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4. Erzielte Ergebnisse

2.1 Erzielte Ergebnisse

WP1000 Projektmanagement (GFZ)
WP1100 Projekt-Kontrolle (GFZ)
WP1200 Projekt-Reporting (GFZ)

WP2000 Informationstechnische Beiträge zur Realisierung eines globalen geodätisch-geophysikalischen Beobachtungssystems (BKG)
WP2100 Erweiterung des IERS Daten- und Informationssystems für den operationellen Betrieb in GGOS (BKG)
WP2200 Integration von externen geodätisch-geophysikalischen Datenreihen in das IERS Daten- und Informationssystem zur Validierung der Zeitreihen (Unterstützung von WP 6000) (BKG)
WP2300 Entwurf eines ISO-Standard-basierten geodätischen Metadatenkatalogs (BKG)
WP2400 Anforderungen an einen echtzeitnahen Datentransport (DGFI)

WP3000 Erstellung konsistenter Beobachtungsreihen für geodätisch-geophysikalische Parameter aus den einzelnen Raumverfahren (IGG)
WP3100 Einheitliche Standards für Modellierung und Parametrisierung (alle)
WP3200 Laser-Entfernungsmessungen zu Satelliten (GFZ, DGFI)
WP3300 Astronomische Radiointerferometrie auf sehr langen Basislinien (Very Long Baseline Interferometrie, VLBI) (DGFI, IGG)
WP3400 Globales Positionierungssystem (Global Positioning System, GPS) (GFZ)
WP3500 Niedrigfliegende Satelliten (Low Earth Orbiting Satellites, LEOs) (GFZ)
WP3600 Satellitenaltimetrie (DGFI)

WP4000 Berechnung konsistenter geodätischer Referenzsysteme durch Kombination der verschiedenen Raumbeobachtungsverfahren über lange Zeiträume (DGFI)
WP4100 Lösungen der einzelnen Beobachtungsverfahren (DGFI, GFZ, IGG)
WP4200 Kombination verschiedener Beobachtungsverfahren (DGFI, GFZ)
WP4300 Vergleiche der verschiedenen Lösungen (innerhalb des Verbundvorhabens) (DGFI, GFZ)
WP4400 Vergleiche mit externen Lösungen (DGFI, GFZ)

WP5000 Erzeugung echtzeitnaher geodätisch-geophysikalischer Produkte (DGFI)
WP5100 Laser-Entfernungsmessungen zu Satelliten (Satellite Laser Ranging, SLR) (DGFI, GFZ)
WP5200 Astronomische Radiointerferometrie auf sehr langen Basislinien Very Long Baseline Interferometrie (VLBI) (DGFI, IGG)
WP5300 Globales Positionierungssystem (Global Positioning System, GPS) (GFZ)
WP5400 Niedrigfliegende Satelliten (Low Earth Orbiting Satellites, LEOs) (GFZ)
WP5500 Satellitenaltimetrie (DGFI)
WP5600 Kombinierte Lösungen (DGFI, GFZ)

WP6000 Entwicklung von Analyse- und Validierungsverfahren für Zeitreihen des geodätisch-geophysikalischen Beobachtungssystems (GFZ)
WP6100 Analyse Troposphären – Koordinaten (GFZ, IGG)
WP6200 Stationskoordinaten und Koordinatenursprung (DGFI)
WP6300 Koordinatenursprung, Erdorientierungsparameter und niedere Kugelfunktionskoeffizienten des Erdschwerefeldes (DGFI, GFZ)
WP6400 Kinematischer Meeresspiegel und niedere Kugelfunktionskoeffizienten des Erdschwerefeldes (DGFI)
WP6500 Auflasteffekte (DGFI, GFZ)
WP6600 Erdrotationschwankungen (AAM, OAM) (DGFI, GFZ)
WP6700 LEO Onboard Ko-Lokation (GFZ)

Für jedes Arbeitspaket werden nun die Resultate des Projektes GGOS-D dargestellt.

WP1000 Projektmanagement (GFZ)

Projekttreffen:

Insgesamt wurden während der Projektlaufzeit 6 Koordinationstreffen abgehalten. Die sechs Treffen fanden jeweils an unterschiedlichen Standorten statt. Diese halbjährlichen Meetings waren äusserst wichtig und sinnvoll, da die ambitionierten Zie-le des Projekts eine starke Integration sämtlicher Gruppen benötigte. Alle Präsentationen und die Protokolle der Verbundtreffen sind auf den Webseiten des Projektes zugänglich gemacht worden.

Statusseminare:

Während der Projektlaufzeit fanden insgesamt zwei Statusseminare statt:

Das erste Statusseminar zum Themenschwerpunkt „Beobachtung des Systems Erde aus dem Weltraum“ fand am 17. und 18.09.2006 in den Räumen des Universitätsclubs Bonn statt. Das Projekt GGOS-D war mit diversen Vorträgen und Postern vertreten.

