Roland Pail. Roland Pail. September 30 October 2, 2009 Graz University of Technology. Institut für Astronomische und Physikalische Geodäsie TU München

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1 Von der Beschleunigungsdifferenz zur Höhenbezugsfläche Wozu braucht Deutschland ein GOCE goes application GOCE-Schwerefeld? globale Schwerefeldmodelle aus Satellitendaten und Anwendungen Roland Pail Institut für Astronomische und Physikalische Geodäsie TU München Roland Pail Institut für Astronomische und Physikalische Geodäsie TU München September 30 October 2, 2009 Graz University of Technology Herrsching,

2 Inhalte GOCE-Messprinzip Von der Beschleunigungsdifferenz GOCE-Status GOCE-Resultate GOCE-Anwendungen: Beispiele Höhensysteme zur Höhenbezugsfläche Ozeanströmungen Feste Erde Global vs. regional: attraktives Deutschland und die Welt

3 Aufgaben der modernen Geodäsie Global Geodetic Observing System Geometrie, Deformation Geometrie und Kinematik - Punktpositionen - Deformation - Meeresoberfläche Konsistentes Referenzsystem Trägheitsmomente Orientierung und Rotation - Orientierung (EOPs) - Rotationsgeschw. (UT1, LOD) Konsistente Modellierung Zeit Schwerefeld - statisch - zeitvariabel Masse

4 Schwerefeld im GGOS-Kontext Physikalische Höhenbezugsfläche, bezüglich welcher sehr kleine Veränderungsprozesse beschrieben werden können Datumsdefinition des terrestrischen Bezugsrahmens (niedrige harmonische Koeffizienten) Direkte Beobachtung von Massenveränderungen (aufgrund von geophysikalischen Signalen) und Massentransportprozessen

5 GOCE-Messprinzip

6 GPS-Satelliten SST - hl SGG ij j i ) ( j ) ( j ) ( i ) ( i x V x x V x x V V lim j GOCE Beobachtungskonzept Satellitengradiometrie (SGG)

7 GOCE: Orbits + Satellitengradiometrie hl-sst SGG m m

8 GOCE-Missionsstatus

9 GOCE-Missionsprofil & Status Launch Start MOP 1. GOCE- Schwerefeld modell Ende Nominal Mission Ende Extended Mission GOCE Swan-song /03/09 10/ / / /2012

10 Absenkung der Flughöhe Schrittweise Absenkung der Orbithöhe höhere Sensitivität für Detailstrukturen des Schwerefeldes Courtesy: ESA

11 Atmosphärendichte & Luftwiderstand Niedrigere Orbithöhe höherer Luftwiderstand Courtesy: ESA Luftwiderstand (nicht-konservative Beschleunigungen wurden während der gesamten Mission aktiv kompensiert)

12 GOCE De-orbiting Verbrauch von Xe-Gas für Ionenstrahltriebwerk (ursprünglich ~41 kg) Courtesy: ESA

13 GOCE De-orbiting Courtesy: ESA Die letzten Tage von GOCE

14 GOCE-Missionsprofil & Status Launch Start MOP 1. GOCE- Schwerefeld modell Ende Nominal Mission Ende Extended Mission GOCE Swan-song /03/09 10/ / / /2012 TIM_R1 TIM_R2 TIM_R3 TIM_R4 Die GOCE-Schwerefelder

15 GOCE-Schwerefelder: TIM und GOCO Modelle Time-wise models (ESA HPF) + Model Deg. Data period effective TIM_R /11/ /01/ months TIM_R /11/ /07/ months TIM_R /11/ /04/ months TIM_R /11/ /07/ months [Pail et al. (2011), J Geod, 85:11] GOCO-S series: sat.-only models Model Deg. Data GOCO01S 224 TIM_R1 gradio + GRACE (ITG-Grace2010S) GOCO02S 250 TIM_R2 + GRACE + CHAMP + SLR GOCO03S 250 TIM_R3 + GRACE + CHAMP + SLR IAPG comb 250 TIM_R4 + GRACE [Pail et al. (2010), Geoph Res Lett, 37]

