[論文レビュー] Modeling of path delay in the neutral atmosphere: a paradigm shift

Leonid Petrov|arXiv (Cornell University)|Feb 24, 2015

GNSS positioning and interference参考文献 3被引用数 3

ひとこと要約

この論文は、宇宙電波観測における大気経路遅延のモデリングにおいて、パラダイム転換を提案する。NASAの高精度数値 weaerモデル（GEOS および MERRA）の出力を利用して、45 ps × cosec(高度)の精度で事前に経路遅延および消光を計算する。この手法により、星の位置更新と同等の頻度で日常的かつリアルタイムに伝搬効果を計算可能となり、全経路遅延で0.5%、湿った成分で10%の精度を達成。これにより、従来の補正手法（たとえばチッピング曲線）は不要となる。

ABSTRACT

Computation of propagation effects in the neutral atmosphere, namely path delay, extinction, and bending angle is a trivial task provided the 4D state of the atmosphere is known. Unfortunately, the mixing ratio of water vapor is highly variable and it cannot be deduced from surface measurements. That fact led to a paradigm that considers path delay and extinction in the atmosphere as a~priori unknown quantities that have to be evaluated from the radio astronomy data themselves. Development of our ability to model the atmosphere and to digest humongous outputs of these models that took place over the course of the 21st century changed the game. Using the publicly available output of operational numerical weather model GEOS run by NASA, we are in a position to compute path delay through the neutral atmosphere for any station and for any epoch from 1979 through now with accuracy of 45 ps * cosec elevation. We are in a position to compute extinction with accuracy better than 10 pro cents. We are in a position to do it routinely, in a similar way how we update apparent star positions for precession and nutation. Moreover, we are in a position to do it now. As a demonstration of current capabilities, I have computed time series of path delays for all radiotelecopes that I was aware of (220 sites) since 1979 with a step 3-6 hours. Results of the validation tests are presented. A new paradigm of data analysis assumes that we know the atmosphere propagation effects a priori with the accuracy higher that one could deduce them from radio astronomy observations.

研究の動機と目的

• 従来のデータ駆動型の経路遅延モデリングを、数値気象モデル出力に基づく物理的で事前計算可能な方法に置き換えること。
• 1979年以降の任意の観測所および時刻に対して、経路遅延および消光を日常的かつ正確に計算可能であることを示すこと。
• ベースライン長の再現性と天頂遅延残差を用いて、事前計算された経路遅延の精度を検証すること。
• モデルに基づく補正が優れているため、チッピング曲線やジオデシックブロックなどの従来の補正手法がもはや必要でないことを示すこと。
• 宇宙電波観測におけるリアルタイムで高精度の大気補正を可能にし、歳差や章動の更新と同等の頻度で実行可能であることを実証すること。

提案手法

• 1979年以降に公開されているNASAのGEOSおよびMERRA数値気象モデルの4次元大気状態出力（温度、気圧、水蒸気分圧）を用いる。
• フェルマーの原理を適用し、屈折率勾配から導かれる4次非線形微分方程式系を解くことで、光線経路の変分問題を解く。
• 屈折率を、高さ、経度、緯度、時間の4次元にわたるBスプライン関数（次数m）のテンソル積として表現し、連続的かつ微分可能な屈折率モデリングを可能にする。
• Bスプライン展開を用いて方位・高度グリッド上の経路遅延積分を計算し、効率的な取得と適用が可能な係数を格納する。
• 重み付きRMS偏差を用いたベースライン長再現性テストにより結果を検証し、地球の直径に extrapolate して垂直方向ステーション位置の誤差を推定する。
• 周波数応答を補正するための干渉縞振幅のe^(-a)要因を用い、モデルに基づく大気寄与を用いてシステム温度から受信機温度を分離することで、大気の輝度温度および減衰を計算する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 宇宙電波観測において、データ駆動型補正に代わる十分な精度で事前に経路遅延を計算できるか？
• RQ2 現代の数値気象モデルを用いた場合、事前計算された経路遅延および消光モデリングの達成可能な精度はどの程度か？
• RQ3 チッピング曲線やジオデシックブロックなどの従来手法と比較して、事前モデリングの精度はどの程度か？
• RQ4 モデルに基づく輝度温度を用いて受信機と大気寄与を分離することで、システム温度の異常をどの程度まで補正できるか？
• RQ5 新しいパラダイムにより、歳差や章動の更新と同様に、リアルタイムかつ日常的に行われる伝搬効果補正が可能になるか？

主な発見

• 経路遅延は45 ps × cosec(高度)の精度で計算可能であり、全経路遅延では相対精度0.5%に相当する。
• 湿った成分の経路遅延は10%の精度で計算可能であり、平均して天頂湿った遅延に37 psの不確実性がある。
• 地球の直径に extrapolate されたベースライン長再現性から、事前計算モデルの誤差による垂直ステーション位置の追加分散が1.45 cm（48 ps）に相当する。
• 天頂湿った経路遅延残差は極域ステーションで0.6 cm（37 ps）、熱帯域ステーションで2.2 cm（66 ps）で、平均は1.25 cm（37 ps）である。
• 大気の輝度温度および減衰は、湿った経路遅延と同程度の不確実性で計算可能であり、水蒸気が支配する周波数帯域で10%の精度が達成可能であると考えられる。
• チッピング曲線やジオデシックブロックなどの従来の補正手法は、もはや必要ではなく、モデルに基づく補正がそれらを上回る精度を達成している。