Optimizing geodetic VLBI schedules with VieSched++

Abstract

Die Very Long Baseline Interferometry (VLBI) ist ein geodätisches Weltraumverfahren, welches global verteilte Teleskope benützt, um Signale von extragalaktischen Radioquellen zu beobachten. Durch die unterschiedlichen Ankunftszeiten der Signale an den Stationen, welche durch Kreuzkorrelation bestimmt werden, können die Positionen und Bewegungen der Teleskope sowie die Position von Radioquellen und die Orientierung der Erde bestimmt werden. Da mehrere Stationen gleichzeitig dieselbe Quelle beobachten müssen, ist es notwendig einen Beobachtungsplan zu erstellen. Die Erzeugung eines solchen Beobachtungsplans kann als ein komplexes Optimierungsproblem betrachtet werden. Es müssen die Beobachtungszeiten und die Beobachtungsabfolge unter Einhaltung vieler Nebenbedingungen optimal angeordnet werden. In dieser Arbeit wird das Problem des Erzeugens von VLBI Beobachtungsplänen erörtert und alle dafür nötigen Modelle und Algorithmen wie subnetting, fillin-mode und tagalong-mode erklärt. Der Hauptteil der Arbeit befasst sich mit der Entwicklung einer neuen, modernen Software namens VieSched++. Alle Algorithmen von VieSched++ wurden basierend auf Erfahrungen von anderen Softwarelösungen und Simulationen für diese Software neu entwickelt. Die Algorithmen werden im Detail erklärt und diskutiert. Die VLBI Beobachtungspläne werden von vielen verschiedenen und miteinander verwobenen Parametern beeinflusst. VieSched++ versucht dabei, einen optimalen Parametersatz zu finden. Dafür erzeugt die Software viele verschiedene Beobachtungspläne mit unterschiedlichen Parametern. Diese Beobachtungspläne können in Folge basierend auf Monte-Carlo Simulationen verglichen werden. VieSched++ wird bereits operationell für Beobachtungsprogramme des International VLBI Service for Geodesy and Astrometry (IVS) und für andere Anwendungen eingesetzt. Erste Resultate zeigen eine signifikante Verbesserung der Genauigkeit der geodätischen Parameter. Dabei wurde die Anzahl an Beobachtungen für das T2 Beobachtungsprogramm um einen Faktor von zwei bis drei erhöht. Außerdem wurde das EURR&D Beobachtungsprogramm signifikant verbessert. Im Durchschnitt wurden die Genauigkeiten um einen Faktor von zwei bis drei verbessert. Zusammenfassend kann gesagt werden, dass sich diese Arbeit mit der Notwendigkeit des Verbesserns von geodätischen VLBI Beobachtungsplänen befasst und zeigt wie diese Verbesserungen erreicht werden können.

Very Long Baseline Interferometry (VLBI) is a technique that uses globally distributed radio telescopes to observe signals from extragalactic objects to measure their difference in arrival time at the telescopes by cross-correlation. Thereby, VLBI measures the positions and movements of these telescopes as well as the positions of the observed sources and orientation of the Earth in space. Since multiple stations have schedule, has to be generated. The generation of a geodetic VLBI schedule can be seen as an advanced optimization problem. It is necessary to optimize the time and observations of every telescope while many boundary conditions exist. A geodetic VLBI schedule is typically generated scan after scan by testing and evaluating all possibilities. In this work, a general overview about VLBI scheduling is given followed by a discussion of the models and concepts which are used in existing scheduling software, such as subnetting, fillin-mode, and tagalong-mode. The main topic of this thesis is the development of a new VLBI scheduling software which is called VieSched++. The software is written in modern C++ for enhanced performance and uses an objectoriented software design. Every algorithm in VieSched++ is developed from scratch based on the knowledge gained through analyzing existing schedules and scheduling software. The design ideas of these algorithms are discussed in this work in all details. Since VLBI scheduling is a complex task with many parameters and requirements interfering with each other, VieSched++ is designed to optimize schedules based on a brute-force approach, meaning, that it does not only generate one schedule for a session but is able to generate hundreds of schedules simultaneously by using different scheduling input parameters. These schedules can then be compared based on scheduling statistics or through Monte-Carlo simulations to pick the most appropriate schedule for the given session and scientific goal. VieSched++ is already used to schedule multiple official observing programs for the International VLBI Service for Geodesy and Astrometry (IVS) and other parties. First results reveal a significant improvement in the accuracy of geodetic parameters during the analysis of sessions scheduled with VieSched++. It was possible to increase the number of observations for the T2 observing program by a factor of two to three and the schedules for the EURR&D program were also improved significantly. On average, the improvement in accuracy of the geodetic parameters is also a factor of two to three. In summary, this work highlights the need to improve geodetic VLBI scheduling and reveals how this can be achieved.