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The improvement of VLBI tropospheric modeling with a dense GNSS network

Kitpracha, Chaiyaporn

Space geodetic techniques contribute significantly to enhancing our understanding of the Earth system. These techniques include Very Long Baseline Interferometry (VLBI), Global Navigation Satellite System (GNSS), Satellite Laser Ranging (SLR), and Doppler Orbitography and Radiopositioning Integrated by Satellite (DORIS). The primary objective of these space geodetic techniques is to establish an accurate Terrestrial Reference Frame (TRF). Since each technique has its strengths and weaknesses, a combination of space geodetic techniques is employed to overcome the weaknesses in TRF determination. The current TRF, known as the International Terrestrial Reference Frame 2020 (ITRF2020), is determined with a combination of space geodetic techniques through station coordinate parameters at the co-location sites using local ties, which represent the difference between the station coordinates of a space geodetic technique at a co-location site. According to the scientific-driven requirements of the Global Geodetic Observing System (GGOS), the TRF needs to be established with an accuracy level of 1 mm. However, the ITRF2020 has not yet reached this scientific requirement. Therefore, another perspective needs to be investigated in order to reach the scientific-driven requirement for TRF determination. Microwave-based space geodetic techniques, such as VLBI and GNSS, observe under the same atmospheric conditions and are also included as a parameter in the adjustment process. Therefore, similar to station coordinates, this parameter can also be combined using ties. The ties for tropospheric parameters are referred to as "tropospheric ties". Unlike the local ties, which are directly measured using a total station or other distance measurements at the reference point of the space geodetic technique, tropospheric ties can only be derived through a model. Currently, two different approaches can be used to derive tropospheric ties. The first approach involves using an analytical model with meteorological data from different sources, such as meteorological sensors at the site, a Numerical Weather Model (NWM), and an empirical meteorological model. The second approach involves using the ray-tracing technique through a refraction field of NWM. However, since tropospheric ties can only be derived from the model, their accuracy is limited. To improve their accuracy, it is necessary to address the systematic effects that cause a discrepancy between the observed tropospheric parameter differences and tropospheric ties. This thesis investigates this discrepancy using the GNSS and VLBI intra/inter technique comparison of tropospheric parameters. The results indicate that the discrepancy is caused by the GNSS instrument, specifically the antenna and radome, in zenith total delay (ZTD) differences. On the other hand, the horizontal gradient difference is affected by multipath effects that occur at low-elevation observations, rather than the instrument. This study observes no systematic effect in VLBI due to the instrument. The systematic effect in tropospheric parameters due to the instrument is referred to as instrumental bias. To prove this hypothesis, a GNSS co-location site experiment was conducted. The experiment reveals that the instrumental bias in GNSS-derived ZTD parameters originates from the instrument. Furthermore, the bias in GNSS-derived horizontal gradients comes from the multipath effect that occurs at low-elevation observations. To address the instrumental bias, another GNSS co-location experiment was conducted. This experiment employed a vertical steering pole to minimize the height difference of various antenna phase centers to a few millimeters level during antenna changing. The experiment successfully kept the reference point position for each experiment antenna at the same position within a 2 mm level. Thus, the remaining bias in GNSS-derived tropospheric parameters is attributed to the instrumental bias. This study demonstrates the capability and limitations of tropospheric ties through a combination of VLBI and GNSS on the Normal Equation (NEQ) level. The combination of VLBI and GNSS with tropospheric ties shows a prominent improvement in station coordinates and tropospheric parameters. A VLBI intra-technique combination during CONT14 demonstrated improvements in station coordinates and tropospheric parameters for two telescopes at the Hobart co-location site. Tropospheric ties demonstrate a capability as alternative ties when the local ties are of poor quality, particularly the height component. The results indicate that VLBI received the most benefit when combining tropospheric parameters with tropospheric ties in both station coordinates and tropospheric parameters. The study of proper temporal resolution for applying tropospheric ties was investigated. The results show similar results for all scenarios in both station coordinates and troposphere parameters. For the first time, a combination of GNSS and VLBI utilizing tropospheric ties with an instrumental bias correction is performed. The results show a significant improvement in station coordinates, particularly in VLBI. Furthermore, applying tropospheric ties with an instrumental bias correction considerably reduces the discrepancy between local ties and the space geodetic technique solution. However, there is no improvement in tropospheric parameters from using instrumental bias correction for tropospheric ties. The study also evaluates the impact of weighting tropospheric ties. The results indicate that strong weight provides the most benefit from using tropospheric ties. Nevertheless, systematic effects must be addressed to avoid degradation in the combined solution. It is important to note that one full set of local ties, i.e., both horizontal and vertical components, is necessary to use tropospheric ties since they cannot fulfill rank deficiencies in the NEQ system.
