Роль трендовых изменений ПВЗ на точность построения прогностических моделей Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

УДК 681.783.25

РОЛЬ ТРЕНДОВЫХ ИЗМЕНЕНИЙ ПВЗ НА ТОЧНОСТЬ ПОСТРОЕНИЯ ПРОГНОСТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ

Виктор Мартынович Тиссен

Сибирский научно-исследовательский институт метрологии, 630004, Россия, г. Новосибирск, пр. Димитрова, 4, кандидат технических наук, тел. (913)458-07-81, e-mail: tissen@ksn.ru

Галина Вячеславовна Симонова

Сибирский государственный университет геосистем и технологий, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, кандидат технических наук, доцент кафедры метрологии и технологии оптического приборостроения, тел. (913)724-67-47, e-mail: simgal@list.ru

Александр Александрович Вараксин

Сибирский государственный университет геосистем и технологий, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, аспирант кафедры метрологии и технологии оптического производства, e-mail: aleksvaraksin1991@yandex.ru

В настоящей статье рассматриваются особенности изменений трех основных параметров вращения Земли (ПВЗ), к которым относятся координаты текущего положения Северного полюса: , у и всемирное время UT1.

Ключевые слова: параметры вращения Земли, моделирование, погрешность, всемирное время, линия тренда.

THP TREND CHANGES AND THEIR IMPACT ON THE ACCURACY BUILD PREDICTIVE MODELS

Victor M. Tissen

Siberian Research Institute of Metrology, 630004, Russia, Novosibirsk, 4 Dimitrova Prospect, Ph. D., tel. (913)458-07-81, e-mail: tissen@ksn.ru

Galina V. Simonova

Siberian State University of Geosystems and Technologies, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., Ph. D., associate Professor of the Department of Metrology and Technologies in Optical Instrumentation Certification, tel. (913)724-67-47, 361-07-45, e-mail: simgal@list

Alexander А. Varaksin

Siberian State University of Geosystems and Technologies, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., graduate student of the Department of Metrology and Technologies of Optical Production, e-mail: aleksvaraksin1991@yandex.ru

This article discusses the features of change the three main parameters of the Earth's rotation (SLR), which include coordinates of the North pole:, and amendment of hours submitted in the form of a difference: where the world uneven time associated with the rotation of the Earth;. UT 1 the world uneven time.

Key words: rotation parameters of the Earth, modeling, accuracy, universal time, the trend

line.

Интерес к данным ПВЗ всегда существовал во многих фундаментальных и прикладных науках о Земле. С появлением с середины 80-х годов прошлого столетия глобальных навигационных спутниковых систем (ГНСС) потребность в точных данных ПВЗ еще больше возросла. Поэтому, создание высокоточных моделей вращения Земли для целей повышения точности КВО является важной и актуальной задачей.

Из трех ПВЗ наиболее трудно прогнозируемым параметром традиционно считается всемирное время. Это связанно с тем, что наблюдаемые нерегулярные изменения всемирного времени за последние столетия существенно больше циклических вариаций, представленных сезонными и приливными колебаниями.

На рис. 1 приведен график изменений всемирного времени относительно динамического времени ТТ за период с 1656 по 2017 гг. Данные для построения графика взяты с сайтов IERS: http://maia.usno.navy.mil/ser7/historic_deltat.data и http://maia.usno.navy.mil/.

иТ1-ТТ, с

Рис. 1. Изменения всемирного времени за 360 лет

Анализируя график на рис. 1 можно отметить, что в период от начала истории астрономических наблюдений до конца 19 века скорость вращения Земли постепенно увеличивалась. Затем происходило ее резкое замедление, которое в виде волнообразных вариаций длительностями порядка 10-15 лет продолжается до настоящего времени. За последние 110 лет наблюдается не менее шести таких вариаций различной величины и направленности, которые, как и менее продолжительные длительностью в 1-2 года в настоящее время считаются непредсказуемыми изменениями тренда.

На рис. 2 приведены известные значения всемирного времени (красная линия) с января 2000 по 10 марта 2017 гг.

Черной линией показана линия тренда, полученная после вычитания из исходных данных всех периодических и квазипериодических колебаний длительностью менее 6 лет. Для наглядности линия тренда сдвинута по оси у на 1 сек. вверх. Часть линии тренда, выходящей за пределы интервала известных значений ёит 1 является прогнозной.

сШТ1, с

-Лиши тренда -Известные значения ШТ1

51500 52500 53500 54500 55500 56500 57500 58500 59500

Эпоха в Ы.ТГ)

Рис. 2. Изменения всемирного времени с января 2000 г. по март 2017 г.

