Vom globalen Bezugssystem bis zur Umsetzung für die Praxis *

Transkript

1 Vom globalen Bezugssystem bis zur Umsetzung für die Praxis * Barbara Görres Institut für Geodäsie und Geoinformation Nussallee Bonn goerres@uni-bonn.de 1 Einführung Während früher die einzelnen Staaten eigene Referenzsysteme für ihre nationalen geodätischen Aufgaben definierten und realisierten, ermöglicht und verlangt heute der Einsatz geodätischer Raumverfahren eine konsistente Definition von Bezugssystemen. Beginnend mit den globalen, können diese durch GNSS- Beobachtungen verdichtet werden bis hin zu Systemen, die in regionalen oder kleinräumigen Anwendungen in der alltäglichen Vermessungspraxis Verwendung finden. Für die unterschiedlichsten Bedürfnisse des Vermessungswesens, der Navigation, sowie der Geodynamik steht heute ein hochgenaues, einheitliches globales Referenzsystem zur Verfügung und kann nach und nach die Systeme der klassischen Landesvermessung ersetzten. Bezugssysteme werden zur eindeutigen Beschreibung von Ereignissen in Raum und Zeit benötigt. Will man die Position von Punkten in einer Ebene oder im dreidimensionalen Raum bestimmen und diese zueinander in Beziehung bringen, verwendet man Koordinaten, die in einem festgelegten Referenzsystem eindeutig definiert werden. Die Referenzsysteme spielen im globalen Sinn eine zentrale Rolle als Basis für die Beobachtung des Systems Erde und im geodätischen Sinne bei der Verbindung der Beschreibung und Modellierung von Geokinematik, Schwerefeld und Erdrotation (Nothnagel et al. 2010). Auch globale Positionierungssysteme erfordern natürlich globale Bezugssysteme. * DVW-Schriftenreihe Bd.63, S , Wißner-Verlag Augsburg 1

2 Unterschieden werden muss zwischen Referenzsystem und Referenzrahmen (engl.: frame), wobei ersteres als Wunsch und letzteres als Wirklichkeit zu verstehen ist. Das Referenzsystem ist zunächst nur eine mathematische Konstruktion, die aus Definitionen und Konventionen besteht. Ein Referenzrahmen ist die Realisierung eines Referenzsystems durch einen Satz von Koordinaten und Geschwindigkeitsvektoren für eine Anzahl von fundamentalen Bezugspunkten. Die Bezugspunkte sind durch Vermarkungen an den Erdkörper angebunden und die Voraussetzung für die Verwendung der Systeme in der geodätischen Praxis. Ergänzend kommt bei der Definition von Referenzrahmen hinzu, dass die Bewegung von Körpern zueinander oder die relative Lage von Punkten zueinander auf einem sich deformierenden Körper beschrieben wird, und daher die Angabe der räumlichen Koordinaten zusammen mit einer Zeitkomponente (=Epoche) erforderlich ist. 2 Globale Referenzsysteme und ihre Realisierung Im Hinblick auf die Nutzung der GNSS unterscheidet man himmelsfeste und erdfeste Referenzsysteme, welche durch eine Kette von Transformationen ineinander überführt werden können. Die Erdrotation ist hierbei das Verbindungselement zwischen dem himmelsfesten System der Satellitenbahnen und dem erdfesten System der Stationen an der Erdoberfläche. Himmelsfeste Systeme sind in der Regel inertial oder quasi-inertial, die hier behandelten erdfesten Referenzsysteme nehmen an der Rotation der Erde teil. 2.1 Das International Terrestrial Reference System Definition des International Terrestrial Reference System Die Basis für die heute in der Geodäsie verwendeten globalen erdfesten Referenzsysteme ist das International Terrestrial Reference System (ITRS), dessen bevorzugte Verwendung für wissenschaftliche und technische Anwendungen im Jahr 1991 von der International Association of Geodesy (IAG) formal beschlossen wurde. Die zugrundeliegenden Definitionen und Konventionen sind in den sogenannten IERS Conventions beschrieben (IERS = International Earth Rotation and Reference Systems Service, McCarthy & Petit 2003). 2

