Czy BeiDou przyniesie przełom w realizacji ziemskich układów odniesienia?

Zespół naukowców z Uniwersytetu Przyrodniczego we Wrocławiu (Radosław Zajdel) i Niemieckiej Agencji Kosmicznej DLR (Peter Steigenberger oraz Oliver Montenbruck) opublikował właśnie pracę, w której przeprowadzono ocenę potencjalnego wykorzystania chińskiej konstelacji BeiDou trzeciej generacji (BDS-3) z satelitami na średniej orbicie okołoziemskiej (MEO) do realizacji skali ziemskich układów odniesienia.

Przedstawienie głównych wyników publikacji

Praca „On the potential contribution of BeiDou-3 to the realization of the terrestrial reference frame scale” dostarcza pierwszych na świecie analiz realizacji skali z wykorzystaniem pełnej konstelacji 24 satelitów BDS-3 MEO oraz dokłada istotną cegiełkę do zrozumienia zagadnienia realizacji skali ziemskich układów odniesienia z wykorzystaniem techniki GNSS.

Realizacja skali ziemskich układów odniesienia

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.
Tymi technikami bazowymi są:
• interferometria wielkobazowa (Very Long Baseline Interferometry; VLBI),
• laserowe pomiary odległości do satelitów (Satellite Laser Ranging; SLR),
• pomiary dopplerowskie (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, tj. 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 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.

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.

Naukowcy z UPWr i DLR dokładają 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.

Źródło: IGiG UPWr