Determination of sub-daily earth rotation parameters from VLBI observations

The work presented deals with the determination of sub-daily Earth Rotation Parameters (ERPs) from Very Long Baseline Interferometry (VLBI) observations. Monitoring and interpreting the Earth's rotation variations in general is an important task for Earth sciences, as they provide boundary which support other geophysical investigations. This holds especially for sub-daily variations of the Earth's rotation which are primarily excited by variations of the oceans. Furthermore, atmospheric impacts as well as effects of the shape of the Earth are present. VLBI observations are in particular feasible. With VLBI all five parameters of the Earth's orientation can be determined without hypothesis. Thus, VLBI derived results do not suffer from resonance effects from the modeling of artificial Earth satellites, which is the fact for ERPs derived, e.g., from observations of Global Navigation Satellite Systems (GNSS). Although the analysis of sub-daily variations of the Earth's rotation is by no means a new scientific area of research, there is a clear need to expand the methods used. This is also obvious as further studies by other authors were performed in parallel to the results presented in this thesis. Thus, the determination and analysis of sub-daily ERPs can be considered as a vital field of research. The determination of sub-daily ERPs from VLBI observations can be divided into two areas. On the one hand, time series with a high temporal resolution, e.g., one hour, can be generated. On the other hand, an empirical model for the tidal variations of the ERPs with periods of one day and below can be determined from the VLBI observations. Both areas of research are considered within this thesis. Concerning the time series approach, special continuous VLBI campaigns are examined as they offer ideal conditions for this approach. For the analysis of these campaigns, an optimized solution scheme is implemented. This adapts the continuous character in an optimal way and avoids negative influences of the VLBI-analysis on the subsequent examination of the sub-daily ERPs. In this way, irregular variations are confirmed and further ones are detected. However, it is pointed out that these variations can be confirmed only with continuous campaigns over longer time spans. Furthermore, a temporal resolution below one hour of the sub-daily ERPs would be desirable to detect additional short periodic variations. This is not possible with the current status of VLBI observations, but, improvement is promised by future technical concepts of VLBI. The analysis methods that are applied within this thesis, will be directly applicable to future VLBI observations. With regard to the determination of an empirical model for tidal ERP variations, a new methodology based on the transformation of normal equation systems is developed. It is shown that this approach can be successfully applied to VLBI observations. Moreover, this approach provides a straight forward method for the combination of different space-geodetic techniques, being the most rigorous one known today, when different software packages are used to pre-process the individual techniques. Within the thesis at hand, the approach of the transformation of normal equation systems is used to estimate an empirical model for tidal ERP variations from observations of the Global Positioning Systems (GPS) as well. On this basis, the work of this thesis cumulates in a rigorous combination of GPS and VLBI observations. The combined time series with an hourly resolution as well as the determined empirical model for tidal ERP variations exhibit that the strengths of both techniques are sustained.Bestimmung von subtäglichen Erdrotationsparametern aus VLBI Beobachtungen Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Bestimmung subtäglicher Erdrotationsparameter (ERP) aus Beobachtungen der Radio-Interferometrie auf langen Basislinien (engl.: Very Long Baseline Interferometry, VLBI). Die