Анализируя график на рис. 2 следует отметить, что в сравнении с годовыми колебаниями изменения всемирного времени, вызываемые неустойчивостью параметров тренда значительно существеннее. При визуальной оценке общей картины, изменения тренда похожи на регулярные и создают впечатление, что могут быть предсказуемы. Но анализ результатов прогнозирования полученных разными методами показывает, что наибольшие ошибки прогнозов, возникают на участках где наблюдаются изменения наклона линии тренда. Тем не менее, использование интервалов большой длительности от нескольких десятилетий до 100 лет и более дает более правильный долгосрочный прогноз (от 1 года до 5 лет) любого ПВЗ. Показанный на рис. 2 прогноз тренда до 2022 г., получен нами с помощью полигармонической модели, параметры которой оценивались по известным значениям всемирного времени с 1900 по 2016 гг. Соответствующая методика приведена в [1].

В движении полюсов Земли в отличие от всемирного времени вариации тренда значительно менее заметны в сравнении с периодическими и квазипериодическими колебаниями. Это наглядно показано на рис. 3, на котором приведена картина изменений координат текущего полюса Земли хр , относительно

положения среднего полюса с 2000 по 2017 гг. Жирными линиями показана линии тренда и ее прогноз на 10 лет.

Рис. 3. Линия тренда координаты полюса х с прогнозом на 10 лет

Следует отметить, что показанный на рис. 3 прогноз тренда х получен

комбинированным путем с помощью МНК при различных начальных условиях. При этом, для получения параметров тренда из полной модели отключались и подключались по определенному алгоритму отдельные группы гармонических компонент. Полученный прогноз тренда далее использовался для аппроксимации квазипериодических и периодических составляющих изменений координаты полюса х р .

На рис. 4 показаны квазипериодические изменения координаты х на

фоне ее известных значений, а также прогноз этих изменений до 2027 г.

Анализируя график на рис. 4 можно общий характер квазипериодических колебаний в пределах известных данных и в прогнозной части.

На рис. 5 показан прогноз координаты х (синим цветом) с 10 марта 2017

на 10 лет, полученный с применением полной гармонической модели. Коричневым цветом обозначены известные значения х .

Следует отметить, показанный на рис. 5 прогноз хр получен также с применением МНК и его модификаций. Поэтому, он не может претендовать на абсолютную достоверность, поскольку получен эмпирическим путем. Тем не ме-

нее, в пределах обозначенного интервала можно ожидать хорошей сходимости результатов моделирования изменений х .

хр, угл. сек.

-0,2 51500

■ Квазипериодические изменения Xp " Известные значения Xp

56000 57500

Эпоха, МГО

Рис. 4. Квазипериодические изменения координаты полюса х и ее известные значения с января 2000 по март 2017 гг. с прогнозом до 2027 г.

При моделировании движения полюса на интервалах данных различной длины нами установлено, что основной Чандлеровский период 1,191 года разделяется на две составляющие с периодами близкими 1,183 и 1,216 года и амплитудами порядка 130 и 50 мс. дуги соответственно. Кроме этого, выявлены колебания с периодами: 1,23 (27 мс.), 1,31 (18 мс.); 1,15 (15 мс.).

Xp, угл. сек.

0,4

0,3

0,2

0,1

-0,1

-0,2 51500

53000

" Прогноз Хр на 10 лет ■ Известные значения Хр

54500

56000 57500

Эпоха, MJD

59000

60500

62000

0,4

0,3

0,2

0,1

0

53000

54500

59000

60500

62000

0

Рис. 5. Известные значения прогноз координаты полюса хр до 2027 г.

В изменениях всемирного времени в отличие от координат полюса наблюдается значительно большее влияние долго периодических составляющих, среди которых наиболее заметны колебания с периодами около 70, 30, 20, 13 и 6 лет. Кроме этого, заметны циклы с периодами кратными основному Чандлеров-скому колебанию полюса: 2,4; 3,6 и 4,8 года. Возможно, что эти периоды связаны с теми же природными факторами, которые вызывают перемещения земных полюсов.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Высокоточное прогнозирование всемирного времени по 100-летним данным / В. М. Тиссен, А. С. Толстиков, А. Ю. Балахненко, З. М. Малкин // Измерительная техника. -2009. - № 12. - С. 3-6.

© В. М. Тиссен, Г. В. Симонова, А. А. Вараксин, 2017