Die vier geodätischen Raumverfahren VLBI (Very Long Baseline Interferometry), GNSS (Global Navigation Satellite System), SLR (Satellite Laser Ranging) und DORIS (Doppler Orbitography and Radiopositioning Integrated by Satellite) liefern Beiträge zum besseren Verständnis des Erdsystems. Ihre Datensätze sind von zentraler Bedeutung für die Realisierung eines präzisen terrestrischen Referenzrahmens (ITRF). Da die einzelnen Messtechniken Stärken und Schwächen für die TRF-Bestimmung aufweisen, werden die Datensätze kombiniert mit dem Ziel, die Schwächen auszugleichen. Der aktuelle ITRF, der Internationale Terrestrische Referenzrahmen 2020 (ITRF2020), ist eine Lösung, die kombinierte Stationskoordinaten an den Kollokationsstationen unter Verwendung lokaler Verbindungsvektoren (local ties), d.h. den Abstandsvektoren zwischen den jeweiligen Referenzpunkten, und kombinierte EOP (Erdorientierungsparameter) liefert. Das globale geodätische Beobachtungssystem (GGOS) stellt an die Lage des Ursprungs des ITRF die wissenschaftlich begründete Genauigkeitsanforderung von 1 mm. Die ITRF2020-Genauigkeit erfüllt diese Vorgabe jedoch nicht ganz. Um dieses Ziel zu erreichen, sind daher innovative Ansätze zu entwickeln. Die geodätischen Raumverfahren VLBI und GNSS, die Signale im Mikrowellenfrequenzspektrum nutzen, liefern an den Kolokationsstationen Beobachtungsdaten unter den gleichen atmosphärischen Bedingungen. Die Verknüpfung atmosphärischer Parameter kann daher ebenfalls im Ausgleichungsprozess eingesetzt werden. Ähnlich wie die Stationskoordinaten können diese Parameter auch miteinander verknüpft, also kombiniert, werden. Die Verknüpfung troposphärischer Parameter wird als „tropospheric tie“ bezeichnet. Im Gegensatz zu den lokal ties, die mit Totalstationen oder anderen Messgeräten am Referenzpunkt des jeweiligen Sensors gemessen werden, können die troposphärischen ties nur mittels Modellrechnungen bestimmt werden. Dabei werden gegenwärtig zwei verschiedene Ansätze verfolgt. Zum einen erfolgt die Berechnung mittels eines analytischen Modells auf der Grundlage meteorologischer Daten, die aus unterschiedlichen Quellen stammen, beispielsweise meteorologische Sensoren am Messstandort, numerische Wettermodelle (NWM) oder empirische meteorologische Modelle. Zum anderen wird die Methode der Strahlverfolgung (ray tracing) durch ein vom NWM abgeleitetes Brechungsindexfeld eingesetzt. Diese nur aus Modellen berechneten troposphärischen ties weisen notwendigerweise eine begrenzte Genauigkeit auf. Für höhere Genauigkeiten müssen weitere systematische Effekte berücksichtigt werden, die zu Abweichungen zwischen den beobachteten troposphärischen Parametern und den troposphärischen ties führen. Um diese systematischen Effekte zu untersuchen, werden in dieser Arbeit troposphärische Parameter verglichen, die in GNSS- und VLBI-Analysen berechnet wurden. Die Ergebnisse zeigen, dass signifikante Abweichungen in der vertikalen Signallaufzeitverzögerung (zenith total delay, ZTD) durch instrumentelle Effekte des GNSS-Verfahrensverursacht werden, insbesondere durch Elevations-abhängige Laufzeitvariationen und Verwendung einer Abdeckvorrichtung „radom“. Abweichungen der horizontalen Gradienten werden hingegen nicht durch das Instrument beeinflusst, sondern durch Mehrwegeffekte, die sich insbesondere auf Beobachtungen bei geringen Elevationswinkeln auswirken. In dieser Studie wird bei VLBI-Messungen kein systematischer Effekt, der instrumentelle Ursachen hat, beobachtet. Der systematische Effekt