Beobachtung und Interpretation der Erdrotation im Allgemeinen stellt einen wichtigen Schwerpunkt der Erdwisschenschaften dar, da sie Randbedingungen für andere geowissenschaftliche Untersuchungen setzt. Dies gilt im Speziellen auch für subtägliche Variationen der Erdrotation. Diese sind vor allem bedingt durch Variationen des Ozeans, darüber hinaus lassen sich Effekte der Atmosphäre, wie auch der Gestalt der Erde feststellen. Die Beobachtungstechnik VLBI eignet sich im Besonderen für Untersuchungen der Erdrotation, da einzig mit dieser Technik alle fünf Parameter der Erdorientierung hypothesenfrei bestimmt werden können. Somit sind im Gegensatz zu Ergebnissen, die z.B. aus den Beobachtungen globaler Satellitennavigationssysteme (engl. Global Navigation Satellite System, GNSS) gewonnen werden, keine Resonanzeffekte aus der Modellierung künstlicher Erdsatelliten zu erwarten. Obwohl die Untersuchung subtäglicher Erdrotationsvariationen keineswegs ein neuartiges wissenschaftliches Forschungsgebiet darstellt, besteht doch ein eindeutiger Bedarf bezüglich der Erweiterung der auf diesem Gebiet verwendeten Methoden. Dies wird auch daran deutlich, dass parallel zu den in dieser Arbeit dargestellten Ergebnissen weitere Untersuchungen anderer Autoren erfolgten und es sich somit um ein vitales Forschungsgebiet handelt. Die Bestimmung subtäglicher ERP aus VLBI-Beobachtungen lässt sich in zwei Teilgebiete aufgliedern. Zum Einen können Zeitreihen mit hoher zeitlicher Auflösung von beispielsweise einer Stunde generiert werden. Zum Anderen kann ein empirisches Modell für die gezeitenbedingten Variationen der ERP mit Perioden von einem Tag und weniger aus den VLBI-Beobachtungen geschätzt werden. Beide Forschungszweige sind Bestandteil dieser Arbeit. Bezüglich des Zeitreihenansatzes werden spezielle kontinuierliche VLBI-Kampagnen untersucht, da sie die idealen Voraussetzungen für diesen Ansatz bieten. Zur Analyse dieser Kampagnen wird ein Lösungsschema entwickelt, welches optimal auf den kontinuierlichen Charakter angepasst ist. Dadurch werden negative Einflüsse der VLBI-Auswertung auf eine anschließende Untersuchung der subtäglichen ERP-Zeitreihen minimiert. Es wird gezeigt, dass sich bereits entdeckte irreguläre Variationen bestätigen und weitere detektieren lassen. Allerdings wird ebenso deutlich, dass diese Variationen nur mit kontinuierlichen Kampagnen über längere Zeiträume bestätigt werden können. Darüber hinaus wäre eine zeitliche Auflösung der ERP-Zeitreihen von deutlich unter einer Stunde wünschenswert, um weitere kurzperiodische Signale zu detektieren. Dies ist mit dem aktuellen Stand der geodätischen VLBI allerdings nicht möglich, zukünftige Entwicklungen versprechen jedoch deutliche Verbesserungen in dieser Hinsicht. Die in der vorliegenden Arbeit angewendeten Analysemethoden werden direkt auf die Analyse zukünftiger VLBI-Beobachtungen anwendbar sein. Im Hinblick auf die Bestimmung eines empirischen Modells für ERP-Variationen wird im Rahmen dieser Arbeit eine neue Methodik entwickelt, die auf der Transformation von Normalgleichungssystemen basiert. Es wird nachgewiesen, dass sich dieser Ansatz erfolgreich auf VLBI-Beobachtungen anwenden lässt. Außerdem gewährleistet der Ansatz eine einfach zu realisierende Kombination verschiedener weltraumgeodätischer Verfahren, die zudem den strengsten zur Zeit realisierbaren Ansatz darstellt, so lange verschiedene Softwarepakete zur Vorprozessierung der einzelnen Techniken verwendet werden. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wird die Transformation von Normalgleichungssystemen ebenfalls zur Bestimmung eines empirischen Modells für ERP-Variationen aus Beobachtungen des Global Positioning Systems (GPS) angewendet. Auf dieser Basis erfolgt abschließend eine rigorose Kombination von GPS- und VLBI-Beobachtungen. Sowohl die kombinierten ERP-Zeitreihen mit stündlicher Auflösung als auch das gewonnene kombinierte empirische Modell für ERP-Variationen zeigen, dass die Kombination die Stärken beider Techniken nutzt

