VLBI Correlation for Navigation on Earth and in Space

VLBI Korrelation für die Navigation auf der Erde und im All

von Irene Reichl (VSC Research Center)

Navigationssysteme sind so gut wie ihr Referenzsystem. Satelliten kreisen unbeirrt auf ihren Bahnen, während die Erde einmal schneller, einmal langsamer unter ihnen durchwobbelt. Wetter, Winde, Jetstreams oder Veränderungen im Erdkern unterwerfen sie ständigen Rotationsschwankungen. Wenn sich die Erde um eine Millisekunde schneller dreht als angenommen, führt das am Äquator schon zu 50cm Positionsabweichung und am Mars mindestens zu 5km Abweichung. Leicht vorzustellen, dass ESA und NASA starkes Interesse an dem genauest möglichen terrestrischen Referenzrahmen haben.

Doch wie genau kann ein solcher Referenzrahmen bestimmt werden? Wie bereits in der Altsteinzeit oder, besser dokumentiert, in der Antike wird auch heute die Antwort in den Sternen gefunden.

Quasare — die Fixpunkte im All als terrestrische Referenz

Quasare (quasi-stellar radio source) sind die aktiven Teile von Galaxien am Rande des Universums, die punktartig frequenz-breitbandige Radiowellen emittieren. Aufgrund der großen Entfernung zur Erde erscheint deren Position als fix. Nähere Himmelsobjekte, wie optisch sichtbare Sterne, haben dagegen eine nicht vernachlässigbare Eigenbewegung. Außerdem durchdringen Radiowellen die Erdatmosphäre immer, wohingegen sichtbares Licht schon allein durch Schlechtwetter abgehalten wird.

Vom Rauschen des Quasars zum terrestrischen Referenzrahmen

Auf der Erde sind etwa 50 Teleskope stationiert, die die Radiowellen der Quasare für geodätische Zwecke einfangen. Gleich weit von einem Quasar entfernte Orte empfangen zeitgleich dasselbe Quasarrauschen. Wenn daher die Messdatenreihen von zwei unterschiedlichen Stationen so lange verschoben werden, bis die Quasarsignale übereinander liegen, ist der Laufzeitunterschied und damit auch die Distanz von den zwei Stationen in eben dieser Raumrichtung bestimmt.

Genauso, wie sich eine Gerade umso genauer zeichnen lässt, je weiter die Stützpunkte voneinander entfernt sind, gilt es auch für die Messgenauigkeit von Verbindungslinien zwischen Stationen (Baselines) auf der Erde. In den Anfängen, als die Stationen noch physisch durch Kabel miteinander verbunden waren, war für die maximale Entfernung derselben eine enge Grenze gesetzt. Mit der Verwendung von Atomuhren fällt diese Einschränkung, die Entfernungen werden größer, daher der Name Very Long Baseline Interferometry (VLBI). International sind alle Zentren sehr gut vernetzt, wobei die NASA das Koordinationszentrum des International VLBI Service for Geodesy and Astrometry betreibt.

Beobachtung genau geplant mit VieSched++

Um die dreidimensionalen Koordinaten und Geschwindigkeitsvektoren des terrestrischen Referenzrahmens zu berechnen, werden mehrere hundert Quasare in verschiedenen Raumrichtungen beobachtet. Innerhalb einer Erdumdrehung sind die Messstationen, die ja rund um die Erde verteilt sind, immer wieder anderen Quasaren zugewandt. Welche Stationen innerhalb einer 24h Messkampagne gleichzeitig dieselben Quasare beobachten, wird sorgfältig geplant, wofür am Department für Geodäsie und Geoinformation eigens die für die Community offene Scheduling-Software VieSched++ entwickelt wurde.

Die Radiowellen eines etwa eine Milliarde Lichtjahre entfernten Quasars erreichen die Erde als eine ebene Wellfront. Sind Objekte unterschiedlich weit vom Quasar entfernt, werden sie von der Wellenfront mit einem relativen Laufzeitunterschied τ erreicht. Letzterer wird im Korrelator berechnet, indem die beiden Signale so lange gegeneinander verschoben werden, bis das Korrelationsmaximum gefunden ist. © Johannes Böhm

Sechs Korrelatoren weltweit, darunter das Vienna Center for VLBI

Wöchentlich gibt es ungefähr zwei bis drei 24-stündige Messkampagnen mit Datenmengen im Bereich von 200-300 TB. Das Übertragen der Daten und Korrelieren derselben erfordert enorme Hardware- und Internet Ressourcen, sodass weltweit nur wenige Zentren, sogenannte Korrelatoren, die technischen Möglichkeiten dafür besitzen, dazu zählen das MIT Haystack Observatory, der Washington Correlator, das Bonn Correlator Center, der Tsukuba VLBI Correlator, der Shanghai VLBI Correlator und das Vienna Center for VLBI.

Enge Zusammenarbeit zwischen VSC und Vienna Center for VLBI

Die Daten kommen über das Internet zum Vienna Center for VLBI. “Um eine hohe Übertragungsbandbreite zu erzielen,” erläutert Jakob Gruber, “läuft auf den VSC-Login Knoten ein paralleler Serverprozess, der auf die Daten von den Radioteleskopstationen wartet.” Im Moment werden damit 10 GBit/s erreicht. “Um einen 24h Versuch mit etwa acht Stationen zu übertragen, dauert es ein bis zwei Wochen,” erklärt Johannes Böhm. “Wenn ich einen Wunsch frei hätte, wäre das eine Internetübertragungsrate von 100 GBit/s, um die Messkampagnen in Echtzeit zu übertragen.” Wie essentiell die Internetbandbreite ist, zeigt sich daran, dass aktuell genau diese zwischen Stationen in Schweden, Deutschland, Spanien und Österreich getestet wird.