3 Seine Datumsdefinition bestimmt als Ursprung das Massenzentrum der Erde und die Orientierung der drei Achsen derart, dass die Z-Achse in Richtung der mittleren Rotationsachse der Erde zeigt und die X-Achse aus der Schnittgerade zwischen mittlerem Meridian von Greenwich und der Äquatorebene gebildet wird (Abb. 1). Abb. 1: Definition eines erdfesten Referenzsystems, z.b. des ITRS. Hinzu kommen Festlegungen über den Maßstab sowie weitere Konventionen und Modelle beispielweise für die Erdgezeiten oder Auflasteffekte Die International Terrestrial Reference Frames Unter einem Terrestrial Reference Frame (TRF) wird die Realisierung des jeweils zugehörigen Systems verstanden. Ursprung, Orientierung der Achsen, Maßstab (das geodätische Datum) werden physikalisch durch einen Satz von vermarkten Punkten auf der Erdoberfläche und mathematisch-numerisch durch die zugehörigen Koordinaten sowie Bewegungsvektoren materialisiert. Unter Hinzunahme aller neuen Beobachtungsdaten werden im Rahmen des Internationalen Erdrotationsdienstes (IERS), der diese Aufgabe seit 1988 innehat, im Abstand weniger Jahre neue Koordinatensätze für alle beteiligten Stationen berechnet und als ITRFxxxx veröffentlicht (Tab. 1). Mit xxxx wird das Jahr der letztverwendeten Beobachtung angegeben. Am wurde die Veröffentlichung des aktuell geltenden ITRF2008 bekannt gegeben. Die Genauigkeit der geschätzten Koordinaten wird mit besser als 15 mm, die der Geschwindigkeiten mit besser als 3 mm/jahr angegeben. Alle ITRF-Lösungen werden im web veröffentlicht: 3

4 Sowohl Koordinaten als auch Geschwindigkeitsvektoren liegen in kartesischen Koordinaten vor. Zur möglicherweise erforderlichen Umrechnung in ellipsoidische Koordinaten ist das GRS80 als Bezugsfläche festgelegt. Seit der Berechnung des ITRF2005 liegt eine zweite Lösung des Deutschen Geodätischen Forschungsinstituts vor und ermöglicht erstmals eine gegenseitige Qualitätskontrolle (Abb. 2). Bezugsdatum (jeweils 1.1.) Stationen VLBI SLR GPS DORIS ITRF X X - - ITRF X X ITRF X X - - ITRF X X 14 - ITRF X X 40 - ITRF X X X - ITRF X X X X ITRF X X X X ITRF X X >140 X ITRF X X >300 X ITRF ca. 500 X X x X ITRF ca Stationsbewegungen Modell geschätzt Tab. 1: ITRF-Realisierungen mit Anzahl der verwendeten Stationen Den Realisierungen liegen Beobachtungen mit den Techniken der Weltraumgeodäsie zugrunde. Die Beobachtungspunkte sind durch Radioteleskope (VLBI), stationäre Laserentfernungsmesssysteme (SLR/LLR), GNSS- Permanentstationen, Sender des DORIS-Systems und seltener durch mobile Radioteleskope oder Laserentfernungsmesssysteme festgelegt. Die Ergebnisse werden durch die jeweiligen Dienste IVS (International VLBI Service), den ILRS (International Laser Ranging Service) den IGS (International GNSS Service) und den IDS (International DORIS Service) zusammengestellt und anschließend durch den IERS kombiniert. Bei der Kombination spielen vor allem diejenigen Stationen eine entscheidende Rolle, an denen mehrere Beobachtungstechniken zur Verfügung stehen. Die Vermessung der jeweiligen Verbindungselemente (local ties) mit ausreichender Genauigkeit ist allerdings noch nicht an allen Stationen vorhanden. 4

5 Abb. 2: ITRF2008 Stationsgeschwindigkeiten der DGFI-Lösung (Angermann 2010) Vor allem aufgrund der Bewegung der Kontinentalplatten kann auf der Grundlage materieller Punkte auf der Erde keine Referenzsystem existieren, bezüglich dessen alle Referenzpunkte in Ruhe sind. Zeitabhängige Verschiebungen wurden bis zum ITRF90 durch Aufteilung der Erdoberfläche in zwölf Modellplatten modelliert und werden heute durch Schätzung eines dreidimensionalen Bewegungsvektors für jeden Punkt berechnet. Für jede Beobachtung und für jede Koordinate muss daher eine Epochenangabe gemacht werden. 2.2 Das World Geodetic System Systemdefinition Die ursprünglich rein militärisch und durch Navigationsanwendungen motivierte Definition des WGS84 wurde in Anlehnung an das ITRS mehrfach überarbeitet, so dass die Systemdefinition derjenigen des ITRS immer ähnlicher wurde: Auch hier ist der Ursprung im Geozentrum definiert, die Achsrichtung an die ITRS- Definition angepasst. Wesentlicher Unterschied ist aber beispielweise, dass im 5

