SCHED2010:Neue Beobachtungsplanung für VLBI2010

Im Jahr 2003 rief der International Very Long Baseline Interferometry (VLBI) Service for Geodesy and Astrometry (IVS) die Arbeitsgruppe 3 (WG3) mit dem Ziel der Modernisierung des VLBI Systems ins Leben. Die Genauigkeit der VLBI-Positionsbestimmung soll von aktuell 5 bis 7mm in den Submillimeter-Bereich gesteigert werden. Als Ergebnis des Abschlussberichts der WG3 wurde das VLBI2010 Komitee (V2C) als permanente Institution eingerichtet, um die Entwicklung der Hardware, Software und der Beobachtungsstrategien für die nächste Generation des VLBI-Beobachtungs-systemen voranzutreiben. Als Beitrag zum V2C wurden am Institut für Geodäsie und Geophysik (IGG) der TU Wien zahlreiche Simulationen durchgeführt. Ein Monte Carlo Simulator und eine entsprechende VLBI Simulations-Software wurden eigens entwickelt, um möglichst realistisch die Qualität eines geplanten VLBI-Beobachtungsplanes abschätzen zu können. Diese Simulationen zeigten deutlich, dass weitere intensive Forschungsarbeiten zur Erstellung der VLBI-Beobachtungspläne notwendig sind, um das zukünftige VLBI-System in Hinblick auf Genauigkeit, zeitliche Auflösung, Echtzeitanwendungen und Zuverlässigkeit weiter zu entwickeln. In dem hier beantragten Projekt sollen verschiedene Strategien und Algorithmen zur optimalen Beobachtungsplanung untersucht, die Ergebnisse sorgfältig evaluiert und schließlich eine Software "SCHED2010" zur Erstellung von VLBI-Beobachtungsplänen entwickelt werden, um mit dem zukünftigen VLBI2010-System die bestmöglichen geodätischen Parameter zu erhalten. In der VLBI kann jede Antenne zu einem bestimmten Zeitpunkt nur eine Radioquelle anzielen. Die Anzahl der Beobachtungen sowie die Genauigkeit der ermittelten Parameter stehen in direktem Zusammenhang mit der Reihenfolge der beobachteten Radioquellen. Kriterien, nach denen sich verbesserte Beobachtungspläne erstellen lassen und die in die neue Software SCHED2010 implementiert werden sollen, stützen sich entweder auf die Auswahl der Radioquellen oder auf die Spezifikationen der Radioantennen. Die neue Software wird hauptsächlich Regeln ansetzen, die eine gleichmäßige Quellenverteilung, die Flussdichte der zu beobachtenden Quellen (SEFD) und ggf. den Einsatz von Quellenstrukturkarten (source maps) vorsehen. Weitere Aspekte rücken die VLBI Antennen in den Mittelpunkt wie zum Beispiel die Optimierung des Beobachtungsplanes für Antennen mit schnellen Fahrzeiten, die Kombination von neuen und bestehenden Antennen zu einem gut funktionierenden Netzwerk und der Einsatz von mehreren Antennen an einer Station. Auch ökonomische und ökologische Gesichtspunkte wie die Instandhaltung der Antennen und die Reduktion des Stromverbrauches werden bei den Untersuchungen für SCHED2010 berücksichtigt. SCHED2010 soll mit der existierenden VLBI- Simulationssoftware des IGG direkt verknüpft werden. Eine dynamische Änderung der Beobachtungspläne in Abhängigkeit von Antennenstatus, Radioquellen und Aufzeichnungsmedien wird beim abschließenden Einsatz von SCHED2010 für die operationelle Anwendung des IVS vorgesehen. Es ist beabsichtigt, die neue VLBI- Beobachtungsplanungssoftware in die bestehenden VLBI-Softwarepakete zu integrieren.

