title: On the improvement of earth orientation parameters estimation: using modern space geodetic techniques 
Creators: name: Modiri, Sadegh
Publisher: name: GFZ German Research Centre for Geosciences
Year: 2021

description: The Earth is rotating around its rotation axis in an irregular manner. The Earth rotation axis and its orientation in space vary with respect to the reference system (both the terrestrial and the celestial) due to the wide range of processes that contribute to the rotation excitation. Therefore, the study of the Earth rotation can provide essential information concerning the Earth system. Spaceborne geodetic sensors can determine Earth orientation parameters (EOP), which fully describe Earth’s behaviour in space. The EOP are needed for several fields and applications such as fundamental astronomical and geodetic reference systems, precise satellite orbit determination, space navigation, and disaster prevention.

Over the past three decades, climate change has caused undesirable alterations in living organisms, human activities, and socio-economic aspects. Climate change is fluctuating and alters weather patterns such as precipitation patterns and sea and ocean levels. It also threatens the biodiversity of ecosystems, food security, and human health, and exacerbates natural disasters. The intensity and frequency of natural hazards are increasing with erratic distribution due to changes in the climate. Also, the level of vulnerability and zonation of risk are changed.

Analysis of natural hazards, such as atmospheric and hydrological events, can help improve crisis management. Therefore, satellite observation data and simulated data derived from different atmospheric models are needed in order to model different types of hazards and risks, which can help early warning and prediction systems. Even though continuous sensor measurements and archive data (historical data/climate) are used for weather forecasting in developed countries, deadly flooding happened close to Stuttgart in southern Germany in May 2016, which might be avoided by a precise weather warning system. Therefore, real-time space geodetic technique data estimation is necessary to use as input data in weather prediction models. For the analysis of space geodetic techniques in (near) real-time, predictions of the EOP are required. EOP are made available by the International Earth Rotation and Reference Systems Service (IERS) Rapid Service Prediction Centre at USNO, Washington D.C., with a delay of hours to days. Accordingly, in the past, several methods were developed and applied for the EOP prediction. However, the accuracy of EOP prediction is still unsatisfactory, even for prediction of just a few days in the future.

To improve the EOP prediction accuracy, this study investigates the consistency between Earth rotation’s theories and observations. Moreover, the potentials of different geophysical phenomena are examined to better understand the interaction of different processes that affect the Earth rotation excitation with the time.

Most of the Earth’s rotation theories and solutions are based on the location of the Earth’s principal axes of inertia (PAI). That location is defined by the second-degree Stokes coefficients of the geopotential, which are accurately observed by the Gravity Recovery and Climate Experiment (GRACE) and satellite laser ranging (SLR). In this study, the evolution of the Earth’s axes of inertia is analyzed for the first time. The presented results are remarkable, as the inertia axes do not move around a mean position fixed to a given terrestrial reference frame in the study period, but drift away from their initial location in a non-negligible manner.

Moreover, this study proposes a novel hybrid approach to predict EOP. There is a well-introduced stochastic method called copula-based analysis, and I combined it with singular spectrum analysis (SSA) for EOP prediction. I analyzed the potential of copula-based methods for predicting Earth rotation parameters that are derived from the combination of different satellite geodetic sensors and from other geophysical parameters like effective angular momentums. The copula is a statistical method that exploits linear and non-linear relationships between two or more variables by fitting a theoretical copula function into an empirical bivariate or multivariate distribution function. I introduced a hybrid prediction method that can be applied to other geophysical parameters is introduced in this thesis.

