Aktualności

Orbity satelitów GNSS: podsumowujemy przełomowe osiągnięcia IGS Repro3 w ITRF2020 - najnowszej realizacji globalnego geodezyjnego układu odniesienia

06-10-2023

W ramach przygotowań do opracowania nowej realizacji Międzynarodowego Ziemskiego Układu Odniesienia (International Terrestrial Reference Frame; ITRF2020), centra analiz Międzynarodowej Służby GNSS (International GNSS Service; IGS) już po raz trzeci przetworzyły wszystkie historyczne dane w ramach kampanii nazwanej Repro3. W sumie jedenaście centrów analiz przyczyniło się do inicjatywy IGS Repro3, dostarczając swoje produkty multi-GNSS, w tym Centrum Wyznaczania Orbit w Europie (COD), Europejska Agencja Kosmiczna (ESA), GeoForschungsZentrum (GFZ), Groupe de Recherche en Géodésie Spatiale (GRG), Jet Propulsion Laboratory (JPL), Massachusetts Institute of Technology (MIT), National Geodetic Survey (NGS), Natural Resources Canada (NRC, EMR), Graz University of Technology (TUG), Université de la Rochelle (ULR) i Wuhan University (WHU). Ta szeroko zakrojona kampania obejmuje powtórne przetwarzanie danych sieci GNSS (Global Navigation Satellite System) pochodzących od 1994 roku. Tym, co odróżnia IGS Repro3 od jego poprzedników, jest włączenie nie tylko danych GPS i GLONASS, ale także danych z konstelacji satelitów Galileo. Inicjatywa IGS Repro3 jest również zwieńczeniem wieloletnich badań nad udoskonaleniem modelowania orbit systemów GNSS w ramach projektu pilotażowego IGS multi-GNSS, w szczególności GLONASS i Galileo, oraz udoskonaleniem modeli towarzyszących przetwarzaniu danych GNSS.



W naszym badaniu opisujemy jakość orbit satelitów GNSS dostarczonych przez indywidualne centra analiz oraz orbity kombinowanie dostarczone przez koordynatora Centrum Analiz Międzynarodowej Służby GNSS (IGS ACC) w Geoscience Australia. Jakość kombinowanych produktów orbit została zweryfikowana przy użyciu satelitarnych obserwacji laserowych. Na tej podstawie omówiliśmy aktualne osiągnięcia i wyzwania w modelowaniu orbit GNSS i podsumowaliśmy otwarte kwestie społeczności GNSS w zakresie kombinacji orbit mulit-GNSS.

Kombinacja orbit IGS Repro3
Obecne operacyjne oprogramowanie przygotowujące dla użytkowników znane nam wszystkim rozwiązanie „IGS Final” dostarcza użytkownikom kombinowane orbity i zegary GPS/GLONASS od 1993 roku. Aby kombinować orbity multi-GNSS kampanii Repro3, nowe oprogramowanie do kombinacji orbit zostało opracowane przez IGS ACC (Analysis Center Coordinator) prowadzone przez Geoscience Australia w oparciu o algorytmy podobne do obecnego oprogramowania. Konstelacja multi-GNSS składa się z wielu odrębnych systemów, z których każdy wymaga indywidualnego traktowania ze względu na unikalne cechy. W niniejszym opracowaniu, dzięki bezpośredniej współpracy z Salimem Masoumi z Geoscience Australia, przedstawiamy obszerną dyskusję na temat metodologii obecnego oprogramowania kombinacji orbit IGS, mając na uwadze przyszłe zadanie dołączenia wszystkich konstelacji GNSS do portoflio finalnych flagowych produktów IGS.

Poprawa metodologii walidacji SLR
Biorąc pod uwagę wykorzystanie techniki SLR (Satellite Laser Ranging) jako głównego narzędzia informującego nas o jakości poszczególnych rozwiązań orbit, początkowo przyjrzeliśmy się metodologii przeprowadzania walidacji orbity przy użyciu SLR. W badaniu jakości orbit z wykorzystaniem techniki SLR, głównym wskaźnikiem dokładności są tzw. rezydua czyli różnica odległości bezpośrednio pomierzonej przez wykonane obserwacje laserowe do satelity, z obliczonymi na podstawie różnicy współrzędnych stacji i satelity.