Die Radiointerferometrie auf langen Basislinien (Very Long Baseline Interferometry, VLBI) ist ein radioastronomisches Verfahren, bei dem zwei oder mehr Antennen gleichzeitig dieselbe Radioquelle beobachten und deren Radiostrahlung registrieren. Die VLBI-Technik wird in der Geodäsie seit nunmehr über 40 Jahren genutzt und spielt eine wichtige Rolle bei der Realisierung des globalen geodätischen Referenzrahmens. Insbesondere ist sie ein wesentlicher Faktor für die Festlegung eines stabilen Maßstabes des terrestrischen Referenzrahmens (TRF) und bietet die einzigartige Möglichkeit, die Orientierung der Erde im Weltraum - ein wesentliches Element für alle Positionierungs- und Navigationsaufgaben - zu bestimmen. Die nächste Generation des VLBI-Systems, das sogenannte VLBI2010, wurde mit dem Ziel entwickelt, die derzeitige Genauigkeit von 5-10 mm für die VLBI-Positionsbestimmungen in Richtung 1 mm zu verbessern. Erst mit dieser hohen Genauigkeit des zukünftigen VLBI2010-Systems können subtile Effekte wie nichtlineare Stationsbewegungen im Zusammenhang mit Naturgefahren wie Erdbeben oder dem Anstieg des Meeresspiegels festgestellt und untersucht werden. Um die Ziele von VLBI2010 zu erreichen, wurden im Rahmen des Internationalen VLBI Dienstes für Geodäsie und Astrometrie (International VLBI Service for Geodesy and Astrometry, IVS) verschiedene neuartige Aspekte, einschließlich kleiner, schneller schwenkbarer Antennen, Breitbandfrequenz-Beobachtungen (2-14 GHz) und zwei oder mehr Radioteleskopen an einem Standort erforscht. Um die volle Leistung des zukünftigen VLBI2010-Systems zu nutzen und bestmögliche geodätische Parameter abzuleiten, wurde innerhalb dieses Projekts entsprechend den Anforderungen des VLBI2010-Systems eine neue Software zur Beobachtungsplanung (VIE_SCHED) entwickelt, implementiert und getestet. Die Planung einer VLBI-Session bedeutet zu entscheiden, welche Radioteleskope die Signale welcher Radioquellen zu welcher Zeit erfassen. Aufgrund der Vielzahl von technischen Parametern und geometrischen Szenarien haben diese Optimierungsfragen nicht eine einzige Lösung. VIE_SCHED ist Teil des Software-Pakets VieVS und ist für alle registrierten Nutzer zugänglich. Diese Forschung berücksichtigt alle gegenwärtigen und zukünftigen VLBI2010 Anforderungen und Spezifikationen. Betrachtet man ein Netzwerk von gleichmäßig auf der Erde verteilten, schnell schwenkbarer Antennen, ist eine der Strategien die neue sogenannte radioquellenbasierte Planung, die bedeutet, dass das Programm Radioquellen ohne Rücksicht auf deren direkte Auswirkung auf einzelne Stationen aus dem Katalog wählt. Die herkömmliche Strategie ist eine stationsbasierte Beobachtungsplanung, d.h. die Himmelsabdeckung wird in kurzen Abständen unter Berücksichtigung der raschen atmosphärischen Variabilität teilweise auf Kosten der Gesamtzahl der Beobachtungen optimiert. Die Forschung umfasst auch Modelle der Radioquellenstrukturen, unterschiedliche Antennentypen sowie Berücksichtigung der Antennenwartung und eines eventuellen Energiesparmodus. Mögliche Standorte mit mehreren Radioteleskopen wurden ebenfalls bei der Beobachtungsplanung berücksichtigt. Um die neu entwickelten Algorithmen zu überprüfen, wurden gründliche, möglichst realistische Monte-Carlo-Simulationen durchgeführt. Die Vergleiche mit anderen Softwarepaketen zur VLBI-Beobachtungsplanung (z.B. SKED-Software) zeigen ebenfalls eine gute Übereinstimmung. Seit 2013 wird VIE_SCHED vom IVS-Koordinierungszentrum aufgrund des erfolgreichen Einsatzes zur Beobachtungsplanung spezieller R&D Sessions regelmäßig für die Erstellung von Beobachtungsplänen verwendet.