Am 22. und 23.11.2007 fand am DGFI in den Räumen der Bayerischen Akademie der Wissenschaften das zweite Statusseminar zum Themenschwerpunkt „Beobachtung des Systems Erde aus dem Weltraum“ statt. Das Projekt GGOS-D trug mit verschiedenen Vorträgen und Postern zum Gelingen bei. Die Zusammenfassungen der Vorträge wurden in einem Band des Geotechnologien Science Reports (Nr. 11) veröffentlicht.

Alle Beiträge des Projekts GGOS-D zu diesen zwei Statusseminaren stehen auf den Webseiten des Projektes zur Verfügung.

DFG Forschergruppe „Erdrotation und globale dynamische Prozesse“:

Während der Laufzeit des Projektes fand ein intensiver Austausch zwischen der DFG Forschergruppe „Erdrotation und globale dynamische Prozesse“ und dem GGOS-D-Projekt statt. So wurden die hochgenauen, zeitlich hoch aufgelösten Zeitreihen von Erdorientierungsparametern, die im Projekt GGOS-D generiert wurden, der Forschergruppe zur Verfügung gestellt. Auch der terrestrische Referenzrahmen von GGOS-D wurde dort beigesteuert. Andererseits konnte das Projekt GGOS-D auf neue Modellierungsansätze der Forschergruppe zurückgreifen. Beide Projekte haben sich gegenseitig sehr gut ergänzt und bereichert. Dadurch kann Deutschland heute eine zentrale Rolle in den internationalen GGOS-Aktivitäten spielen.

WP1100 Projekt-Kontrolle (GFZ)

Die Projektkontrolle wurde durch die oben erwähnten Projekttreffen sichergestellt. Alle Meilensteine sind, wenn auch zum Teil mit etwas zeitlicher Verzögerung, grundsätzlich erreicht worden.

WP1200 Projekt-Reporting (GFZ)

Zwei Zwischenberichte und dieser Abschlussbericht hier wurden verfasst und an den Projektträger geschickt. Zusätzlich wurde an den oben erwähnten zwei Statusseminaren jeweils über den Stand der Projekte berichtet. Die Resultate wurden auch an vielen internationalen Konferenzen und Workshops vorgestellt (siehe Abschnitt 2.3).

WP2000 Informationstechnische Beiträge zur Realisierung eines globalen geodätisch-geophysikalischen Beobachtungssystems (BKG)

WP2100 Erweiterung des IERS Daten- und Informationssystems für den operationellen Betrieb in GGOS (BKG)

Die Entwicklungen für ein operationelles Daten- und Informationssystem für ein globales geodätisch-geophysikalisches Beobachtungssystem beruhen auf dem in der ersten Phase entstandenen IERS Daten- und Informationssystem (IERS DIS). Dieses wurde in allen Komponenten um ein Projektmanagement erweitert und kann seitdem gleichzeitig für den IERS und für GGOS-D sowie für weitere zukünftige Projekte Verwendung finden.
Zunächst wurde das System nur grob an die Anforderungen von GGOS-D angepasst, um möglichst schnell für das Projekt genutzt werden zu können. Im Anschluss wurde das System im Einzelnen optimal auf die Anforderungen in GGOS-D ausgerichtet. Die dazu erforderlichen Arbeiten betreffen nahezu alle Work-Packages in diesem Bereich, insbesondere auch aufgrund von umfangreichen Entwicklungen im WP 2300 (siehe weiter unten).

