Realisierung eines globalen terrestrischen Referenzsystems

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1 Realisierung eines globalen terrestrischen Referenzsystems M. Seitz, B. Meisel, D. Angermann, H.Drewes

2 Motivation GGOS-D-Projekt (GFZ/TUM, DGFI, IGG, BKG): homogen prozessierte GPS-, VLBI und SLR-Beobachtungen ermöglichen die Berechnung eines globalen terrestrischen Referenzrahmens hoher Genauigkeit und Konsistenz Parameter: Stationspositionen, Polkoordinaten, UT1-UTC, Nutation, Troposphärenparameter GGOS-D-Referenzrahmen ist die Grundlage für: eine einheitliche Referenzierung aller Ergebnisse (Parameter) des GGOS-D-Projektes Vergleichbarkeit ist gewährleistet Validierung der Parameter, die aus den täglichen Lösungen resultieren: Zeitreihen der Stationspositionen, EOP, (Troposphärenparameter)

3 Motivation Vorteile des GGOS-D-TRF gegenüber ITRF2005: 1. Homogen prozessierte Daten, längerer Zeitraum 2. Verbesserte Modellierung: - GPS: absolute an Stelle relativer Phasenzentrumskorrektionen (Änderung der Positionen um bis zu 10 mm) - VLBI: Änderung des Polgezeitenmodells (... bis zu 10 mm) 3. Vergleichbarkeit der Parameter gewährleistet zum Beispiel: Vergleich zeitvariabler Effekte in den Stationspositionszeitreihen zwischen den Verfahren und mit geophysikalischen Modellen

4 Eingangsdaten Homogen prozessierte Daten mit hoher zeitlicher Auflösung (Normalgleichungen) Zeitraum zeitl. Auflösung VLBI (Kombin. IGG/DGFI) SLR (Kombin. DGFI/GFZ) GPS (GFZ) h - Sessionen wöchentlich täglich

5 TRF - Kombinationsmodell

6 TRF - Kombinationsmodell 1. Teil: Analyse der Stationspositionszeitreihen und Berechnung eines TRF pro Beobachungsverfahren Modellierung der Zeitabhängigkeit der Stationspositionen durch Parameterisierung in: - Positionen - Geschwindigkeiten - jährl. Signale - Diskontinuitäten

7 TRF - Kombinationsmodell 1. Teil: Analyse der Stationspositionszeitreihen und Berechnung eines TRF pro Beobachungsverfahren Modellierung der Zeitabhängigkeit der Stationspositionen durch Parameterisierung in: - Positionen - Geschwindigkeiten - jährl. Signale - Diskontinuitäten 2. Teil: Kombination der unterschiedlichen Verfahren - Relative Gewichtung - Auswahl terrestrischer Differenzvektoren (local ties) - Kombination der Geschwindigkeiten - Kombination der EOP

8 TRF je Verfahren Diskontinuitäten Positions- und Geschwindigkeitsänderungen Tabelle der Diskontinuitäten je Verfahren GPS ITRF2005 GGOS-D 221 bei 332 Stationen 121 bei 240 Stationen SLR 3 bei 65 Stationen 12 bei 71 Stationen VLBI 9 bei 94 Stationen 5 bei 49 Stationen DORIS 16 bei 118 Stationen Verbesserung insbesondere für GPS, GGOS-D-Daten sind homogen reprozessiert Beispiel: GPS-Station Villafranca: ITRF2005: 3 GGOS-D : 1

9 TRF je Verfahren Jährliche Variationen Vergleich mit geophysikal. Daten Vergleich von GPS-ZR (blau) mit Modellwerten (rot und grün) Modell berücksichtigt atmosphärische ozeanische und hydrologische Auflastvariationen

10 TRF je Verfahren Jährliche Variationen Beispiel Brasilia

11 TRF je Verfahren Gestalt des jährlichen Signals Brasilia Ankara

12 TRF je Verfahren Gestalt des jährlichen Signals kann durch jährliche und halbjährliche Sin/Cos-Funktionen approximiert werden Brasilia Ankara

13 TRF je Verfahren TRF mit Jahresperioden Vorschlag: zusätzlich zu Positionen und Geschwindigkeiten schätzen einer jährlichen Sinus-Cosinus-Fkt. auf allen Stationen Vorteil: systematische Fehler in Geschwindigkeiten werden verringert optimale Lagerung auf diesem Referenzrahmen Nachteil: Mehr Parameter