In this study, the interconnection between the celestial pole motion (CPM) and geomagnetic field (GMF) is investigated to improve the current CPM prediction methods. During the last decade, several investigations have been conducted in order to discuss a possible interconnection of polar motion and geomagnetic jerks, which are rapid changes in GMF secular variations. However, less attention has been paid to the impact of the GMF changes on the CPM, e.g., the interrelation of the geomagnetic jerks, geomagnetic dipole moment, geomagnetic field elements, and CPM variations. In this study, I use the CPM time series obtained from very long baseline interferometry (VLBI) observations and the latest GMF data to explore the correlation between CPM and the GMF. Our preliminary results revealed some impressive common features in the CPM and GMF variations, which show the potential to improve our understanding of the GMF’s contribution to the Earth’s rotation. All in all, the results mathematically illustrate the coherency between the GMF parameters and CPM, which helps improve EOP products.
description: Die Erde dreht sich um ihre Rotationsachse auf unregelmäßige Art und Weise. Die Erdrotationsachse und ihre Orientierung im Raum variieren in Bezug auf das Referenzsystem (sowohl im terrestrischen wie auch im zälestischen System) aufgrund des breiten Spektrums von Prozessen, die zur Rotationsanregung beitragen. Daher kann die Untersuchung der Erdrotation wesentliche Informationen über das Erdsystem liefern. Weltraumgestützte geodätische Sensoren liefern Informationen über erdgebundene Orientierungsparameter (EOP), die das Verhalten der Erde im Weltraum vollständig beschreiben. EOP werden für verschiedene Bereiche und Anwendungen, wie beispielsweise für grundlegende astronomische und geodätische Referenzsysteme, benötigt. Des Weiteren sind sie auch für die präzise Bestimmung von Satellitenorbits und die weltraumgestützten Navigation, bis hin zu Anwendungen im Katastrophenschutz von Bedeutung.

In den letzten drei Jahrzehnten zeigen sich bereits die negativen Auswirkungen des Klimawandels auf Biosphäre, menschliche Aktivitäten und sozioökonomische Aspekte. Der Klimawandel unterliegt Fluktuationen und verändert die Wettermuster, wie z.B. die Niederschlagsverteilung, sowie Meeres- und Ozeanspiegel. Er bedroht aber auch die biologische Vielfalt der Ökosysteme, die Ernährungssicherheit, die menschliche Gesundheit und verschlimmert Naturkatastrophen. Die Intensität und Häufigkeit von Naturgefahren werden zunehmen, hierbei ist ihre Verteilung aufgrund von Klimaveränderungen allerdings unregelmäßig; auch der Grad von Schadensanfälligkeiten und die Einteilung von Risikozonen werden sich zukünftig ändern.

Die Analyse von Naturgefahren, wie atmosphärische und hydrologische Ereignisse, kann zur Verbesserung des Krisenmanagements beitragen. Daher werden Satellitenbeobachtungen und simulierte Daten, die von verschiedenen atmosphärischen Modellen abgeleitet werden, für die Gefahr- und Risikomodellierung benötigt; dies kann Frühwarn- und Vorhersagesysteme unterstützen. Obwohl kontinuierliche Sensormessungen und Archivdaten (historische Daten/Klimadaten) für die Wettervorhersage in entwickelten Ländern zur Verfügung stehen, kamen es im Mai 2016 in der Nähe von Stuttgart in Süddeutschland bei einer katastrophalen Überschwemmung zu Verlusten von Menschenleben, die möglicherweise durch ein präzises Wetterwarnsystem vermeidbar gewesen wären. 

Eine Echtzeitschätzung der geodätischen Weltraumtechnik wäre notwendig, um sie als Eingangsdaten in Wettervorhersagemodellen zu verwenden. Für die Analyse von raumgeodätischen Techniken in (nahezu) Echtzeit sind Vorhersagen der EOP unerlässlich. EOP werden durch das Rapid Service Prediction Centre des International Earth Rotation and Reference Systems Service (IERS) am USNO, Washington D.C., mit einer Verzögerung von Stunden bis Tagen zur Verfügung gestellt. Demzufolge wurden in der Vergangenheit mehrere Methoden für die EOP-Vorhersage entwickelt und angewendet. Die Genauigkeit dieser EOP-Vorhersagen ist jedoch nach wie vor - selbst für einen Vorhersagezeitraum von nur wenigen Tagen - unbefriedigend.