6 Gegensatz zum kartesisch definierten ITRS in der WGS84-Definition ein Ellipsoid als Rechenfläche bereits enthalten ist Das WGS84 als Realisierung Die ursprüngliche Realisierung des WGS84 basierte auf Dopplermessungen zum U.S. Navy Navigation Satellite System (bekannt als DOPPLER Transit) und den daraus mit Metergenauigkeit berechneten Stationskoordinaten zu den ursprünglich nur fünf GPS-Monitorstationen. Alle weiteren Realisierungen (Tab. 2) wurden dem Stand der Kenntnisse des IERS und an die verschiedenen ITRF-Realisierungen angepasst (NIMA 2000); zunächst als WGS84 (G730) an das ITRF91 durch Einbeziehung von IGS- Stationen in die Berechnung und Festhalten ihrer Koordinaten mit dem Ergebnis verbesserten Genauigkeit von 0.1m, später als WGS84(G873) an das ITRF94 und zuletzt an das ITRF2000, wobei das Netz der Monitorstationen immer weiter ausgebaut wurde. Hier sind erstmals auch Geschwindigkeitskomponenten für die einzelnen Koordinaten enthalten. Seit GPS-Woche 1150 wird das WGS84(G1150) als Grundlage für die Bestimmung der Broadcast-Bahnen verwendet. Tab. 2: Systemdefinitionen (Spalte 1) und Realisierungen des WGS84 Zusammenfassend kommt man zu der Aussage, dass Koordinaten ausgedrückt im ITRS (also in den Realisierungen ITRFyyyy) und WGS84 und seinen Realisierungen grundsätzlich auf einem Niveau von 10 cm übereinstimmen. Das WGS84 könnte also quasi als minder genaue Realisierung des ITRS gelten. Die Broadcast-Ephemeriden werden nominell nach wie vor im System WGS84 angegeben, die Bestimmung von Koordinaten im WGS84 ist wegen ihrer Bahnqualität mit Metergenauigkeit möglich. 6

7 2.3 Bezugssysteme für GLONASS und Galileo Ebenso wie bei GPS werden auch bei Verwendung der anderen GNSS die Koordinaten an der Erdoberfläche im System der Bahnen ermittelt. Das Referenzsystem des russischen Navigationssystem GLONASS wird als PE- 90 (Parameters of the Earth 1990) oder PZ-90 (Parametry Zemli 1990) bezeichnet. Nach russischen Angaben liegt der Ursprung des Systems im Geozentrum, die Achsrichtungen sind gleichermaßen definiert wie für das ITRS. Ein Ellipsoid als Rechenfläche ist dort ebenfalls definiert. Der ursprünglichen Realisierung lagen Beobachtungen von 26 Bodenstationen aus zugrunde, heute liegt die Ü- bereinstimmung zwischen PZ-90 und WGS84 im Meterbereich (Boucher und Altamimi 2001). Das Bezugssystem des europäischen GNSS, das sich noch immer in seiner Aufbauphase befindet, ist das Galileo Terrestrial Reference System GTRF. Es wird sich auf das jeweils aktuelle ITRF beziehen (z.b. Hofmann-Wellenhof 2007). 3 Regionale Bezugssysteme für Europa und ihre Realisierung Der Einsatz der geodätischen Raumverfahren ermöglicht eine konsistente Definition von Bezugssystemen. Ausgehend vom globalen System können durch Verdichtung des Punktnetzes in der nächsten Stufe regionale Bezugssysteme realisiert werden. Für Europa wird dies durch die Sub-Kommission innerhalb der die IAG Reference Frame for Europe (EUREF) bearbeitet. Für die anderen Kontinente gibt es entsprechende Kommissionen. Erstmals ergibt sich in der Vermessungsgeschichte die Möglichkeit, die bisher stets auf nationaler Ebene definierten Referenzsysteme durch ein europaweit einheitliches Bezugssystem abzulösen. 3.1 Das European Terrestrial Reference System 89 Für praktische Anwendungen im regionalen Rahmen hat das globale Referenzsystem ITRS den entscheidenden Nachteil, dass die Koordinaten der ITRF- Punkte aufgrund der Plattentektonik und anderer globaler Einflüsse ständigen 7