14 TRF je Verfahren TRF mit Jahresperioden zusätzliche Singularität bezüglich des Geodätischen Datums Koordinatenursprung und Maßstab: können weiterhin durch die Verfahren selbst festgelegt werden Zusätzliche Bedingungen für Rotationen: Minimieren der jahreszeitlich variierenden Rotation des Netzes

15 Berechnung des TRF Auswahl terrestrischer Differenzvektoren SLR-VLBI # 11 Bild! SLR-GPS # 30 VLBI-GPS # 28 15

16 Berechnung des TRF Vergleich der Positionsdifferenzen aus Raumbeobachtungsverfahren mit terrestrischen Differenzvektoren Vektordifferenz [mm] (für GPS-VLBI-Ko-lokationen) ITRF2005 GGOS-D Terrestrischer Differenzvektor Vektordifferenz Stationen Differenzvektor auf auf der der Südhalbkugel aus südl. den Hemisphere Raumbeobachtungsverfahren 16

17 Berechnung des TRF Vergleich der Positionsdifferenzen aus Raumbeobachtungsverfahren mit terrestrischen Differenzvektoren Vektordifferenz [mm] (für GPS-VLBI-Ko-lokationen) ITRF2005 GGOS-D Stationen auf der Südhalbkugel Höhenkomponente profitiert am stärksten

18 Berechnung des TRF Vergleich der Positionsdifferenzen aus Raumbeobachtungsverfahren mit terrestrischen Differenzvektoren Vektordifferenz [mm] (für GPS-VLBI-Ko-lokationen) ITRF2005 GGOS-D Differenzen zwischen GGOS-D und ITRF2005: Höhenkomponente ist am Meisten beeinflusst Ursachen sind: GPS: Der Wechsel von relativen zu absoluten PCV für GPS Antennen VLBI: Änderung der Beschreibung des mittleren Pols für die Berücksichtigung der Polgezeiten stations of southern hemisphere

19 Berechnung des TRF Auswahl der terrestrischen Differenzvektoren Methode: Kombination der Stationspositionen EOP werden zunächst nicht kombiniert Kriterien: 1. Die Konsistenz des TRF sei maximal Indikator: die mittl. Differenz der Polkoordinaten ist minimal EOP 2. Die Deformation der Netze sei minimal Indikator: das mittl. Residuum der Stationskoordinaten aus der Transformation der kombinierten Lösung auf die individuellen Lösungen der Verfahren ist minimal GPS GPS EOP VLBI 19

20 Berechnung des TRF Auswahl der terrestrischen Differenzvektoren Methode: Kombination der Stationspositionen EOP werden zunächst nicht kombiniert Kriterien: 1. Die Konsistenz des TRF sei maximal Indikator: die mittl. Differenz der Polkoordinaten ist minimal EOP 2. Die Deformation der Netze sei minimal Indikator: das mittl. Residuum der Stationskoordinaten aus der Transformation der kombinierten Lösung auf die individuellen Lösungen der Verfahren ist minimal GPS EOP VLBI 20

21 Berechnung des TRF Auswahl der terrestrischen Differenzvektoren Mittlere Poldifferenz 5 Gruppen von Vektoren Deformation des Netzes 4 Genauigkeitsniveaus

22 Berechnung des TRF Auswahl der terrestrischen Differenzvektoren Mittlere Poldifferenz Deformation des Netzes

23 Berechnung des TRF Auswahl der terrestrischen Differenzvektoren Mittlere Poldifferenz Mittl. Poldifferenz 35 µas ( 1 mm) Netzdeformation 0.3 mm Deformation des Netzes Anzahl der Ko-lokationen 19 ITRF2005: Poldifferenz: 41 µas Deformation: 1.0 mm Anzahl der Ko-lokationen 13

24 Berechnung des TRF Auswahl der terrestrischen Differenzvektoren x-pol-zeitreihe der Lösung [12mm/σ=2mm] w.r.t. IERS C04_05 VLBI WRMS = µas GPS WRMS = 99.8 µas Mittl. Diff. = 35 µas

25 TRF und CRF Gemeinsame Berechnung von TRF und CRF garantiert die Konsistenz beider Rahmen sowie der zugehörigen EOP keine Orientierungs- änderung relativ zu a priori (ICRF) zeitunabhängige Bedingungen Quasar- koordinaten keine Orientierungsänderung relativ zu a priori (ITRF2005) EOP Stationskoordinaten zeitabhängige Bedingungen keine Rotation des TRF relativ zu a priori (APKIM) Zu erwarten: Stabilisierung der Quasarkoordinaten insb. im südlichen Teil des CRF.

