Kontinental und global angebundene Referenzsysteme im Vergleich ETRS versus ITRS

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1 Kontinental und global angebundene Referenzsysteme im Vergleich ETRS versus ITRS Heinz Habrich Bundesamt für Kartographie und Geodäsie Frankfurt am Main

2 Vortragsziele Unterschiede der globalen und kontinentalen Lagerung am Beispiel des EUREF GPS Permanent-Netzes (EPN) aufzeigen Anwendung von jeweils verschiedene Alternativen der Lagerung verdeutlichen Die praktische Bedeutung von ETRS89 und die Notwendigkeit eines Europäischen Geschwindigkeitsfeldes darstellen Workshop 2004 der Forschungsgruppe Satellitengeodäsie 2

3 Übersicht Definition und Realisierung von ITRF und ETRF Einzel-Epochenlösungen für ITRF und ETRF Multi-Epochenlösungen für ITRF und ETRF Europäisches Geschwindigkeitsfeld Anforderungen an ETRF aus der Praxis Workshop 2004 der Forschungsgruppe Satellitengeodäsie 3

4 ITRF Definition (ITRS): Ursprung im Geozentrum Längeneinheit Meter (SI) definiert Maßstab Null-Orientierung durch BIH für 1984 Orientierungsänderung entsprechend der no-net-rotation Bedingung Realisierung (ITRF2000): Null -Translation und Translationsraten der SLR Lösungen definieren den Ursprung Mittel aus 5 SLR und 3 VLBI Lösungen bestimmt den Maßstab Auffelderung auf die Koordinaten von 54 Stationen bestimmt die Orientierung Verwendung des NNR-NUVEL-1A Modells bei der Auffelderug bestimmt die Orientierungsänderung Workshop 2004 der Forschungsgruppe Satellitengeodäsie 4

5 ETRF Definition (ETRS89): Identisch mit ITRS zur Epoche Angebunden an den stabilen Teil der Europäischen Platte Realisierung (ETRF2000): Bei der jeweiligen Realisierung eines ITRFyy wird auch eine ETRS89 Realisierung ETRFyy berechnet und Transformationsparameter werden bestimmt Für die Transformation kann folgende Formel verwendet werden: Zur Epoche der Beobachtungen Tc: X ETRF 0 R& 3 2 yy R& yy ITRF ITRF ( tc ) = X yy ( tc) + Tyy + R& 3yy 0 R& 1yy X yy ( tc ) ( tc ) R& yy R& yy Zur Epoche : X ETRF E E ( ) = X ( tc) + X& ( tc ) Boucher/Altamimi Workshop 2004 der Forschungsgruppe Satellitengeodäsie 5

6 Verfügbare Geschwindigkeiten NNR-NUVEL-1A Für alle Stationen verfügbar ITRF Geschwindigkeiten Für alle ITRF Stationen verfügbar IGS-Network Geschwindigkeiten Selbst berechnete Geschwindigkeit Für alle IGS Stationen verfügbar Für Neupunkte mit mehreren Epochen verfügbar Null Geschwindigkeit Näherungswert für alle Stationen ETRF Geschwindigkeiten Für ITRF Stationen in Europa verfügbar?? Interpretation?? Workshop 2004 der Forschungsgruppe Satellitengeodäsie 6

7 ETRF2000 Geschwindigkeiten Workshop 2004 der Forschungsgruppe Satellitengeodäsie 7

8 EPN Network ~ 150 Stationen Berechnung wöchentlicher Kombinationslösungen Workshop 2004 der Forschungsgruppe Satellitengeodäsie 8

9 Alternativen der globalen Datumsdefinition für das EPN ITRF Koordinaten und Geschwindigkeiten von ausgewählten Referenzstationen festhalten Aktuelle Methode im EPN 11 Stationen wurden ausgewählt Fehler einer Referenzstation wird direkt übernommen Bezeichnung: ITRF-Fixed Bedingungsgleichung für ITRF Koordinaten und Geschwindigkeiten von ausgewählten Referenzstationen Geplante Methode für EPN Fehler einer Referenzstationen hat geringe Auswirkung auf andere Stationen Bezeichnung: ITRF-Constrained Workshop 2004 der Forschungsgruppe Satellitengeodäsie 9