8 Änderungen unterliegen. Die europäische Platte bewegt sich gegenüber dem globalen Bezugsrahmen um etwa 2.5 cm pro Jahr nach Nordosten (vgl. Abb. 2). Ständig wechselnde Koordinatenwerte eigentlich fester Punkte sind aber für den praktischen geodätischen Gebrauch ungeeignet. Anlässlich der EUREF-Sitzung in Florenz 1990 wurde beschlossen, ein vom globalen Referenzsystem ITRS ausgehendes, regionales Referenzsystem für Europa zu definieren. Die Zahlenwerte der Koordinaten der europäischen Stationen sollten möglichst unverändert bleiben. Das System muss also mit der eurasischen Platte, die als weitgehend stabil angesehen wird, mitbewegt werden. Das ETRS89 (European Terrestrial Reference System) wurde durch Einfrieren der Koordinaten der auf der europäischen Platte liegenden Stationen des ITRF89 zur Epoche definiert, was einem Ausschalten der europäischen Kontinentaldrift entspricht. 3.2 Die European Terrestrial Reference Frames Die erste Realisierung des ETRS89 war das ETRF89. Mit der Bezeichnung wird zum Ausdruck gebracht, dass die europäischen Stationen des ITRS als Anschlusspunkte dienen und die Koordinaten der Epoche als Referenzepoche gewählt wurden. Praktisch bedeutete dies, dass die damals in Europa befindlichen 17 Stationen des ITRF89 -alle VLBI- bzw. SLR-Stationen- zzgl. einiger Punkte aus mobilen VLBI-Messungen die Grundlage für das ETRF89 bilden. Im weiteren kann die Entwicklung so veranschaulicht werden, dass die mittlere Plattenbewegung der Stationen des Europäischen Festlandssockels von den ITRF-Bewegungen abgezogen wird, so dass die Koordinaten der meisten europäischen Stationen stabil bleiben. Das Punktnetz wurde in den Folgejahren durch die sogenannten EUREF- Kampagnen verdichtet (z.b. EUREF-D/NL93, Abb. 3). Die Westeuropäischen Staaten lagen hierbei im Vordergrund, bis die politische Gesamtsituation auch die Ausweitung auf die Osteuropäischen Staaten erlaubte. 8

9 Abb. 3: EUREF-Stationen zum Ende des Jahres 1992 (EUREF 1993) Heute wird das ETRS89 durch das EUREF Permanent Network (EPN) realisiert (Abb. 4). Dabei handelt es sich um ein wissenschaftlich motiviertes Punktnetz aus ca. 250 GNSS-Permanentstationen (GPS und GLONASS), deren Genauigkeit mit 1 cm in jeder Beobachtungsepoche angegeben wird (class A-Stations, Sporadisch werden von EUREF neue Referenzrahmen ETRFyyyy veröffentlicht. Seit 2008 gilt das ETRF2000, für das die Koordinaten und Geschwindigkeiten des ITRF2005 in das ETRS89 transformiert wurden. 9

10 Abb. 4: Das EUREF Permanent Network EPN (Status Juli 2010) 4 Nationales Bezugssystem für Deutschland Auch wenn die Einführung des von der EU als einheitliches Bezugssystem für europäische Geodaten empfohlene Bezugssystem ETRS89 und alle weiteren Stufen der Netzverdichtung in der Verantwortung der einzelnen europäischen Staaten liegt, wurde es inzwischen in praktisch allen europäischen Ländern als Grundlage der Landesvermessung eingeführt. Die Nutzung der Raumverfahren und insbesondere der zunehmende Einsatz von GNSS-Anwendungen haben das Vermessungswesen dahingehend so klar beeinflusst, dass die unterschiedlichen Referenzsysteme, die die einzelnen Staaten früher für ihre nationalen geodätischen Aufgaben verwendeten, heute nach und nach abgelöst werden müssen. Die Realisierungen des Bezugssystems auf europäischer Ebene wird dann durch weitere Verdichtungsstufen vom Großen ins Kleine mit hoher Genauigkeit bis in die Landesvermessung oder gar ins Kataster vereinheitlicht und jederzeit verfügbar gemacht. 10

11 Innerhalb Deutschlands, wo aufgrund seiner geschichtlichen Entwicklung und des föderalistischen Aufbaus die geodätischen Grundlagennetze extrem heterogen gestaltet waren, war es gleichzeitig mit den Bestrebungen nach Vereinheitlichung im europäischen Rahmen durch zunehmende politische Integration vor allem die deutsche Wiedervereinigung, die eine Neudefinition eines einheitlichen deutschen Referenzsystems erforderlich machte. 4.1 Einführung von ETRS89 in Deutschland Die Arbeitsgemeinschaft der Vermessungsverwaltungen der Länder der Bundesrepublik Deutschland AdV hat im Mai 1991 beschlossen, das Europäische Datum ETRS89 als neues Bezugssystem für Geobasisinformation der Landesvermessung und des Liegenschaftskatasters einzuführen. Erstmalig gibt es auf diese Weise ein dreidimensionales Bezugssystem, das die bisherige klare Trennung von Lage- und Höhenbezugssystemen in der deutschen Landesvermessung aufhebt. In der Praxis können die kartesischen Koordinaten des ETRS89 durch Nutzung des Bezugsellipsoids GRS80 als Rechenfläche natürlich trotzdem in Lagekomponenten und ellipsoidische Höhe umgerechnet und je nach Anwendung getrennt weiterverwendet werden. Bei der Festlegung des neuen Bezugssystems hatte man keine Rücksicht darauf nehmen können, dass in den Bundesländern erst kurz zuvor mit die Erneuerung der alten Grundlagennetze des DHDN begonnen worden war. Man hat daher a- ber vorgesehen, die erneuerten Systeme neben dem neuen System noch eine Zeit lang parallel zu führen. Die Lösungen des erneuerten DHDN waren letztlich doch wieder Lösungen einzelner Bundesländer geworden (in NRW beispielsweise Netz77) und führten wie bisher in der Historie der deutschen Bezugssystem stets zu Spannungen in den Netzen an den Ländergrenzen. Laufende Arbeiten sollten jedoch zu Ende geführt werden können. Im Jahr 1995 ergänzte die AdV den Beschluss durch Festlegung der Universalen Transversalen Mercator-Abbildung (UTM) als einheitlichem Abbildungssystem für groß- und kleinmaßstäbige Karten. 4.2 Realisierung des Systems ETRS89 in Deutschland Zur praktischen Anwendung des ETRS89 sind natürlich wesentlich engmaschigere Festpunktnetze als im europäischen Rahmen notwendig. Für Deutschland wurde eine mehrstufige Hierarchie vorgegeben, in der die ursprünglich in

