Erdvermessung per Satellit
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- Holger Dunkle
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1 Erdvermessung per Satellit Werner Gurtner Astronomisches Institut Universität Bern 7. Juni 2001
2 Inhalt Aufgaben der Erdvermessung Warum brauchen wir Satelliten? Optische Richtungsbeobachtungen Laser-Distanzmessungen Messmethode Organisation: ILRS Anwendungen Mikrowellen-Signale (Pseudodistanzen, Phasen) Messmethoden Organisation: IGS, EUREF Anwendungen
3 Aufgaben der Erdvermessung (1) Globale Erdvermessung (Höhere Geodäsie): Bestimmung der Form und Grösse der Erde Bestimmung des Gravitationsfeldes auf der Erde und im erdnahen Raum Festlegung eines globalen Koordinaten- Bezugssystems, Realisierung dieses Systems durch eine grosse Anzahl Referenz-Punkten: Liste von Koordinaten und Geschwindigkeiten Bestimmung der Bewegung (Rotation) der Erde um ihre Rotationsachse
4 Aufgaben der Erdvermessung (2) Lokale Erdvermessung (Niedere Geodäsie) Grundstücksgrenzen Bauwerke (Staumauern, Strassen, Tunnels, Maschinen, ) Dazwischen: Die Landesvermessung Grundlage für die lokale Vermessung Basierend auf der globalen Erdvermessung Triangulationsnetze, Landesnivellement
5 Wozu dienen Satelliten in der Erdvermessung? (1) Messtechnische Verknüpfung von Vermessungsfixpunkten benötigt im wesentlichen Sichtverbindung Unmöglich, Ozeane zu überbrücken Astronomische Methoden Setzen mathematische Form der Erde voraus (Kugel, Ellipsoid) Beispiel: Erathostenes
6 Eratosthenes ( bc): Messung des Erdumfanges Alexandria θ=7.2º θ=7.2º D=5000 Stadien Syene 23.5ºN 7.2º = 1/50 U 50*5000= Stadien km = km
7 Die Form der Erde Kugel Ellipsoid (ca 20 km) Geoid (ca 100 m) Mean Sea Surface (einige dm)
8 Wozu dienen Satelliten in der Satelliten als Erdvermessung? (2) Vermessungs- Fix punkte im Raum: Können Ozeane überbrücken Exzellente Sichtbarkeit Prüfmassen im Gravitationsfeld Träger von speziellen Vermessungsinstrumenten (z.b. Radar-Altimetrie zur Bestimmung der Form der mittleren Meeresoberfläche)
9 Messmethoden Optische Richtungsbeobachtungen Laser-Distanzmessungen (sichtbares Licht) Verwendung elektromagnetischer Wellen (z.b. im Gigahertz-Bereich) Natürliche Radioquellen (Quasare): Very Long Baseline Interferometry VLBI Künstliche Radioquellen: Navigationssatelliten Global Positioning System (GPS) Global Navigation Satellite System (GLONASS)
10 Optische Richtungsmessungen Fotografische Bestimmung der Richtung eines Satelliten Einmessung relativ zu der Position bekannter Sterne Einsatz: 60er Jahre bis ca Resultat: Weltnetz von ca. 50 Stationen, Positionsgenauigkeit (damals) 5 Meter! Heute: Mit CCD-Kameras zur Bahnbestimmung von Satelliten und von Raumschrott im Rahmen spezieller Experimente
11 Laser-Distanzmessungen: Messprinzip Laufzeitmessung von Licht Erzeugen eines kurzen Laserlicht-Pulses Senden Richtung Satellit Reflektieren am Satelliten mit Hilfe von speziellen Reflektoren Wieder auffangen des reflektierten Pulses Messen der totalen Laufzeit Mit der bekannten Lichtgeschwindigkeit ergibt sich sofort die (doppelte) Distanz
