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On the development and impact of propagation delay and geophysical loading on space geodetic technique data analysis

Balidakis, Kyriakos

Inst. Geodäsie und Geoinformationstechnik

This study contributes to the effort of space geodesy to reach the 1 mm accuracy level on a global scale. This stringent requirement is vital to realize a global reference system upon which phenomena such as sea-level rise can be reliably monitored. The study deals with two interrelated challenges: modeling geophysical loads imposed on the crust of the Earth and quantifying the atmospheric propagation delay of signals employed by space geodetic techniques, namely VLBI, SLR, GNSS, and DORIS. If not adequately modeled, both geophysical loading and propagation delay corrupt space geodetic data analysis results, thus distorting the implied reference frame and compromising the physical interpretation of other parameters. The explicit purpose of this work is to understand how these effects propagate into the parameters estimated within the geodetic adjustment, and to develop models that alleviate geodetic results from these effects. To achieve this goal, the scientific framework was divided into two contributions to be understood and enhanced: the theory governing the effects of geophysical loading and atmospheric propagation, and the space geodetic technique data analysis pipeline, largely using VLBI as a test-bed. In essence, the research conducted here includes: (i) the development of software capable of realistically simulating VLBI, SLR, GNSS, and DORIS observations within a Monte Carlo framework, (ii) the homogenization of in~situ meteorological data recorded at VLBI and SLR stations, (iii) the development of ray-traced delays, mapping functions and higher-order gradients for all four space geodetic techniques, (iv) the comprehensive investigation of inter-frequency and inter-system atmospheric ties, (v) the development of models to describe the displacement induced by mass redistribution within Earth's fluid envelope including the atmosphere, the ocean, and the continental hydrology, (vi) the development of empirical models to describe the signal propagation delay (GFZ-PT) and the non-tidal geophysical loading displacement (EGLM), and (vii) the study of the impact of the atmospheric refraction and non-tidal geophysical loading models in space geodetic data analysis on station coordinates, the terrestrial reference frame, the Earth orientation, and the integrated water vapour trends. A number of developments were carried out herein for the first time, for example, the simulation of space geodetic measurements based on ray-traced delays, the study of systematic errors on the reference frame induced by not properly accounting for the orbital altitude of the satellites in the calculation of atmospheric refraction corrections, and the assessment of the probability of successful laser ranges based on integrated cloud fraction along the ray path. It was found that microwave and optical atmospheric gradients are starkly different both spatially and temporally, and cannot be scaled to fit each other. Failing to account for non-tidal geophysical loading and atmospheric asymmetries induces a scale bias in the SLR reference frame as well as a spurious geocenter motion predominantly along the Z-axis. Employing a VLBI-tailored atmospheric refraction model to reduce DORIS observations displaces stations in the radial component thus inducing a large scale bias in the implied frame. Employing homogeneous in lieu of raw meteorological data in VLBI data analysis reduces the scatter of station coordinates and improves the baseline length repeatability. Employing the mapping functions developed herein in lieu of VMF1 yields an overall improvement in VLBI data analysis. Applying the geophysical loading models developed herein reduces the response of almost all station coordinate and baseline length series at seasonal and synoptic timescales. Based on the investigations carried out herein, differences in Earth orientation induced by the quality of the atmospheric refraction and geophysical loading models - or their very application for the latter - are not statistically significant in the framework of the modern VLBI system. Nevertheless, to fulfill the 1 mm requirement, proper treatment of geophysical loading and atmospheric refraction is a necessity.
