using&a&kalmanfilter toregularizethevlbi · 2018. 8. 21. · j. gispon – evga 2013 helsinki,...

17
J. Gispon – EVGA 2013 Helsinki, Finland Using a Kalman filter to regularize the VLBI nuta7on 7me series Using a Kalman filter to regularize the VLBI nuta7on 7me series J. Gipson, K. Le Bail, S. Bolo2n NVI, Inc. At GSFC/NASA, Greenbelt, U.S.

Upload: others

Post on 03-Feb-2021

0 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

  • J. Gispon – EVGA 2013 Helsinki, Finland

    Using  a  Kalman  filter  to  regularize  the  VLBI  nuta7on  7me  series  

    Using  a  Kalman  filter  to  regularize  the  VLBI  nuta7on  7me  series  

    J.  Gipson,  K.  Le  Bail,  S.  Bolo2n  

    NVI,  Inc.  At  GSFC/NASA,  Greenbelt,  U.-‐S.  

  • J. Gispon – EVGA 2013 Helsinki, Finland

    Using  a  Kalman  filter  to  regularize  the  VLBI  nuta7on  7me  series  

    Contents  •  Goal:  State-‐of-‐the-‐art:  VLBI  nuta2on  2me  series.  –  Importance  of  the  VLBI  nuta2on  2me  series;  – Why  regularizing  them  to  daily  2me  series?  

    •  A  Kalman  filter  to  regularize  the  VLBI  nuta2on  2me  series:  nutkal2012.f  .  –  How  to  use  it?  Control  file  and  op2ons.  

    •  Applica2ons:  –  Op2mal  choice  of  appropriate  parameters;  –  Es2mator  of  the  quality  of  the  es2mate:  the  Goodness  Of  Fit.  

    •  Conclusions  and  perspec2ves:  –  nutkal2012.f  for  predic2on.  

  • J. Gispon – EVGA 2013 Helsinki, Finland

    Using  a  Kalman  filter  to  regularize  the  VLBI  nuta7on  7me  series  

    What  is  Nuta7on,    anyway?    (nuta7o)  

  • J. Gispon – EVGA 2013 Helsinki, Finland

    Using  a  Kalman  filter  to  regularize  the  VLBI  nuta7on  7me  series  

    Why  Regularize?  •  Nuta2on  es2mated  by  VLBI    at  irregular  intervals.  •  Time-‐tag  depends  on  epoch  of  the  experiment  •  For  many  purposes  nice  to  have  regularly  spaced  data.  

    •  We  (IVS)  are  closest  to  the  data.    We  should  be  able  to  produce  the  best  results.    

     

  • J. Gispon – EVGA 2013 Helsinki, Finland

    Using  a  Kalman  filter  to  regularize  the  VLBI  nuta7on  7me  series  

    Our  Approach  25  years  ago    we  (GSFC)  faced  a  similar  problem  for  UT1  and  PM.  Needed  a  good  a-‐priori  ERP  model.  Developed  eopkal  (EOP  Kalman  filter)  s2ll    in  use.    10  years  later  developed  nutkal.    This  report  is  about  nutkal2012.    (An  updated  version  of  nutkal.)  

       

  • J. Gispon – EVGA 2013 Helsinki, Finland

    Using  a  Kalman  filter  to  regularize  the  VLBI  nuta7on  7me  series  

    Kalman  filtering  -‐  No7ons  (1)  

    XK-‐1|K-‐1  PK-‐1|K-‐1  

    Prior  knowledge  

    XK|K-‐1  PK|K-‐1  

    XK|K  PK|K  

    Predic2on  

    Add  measurement  Z  PZ  

    New  predic2on  

  • J. Gispon – EVGA 2013 Helsinki, Finland

    Using  a  Kalman  filter  to  regularize  the  VLBI  nuta7on  7me  series  

    Kalman  filtering  -‐  Upda7ng  

    •  Predic2on  is  linear:  