10 Vergleich zwischen ITRF-SSC, ITRF-Fixed und ITRF-Constrained RMS der Helmerttransformation rms [mm] Wochen ITRFxx nach EPN-Fixed EPN-Fixed nach EPN-Constrained Workshop 2004 der Forschungsgruppe Satellitengeodäsie 10

11 Vergleich zwischen ITRF-Fixed und ITRF-Constrained Helmert Residuen Residuen [mm] Stationen North Ref. East Ref. Height Ref. North East Height Workshop 2004 der Forschungsgruppe Satellitengeodäsie 11

12 Kontinentale Anbindung des EPN Primär Methode: Koordinatenbestimmung in ITRF Transformation von ITRF nach ETRF (Konversion der globalen zur kontinentalen Anbindung) Es werden Zuatzinformationen zur Berücksichtigung der innereuropäischen Geschwindigkeit benötigt Sekundäre Methode: Direkte Positionierung im ETRF Koordinaten der Referenzstation im ETRF gegeben Die innereuropäischen Geschwindigkeiten der Referenzstation werden auf den Neupunkt übertragen Ergebnis der Einzelepochenlösung: Für jede ITRF-Koordinate kann die entsprechende ETRF-Koordinate berechnet werden Workshop 2004 der Forschungsgruppe Satellitengeodäsie 12

13 Multi-Epochen-Analyse Kombinierte Ausgleichung liefert Reihe von Einzellösungen Liefert - Koordinaten Lineares Modell ITRF - Geschwindigkeiten Einheitliche Datumsdefinition (keine Sprünge) Residuen mit und ohne Geschwindigkeiten darstellbar Ergebnis am EPN Zentralbüro verfügbar - Reihe von Koordinaten Lösungen können nicht-linear kombiniert werden Stationsbewegung im ITRF sichtbar Änderungen in den Datumsdefinitionen (z.b. neue ITRF Realisierung) sichtbar Zeitreihe am EPN Zentralbüro verfügbar Transformation ETRF Aus einer kombinierten Ausgleichung transformierte - Koordinaten Direktes Ergebnis für die Geschwindigkeitsvektoren Einheitliche Datumsdefinition - Geschwindigkeiten Aus Reihe von Einzellösungen transformierte - Reihe von Koordinaten Stationsbewegung im ETRF sichtbar Zeitreihe am EPN Zentralbüro verfügbar Workshop 2004 der Forschungsgruppe Satellitengeodäsie 13

14 Bestimmung von ETRF Geschwindigkeiten ITRF Geschwindigkeiten nach ETRF transformieren Aus der Transformationsgleichung für die Koordinaten lässt sich folgende Transformationsgleichung die Geschwindigkeiten ableiten: Nach dieser Formel berechnete ETRF2000 Geschwindigkeiten stimmen mit den von Boucher/Altamimi veröffentlichen Werten überein. Interpretation: Individuelle ITRF Geschwindigkeiten werden um die Rotation der Europäischen Platte reduziert Einzelne Epochenlösungen nach ETRF transformieren: V ETRF = V ITRF yy 0 + R& 3 R& 2 Liefert ETRF Koordinate für den Zeitpunkt der Beobachtung Bestimmung der Geschwindigkeiten durch Beschreibung einer nicht-linearen Bewegung Lineare Regression liefert Geschwindigkeitsvektoren yy yy R& 3 0 R& 1 yy yy R& 2 R& 1 0 yy yy X ITRF yy Workshop 2004 der Forschungsgruppe Satellitengeodäsie 14

15 Kombinierte Ausgleichung- ITRF (Residuen) Legend : change in the antenna/dome configuration receiver change or firmware upgrade receiver and antenna changes Legend Workshop 2004 der Forschungsgruppe Satellitengeodäsie 15