Erste Ergebnisse in Bezug auf die Validierung der SINEX-Files anhand des XML Formates konnten bereits zu Beginn des Projektes unter Verwendung der SINEX-Files des IERS Combination Pilot Projects (CPP) erfolgen. Die Ergebnisse der Validierung haben gezeigt, dass mit den Arbeiten in der ersten Projektphase bereits eine gute Grundlage für ein technikübergreifendes SINEX Format erreicht wurde. Zwar wurden in den SINEX-Files zahlreiche Formatverstöße gefunden, diese erzeugen in der weiteren Verarbeitung aber keine größeren Probleme und konnten direkt oder in Rücksprache mit den Projektpartnern behoben werden. Daher erfolgte eine fortlaufende Validierung der SINEX-Files im weiteren Projektverlauf nur noch stichprobenartig.
Aufgrund der Größe der SINEX-Files im XML Format und der großen Anzahl von Dateien (einige Tausend für eine Beobachtungsreihe) erwies sich die weitere Verarbeitung der Dateien im XML Format für Zwecke der Analyse und Visualisierung als nicht sinnvoll. Für die weitere Nutzung der SINEX-Files wurde deswegen ein alternatives Verfahren entwickelt. Die SINEX-Files werden dabei nicht wie vorgesehen direkt im XML Format von den Tools zur Analyse und Visualisierung verarbeitet. Vielmehr wurde ein SINEX-Fileparser zur Datenvorverarbeitung entwickelt, der die benötigten Informationen aus den SINEX-Files extrahiert und erst dann als Zeitreihen geodätisch-geophysikalischer Parameter im XML Format ablegt. Dieser Prozess wird automatisch gestartet, sobald eine neue Beobachtungsreihe durch einen Projektpartner auf dem GGOS-D ftp-Server abgelegt wird. Damit wird sichergestellt, dass nur die Informationen aus den SINEX-Files extrahiert und nach XML transformiert werden, die für die weitere Verarbeitung von Interesse sind. Dies ermöglicht den entwickelten Tools zur Analyse und Visualisierung der Zeitreihen einen effizienten Zugriff auf die Daten. Es wurden XSLT-Skripte zur Transformation der Zeitreihen in verschiedene Formate (z.B. CSV) entwickelt, so dass auch Tools, die keine Verarbeitung von XML-Daten ermöglichen, zur Analyse der Zeitreihen verwendet werden können. Außerdem wurde eine HTML-Schnittstelle für den SINEX-Fileparser entwickelt, mit deren Hilfe die Projektpartner aus den Zeitreihen aller SINEX-Files beliebige Parameter auslesen und mittels XML in unterschiedlichen Formaten abspeichern und weiter nutzen können.
Die vorgesehenen Werkzeuge zur Analyse und Visualisierung der Zeitreihen wurden modular und mit klar definierten Schnittstellen entwickelt und können somit einerseits unabhängig voneinander genutzt werden, andererseits können sie sich aber auch gegenseitig aufrufen. Bei den Werkzeugen handelt es sich um ein Plot-Tool und ein Datenanalyse-Tool. Das Plot-Tool wurde in seinen Kernfunktionen bereits in der ersten Projektphase entwickelt und wird im IERS DIS produktiv eingesetzt. Für die Nutzung in GGOS-D wurde ein angepasstes Konzept entwickelt, dass auch mit den Datenreihen arbeiten kann, die aus den oben beschriebenen Skripten zur Datenvorverarbeitung resultieren, und das im Hinblick auf die gemeinsame Nutzung mit dem Datenanalyse-Tool optimal strukturiert ist. Das Datenanalyse-Tool wurde in Zusammenarbeit mit dem Projekt ERIS (Earth Rotation Information System) der DFG Forschergruppe Erdrotation entwickelt, wobei die Federführung bei der Realisierung im Projekt ERIS lag. Das Tool berücksichtigt in seiner Konzeption auch spezielle Anforderungen seitens GGOS-D, wie z.B. die Verarbeitung von XML-Daten.

Die Entwicklung eines ISO-basierten geodätischen Metadatenkataloges, die im Detail weiter unten beschrieben wird, führte zu umfangreichen Anpassungen im WP 2130. Hier wird das in der ersten Projektphase entwickelte Datenmanagementsystem (DMS) des IERS DIS eingesetzt. Dieses wurde zunächst um einen an das neue Metadatenprofil angepassten Metadateneditor erweitert. Daneben wurde das gesamte weitere Metadatenmanagement an das neue Profil angepasst: Hierzu gehören unter Anderem die Ablage der Metadaten in der Datenbank und die Anpassung der Oberflächen zur Recherche im Datenbestand und zur Selektion von Beobachtungsreihen. Außerdem wurde das SINEX-Format um einen Metadatenblock erweitert, der konform zu dem in WP 2300 entwickelten Metadatenkatalog ist. Nachdem die Projektpartner ihre Ausgaberoutinen so erweitert hatten, dass die generierten SINEX-Files diesen Metadatenblock enthalten, wurde ein SINEX-Metadatenparser geschrieben, der die Metadaten aus dem SINEX-Block ausliest und in die Datenbank schreibt. Somit sind die Metadaten in der Datenbank über die angesprochenen Benutzerschnittstellen des DMS such bar. Auf das entwickelte Metadatenprofil wird unter Punkt WP2300 näher eingegangen.

WP2200 Integration von externen geodätisch-geophysikalischen Datenreihen in das IERS Daten- und Informationssystem zur Validierung der Zeitreihen (Unterstützung von WP 6000) (BKG)

Aufgrund der intensiven Diskussionen zur Reorganisation des IERS Global Geophysical Fluids Centre (GGFC) und seiner acht Special Bureaus wurden die Arbeiten in diesem Work Package zunächst zurückgestellt. Mit zunehmender Projektdauer zeichnete sich jedoch ab, dass eine erfolgreiche Reorganisation der GGFC bis zum Ende des Projektes äußerst unwahrscheinlich ist, so dass die angestrebte Standardisierung der GGFC Datensätze in Zusammenarbeit mit den GGFC Special Bureaus in der beabsichtigten Form nicht mehr realisiert werden konnte. Aus diesem Grund wurden die wichtigsten Datensätze der Special Bureaus für Atmosphäre, Ozeane und Auflasten ohne Absprache mit den GGFC Special Bureaus in das IERS DIS integriert. Bei den berücksichtigten Produkten kann mit hoher Wahrscheinlichkeit davon ausgegangen werden, dass diese auch in Zukunft im gleichen oder ähnlichen Format bereitgestellt werden. Die Produkte wurden vollständig in das IERS DIS integriert. Die zugehörigen Dateien werden kontinuierlich in ihrer aktuellsten Version vorgehalten und es werden Metadaten extrahiert und in der Metadatenbank gespeichert. Es wurden XML-Schemata zur Beschreibung der Datensätze und Routinen entwickelt, um die Datensätze nach XML und von dort in verschiedene andere Ausgabeformate zu transformieren. Sie stehen den Projektpartnern zu Validierungszwecken und zur Nutzung mit den entwickelten Werkzeugen zur Analyse und Visualisierung zur Verfügung.

