La importancia de TIGO para la determinación de ITRF, EOP

La importancia de TIGO para la determinación de ITRF, EOP, SIRGAS y RGN de Chile
Dr. Hayo Hase, BKG
23.02.10
Introducción Últimamente, por parte de Alemania y Chile se ha planteado la pregunta por las posibles consecuencias en caso de una suspensión de las actividades de TIGO. Como TIGO fue diseñado para el mejoramiento de los sistemas de referencia globales y la utilización en el hemisferio del sur, se puede contar con un deterioro en caso de su suspensión. Para cuantificar el beneficio que significa TIGO para Concepción, antes del comienzo del proyecto se realizaron estimaciones simulativas según el método de aproximación a volumen y superficie. Estas estimaciones se basan en cuánto volumen terrestre representativo, o bien superficie terrestre, se registra a través de las estaciones fundamentales ya existentes. Hoy día, después de 8 años de generación de datos de observación, mediante re­cálculos se pueden realizar simulaciones con y sin la consideración de los datos de TIGO y contrastar el beneficio (con TIGO) con el déficit (sin TIGO). Estos cálculos pueden realizarse técnico – específico (VLBI, SLR, GNSS) y, en base de eso, pueden ser repetidos mediante el cálculo ITRF del IERS. Este artículo da explicaciones acerca del servicio internacional de la interferometría de lineas de base muy largas (IVS) y del servicio internacional de mediciones con luz láser a satélites (ILRS), ya que TIGO a causa de su ubicación geográficamente aislada es de gran importancia para estos servicios. En lo siguiente, se presentarán resultados y se cuantificarán sus efectos para el marco de referencia terrestre del IERS (ITRF) y los parámetros de la orientación de la Tierra (POT). A causa de la estructura jerárquica de los sistemas de referencia geodésicos, donde el sistema de referencia continental SIRGAS está incluido en el marco superior de ITRF, un aumento, o bien, una reducción de la cantidad de errores tendrán efecto en el ITRF conforme a la propagación de errores. Por analogía, lo mismo vale por el Red Geodésica Nacional SIRGAS, lo cual está incluido en el marco superior del Sistema de Referencia Geocéntrico para las Américas (SIRGAS ­ continental). ( Al fin del documento se encuentra el glosario con los significados de los acrónimos utilizados.)
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La importancia de TIGO­VLBI para el IVS
Para ilustrar la importancia cuantitativa de TIGO para IVS, 30 sesiones de VLBI del programa de servicio rápido R1 y R4 fueron elegidas por Zinovy Malkin del observatorio Pulkovo y fueron llevados a cabo con, o respectivamente, sin TIGO. A causa de su ubicación significativa en el hemisferio del sur, mediante TIGO se pudo lograr un nivel de exactitud inmensamente mayor en las determinaciones de los parámetros de la rotación de la Tierra. Los errores en los parámetros de la rotación de la Tierra llegan a ser dos a tres veces mayor, si no se encuentran a disponibilidad los datos de TIGO (ver tabla 1).
error
medio
con TIGO
sin TIGO
cociente
con/sin TIGO
error
máximo
con TIGO
sin TIGO
cociente
con/sin TIGO
error medio en POT
promedio de
obs. por sesión Xp
Yp
UT1 Xc
Yc
µas µas µs
µas µas
58490
1941
89 114 4,4
70
67
53203
1746 240 214 6,8 126 127
cant. de obs.
procesadas
0,91
0,90 2,70 1,88 1,55 1,80 1,90
error máximo en POT
promedio de
obs. por sesión Xp
Yp
UT1 Xc
Yc
µas µas µs
µas µas
58490
1941 297 299 14,9 201 261
53203
1746 876 1231 37,2 362 352
cant. de obs.
procesadas
0,91
0,90 2,95 4,12 2,50 1,80 1,35
Tab. 1: Si los datos de TIGO no están a disponibilidad los errores en la determinación de los parámetros de la orientación de la Tierra (POT) aumentan en un factor de 2 a 3. Otro objeto de estudio es la correlación entre los parámetros de rotación de la Tierra. Con los datos de base anteriormente mencionados resultan los parámetros de correlación expuestos en tabla 2. Sin TIGO también las correlaciones tienen valores claramente más altos, es decir, la separación modélica de los cinco parámetros de rotación de la Tierra aumenta su inexactitud en un factor de 2 a 3.
correlación
media
con TIGO
sin TIGO
cociente
con/sin TIGO
correlación media entre POT
cant. de obs.