12 Satellite Laser Ranging?
13 Laser-Distanzmessungen: Eigenschaften Sichtbares Licht (Empfindlichkeit der Empfänger) Pulslängen: ca 100 ps = 0.1 ns = 1/10 einer Milliardstel Sekunde = 3 cm Länge Kadenz: Meistens 10 Pulse pro Sekunde Laufzeit: Einige Millisekunden bis ca s (400 km bis km) Genauigkeit: Einige Millimeter bis einige Zentimeter pro Einzelmessung
14 Pro: Laser-Distanzmessungen: Vor- und Nachteile Hohe Genauigkeit (Millimeter) Relativ unempfindlich gegen nicht-modellierbare atmosphärische Einflüsse Passiv auf der Seite der Satelliten Kontra: Wetterabhängig Relativ teuer in der Anschaffung und im Betrieb Keine echt gleichzeitigen Messungen auf mehrere Satelliten möglich
15 Laser-Distanzmessungen: Organisation International Laser Ranging Service: Ca. 40 Stationen weltweit, davon etwa 15 mit sehr guter Leistung Drei Teilnetze Europa (EUROLAS) NASA Netz (USA, Südamerika, ) Pazifischer Raum (Russland, China, Japan, Australien) Datenzentren (München, NASA) Etwa 20 Auswertezentren
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17 Passes Mt. Stromlo Yarragadee Monument Peak Greenbelt Herstmonceux Graz Grasse San Fernando McDonald Zimmerwald Changchun Wettzell Simosato Arequipa Potsdam Beijing Shanghai Grasse (LLR) Tateyama Tahiti Riga Kunming Kashima Borowiec Koganei Wuhan Matera Maidanak 2 Miura Metsahovi2 Helwan Hartebeesthoek Beijing (TROS) Golosiiv Haleakala Komsomolsk Katsively Mendeleevo Simeiz Cagliari Riyadh Total Data Volume Performance Standard is 1500 Passes High LAGEOS LEO Total Data Volume (January December 2000)
18 Passes Maidanak Komsomolsk Simeiz Riga Katzively Mcdonald Yarragadee Greenbelt Monument Peak Papeete Haleakala Wuhan Changchun Beijing Koganei Kashima Miura Tateyama Beijing Arequipa Hartebeesthoek Cagliari Metsahovi Zimmerwald Borowiec Kunming San Fernando Helwan Grasse Potsdam Shanghai Simosato Graz Herstmonceux Grasse Mount Stromlo Matera Wettzell Lageos 1 Lageos 2 Lageos 1 and 2: Observed Passes (May - October 2000)
19 Ab 1976: Laser-Distanzmessungen: Station Zimmerwald Aufbau eines ersten Systems: Rubinlaser Spezielles Teleskop: Eigenbau Genauigkeit: cm Ab 1984 Neuer Laser (ND:YAG), neues Kontrollsystem Genauigkeit: 7-8 cm, nur Nachtbetrieb Ab 1995 Neuer Laser (Ti:Saphir), neues Teleskop, neue Elektronik, neues Kontrollsystem Genauigkeit: 1.5 cm, Tag- und Nachtbetrieb
20 Station Zimmerwald
21 Zimmerwald: Laser- und Astrometrisches Teleskop (ZIMLAT)
22 Laser-Distanzmessungen: Liste der Satelliten LIST OF SATELLITES TRACKED BY LASER IN ZIMMERWALD SATELLITE ABBREV. NORM.PT IND COSPAR NR. TEPH(SEC) TYPE PRIO MINEL RMS ********** ** * ******* **** * ** ** **** CHAMP CH ERS-2 E GFO-1 GF STARLETTE SR STELLA SL AJISAI AJ BEACON-C BC TOPEX TP WESTPAC WP LAGEOS L LAGEOS-2 L ETALON-1 N ETALON-2 N GLONASS-78 R GLONASS-80 R GLONASS-84 R GPS-35 G GPS-36 G
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24 GFZ-1 Durchmesser: 21 cm Gewicht: 20 kg Reflektoren: 60 Entfernung: < 400 km Umlaufszeit: 1 1/2 h Herkunft: Deutschland Verglüht am
25 LAGEOS 1 und 2 LAser GEOdynamics Satellites Durchmesser: 60 cm Gewicht: Ca 400 kg Reflektoren: 425 Entfernung: 6000 km Umlaufszeit: 3 3/4 h Herkunft: USA, Italien
26 ETALON 1,2 Durchmesser: 130 cm Gewicht: Ca 1400 kg Reflektoren: 2134 Entfernung: km Umlaufszeit: 11.5 h Herkunft: Russland
27 Champ Länge: ca. 8 m Gewicht: Ca 400 kg Reflektoren: 4 Entfernung: 475 km Umlaufszeit: 1.5 h Herkunft: Deutschland
28 ERS 1,2 Grösse: 12 m Gewicht: Ca 2500 kg Reflektoren: 9 Entfernung: 785 km Umlaufszeit: 100 min Herkunft: ESA
29 GPS 35,36 Grösse: 5 m Gewicht: 930 kg Reflektoren: 32 Entfernung: km Umlaufszeit: 12 h Herkunft: USA
30 Beobachtete Durchgänge in Zimmerwald am 29. Mai 2001 G529MY01A 01:14: PM Y 168 SR29MY01B 01:22: PM Y 7 AJ29MY01B 01:37: PM Y 13 L229MY01B 01:52: PM Y 39 BC29MY01C 02:35: PM Y 6 SR29MY01D 03:11: PM Y 6 G629MY01D 03:18: PM Y 7 L129MY01D 03:26: PM Y 33 GF29MY01D 03:34: PM Y 4 AJ29MY01D 03:40: PM Y 12 R429MY01D 04:10: PM Y 173 BC29MY01E 04:26: PM Y 10 SR29MY01F 05:00: PM Y 7 GF29MY01F 05:13: PM Y 4 AJ29MY01F 05:42: PM Y 12 L229MY01F 05:47: PM Y 35 BC29MY01G 06:19: PM Y 8 SR29MY01G 06:50: PM Y 5 R029MY01F 08:03: PM Y 35 BC29MY01I 08:13: PM Y 9 SL29MY01J 09:05: PM Y 4 L229MY01J 09:57: PM Y 47 WP29MY01K 10:07: PM Y 6 L129MY01L 12:00: PM Y 31 TP29MY01M 12:42: PM Y 11 TP29MY01O 14:41: PM Y 8 L129MY01P 15:31: PM Y 34 TP29MY01S 18:39: PM Y 6 SL29MY01S 18:46: PM Y 5 GF29MY01T 19:00: PM Y 4 L129MY01T 19:05: PM Y 33 R029MY01T 19:39: PM Y 162 SL29MY01U 20:27: PM Y 4 E229MY01U 20:28: PM Y 5 TP29MY01U 20:34: PM Y 2 WP29MY01V 21:32: PM Y 6 E229MY01W 22:07: PM Y 5 L129MY01W 22:22: PM Y 43 TP29MY01W 22:32: PM Y 7 AJ29MY01W 22:42: PM Y 10