Ein Petabyte großes superschnelles Storage für die Daten

Die empfangenen Daten werden in einem, eigens für diesen Zweck angeschafften, ein Petabyte großen superschnellen parallelen Filesystem gespeichert. Nach drei bis vier Messkampagnen wäre der Speicher voll, doch nach der Korrelation können die mehrere 100 Terabyte großen Messdaten gelöscht werden. Nur die viel kleineren einige Megabyte großen Ergebnisdateien werden gespeichert und im Sinne der open data policy zur Verfügung gestellt.

Internationale Vernetzung hilft über Pannen hinweg

Im Regelbetrieb reicht der Storage daher aus. Doch es kann unterbrochene Internetverbindungen geben, wie vor kurzem passiert, als ein atlantisches Seekabel defekt war. Die Daten des Radioteleskops in Hawaii wurden dann physisch dem MIT Haystack Observatory zugeführt und von dort aus an die anderen Korrelatoren per Internet übertragen. In so einem Fall müssen die Daten derselben Messkampagne so lange von den einzelnen Korrelatoren weiter gespeichert werden, bis alle Daten vorliegen und die Auswertung abgeschlossen ist.

Korrelation der großen Datenmengen auf den HPC Systemen des VSC

Sobald die Daten verfügbar sind, werden sie mittels eines Community-Codes korreliert. “Der VSC unterstützt uns dabei, den Community-Code optimal für die vorliegende Hardware zu kompilieren und optimierte Job Skripte für den VSC zu erstellen,” ergänzt Jakob Gruber. “Was man aus den Berechnungen erhält, sind, für jeden beobachteten Quasar, die Laufzeitunterschiede zu den einzelnen Radioteleskopen.” Diese datenmäßig sehr kleinen Ergebnisdateien können in der Folge von anderen Programmen, wie der Vienna VLBI and Satellite Software (VieVS), am eigenen Laptop weiter verarbeitet werden.

Johannes Böhm: “Wir sind in der glücklichen Lage, vom VSC unterstützt zu werden und auf das Know How zurück greifen zu können.” © EuroCC Austria

VieVS bestimmt geodätische Parameter für Plattentektonik und Meeresspiegel

VieVS, ebenso von der Forschungsgruppe entwickelt, berechnet beispielsweise die Bewegung der Erdrotationsachse, die Tageslänge, sowie einen Referenzrahmen für die Erde und das All (mehr dazu). Der terrestrische Referenzrahmen mit Stationsgenauigkeiten von 0,3 mm pro Jahr und besser ist Voraussetzung für die Beobachtung der Plattentektonik sowie des Meeresspiegelanstiegs, der derzeit bei etwa drei Millimeter pro Jahr liegt.

Geophysikalische Phänomene widerspiegeln sich in Variationen der Erdrotationsparameter

Atmosphärische Umschichtungen verändern das Trägheitsmoment der Erde und beeinflussen so die Rotationsgeschwindigkeit, vergleichbar mit einer Wasserspringerin, die sich bei einem Hocksalto schneller dreht als bei einem Strecksalto. Wetter und vor allem Variationen in den Jetstreams schlagen sich so in Schwankungen der Tageslänge nieder. Bemerkenswert ist, dass sich die Erde nun wieder schneller dreht, obwohl sie langfristig durch den Mond abgebremst wird. “Diese Entwicklung dauert schon länger an, als durch die Fluktuation durch das Wetter zu erklären wäre, weswegen über Vorgänge im Erdkern als Ursache spekuliert wird,” formuliert Johannes Böhm vorsichtig, “denn Aussagen über Ursachen im Erdkern zu treffen, traut sich fast niemand.” Sigrid Böhm, auch vom Department für Geodäsie und Geoinformation, forscht, wie Klimaveränderungen in den nächsten Jahrzehnten und Jahrhunderten die Erdrotation beeinflussen werden. VLBI Beobachtungen in den letzten vier Jahrzehnten bilden dafür einen sehr wertvollen Datensatz für die Validierung der Modelle.

Referenzen

Vienna Center for VLBI:
https://www.vlbi.at

International VLBI Service for Geodesy and Astrometry:
https://vlbi.org

Vienna VLBI and Satellite Software:
https://vievswiki.geo.tuwien.ac.at

Die Erde dreht sich schneller (TU Wien News):
https://www.tuwien.at/tu-wien/aktuelles/news/news/die-erde-dreht-sich-schneller

Zeit lässt sich als die strikt verstrichene Zeitdauer messen, wofür die genauesten Uhren, die sogenannten Atomuhren, zum Einsatz kommen. Dies nennen wir Atomzeit. Zeit lässt sich auch auf die Erdrotation beziehen, die sogenannte Weltzeit.

Weltzeit (UT1) und Atomzeit (TAI) sind nicht synchron, denn die Erde benötigt nicht immer dieselbe Zeit für eine ganze Drehung um die eigene Achse bzw. um die Sonne. Die Abbildung zeigt die Abweichung der beiden Zeiten zu Jahresbeginn innerhalb der letzten beiden Jahrzehnte, ein Ergebnis der hauseigenen VLBI Analyse. „Die Grafik veranschaulicht auch den aktuell sich fortsetzenden Trend - die Erde hat sich in letzter Zeit häufig schneller gedreht, als der Dauer eines nominellen Tages entspricht,“ beschreibt Sigrid Böhm. © Sigrid Böhm