WP2300 Entwurf eines ISO-Standard-basierten geodätischen Metadatenkatalogs (BKG)

Eine Recherche bezüglich der Metadatenstrukturen bei Datenzentren für globale Netzwerke hat gezeigt, dass der ISO 19115 Standard „Geographic Information – Metadata“ entweder direkt als Standard verwendet wird, wie z.B. bei der World Meteorological Organisation (WMO) oder national im GeoPortal.Bund, oder zumindest in der Weise unterstützt wird, dass die verwendeten Metadatenstrukturen nach ISO 19115 abgebildet werden können, wie z.B. beim Global Runoff Data Centre (GRDC). Das von der NASA entwickelte und ebenfalls weit verbreitete Directory Interchange Format (DIF) wurde so erweitert, dass eine 100%-ige Kompatibilität zum ISO 19115 Standard besteht.
Infolgedessen wurde der bereits in der ersten Projektphase speziell für die Datensätze des IERS entwickelte Metadatensatz hinsichtlich einer 100%-igen Kompatibilität zum ISO 19115 Standard und auch in Bezug auf geodätisch-geophysikalische Datensätze erweitert. Dabei werden nicht mehr, wie ursprünglich vorgesehen, nur die sog. Kernelemente der ISO 19115 verwendet, sondern darüber hinaus alle für die Beschreibung geodätisch-geophysikalischer Datensätze als sinnvoll erscheinende Elemente berücksichtigt. Hierbei bleibt die Kompatibilität zum ISO 19115 Standard aber weiter erhalten. Das wichtigste Datenformat im GGOS-D Projekt, das SINEX-Format, wurde um einen Metadatenblock erweitert (siehe WP 2100). Insbesondere mit den oben beschriebenen Entwicklungen in Bezug auf einen SINEX-Metadatenblock übernimmt das GGOS-D Projekt in einem weiteren Bereich eine Vorreiterrolle im internationalen Umfeld. Der entwickelte Metadatenblock für das SINEX-Format wird derzeit im GGOS Projekt der IAG diskutiert. Auch das Metadatenprofil für geodätische Datensätze soll hier Verwendung finden.
Während die Metadaten aus den SINEX-Files automatisch geparst und in die Metadaten Datenbank integriert werden, muss dies für einzelne Dateien in anderen Formaten manuell erfolgen. Hierzu wurde innerhalb des IERS DMS ein Metadateneditor entwickelt, der den Projektpartnern die manuelle Eingabe der Metadaten für einzelne Dateien ermöglicht. Außerdem wurde die Benutzeroberfläche des DMS so erweitert, dass die Nutzer die verfügbaren Dateien über die Suchoberfläche unter Zugriff auf das neue Metadatenprofil erschließen können (siehe WP 2100).

WP2400 Anforderungen an einen echtzeitnahen Datentransport (DGFI)

Gemäß dem vorliegenden Antrag wurden Untersuchungen zur Realisierung eines echtzeitnahen Datentransportes für die verschiedenen Raumbeobachtungsverfahren durchgeführt. Es wurden Mechanismen für einen schnelleren Datentransfer von den Beobachtungsstationen zu den Auswertezentren sowie für die Berechnung echtzeitnaher geodätisch-geophysikalischer Produkte entwickelt. Es konnten wesentliche Fortschritte erzielt werden. Der gegenwärtige Stand bzw. die erzielten Ergebnisse für die verschiedenen Beobachtungsverfahren lassen sich wie folgt zusammenfassen:

