Ray-traced Delays in der Atmosphäre für Geodätische VLBI

Die Modellierung der troposphärischen Laufzeitverzögerungen ist die Hauptfehlerquelle bei der Auswertung von Very Long Baselines Interferometry (VLBI) Beobachtungen. Um das ambitionierte Ziel des Global Geodetic Observing System (GGOS) zu erreichen, die Genauigkeit des terrestrischen Referenzrahmens auf 1 mm in Position und 0.1 mm/Jahr in Geschwindigkeit der Stationen zu erhöhen, sind genauere troposphärische Korrekturen unabdingbar. Die Strahlverfolgung ("ray-tracing") durch hochaufgelöste numerische Wettermodelle zur Bestimmung der Laufzeitverzögerungen ist der rigoroseste Zugang, der zur Zeit möglich ist, und dieser Ansatz hat das Potential, die gebräuchliche Strategie von Projektionsfunktionen und horizontalen Gradienten zu ersetzen. Im Projekt RADIATE VLBI werden für alle etwa 5 Millionen VLBI Beobachtungen seit 1979 troposphärische Laufzeitverzögerungen durch Strahlverfolgung berechnet. Als numerisches Wettermodell verwenden wir operationelle Analyse- und Re-analyse-Daten des Europäischen Zentrums für Mittelfristige Wettervorhersage (ECMWF), und zusätzlich nutzen wir Vorhersagedaten, um für alle zukünftigen VLBI Experimente Laufzeitverzögerungen in Echtzeit zur Verfügung zu stellen. Die Berechnungen mit den in den letzten Jahren an der Technischen Universität Wien entwickelten Algorithmen werden wir auf den Supercomputern des ECMWF durchführen, um den Download der riesigen Mengen an meteorologischen Daten zu umgehen. Die so ermittelten Laufzeitverzögerungen werden anschließend in globalen VLBI Lösungen verwendet, um den Effekt auf terrestrische und himmelsfeste Referenzrahmen, sowie auf die Erdorientierungsparameter zu untersuchen. Die Laufzeitverzögerungen werden außerdem der internationalen Forschergemeinschaft zur Verfügung gestellt. Laufzeitverzögerungen aus Vorhersagedaten des ECMWF werden auch verwendet, um Echtzeitanwendungen, insbesondere Auswertungen der "IVS Intensive" Experimente, durchzuführen. Für eine Zeitspanne von drei Jahren und in sechs-stündlicher Auflösung werden darüber hinaus troposphärische Laufzeitverzögerungen in gleichmäßig verteilte Richtungen über den VLBI Stationen berechnet. Diese werden zur Verbesserung von Modellen der troposphärischen Laufzeitverzögerungen herangezogen, zum Beispiel durch Addition eines azimut-abhängigen Terms zu den Koeffizienten der Projektionsfunktionen oder von Kugelfunktionen höherer Ordnung zu den horizontalen Gradienten. All diese neuen Modelle werden wiederum in der VLBI Auswertung getestet, indem sie mit Standardstrategien sowie mit den oben beschriebenen Laufzeitverzögerungen der Strahlverfolgung verglichen werden. Mit dem Projekt RADIATE VLBI werden rigoros Laufzeitverzögerungen für jede einzelne VLBI Beobachtung mittels Strahlverfolung durch numerische Wettermodelle sowie verbesserte Modelle für die troposphärische Laufzeitverzögerung ermittelt. Dadurch können neuartige Ergebnisse höchster Genauigkeit aus VLBI Daten für den terrestrischen und himmelsfesten Referenzrahmen und für die Erdorientierungsparameter bestimmt werden.

Die Ausbreitung von Radiowellen wird in der gesamten Atmosphäre beeinflusst. Besondere Bedeutung hat aber die Troposphäre als unterste Schicht, da sich dort das Wettergeschehen abspielt und der variable Wasserdampfgehalt eine entscheidende Rolle spielt. Die Modellierung der Verzögerungen (Delays) in der Troposphäre von der Strahlung extragalaktischer Radioquellen in der Auswertung geodätischer Very Long Baseline Interferometry (VLBI) Beobachtungen und von Signalen von Globalen Satellitennavigationssystemen (GNSS), wie dem amerikanischen Global Positioning System (GPS) oder dem europäischen Galileo, ist eine bedeutende Fehlerquelle für die Genauigkeit dieser geodätischen Weltraumverfahren. Im Speziellen beeinflussen unzureichende Modelle die Stationskoordinaten und den terrestrischen Referenzrahmen. Das Ziel des Projekts RADIATE VLBI bestand in der Validierung bestehender Modelle für die Delays in der Troposphäre sowie in der Entwicklung verbesserter und neuer Methoden für deren Kalibrierung.Wir verwenden das Konzept der Strahlverfolgung ("Ray-tracing") für die Bestimmung der Delays, indem wir die Wellengleichungen auf Daten von numerischen Wettermodellen des European Centre for Medium-range Weather Forecasts (ECMWF) anwenden. Im ersten Teil des Projekts haben wir ein anspruchsvolles und schnelles Strahlverfolgungsprogramm mit dem Namen RADIATE entwickelt, das im zweiten Teil verwendet wurde, um schräge Delays für alle (mehr als zehn Millionen) geodätische VLBI Beobachtungen zu berechnen und um verbesserte Modelle für die Delays abzuleiten, wie die Vienna Mapping Function 3 (VMF3).Die Anwendung dieser "ray-traced" Delays in der VLBI Auswertung verbessert im Speziellen die Lösungen von VLBI Sessions mit einer kleinen Anzahl an Beobachtungen, oder falls keine troposphärischen Gradienten mitgeschätzt werden. Die neu entwickelte VMF3 erhöht geringfügig die Genauigkeit des terrestrischen Referenzrahmens mit Änderungen in den Stationshöhen bis zu zwei Millimetern. Außerdem haben ray-traced Delays und jene troposphärischen Gradienten, die zusammen mit der VMF3 bestimmt werden, einen signifikanten Einfluss auf den himmelsfesten Referenzrahmen mit Änderungen in den Deklinationen der Quellen bis zu 50 Mikrobogensekunden. Parallel zu den 6-stündigen Koeffizienten der VMF3 haben wir auch sogenannte empirische Modelle wie GPT3 bestimmt, welches konsistent mit VMF3 ist, aber nur jährliche und halbjährliche Terme enthält.Obwohl wir feststellen konnten, dass die existierenden Modelle sehr genau sind, haben wir neue Modelle (VMF3, GPT3, Gradienten) entwickelt, welche die Genauigkeit weiter verbessern. Jedoch soll hier klar festgehalten werden, dass weitere Forschung zu den Delays in der Troposphäre notwendig sein wird, um das Genauigkeitsziel von einem Millimeter in täglichen Stationskoordinaten erreichen zu können. Darüber hinaus können die Modelle, die in Projekt RADIATE VLBI entwickelt worden sind, jederzeit in Geräten wie Smartphones für die Positionierung und Navigation verwendet werden.