VLBI Auswertung in Echt-Zeit

Die Very Long Baseline Interferometry (VLBI) ist eines der fundamentalen geodätischen Weltraumverfahren. Da es den kompletten Satz an Erdorientierungsparametern (EOP) bestimmen kann, ist es einzigartig für die Beobachtung der Weltzeit (UT1) und von Präzession und Nutation über längere Zeiträume. Die Bedeutung von hochgenauen EOP in Nahe-Echtzeit nimmt ständig zu, vor allem für die satellitenbasierte Navigation und Positionierung. Daher unternimmt der International VLBI Service for Geodesy and Astrometry (IVS) große Anstrengungen, um die Zeitspanne zwischen der Durchführung der Beobachtungen und der Verfügbarkeit der Ergebnisse zu verkürzen. Diese Beschleunigung in der Datenanalyse ist auch eines der wichtigsten Ziele des neue VLBI Systems (VLBI2010), das zur Zeit entwickelt wird. Gute Fortschritte wurden bereits in Hinblick auf die Verfügbarkeit der VLBI Beobachtungen in Nahe-Echtzeit gemacht, indem schnelle Verbindungen über Glasfaserkabeln von den Beobachtungsstationen zum Software-Korrelator verwendet werden, wo die Korrelation gleich nach Erhalt der Rohdaten durchgeführt werden kann. Damit entstehen auch neue Herausforderungen für die VLBI Datenanalyse, wobei die Hauptaufgabe bei der Beschleunigung des VLBI Auswerteprozesses liegt. Im Projekt VLBI-ART werden Tools und Module innerhalb der Vienna VLBI Software (VieVS) entwickelt, welche die VLBI Daten mittels eines Kalman Filters in Nahe-Echtzeit auswerten können. Außerdem wird die Software so modifiziert, dass die Auswertung völlig autonom ablaufen kann. Untersuchungen mit echten und simulierten Daten werden durchgeführt, um die Software zu testen und zu optimieren. Die Tests mit realen Daten basieren nicht nur auf speziellen Datensätzen, bei denen die Korrelation tatsächlich in Nahe-Echtzeit durchgeführt wird, sondern auch auf Post-Processing Daten in einem quasi-Echtzeit Modus. Die Ergebnisse werden dann mit den Resultaten aus den üblicherweise verwendeten VLBI Softwarepaketen verglichen, aber auch mit äquivalenten Datenreihen von anderen Verfahren, zum Beispiel den Global Navigation Satellite Systems (GNSS). Andererseits werden wir in der Lage sein, Beobachtungen für das gesamte zukünftige VLBI2010 Netzwerk zu simulieren und somit die Genauigkeit der Echtzeit Auswertung zu bestimmen. Darüber hinaus besteht die vielversprechende Möglichkeit, Daten anderer Sensoren im Kalman Filter zu integrieren. So ist beispielsweise beabsichtigt eventuelle Verbesserungen der Ergebnisse zu untersuchen, wenn troposphärische Laufzeitverzögerungen von Wasserdampfradiometern, Erdrotationsparameter von Ringlaser Kreiseln, troposphärische Laufzeitverzögerungen und EOP von GNSS, oder atmosphärische Anregungsfunktionen von Wettervorhersagemodellen verwendet werden. Die Automatisierung der Datenanalyse beinhaltet auch das Lösen der Mehrdeutigkeiten sowie die Detektion von Uhrensprüngen und Ausreißern. Das Projekt VLBI-ART stellt eine signifikante Erweiterung der bestehenden Vienna VLBI Software (VieVS) dar, indem es die Auswertung von VLBI Daten in Nahe-Echtzeit ermöglicht wird und Ergebnisse zur mit bestmöglicher Genauigkeit liefert. Diese Software wird 2015 zur Verfügung stehen, wenn VLBI2010 Beobachtungen durchgeführt werden.

Das Wissen über die Rotation und die Orientierung der Erde üblicherweise durch die s.g. Erdorientierungsparametern (EOP) beschrieben ist für alle Formen von Positionierung und Navigation auf der Erde sowie in Weltall wichtig. Die Radiointerferometrie auf langen Basislinien (Very Long Baseline Interferometry, VLBI) ist das einzige Verfahren, das die Orientierung der Erde im Weltall vollständig bestimmen kann. Mit diesem Verfahren werden weit entfernte Quasaren von mehreren weltweit verteilten Radioteleskopen beobachtet. Weil die Quasaren sehr weit entfernt sind, können sie als fixe Punkte im Himmel betrachtet werden. Deswegen ist es möglich, durch die Auswertung der VLBI-Beobachtungen, die EOP und die Positionen der Teleskopen sowie andere Parametern, zu bestimmen.Idealerweise sollten die EOP in Echtzeit verfügbar sein. Zur Zeit ist das nicht der Fall. Das Problem ist, dass die von den Teleskopen aufgezeichneten Daten an einen Platz zusammengefügt werden müssen (ein s.g. Korrelator). Wegen der sehr großen Datenvolumen werden die Daten auf Festplatten aufgezeichnet. Diese werden dann mit einem Kurier zum Korrelator versandt, was über eine Woche dauern kann. Da jedoch mehr und mehr Teleskopen anHochgeschwindigkeitsnetzwerken verbunden werden, wird es möglich, die Daten elektronisch in Echtzeit zu übermitteln. Um die Ergebnisse, z. B. die EOP, in Echtzeit zu bekommen, müssen die Daten auch in Echtzeit analysiert werden. Die jetzigen VLBI-Analysensoftwares haben keine Echtzeitfähigkeiten und brauchen oft im großen Maße von den Menschen gesteuert zu werden. Deswegen war das Ziel des Projekts VLBI-ART, eine echtzeitfähige VLBI-Analysesoftware zu entwickeln, welche vollkommen autonom laufen kann.Das Ziel wurde durch die Implementierung einer s.g. Kalmanfilter Module in der VLBI Analysesoftware VieVS@GFZ erreicht. Weil VLBI-Beobachtungen noch nicht in Echtzeit verfügbar sind, haben wir die Software mithilfe umfangreicher Simulationen getestet. Die Ergebnisse dieser Simulationen zeigen, dass die Leistung der Softwares Erwartungen erfüllt. Außerdem, hat eine Kalman Filter den Vorteil, dass viele Fehlerquellen, wie z. B. die Laufzeitverzögerung in der Atmosphäre, genau modelliert werden können, was auch in Postprocessierung der Beobachtungen sehr nützlich ist. Unsere Ergebnisse zeigen, dass die Benutzung von Kalman Filter in besserer Genauigkeit der geschätzten EOP, Stationskoordinaten, und anderer Parametern resultiert. .