Aktualności

Zgodnie z konwencjami Międzynarodowej Służby Ruchu Obrotowego i Układów Odniesienia (IERS; International Earth Rotation and Reference Systems Service), realizacja ziemskiego układu odniesienia obejmuje określenie:
• początku układu współrzędnych, przypuszczalnie środka masy (geocentrum),
• skali układu,
• orientacji układu współrzędnych.

Realizacja międzynarodowego ziemskiego układu odniesienia (International Terrestrial Reference Frame; ITRF) opiera się na wykorzystaniu czterech technik geodezji satelitarnej/kosmicznej i jest regularnie aktualizowana poprzez uwzględnienie najnowszych obserwacji i modeli.

Technikami bazowymi są:
• Interferometria wielkobazowa (Very Long Baseline Interferometry; VLBI),
• Laserowe pomiary odległości do satelitów (Satellite Laser Ranging; SLR),
• Pomiary Doppleropskie (Doppler Orbitography and Radiopositioning Integrated by Satellite; DORIS),
• Globalne systemy nawigacji satelitarnej (Global Navigation Satellite Systems; GNSS). Dotychczas rozważano jedynie GPS i GLONASS.

Jednym z fundamentalnych aspektów przy realizacji układu odniesienia jest realizacja skali. Do tej pory skala ITRF była określona przez VLBI i SLR. Nieznane a priori przesunięcia środka fazowego anteny nadawczej na pokładzie satelitów, uniemożliwiały wykorzystanie GNSS do wyznaczenia skali układu odniesienia.

Nowa rola GNSS w realizacji skali ziemskich układów odniesienia

Sytuacja zmieniła się w roku 2019, w którym dzięki udostępnieniu kalibracji centrum fazowego anten satelitów Galileo oraz wykonaniu kalibracji anten naziemnych dla częstotliwości multi-GNSS, system Galileo stał się nowym potencjalnym uczestnikiem realizacji skali w przyszłych realizacjach międzynarodowego ziemskiego układu odniesienia.

Pierwsza okazja do włączenia niezależnych rozwiązań GNSS/Galileo do definicji skali nadarzyła się przy realizacji najnowszego ITRF2020. Niestety, nierozwiązanym problemem badawczym pozostaje kwestia zgodność rozwiązań skali układu odniesienia z poszczególnych technik geodezyjnych, t.j. VLBI, SLR oraz GNSS. Dzięki ulepszonej procedurze obliczeń rozwiązań SLR wyniki ITRF2020 wykazują znaczną poprawę spójności skali SLR i VLBI (jest ona obecnie na poziomie 0.15 ± 0.05 ppb). Z drugiej strony, skala wyznaczona na podstawie Galileo została określona jako niespójna z VLBI i SLR na poziomie około 0.5-0.6 ppb. W efekcie, pomimo dostępności rozwiązania skali opartego na GNSS/Galileo, nie zostało one uwzględnione w realizacji skali ITRF2020.

Zaledwie pół roku po udostępnieniu kalibracji anten Galileo, Centrum Badań i Rozwoju Chińskiego Biura Nawigacji Satelitarnej (Test and Assessment Research Center of China Satellite Navigation Office; CSNO) oficjalnie opublikowało informacje o kalibracji anten nadawczych dla satelitów dwóch generacji systemu BeiDou: BDS-2 i BDS-3. Informacja o kalibracji centrum fazowego anten dla satelitów BDS otworzyła przestrzeń dla drugiego GNSS zdolnego zapewnić niezależną realizację skali międzynarodowych układów odniesienia.

BeiDou teoretycznie otwiera nowe możliwości w realizacji układów odniesienia

W publikacji „On the potential contribution of BeiDou-3 to the realization of the terrestrial reference frame scale” dr Radosław Zajdel (Instytut Geodezji i Geoinformatyki, UPWr) wraz z dr Peterem Steigenbergerem oraz dr Oliverem Montenbruckiem (Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR), German Space Operations Center (GSOC)), ocenili jakość kalibracji udostępnionych przez CSNO oraz określili jaki jest potencjał wykorzystania satelitów systemu BDS-3 do realizacji skali ziemskich układów odniesienia. Były to pierwsze na świecie badania tego zagadnienia, uwzględniające pełną konstelację 24 satelitów BDS-3 na średnich orbitach okołoziemskich (Medium Earth Orbit, MEO).

Wątpliwa jakość kalibracji anten satelitów BeiDou

Pierwszą obserwacją opisaną w publikacji jest niejednolita jakość kalibracji anten nadawczych satelitów BDS-3 dostarczonych przez dwie różne firmy konstrukcyjne. Satelity konstelacji BDS-3 skonstruowane zostały przez dwóch producentów: China Academy of Space Technology (CAST) oraz Shanghai Engineering Center for Microsatellites (SECM), który podlega Chińskiej Akademii Nauk. Niestety, wykonana analiza jakości udostępnianych kalibracji anten dla satelitów BDS-3 wykazała znaczące różnicę w wyznaczonym średnim przesunięciu centrum fazowego w kierunku Z (Phase Center Offset; PCO-z; skierowana w stronę środka Ziemi, w liniowej relacji do skali ziemskiego układu odniesienia) dla poszczególnych grup satelitów, co w konsekwencji prowadzi do dużej niepewności w realizacji spójnej skali z wykorzystaniem całej konstelacji (Rysunek 1).