• GPS: Da die GPS-Messungen innerhalb des IGS bereits echtzeitnah bearbeitet werden, ergaben sich keine zusätzlichen Anforderungen für dieses Projekt.
• VLBI: Bei VLBI–Messungen fallen extrem hohe Datenmengen an, so dass ein echtzeitnaher Datentransfer bisher nicht vollständig realisiert werden konnte. Inzwischen ermöglichen die Entwicklungen im IVS den Transport der Beobachtungsdaten der gemeinsamen Kurzzeitmessungen der Teleskope in Spitzbergen (Norwegen), Japan und Wettzell (Deutschland) zu den Datenzentren per elektronischer Datenleitung (e-VLBI).
• SLR: Im ILRS wurden Prozeduren für eine schnellere Verfügbarkeit der SLR-Produkte implementiert. Die kombinierten SLR-Lösungen sind nunmehr täglich (bisher wöchentlich) mit einer zeitlichen Verzögerung von 2 Tagen (statt bisher gut einer Woche) verfügbar. Einen wesentlichen Anteil an diesem Fortschritt haben das am DGFI betriebene ILRS Analysen- und Kombinationszentrum. Das EUROLAS Data Centre (EDC)“ am DGFI, eines der beiden globalen ILRS Datenzentren, stellt eine zuverlässige Archivierung und Bereitstellung der SLR-Produkte sicher.
• Altimetrie und Schwerefeldmissionen: Für die Altimetrie ist zwar teilweise ein Zugriff innerhalb von 3 Stunden nach der Messung realisiert. Der zeitbegrenzende Faktor sind allerdings die Vorzögerungen bei der Bereitstellung präziser Satellitenbahnen, die für eine genaue Bestimmung der Meereshöhen vorliegen müssen. Prinzipiell ist bei den Schwerefeldmissionen ein echtzeitnaher Datentransfer möglich, die Ableitung von numerisch stabilen Lösungen beruht aber gerade auf der Akkumulation von Beobachtungen einer längeren Messperiode.
• GRID Computing: Die im Antrag genannten Möglichkeiten des „GRID Computing“ wurden im Rahmen einer Diplomarbeit untersucht. Es wurde mit mehreren vernetzten Rechnern ein Test-GRID aufgebaut und untersucht, wie verteilte Ressourcen sinnvoll genutzt werden können.

WP3000 Erstellung konsistenter Beobachtungsreihen für geodätisch-geophysikalische Parameter aus den einzelnen Raumverfahren (IGG)

WP3100 Einheitliche Standards für Modellierung und Parametrisierung (alle)

Gemeinsames Arbeitspaket aller Verbundpartner:

• GFZ: Deutsches GeoForschungsZentrum Potsdam
• BKG: Bundesamt für Kartographie und Geodäsie
• DGFI: Deutsches Geodätisches Forschungsinstitut, München
• IGG: Institut für Geodäsie und Geoinformation, Universität Bonn

Deutsches Geodätisches Forschungsinstitut, München

Am DGFI wurden die GGOS-D Standards für die Modellierung und Parametrisierung der ersten und zweiten Iteration in den Software Paketen DOGS-OC (SLR) und OCCAM (VLBI) implementiert. Zusätzlich zu den technikübergreifenden Standards wurden alle verfahrensspezifischen Details zwischen den betreffenden Partnern abgestimmt. Dies betraf eine Abstimmung der VLBI Softwarepakete OCCAM und CALC/Solve zwischen DGFI und IGG, sowie der SLR Softwarepakete DOGS und EPOS zwischen DGFI und GFZ. Bei der Altimetrie werden die permanenten Gezeiten anders als bei den Punkt-Positionierungsverfahren verwendet. Diese Inkonsistenz wirkt sich jedoch auf die aus der Altimetrie abgeleiteten Massenvariationen nicht aus (vgl. WP3600).

Deutsches GeoForschungsZentrum, Potsdam

Ein Arbeitsschwerpunkt war der Vergleich unterschiedlicher Troposphärenmodellierungen (hydrostatische a priori Zenitverzögerungen und Mappingfunktionen) und die Untersuchung des Einflusses auf die geschätzten Stationskoordinaten. Für die erste Iteration wurde die bereits in alle Softwarepakete implementierte Niell Mappingfunktion (NMF) sowie konstante a priori Zenitverzögerungen verwendet. Mit der Bernese GPS Software wurden zusätzlich noch Lösungen mit der Vienna Mappingfunktion 1 (VMF1) sowie hydrostatischen a priori Zenitverzögerungen aus Wettermodelldaten (ECMWF) berechnet und der Einfluss auf die Höhenkomponente untersucht. Der Vergleich der verschiedenen Mappingfunktionen liefert Höhendifferenzen im Bereich +4 bis -12 mm. Die unterschiedlichen a priori Zenitverzögerungen rufen Höhenänderungen im Bereich +3 bis -6 mm hervor, siehe Abb. 2.1.1. Da die auf Wettermodellen basierende Mappingfunktion VMF1 und die ECMWF-basierten hydrostatischen a priori Zenitverzögerungen eine realistischere Modellierung als die einfachen Modelle der 1. Iteration ermöglichen, wurden diese als Standard für die 2. Iteration definiert und sorgen für eine bessere geophysikalische Interpretierbarkeit dieser Lösung.

Abb. 2.1.1: Stationsspezifische mittlere Höhendifferenzen zweier Bernese GPS-Lösungen für den Zeitraum 1/1994 - 304/2005 in Millimetern. Die Lösungen unterscheiden sich in der Modellierung der hydrostatischen a priori Zenitverzögerungen: konstante stationsspezifische Werte vs. 6-stündige ECMWF-Zeitreihen.

Institut für Geodäsie und Geoinformation, Universität Bonn

Am IGG wurde die VLBI-Software CALC/SOLV an die vereinbarten Standards angepasst. Ebenso wurde die Parameterisierung vereinheitlicht (z.B. Troposphären-parameter auf Intervallen mit ganzen Stunden).

