Stand und zukünftige Entwicklungen bei der Realisierung terrestrischer Referenzsysteme

FGS Begutachtung, 24.- 25. Juni 2010, Bad Kötzting

Stand und zukünftige Entwicklungen
           bei der Realisierung
   terrestrischer Referenzsysteme

D. Angermann, M. Bloßfeld, H. Drewes, M. Gerstl,
 R. Heinkelmann, R. Kelm, H. Müller, M. Seitz

  Deutsches Geodätisches Forschungsinstitut, München
          E-Mail: angermann@dgfi.badw.de

Einführung

Geodätische
Raumverfahren

              Z
Konsistente
Parameter-
bestimmung
                  Geokinematik          Erdrotation         Schwerefeld

                             Geodätische Referenzsysteme
                                                                          X
Produkte
für die Erd-
wissenschaften

                  Geodynamik, Meteorologie, Globaler Wandel, ...

Stand bei der Realisierung terrestrischer Referenzsysteme

Aktivitäten auf internationaler Ebene:
- Geometrische Dienste der IAG: IGS, ILRS, IVS, IDS
- International Earth Rotation and Reference Systems Service (IERS)

„Nationale“ Projekte (D-A-CH):
- GGOS-D Projekt: BKG, DGFI, GFZ, IGG Bonn (2005 – 2008)
- DFG Forschergruppe „Erdrotation und globale dynamische Prozesse“,
   Laufzeit: 2006 – 2012
- DFG Forschergruppe „Referenzsysteme“ (Vorantrag im April 2010
   positiv begutachtet, Vollanträge in Bearbeitung)

ITRF-Realisierungen des IERS

 ITRF88 … ITRF2000: Terrestrial Reference Frame Section, IGN Paris
  Kombination von Mehrjahreslösungen mit Stationskoordinaten und
  linearen Geschwindigkeiten.
 Geänderte IERS-Struktur (seit 2001)
      - ITRS Produktzentrum (IGN Paris)
      - ITRS Kombinationszentren (DGFI, IGN, NRCan)
 ITRF2005, ITRF2008: Bereitstellung von Epochenlösungen (SLR,
  GPS, DORIS wöchentlich, VLBI 24-h Sessionen) mit Stations-
  koordinaten und EOP von der Diensten (IGS, ILRS, IVS, IDS)
 Berechnung von Kombinationslösungen am DGFI und IGN
 Vergleich und Validierung der Ergebnisse

ITRF2005 / ITRF2008 Kombinationsstrategie am DGFI

Input: Datum-free normal equations (NEQ)

 Epoch 1 VLBI NEQ        SLR NEQ      GPS NEQ          DORIS NEQ

 Epoch 2 VLBI NEQ        SLR NEQ      GPS NEQ          DORIS NEQ

 Epoch n VLBI NEQ        SLR NEQ      GPS NEQ          DORIS NEQ

                        Accumulation of time series

Multi-year   VLBI           SLR           GPS           DORIS
                                                         GPS       Intra-technique
NEQ‘s        NEQ            NEQ           NEQ            NEQ          solutions

                       Inter-technique combination

                       Station positions, velocities
                    and Earth Orientation Parameters

ITRF2008 Stationsgeschwindigkeiten der
             DGFI-Lösung

GGOS-D Projekt

 Definition und Implementierung einheitlicher Standards, Modelle und
  Parametrisierungen für eine konsistente Reprozessierung von VLBI,
  SLR und GPS-Beobachtungen.
 Berechnung des GGOS-D Referenzrahmens durch gemeinsame
  Ausgleichung von TRF, EOP und CRF.
 Erzeugung konsistenter Zeitreihen geodätischer Parameter

                   Stationshöhen-Zeitreihe von Wettzell

                                               (Tesmer et al., 2008)

DFG Forschergruppe „Erdrotation und
        globale dynamische Prozesse“ (FOR 584)

