Jan Kryński (red.) - Seria Monograficzna nr 10

cena: 40 zł

Nowe obowiązujące niebieskie i ziemskie systemy i układy odniesienia oraz ich wzajemne relacje

Jan Kryński, Jerzy B. Rogowski
Systemy i układy odniesienia w geodezji, geodynamice i astronomii

Do wypełnienia podstawowych zadań geodezji niezbędny jest odpowiednio zdefiniowany ziemski system odniesienia oraz jego realizacja dostosowana do precyzji geodezyjnych technik pomiarowych. System ziemski w naturalny sposób odniesiony jest do kierunku osi obrotu Ziemi. Do wyznaczenia dokładnego położenia osi obrotu Ziemi wymagane są obserwacje obiektów pozaziemskich. Położenie obiektów pozaziemskich określane jest w niebieskim systemie odniesienia. Konieczne zatem jest korzystanie w geodezji z niebieskich systemów odniesienia. Niezbędne jest w tym celu określenie relacji pomiędzy niebieskim i ziemskim systemem odniesienia. W szczególności niezbędne jest stałe monitorowanie parametrów ruchu obrotowego Ziemi. Współcześnie oba systemy odniesienia – niebieski i ziemski – stosowane są przy wykorzystaniu globalnych satelitarnych i kosmicznych technik pomiarowych oraz monitorowaniu zmian geometrycznej i fizycznej struktury Ziemi.
W pracy podano definicje systemu odniesienia, układu odniesienia i układu współrzędnych wraz z przykładami oraz definicją kinematycznego systemu odniesienia. W przekroju historycznym przedstawiono powstawanie i doskonalenie ziemskich systemów i układów odniesienia. Podobnie przedstawiono rys historyczny rozwoju niebieskich systemów odniesienia, począwszy od systemu Katalogu Fundamentalnego FK3. Nakreślone zostały ogólne zasady przejścia pomiędzy niebieskim systemem odniesienia i ziemskim systemem odniesienia przy wykorzystaniu modelu precesji i nutacji, czasu gwiazdowego oraz parametrów ruchu bieguna. Szczególną uwagę zwrócono na problemy związane z wyznaczaniem pozycji chwilowego bieguna. Istotną rolę w utrzymywaniu kinematycznego ziemskiego systemu odniesienia odgrywa przy opracowywaniu obserwacji uwzględnienie deformacji skorupy ziemskiej. Podano główne źródła deformacji skorupy ziemskiej wraz z oszacowaniem ich wpływu na zmianę współrzędnych stacji obserwacyjnych. W podsumowaniu omówiono najważniejsze kierunki zmian w definicjach i realizacjach ziemskich i niebieskich systemów odniesienia.

Jerzy B. Rogowski, Mariusz Figurski
Ziemskie systemy i układy odniesienia oraz ich realizacje

Ziemski system odniesienia stanowi podstawę do prowadzenia obserwacji nie tylko w geodezji, ale też w całej rodzinie nauk o Ziemi. Do roku 1988 powszechnie używanym ziemskim systemem odniesienia był umowny system odniesienia, którego podstawowa oś była określana poprzez zmienne w czasie współrzędne bieguna chwilowego, a położenie umownego południka zerowego określane było jako odpowiadające południkowi zerowemu średniego obserwatorium sieci stacji Międzynarodowej Służby Czasu. Położenie bieguna chwilowego i czas niezbędny do określania długości geograficznej wyznaczane były technikami astrometrycznymi. W pracy przedstawiono historię wyznaczeń pozycji bieguna realizowanych przez służby ILS, IPMS i BIH. Od 1988 r. współrzędne bieguna „chwilowego” wyznaczane są z bardzo wysoką dokładnością razem ze współrzędnymi obserwatoriów i ich pochodnymi względem czasu poprzez obserwacje sztucznych satelitów Ziemi i techniką VLBI. W pracy omówiono problemy związane z aktualną realizacją ziemskich układów odniesienia i rolą służby IERS w ich tworzeniu i konserwacji. Przedstawiono również parametry transformacji kolejnych wersji układu ITRF od ITRF88 do ITRF2000 i ich znaczenie praktyczne. Omówiono modele NUVEL-1, NUVEL-1A oraz NNR-NUVEL-1A. Przedstawiono układ ETRF89 oraz stosowane w Polsce układy współrzędnych i ich relacje do układu ITRF i WGS84. Podano także przykłady transformacji pomiędzy układem ETRF i ITRF2000.

Barbara Kołaczek
Niebieskie fundamentalne systemy odniesienia i ich realizacje

W artykule omówiono system i układ ICRS/ICRF, katalogi Hipparcos i Tycho, katalogi fundamentalne FK5 i FK6 oraz związki systemu ICRS/ICRF z systemami katalogów FK5 i Hipparcos. Podano definicje ICRS/ICRF i przytoczono rezolucję Międzynarodowej Unii Astronomicznej przyjmującą ICRS/ICRF. Podano dokładności pozycji i ruchów własnych radioźrodel tego katalogu oraz katalogów Hipparcos i Tycho. Wzmiankowano o metodach nawiązania Katalogu Hipparcos do systemu ICRS. Przedstawiono również krótko historię rozwoju katalogów serii „Fundamental Katalog” aż do FK5 i FK6 i podano ich dokładności.