Diese Arbeit trägt zu den Bestrebungen der Geodäsie bei, im globalen Maßstab eine Genauigkeit von 1 mm zu erreichen. Diese Anforderung ist für die Realisierung eines globalen Referenzsystems, das für eine zuverlässige Bestimmung von Phänomenen wie dem Meeresspiegelanstieg verwendet werden kann, zwingend erforderlich. Diese Arbeit beschäftigt sich mit zwei miteinander zusammenhängenden Herausforderungen: die Modellierung geophysikalischer Auflastdeformationen der Erdoberfläche, sowie die Quantifizierung der atmosphärischen Laufzeitverzögerungen von Signalen, die von den geodätischen Weltraumverfahren VLBI, SLR, GNSS und DORIS verwendet werden. Eine unzureichende Modellierung, sowohl der geophysikalische Auflastdeformationen als auch der atmosphärischen Laufzeitverzögerungen, wirkt sich negativ auf die Analyseergebnisse der geodätischen Weltraumverfahren aus, wodurch sich Unsicherheiten im impliziten Referenzrahmen ergeben und die physikalische Interpretation anderer Parameter beeinträchtigt wird. Der explizite Zweck dieser Arbeit ist es zu verstehen, wie sich diese Effekte innerhalb der geodätischen Auswertung auf die geschätzten Parameter verteilen, und welche Modelle entwickelt werden können, die den Einfluss dieser Effekte auf die geschätzten geodätischen Parameter reduzieren. Um dieses Ziel zu erreichen, wurde diese Arbeit in zwei Bereiche, die verstanden und verbessert werden sollen, gegliedert: die Theorie für die Behandlung von Auswirkungen geophysikalischer Auflastdeformationen und atmosphärischer Signalausbreitung, sowie die Datenanalyse für die geodätischen Weltraumverfahren, wobei der Fokus weitestgehend auf VLBI liegt. Im Wesentlichen umfassen die hier durchgeführten Arbeiten: (i) die Entwicklung von Software für realistische Monte-Carlo-Simulationen von VLBI-, SLR-, GNSS- und DORIS-Beobachtungen, (ii) die Homogenisierung der an VLBI- und SLR-Stationen aufgezeichneten meteorologischen Daten, (iii) die Entwicklung von Korrekturen auf der Grundlage von Signalstrahlverfolgung (engl. ray-traced delays), Abbildungsfunktionen (engl. mapping functions) und Gradienten höherer Ordnung für alle vier geodätischen Weltraumtechniken, (iv) die umfangreiche Untersuchung von atmosphärischen Verbindungsvektoren (engl. atmospheric ties) zwischen verschiedenen Signalfrequenzen und Beobachtungsverfahren, (v) die Entwicklung von Modellen zur Beschreibung der Auflastdeformationen durch Massenumverteilung in der Atmosphäre, des Ozeans, und der kontinentalen Hydrologie, (vi) die Entwicklung empirischer Modelle für Signallaufzeitverzögerungen (GFZ-PT) und für gezeitenunabhängige Auflastdeformationen (EGLM) sowie (vii) die Untersuchung, wie sich die Modelle der atmosphärischen Refraktion und der gezeitenunabhängigen Auflastdeformation auf die Stationskoordinaten, den terrestrischen Referenzrahmen, die Erdorientierung und den Trend des integrierten Wasserdampfgehaltes innerhalb der geodätische Datenanalyse auswirken. Hier wurden zum ersten Mal eine Reihe von Entwicklungen durchgeführt, beispielsweise die Simulation von Beobachtungen geodätischer Weltraumverfahren auf der Grundlage von Laufzeitverzögerungen mittels Strahlverfolgung, die Untersuchung von systematischen Unsicherheiten im Referenzrahmen, die durch inkorrekte Berücksichtigung der Satellitenbahnhöhe bei der Korrekturberechnung der atmosphärischen Laufzeitverzögerung verursacht wurden, und die Beurteilung der Wahrscheinlichkeit erfolgreicher Laserentfernungen basierend auf dem integrierten Wolkenanteil entlang des Strahlenwegs. Es wurde festgestellt, dass atmosphärische Gradienten für Mikrowellen- und optische Frequenzen räumlich und zeitlich stark voneinander abweichen und nicht durch Skalierung in Übereinstimmung gebracht werden können. Falls gezeitenunabhängige Auflastdeformationen und atmosphärische Asymmetrien nicht berücksichtigt werden, kommt es zu einer Abweichung im Maßstab des SLR-Referenzrahmens sowie zu einer verfälschten Geozentrumsbewegung vor allem entlang der Z-Achse. Die Verwendung eines auf VLBI zugeschnittenen atmosphärischen Refraktionsmodells zur Modellierung von DORIS-Beobachtungen führt zu Stationsverschiebungen in der radialen Komponente und somit zu einer Maßstabsabweichung des Referenzrahmens. Werden anstelle von meteorologischen Rohdaten, homogene Daten in der VLBI-Datenanalyse verwendet, reduziert sich die Streuung der Stationskoordinaten und die Wiederholbarkeit der Basislinienlängen verbessert sich. Die Verwendung der im Rahmen dieser Arbeit entwickelten Abbildungsfunktionen anstelle von VMF1 führt zu einer allgemeinen Verbesserung in der VLBI-Datenanalyse. Die Anwendung der hier entwickelten geophysikalischen Auflastmodelle verringert Signale in den Zeitreihen der Stationskoordinaten und Basislinienlängen für saisonale und synoptische Zeitskalen. Basierend auf den hier durchgeführten Untersuchungen sind Unterschiede in der Erdorientierung, die durch die Qualität der atmosphärischen Refraktions- und geophysikalischen Auflastmodelle - oder gerade deren Anwendung auf diese - induziert werden, im Rahmen des modernen VLBI-Systems statistisch nicht signifikant. Um jedoch die Anforderung von 1 mm zu erfüllen, ist eine geeignete Berücksichtigung geophysikalischer Auflastdeformationen und atmosphärischer Refraktion notwendig.