 Projekt P6: „Integration of Earth rotation, geometry and gravity field
  using space geodetic observations“.
 Kombination von Epochen-Normalgleichungen (VLBI, SLR, GPS)
 Berücksichtigung nicht-linearer Stationsbewegungen bei der
  Realisierung des terrestrischen Referenzsystems
 Konsistente Bestimmung von TRF, Erdrotation und Schwerefeld

DFG Forschergruppe „Referenzsysteme“

Title: „Space-time Reference Systems for Monitoring Global Change and
for Precise Navigation“
 Reference Document, Nothnagel et al., 2010, BKG, Frankfurt
 Vollanträge sollen bis zum 31.10.2010 eingereicht werden

3 FGS-Teilprojekte mit Schwerpunkt terrestrische Referenzsysteme:
 Consistent celestial and terrestrial reference frames (BKG, DGFI, IGG)
 Datum definition and dynamic satellite orbits (FESG, DGFI)
 Local ties on Earth and in Space (BKG, ETH)

Thematische Schwerpunkte

 Eingangsdaten zur TRF-Berechnung

 Nicht-lineare Stationsbewegungen

 Kombinationsstrategien

 Verknüpfung der Beobachtungsverfahren

 Festlegung des geodätischen Datums

 Konsistente Bestimmung von TRF, CRF, EOP und niederen harm.
  Koeffizienten des Erdschwerefeldes

Eingangsdaten zur TRF-Berechnung

Stand
 IAG-Services: Reprozessierte SINEX-Lösungen (VLBI NGL‘s), keine
  einheitlichen Standards und Modelle, Lösungen mit Nebenbedingungen,
  Positionen und EOP als Parameter, verfahrens-interne Kombination.
 GGOS-D: Einheitliche Standards, Modelle und Parametrisierung für eine
  konsistente Prozessierung von VLBI, SLR und GPS-Daten, freie
  Normalgleichungen, verfahrens-interne Kombination bei SLR und VLBI.
Forschungsziele
 Welche Reduktionsmodelle (z.B. atmosphärische Auflasten) sollen bei der
  Datenauswertung berücksichtigt werden?
 Berücksichtigung von Korrelationen bei der verfahrens-internen Kombin.
 Optimale (erweiterte) Parametrisierung für die TRF-Berechnung

Thematische Schwerpunkte

 Eingangsdaten zur TRF-Berechnung

 Nicht-lineare Stationsbewegungen

 Kombinationsstrategien

 Verknüpfung der Beobachtungsverfahren

 Festlegung des geodätischen Datums

 Konsistente Bestimmung von TRF, CRF, EOP und niederen harm.
  Koeffizienten des Erdschwerefeldes

Nicht-lineare Stationsbewegungen

Effekte
 Sprünge (u.a. Instrumentenwechsel, Erdbeben)
 Saisonale Variationen (u.a. Auflasteffekte)
 Postseismische Deformationen (u.a. Erdbeben Arequipa, Fairbanks)
 Andere nicht-lineare Stationsbewegungen (u.a. instrumentelle Effekte)

    Bsp: Saisonale Höhenvariationen der Station Irkutsk, Sibirien

Nicht-lineare Stationsbewegungen

Stand:
 Sprünge und postseismische Effekte sind (weitgehend) berücksichtigt
 Saisonale Variationen sind im TRF unberücksichtigt und als Residuen
  sichtbar

Lösungsansätze / Forschungsziele:
 Parametrisierung der saisonalen Variationen (z.B. harmon. Funktionen)
 TRF-Kombination auf Epochenebene
 Schätzung von Parametern in physikalischen Modellen
 Physikalische Modelle z.B. für die Reduktion von Auflasteffekten

