УДК 521.933
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ГЛОБАЛЬНОГО УРАВНИВАНИЯ
РСДБ-НАБЛЮДЕНИЙ
© 2011 г. С. Л. Курдубов, В. С. Губанов*
Институт прикладной астрономии РАН, Санкт-Петербург
Поступила в редакцию 02.08.2010 г.
С помощью новой версии отечественной многофункциональной программной системы QUASAR выполнена совместная обработка всех доступных РСДБ-наблюдений, выполненных на глобальных сетях станций за период 1979—2009 гг. Получены новые уточненные и расширенные версии международных опорных систем координат внегалактических радиоисточников и наземных РСДБ-станций, а также новый независимый ряд параметров ориентации Земли. Анализ точности этих результатов показал, что они находятся на уровне лучших определений в национальных и международных центрах анализа РСДБ-наблюдений.
Ключевые слова: РСДБ-наблюдения, системы координат, вращение Земли.
ВВЕДЕНИЕ
Основной задачей астрометрии является установление небесной и земной систем координат и определение параметров их взаимной ориентации как функций времени. Согласно решениям Международного астрономического союза (МАС) в качестве опорной небесной системы (ICRF — International Celestial Reference Frame) приняты каталоги экваториальных координат внегалактических радиоисточников (ВР), которые создаются коллективными усилиями Центров анализа РСДБ-наблюдений разных стран под руководством Международной службы IERS (International Earth Rotation and Reference Systems Service). В 2010 г. появилась обновленная и расширенная версия предыдущей системы ICRF-Ext.21 —ICRF22 . Аналогичным образом последовательно уточняется и расширяется опорная земная система координат (ITRF — International Terrestrial Reference Frame). Фундаментальную основу новой версии этой системы ITRF053 образуют результаты позиционных РСДБ-наблюдений, а измерения с помощью спутниковых систем SLR, DORIS и GPS/ГЛОНАСС
Электронный адрес: gubanov@ipa.nw.ru
1 http://hpiers.obspm.fr/icrs-pc.
2 http://www.iers.org/IERRS/EN/Publications/Technical-
Notes/tn35.html
3 http://itrf.ensg.ign.fr/ITRFsolutions/2005/doc/ITRF2005
VLBI.SSC.txt.
служат для ее расширения и редукции к центру масс Земли.
Третья составляющая рассматриваемой задачи — мониторинг параметров взаимной ориентации систем ITRF и ICRF — также решается, в основном с помощью РСДБ-наблюдений, поскольку из их обработки определяются текущие значения всех пяти параметров ориентации Земли EOP (Earth Orientation Parameters) — координаты земного и небесного полюсов (Xp,Yp), (Xc, Yc) и всемирное время (UT1— UTC). Данные GPS-измерений привлекаются лишь для уплотнения рядов (Xp,Yp) и измерения продолжительности суток (LOD).
Основная задача астрометрии является триединой в том смысле, что взаимно согласованное решение всех трех ее частей может быть достигнуто только в процессе совместной обработки (уравнивания) всех имеющихся РСДБ-наблюдений на глобальных сетях станций. Для реализации такого процесса в ИПА РАН создан многофункциональный программный пакет QUASAR (Губанов и др., 2002). В настоящей работе представлены результаты применения расширенной и усовершенствованной версии этого пакета (Губанов и др., 2007) для глобального уравнивания всех доступных данных РСДБ-наблюдений за период 1979—2009 гг. Цели, задачи и основные особенности этого проекта рассмотрены в работах Губанова и др. (2004) и Губанова, Курдубова (2005).
ГЛОБАЛЬНОЕ УРАВНИВАНИЕ РСДБ-НАБЛЮДЕНИЙ
Программный пакет QUASAR
Программный пакет QUASAR создавался в течение последних 10 лет для научных и прикладных исследований на основе данных РСДБ-наблюдений на глобальных и региональных сетях станций. Пакет представляет собой многофункциональную и многоцелевую программную систему современного уровня. Он работает на компьютере PC Intel Pentium-IV в среде Microsoft Windows XP и использует языки C++ и Fortran. Первые научные результаты с его помощью были получены в 2002 г. из обработки наблюдений по программе NEOS-A (Губанов и др., 2002). В настоящее время создана новая версия пакета, которая используется в Центре анализа наблюдений ИПА РАН для совместного анализа всех доступных РСДБ-наблюдений, в том числе и на пунктах комплекса Квазар-КВО, а также для оперативных определений параметров ориентации Земли (Курдубов, Скурихина, 2007). Пакет продолжает развиваться и совершенствоваться.
Данные РСДБ-наблюдений
Для глобального уравнивания использовались все доступные суточные серии РСДБ-наблюдений за период 1979—2009 гг. Результаты этих наблюдений распространяются через сеть Internet в формате DBH. В ИПА РАН они автоматически трансформируются в NGS-формат и загружаются в базу данных Центра анализа наблюдений института. Затем программный пакет QUASAR преобразует эти данные для каждой серии наблюдений в компактный бинарный файл, поступающий в собственную базу данных пакета. В окончательном решении использовано 4171 суточных серий, содержащих 6 353 387 наблюдений с января 1980 г. по март 2009 г.