Determination of Sub-daily Earth Rotation Parameters from VLBI Observations

The work presented deals with the determination of sub-daily Earth Rotation Parameters (ERPs) from Very Long Baseline Interferometry (VLBI) observations. Monitoring and interpreting the Earth's rotation variations in general is an important task for Earth sciences, as they provide boundary which support other geophysical investigations. This holds especially for sub-daily variations of the Earth's rotation which are primarily excited by variations of the oceans. Furthermore, atmospheric impacts as well as effects of the shape of the Earth are present. VLBI observations are in particular feasible. With VLBI all five parameters of the Earth's orientation can be determined without hypothesis. Thus, VLBI derived results do not suffer from resonance effects from the modeling of artificial Earth satellites, which is the fact for ERPs derived, e.g., from observations of Global Navigation Satellite Systems (GNSS). Although the analysis of sub-daily variations of the Earth's rotation is by no means a new scientific area of research, there is a clear need to expand the methods used. This is also obvious as further studies by other authors were performed in parallel to the results presented in this thesis. Thus, the determination and analysis of sub-daily ERPs can be considered as a vital field of research. The determination of sub-daily ERPs from VLBI observations can be divided into two areas. On the one hand, time series with a high temporal resolution, e.g., one hour, can be generated. On the other hand, an empirical model for the tidal variations of the ERPs with periods of one day and below can be determined from the VLBI observations. Both areas of research are considered within this thesis. Concerning the time series approach, special continuous VLBI campaigns are examined as they offer ideal conditions for this approach. For the analysis of these campaigns, an optimized solution scheme is implemented. This adapts the continuous character in an optimal way and avoids negative influences of the VLBI-analysis on the subsequent examination of the sub-daily ERPs. In this way, irregular variations are confirmed and further ones are detected. However, it is pointed out that these variations can be confirmed only with continuous campaigns over longer time spans. Furthermore, a temporal resolution below one hour of the sub-daily ERPs would be desirable to detect additional short periodic variations. This is not possible with the current status of VLBI observations, but, improvement is promised by future technical concepts of VLBI. The analysis methods that are applied within this thesis, will be directly applicable to future VLBI observations. With regard to the determination of an empirical model for tidal ERP variations, a new methodology based on the transformation of normal equation systems is developed. It is shown that this approach can be successfully applied to VLBI observations. Moreover, this approach provides a straight forward method for the combination of different space-geodetic techniques, being the most rigorous one known today, when different software packages are used to pre-process the individual techniques. Within the thesis at hand, the approach of the transformation of normal equation systems is used to estimate an empirical model for tidal ERP variations from observations of the Global Positioning Systems (GPS) as well. On this basis, the work of this thesis cumulates in a rigorous combination of GPS and VLBI observations. The combined time series with an hourly resolution as well as the determined empirical model for tidal ERP variations exhibit that the strengths of both techniques are sustained.Bestimmung von subtäglichen Erdrotationsparametern aus VLBI Beobachtungen Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Bestimmung subtäglicher Erdrotationsparameter (ERP) aus Beobachtungen der Radio-Interferometrie auf langen Basislinien (engl.: Very Long Baseline Interferometry, VLBI). Die