Rysunek 1: Przesunięcie centrum fazowego anteny dla poszczególnych satelitów BDS-3 w kierunku Z(PCO-z) zgodnie z kalibracją CSNO (oś y) versus średnia z obliczonych wartości (oś x) dla par częstotliwości B1C/B2a (lewa) i B1I/B3I (prawa). Szarą przerywaną linią zaznaczono potencjalny wpływ przesunięcia centrum fazowego anteny w kierunku Z na zmianę skali równą  ± 1 ppb.

Satelity nawigacyjne nadają sygnał na różnych częstotliwościach dając możliwość tworzenia kombinacji liniowych częstotliwości (w praktyce geodezyjnej, szczególnie przydatne m.in. w celu eliminacji wpływu opóźnienia jonosferycznego). W badaniach sprawdzono czy dobór częstotliwości wykorzystanych w obliczeniach ma wpływ na realizację skali układu odniesienia. Aspekt ten nigdy wcześniej nie był brany pod uwagę. Zbadano wykorzystanie dwóch liniowych kombinacji sygnałów, a mianowicie B1I/B3I i B1C/B2a, aby sprawdzić, czy użycie różnych częstotliwości może prowadzić do różnych definicji skali ziemskich układów odniesienia.

Czy BeiDou przyniesie przełom w realizacji skali międzynarodowych układów odniesienia?

Średni błąd skali realizowanej przez satelity BDS-3 względem ITRF2014 jest równy +0.546 ± 0.085 ppb i +0.026 ± 0.085 ppb, odpowiednio dla rozwiązań wykorzystujących częstotliwości B1I/B3I i B1C/B2a. Różnica pomiędzy tymi dwoma parami częstotliwości wynika z wątpliwej jakości kalibracji satelitów BDS-3 SECM, które z pewnością nie odzwierciedlają rzeczywistej zależności przesunięcia centrum fazowego anteny od częstotliwości. Z jednej strony prezentowane wyniki są w słabej zgodności z Galileo, które realizuje skalę ziemskich układów odniesienia ze średnim przesunięciem rzędu 1.4 ppb względem ITRF2014 (1 ppb = 6.4 mm) przy wykorzystaniu fabrycznie skalibrowanych anten nadawczych. Z drugiej strony, średnie przesunięcie skali wynoszące 0.546 ppb jest pozornie bliskie różnicy skali pomiędzy ITRF2020 a ITRF2014, która stanowi 0.42 ppb (Transformacje ITRF).

Należy jednak zauważyć, że wykorzystanie tylko najbardziej spójnej grupy satelitów BDS-3 CAST, prowadziłoby do zupełnie innej definicji skali o przesunięciu ok. -0.3 ppb względem skali ITRF2014. Ponadto, rozbieżność skali pomiędzy parami częstotliwości B1I/B3I i B1C/B2a stawia pod znakiem zapytania jakość kalibracji publikowanych przez CSNO, zwłaszcza dotyczących satelitów SECM, które z pewnością nie oddają prawidłowo zależności częstotliwościowych.

Praca Zajdel et al. (2022) dokłada istotną cegiełkę do zrozumienia zagadnienia realizacji skali ziemskich układów odniesienia z wykorzystaniem techniki GNSS. Jednocześnie temat pozostawia wiele nierozwiązanych pytań, nad których rozwiązaniami Instytut Geodezji i Geoinformatyki UPWr będzie dalej pracował.


Rysunek 2: Przedstawienie głównych wyników publikacji Zajdel et al. (2022)

Więcej na temat badań przeczytamy w najnowszym artykule w czasopiśmie GPS Solutions:
Zajdel, R., Steigenberger, P. & Montenbruck, O. On the potential contribution of BeiDou-3 to the realization of the terrestrial reference frame scale. GPS Solut 26, 109 (2022). DOI: 10.1007/s10291-022-01298-0

dr Radosław Zajdel jest stypendystą Fundacji na rzecz Nauki Polskiej w programie START. Badania wykonano w ramach grantu Narodowego Centrum Nauki Etiuda (UMO-2020/36/T/ST10/00097). Część stażu badawczego, podczas którego przeprowadzono badania opisane w publikacji, współfinansowano z projektu wsparcia Wiodących Zespołów Badawczych ze zwiększenia subwencji Ministerstwa Nauki i Szkolnictwa Wyższego w latach 2020–2025 wysokości 2% subwencji, o której mowa w art. 387 ust. 3 ustawy z dnia 20 lipca 2018 r. – Prawo o szkolnictwie wyższym i nauce, przyznanej w 2019 r.