16 GOCE-Resultate

17 TIM: formale Genauigkeiten Modell Max. Grad Gradient Datenperiode # Epochen (in mio.) N [cm] (d/o 200) g [mgal] (d/o 200) TIM_R1 224 original 11/ / TIM_R2 250 original 11/ / TIM_R3 250 original 11/ / TIM_R4 250 reproz. 11/ / TIM_R1 3 TIM_R2 2 TIM_R3 2 + reproz. TIM_R4

18 Genauigkeit Geoidhöhen TIM: formale Genauigkeiten Modell Max. Grad Gradient Datenperiode # Epochen (in mio.) N [cm] (d/o 200) g [mgal] (d/o 200) TIM_R1 224 original 11/ / TIM_R2 250 original 11/ / TIM_R3 250 original 11/ / TIM_R4 250 reproz. 11/ / [Pail et al. 2010, 2011, 2013]

19 TIM-Modelle: Externe Valdierung TIM-Modelle: Vergleich mit EGM2008: Schwereanomalie- Differenzen bei Grad/Ordnung 200 (100 km Wellenlänge) Release mgal keine systematischen Effekte; korrekte stochastische Modellierung

20 Südamerika Nordamerika TIM-Modelle: Externe Validierung TIM_R1 Diff. zu EGM2008, Grad 200 TIM_R4 mgal = 2.59 mgal = 1.21 mgal = mgal = mgal [Pail 2013]

21 GOCE-Anwendungen: Beispiele 1 Höhensysteme 2 Ozeanzirkulation 3 Lithosphärenmodelle

22 1 Schwerefeld & Höhendefinition h H N H h N bzw. für Normalhöhen: h H N H N h

23 1 Nationale Höhensysteme in Europa unterschiedliche Bezugspunkte (Pegel) lokale Effekte (Gezeiten, Auflasten, isostatische Bewegung, Tektonik) unterschiedliche Höhensysteme (orthometrische, normalorthometrische, Normalhöhen, geopot. Koten) Pegel Transformationsparameter von nationalen Höhensystemen zu EVRF2007 in [cm]

24 1 Vereinheitlichung von Höhensystemen Globale Vereinheitlichung von Höhensystemen, da erstmals hoch auflösendes Geoid als Bezugsfläche vorhanden. Nivellieren mit GPS Pegel A Pegel B g g VRS A A Geoid B VRS B Ellipsoid

25 1 Projekt: GOCE Height System Unification Aufgaben: Bestimmung der Potential(Höhen-)Differenzen zwischen nationalen Höhensystemen Effekt der kurzwelligen Schwerefeldanteile (nicht mit Satellitenmethoden auflösbar) Roadmap (Handlungsanleitung) zur globalen Vereinheitlichung von Höhensystemen Amerika Europa ESA-Projekt: Height system unification with GOCE VRS A Geoid VRS B

26 1 Höhen-Offsets (weltweit) Mittlere Differenz zwischen regionalen Geoidhöhen aus GPS/Nivellement, und GOCE Schwerefeldmodell TIM_R4 bei Grad/Ordnung 200 = 100 km Wellenlänge.

27 1 Offset zwischen nationalen Höhensystemen Schätzung des Offsets aus Differenzen GPS/Nivellement vs. Schwerefeldmodelle Deutschland Japan Satellitenschwerefeldmodelle (100 km räumliche Auflösung) liefern bereits zufriedenstellende Ergebnisse für die Vereinheitlichung von Höhensystemen in Europa. Meist Differenzen von <5 cm im Vergleich zum Nivellement auf. Bis zu 15 cm in Regionen mit rauem Schwerefeld (z.b. Norwegen, Rumänien).

28 1 GOCE Validierung mit GPS/Nivellement [Rülke et al., 2013] Die hohe Genauigkeit der Schwerefeldmodelle erlaubt die unabhängige Validierung und die Aufdeckung systematischer Fehler in den Höhensystemen europäischer Länder.

29 1 GOCE Validierung mit GPS/Nivellement [Rülke et al., 2013] Mit der Modernisierung des DHHN wird die Genauigkeit weiter gesteigert. Das Gesamtfehlerbudget aus Schwerefeldmodell, GNSS und Nivellement sinkt in Deutschland auf unter 2cm.