WP3200 Laser-Entfernungsmessungen zu Satelliten (GFZ, DGFI)

Konsistente SLR-Beobachtungsreihen wurden innerhalb des Verbundvorhabens am DGFI und am GFZ erstellt.

Deutsches Geodätisches Forschungsinstitut, München

Im Rahmen des Projektes wurde der vollständige SLR-Datensatz zu den Satelliten Lageos-1 und 2 von 1993 bis 2007 gemäß den in WP3100 definierten Standards für die Modellierung und Parametrisierung mit der DOGS-Software ausgewertet. Die einzelnen Wochenlösungen wurden wegen vereinzelter Ausreißer editiert und es wurden freie Normalgleichungen für das GGOS-D Projekt bereitgestellt. Durch Vergleiche mit den SLR-Ergebnissen des GFZ wurden bisher nicht aufgedeckte Diskrepanzen sichtbar, die wiederholte Prozessierungen erforderten. Das Ergebnis dieses Arbeitspaketes sind freie Normalgleichungen für die SLR-Beobachtungsreihen von 1993 bis 2007. Diese Normalgleichungen beinhalten als gelöste Parameter: Stationspositionen, Erdorientierungsparameter (X-,Y-Pol und UT1-UTC jeweils um 0 Uhr UTC), niedere harmonische Koeffizienten des Erdschwerefeldes von Grad und Ordnung 0 bis 2, sowie Rangebiases für ausgewählte Stationen (siehe Abbildung 2.1.2). Die endgültigen SLR-Beobachtungsreihen als Input für die Berechnung des terrestrischen Referenzsystems (siehe WP4000) und für die Erzeugung echtzeitnaher geodätisch-geophysikalischer Produkte (WP5000) wurden in WP4100 am DGFI durch Kombination der Normalgleichungen der SLR-Einzellösungen von DGFI und GFZ erstellt.

Deutsches GeoForschungsZentrum, Potsdam

Am GFZ wurden neben der Generierung der SLR-Lösungen mit der Software EPOS – nach den mit dem DGFI vereinbarten, einheitlichen Standards – auch detaillierte Vergleiche zwischen den zwei unterschiedlichen SLR-Lösungen durchgeführt. Dabei hat sich gezeigt, dass das Pre-Processing der SLR-Messungen (Detektion von Fehlmessungen und deren Behandlung) einen sehr kritischen Schritt in der Verarbeitung darstellt, der die Qualität der Resultate entscheidend beeinflusst.

Abb. 2.1.2: Wöchentlich bestimmte SLR-Rangebiaswerte für die Station Haleakala.

Die Abbildung 2.1.3 stellt die Koordinaten der zwei SLR-Wochen-Lösungen für die Station Yarragadee (Australien) dar. Durch die unterschiedlichen Vorgehensweisen beim Preprocessing sind qualitativ sehr unterschiedliche Resultate erzielt worden. Nach einer gemeinsamen Angleichung der Methoden waren die Resultate sehr viel ähnlicher und besser.

Abb. 2.1.3: Wöchentlich bestimmte Koordinaten für die Station Yarragadee (oben: DGFI, unten: GFZ). DGFI hat hier im Mittel pro Tag ca. 200 Beobachtungen mehr verwendet. Nach Angleichung der Detektion von Fehlmessungen ergeben sich sehr viel kleinere Unterschiede zwischen den zwei Lösungen.

WP3300 Astronomische Radiointerferometrie auf sehr langen Basislinien
(Very Long Baseline Interferometrie, VLBI) (DGFI, IGG)

Konsistente VLBI-Beobachtungsreihen wurden innerhalb des Verbundvorhabens am DGFI und IGG erstellt. Es erfolgt zunächst eine kurze getrennte Darstellung der Ergebnisse beider Institutionen. Im Anschluss daran werden die gemeinsamen Arbeiten und Ergebnisse beider Institutionen dargestellt, um Wiederholungen zu vermeiden.

Deutsches Geodätisches Forschungsinstitut, München

Am DGFI wurde das gesamte Beobachtungsmaterial hochgenauer geodätischer VLBI-Messungen zwischen 1984 und 2007 mit dem Softwarepaket OCCAM v6.1 ausgewertet. Insgesamt umfasst die VLBI-Beobachtungsreihe 2935 24-stündige Sessionen. Es wurden dabei die in WP3100 definierten Standards für die Modellierung und Parametrisierung in die VLBI-Software implementiert und die technikspezifischen Details mit den VLBI-Berechnungen am IGG abgestimmt. Für die Gewichtung der VLBI-Beobachtungen wurde am DGFI ein verbessertes stochastisches Modell (Tesmer, 2004) genutzt. Als Ergebnis wurden für jede Session datumsfreie Normalgleichungen mit Radioquellenpositionen, Erdorientierungsparametern, Stationskoordinaten und Atmosphärenparameter im SINEX- Format für das GGOS-D Projekt bereitgestellt.