Thematische Schwerpunkte

 Eingangsdaten zur TRF-Berechnung

 Nicht-lineare Stationsbewegungen

 Kombinationsstrategien

 Verknüpfung der Beobachtungsverfahren

 Festlegung des geodätischen Datums

 Konsistente Bestimmung von TRF, CRF, EOP und niederen harm.
  Koeffizienten des Erdschwerefeldes

Kombinationsstrategien

Thematische Schwerpunkte

 Eingangsdaten zur TRF-Berechnung

 Nicht-lineare Stationsbewegungen

 Kombinationsstrategien

 Verknüpfung der Beobachtungsverfahren

 Festlegung des geodätischen Datums

 Konsistente Bestimmung von TRF, CRF, EOP und niederen harm.
  Koeffizienten des Erdschwerefeldes

Verknüpfung der Beobachtungsverfahren

Stand:
 Verknüpfung über Ko-lokationsstationen
 Einführen terrestrischer Verbindungsmessungen („local ties“)

                   Wettzell

Verknüpfung der Beobachtungsverfahren

 3-D Differenzen zwischen Raumverfahren und terrestr. Verbindungsmess.

                                                             GPS – VLBI
                                                             Ko-lokationen

Zielsetzungen:
 Verbesserungen der Ko-lokationen auf der Erde
 Weiterentwicklung der Ko-lokation auf Satellitenebene

Thematische Schwerpunkte

 Eingangsdaten zur TRF-Berechnung

 Nicht-lineare Stationsbewegungen

 Kombinationsstrategien

 Verknüpfung der Beobachtungsverfahren

 Festlegung des geodätischen Datums

 Konsistente Bestimmung von TRF, CRF, EOP und niederen harm.
  Koeffizienten des Erdschwerefeldes

Festlegung des geodätischen Datums

Variation der Translationsparameter (z-Komp.) aus SLR (blau) und GPS (rot)

                 Powerspektrum der GPS-Zeitreihe

Thematische Schwerpunkte

 Eingangsdaten zur TRF-Berechnung

 Nicht-lineare Stationsbewegungen

 Kombinationsstrategien

 Verknüpfung der Beobachtungsverfahren

 Festlegung des geodätischen Datums

 Konsistente Bestimmung von TRF, CRF, EOP und niederen harmon.
  Koeffizienten des Erdschwerefeldes

Konsistente Bestimmung von TRF, CRF, EOP und
 niederen harmon. Koeffizienten des Erdschwerefeldes
Stand
 DFG Forschergruppe Erdrotation: Konsistente Bestimmung von
   Erdrotation, TRF und Schwerefeld (in Arbeit)
 GGOS-D: Gemeinsame Schätzung von TRF, CRF und EOP (in Arbeit)
 RMS values of the differences to IERS 05 C04
                   x-Pol     y-Pol     UT1-UTC   Δψsin(ε0)    Δε
                   [mas]     [mas]       [ms]     [mas]      [mas]
  VLBI              0.245     0.234      0.019    0.152      0.146
  SLR               0.259     0.287         -        -         -
  GPS               0.102     0.100         -        -         -
  Combination       0.093     0.099      0.016    0.130      0.129

Zielsetzungen
 Konsistente Standards, Modelle und Parametrisierung
 Strenge Gesamtausgleichung aller relevanten Parameter

Zusammenfassung der Forschungsziele

 Eingangsdaten: Beobachtungen / datumsfreie Normalgleichungen,
  einheitliche Standards, Modelle und Parametrisierung
 Berücksichtigung nicht-linearer Stationsbewegungen (u.a., saisonale
  Signale) bei der TRF-Berechnung
 Weiterentwicklung der Kombinationsstrategien, schnellere Verfügbarkeit
  des TRF (z.B. zusätzliche Epochenlösungen)
 Verbesserung der Methoden zur Verknüpfung der Beobachtungs-
  verfahren (einschl. Ko-lokation auf Satellitenebene)
 Konsistente Bestimmung von TRF, CRF, EOP und niederen
  harmonischen Koeffizienten des Erdschwerefeldes