Simulationen für die neue Generation von VLBI-Systemen

Abstract

Die geodätische VLBI (Very Long Baseline Interferometry) ist das wichtigste Verfahren zur Bestimmung der Rotationsgeschwindigkeit der Erde, der Parameter für Nutation und Präzes-sion und des himmelsfesten Referenzrahmens (Celestial Reference Frame, CRF), der durch die Positionen von extragalaktischen Radioquellen realisiert wird. Aufgrund der immer höhe-ren Anforderungen an Genauigkeit, Zuverlässigkeit und zeitliche Auflösung der geodätischen Parameter muss der International VLBI Service for Geodesy and Astrometry (IVS) das Design seiner Netze und seine Beobachtungsstrategien überdenken. Dazu wurde im Oktober 2003 vom IVS die Working Group 3 (WG3) "VLBI2010" ins Leben gerufen. Als Ergebnis des Ab-schlussberichts der WG3 (Niell et al., 2005) wurde das VLBI2010-Komitee (V2C) als perma-nente Institution des IVS eingerichtet, um die Entwicklung der Hardware, Software und der Beobachtungsstrategien für die nächste Generation der VLBI-Beobachtungssysteme voran-zutreiben.<br /> In der vorliegenden Arbeit werden, wie vom IVS angeregt, gründliche, systematische Simula-tionen durchgeführt. Herzstück der Simulationen ist ein Monte-Carlo-Simulator (MCS), der die drei größten stochastischen Fehleranteile des VLBI-Systems berücksichtigt. Dabei wird die troposphärische Laufzeitverzögerung mit einem Turbulenzmodell simuliert, die VLBI-Stationsuhren mittels random walk plus integrated random walk und der Anteil der Unge-nauigkeit der Beobachtungseinrichtung wird durch weißes Rauschen simuliert. Der MCS wurde direkt in das VLBI-Auswerteprogramm OCCAM (Titov et al., 2004) integriert und lie-fert somit den verkürzten Beobachtungsvektor o - c (observed minus computed).<br />Eine Viel-zahl an verschiedenen Beobachtungsszenarien wurden mit dem Programm SKED (Vanden-berg, 1999), und mit dem uniform sky Algorithmus erstellt. Die Ergebnisse (formale Fehler der Parameter) aus den mit der modifizierten Version der Auswertesoftware, OCCAM 6.2 SIM, ausgewerteten VLBI sessions zeigen, dass der feuchte Anteil der Atmosphäre in der VLBI-Auswertung nicht ausreichend genau a priori modelliert bzw.<br />geschätzt werden kann und somit der limitierende Faktor der VLBI ist.<br />Für die VLBI-Stationsuhr gilt, dass die Allan Standard Deviation (ASD) von 1∙10-14@50 min für die Zeitübertragung auf das VLBI-System ausreichend ist. Eine Antennendrehgeschwindigkeit von 12 °/s in Azimut und 3.5 °/s in Eleva-tion ist notwendig, um sehr dichte Beobachtungspläne erstellen und so die geforderte Ge-nauigkeit von 1 mm/Jahr für das VLBI2010-System erreichen zu können.

Geodetic Very Long Baseline Interferometry is the unique technique to determine the earth angular velocity, the parameter of nutation and precission and the Celestial Reference Frame (CRF), given by extragalactic radio sources. Due to the rising level of accuracy, reliability, and time resolution of geodetic parameters, the International VLBI Service for Geodesy and Astrometry (IVS) is forced to reconsider the design of their networks and observing strategies. Thus in October 2003 the IVS established the Working Group 3 (WG3) "VLBI2010". As a result of the final report of WG3 (Niell et al., 2005) the VLBI2010 committee (V2C) was established as a permanent institution of the IVS to push on the investigations on hardware, software and on observing strategies for the next generation VLBI System.<br />For the investigations presented here, systematic simulations are carried out, like promoted from the IVS. Main part of the simulations is a so called Monte Carlo Simulator (MCS), which is based on the three main stochastic error sources of the VLBI System. The troposphere delay is simulated with a turbulence model, the VLBI Station clocks are simulated by a ran-dom walk plus integrated random walk and the observation error is simulated by white noise. The MCS was directly implemented to the VLBI analyzing software OCCAM (Titov et al., 2004) and provides the vector o - c (observed minus computed). Various different sche-dules have been produced with the software package SKED (Vandenberg, 1999) or with the uniform sky approach. The results (formal errors of the parameters) out of the modified analyzing software, OCCAM 6.2 SIM, show that a priori modeling respectively the estimation of the wet part of the atmosphere is not precise enough. Thus the limiting factor for the VLBI-System is the wet delay. Concerning the VLBI clocks, the studies show that an Allan Standard Deviation (ASD) of 1∙10-14@50 is sufficient for the VLBI2010 System. For very dense schedules a slew speed of 12 °/s in azimuth and 3.5 °/s in elevation is required, also to reach the goal of an accuracy of 1 mm/year on a global scale for the VLBI2010 System.<br />