30 2 Globale Ozeanzirkulation

31 2 Ozeanströmungen Wie können Ozeanströmungen beobachtet werden? ALTIMETRIE GEOID Geometrische mittlere Meereshöhe Geoid: physikalische Referenzfläche eines idealen Ozeans Mittlere Dynamische Topographie (MDT): Abweichung der tatsächlichen Meereshöhe vom idealen Ozean H = h - N

32 2 Mittlere Dynamische Topographie (MDT) Abweichung der mittleren Meeresoberfläche (Mittelwert aus mehreren Jahren Altimetrie-Beobachtungen) vom Geoid Max. Abweichung des realen Ozeans vom Geoid: 2 m

33 2 MDT und Ozeanströmungen Dynamische Ozeantopographie Ozeanströmungen Mathematische Beschreibung: vereinfachte Form der Navier-Stokes-Gleichung u v g f g f H R 1 Geostrophische Oberflächen- OST geschwindigkeiten 1 H R cos NORD mit f 2 sin

34 2 Ozeanströmungen: Beispiel Golfstrom Mittlere Dynamische Topographe (MDT) m Strömungsgeschwindigkeiten cm/s Erstmals konnte kleinräumige Ozeanzirkulation (100 km räumliche Wellenlänge) ausschließlich aus Satellitenmessungen abgeleitet werden. Erstmals erhalten wir Genauigkeitsinformation über die abgeleiteten Strömungsgeschwindigkeiten.

35 3 Geophysik: Lithosphärenmodellierung neuartige Information für geophysikalisch interessante Gebiete Impakt auf statische und dynamische Lithosphärenmodelle GOCE (Götze et al., 2011)

36 3 Regionales Schwerefeldmodell Optimale regionale Kombination aus a) Satelliten-Schwerefelddaten (lange und mittlere Wellenlängen) b) terrestrische und Ozeanaltimetrie-Daten (kurze Wellenlängen) Methode: Kollokation nach kleinsten Quadraten volle Kovarianzinformation a) b)

37 3 Ergebnis Komb. Feld [mgal] Genauigkeiten [mgal] Größere Ungenauigkeit in Regionen, wo nur Satellitendaten vorhanden sind (hauptsächlich omission error ) Realistische Fehlerschätzungen

38 Freiluftanomalien 3 Vergleich mit EGM2008 IMOSAGA01C EGM2008 Differenz terrestr. Daten Verbesserte lange und mittlere Wellenlängen mgal Große Unterschiede in Regionen ohne terrestrische Daten GOCE liefert neue Schwerefeldinformation In diesen Regionen wird Lithosphärenmodellierung erstmals sinnvoll möglich!

39 Was bringt GOCE für Deutschland und die Welt?

40 Schwereanom. [mgal] Geoidhöhen [m] Commission & omission error GOCE (d/o < 250) totales Signal Omission error Comm. error: 2 3 cm Omission: ~20 cm Comm. error: < 1 mgal Omission: ~12 mgal

41 GOCE, Deutschland & die Welt Erzielbare Schwerefeldgenauigkeit (bei 100 km Wellenlänge): 2-3 cm Geoid / 1 mgal Schwereanomalien Fehlende Signalanteile: Geoid: 20 cm (D) / 25 cm (weltweit) Schwere: 12 mgal (D) / 15 mgal (weltweit) Erzielbare Höhengenauigkeit (Konsistenz Schwere, Nivellem, GNSS): Deutschland: < 2 cm (durch Kombination mit terrestrischen Daten) Weltweit, worst case (keine terr. Daten vorhanden): ca. 30 cm Bestimmung der Offsets zwischen nationalen Höhensystemen im worst case mit Dezimeter-Genauigkeit möglich. GOCE liefert(e) wichtigen Beiträge für die Geodäsie, aber auch Ozeanografie und Geophysik. Aber: gute terrestrische Schwerefeldinformation ist nicht obsolet!!!

42 Neue Abbilder der Erde 2000: 2011: CHAMP GOCE

43 Von der Beschleunigungsdifferenz zur Höhenbezugsfläche Wozu braucht Deutschland ein GOCE goes application GOCE-Schwerefeld? globale Schwerefeldmodelle aus Satellitendaten und Anwendungen Roland Pail Institut für Astronomische und Physikalische Geodäsie TU München Roland Pail Institut für Astronomische und Physikalische Geodäsie TU München September 30 October 2, 2009 Graz University of Technology Herrsching,