Jan Kryński
Relacje pomiędzy systemami niebieskimi i systemem ziemskim

Przyjęte na mocy Rezolucji B1.3 XXIV Zgromadzenia Generalnego IAU w Manchesterze w 2000 roku definicje Barycentrycznego Niebieskiego Systemu Odniesienia BCRS i Geocentrycznego Niebieskiego Systemu Odniesienia GCRS, które łącznie tworzą system ICRS (Kovalevsky 2002), sformułowane zostały z uwzględnieniem współczesnego formalizmu ogólnej teorii względności. W skład definicji tych systemów wchodzą ich metryki, wyrażone za pomocą tensorów metrycznych oraz czasy współrzędnych, a także wyrażona za pomocą uogólnionej transformacji Lorentza relacja pomiędzy BCRS i GCRS, przedstawiona oddzielnie dla współrzędnych przestrzennych i współrzędnej czasowej. Systemem pośrednim pomiędzy systemami niebieskimi a ziemskim systemem odniesienia jest Pośredni System Odniesienia IRS, którego ruch względem GCRS określony jest za pomocą modelu precesyjno-nutacyjnego IAU2000. Za biegun IRS przyjęty został, określony w Rezolucji B1.7 XXIV Zgromadzenia Generalnego IAU w Manchesterze w 2000 roku, Niebieski Biegun Pośredni CIP, zaś jako punkty początkowe systemu w odniesieniu odpowiednio do GCRS oraz Międzynarodowego Ziemskiego Systemu Odniesienia ITRS przyjęto na mocy Rezolucji B1.8 XXIV Zgromadzenia Generalnego IAU w Manchesterze w 2000 roku Niebieski Efemerydalny Punkt Początkowy CEO oraz Ziemski Efemerydalny Punkt Początkowy TEO, oba umieszczone na równiku CIP. Kąt pomierzony wzdłuż równika CIP pomiędzy wektorami jednostkowymi skierowanymi do CEO i TEO, nazwany Kątem Obrotu Ziemi ERA stanowi, w miejsce stosowanego dotąd czasu gwiazdowego, parametr przejścia od niebieskiego do ziemskiego systemu odniesienia. Wprowadzona została również nowa definicja UT1, jako czasu proporcjonalnego do ERA. Obrócony o kąt ERA system IRS przeprowadzany jest w ITRS poprzez dwa obroty, których parametrami są dostarczane przez IERS współrzędne CIP w systemie ITRS.

Jan Kryński
Nowe skale czasu i idea pośredniego systemu odniesienia

Wraz z wprowadzeniem przez XXIV Zgromadzenie Generalne IAU w Manchesterze w 2000 roku nowych niebieskich systemów odniesienia oraz określeniem ich relacji z ziemskim systemem odniesienia uległy zmianie definicje niektórych systemów czasu. Dotyczą one w szczególności Czasu Ziemskiego TT oraz czasu uniwersalnego średniego UT1. W pracy przedstawiono klasyfikację skal czasu z określeniem zachodzących pomiędzy nimi relacji. Omówiono także rolę i zastosowanie poszczególnych skal czasu. W drugiej części pracy zaprezentowano koncepcję Pośredniego Systemu Odniesienia IRS z biegunem CIP na tle idei kinematycznej definicji punktu nazwanego Nieobracającym się Punktem Początkowym NRO. Omówiono rolę IRS jako systemu przejścia od GCRS do ITRS. Przedstawiono również koncepcję ziemskiej i niebieskiej reprezentacji IRS. Dla obu reprezentacji IRS podano ich orientacje przy użyciu definicji punktu początkowego, tj. Niebieskiego Efemerydalnego Punktu Początkowego CEO oraz Ziemskiego Efemerydalnego Punktu Początkowego TEO.

