CC BY
72
УДК 681.783.25
МЕТРОЛОГИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ФАКТОРОВ, ОГРАНИЧИВАЮЩИХ ПРЕДЕЛЬНУЮ ТОЧНОСТЬ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ПАРАМЕТРОВ ВРАЩЕНИЯ ЗЕМЛИ
Александр Алексеевич Вараксин
Сибирский государственный университет геосистем и технологий, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, аспирант кафедры метрологии и технологии оптического производства, e-mail: [email protected]
В статье рассмотрены факторы, влияющие на вращение Земли. Выполнена оценка их вклада в изменение вращения Земли. Оценена максимальная погрешность остаточной псевдослучайной функции при моделировании изменений параметров вращения Земли (ПВЗ). Приведены данные по точности прогнозирования ПВЗ по моделям, применяемым в нашей стране и Международной службе вращения Земли (МСВЗ).
Ключевые слова: параметры вращения Земли, моделирование, погрешность.
METROLOGICAL ANALYSIS OF LIMITING FACTORS LIMIT THE ACCURACY OF FORECASTING THE EARTH ROTATION PARAMETERS
Alexander A. Varaksin
Siberian State University of Geosystems and Technologies, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., a graduate student of the department of metrology and optical production technology, e-mail: [email protected]
The article examines the factors affecting the Earth's rotation. The estimation of their contribution to the change in the OBP. Estimated maximum error of the residual pseudo-random function in modeling changes OBP. The data on the prediction accuracy OBP on the model used in our country and the IERS.
Key words: parameters of the Earth's rotation, modeling, error.
Введение
Высокоточное определение и прогнозирование ПВЗ - координат полюса: , у , разностей между всемирным временем UT1 и координированным временем UTC: UT1 - (//'Сявляется сложной и актуальной задачей. Сложность заключается в том, что при разработке математических моделей вращения Земли необходимо учитывать разнообразные природные факторы, параметры которых могут быть известны только приближенно по данным косвенных измерений. Актуальность связана с тем, что в современных глобальных навигационных спутниковых системах (ГНСС) ПВЗ используются в эфемеридно-временном обеспечении (ЭВО) в формулах перехода от земной к инерциальной системе координат. Поскольку на космический аппарат закладывается прогнозные значения ПВЗ на предусмотренные интервалы автономного функционирования ГНСС, то они напрямую влияют на качество ЭВО. Таким образом, построение адекватных моделей прогнозов ПВЗ в полной мере востребовано задачами ГНСС.
По состоянию дел в мире по этой проблеме необходимо отметить, что ни один из применяемых методов прогнозирования ПВЗ не гарантирует получение безошибочного прогноза. Это можно объяснить влиянием на процесс вращения Земли, множества природных факторов различной величины и направленности. В силу этого во вращении Земли наблюдаются быстрые и длительные случайные флуктуации, которые не удается предсказать ни одним известных методов. В данной статье рассматриваются наиболее значимые природные факторы, воздействующие на скорость вращения Земли и движение ее полюсов. Для нас особый интерес представляет численная оценка влияния этих факторов на динамику вращения Земли, поскольку такая оценка, позволит уяснить максимально возможные точности прогнозирования ПВЗ.
1 Достигнутые точности определения и прогнозирования ПВЗ
В настоящее время точность оперативных значений ПВЗ, вычисляемых как в Международной службе вращения Земли (МСВЗ), так и в Государственной службе времени и частоты (ГСВЧ) возросла на два три порядка в сравнении с эпохой астрооптических наблюдений конца прошлого столетия.
Так, например, по результатам статистической обработки бюллетеней ГСВЧ России за первые 2 месяца 2015 г. СКП срочных определений ПВЗ СКП составило порядка:
- 0.14 угл. мс для координат полюса;
- 0.032 мс для поправки UT1 - UTC.
По результатам обработки данных международной службе вращения Земли (МСВЗ) за аналогичный период соответственно получено
- 0.10 угл. мс для координат полюса;
- 0.021 мс для поправки UT 1 - UTC.
Получаемые как в ГСВЧ, так и в МСВЗ точности срочных определений ПВЗ удовлетворяют современным требованиям координатно-временных и навигационных определений (КВНО) и требованиям эфемеридно-временного обеспечения (ЭВО) космических аппаратов ГЛОНАСС.
Погрешности прогнозов ПВЗ зависят как от применяемого метода, так и от специфики их изменений во времени. Однако, при любом методе существуют факторы, ограничивающие потенциальную точность прогнозов.
В настоящее время лучшие результаты при прогнозировании параметра поправки UT1 - UTC достигнуты в USNO (военно-морская обсерватория, США), JPL (лаборатория реактивного движения, NASA, США) и в сибирском НИИ метрологии.
В табл. 1 приведены значения СКП прогнозирования всемирного времени на сроки от 1-го до 90 дней, полученные в перечисленных организациях за последние четыре года.
По данным табл. 1 видно, что при прогнозе всемирного времени на интервалы 30 дней и более лучшие результаты получены в СНИИМ/СГГА.
Таблица 1
Погрешности прогнозирования UT1-UTC в миллисекундах
Интервалы прогноза ^^(в днях) 1 10 30 90
Организация
USNO 0,055 0,62 3,12 11,50
JPL 0,060 0,66 3,60 14,20
СНИИМ 0,055 0,62 2,90 9,75
Лучшие прогнозы координат полюса получены также в USNO и СНИ-ИМ/СГГА. Однако, в данном случае методика применяемая в JPL не оправдывает себя. Более лучшие результаты показывает обычный МНК с авторегрессией, применяемый в польском космическом центре академии наук - «Centrum Badan Kosmicznych Polskiej Akademii Nauk» (СВК).