Beobachtung und Interpretation der Erdrotation im Allgemeinen stellt einen wichtigen Schwerpunkt der Erdwisschenschaften dar, da sie Randbedingungen für andere geowissenschaftliche Untersuchungen setzt. Dies gilt im Speziellen auch für subtägliche Variationen der Erdrotation. Diese sind vor allem bedingt durch Variationen des Ozeans, darüber hinaus lassen sich Effekte der Atmosphäre, wie auch der Gestalt der Erde feststellen. Die Beobachtungstechnik VLBI eignet sich im Besonderen für Untersuchungen der Erdrotation, da einzig mit dieser Technik alle fünf Parameter der Erdorientierung hypothesenfrei bestimmt werden können. Somit sind im Gegensatz zu Ergebnissen, die z.B. aus den Beobachtungen globaler Satellitennavigationssysteme (engl. Global Navigation Satellite System, GNSS) gewonnen werden, keine Resonanzeffekte aus der Modellierung künstlicher Erdsatelliten zu erwarten. Obwohl die Untersuchung subtäglicher Erdrotationsvariationen keineswegs ein neuartiges wissenschaftliches Forschungsgebiet darstellt, besteht doch ein eindeutiger Bedarf bezüglich der Erweiterung der auf diesem Gebiet verwendeten Methoden. Dies wird auch daran deutlich, dass parallel zu den in dieser Arbeit dargestellten Ergebnissen weitere Untersuchungen anderer Autoren erfolgten und es sich somit um ein vitales Forschungsgebiet handelt. Die Bestimmung subtäglicher ERP aus VLBI-Beobachtungen lässt sich in zwei Teilgebiete aufgliedern. Zum Einen können Zeitreihen mit hoher zeitlicher Auflösung von beispielsweise einer Stunde generiert werden. Zum Anderen kann ein empirisches Modell für die gezeitenbedingten Variationen der ERP mit Perioden von einem Tag und weniger aus den VLBI-Beobachtungen geschätzt werden. Beide Forschungszweige sind Bestandteil dieser Arbeit. Bezüglich des Zeitreihenansatzes werden spezielle kontinuierliche VLBI-Kampagnen untersucht, da sie die idealen Voraussetzungen für diesen Ansatz bieten. Zur Analyse dieser Kampagnen wird ein Lösungsschema entwickelt, welches optimal auf den kontinuierlichen Charakter angepasst ist. Dadurch werden negative Einflüsse der VLBI-Auswertung auf eine anschließende Untersuchung der subtäglichen ERP-Zeitreihen minimiert. Es wird gezeigt, dass sich bereits entdeckte irreguläre Variationen bestätigen und weitere detektieren lassen. Allerdings wird ebenso deutlich, dass diese Variationen nur mit kontinuierlichen Kampagnen über längere Zeiträume bestätigt werden können. Darüber hinaus wäre eine zeitliche Auflösung der ERP-Zeitreihen von deutlich unter einer Stunde wünschenswert, um weitere kurzperiodische Signale zu detektieren. Dies ist mit dem aktuellen Stand der geodätischen VLBI allerdings nicht möglich, zukünftige Entwicklungen versprechen jedoch deutliche Verbesserungen in dieser Hinsicht. Die in der vorliegenden Arbeit angewendeten Analysemethoden werden direkt auf die Analyse zukünftiger VLBI-Beobachtungen anwendbar sein. Im Hinblick auf die Bestimmung eines empirischen Modells für ERP-Variationen wird im Rahmen dieser Arbeit eine neue Methodik entwickelt, die auf der Transformation von Normalgleichungssystemen basiert. Es wird nachgewiesen, dass sich dieser Ansatz erfolgreich auf VLBI-Beobachtungen anwenden lässt. Außerdem gewährleistet der Ansatz eine einfach zu realisierende Kombination verschiedener weltraumgeodätischer Verfahren, die zudem den strengsten zur Zeit realisierbaren Ansatz darstellt, so lange verschiedene Softwarepakete zur Vorprozessierung der einzelnen Techniken verwendet werden. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wird die Transformation von Normalgleichungssystemen ebenfalls zur Bestimmung eines empirischen Modells für ERP-Variationen aus Beobachtungen des Global Positioning Systems (GPS) angewendet. Auf dieser Basis erfolgt abschließend eine rigorose Kombination von GPS- und VLBI-Beobachtungen. Sowohl die kombinierten ERP-Zeitreihen mit stündlicher Auflösung als auch das gewonnene kombinierte empirische Modell für ERP-Variationen zeigen, dass die Kombination die Stärken beider Techniken nutzt