     The  A  embodies  the  physics.  noiseAAPP

    AXXT

    KKKK

    KKKK

    +=

    =

    −−−

    −−−

    1|11|

    1|11|

  • J. Gispon – EVGA 2013 Helsinki, Finland

    Using  a  Kalman  filter  to  regularize  the  VLBI  nuta7on  7me  series  

    Kalman  filtering  –  Upda7ng  Example  •  Example:  Linear  mo7on.  – State:                  

    – Update    

    XK −1VK −1

    ⎝ ⎜

    ⎠ ⎟

    ⎟⎟⎠

    ⎞⎜⎜⎝

    ⎛ Δ+→⎟⎟⎠

    ⎞⎜⎜⎝

    −−

    1

    11

    1

    1

    K

    KK

    K

    K

    VVtX

    VX €

    A =1 Δt0 1⎛

    ⎝ ⎜

    ⎠ ⎟

    P =σX2 CXV

    CX σV2

    ⎝ ⎜

    ⎠ ⎟

    ⎟⎟⎠

    ⎞⎜⎜⎝

    Δ+

    Δ+Δ+Δ+=→ 2

    222 2

    VXV

    XVVXVX

    tVCtVCttC

    PPσ

    σσ

  • J. Gispon – EVGA 2013 Helsinki, Finland

    Using  a  Kalman  filter  to  regularize  the  VLBI  nuta7on  7me  series  

    Kalman  filtering  –  Adding  measurement  •  Add  measurement:  

     Schema2cally    

     Note  that                                    :  we  are  just  combining  according  to  sigmas.  

    XK |K =PK |K −1−1 XK |K −1 + PZ

    −1ZPK |K −1−1 + PZ

    −1

    P −1 ≈1σ2

    XK |K = XK |K−1 − XK |K−1 +PK |K−1−1 XK |K−1 +PZ

    −1ZPK |K−1−1 +PZ

    −1

    ⎝ ⎜

    ⎠ ⎟

    •  Let:                                                                                                                          .  So:  

    XK |K−1 =(PK |K−1

    −1 +PZ−1)XK |K −1

    PK |K−1−1 +PZ

    −1

    XK |K = XK |K −1 +PZ−1(Z − XK |K −1)PK |K −1−1 + PZ

    −1

    Predicted  

    Measurement  

    Predic2on   Correc2on  •  Note:    As                                                          ,                                                    give  more  importance  to  data.    As                                                          ,                                                    give  more  importance  to  predic2on.  

    PK |K −1 →∞ PK |K −1−1 →0

    PK |K −1 →0 PK |K −1−1 →∞

  • J. Gispon – EVGA 2013 Helsinki, Finland

    Using  a  Kalman  filter  to  regularize  the  VLBI  nuta7on  7me  series  

    Kalman  filtering  -‐  No7ons  (5)  •  Our  model  for  nuta2on  is:    Integrated  Random  walk  +  N  harmonic  terms.    Each  term  has  associated  with  it  some  noise.    The  harmonics  also  have  associated  a  width  or  Q  factor.  

  • J. Gispon – EVGA 2013 Helsinki, Finland

    Using  a  Kalman  filter  to  regularize  the  VLBI  nuta7on  7me  series  

    A  Kalman  filter  to  regularize  VLBI  nuta7on  7me  series:  nutkal2012.f  

    •  The  program  reads  in  a  series  of  nuta2on  values  from  the  snoop  nuta2on  files…  

    •  Control  file.  

  • J. Gispon – EVGA 2013 Helsinki, Finland

    Using  a  Kalman  filter  to  regularize  the  VLBI  nuta7on  7me  series  

    Op7mal  choice  for  the  Kalman  filter  parameters  (1)  

    •  Snoop  file:  GSC  2011a  solu2on.  •  Which  periodic  signals?  – From  the  FCN  (Lambert  XX)  =  -‐430.21  days;  – From  our  study  in  2012  (IVS  GM)  R1  and  R4  sessions  weekly  series  =  450,  510  and  385  days;  

    – From  PSD  =  470.25  days.  