in den troposphärischen Parametern, der auf das Instrument zurückzuführen ist, wird im Folgenden als „instrumental bias“ bezeichnet. Für die Überprüfung der Hypothese, dass der instrumental bias überwiegend durch instrumentelle Effekte der von GNSS-Beobachtungen abgeleiteten ZTD-Parametern verursacht ist, wurde ein GNSS-Kollokationsexperiment durchgeführt. Die Ergebnisse des Experiments bestätigen diese Hypothese. Des Weiteren zeigt sich, dass der instrumental bias der horizontalen Gradienten, die von GNSS-Beobachtungen bei niedrigen Elevationen abgeleitet wurden, auf multi-pathing zurückzuführen ist. Um den instrumental bias in den ZTD-Parametern zu bestimmen, wurde ein weiteres GNSS-Kollokationsexperiment realisiert. Hierbei wurden Unterschiede in der Phasenzentrumsposition der verschiedenen Antennentypen mittels eines höhenverstellbaren Antennenmasts bis auf wenige Millimeter ausgeglichen. Während der Messung konnte die Position der Antennenreferenzpunkte erfolgreich innerhalb eines Bereichs von 2 mm gehalten werden. Die verbleibenden Abweichungen in den abgeleiteten troposphärischen Parametern sind daher nicht auf troposphärische Effekte sondern lediglich auf instrumentelle Ursachen zurückzuführen. Möglichkeiten und Grenzen der tropospheric ties werden in dieser Studie durch eine Kombination von VLBI- und GNSS-Beobachtungsdaten auf Normalgleichungsebene (NEQ) untersucht. Die Verwendung von tropospheric ties zeigt signifikante Effekte auf die Kombination von VLBI bzw. GNSS. Eine VLBI-Intratechnikkombination zweier Teleskope an der Kollokationsstation Hobart, Australien, während der CONT14-Messkampagne führt zu einer Genauigkeitssteigerung bezüglich der Stationskoordinaten und der troposphärischen Parameter. Die Untersuchung der tropospheric ties zeigt, dass sie eine Alternative zu den local ties darstellen, z.B. wenn diese fehlerbehaftet sind, insbesondere in der vertikalen Komponente. Die Ergebnisse zeigen, dass VLBI den größten Nutzen aus der Kombination von troposphärischen Parametern mit tropospheric ties zieht, sowohl bei den Stationskoordinaten als auch bei den troposphärischen Parametern. Es wird untersucht, welche zeitliche Auflösung für die Anwendung der tropospheric ties geeignet ist. Die Ergebnisse zeigen ähnliche Resultate für alle Szenarien, sowohl für Stationskoordinaten als auch für troposphärische Parameter. Zum ersten Mal wird eine Kombination von GNSS und VLBI unter Verwendung der tropospheric ties mit einer Korrektur des instrumental bias durchgeführt. Die Ergebnisse zeigen eine signifikante Verbesserung der Stationskoordinaten, insbesondere bei VLBI. Darüber hinaus wird durch die Anwendung der tropospheric ties mit der instrumental bias-Korrektur die Diskrepanz zwischen den local ties und den Ergebnissen aus den geodätischen Raumverfahren deutlich verringert. Bei den troposphärischen Parametern kann durch die Anwendung der instrumental bias-Korrektur jedoch keine Verbesserung nachgewiesen werden. Auch die Folgen der Gewichtung der tropospheric ties wird untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass sich eine hohe Gewichtung positiv auf die Verwendung der tropospheric ties auswirkt. Allerdings müssen systematische Effekte berücksichtigt werden, um eine Verschlechterung der kombinierten Lösung zu vermeiden. Es ist wichtig darauf hinzuweisen, dass für die Verwendung der tropospheric ties ein vollständiger Satz an local ties erforderlich ist, da die tropospheric ties nicht die Rangdefizite im NEQ-System ausgleichen können.