promedio de
procesadas
obs. por sesión Xp/Yp Xp/UT1 Yp/UT1 Xc/Yc
58490
1941 -0,0144 -0,0452 -0,0519 0,0155
53203
1746 0,0276 0,1707 -0,1427 -0,0345
0,91
0,90
-1,92
-3,78
2,75
-2,23
Tab. 2: La separación modélica de los cinco parámetros de orientación de la Tierra se deteriora en un factor de 2 a 3, en el caso de que TIGO dejaría proveer datos de VLBI. En las tablas 1 y 2 se utilizan los mismos datos de base. La cifra total de las observaciones de VLBI 2/11
disminuye sólo en un 10% sin TIGO. Por ende, se puede decir que TIGO sólo tiene una influencia menor en las estimaciones de las coordenadas de ubicación. La importancia está en el beneficio para los parámetros de rotación de la Tierra que se logra a causa de su ubicación ajena en el hemisferio del sur. Si los parámetros de rotación de la Tierra son determinados por VLBI con menos exactitud, también las órbitas de satélites pueden ser determinadas con menos exactitud, ya que errores de órbita y de rotación de la Tierra no se pueden decorrelar por sí solos.
Una suspensión de TIGO significa para el marco de referencia global que disminuye su exactitud por la mitad. Los marcos de referencia continentales y nacionales, en gran medida, se basan en datos satelitales, los cuales, indirectamente a través de los EOP deteriorados, deben funcionar con datos de órbita menos exactos y así pueden ser sólo 2 a 3 veces menos exacto. Este deterioro drástico en caso de una eliminación de TIGO afirma posteriormente la idea inicial del proyecto TIGO de dar un aporte orientador desde el hemisferio del sur al mejoramiento de la red de referencia global (ver Programa de Investigación 1990­1995, del grupo alemán de investigación de geodesia satelital (FGS)). En lo siguiente, se analizará la dependencia del deterioro de dos distintas configuraciones de redes. El material de base para la elaboración de los datos, como se ha presentado arriba, fue gráficamente procesado por Lucia Plank, TU Vienna. En las observaciones semanales de R1, TIGO, aparte de Hobart, es la única estación en el hemisferio del sur que participa regularmente (gráfica 1). En las observaciones semanales de R4, TIGO, en la mayoría de las observaciones, es la única estación participante del hemisferio del sur, lo que se nota directamente en un aumento de exactitud. Una posible suspensión de TIGO pondría en duda la continuación de la serie R4, ya que el material de observación ya no sería suficiente para los requisitos. Fig. 1: Experimentos VLBI escogidos con y sin TIGO. El déficit de exactitud se encuentra entre un 19% y un 68%, lo que representa una pérdida significativa para los productos de IVS.
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Fig. 2: Experimentos VLBI escogidos de R4. A causa de una diferente configuración de red, una suspensión de TIGO está vinculada con drásticas pérdidas de exactitud (51% hasta 186%) en comparación con la serie de R1 (Fig. 1). La continuación de serie R4 estaría en verdadero peligro en caso de una suspensión de TIGO.
Para mayor entendimiento del sistema de la Tierra, también se puede consultar el poliedro del volumen terrestre, lo cual se sostiene en las líneas de base de VLBI. Este parámetro puede ser utilizado como calidad para la configuración de la red y está apto para determinar futuras ubicaciones en una existente red de geodesia. En caso de la serie de observaciones de R1 y R4 se disminuyen los volúmenes encerrados por las lineas de base en más de un 70% sin TIGO (gráfica 3 y 4), por lo cual fenómenos geofísicos no pueden ser modelados globalmente de manera suficiente. La distribución insuficiente de observatorios debe ser mejorado a través del Global Geodetic Observing System (GGOS). La distribución anhelada de estaciones de observación debe aproximar en lo mayor posible al volumen terrestre, ya que sólo de esta manera se puede obtener una distribución homogénea mayor posible. La pérdida cuantitativa de un 70% en una red de VLBI sólo puede ser compensada mediante una refundación en una ubicación parecida. 4/11
Fig. 3: Volumen terrestre aproximado en redes de VLBI. Sin TIGO se registrará, en promedio, un 70% menos del volumen terrestre.
Fig. 4: Volumen terrestre aproximado en redes de VLBI de R4. Sin TIGO se registrará, en promedio, un 77% menos de volumen terrestre.