12 gemessenenen EUREF-Punkte als A-Netz gelten, Punkte einer deutschlandweiten Messung als B-Netz, und diejenigen im Verantwortungsbereich der Landesvermessungsverwaltungen aus der nächsten Verdichtungsstufe als C-Netze vorgesehen waren Das Deutsche Referenznetz 1991 Das Deutsche Referenznetz 1991 (DREF91) war ursprünglich als Voraussetzung für das neue einheitliche Bezugssystem Deutschlands vorgesehen. Als erste deutsche Realisierung des ETRS89 in Deutschland gedacht, wurde bereits im Jahre 1991 eine großangelegte GPS-Kampagne zur Verdichtung des Netzes EU- REF durchgeführt (Lindstrot 1999). 84 neue Punkte kamen zu den bestehenden EUREF-Punkten hinzu. Als Anschlusspunkte dienten Punkte der Kampagne EUREF-D/NL93, die ursprünglich im ITRF91 ausgewertet worden war. Durch Transformation wurden sie in das ETRF91 (Epoche ) überführt. In der Schweiz beispielsweise wurden zur landesweiten Verdichtung die Koordinaten im ITRF93 berechnet und anschließend nach ETRF93(Epoche =1993.0) transformiert (Wiget 2008). Im Nachhinein erwies sich jedoch die Genauigkeit der DREF-Koordinaten als problematisch. Messanordnung, Empfänger und Auswertetechnik hatten dem Stand der Technik in 1991 zwar entsprochen, aber schon allein die Konstellation des GPS mit nur ca. 15 aktiven Satelliten während der Messkampagne erlaubte die Koordinatenbestimmung nur mit einer Genauigkeit von 1 bis 2 cm in der Lage und 2 bis 4 cm in der Höhe (Beckers et al. 2005). Obwohl sich die nicht ausreichende Genauigkeit insbesondere durch Spannungen in den Höhenkomponenten negativ bemerkbar machte, wurden weitere Verdichtungsnetze unter Zwang in DREF91 eingerechnet, so auch die Stationen des Satellitenpositionierungsystems SAPOS (vgl. Kap ). Die Landesvermessungsämter haben für ihren jeweiligen Zuständigkeitsbereich weitere Referenzpunkte bestimmt. Nordrhein-Westfalen beispielsweise hat das Netz DREF (B-Netz) durch das sogenannte NWREF (C-Netz) durch Hinzufügen weiterer 169 Punkte bis zu einem durchschnittlichen Punktabstand von 15 bis 20 km verdichtet, die in den Rahmen ETRF91 (1989.0) eingerechnet wurden (Irsen & Spata 1999). Anzumerken sei hier, dass es sich bis zu diesem Zeitpunkt zum größten Teil um Kampagnenmessungen handelt, während in heute nur noch Permanentstationen als Referenz verwendet werden. 12