26 Troposphärenparameter GPS: Korrelation von Laufzeitverzögerung in Zenitrichtung (ZD) und Stationshöhe

27 Troposphärenparameter VLBI: Korrelation von Laufzeitverzögerung in Zenitrichtung und Stationshöhe

28 Troposphärenparameter VLBI: Korrelation von Laufzeitverzögerung in Zenitrichtung und Stationshöhe

29 Parameter Bisher berücksichtigte Parameter: Stationskoordinaten Polkoordinaten UT1-UTC Nutationsparameter Weitere Parameter: Troposphärenparameter (gemeinsame Parameter von GPS und VLBI) - Kombination der Troposphärenparameter für Epochenreferenzrahmen getestet Stabilisierung der Lösung (1-4 mm für VLBI-Stationen) Wegen hoher Korrelation zwischen ZD und Stationshöhe!

30 Zusammenfassung Berechnung des TRF aus homogenen prozessierten NEQ Anzahl der Diskontinuitäten in den Stationspositionszeitreihen wurde durch homogene Prozessierung stark reduziert saisonale Variationen sind zumindest teilweise auf geophysikalische Effekte zurückführbar und können durch Sin-Cos-Funktionen approximiert werden zusätzliche Datumsbedingungen sind notwendig terrestrische Differenzvektoren weisen kleinere Diskrepanzen zu den Lösungen der Raumbeobachtungsverfahren auf als beim ITRF2005 (insb. auf der Südhalbkugel)

31 Zusammenfassung Gemeinsame Berechnung von TRF und CRF Konsistenz beider Rahmen und der EOP Stabilisierung des CRF Berücksichtigung weiterer Parameter Sinus-Cosinus-Funktionen Troposphärenparameter

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33 Outlook Future work implement annual and semi-annual signals for all techniques and in the final TRF (combine annual signals at co-location sites) - to avoid deformation of the frames and - to guarantee an improved alignment at each epoch combine TRF (including all techniques) and CRF investigate effect in CRF (stabilization) 2. Statusseminar GEOTECHNOLOGIEN Munich, 22./23. November

34 Inhaltsfolie Computation of the TRF 34

35 TRF and CRF Computation of TRF and CRF in one adjustment guaranties for consistency of the two frames and the corresp. EOP Realizing the orientation of the frames by 3 undeforming conditions time independent conditions time dependent conditions no orientation change w.r.t. a priori (ICRF) quasar coordinates EOP no orientation change w.r.t. a priori (ITRF2005) station coordinates no net rotation w.r.t. a priori (ITRF2005) 2. Statusseminar GEOTECHNOLOGIEN Munich, 22./23. November

36 TRF per technique Shape of seasonal signal can be approximated by sine/cosine annual and semi-annual functions Brasilia Ankara 2. Statusseminar GEOTECHNOLOGIEN Munich, 22./23. November

37 TRF je Verfahren Berücksichtigung jahreszeitlicher Signale Durch Parameterisierung und Schätzung oder Modellierung? Vorteile: Verbesserte Geschwindigkeitsschätzung Bessere Lagerung von Epochenlösungen Nachteile und offene Fragen: Mehr zu schätzende Parameter (Stabilität?) Kann eine jährliche Sin-Cos-Funktion die Variation beschreiben? Haben jährliche Signale geophysikalische Ursachen?

38 TRF and CRF Computation of TRF and CRF in one adjustment guaranties for consistency of the two frames and the corresponding EOP actual VLBI is the only technique, which can link both frames first computation is based on VLBI observations the orientation of the frames was realized by 3 conditions n i=1 r i r i = 0 (no orientation change wrt. a priori (ITRF2005) ) n i=1 r i v i = i=1 r i 0 r i0 n = const. (no net rotation) 2. Statusseminar GEOTECHNOLOGIEN Munich, 22. / 23. November