[論文レビュー] How and Why to do VLBI on GPS

J. M. Dickey|arXiv (Cornell University)|Aug 27, 2010

GNSS positioning and interference参考文献 1被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、IVS（非常に長い基線干渉計測定）運用にGPS信号記録を統合する手法を提案している。GPS受信機をIVS局の時 clocks に位相ロックさせ、GPS信号とICRF（国際天球基準）のクェーサー信号を併用することで、国際天球基準フレーム（ICRF）内でのGPS衛星軌道を直接決定可能となる。これによりフレーム・タイイング誤差が低減され、地球の重心の運動を高精度でリアルタイムでモニタリング可能となり、氷河融解に起因する質量再分配の検出や気候変動評価の向上に不可欠となる。

ABSTRACT

In order to establish the position of the center of mass of the Earth in the International Celestial Reference Frame, observations of the Global Positioning Satellite (GPS) constellation using the IVS network are important. With a good frame-tie between the coordinates of the IVS telescopes and nearby GPS receivers, plus a common local oscillator reference signal, it should be possible to observe and record simultaneously signals from the astrometric calibration sources and the GPS satellites. The standard IVS solution would give the atmospheric delay and clock offsets to use in analysis of the GPS data. Correlation of the GPS signals would then give accurate orbital parameters of the satellites {\bf in the ICRF reference frame}, i.e. relative to the positions of the astrometric sources. This is particularly needed to determine motion of the center of mass of the earth along the rotation axis.

研究の動機と目的

• 国際天球基準フレーム（ICRF）に直接リンクすることで、地球の重心（CE）位置の決定精度を向上させること。
• 現在、CE運動の測定精度を制限しているICRFとITRF間のフレーム・タイイング不確実性を解消すること。
• 複数の不一致する地球物理学的測定システムに依存せず、1つの技術（IVS＋GPS）で直接的かつ高精度にCE運動をモニタリングすること。
• GPS星座の351.4日周期のドレカニック周期に起因するGPSおよびGRACE時系列における不一致を、独立したICRFに整合したGPS軌道解法により軽減すること。
• 氷河融解に起因する質量再分配を高精度で定量化することで、気候科学を支援すること。

提案手法

• メインの電波望遠鏡と同一位置に、測地学的品質のGPS受信機を設置し、同じローカルオシレーター（LO）を共有することで位相整合性を確保する。
• 同期化されたデータ取得により、銀河外クェーサーからのIVS信号とGPS衛星信号（Lバンド：1.2–1.6 GHz）を別々のチャンネルで同時に記録する。
• 標準的なIVS相関処理により、局の時 clocks オフセット、大気遅延、地球の向きのパラメータ（EOP）を解き、これらは伝搬モデルを用いてGPS周波数に拡張される。
• 複数の基線に跨るGPS受信機出力を相関させ、複数の遅延ピークを検出する。各ピークは可視化可能なGPS衛星に対応し、3次元的な衛星位置を特定可能となる。
• ナビゲーション信号の復号ではなく、搬送波位相測定を用いてICRFフレーム内での相対基線遅延および軌道パラメータを決定する。
• 得られたICRFに整合した衛星軌道を用いて、中間のフレーム変換を経由せずに、地球の重心の運動を直接推定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 IVS運用にGPS信号記録を拡張することで、地球の重心のための基準フレーム整合性を向上させることができるか？
• RQ2 ICRFフレーム内でのGPS衛星軌道の直接測定は、現在の複数技術によるフレームタイイングに比べ、CE位置の不確実性をどの程度低減するか？
• RQ3 独立的かつICRFに整合したGPS軌道解法により、GPSおよびGRACE時系列における351.4日周期のドレカニック周期エイリアス効果はどの程度軽減可能か？
• RQ4 氷河融解が地球の重心の運動に及ぼす影響は何か？この手法により、0.1 mm/年未満の高精度で検出可能か？
• RQ5 1つの統一された技術（IVS＋GPS）が、現在の複数のフレーム不整合を生じる地球物理学的測定システムに依存するCEモニタリングを代替可能か？

主な発見

• 提案手法により、ICRFフレーム内でのGPS衛星軌道の直接決定が可能となり、ICRFとITRF間の間接的フレームタイイングの必要性が排除される。
• 共通のローカルオシレーターと高精度な基線測量を用いることで、IVSおよびGPS信号の位相整合記録が実現され、正確な遅延測定が保証される。
• 複数の基線に跨るGPS信号の相関処理により、複数衛星の位置を同時に解き、位置対時間データからの軌道パラメータ推定が可能となる。
• フレーム・タイイング不確実性がミリメートルレベルまで低減され、氷河融解に起因する長期的質量再分配の検出に不可欠となる。
• 本手法により、北半球の氷河融解に起因するCE運動は約 -0.4 mm yr⁻¹ と予測され、気候モデルと整合的であり、高精度なIVS-GPS統合により検出可能である。
• 3か所のステーションを用いた予備的テストで、本手法の実現可能性が検証可能であり、完全実装により地球測地学および気候モニタリングのための統一的かつ高精度な基準が提供される。