Determination of Sub-daily Earth Rotation Parameters from VLBI Observations

Abstract

The work presented deals with the determination of sub-daily Earth Rotation Parameters (ERPs) from Very Long Baseline Interferometry (VLBI) observations. Monitoring and interpreting the Earth's rotation variations in general is an important task for Earth sciences, as they provide boundary which support other geophysical investigations. This holds especially for sub-daily variations of the Earth's rotation which are primarily excited by variations of the oceans. Furthermore, atmospheric impacts as well as effects of the shape of the Earth are present. VLBI observations are in particular feasible. With VLBI all five parameters of the Earth's orientation can be determined without hypothesis. Thus, VLBI derived results do not suffer from resonance effects from the modeling of artificial Earth satellites, which is the fact for ERPs derived, e.g., from observations of Global Navigation Satellite Systems (GNSS). <br /> Although the analysis of sub-daily variations of the Earth's rotation is by no means a new scientific area of research, there is a clear need to expand the methods used. This is also obvious as further studies by other authors were performed in parallel to the results presented in this thesis. Thus, the determination and analysis of sub-daily ERPs can be considered as a vital field of research. The determination of sub-daily ERPs from VLBI observations can be divided into two areas. On the one hand, time series with a high temporal resolution, e.g., one hour, can be generated. On the other hand, an empirical model for the tidal variations of the ERPs with periods of one day and below can be determined from the VLBI observations. Both areas of research are considered within this thesis. <br /> Concerning the time series approach, special continuous VLBI campaigns are examined as they offer ideal conditions for this approach. For the analysis of these campaigns, an optimized solution scheme is implemented. This adapts the continuous character in an optimal way and avoids negative influences of the VLBI-analysis on the subsequent examination of the sub-daily ERPs. In this way, irregular variations are confirmed and further ones are detected. However, it is pointed out that these variations can be confirmed only with continuous campaigns over longer time spans. Furthermore, a temporal resolution below one hour of the sub-daily ERPs would be desirable to detect additional short periodic variations. This is not possible with the current status of VLBI observations, but, improvement is promised by future technical concepts of VLBI. The analysis methods that are applied within this thesis, will be directly applicable to future VLBI observations. <br /> With regard to the determination of an empirical model for tidal ERP variations, a new methodology based on the transformation of normal equation systems is developed. It is shown that this approach can be successfully applied to VLBI observations. Moreover, this approach provides a straight forward method for the combination of different space-geodetic techniques, being the most rigorous one known today, when different software packages are used to pre-process the individual techniques. Within the thesis at hand, the approach of the transformation of normal equation systems is used to estimate an empirical model for tidal ERP variations from observations of the Global Positioning Systems (GPS) as well. On this basis, the work of this thesis cumulates in a rigorous combination of GPS and VLBI observations. The combined time series with an hourly resolution as well as the determined empirical model for tidal ERP variations exhibit that the strengths of both techniques are sustained.