Aleksander Brzeziński
Nowy model precesyjno-nutacyjny

Rezolucja B1.6 XXIV Zgromadzenia Generalnego Międzynarodowej Unii Astronomicznej w Manchesterze w 2000 roku zaleca zastąpienie od początku roku 2003 modelu precesji IAU1976 oraz teorii nutacji IAU1980 nowym modelem precesyjno-nutacyjnym IAU2000. Model ten okreœla chwilowy kierunek bieguna niebieskiego w Geocentrycznym Niebieskim Systemie Odniesienia z dokładnością do 0.2 mas (milisekundy łuku). Jednocześnie zakłada się kontynuację monitorowania niezamodelowanych residuów nutacyjnych, zawierających m.in. sygnał swobodnej nutacji jądra FCN, za pomocą techniki radiointerferometrii długich baz VLBI. Nowy model precesyjno-nutacyjny wykorzystuje rozwiązanie dla modelu Ziemi sztywnej autorstwa Souchay i in. (1999) oraz współczynniki transformacji uwzględniające deformacje Ziemi, obliczone przez Mathewsa i in. (2002) - model MHB2000. Model MHB2000 poprawia teorię AU1980 poprzez uwzględnienie takich efektów jak lepkość płaszcza, pływy oceaniczne, elektromagnetyczne sprzężenie między ciekłym jądrem i płaszczem, czy też pewne nieliniowe wyrazy pomijane we wcześniejszych rozwinięciach
Zgodnie z definicją Pośredniego Bieguna Niebieskiego CIP zawartł w Rezolucji B1.7 Zgromadzenia Generalnego IAU w Manchesterze, model IAU2000 zawiera wyrazy nutacyjne o okresach dłuższych niż 2 doby. Składowe o okresach krótszych, głównie dobowe i półdobowe o łącznej wielkości rzędu 0.1 mas, określane często mianem „subdiurnal nutations”, są interpretowane jako zmiana kierunku bieguna CIP w układzie związanym z Ziemią, czyli jako ruch bieguna. Model tych składowych został opracowany i włączony do IERS Conventions 2003 jako element transformacji między układami niebieskim i ziemskim.
Niniejsze opracowanie jest próbą syntetycznego opisu modelu precesyjno-nutacyjnego IAU2000. Oprócz aspektów teoretycznych przedstawiono genezę i szczególy organizacyjne działań które doprowadziły do uzgodnienia nowego modelu, a także listę zagadnień i problemów które w opinii autora wymagają kontynuacji badań.

Barbara Kołaczek
Monitorowanie i charakterystyka zmian ruchu obrotowego Ziemi

W pierwszej części pracy przedstawiono rys historyczny rozwoju wyznaczania parametrów ruchu obrotowego Ziemi, zarówno pod względem instrumentalnym, metod obserwacyjnych, jak i doskonalenia organizacji tych wyznaczeń. W drugiej części omówiono charakterystykę zmian ruchu bieguna i czasu uniwersalnego lub długości doby w szerokim zakresie spektrum od zmian wiekowych, poprzez dekadowe, sezonowe i subsezonowe. Pokazano zmienność czasową tych oscylacji oraz korelacje tych zmian ruchu bieguna i czasu uniwersalnego lub długości doby ze zmianami momentu pędu atmosfery i oceanu.

Marcin Sękowski
Rocznik Astronomiczny IGIK wobec najnowszych rezolucji IAU

Zgromadzenie Generalne IAU w Manchesterze w 2000 r. przyjęło szereg rezolucji porządkujących, uściślających, jak również w istotny sposób zmieniających część pojęć i definicji stosowanych w astrometrii i astronomii geodezyjnej. Jednocześnie zgodnie z zaleceniem Zgromadzenia Generalngo IAU zmiany te powinny zostać wprowadzone do praktyki, w tym do wydawnictw rocznikowych, z dniem 1 stycznia 2003 r.
W pracy przedstawiono Rocznik Astronomiczny wydawany w Instytucie Geodezji i Kartografii – jego zawartość oraz zmiany dokonane w treści naj-nowszej edycji na rok 2004.

Wiesław Kosek, Maciej Kalarus, Waldemar Popiński
Porównanie wyników różnych metod prognozowania parametrów orientacji Ziemi

Prognozy parametrów orientacji Ziemi potrzebne są do wyznaczenia w czasie rzeczywistym transformacji pomiędzy niebieskim i ziemskim układem odniesienia. W pracy przedstawione zostały różne metody prognozowania współrzędnych x, y bieguna ziemskiego i czasu UT1 – UTC, takie jak metoda najmniejszych kwadratów (LS), autoregresji (AR), autoregresji i średniej ruchomej (ARMA), autokowariancji (AC), sieci neuronowych (NN), a także kombinacje metody LS z metodami AR, ARMA, AC i NN. Przedstawiona została także metoda prognozowania współrzędnych bieguna ziemskiego w układzie współrzędnych biegunowych. Najwyższą dokładność prognozy współrzędnych bieguna ziemskiego uzyskuje się poprzez zastosowanie kombinacji metody LS z metodą AR (LS+AR). Błędy prognozy współrzędnych bieguna ziemskiego są mniejsze niż dla metody prognozowania obecnie stosowanej przez IERS Rapid Service/Prediction Centre w USNO. Prognozy metodą LS+AR współrzędnych bieguna ziemskiego są raz na tydzień automatycznie wyznaczane, wysyłane do USNO i porównywane na bieżąco z prognozami tam wyznaczanymi. Metoda ta wkrótce zostanie zastosowana do rutynowych wyznaczeń prognoz współrzędnych bieguna ziemskiego w IERS Rapid Service/Prediction Centre.