13 4.2.2 SAPOS als Realisierung von ETRS89 Die Referenzpunkte der GNSS-Positionierungsdienste werden als weitere Realisierung des Referenzsystems ETRS89 angesehen. Exemplarisch wird hier der Satellitenpositionierungsdienst der deutschen Landesvermessung SAPOS ( behandelt. Sein Aufbau begann im Jahr 1995, in dem e- benfalls der Vollausbau des GPS offiziell bekannt gegeben wurde. Seit 2002 ist SAPOS flächendeckend zum Echtzeitpositionierungsdienst mit vernetzten Referenzstationen ausgebaut. Homogene Koordinaten der Referenzstationen lagen zunächst nicht vor, da sie mit unterschiedlichen Mess- und Auswertemethoden ermittelt und in DREF91 eingerechnet worden waren. In den verschiedenen Bundesländern wurden beispielweise unterschiedliche ITRF-Realisierungen verwendet und keine länderübergreifenden Lösungen erstellt. Zur Analyse des vorhandenen Zustands beauftragte die AdV das Bundesamt für Kartographie und Geodäsie (BKG) mit der sogenannten Diagnoseausgleichung (Beckers et al. 2005). Eine Woche Daten (42. KW 2002, GPS-Woche 1188) aller 260 SAPOS-Stationen wurde einer gemeinsamen Ausgleichung unterzogen, um einen deutschlandweiten, homogenen, spannungsfreien Koordinatensatz mit einer inneren Genauigkeit von ca. 1 cm zu erzeugen (Die Vernetzung erfordert eine innere Genauigkeit der Koordinaten von besser als 1 cm für die Lage). Eingebunden wurden 8 IGS-Stationen zur Definition des geodätischen Datums und zur Einbindung des SAPOS-Netzes in das EUREF-Netz und neun Stationen aus den Nachbarländern, um eine ausreichenden Genauigkeit in den Grenzregionen zu gewährleisten. Die Auswertung erfolgte zwar nach den Maßgaben von EU- REF, jedoch sollte die alte Lagerung in der Realisierung von DREF91 beibehalten werden, um die Koordinatenabweichungen für die Menge der bisher in DREF91 und mit SAPOS abgeleiteten Koordinaten möglichst gering zu halten. Spannungen zu den Nachbarländern wurden in Kauf genommen. Die innere Genauigkeit der neu ausgeglichenen Koordinaten beträgt für die Lage und die Höhe ca. 1 cm. Durch die Transformation der Ergebnisse aus der Diagnoseausgleichung auf die bisherigen amtlichen Koordinaten (DREF91) wurden die Werte dann um maximal 1 cm in der Lage und 8 mm in der Höhe verändert. Betrachtet man aber die Differenzen dieser neuen Koordinaten zu den alten Koordinaten vor der Diagnoseausgleichung, betragen diese bis zu 4 cm in der Lage und bis 5 cm in der Höhe (in Wissen und Kiel bis 7 cm in der Höhe), ein systematischer Trend ist nicht erkennbar. 13

14 Mit der Diagnoseausgleichung der SAPOS-Referenzstationen in 2002 (Bezug Epoche und Lagerung in DREF91) wurde wiederum eine neue Realisierung des ETRS89 erzeugt. Die AdV empfahl den 16 Ländern mit Beschluss vom Mai 2003 die Einführung der nun homogenen, spannungsfreien Koordinaten der Diagnoseausgleichung als neue amtliche Koordinaten ihrer SAPOS- Referenzstationen, was noch in 2003 in allen Bundesländern durchgeführt wurde. Um Spannungen zu allen vorher entstandenen Koordinaten zu vermeiden, wurde den Ländern deren Anpassung daher empfohlen. Als Alternative war die Möglichkeit vorgesehen, die neuen Koordinaten der Referenzstationen nur dann einzuführen, wenn der Raumvektor gebildet aus den Koordinaten vor und nach der Diagnoseausgleichung die Länge von 15 mm überschreiten sollte. Die Ausführung wurde in der Praxis mit unterschiedlichem Aufwand durchgeführt: In Niedersachsen beispielsweise wurden nur zwei Punkte in der Lage angepasst, in Bayern und Nordrhein-Westfalen aber fand eine durchgreifende Erneuerung statt. Neue Inhomogenitäten, allerdings auf wesentlich geringerem Niveau, sind die Folge Das Integrierte Geodätische Referenznetz Deutschlands GREF Das Integrierte Geodätische Referenznetz Deutschland GREF wird vom Bundesamt für Geodäsie und Kartographie (BKG) betrieben, um ein einheitliches dreidimensionales, in ETRS und ITRS eingebundenes Referenzsystem für Deutschland zu realisieren ( Insbesondere werden die GNSS-Positionierungsdienste durch das GREF gestützt. GREF besteht aus etwa 30 Permanentstationspunkten (Abb. 5), an denen die GNSS-Beobachtungen mit weiteren Messwerten wie beispielsweise Absolutschwerewerte und meteorologische Parameter kombiniert werden. Ein Teil der Stationen ist ebenfalls Bestandteil der internationalen und europäischen Stationsnetze IGS und EPN. Alle Stationen sind außerdem an das Deutsche Haupthöhennetz DHHN angeschlossen. Die Genauigkeit der Stationskoordinaten wird mit besser als " 5 mm für die Lage und besser als " 10 mm für die Höhe angegeben (BKG 2009). 14

