2010 г.
Отмечается, что наиболее точные значения углов прецессии-нутации, определяющих положение небесного полюса, получаются из РСДБ-наблюдений на глобальных сетях станций, результаты которых бывают доступны, как правило, через 2—4 недели после наблюдений. Поэтому для многих приложений, таких как спутниковые навигационные системы, оперативные определения всемирного времени и космическая навигация, на практике используются прогнозные значения координат небесного полюса. В связи с этим впервые исследуется точность прогнозов углов прецессии-нутации на материале реальных данных, полученных за последние 3 года, с тремя эмпирическими моделями нутации, разработанными в Морской обсерватории США, Парижской обсерватории и Пулковской обсерватории. Результаты сравнения показали, что последняя модель имеет значительное преимущество в точности предсказания координат небесного полюса. Среднеквадратичная ошибка прогноза на один месяц по этой модели составляет менее 100 мксек. дуги.
1. ВВЕДЕНИЕ
Прогноз параметров вращения Земли (ПВЗ) — координат земного полюса, всемирного времени и координат небесного полюса (НП) — представляет собой экстраполяцию полученных из наблюдений значений этих параметров на некоторый промежуток времени (длину прогноза) после последней даты наблюдений. Такой прогноз нужен для многих научных и практических приложений, поэтому развитию соответствующих методов и исследованию точности прогноза посвящено множество работ (см., например, [1—6] и цитируемую там литературу). При этом легко заметить, что практически все известные исследования в этой области посвящены прогнозу координат земного полюса и всемирного времени.
Объясняется это тем, что, в отличие от них, для движения НП возможно разработать модель прецессии-нутации, точность который будет достаточной для многих практических целей. В такой ситуации фактически повышение точности теории прецессии-нутации обеспечивает одновременно и повышение точности прогноза. Так последняя теория, рекомендованная в качестве международного стандарта Международным астрономическим союзом (МАС) и состоящая из теории нутации 1Аи2000А (резолюция МАС В1.6 2000 г.) и теории прецессии Р03 (резолюция МАС В1 2006 г.), имеет заявленную точность 100 мксек. дуги. Однако это значение не отражает реальной ошибки
положения НП, вычисляемого по теории МАС, поскольку последняя описывает только часть полного движения оси вращения Земли, которое, кроме членов, входящих в теорию, включает также ряд немоделируемых на современном уровне знаний, и, следовательно, непредсказуемых эффектов, суммарный вклад которых достигает в наше время 400 мксек. дуги. Основными из этих эффектов являются свободная нутация ядра (FCN — Free Core Nutation) и тренд.
Таким образом, для тех приложений, где достаточна точность учета прецессии-нутации около 500 мксек. дуги, специальные процедуры прогноза не нужны. Для приложений, более требовательных к точности моделирования движения НП в реальном времени и тем более с упреждением по времени, необходимо моделировать и прогнозировать отличие реального движения НП от теории МАС, называемое смещением НП (в международной терминологии CPO — Celestial Pole Offset) (именно значения CPO dX и dY обеспечиваются центрами обработки РСДБ-наблюдений и службами определения ПВЗ). С этой целью были разработаны несколько эмпирических моделей, которые постоянно поддерживаются в актуальном состоянии и могут быть использованы на практике [7].
Для каждой модели авторы публикуют с регулярным обновлением ряд CPO на заданные моменты времени с прогнозом. Однако, только небольшое число работ посвящено исследованию ошибок
прогноза CPO [8—10], причем их изучение проводилось на исторических данных о движении НП, что может приводить к существенному искажению оценок точности прогноза, особенно краткосрочного [11]. Кроме того, только в [10] исследуется модель, открыто доступная для практического применения. Поэтому пользователи имеющихся прогнозов движения НП лишены возможности получить статистически обоснованную оценку погрешностей получаемых результатов. Единственная известная нам попытка оценки реальной ошибки прогноза CPO была сделана в рамках специальной тестовой кампании Международной службы вращения Земли и опорных систем координат (IERS) [12]. К сожалению, в этом проекте анализировались прогнозы только двух центров, не находящиеся в открытом доступе и выполненные с использованием неизвестной модели. Из приведенных в [12] графических данных можно сделать вывод о точности прогноза CPO на уровне около 150 мксек. дуги на срок до одного года.
В настоящей работе впервые детально анализируются результаты реальных прогнозов CPO, сделанных в различных центрах вычисления и анализа ПВЗ в 2007—2009 гг. с использованием различных моделей, сохраненные в нашей базе данных. Эти прогнозы сравнивались с окончательными значениями CPO, вычисляемыми Международной РСДБ-службой для геодезии и астрометрии (IVS — International VLBI Service for Geodesy and Astrometry) по результатам РСДБ-наблюдений на глобальных сетях станций [13, 14]. Статистическая обработка этих данных позволила получить надежные оценки качества используемых в настоящее время методов прогноза движения НП. В качестве таких оценок использованы среднеквадратичная ошибка, максимальная ошибка и эффективность прогноза. Две первые величины являются характеристикой абсолютной ошибки прогноза, а последняя является мерой его относительной ошибки.
