Entwicklung und Erprobung eines digitalen Zenitkamerasystems für die hochpräzise Lotabweichungsbestimmung

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1 WISSENSCHAFTLICHE ARBEITEN DER FACHRICHTUNG VERMESSUNGSWESEN DER UNIVERSITÄT HANNOVER ISSN Nr. 253 Entwicklung und Erprobung eines digitalen Zenitkamerasystems für die hochpräzise Lotabweichungsbestimmung SUB Göttingen B Vom Fachbereich Bauingenieur- und Vermessungswesen der Universität Hannover zur Erlangung des Grades DOKTOR - INGENIEUR genehmigte Dissertation von Dipl.-Ing. Christian Hirt HANNOVER 2004

2 T Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung Einführung und Ziele Gliederung Grundprinzip der Lotabweichungsbestimmung Entwicklung und Nutzung von Zenitkameras Historische Entwicklungen Photographische Zenitkameras Stand der Forschung 9 2 Grundlagen Eigenschaften des CCD-Sensors Funktionsprinzip und Leistungsmerkmale Geometrische Fehlerquellen Radiometrische Fehlerquellen Zeitsysteme Rotationszeitskalen Atomzeitskalen Modellzeitskalen Bezugssysteme Zälestische Bezugssysteme Terrestrische Bezugssysteme Erdorientierung Unterteilung nach Phänomenen Verknüpfung von ITRS und ICRS Genauigkeit und Verfügbarkeit 31 3 Das digitale Zenitkamerasystem TZK2-D Instrumentelle Realisierung 32

3 II INHALTSVERZEICHNIS Mechanik Optik CCD-Kamera KX2E Neigungssensoren HRTM GPS-Ausrüstung Zeitmessung und Synchronisation Rechnereinheit Stromversorgung Stativwagen und Transport Softwarerealisierung Datenakquisition Datenprozessierung Ergänzungsmodule Justierverfahren Fokussierung., Justierung der Azimutdrehung Messung mit dem Zenitkamerasystem Vorbereitungen Datenakquisition Bewertung und Vergleich 49 4 Datenprozessierung Einführung Digitale Bildverarbeitung Grundlagen Analyse der Bilddaten Sterndetektion Bildkoordinatenmessung Referenzsterne Sternkataloge Reduktion der Sternkoordinaten Tangentialprojektion Organisation der Katalogdaten Aufbereitung des Referenzsternfeldes Sternidentifizierung Einführung 83

4 INHALTSVERZEICHNIS III Identifizierung über ähnliche Dreiecke Identifizierung des gesamten Sternfeldes Sternselektion Fazit Reduktion der Zenitaufnahmen und Berechnung der Drehrichtung Verknüpfung von Bild- und Tangentialkoordinaten Berechnung der Drehrichtung Korrektionen Neigungskorrektion Azimutkorrektion Polbewegungskorrektion Kalibrierung Zälestische Kalibrierung Einführung Grundprinzip Praktische Durchführung Koordinatensysteme und deren Verknüpfung Ausgleichungsmodelle Resultate Diskussion Azimutkalibrierung Einführung Praktische Durchführung, Ausgleichungsmodell Resultate Diskussion Verschlusskalibrierung Einführung Verschlussfunktion Praktische Durchführung Auswertung und Resultate Diskussion Fehlerhaushalt Einführung Drehpunktberechnung 131

5 IV INHALTSVERZEICHNIS Genauigkeit der Astrometrie Systematische instrumentelle Fehlerquellen Systematische äußere Fehlerquellen Fazit Neigungsmessung Zufällige Fehlerquellen Systematische Fehlerquellen Fazit Zeitmessung Azimutkorrektion Geodätische Koordinaten Zusammenstellung und Vergleich Erprobung Vergleichsmessungen Vergleichsmessungen in Hamburg Vergleichsmessungen in Hannover Lotabweichungsmessungen in der Schweiz Profilhafte Geoidbestimmung in Benthe Zusammenstellung und Diskussion Zusammenfassung und Ausblick 163 A Zusammenstellung der Lotabweichungsmessungen 168 A.l Lotabweichungsmessungen in Hannover 168 A.2 Lotabweichungsmessungen in Hamburg 169 A.3 Lotabweichungsmessungen in der Schweiz 170 A.4 Lotabweichungsmessungen in Benthe 172 B Verfügbarer Sternvorrat und Beobachtungszeiten 173 Literaturverzeichnis 175 Danksagung 187