15 Abb. 5: Das Integrierte Geodätische Referenznetz Deutschland GREF (BKG2009) 4.3 Ein bundesweit einheitliches Festpunktfeld für Deutschland Mit zunehmendem Einsatz der GNSS-Beobachtungsverfahren hatten die Länder ausgesprochen unterschiedliche Wege zum Umgang mit ihrem Festpunktfeld eingeschlagen. Die AdV entwickelte in 2004 eine Strategie für den einheitlichen Raumbezug des amtlichen Vermessungswesens in Deutschland, der ein bundesweit einheitliches, aus vier Komponenten bestehendes Festpunktfeld vorsieht (AdV 2006). 15

16 1) Geodätische Grundnetzpunkte im System ETRS89 2) Referenzstationspunkte im System ETRS89 3) Höhenfestpunkte 1. Ordnung im Bezugssystem DHHN92 4) Schwerefestpunkte im Bezugssystem DHSN96 Die Koordinaten der Grundnetz- und Referenzstationspunkte sollen eine Standardabweichung von 5 mm in der Lage 8 mm für die Höhe nicht überschreiten, sie sollen geändert werden, wenn sich ihr Wert in der Lage um mindestens 10 mm oder in der Höhe um 15 mm geändert hat. Einige grobe Spezifikationen sind vorgegeben, die nähere Ausgestaltung wird den Ländern überlassen. In Nordrhein-Westfalen beispielsweise bilden die bestehenden EUREF-, DREF- und NWREF-Punkte zusammen mit den SAPOS- Referenzstationen die Grundnetzpunkte. Sie werden regelmäßig überwacht und gepflegt, während die Masse der übrigen TP nicht weiter verwendet werden. Die Einführung des neuen Bezugssystems in der Landesvermessung erfordert die Überführung unzähliger Koordinaten in den neuen Rahmen. An den Stützpunkten (in NRW bis herunter zu NWREF) liegen für den Übergang der Bezugssysteme Koordinaten im System ETRS89 und außerdem im Netz 77 vor. Derzeit werden beide Systeme noch parallel geführt, da die flächenhafte Überführung aller Koordinaten (Geobasisdaten) in das neue Bezugssystem noch nicht überall abgeschlossen ist. 5 Ausblick Durch die schnelle Entwicklung von GPS vollzieht sich im Bereich des geodätischen Raumbezugs in Deutschland ein großer Umbruch hin zu völlig neu und anders gestalteten Bezugssystemen. Während die traditionelle Realisierung eines Bezugssystems mit den klassischen Messverfahren zu einer Arbeit vom Kleinen ins Große zwang und Netze vergrößert wurden, geht man heute den umgekehrten Weg. Dreidimensionale globale Systeme werden bis herunter in den regionalen oder gar lokalen Bereich verdichtet. Auch die strenge Aufteilung in Lage- und Höhensysteme ist aufgehoben, auch wenn natürlich die Verwendung der physikalisch definierte Höhen aus praktischen Gründen nach wie vor notwendig ist. 16

17 In Deutschland hatte man sich schnell entschlossen, den Versuch aufzugeben, die mit modernen Raumverfahren gemessene hochgenaue Netze in die klassischen Bezugssysteme einzurechnen und dadurch zu verbiegen. Eine vollständige Neudefinition zugunsten von ETRS89 war das Mittel der Wahl. Innerhalb der EU wird durch Einführung von ETRS89 ein einheitlicher Raumbezug hergestellt, auch wenn durch die abweichende Lagerung der SAPOS-Stationen auf das Netz DREF91 neue Spannungen bis zu 1 cm auftreten können. Noch ist die Überführung aller Koordinaten in das neue System nicht vollständig abgeschlossen und altes und neues System werden mit hohem Aufwand an Transformationsberechnungen und Verwaltung parallel geführt. Nach dem Abschluss der Arbeiten kann ein System der Homogenität bis zu den kleinsten Teilen vorliegen, in dem die Nutzung aller Geobasisdaten in einem einheitlichen, spannungsfreien Bezugssystems möglich sein wird. Die Vorteile der Koordinatenbestimmung über die GNSS- Positionierungsdienste, die in Echtzeit und mit geringem personellen Aufwand durchgeführt werden können, sind hohe Genauigkeit und Wirtschaftlichkeit. Anschlussvermessungen fallen kaum noch an und Festpunktfelder werden nur noch in sehr ausgedünnter Weise gepflegt. Jedoch sind auch die Festpunktfelder der Gegenwart nicht völlig wartungsfrei. Regelmäßiges Monitoring des SAPOS-Netzes durch das BKG ist im Hinblick auf Genauigkeit und Stabilität erforderlich. Die Hypothese der stabilen Punkte und unveränderten Zahlenwerte ist aus verschiedenen Gründen nicht haltbar. Im großräumigen Sinn liegen säkulare Punktbewegungen durch intrakontinentale Bewegungen wie die fennoskandische Landhebung oder die andauernde Gebirgshebung der Alpen vor, die im globalen System durch die Geschwindigkeitsvektoren erfasst werden. Periodische Bewegungen (Erdgezeiten, Auflasteffekte) werden modelliert und fallen hier nicht ins Gewicht. Aber auch kleinräumig muss in Deutschland mit Änderungen von Koordinaten überall dort gerechnet werden, wo tektonische oder anthropogene Bewegungen (z.b. Bergsenkungsgebiete, Görres & Kuhlmann 2008) auftreten. Größere Sprünge in der Kontinuität einer Koordinate ergeben sich durch Erdbeben, was in Deutschland selten vorkommt, aber regelmäßig durch Wechsel des Instrumentariums. Nicht gelöst ist beispielsweise das Problem der abrupten Änderungen der Höhenkomponente bis zu mehreren Zentimetern, die bei Antennenwechseln an SAPOS-Stationen auftreten und wahrscheinlich durch Änderungen des Antennen-Nahfeldes verursacht werden (Wanninger 2008). 17