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La importancia de TIGO para el ILRS
Una razón esencial a favor de la ubicación en el hemisferio sur fue la cantidad insuficiente de observaciones satelitales en contexto de la determinación exacta de la órbita de satélite desde allá. Desde el hemisferio del norte, donde existen redes de observatorios, no existe la visibilidad de los satélites en sus transcursos arribo de las latitudes australes. Es por eso que órbitas subpolares sólo pueden ser registradas por completo con una distribución homogénea. A causa de las grandes superficies de agua en el hemisferio del sur, allá existen mucho menos ubicaciones aptas que en el hemisferio del norte, que es abundante en superficie de tierra. Cerca de 40 observatorios que se encuentran en el norte equivalen a actualmente 2 en Australia, 1 en Suráfrica, 3 en Sudamérica, 1 en las Islas Pacíficas, es decir, en total 7 observatorios. Por lo tanto, un transcurso medido por TIGO tiene 5 veces el valor que uno que fue medido en el hemisferio del norte, ya que la probabilidad de una medición exitosa es, por consecuencia, menor por la escasez de observatorios. Las estaciones de observación en ILRS se distinguen en cuanto a la calidad y cantidad de sus datos. Existen unos requisitos mínimos del ILRS, los cuales, desde su modernización en el año 2006, han sido cumplidos de manera sobresaliente por parte de TIGO. Entretanto, TIGO ha llegado a ser uno de los mejores observatorios a nivel mundial. Si se echa una mirada a los transcursos de satélites que rodean en baja, mediana y alta altura y que han sido medidos exitosamente, se nota que TIGO­SLR está operando en una ubicación excelente con un equipo bien funcionando. La siguiente estadística de observaciones fue deducida de ftp://cddis.gsfc.nasa.gov/reports/slrstatus/slrstatus.txt. Past Three­Month ILRS Station Status (for 20091101 through 20100123 as of 25­Jan­2010 11:28) Site Name Sta. Latest Low LAGEOS High Grand ­­­­­­­­­­­­­­­ ­­­­­ ­­­­­­ ­­­­­­ ­­­­­­ ­­­­­­ ­­­­­­ Borowiec 7811 100123 67 3 0 70 Changchun 7237 100123 1726 141 128 1937 Concepcion 7405 100123 898 288 140 1321 Grasse 7845 100123 241 129 150 492 Graz 7839 100120 760 92 93 905 Greenbelt 7105 100123 996 128 133 1206 Haleakala 7119 100123 410 86 0 488 Hartebeesthoek 7501 100117 313 86 26 416 Herstmonceux 7840 100121 559 97 86 705 Katzively 1893 100115 183 28 49 260 Kiev 1824 100123 110 14 0 123 Koganei 7308 100122 931 189 242 1311 Komsomolsk 1868 100118 0 12 13 25 Lviv 1831 091126 23 3 0 26 Matera 7941 100123 583 208 81 872 Mcdonald 7080 100122 314 92 63 464 Monument Peak 7110 100115 230 73 37 330 Mount Stromlo 7825 100123 1493 254 60 1780 Papeete 7124 100122 103 34 12 140 Potsdam 7841 100122 304 57 11 353 Riga 1884 100123 130 12 0 140 Riyadh 7832 091222 199 31 40 270 San Fernando 7824 100123 616 32 29 671 6/11
San Juan 7406 100123 686 198 232 1116 Shanghai 7821 100123 475 78 68 615 Simeiz 1873 100112 68 15 10 93 Tanegashima 7358 100110 50 0 48 98 Wettzell 8834 091123 219 40 6 253 Yarragadee 7090 100123 3104 583 485 4033 Zimmerwald 7810 091129 459 91 88 613 ­­­­­­ ­­­­­­ ­­­­­­ ­­­­­­ 16250 3094 2330 21126 Grand total: 21791 passes from 31 stations Es evidente que TIGO­SLR como una de 31 estaciones en la balanza de rendimiento produjo más de un 6% de los datos SLR durante los últimos tres meses y, por lo tanto, logró unos resultados sobresalientes. En caso de una suspensión de TIGO la calidad de datos por consecuencia disminuiría.
