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Frame tie based on VLBI observations to near-field spacecraft

Liu, Li

The objective of this work is to find approaches to realize the link of celestial reference frames, the dynamic spacecraft reference frame and the more stable and accurate International Celestial Reference Frame (ICRF), by observing the spacecraft with Very Long Baseline Interferometry (VLBI). In this work, the phase referencing observations to Global Navigation Satellite System (GNSS) satellites were scheduled and simulated, the frame tie parameters were derived. The tie parameters were estimated with two different approaches. In approach A, the angular position offsets were estimated and the rotation angles between frames were determined. In approach B, the orbital elements were estimated, transformed to the state vectors of the satellites in Geocentric Celestial Reference System (GCRS), and then the rotation angles between frames for every hour were derived. Two scenarios were designed for the two approaches. In the first scenario, all the targets were selected according to the visibility. In the second scenario, it was presumed that the VLBI telescopes could receive satellite signals from all the directions as the GNSS receivers, and the available satellites were joined in the phase referencing observations. The derived rotation angles are at level of 1 mas for the two scenarios in approach A and the first scenario in approach B. For the second scenario in approach B, the rotation angles are at the level of 0.1 mas. In the analysis of the current available real observations, about one-hour of GLONASS (GLObal NAvigation Satellite System) observations obtained by the single baseline Wettzell-Onsala85 were fringe fitted, and the amplitude was plotted in order to check the observation quality. With clock fitting the residuals were reduced to the level of 10 picosecond. The observations from geostationary Earth satellite BeiDou received by Chinese VLBI Network (CVN) were processed and the residuals per baseline were plotted.
Das Ziel dieser Arbeit ist Realisierung der Verknüpfung der Bezugszrahmen, des dynamischen Weltraumsondebezugsrahmens und des stabileren und genauereren ICRF (International Celestial Reference Frame) durch Beobachtung des Weltraumsonden mit VLBI-Teleskopen. In dieser Arbeit wurden der Phasereferenzierungsbeobachtungen zu GNSS (Global Navigation Satellite System) Satelliten geplant und simuliert, und die Rahmen-Verbindung-Parameter abgeleitet. Die Rahmen-Verbindung-Parameter waren mit zwei verschiedenen Ansätzen geschätzt. Im Ansatz A waren die Winkelpositionsabstände geschätzt und dann die Rotationswinkel zwischen Rahmen bestimmt. Im Ansatz B waren die Orbitalelemente geschätzt, in die Zustandsvektoren der Satellite in GCRS (Geocentric Celestial Reference System) transformiert, und dann die Rotationswinkel jeder Stunde zwischen Rahmen wurde abgeleitet. Zwei Szenarien waren für die beide Ansätze entworfen. Im ersten Szenario waren alle Ziele durch die Sichtbarkeit ausgewählt. In der zweiter Szenario, es waren vermutet, dass die VLBI-Teleskope die Satellitensignale aus allen Richtungen wie GPS-Empfängern empfangen könnten, und die verfügbaren Satelliten waren in den Phasenreferenzierungsbeobachtung zusammengefügt. Die abgeleiteten Rotationswinkel liegen auf eine Hoehe von 1 mas für die zwei Szenarien im Ansatz A und für das erste Szenario im Ansatz B. Die abeleiteten Rotationswinkel sind auf eine Hoehe von 0.1 mas für das zweite Szenario im Ansatz B. Bei der Analyse der aktuellen verfügbaren realen Beobachtungen waren etwa eine Stunde GLONASS (GLObal NAvigation Satellite System)-Beobachtungen, die von der einzelnen Basislinie von Wettzell-Onsala85 erhalten, mit der Fransen eingepasst (fringe-fitted), und die Amplituden waren zur Überprüfung der Qalität der Beobachtungen gebildedt. Mit der Uhranpassung die Residuen waren auf 10 Pikosekunden reduziert. Die Beobachtungen des geostationären Erdsatelliten BeiDou des Chinesischen VLBI Network (CVN) waren verarbeitet und die Residuen pro Basislinie waren gebildet.