31 Nachtsichtkamera in Zimmerwald, Satellit Lageos
32 ERS-2: Ranges Milliseconds Minutes
33 ERS-2: Observed - computed Nanoseconds Minutes
34 ERS-2: Observed minus computed (zoomed) Nanoseconds Minutes
35 ERS-2: Residuals Nanoseconds Minutes
36 Laser-Distanzmessungen: Anwendungen (1) Globales Referenzsystem Koordinaten und Geschwindigkeiten der Stationen Lagerung des Systems im Schwerpunkt der Erde Massstab des Systems Erdrotation Lage und Bewegung der Pole (Rotationsgeschwindigkeit)
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38 Tektonische Platten
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40 Laser-Distanzmessungen: Anwendungen (2) Gravitationsfeld der Erde Satelliten als Prüfkörper ( Punkt -Massen) Berechnung genauer Bahnen z.b. Altimetersatelliten Nachweis allgemein-relativistischer Effekte Nachweis systematischer Fehler anderer Beobachtungsmethoden
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42 Mikrowellensignale: Global Positioning System GPS Verwendung des amerikanischen Navigationssatelliten-Systems Spezielle Empfänger (Trägerphasen- Messung, zwei Frequenzen) Spezielle Beobachtungsanordnung (mindestens 2 Empfänger, mindestens 1 auf bekannter Position) Spezielle Software Genauigkeit: mm bis cm!!!
43 GPS: Systembeschreibung Mindestens 24 Satelliten Entfernung: km Umlaufszeit: 12 Stunden Militärisches System, zivile Nutzung möglich Allwettertauglich Position (einige Meter Genauigkeit) und Geschwindigkeit Kleinster Empfänger: Armbanduhr
44 GPS. Geodätische Nutzung Ab ca. 1982: Ab ca. 1984: Ab ca. 1990: 1992: 1994: 2000: Basislinien (2 Empfänger) Netzwerkverarbeitung, Bahnverbesserung Verwendung globaler Referenzstationen Test und Vorläufer von IGS (International GPS Service) IGS Aktive Referenzsysteme für Echtzeitanwendungen
45 GPS: Auswerte-Software Schlüssel zum Erfolg: Spezielle Auswertesoftware High-End Software: Bernese (Uni Bern) Gamit (MIT, Boston) Gipsy (JPL, Pasadena) Kommerzielle, unabhängige Software Kommerzielle, Empfänger-abhängige Software
46 Global GPS: Anwendungen Referenzsysteme, Geodynamik, Plattentektonik Erdrotation Regional Kontinentale und nationale Referenzsysteme, Geodynamik Lokal (Fast) alle Bereiche des Vermessungswesen Übergreifend: Atmosphäre (Wetter, Klima, Ionosphäre) Zeit- und Frequenz-Transfer
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48 IGS: International GPS Service Zusammenarbeit von gegen hundert Institutionen weltweit Netz von weit über 100 permanenten GPS- Empfängern (u.a. Zimmerwald: L+T) Mehrere globale und regionale Datenzentren Mehrere Auswertezentren (u.a. CODE am Astronomischen Institut der Universität Bern) Erster Chairman: Prof. G. Beutler, Bern (-1999)
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50 IGS: Produkte Beobachtungsdaten der Referenzstationen Genaue Satellitenbahnen (ca 5 cm) Stationspositionen und -geschwindigkeiten Erdrotationsparameter Stand der Satellitenuhren Ionosphärenzustand (z.b. alle 2 Stunden) Wasserdampfgehalt der Atmosphäre
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55 EUREF: Regionale Verdichtung in Europa Definition eines europäischen Referenzsystems Permanent-Netz von über hundert Stationen Europäischer Beitrag an IGS Auswertungen basieren auf IGS-Produkten Referenz für: Landesvermessungen, Geowissenschaften, Flugverkehr, Meteorologie, Klimaforschung
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58 GPS/IGS: Weitere Entwicklungen Einbezug von GLONASS (Russisches Navigationssatelliten-System) Einsatz von Empfängern auf tieffliegenden Satelliten Atmosphären-Tomographie Genaue Satellitenbahnen/-positionen Vermehrt Echtzeitanwendungen
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