[論文レビュー] A GPS-based method to model the plasma effects in VLBI observations

E. Ros, J. M. Marcaide+3 more|arXiv (Cornell University)|Jan 28, 2000

GNSS positioning and interference被引用数 5

ひとこと要約

本論文では、VLBI観測における電離層遅延をモデル化するGPSベースの手法を提示している。双周波GPS測定値を用いて、VLBI局周辺の地上局における全電子含量（TEC）を推定し、そのTEC値をVLBIの視線方向に転送することで、群遅延および位相遅延の両方における電離層効果の正確な補正が可能となる。大陸間基線では0.15 ns未塔、国内基線では0.10 ns未塔の平均二乗誤差が得られ、双帯VLBI測定と高い一貫性を示している。

ABSTRACT

Global Positioning System (GPS) satellites broadcast at frequencies of 1,575.42 MHz (L1) and of 1,227.60 MHz (L2). The dispersive property of the ionosphere can be used to combine independent measurements at the two frequencies to estimate the total electron content (TEC) between a GPS receiver site and a broadcasting satellite. Such measurements, made at sites near to Very Long Baseline Interferometry (VLBI) sites, can be used to estimate the ionospheric contribution to VLBI observables. For our 1991.9 astrometric VLBI experiment in which we obtained group-delay observations in the 8.4 and 2.3 GHz bands simultaneously, we found that the GPS and VLBI determinations of the ionosphere delays agreed with root-mean-square differences below 0.15 ns for intercontinental baselines and 0.10 ns for continental ones. We also successfully applied the GPS-based procedure to reduce the ionospheric effect in phase delays used for high precision differenced astrometry at 8.4 GHz for this same experiment.

研究の動機と目的

• 地球の電離層に存在する自由電子が原因で生じるアストロメトリック測定に歪みを引き起こすVLBI観測における電離層遅延を是正する。
• 外部のTECデータを用いて電離層効果を補正することで、VLBIの群遅延および位相遅延測定の精度を向上させる。
• GPSで得られるTECを、電離層遅延推定のための双帯VLBI観測の信頼できる代替手段として使用できることを検証する。
• GPSベースのTEC補正を位相遅延に適用することで、8.4 GHzでの高精度アストロメトリを実現するが、GPSデータが希な場合でも有効である。

提案手法

• L1（1,575.42 MHz）およびL2（1,227.60 MHz）周波数の双周波GPS信号を用いて、GPS受信機から衛星までの視線方向に沿った全電子含量（TEC）を推定する。
• TECは、L1およびL2信号間の周波数依存の群遅延差Δτ = + (κ / cν²) × TECに基づいて計算され、ここでκ ≈ 40.3 m³s⁻²である。
• VLBI局の近隣に位置するGPS局のTEC値を、GPS衛星の幾何的および軌道パラメータを用いて、対応するVLBI視線方向に転送する。
• 同じTEC値と周波数スケーリング則を用いて、VLBI周波数における電離層遅延を推定し、群遅延および位相遅延の両方を補正可能となる。
• 本研究では、350 km高度の薄層電離層モデルを仮定し、衛星から受信機までの光路に沿ってTECを統合する。
• RINEX形式のGPSデータを用い、短時間区間におけるTECの精度を0.01 TECU以内に保つために、GPS観測量のバイアスを補正する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 双帯VLBI観測に代わる信頼できる代替手段として、GPSで得られるTEC推定値が、アストロメトリックVLBIにおける電離層遅延をモデル化するのに適しているか。
• RQ2 8.4 GHzおよび2.3 GHzで測定された双帯VLBIの群遅延から得られる電離層遅延推定値と、GPSベースのTEC推定値との一致度はどの程度か。
• RQ3 GPSベースのTEC補正は、8.4 GHzでの高精度VLBIアストロメトリにおける位相遅延測定の精度をどの程度向上させ得るか。
• RQ4 GPS TEC推定値の不確実性は、特に国内基線と大陸間基線の両方において、VLBI観測量に残る電離層遅延にどの程度影響を与えるか。

主な発見

• 双帯VLBIとGPSベースのTECによる電離層遅延推定値との平均二乗誤差（RMS）は、大陸間基線において0.15 ns未塔であった。
• 国内基線では、GPSとVLBIベースの電離層遅延推定値とのRMS差が0.10 ns未塔であった。
• GPSベースの手法により、8.4 GHz位相遅延における電離層効果が有意に低減され、高精度な差分アストロメトリが可能となった。
• 残りの電離層遅延寄与は約30 psにまで低減され、8.4 GHzにおける相対誤差0.2 ps未塔であり、2π位相アンビギュイティの閾値をはるかに下回っていた。
• GPSとVLBIのTEC推定値の整合性から、VLBIにおける電離層遅延補正にGPSで得られるTECが信頼できることが確認された。
• 1991年以降、GPSネットワークの高密度化とTEC精度の向上が進んだため、本研究で用いられた薄層モデルや近似は、現代の応用においてはもはや必要ではない。