Редукционные вычисления в пакете QUASAR осуществляются в полном соответствии с рекомендациями IERS Conventions (2003) (Маккарти, Петит, 2004), согласно которым небесная и земная системы координат отнесены к невращающимся началам CEO (Celestial Ephemeris Origin) и TEO (Terrestrial Ephemeris Origin) и к промежуточному небесному полюсу CIP (Celestial Intermediate Pole). В качестве опорных систем использовались ICRF-Ext.2, ITRF05, IERS(EOP)05C044 , а для вычисления тропосферных задержек — глобальные метеокарты5.
4 http://hpiers.obspm.fr/eoppc/eop/eopc04 05/.
5 http://www.hg.tuwien.ac.at/ ecmwf1.
Интерфейс пакета QUASAR содержит специальную графическую систему, позволяющую просматривать разности (O—C) и/или невязки уравнений как функции времени, исправлять скачки, разрывы и грубые отклонения от квадратичной модели в ходах часов станций. Корректировка наблюдений велась как по разностям (O—C), так и по невязкам решений. При этом предварительно уточнялись плохо известные координаты станций. Для серий наблюдений, выполненных на региональных сетях станций, применялась принудительная стохастическая регуляризация поправок EOP (Губанов, 1997, 2001). Подобные манипуляции производились лишь для 822 серий, выполненных, в основном, в 80-е годы. Построенная система предварительного контроля наблюдений позволяет оперативно пополнять базу данных новыми наблюдениями и выполнять обработку суточных серий в режиме оперативной службы. Процедура глобального уравнивания, применявшаяся в настоящей работе, основана на методе средней квадратической коллокации (СКК) (Губанов, 1997), который требует обращения (N х N)-матриц, где N — число наблюдений в данной серии. Для ускорения обработки суперсерий с N > 4000 в интерфейс пакета QUASAR включена процедура их разделения (Губанов и др., 2007) на субсерии размером N < 4000.
Метод СКК
Метод СКК использует стохастическую модель наблюдений вида
lk = Ak x + Bk yk + Uk sk + rfc, (1)
k = 1,2,...,M,
где lk = (¡i)k = (Oi — Ci)k — вектор разностей измеренных и предвычисленных значений временной задержки, k = 1,2,..., M, — порядковый номер суточной серии наблюдений, i = 1,2,...,Nk, — номер наблюдения в данной серии, x — вектор глобальных параметров, общих для всех серий, yk — вектор суточных параметров для данной серии, sk = (sm)k, m = 1,2,...p, — составной вектор внутрисуточных стохастических компонент (сигналов) суточных параметров, Ak, Bk, Uk — матрицы соответствующих частных производных, rk — вектор случайных невязок модели. Стохастические компоненты могут содержать как глобальные параметры, относящиеся ко всем станциям, — координаты полюса и всемирное время, так и локальные параметры — влажная составляющая тропосферной задержки в зените (WTD) и поправка синхронизации часов (CLK). СКК-оценки всех параметров и сигналов модели (1) находятся методом максимального правдоподобия с использованием обобщенного принципа наименьших
квадратов:
r,Q"1r + s'Qj/s
min,
где Qrr = [qrr(Tij)], Qss = [qss(Tj)] - априорные матрицы автоковариаций невязок и сигналов, qrr(r),qss(r) — соответствующие автоковариационные функции (АКФ). Если модель (1) полная, то невязки можно считать независимыми ошибками измерений, дисперсии которых а^ известны, поэтому Qrr = diag(a2i). Поскольку разноименные сигналы в каждой серии наблюдений независимы, то матрица их совместных ковариаций имеет блочно-диагональный вид Qss = = [qss(Tij)] = diag[Qmm] , где Qmm = [qmm(rij)], i,j = 1,2,..., Nk, — полные матрицы автоковариаций сигналов. Необходимые для построения этих матриц функции qmm(rij) для всех типов сигналов находились градиентным методом итераций. Русинов (2004) показал, что СКК-оценки сигналов слабо зависят от изменений параметров их АКФ, поэтому итерационный процесс сходится быстро даже для грубых начальных приближений. Хотя стохастические компоненты WTD и CLK носят локальный характер, эмпирические оценки их нормированных АКФ с(т) = q(r)/q(0) оказались глобально устойчивыми (Курдубов, 2006). Усредняя эти оценки по всем станциям, получаем функции, которые можно аппроксимировать типовой двухчастотной моделью АКФ стационарного процесса:
2
с(т) = aie-ailT'(cos PiT + Yi sin PiT).
i=1
Основное условие стационарности сигналов sm — центрированность — выполняется автоматически, поскольку их суточные тренды включены в параметрическую модель bk = Bkyk. Дисперсии q(0) сигналов WTD и CLK для разных станций и сезонов наблюдений оказались неустойчивыми,
Таблица 1. Общая характеристика индивидуальных каталогов
Каталог Число радио- Программный Центр
источников пакет анализа
таоС08а 3572 combination МАО
aus007a 1516 OCCAM GA
bkgOOla 2978 CALC/SOLVE В KG
gsfc007b 3378 CALC/SOLVE GSFC
iaa008c 2918 QUASAR IAA
mao008a 3512 SteelBreeze МАО
opa008b 3214 CALC/SOLVE OPA
usnoOlOc 3380 CALC/SOLVE USNO
однако учет этого эффекта практически не повлиял на оценки параметров и сигналов (Курдубов, 2006).
Поправки координат и собственных движений (скоростей) ВР и наземных станций являются общими (глобальными) параметрами и входят в состав вектора х модели (1), куда могут входить и другие параметры, остающиеся постоянными на всем интервале наблюдений. В результ
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.