Correlations Between the Contributions of Individual IVS Analysis Centers

Within almost all space-geodetic techniques, contributions of different analysis centers (ACs) are combined in order to improve the robustness of the final product. So far, the contributing series are assumed to be independent as each AC processes the observations in different ways. However, the series cannot be completely independent as each analyst uses the same set of original observations and many applied models are subject to conventions used by each AC. In this paper, it is shown that neglecting correlations between the contributing series yields too optimistic formal errors and small, but insignificant, errors in the estimated parameters derived from the adjustment of the combined solution

Education Interrupted: The Growing Use of Suspensions in New York City's Public Schools

The New York Civil Liberties Union analyzed 10 years of discipline data from New York City schools, and found that:*The total number of suspensions in New York City grew at an alarming rate over the last decade: One out of every 14 students was suspended in 2008-2009; in 1999-2000 it was one in 25. In 2008-2009, this added up to more than 73,000 suspensions.*Students with disabilities are four times more likely to be suspended than students without disabilities.*Black students, who comprise 33 percent of the student body, served 53 percent of suspensions over the past 10 years. *Black students with disabilities represent more than 50 percent of suspended students with disabilities.*Black students also served longer suspensions on average and were more likely to be suspended for subjective misconduct, like profanity and insubordination.*Suspensions are becoming longer: More than 20 percent of suspensions lasted more than one week in 2008-2009, compared to 14 percent in 1999-2000. The average length of a long-term suspension is five weeks (25 school days).*Between 2001 and 2010, the number of infractions listed in the schools' Discipline Code increased by 49 percent. During that same period, the number of zero tolerance infractions, which mandate a suspension regardless of the individual facts of the incident, increased by 200 percent.*Thirty percent of suspensions occur during March and June of each school year

Biased and unbiased estimates based on laser scans of surfaces with unknown deformations

The estimates based on laser scans of surfaces with unknown deformations are biased and not reproducible when changing the scanning geometry. While the existence of a bias is only disadvantageous at some applications, non-reproducible estimates are never desired. Hence, this varying bias and its origin need to be investigated – since this situation has not been examined sufficiently in the literature. Analyzing this situation, the dependence of the estimation on the network configuration is highlighted: the network configuration – studied similarly to geodetic networks – rules about the impact of the deformation. As pointed out, this impact can be altered by manipulating the network configuration. Therefore, several strategies are proposed. These include manipulations of the least-squares adjustment as well as robust estimation. It is revealed that the reproducibility of the estimates can indeed be significantly increased by some of the proposed least-squares manipulations. However, the bias can only be significantly reduced by robust estimation

Reliability and Stability of VLBI-Derived Sub-Daily EOP Models

Recent investigations have shown significant shortcomings in the model which is proposed by the IERS to account for the variations in the Earth s rotation with periods around one day and less. To overcome this, an empirical model can be estimated more or less directly from the observations of space geodetic techniques. The aim of this paper is to evaluate the quality and reliability of such a model based on VLBI observations. Therefore, the impact of the estimation method and the analysis options as well as the temporal stability are investigated. It turned out that, in order to provide a realistic accuracy measure of the model coefficients, the formal errors should be inflated by a factor of three. This coincides with the noise floor and the repeatability of the model coefficients and it captures almost all of the differences that are caused by different estimation techniques. The impact of analysis options is small but significant when changing troposphere parameterization or including harmonic station position variations

The BKG/IGGB VLBI Analysis Center

In 2012, the activities of the BKG/IGGB VLBI Analysis Center, as in previous years, consisted of routine computations of Earth orientation parameter (EOP) time series and of a number of research topics in geodetic VLBI. The VLBI group at BKG continued its regular submissions of time series of tropospheric parameters and the generation of daily SINEX (Solution INdependent EXchange format) files. Quarterly updated solutions have been computed to produce terrestrial reference frame (TRF) and celestial reference frame (CRF) realizations. Routine computations of the UT1-UTC Intensive observations include all sessions of the Kokee-Wettzell and Tsukuba-Wettzell baselines and the networks Kokee-Svetloe-Wettzell and Ny-degAlesund-Tsukuba-Wettzell. The VLBI group at BKG developed a procedure to get the most probable station positions of Tsukuba after the earthquake on March 11, 2011 for the epochs of the Intensive sessions. The analysis of the Intensive sessions with station Tsukuba could be resumed in February 2012. At IGGB, the emphasis has been placed on individual research topics