Настоящее партнерство для улучшения услуг определения местоположения, навигации и хронометража в Австралии

12-метровая антенна Patriot, используемая для интерферометрических наблюдений с очень длинной базовой линией в геодезической обсерватории Яррагади. Фото: Robert Nugent Geoscience Australia Artist in Residence, 2023.

Что общего у точного земледелия, прогнозирования погоды и синхронизации финансовых операций? Они основаны на геодезии - науке об измерении земной поверхности, которая позволяет использовать все приложения для определения местоположения, навигации и определения времени (PNT), используемые в повседневной жизни.

Эта точная наука лежит в основе глобальной геопространственной экономики, стоимость которой составляет не менее 1 трлн долларов США в год и, возможно, является самым важным экономическим и технологическим достижением со времен Интернета. И оно продолжает ускоряться.

Понимание того, с какой скоростью вращается Земля и каков наклон ее оси, жизненно важно для множества приложений в нашей современной жизни, таких как около 3 миллиардов приложений для смартфонов, моделирование стихийных бедствий, навигационная помощь для слепых и работа наших электросетей.

Но как мы регистрируем скорость вращения и наклон оси постоянно колеблющейся Земли в любой конкретный момент времени? И почему это так важно для приложений PNT?

Существует множество методов, которые геодезисты используют для наблюдения за Землей, но единственный, который дает ответы на эти вопросы, - это интерферометрия с очень длинной базовой линией (VLBI).

Что такое интерферометрия с очень длинной базовой линией?

РСДБ - это фундаментальный метод геодезических наблюдений, который позволяет наблюдать и записывать измерения положения, наклона и скорости вращения Земли. Это единственный метод, который позволяет это сделать, что подчеркивает его важность для инструментария геодезических методов.

Это также единственный метод, который измеряет разницу между временем, измеряемым атомными часами на борту спутников, и средним солнечным временем, что важно для обеспечения синхронизации времени.

Используя сеть радиотелескопов со всего мира, VLBI наблюдает за временем, которое требуется сигналам, излучаемым плазмой, окружающей близлежащие сверхмассивные черные дыры, чтобы достичь различных радиотелескопов, расположенных в разных местах.

Да, сверхмассивные черные дыры.

Эта разница во времени затем используется для расчета расстояния между этими телескопами и определения того, как они перемещались с момента их последнего измерения, информируя геодезистов об измерениях Земли в этот момент времени.

Директор отдела геодезии Geoscience Australia г-н Николас Браун объяснил, что при измерениях положения, наклона и скорости вращения Земли нам необходимо использовать внешнюю систему отсчета, и что эти сверхмассивные черные дыры являются нашим лучшим индикатором, поскольку на самом деле они не движутся.

“Представьте, что вы стоите на карусели на детской площадке в вашем районе”, - сказал Ник.

“Единственный способ определить, с какой скоростью вы вращаетесь, - это увидеть, с какой скоростью пролетают деревья. Эти сверхмассивные черные дыры и есть наши деревья”.

Эти измерения, называемые параметрами ориентации Земли, используются спутниками Глобальной навигационной спутниковой системы (GNSS), чтобы помочь геодезистам понять взаимосвязь между положением Земли в космосе и спутниками GNSS, находящимися на орбите.

Понимая, насколько важны данные VLBI для повседневной жизни, Geoscience Australia,АускопиУниверситет Тасманиисовместная работа по управлению тремя отдельными станциями VLBI в геодезических обсерваториях по всей Австралии.

Эти обсерватории расположены по всей стране: Яррагади, Западная Австралия; Кэтрин, Северная территория; и Хобарт, Тасмания.

Как обрабатываются эти данные?

Совместно Geoscience Australia и Университет Тасмании управляют Австралийским центром корреляции VLBI в Национальной вычислительной инфраструктуре Австралийского национального университета.

Сотрудники центра сотрудничают с партнерами из Международной геодезической ассоциации для преобразования данных VLBI в информацию, необходимую операторам GNSS.

В настоящее время для проведения глобальных экспериментов по VSDBI Австралия должна доставить жесткие диски, на которых хранится от 10 до 100 терабайт необработанных данных VSDBI, из геодезических обсерваторий в отдаленных частях Австралии в центры обработки данных в Вашингтоне, США, или Бонне, Германия.

Этот современный метод означает, что для получения данных наблюдений VLBI в течение 24 часов требуется не менее 14 дней, прежде чем будут опубликованы результаты. Такая значительная задержка рассматривается как узкое место для корреляции VLBI и означает, что Австралия не так эффективна, как другие глобальные центры.

Это приводит к тому, что геодезисты не могут столь же эффективно отслеживать изменения на Земле, что ограничивает повышение устойчивости и точности услуг PNT.

“Информация о разнице во времени, предоставляемая VLBI, должна быть как можно скорее передана в операционные центры GNSS, чтобы помочь отслеживать и улучшать орбиты их спутников”, - сказал Ник.