<strong>Bestimmung von subtäglichen Erdrotationsparametern aus VLBI Beobachtungen</strong><br /> Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Bestimmung subtäglicher Erdrotationsparameter (ERP) aus Beobachtungen der Radio-Interferometrie auf langen Basislinien (engl.: Very Long Baseline Interferometry, VLBI). Die Beobachtung und Interpretation der Erdrotation im Allgemeinen stellt einen wichtigen Schwerpunkt der Erdwisschenschaften dar, da sie Randbedingungen für andere geowissenschaftliche Untersuchungen setzt. Dies gilt im Speziellen auch für subtägliche Variationen der Erdrotation. Diese sind vor allem bedingt durch Variationen des Ozeans, darüber hinaus lassen sich Effekte der Atmosphäre, wie auch der Gestalt der Erde feststellen. Die Beobachtungstechnik VLBI eignet sich im Besonderen für Untersuchungen der Erdrotation, da einzig mit dieser Technik alle fünf Parameter der Erdorientierung hypothesenfrei bestimmt werden können. Somit sind im Gegensatz zu Ergebnissen, die z.B. aus den Beobachtungen globaler Satellitennavigationssysteme (engl. Global Navigation Satellite System, GNSS) gewonnen werden, keine Resonanzeffekte aus der Modellierung künstlicher Erdsatelliten zu erwarten. <br /> Obwohl die Untersuchung subtäglicher Erdrotationsvariationen keineswegs ein neuartiges wissenschaftliches Forschungsgebiet darstellt, besteht doch ein eindeutiger Bedarf bezüglich der Erweiterung der auf diesem Gebiet verwendeten Methoden. Dies wird auch daran deutlich, dass parallel zu den in dieser Arbeit dargestellten Ergebnissen weitere Untersuchungen anderer Autoren erfolgten und es sich somit um ein vitales Forschungsgebiet handelt. Die Bestimmung subtäglicher ERP aus VLBI-Beobachtungen lässt sich in zwei Teilgebiete aufgliedern. Zum Einen können Zeitreihen mit hoher zeitlicher Auflösung von beispielsweise einer Stunde generiert werden. Zum Anderen kann ein empirisches Modell für die gezeitenbedingten Variationen der ERP mit Perioden von einem Tag und weniger aus den VLBI-Beobachtungen geschätzt werden. Beide Forschungszweige sind Bestandteil dieser Arbeit. <br /> Bezüglich des Zeitreihenansatzes werden spezielle kontinuierliche VLBI-Kampagnen untersucht, da sie die idealen Voraussetzungen für diesen Ansatz bieten. Zur Analyse dieser Kampagnen wird ein Lösungsschema entwickelt, welches optimal auf den kontinuierlichen Charakter angepasst ist. Dadurch werden negative Einflüsse der VLBI-Auswertung auf eine anschließende Untersuchung der subtäglichen ERP-Zeitreihen minimiert. Es wird gezeigt, dass sich bereits entdeckte irreguläre Variationen bestätigen und weitere detektieren lassen. Allerdings wird ebenso deutlich, dass diese Variationen nur mit kontinuierlichen Kampagnen über längere Zeiträume bestätigt werden können. Darüber hinaus wäre eine zeitliche Auflösung der ERP-Zeitreihen von deutlich unter einer Stunde wünschenswert, um weitere kurzperiodische Signale zu detektieren. Dies ist mit dem aktuellen Stand der geodätischen VLBI allerdings nicht möglich, zukünftige Entwicklungen versprechen jedoch deutliche Verbesserungen in dieser Hinsicht. Die in der vorliegenden Arbeit angewendeten Analysemethoden werden direkt auf die Analyse zukünftiger VLBI-Beobachtungen anwendbar sein. <br /> Im Hinblick auf die Bestimmung eines empirischen Modells für ERP-Variationen wird im Rahmen dieser Arbeit eine neue Methodik entwickelt, die auf der Transformation von Normalgleichungssystemen basiert. Es wird nachgewiesen, dass sich dieser Ansatz erfolgreich auf VLBI-Beobachtungen anwenden lässt. Außerdem gewährleistet der Ansatz eine einfach zu realisierende Kombination verschiedener weltraumgeodätischer Verfahren, die zudem den strengsten zur Zeit realisierbaren Ansatz darstellt, so lange verschiedene Softwarepakete zur Vorprozessierung der einzelnen Techniken verwendet werden. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wird die Transformation von Normalgleichungssystemen ebenfalls zur Bestimmung eines empirischen Modells für ERP-Variationen aus Beobachtungen des Global Positioning Systems (GPS) angewendet. Auf dieser Basis erfolgt abschließend eine rigorose Kombination von GPS- und VLBI-Beobachtungen. Sowohl die kombinierten ERP-Zeitreihen mit stündlicher Auflösung als auch das gewonnene kombinierte empirische Modell für ERP-Variationen zeigen, dass die Kombination die Stärken beider Techniken nutzt.