2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ CPO ИЗ РСДБ-НАБЛЮДЕНИЙ
Как известно, наиболее точные данные о движении НП обеспечиваются методом радиоинтерферометрии со сверхдлинными базами (РСДБ) на глобальных сетях станций. Такие наблюдения требуют участия многих обсерваторий разных стран и координируются IVS [13]. Вообще говоря, высокоточные данные о ПВЗ могут быть получены с любой сети РСДБ-станций, обладающей достаточными геометрическими параметрами, в первую очередь размером [15]. Однако в силу большой трудоемкости получения результата, что будет детально рассмотрено ниже, результаты РСДБ-наблюдений
бывают доступны с задержкой до нескольких месяцев, что недопустимо для практических пользователей ПВЗ, поскольку РСДБ является основным современным методом определения положения НП и всемирного времени. Поэтому для повышения оперативности определения ПВЗ IVS организовала наблюдения по двум специальным программам R1 (проводимые, как правило, с 17h UTC понедельника до 17h UTC вторника) и R4 (проводимые, как правило, с 18h30m UTC четверга до 18h30m UTC пятницы). Наблюдения по этим программам имеют приоритет на всех этапах обработки, что позволяет максимально уменьшить задержку результатов определения ПВЗ. Кроме того, расписание наблюдений по этим программам оптимизируется для получения наилучшей точности ПВЗ.
Как известно, сам принцип РСДБ заключается в независимой регистрации сигналов от радиоисточника на станциях (радиотелескопах) РСДБ-сети. Затем все зарегистрированные данные доставляются на коррелятор для совместной обработки. Результаты корреляции содержат задержки и частоты интерференции, оформленные в виде файлов стандартного формата IVS Mark-3 DBH (в международной терминологии database v. 1) для S- и X-диапазонов. После этого данные подвергаются первичной обработке, во время которой они калибруются за влияние ионосферы, дополняются данными о кабельной задержке, метеопараметрах и некоторыми другими данными, измеренными на станциях, а также вычисляемыми теоретически. В результате создаются окончательные файлы наблюдений (в международной терминологии database v. 3 или 4), которые используется центрами анализа IVS для вычисления ПВЗ. После обработки наблюдений в отдельных центрах производится вычисление сводного ряда ПВЗ IVS. Все эти этапы вносят вклад в задержку времени доступности значений CPO для потребителей. Здесь под задержкой мы понимаем разность даты появления результатов вычисления ПВЗ и эпохой, к которой относятся эти ПВЗ.
Рассмотрим примерную раскладку этой задержки по этапам обработки оперативных определений ПВЗ по программам IVS R1 и R4:
1. Доставка наблюдений на коррелятор. Основная масса РСДБ-наблюдений на глобальных сетях станций в настоящее время регистрируется на магнитных дисках и доставляется на коррелятор экспресс-почтой, что обычно занимает от 3 до 7 дней. Это приводит к типичной задержке начала корреляции 6—8 дней.
2. Корреляция данных. Обычно корреляция занимает от 2 до 5 дней. В это время также входит предварительный анализ и калибровка данных, а
также формирование окончательного файла наблюдений и его размещение в центрах данных 1УБ для использования всеми центрами обработки.
3. Вычисление ПВЗ в центрах обработки 1УБ. Как правило, первые результаты получаются практически без задержки в том центре, где формируется окончательный файл наблюдений. В остальных центрах оперативной обработки результаты определения ПВЗ обычно получаются в течение 1 — 2 рабочих дней1 .
4. Вычисление сводного ряда ПВЗ 1УБ. Эта процедура обычно занимает от 2 до 10 дней.
В результате по данным нашего мониторинга минимальная отмеченная задержка сводных данных 1УБ в 2009 г. составила 12 дней, максимальная — 37 дней при медианном значении 19 дней. Таким образом, для конечного пользователя значения СРО обычно доступны через 1.5—2 недели после наблюдений при использовании результатов отдельных центров обработки и через 2—4 недели для пользователей, предпочитающих использовать сводный ряд 1УБ.
Задержка результатов наблюдений по другим программам ¡УБ составляет от нескольких недель до нескольких месяцев, но эти результаты сравнительно мало влияют на окончательный ряд СРО. Следовательно, для большинства практических нужд достаточно иметь прогноз СРО на срок до 5 недель. Для других возможных приложений и в исследовательских целях интересно определить точность прогноза СРО и н
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.