“Не только это, но и все космические агентства также нуждаются в РСДБ для отслеживания орбит всех лунных и дальних космических полетов, а многочисленные военные приложения требуют этой информации для своих операций.

“Любая задержка с информацией VLBI повлияет на прогнозы орбиты спутника, что приведет к потере точности навигационных данных, которые передаются клиентам PNT, включая фермеров, финансовые учреждения и метеорологические наблюдения”.

Фермеры полагаются на информацию о местоположении, поскольку она позволяет тракторам точно ориентироваться по обозначенным колеям, максимально увеличивая площадь посева и, как следствие, повышая урожайность. Это также позволяет точно высевать семена в междурядья, а значит, такие компоненты, как вода, удобрения и гербициды, можно вносить непосредственно на посев с меньшими потерями.

Наличие улучшенных возможностей обработки данных здесь, в Австралии, имеет жизненно важное значение, поскольку потеря сервисов GNSS значительно повлияет на навигацию, отслеживание и точное время, необходимые для работы этих приложений.

Кроме того, глобальная потеря услуг ГНСС может привести к тому, что экономика Великобритании и США потеряет примерно 1 миллиард долларов США в день.

Итак, чтобы ускорить этот процесс и укрепить геодезические возможности Австралии, компания Geoscience Australia,Университет Тасмании, ААРНетиАускопмы совместно работаем над разработкой более точных РСДБ-продуктов для Австралии.

Эти продукты в конечном итоге улучшат качество услуг PNT по всей стране, что позволит повысить скорость производства, надежность и точность.

Что делается для улучшения этих услуг PNT? Что влечет за собой это сотрудничество?

В рамках этого сотрудничества компания Geoscience Australia недавно подписала соглашение с AARNet об установке новых оптоволоконных соединений и услуг в геодезических обсерваториях Кэтрин и Яррагади. Геодезическая обсерватория в Хобарте уже обеспечена услугами оптоволокна.

AARNet предоставляет интернет-услуги различным образовательным и исследовательским сообществам по всей Австралии и будет управлять высокоскоростными услугами этого оптоволоконного соединения, как только оно будет внедрено.

Это обновление избавит от необходимости отправлять необработанные данные VSDBI за границу, что значительно сократит время ожидания между наблюдением, обработкой и выпуском австралийских данных VSDBI.

Таким образом, поставщики услуг PNT и пользователи смогут получать доступ к самой последней информации о точном местоположении практически в режиме реального времени, что приведет к ускорению разработки более точных и надежных продуктов PNT.

Генеральный директор AuScope д-р Тим Роулинг считает, что услуги по оптоволокну, предоставляемые AARNet, являются ключом к созданию полнофункциональной глобальной системы наблюдений VLBI, которая улучшит результаты VLBI для Австралии и откроет доступ к улучшенным результатам PNT на уровне 1 мм.

“Мы очень рады возможностям, которые откроет для Австралии предоставление данных VLBI практически в режиме реального времени. Хотя операционные преимущества очевидны, они также окажут огромное влияние на исследовательское сообщество, которое теперь сможет быстро получить доступ к этим критически важным данным”, - сказал Тим.

Некоторые из других преимуществ этой установки включают в себя:

• Повышение точности данных VLBI на порядок. Это имеет решающее значение для достижения целей Глобальной системы геодезических наблюдений по созданию системы отсчета с точностью до 1 мм по положению и 0,1 мм/год по скорости, что является ключевым для таких приложений, как мониторинг изменения климата.
• Более быстрая и точная обратная связь с операторами станций VSDBI, позволяющая заблаговременно распознавать небольшие систематические ошибки или неисправности станции.
• Укрепление военных платформ и систем, спутниковой индустрии, авиации, судоходства, логистики, многих наук, многих областей техники (например, беспилотных транспортных средств, беспилотных летательных аппаратов, интеллектуальных сетей), точного земледелия, "умных" городов, компьютерных/сотовых экосистем, услуг, основанных на определении местоположения, значительных компонентов искусственного интеллекта, крупных аналитика данных и Интернет вещей.
• Полная (непрерывная) эксплуатация австралийской РСДБ-решетки, которая позволит улучшить сравнение между методами РСДБ и спутниковыми методами, устраняя расхождения в методах в будущем.
• Уменьшена потребность в больших объемах хранения в местах установки VLBI-тарелок.
• Развитие местных экспертных знаний по всем аспектам технологии РСДБ, начиная с составления графика, наблюдения, корреляции и анализа.

Компания Geoscience Australia продолжит сотрудничество с Университетом Тасмании по анализу данных РСДБ с помощью этих недавно усовершенствованных станций.

“Эти станции образуют одну из самых важных геодезических инфраструктур в мире, учитывая разреженность инфраструктуры РСДБ в Южном полушарии”, - сказал Ник.

“Корреляционный центр и услуги оптоволоконной связи - это последнее, чего не хватает для полноценной работы VLBI в Австралии. После запуска мы сможем разработать и провести серию наших собственных экспериментов, чтобы улучшить результаты на австралийском континенте и начать разработку и усовершенствования во всем мире”.