  • J. Gispon – EVGA 2013 Helsinki, Finland

    Using  a  Kalman  filter  to  regularize  the  VLBI  nuta7on  7me  series  

    Op7mal  choice  for  the  Kalman  filter  parameters  (2)  

    Linear   Harmonic   Goodness  Of  Fit  

    Yes/No   Process  noise  

    Period  days   Width  days   Process  noise  

    Psi   Epsilon  

    Test  1   No   -‐   430   0   0.001   4.140   2.177  

    Test  2   No   -‐   470.25   0   0.001   4.140   2.177  

    Test  3   No   -‐   470.25   0   0.01   1.968   1.067  

    Test  4   No   -‐   450  510  385  

    0  0  0  

    0.01  0.01  0.01  

    1.387   0.744  

    Test  5   Yes   0.01   450  510  385  

    0  0  0  

    0.01  0.01  0.01  

    1.282   0.663  

  • J. Gispon – EVGA 2013 Helsinki, Finland

    Using  a  Kalman  filter  to  regularize  the  VLBI  nuta7on  7me  series  

    Op7mal  choice  for  the  Kalman  filter  parameters  (3)    .prn  files:  observa2ons  and  es2mated  

    values  at  the  date  of  the  observa2ons.  

    5 5.1 5.2 5.3 5.4 5.5x 104

    −4

    −2

    0

    2

    4

    Test

    4Lo

    ngitu

    de a

    ngle

    in m

    as

    Observationsnutkal2012 estimated values

    5 5.1 5.2 5.3 5.4 5.5x 104

    −2

    −1

    0

    1

    2

    Test

    4O

    bliq

    uity

    ang

    le in

    mas

    Observationsnutkal2012 estimated values

    5 5.1 5.2 5.3 5.4 5.5x 104

    −4

    −2

    0

    2

    4

    Test

    4 −

    Diff

    eren

    ces

    Long

    itude

    ang

    le in

    mas

    5 5.1 5.2 5.3 5.4 5.5x 104

    −2

    −1

    0

    1

    2Te

    st 4

    − D

    iffer

    ence

    sO

    bliq

    uity

    ang

    le in

    mas

    Observations − nutkal2012 estimated values

    Observations − nutkal2012 estimated values

  • J. Gispon – EVGA 2013 Helsinki, Finland

    Using  a  Kalman  filter  to  regularize  the  VLBI  nuta7on  7me  series  

    Op7mal  choice  for  the  Kalman  filter  parameters  (4)  Snoop  file  and  nutkal2012  daily  series.  

    5 5.1 5.2 5.3 5.4 5.5x 104

    −4

    −2

    0

    2

    4

    Test

    4Lo

    ngitu

    de a

    ngle

    in m

    as

    5 5.1 5.2 5.3 5.4 5.5x 104

    −2

    −1

    0

    1

    2

    Test

    4O

    bliq

    uity

    ang

    le in

    mas

    nutkal2012 daily seriessnoop file

    nutkal2012 daily seriessnoop file

  • J. Gispon – EVGA 2013 Helsinki, Finland

    Using  a  Kalman  filter  to  regularize  the  VLBI  nuta7on  7me  series  

    Problem:    Filter  runs  away    Nutkal2012.f  for  predic2on  

    5.56 5.561 5.562 5.563 5.564 5.565x 104

    −20

    0

    20

    40

    60

    80

    100

    Test

    4 −

    Pre

    dict

    ion

    1 m

    onth

    Long

    itude

    ang

    le in

    mas

    nutkal2012 daily seriessnoop file

    5.56 5.561 5.562 5.563 5.564 5.565x 104

    −50

    −40

    −30

    −20

    −10

    0

    10

    Test

    4 −

    Pre

    dict

    ion

    1 m

    onth

    Obl

    iqui

    ty a

    ngle

    in m

    as

    nutkal2012 daily seriessnoop file

  • J. Gispon – EVGA 2013 Helsinki, Finland

    Using  a  Kalman  filter  to  regularize  the  VLBI  nuta7on  7me  series  

    Conclusions  and  perspec7ves  Goddard  is  developing  a  nuta2on  Kalman  filter.  Goal  is  to  use  the  Kalman  filter  to  regularize  the  nuta2on  series.  

    This  series  can  be  used:  •  As  an  a  priori  model    for  VLBI  data  analysis.  •  For  geophysical  inves2ga2ons.  S2ll  a  work  in  progress.