Institut für Geodäsie und Geoinformation, Universität Bonn

Innerhalb des GGOS-D Projektes wurde das gesamte Beobachtungsmaterial hochgenauer geodätischer VLBI-Messungen zwischen 1984 und 2007 am IGG der Universität Bonn mit dem unter der Federführung des NASA Goddard Space Flight Centers international gepflegten und ständig weiterentwickelten VLBI-Auswerteprogrammes Calc/Solve ausgewertet. Wie am DGFI wurden die in WP3100 definierten Standards für die Modellierung und Parametrisierung in die VLBI-Software implementiert und die technikspezifischen Details zwischen beiden Softwarepaketen abgestimmt. Es wurden nur 24-stündige Sessions mit mindestens 3 beteiligten Stationen und mindestens 250 Bebachtungen pro Session benutzt. Insgesamt bestehen die GGOS-D VLBI Lösungen aus 2935 homogen reprozessierten Sessions mit 53 Stationen und 2777 zu beobachtenden Quellen. In der Lösung des IGG wurden die Gewichte aus dem Korrelationsprozess verwendet, die pro Session in der Form modifiziert wurden, dass Chi^2 für jede Basislinie ungefähr eins ist. Als Ergebnis wurden für alle 2935 Sessionen datumsfreie Normalgleichungen mit Radioquellenpositionen, Erdorientierungsparametern, Stationskoordinaten und Atmosphärenparameter im SINEX-Format bereitgestellt.

Gemeinsame Arbeiten und Ergebnisse von DGFI und IGG:

Durch die Verwendung zweier verschiedener Softwarepakete konnte die Abhängigkeit von einem einzelnen der derzeit vorhandenen Softwarepakete zur Auswertung von VLBI-Beobachtungen ausgeschlossen werden. Gemeinsame Untersuchungen zur Modellierung und Parametrisierung und daraus resultierende Modifikation der beiden VLBI-Auswerteprogramme waren:

• Untersuchungen zur konsistenten Schätzung von Atmosphärenparametern zu festgelegten Epochen unter Berücksichtigung horizontaler Gradienten; Einführung einheitlicher Epochenbezüge jeweils zur vollen Stunde für die atmosphä-rische Laufzeitverzögerung in Zenitrichtung
• Einführung einheitlicher Epochenbezüge jeweils zur vollen Stunde für die Uhrenparameter
• In jeder VLBI-Lösung wurde ein quadratisches Polynom für die Atomuhren an der jeweiligen Beobachtungsstation relativ zu einer Referenzuhr geschätzt. Hierbei wurden unterschiedliche Uhren als Referenzuhr verwendet und ggf. Uhrensprünge eingeführt
• Berücksichtigung der thermalen Deformation als Korrektur der Laufzeitverzögerung
• Einführung der verbesserten Mapping-Funktion VMF1
• Erweiterung des Outputs im SINEX Format in Form von datumsfreien Normalgleichungen um Quellen- und Atmosphärenparameter sowie subtägliche Erdorientierungsparameter.

Mit beiden Softwarepaketen wurde der identische Satz von 2935 24-stündigen VLBI-Beobachtungssessionen analysiert. Bevor die verschiedenen Einzelserien jedoch zu einer VLBI-Lösung kombiniert wurden (siehe WP4100), wurden verschiedene Vergleiche durchgeführt, um verbliebene systematische Unterschiede zwischen den Einzellösungen aufzudecken. Als ein Beispiel hierzu zeigt Abbildung 2.1.4 die Unterschiede in den mittleren Stationshöhen zwischen den beiden Einzellösungen. Die Vektoren in Grau stellen die Situation vor dem Abgleich der beiden Softwarepakete dar, die Vektoren in Schwarz nach dem Abgleich. Im Mittel erreichen die Differenzen in den Stationshöhen +/- 5 mm mit einem klaren systematischen Verhalten bezüglich der geographischen Lage. Der Grund für diese großen Unterschiede besteht in unterschiedlichen Modellen zur Berücksichtigung der Polgezeiten. Nach dem Abgleich der Modelle waren die Differenzen kleiner als +/- 1 mm und streuten zufällig.

Abb. 2.1.4: Höhenunterschiede zwischen den VLBI-Einzellösungen vor (grau) und nach (schwarz) dem Abgleich der Softwarepakete.

WP3400 Globales Positionierungssystem (Global Positioning System, GPS) (GFZ)

Beobachtungsreihen globaler GPS-Stationen wurden innerhalb des Verbundvorhabens vom GFZ Potsdam erstellt. Am DGFI wurden regionale GPS-Lösungen berechnet, die für Vergleiche und eine Verdichtung des globalen Netzes zur Verfügung standen.