Po zbadaniu wewnętrznej spójności obserwacji SLR, zademonstrowaliśmy nowatorskie podejście do uwzględniania błędów specyficznych dla detektora zainstalowanego na danej stacji laserowej w procesie walidacji SLR. Podejście to doprowadziło do zmniejszenia nawet o 15% odchylenia standardowego rezyduów SLR dla satelitów Galileo FOC, co świadczy o bardziej spójnym wewnętrznie zbiorem danych SLR, który ułatwił wykrycie w kolejnych etapach problemów z modelowaniem orbity.

Jakość orbit IGS Repro3
Porównując odchylenia standardowe rezyduów SLR dla najlepszego indywidualnego rozwiązania z kombinowanym rozwiązaniem, wyniki wyniosły odpowiednio 13/13, 13/12, 15/17, 17/17, 18/19 i 15/16 dla Galileo-FOC, -FOCe, -IOV, GLONASS-K1B, -M i -M+. Sugeruje to, że kombinowane rozwiązanie jest równoważnej jakości z najlepszymi indywidualnymi rozwiązaniami AC, podkreślając skuteczność metodologii kombinacji orbit.

Aby kompleksowo ocenić mocne i słabe strony poszczególnych rozwiązań oraz ich wpływ na kombinowaną orbitę, w badaniu przeanalizowano rezydua SLR w różnych geometriach Słońce-Ziemia-satelita (przykład dla satelitów Galileo na grafice poniżej). Analiza uwydatniła problemy z jakimi zmagają się poszczególne centra analiz. Podczas gdy rozwiązania dostarczone przez ESA i TUG wykazały najlepszą jakość w modelowaniu orbit Galileo z minimalnymi błędami systematycznymi w analizie SLR, niektóre indywidualne rozwiązania nadal w pewnym stopniu wpływały na kombinowany produkt orbity. Wyniki walidacji SLR wykazały, że produkty orbitalne ESA były najbardziej precyzyjne spośród indywidualnych rozwiązań dla większości grup satelitów, a tuż za nimi uplasował się TUG dla orbit Galileo-FOC. COD dostarczył najlepsze orbity GLONASS-K1B, z marginalnymi różnicami w porównaniu do ESA i TUG. Co ważne, kombinowane orbity IGS konsekwentnie osiągały wyniki w granicach 10% najlepszego indywidualnego rozwiązania, a w przypadku GAL-FOC na orbitach mimośrodowych i GLONASS-K1B połączone rozwiązanie okazało się najlepsze spośród wszystkich dostępnych opcji.



Wynik dla kombinacji orbit
Co ciekawe, wystąpiła niewielka rozbieżność między wagami przypisanymi poszczególnym centrom analiz w kombinacji a jakością ich produktów ocenianą zewnętrznie przez SLR. Na przykład COD otrzymał największą wagę dla satelitów Galileo-FOC, ale analiza SLR wykazała wyższą dokładność ESA w modelowaniu orbity. Podkreśla to potrzebę uwzględnienia wyników walidacji SLR jako dodatkowego czynnika w procesie łączenia przy opracowywaniu przyszłych metodologii łączenia.
Otrzymane wnioski zostaną wdrożone w kolejnych zadaniach realizowanych przez grupę zadaniową ds. kombinacji IGS, w której aktywnie uczestniczymy.

Więcej szczegółów można znaleźć w oryginalnym artykule:
Zajdel, R., Masoumi, S., Sośnica, K. et al. Combination and SLR validation of IGS Repro3 orbits for ITRF2020. J Geod 97, 87 (2023). LINK

Praca została sfinansowana przez Narodowe Centrum Nauki, Polska (NCN) Grant UMO-2019/35/B/ST10/00515 i Uniwersytet Przyrodniczy we Wrocławiu (UPWr) Grant N060/0002/23.