16 ETRF2000 Geschwindigkeiten nach Transformation einer kombinierten EPN Lösung Aus ITRF2000/ETRF Aus EPN Kombinationslösung Workshop 2004 der Forschungsgruppe Satellitengeodäsie 16

17 Reihe von Einzellösungen - ITRF Legend : ITRS change ITRF Wechsel Referenzstations-Wechsel Workshop 2004 der Forschungsgruppe Satellitengeodäsie 17

18 Reihe von Einzellösungen - ETRF Legend : ETRS89 change Innereuropäische Geschwindigkeit ETRF2000 Rotation Workshop 2004 der Forschungsgruppe Satellitengeodäsie 18

19 Einführung von ITRF Workshop 2004 der Forschungsgruppe Satellitengeodäsie 19

20 ETRF Geschwindigkeiten aus Zeitreihen REYK ETRF X-Komponente [m] , ,66 y = -0,0002x + 3E , , , , , , , Wochen X Y Zeitreihe Regression [m/jahr] Geschwindigkeitsvektoren -0,0104-0,0104 Kombinationslösung [m/jahr] -0,0104-0,0141 Differenz [m/jahre] 0,0000 0,0037 REYK ETRF Y-Komponente Z 0,0026 0,0008 0, , , ,56 y = -0,0002x - 1E ,58 [m] , , , , , Wochen REYK ETRF Z-Komponente , , , ,87 [m] , , , ,83 y = 5E-05x + 6E , Wochen Reykjavik Workshop 2004 der Forschungsgruppe Satellitengeodäsie 20

21 ETRF Geschwindigkeiten aus Zeitreihen [m] KARL ETRF X-Komponente , , , , , , , , ,6300 y = 1E-04x + 4E , , , Wochen X Y Zeitreihe Regression [m/jahr] Geschwindigkeitsvektoren 0,0052 0,0016 Kombinationslösung [m/jahr] 0,0019 0,0006 Differenz [m/jahre] 0,0033 0,0010 KARL ETRF Y-Komponente Z 0,0104 0,0007 0, , ,8300 [m] , , ,8150 y = 3E-05x , Wochen KARL ETRF Z-Komponente , , , ,9600 [m] , , , ,9200 y = 0,0002x + 5E , Wochen Antennenwechsel ITRF2000 Karlsruhe Workshop 2004 der Forschungsgruppe Satellitengeodäsie 21

22 Verbesserung der ETRF Zeitreihen Die Wochenlösungen in eine einheitliche ETRF Realisierung transformieren Schritt 1: Alle Wochenlösungen ITRFyy nach ITRF2000 transformieren Schritt 2: All Wochenlösungen von ITRF2000 nach ETRF2000 transformieren. Die Normalgleichungen aller Wochenlösungen neu lösen und dabei eine einheitliche Datumsdefinition wählen Schritt 1: Das Datum wird durch ITRF2000 Koordinaten der Referenzstationen definiert. Schritt 2: All Wochenlösungen von ITRF2000 nach ETRF2000 transformieren. Ergebnisse nachfolgend Workshop 2004 der Forschungsgruppe Satellitengeodäsie 22

23 ETRF Geschwindigkeiten aus Zeitreihen ,66 REYK ETRF2000 X-Komponente Geschwindigkeitsvektoren [m] , , , , , ,54 y = -0,0003x + 3E+06 Zeitreihe Regression [m/jahr] Kombinationslösung [m/jahr] Differenz [m/jahre] , ,5 X -0,0156-0,0104-0, Wochen Y -0,0156-0,0141-0,0015 REYK ETRF2000 Y-Komponente Z -0,0026 0,0008-0, , , ,56 y = -0,0003x - 1E ,58 [m] , , , , , Wochen REYK ETRF2000 Z-Kom ponente , , ,89 y = -4E-05x + 6E+06 [m] , , , , Wochen Reykjavik Workshop 2004 der Forschungsgruppe Satellitengeodäsie 23