Um die Genauigkeit der EOP-Vorhersage zu verbessern, beschäftigt sich die vorliegende Studie mit der Untersuchung von der Vereinbarkeit von Erdrotationstheorien mit Beobachtungen. Darüber hinaus wird das Potenzial verschiedener geophysikalischer Phänomene analysiert, um die Wechselwirkungen verschiedener Prozesse, die die zeitabhängige Anregung der Erdrotation beeinflussen, besser zu verstehen.

Die meisten Theorien und Lösungen zur Erdrotation basieren auf der Lage der Hauptträgheitsachsen der Erde (PAI). Diese Position wird durch die Stokes-Koeffizienten zweiten Grades des Geopotentials, das mit Hilfe der Satellitenmission Gravity Recovery and Climate Experiment (GRACE) und der Satelliten-Laser-Entfernungsmessung (SLR) genau beobachtet wird, definiert. In dieser Studie wird zum ersten Mal die Entwicklung der Trägheitsachsen der Erde analysiert. Bemerkenswert an den vorgestellten Ergebnissen ist, daß sich die Trägheitsachsen während der Untersuchungsperiode nicht um eine mittlere Position, die in einem bestimmten terrestrischen Bezugsrahmen festgelegt ist, bewegen, sondern sich in nicht zu vernachlässigender Weise von ihrem ursprünglichen Position entfernen.

Darüber hinaus schlägt diese Studie einen neuartigen hybriden Ansatz zur EOP-Vorhersage vor. Es gibt eine gut eingeführte stochastische Methode, die “kopula-basierte Analyse”, die wir mit der “Singulär-Spektrum-Analyse” (SSA) für die EOP-Vorhersage kombiniert haben . Wir analysierten das Potenzial kopula-basierter Methoden zur Vorhersage von Erdrotationsparametern, die aus der Kombination verschiedener geodätischer Satellitensensoren und aus anderen geophysikalischen Parametern, wie z.B effektiven Drehimpulsen, abgeleitet werden. Die Kopula ist eine statistische Methode, die lineare und nicht-lineare Beziehungen zwischen zwei oder mehreren Variablen nutzt, indem eine theoretische Kopula-Funktion an eine empirische, bivariate oder multivariate Verteilungsfunktion angepasst wird. Wir haben eine hybride Vorhersagemethode entwickelt, die auch auf andere geophysikalische Parameter angewendet werden kann.

In dieser Studie wird der Zusammenhang zwischen der Bewegung des Himmelspols (CPM) und dem geomagnetischen Feld (GMF) untersucht, um die derzeitigen CPM-Vorhersagemethoden zu verbessern. Während des letzten Jahrzehnts wurden mehrere Untersuchungen durchgeführt, um eine mögliche Verbindung zwischen polaren Bewegungen und geomagnetischen Ausbrüten - hierbei handelt es sich um rasche Veränderungen der säkularen Variationen des GMF - zu erörtern. Weniger Aufmerksamkeit wurde jedoch den Auswirkungen der GMF-Änderungen auf die CPM, z.B. der Wechselbeziehung der geomagnetischen Ausbrüte, des geomagnetischen Dipolmoments, der geomagnetischen Feldelemente und der CPM-Variationen, gewidmet. In dieser Studie verwenden wir CPM-Zeitreihen, die aus Beobachtungen der Very Long Baseline Interferometry (VLBI) gewonnen wurden und aktuelle GMF-Daten, um die Korrelation zwischen CPM und GMF zu untersuchen. Unsere vorläufigen Ergebnisse zeigen einige auffallente Gemeinsamkeiten in den CPM- und GMF-Variationen, die das Potenzial besitzen, unser Verständnis des GMF-Beitrags zur Erdrotation zu verbessern. Alles in allem veranschaulichen die Ergebnisse mathematisch die Kohärenz zwischen den GMF-Parametern und der CPM und weisen damit perspektivisch den Weg für eine Verbesserung der EOP-Produkte.