18 Literatur AdV: Richtlinien für den einheitlichen Raumbezug des amtlichen Vermessungswesens in der Bundesrepublik Deutschland, Stand: , Arbeitsgemeinschaft der Vermessungsverwaltungen der Länder der Bundesrepublik Deutschland, 2006 Angermann, D., M. Bloßfeld, H. Drewes, M. Gerstl, R. Heinkelmann, R. Kelm, H. Müller, M. Seitz: Stand und zukünftige Entwicklungen bei der Realisierung terrestrischer Referenzsysteme, Vortrag an der FGS-Begutachtung, Bad Kötzting, Juni 2010 Beckers, H., K. Behnke, H., U. Faulhaber, J. Ihde, W. Irsen, J. Lotze, M. Strerath: Diagnoseausgleichung SAPOS Homogenisierung des Raumbezugs im System ETRS89 in Deutschland, Zeitschrift für vermessungswesen, , 2005 Beutler, G.; Bauersima, I.; Gurtner, W.; Rothacher, M.; Schildknecht, T.; Geiger, A.Atmospheric refraction and other important biases in GPS carrier phase observations, Mitt. Satell.-Beobachtungsstn. Zimmerwald, Nr. 22, 26ff, 1987 BKG: Integriertes Geodätisches Referenznetz Deutschlands, Bundesamt für Kartographie und Geodäsie Frankfurt am Main, 2009 Boucher, C., Z. Altamimi, ITRS, PZ-90 and WGS84: current realizations and the related tranformation parameters, Journal of Geodesy, 75(11), , 2001 Boucher, C., Z. Altamimi : Memo : Specifications for reference frame fixing in the analysis of a EUREF GPS campaign, EUREF: E. Gubler und H. Hornik (Editors): IAG Section I Positioning, Subcommission for the European Reference Frame (EUREF) Publication Nr. 2; Bayerische Kommission für dieinternationale Erdmessung, Astronomisch- Geodätische Arbeiten Heft Nr. 53, München, 1993 Görres, B.; Kuhlmann, H.: How groundwater withdrawal and recent tectonics cause damages of the earths surface: Monitoring of 3D site motions by GPS and terrestrial measurements, Journal of Applied Geodesy 1, , de- Gruyter Berlin, 2007 Hofmann-Wellenhoff, B., H. Lichtenegger, E. Wasle: GNSS - Global Navigation Satellite Systems: GPS, GLONASS, Galileo & more, Springer, Wien 2007 Irsen, W., M. Spata: ETRS89 European Terrestrial Reference System, NÖV 32, ,

19 Lindstrot W.: Das Deutsche Referenznetz 1991 DREF 91. Mitteilungen des Bundesamtes für Kartographie und Geodäsie, Band 9, Frankfurt am Main, 1999 McCarthy, D. Gerard Petit, G.: IERS Conventions, IERS Technical Note No.32, Verlag des Bundesamtes f. Kartographie u. Geodäsie, Frankfurt/Main, 2003 NIMA TR8350.2: Department of Defense World Geodetic System Its Definition and Relationships with Local Geodetic Systems, Third Edition 4 July 1997, Amendment Nothnagel, A., Angermann, D., Börger, K., Dietrich, R., Drewes, H., Görres, B., Hugenobler, U., Ihde, J., Müller, J., Oberst, J., Pätzold, M., Rothacher, M., Schreiber, U., Schuh, H., Soffel, M.: Space-Time Reference Systems for Monitoring Global Change and for Preciese Navigation, Mitteilungen des Bundesamtes für Kartographie und Geodäsie, Band 44, 2010 Wanninger, L., Fettke, M.: GNSS-Antennenwechsel auf den SAPOS- Referenzstationen in Rheinland-Pfalz. zfv, 133: , 2008 Wiget, A. : Das Bezugssystem ETRS89 und nationale Koordinatensysteme der Schweiz,