La importancia de TIGO – SLR con relación a TRF puede ser determinada a través de soluciones globales de estaciones de medición ya existentes. Para la determinación del origen del ITRF el conocimiento preciso es indispensable. Satélites rodean en sus aproximadas órbitas elípticas alrededor del centro de masa de la Tierra. A través de la medición de la órbita indirectamente la ubicación del centro de masa de la Tierra sólo puede ser determinada tan precisa, como preciso y completo se pueden determinar las secciones de las órbitas satelitales desde las estaciones terrestres. En eso, la ubicación de la estación y las condiciones de operación (el clima, el equipamiento técnico, el personal calificado, la disposición de medición 24/7) juegan un rol importante. Si se suspenden estaciones de red, eso tiene como efecto que el centro de masa de la Tierra y, por ende, el origen del TRF sería menos conocido y se desviaría erróneamente, por razones matemático­estadísticas, hacia aquellas estaciones, de las que, globalmente visto, existen más datos de medición. Si se suspende una de las numerosas estaciones del hemisferio del norte apenas va a tener efecto. Pero si en cambio falla una de las pocas estaciones del hemisferio de sur, habrá datos imprecisos sobre el centro de masa de la Tierra y, por consecuencia, del origen del TRF a causa de la determinación inexacta de las órbitas. SLR sigue siendo importante para TRF para la determinación de la escala. Dado que los intervalos de tiempo se miden con normales de frecuencias, la unidad secundaria de “metro” se implementa intrínsecamente a la medición. En esto, la fiabilidad de las normales de frecuencias y la estabilidad del sistema de medición son de decisiva importancia. TIGO­SLR puede recurrir al propio laboratorio de tiempo y frecuencia, lo cual posibilita mediciones con el altamente preciso Picoventtimer. Este equipamiento, técnicamente de alta calidad, le hace a TIGO­SLR una de las estaciones más importantes de ILRS. Para la ilustración de la influencia de las estaciones en ubicaciones ajenas (p. ej. TIGO en Concepción) Erricos Pavlis, NASA­GSFC, presidente de los centros de análisis de ILRS, realizó algunos cálculos para poder hacer declaraciones respecto a la realización de GGOS en contexto de la existente red de las estaciones de colocación. Según estos cálculos una cuadruplicación de estaciones de colocación de VLBI y SLR sería necesaria para alcanzar los fines de GGOS. NASA – GSFC clasifica TIGO­SLR como parte de una red central de la observación de satélites de 7/11
GNSS para poder realizar el enlace de GNSS­TRF a SLR – TRF. Mediante las observaciones de SLR de 26 satélites de GNSS es posible obtener los mismos resultados como con la observación de los satélites de Lageos. En este contexto, una suspensión de TIGO­SLR significa una pérdida de exactitud de un 36% en la determinación del origen y de un 50% en la fijación de la escala (tabla 3). Esa pérdida de exactitud sólo puede ser amortiguada con la fundación de nuevos observatorios en Sudamérica. Si se suspenden las actividades no sólo de Concepción, sino también las de Hawai, aumentaría el error en un 83% en cuanto al origen y en un 69% en cuanto a la escala. Con estos valores el ILRS ya no puede mantener su calidad de producción. Además, en la simulación se suspendieron las actividades de la estación en Tahití, por lo cual se duplica el valor del error en un 149% (origen) o bien 112% (escala). Este análisis recalca la necesidad para el ILRS de mantener la ubicación de TIGO en Concepción. Error en el origen y en la escala vs. red de la referencia
caso eliminación de estacion(es)
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
16 estaciones, red de referencia
GGAO
Hawaii
Tahiti
Concepción
Africa Sur
Australia
Hawaii & Concepción
Hawaii & Concepción &Tahiti
Africa Sur & Australia
6 sitios de la NASA
error 3D en el origen
mm
%
2,3 --3,2
40
3,2
41
3,1
34
3,1
36
3,2
40
2,8
22
4,2
83
5,7
149
3,2
40
8,1
252
error en la escala
ppb
mm
%
0,19 ----0,08
0,51
-59
0,16
1,02
-16
0,18
1,15
-5
0,10
0,64
-50
0,13
0,83
-32
0,15
0,96
-21
0,06
0,38
-69
-0,02
0,13
-112
0,15
0,96
-21
-0,55
-3,52
-394
Tab. 3: La suspensión de algunas estaciones en particular o de varias estaciones en general de SLR en contexto de una red de referencia que incluye 16 estaciones representa, en la medida de la respectiva ubicación geográfica, aumentos diferentes en el error de origen y de la escala en el SLR­TRF. La suspensión de TIGO­SLR en Concepción aumenta el error de origen en un 36% y el error de escala en un 50% (E. Pavlis). Ya que la suspensión de TIGO­SLR representa un deterioro incompensable del TRF, también significa un alejamiento de las metas que por primera vez deberían lograrse por GGOS. La pretensión de una estabilidad durante décadas en origen y escala de TRF se estaría violando en caso de una suspensión de TIGO. 8/11
Resumen