24 ETRF Geschwindigkeiten aus Zeitreihen ,67 KARL ETRF2000 X-Komponente Geschwindigkeitsvektoren ,665 [m] , , , , , , , ,625 y = 9E-05x + 4E+06 X Zeitreihe Regression [m/jahr] 0,00468 Kombinationslösung [m/jahr] 0,0019 Differenz [m/jahre] 0, Wochen Y 0, ,0006 0,0004 Karl ETRF2000 Y-Komponente Z 0, ,0007 0, , , , , ,826 [m] , , ,82 y = 2E-05x , , Wochen Karl ETRF2000 Z-Komponente , , ,97 [m] , , ,94 y = 0,0001x + 5E , Wochen Karlsruhe Workshop 2004 der Forschungsgruppe Satellitengeodäsie 24

25 Notwendigkeit eines Europäischen Geschwindigkeitsfeldes Einmal bestimmte ETRS89 Koordinaten verlieren ihre Genauigkeit im Laufe der Zeit, wenn man die innereuropäischen Geschwindigkeiten nicht anbringt Moderne Positionierungsdienste, z.b. SAPOS, nutzen ETRS89 als Koordinatensystem für die Referenzstationen ETRS89 Koordinaten aus (alten) GPS Kampagnen müssen auf aktuelle Epochen angepasst werden. Die Geschwindigkeiten dafür müssen einem Modell entnommen werden ETRS89 Geschwindigkeiten (offizielle) werden jeweils nur bei einer ITRF Realisierung berechnet und veröffentlicht RTK-Positionierungen erfordern die Transformation ITRF -> ETRF in Echtzeit, innereuropäische Geschwindigkeiten für die Rover-Station müssen ggf. angebracht werden These: Innereuropäische Geschwindigkeiten müssen für alle Orte Europas zu jeder Zeit verfügbar sein Workshop 2004 der Forschungsgruppe Satellitengeodäsie 25

26 Modellierung von ETRF Geschwindigkeiten Generelle Modellierungsansätze Diskrete Punkte Gitterpunkte (Grid) als Ausgangspunkt für Interpolationen Ortsabhängige analytische Funktion EUREF Geschwindigkeitsprojekt für Europa Bestimmung eines dichten Geschwindigkeitsfeldes EPN erweitert um nationale und lokale GPS Permanentnetze Workshop 2004 der Forschungsgruppe Satellitengeodäsie 26

27 Zusammenfassung (1) Kontinentale Netze werden zunächst global gelagert, damit sie mit globalen Produkten (z.b. ERP) konsistent sind Aus praktischen Gründen werden die Ergebnisse auf ein kontinentales Datum transformiert Auch das kontinentale Datum unterliegt zeitlichen Änderungen, die durch eine kontinentales Geschwindigkeitsmodell berücksichtigt werden können Kontinentale Geschwindigkeiten müssen zeitnah und für alle Orte bekannt sein Workshop 2004 der Forschungsgruppe Satellitengeodäsie 27

28 Zusammenfassung (2) Die verschiedenen ETRF Realisierungen müssen für höchste Genauigkeiten unterschieden werden. Die Transformation der ITRF in ETRF Geschwindigkeiten liefert eine Information über die zeitliche Konstanz der ETRF Koordinaten. Ein präzises Monitoring der ETRF Geschwindigkeiten ist erforderlich. Anwender von ETRS89 sollten nach Möglichkeit die ETRF Koordinaten zeitlich anpassen. Das erspart unter Umständen eine Neubestimmung der Koordinaten. Moderne Positionierungsdienste höchster Genauigkeit, die sich auf ETRF beziehen, müssen ETRF Geschwindigkeiten berücksichtigen Workshop 2004 der Forschungsgruppe Satellitengeodäsie 28

29 Vielen Dank! Workshop 2004 der Forschungsgruppe Satellitengeodäsie 29