В табл. 2 приведены значения СКП прогнозирования координат полюса на 1, 10, 30, 90-й дни прогноза, полученные за последние четыре года в перечисленных центрах.
Таблица 2
Погрешности прогнозирования координат полюса в угловых мс
Интервалы прогноза (в днях) Организация 1 10 30 90
хР Ур хР Ур хР Ур хр Ур
USNO 0,370 0,320 4,0 2,7 10,0 7,7 23,4 21,0
СВК 0,350 0,330 3,7 2,7 10,2 7,4 22,0 24,0
СНИИМ 0,340 0,290 3,6 2,6 9,7 7,3 21,0 16,0
2 Описание факторов и оценка их влияния на нестабильности вращения Земли
По данным различных литературных источников выделим факторы, оказывающие наибольшее влияние на изменения ПВЗ:
1) сезонное перераспределение воздушных и водных масс атмосферы и гидросферы приводит к сезонным изменением в скорости вращения Земли и вынужденным годовым колебаниям полюсов. При этом амплитуды годовой и полугодовой волны в неравномерностях вращения Земли составляют порядка 20 и 10 мс., а их вариации около 20%, что приводит к среднегодовым ошибкам прогноза на 10, 30 и 90 дней соответственно порядка: 0,1; 0,6; 3,0 мс. Оценки показывают, что мало влияет на сезонную неравномерность вращения Земли, но почти полностью обусловливает вынужденное движение полюсов;
2) периодические, происходящие вследствие изменений момента инерции Земли под влиянием лунно-солнечных приливных сил (периоды от 18,6 лет до нескольких суток), а также вследствие целого ряда других геофизических явлений. Эти виды колебаний учитываются теоретически с высокой точностью и поэтому в прогнозе всемирного времени их можно не учитывать.
3) медленные ("вековые"), одной из причин которых является приливное трение в мелкие морях, проливах и шельфах. Эти изменения скорости вращения Земли при экстраполяционных вычислениях на выделенные интервалы прогноза также можно не учитывать силу их малости.
4) нерегулярные - наиболее вероятными причинами, которых являются: механические и электромагнитные взаимодействия на границе мантия-ядро; вариации геомагнитного поля; турбулентные движения в ядре; конвективные течения вещества в мантии; процессы перекристаллизации в подкорковом слое Земли и другие изменения, вызываемые внутренними и внешними консервативными силами. Эти изменения скорости вращения Земли могут происходить быстро (в течение недель) или медленно (за десятилетия) и вызывать изменения длительности суток до нескольких миллисекунд. При прогнозировании на год по оценкам в работе [2] погрешность прогноза всемирного времени, вызванная изменением линейного параметра составит порядка 80 мс.
5) сейсмическая активность - вызывает скачкообразные изменения в скорости вращения Земли и перемещения ее полюсов. В частности, по данным [1] землетрясение у берегов Суматры 26 декабря 2004 г. в 9 баллов по оценкам специалистов NASA вызвала смещения координат полюса по xp = 6,70 угл. мс.,
по yp = 4,75 угл. мс., а изменения продолжительности суток составили: 2,67
мкс. По данным Ричарда Гросса из Лаборатории реактивного движения НАСА [3] сильнейшее землетрясение в Японии в марте 2011 г. привело к смещению Земли вокруг, которой планета сбалансирована по массе, на 17 сантиметров и к сокращению продолжительности земных суток на 1,8 микросекунды. В данном случае изменения скорости вращения Земли современными средствами определений ПВЗ обнаружить невозможно из-за их более низкой разрешающей способности. В тоже время смещение полюсов довольно значительно и может быть обнаружено из обработки наблюдений. Однако, ввиду редкости землетрясений их влияние на положение полюса можно не учитывать.
Как следует из этой таблицы, основной вклад в погрешность экстраполяции на год вносит неустойчивость линейного параметра. При сокращении интервала экстраполяции доля этой составляющей будет быстро падать, а вариации сезонных изменений шкалы всемирного времени будут сказываться сильнее.
Таблица 3
Составляющие погрешностей прогнозирования всемирного времени
на 10, 30, 90, 365 дней
Источники погрешностей Дни прогноза всемирного времени (мс)
10 30 90 365
Вариация параметров годичной волны 0,2 0,4 1,05 4,9
Вариация параметров полугодичной волны 0,1 0,3 0,68 2,6
Вариация линейного параметра 0,7 2,5 12,5 82,1
Неучет 18-летней волны 0,01 0,03 0,95 4,2
Полная погрешность 0.73 2,54 12.61 82.40
1 2 , 2 , 2 , 2 т - +т2 +т3 +т4
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Белоцерковский Д.Ю., Кауфман М.Б. «Оценка точности предвычислений разностей между всемирным и координированным временем с заблаговременностью до года». Труды ВНИИФТРИ «Исследования в области измерений времени и частоты», М., 1977.
2. Сидоренков Н. С. Нестабильности вращения Земли: Дисс. канд. физ.-мат. наук: 01.03.01 Москва, 2009 171 с.
3. Ричард Гросс «Неравномерность вращения Земли» Лаборатория реактивного движения, НАСА, 2010
© А. А. Вараксин, 2015