La importancia de TIGO en Concepción en relación con el sistema de referencia terrestre (TRF) ha sido demostrada por medio de los datos VLBI para el IVS y por medio de datos de SLR por el ILRS y sus productos. El ITRF es fijado a través del origen, la rotación de la Tierra y la escala los cuales se calculan mediante una variedad de observaciones geodésicas de servicios internacionales (IVS, ILRS, IGS, IDS). VLBI y SLR son métodos clave, para poder facilitar a distintos usuarios un ITRF en un nivel de exactitud que hoy en día es habitual. Cada deterioro de la exactitud repercute tanto en los subordinados sistemas de referencia nacionales y continentales, como en el planteamiento científico, por ejemplo, respecto al aumento del nivel del mar. Si los geodésicos deben dar respuestas fundadas al respecto, se tendrían que realizar observaciones durante un período eminentemente mayor para poder hacer declaraciones equivalentes. El observatorio geodésico TIGO encontró una ubicación significante en Concepción. Los análisis anteriores demuestran, que el sistema de referencia terrestre se deteriora de manera considerable en caso de una eliminación de los datos de TIGO. La determinación del lugar de origen llegará a ser en un 36% menos exacto, la ubicación del eje de rotación y la velocidad de rotación llegará a ser dos a tres veces menos exacto y la escala de red , que debería quedar constante durante períodos largos, también cambiará en un 50%. Estos valores sorprendentemente altos acentúan la importancia de TIGO en el hemisferio del sur y afirman la veracidad de la iniciativa para este proyecto hace 20 años atrás. Por eso, TIGO debe estar asegurado a largo plazo. 9/11
Glossario
BKG
Bundesamt für Kartographie und Geodäsie, oficina federal de cartografía y geodesia de Alemania, dueño del TIGO
EOP
Earth Orientation Parameters, parámetros de la orientación de la Tierra. Su conocimiento es fundamental para la transformación de una posición en un marco de referencia celeste a un marco de referencia terrestre (o vice versa) y, por ende, básico para cualquier actividad espacial.
GEO
Group on Earth Observation, grupo de observación de la Tierra, grupo con representantes de más de 70 países y más de 50 organizaciones internacionales para coordinar programas del monitoreo de la Tierra y los cambios globales.
GEOSS
Global Earth Observing System of Systems, programa internacional del GEO para mejorar el monitoreo de la Tierra y del Cambio Global.
GGOS
Global Geodetic Observing System, sistema de las observaciones geodésicas globales, contribución de la IAG al GEOSS.
GNSS
Global Navigation Satellite Systems, sistemas satelitales de navegación global, como GPS, Glonass, Galileo, Compass
IAG
International Association of Geodesy, asociación internacional de geodesia
ICRF
IERS Celestial Reference Frame, marco de referencia celeste del IERS
IDS
International DORIS Service
IERS
International Earth Rotation and Reference System Service, servicio internacional de la rotación de la Tierra y de sistemas de referencias
IGS
International Global Navigation Satellite System Service, servicio internacional de sistemas satelitales de la navegación global
ILRS
y a la luna
International Laser Ranging Service, servicio internacional de medición con luz láser a satélites ITRF
IERS Terrestial Reference Frame, marco de referencia terrestre del IERS
IVS
International VLBI Service for Geodesy and Astrometry, servicio internacional de interferometría a lineas de base muy largo para la geodesia y la astrometría
LAGEOS
Laser Geodynamics Satellite, unos de los mejores satélites en la geodesia espacial contiene solo retroreflectores y tiene una órbita muy estable en 6.000km de altura
NASA­GSFC National Air and Space Administration – Goddard Space Flight Center ubicado en Greenbelt, Maryland, EEUU.
POT
parámetros de la orientación de la Tierra (idéntico con EOP)
R1, R4
series de sesiones de observaciones VLBI para el servicio rápido que requiere un procesamiento de las observaciones y la publicación de los POT no más tarde de una semana
RGN
Red Geodésica Nacional (de Chile), marco de referencia geodésica nacional
SIRGAS
Sistema de Referencia Geocéntrico para las Américas
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SLR
Satellite Laser Ranging, método de medición con pulsos de luz láser a satélites para determinar la órbita satelital y el centro de la masa de la Tierra
UT1
Universal Time 1, tiempo universal 1, se refiere a la escala de tiempo universal corregida por el movimiento del polo de la rotación de la Tierra
TIGO
Observatorio Geodésico Integrado Transportable ubicado en Concepción
TRF
terrestial reference frame, cualquier marco de referencia terrestre realizado por uno o más métodos de la geodesia satelital
VLBI
Very Long Baseline Interferometry, interferometría de lineas de base muy largas, método de medir distancias intercontinentales lo más preciso posible para conocer la orientación de la Tierra en el espacio
XC, YC
coordenadas del eje de rotación celeste
XP, YP
coordenadas del eje de rotación terrestre
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