Deutsches GeoForschungsZentrum, Potsdam

Bernese GPS-Lösung:

Da die GPS-Satellitenbahnen zwar im Rahmen des GGOS-D Projektes nicht näher untersucht wurden, eine hochgenaue Bahnbestimmung jedoch Voraussetzung für eine hohe Qualität der anderen, mit GPS bestimmten Parameter ist, soll hier kurz GGOS-D
auf die Genauigkeit der GPS-Satellitenbahnen eingegangen werden. Ein Indikator für die formale Genauigkeit der Satellitenbahnen ist der sogannte SP3c Genauigkeitscode, der im Header der entsprechenden Bahndateien enthalten ist. Ein SP3c Genauigkeitscode n steht dabei für eine formale Positionsgenauigkeit von ±2n mm. Die SP3c Genauigkeitscodes der zweiten Iteration sind in Abb. 2.1.5 dargestellt. In den Jahren 1994 und 1995 ist die Genauigkeit aufgrund der geringen Stationszahl schlechter als in den Folgejahren. Dies ist auch in den hier nicht gezeigten Konsistenztests sichtbar. In den späteren Jahren ist die formale Genauigkeit im Allgemeinen kleiner als 1 cm.

Abb 2.1.5: SP3c Genauigkeitscodes der GPS-Satellitenbahnen aus 1-Tageslösungen. Unbesetzte PRNs sind in dunkelblau dargestellt

EPOS Potsdam GPS-Lösung:

Für die Verarbeitung der GPS-Daten mit der EPOS-Software in Potsdam wurde die bisherige Strategie für die Reprozessierung verbessert. Durch die zahlreichen Vorarbeiten hat sich die Anzahl der verfügbaren GPS-Stationen deutlich erhöht. Dadurch wäre der Prozessierungsaufwand unverhältnismäßig gestiegen. Daher wurden die Lösungen in Cluster ausgeführt. Der Hauptcluster mit ca. 216 Stationen enthält überwiegend IGS-Stationen und TIGA-Stationen, die seit längerem verfügbar sind. Der zweite Cluster, in dem die Anzahl der einbezogenen Stationen auf ca. 217 erhöht wurde, wird separat berechnet und anschließend auf der Basis der Normalgleichungen in die finale Berechnung eingeführt. 30 Stationen gehören zu beiden Cluster. Das vollständige TIGA GPS-Netz umfasst aktuell 403 GPS-Stationen: 216 IGS-Stationen und 187 TIGA-only Stationen (Abb. 2.1.6). Das ist das weitaus größte Netz aller TIGA-Analysezentren. Mit diesem Ansatz hat das GFZ eine führende Position bei der Reprozessierung eingenommen.

Abb.2.1.6. Das vollständige TIGA GPS Netz der GFZ - Lösung (403 GPS-Stationen)

Zusätzlich mussten eine Reihe weiterer Aufgaben durchgeführt werden, um eine qualitativ hochwertige und möglichst vollständige Reprozessierung der GFZ-Lösung zu ermöglichen. So wurden z.B. 31 neue TIGA GPS-Stationen in die Auswertung eingeführt. Die Information über Antennen und Empfänger, DOMES Nummern wurden für 156 TIGA-Stationen für den Zeitraum 1994-2007 überprüft und aktualisiert. TIGA-spezifische Namen (TIGAxxxxx) wurden für 15 TIGA Stationen zugewiesen, die keine DOMES-Nummern haben. Eine Liste von ftp-Adressen wurde aus den site-logs für alle 187 TIGA-only erstellt, um die automatisierte Datenaquise zu unterstützen. GPS-Daten für die neuen Stationen und fehlenden GPS-Daten für die vorhandenen Stationen für den Zeitraum von 01.01.1994 bis 31.12.2007 wurden in Datenbanken am GFZ erfasst und abgelegt. Wöchentliche SINEX Dateien, die international zur Verfügung gestellt werden, enthalten jetzt die folgenden Parameter: Satellitenantennenoffsets, X,Y,Z-Stationskoordinaten, x- & y-Polkoordinaten und Raten, Unterschied (UT1-UTC) und Länge des Tages (LOD). SINEX-Dateien für 482 Wochen der Jahre 1998-2007 stehen bereit. Die SINEX-Dateien wurden auch für das GEOTECHNOLOGIEN Projekt „SEAVAR“ und für die IGS-Reprozessierung zu Verfügung gestellt. Die Dateien für die Jahre 2000-2001 wurden für die IGS-Kombination für ITRF2008 bereitgestellt.

Deutsches Geodätisches Forschungsinstitut, München

Am DGFI wurden regionale GPS-Beobachtungsreihen für Punkte des südamerikanischen Referenzsystems (SIRGAS) und für ausgewählte Pegelstationen der Atlantik-Region innerhalb des IGS Projektes „Tide Gauge Benchmark Monitoring (TIGA)“ erstellt. Die Daten wurden mit der Bernese GPS Software von 1996 bis 2007 in Form von Wochenlösungen konsistent prozessiert. Als Ergebnis stehen wöchentliche und tägliche datumsfreie Normalgleichungen mit Stationspositionen zur Verfügung.

WP3500 Niedrigfliegende Satelliten (Low Earth Orbiting Satellites, LEOs) (GFZ)

Im Rahmen der Prozessierung nach der Integrierten Methode wurde das Beobachtungsmaterial in tageweisen Laufverzeichnissen zusammengestellt und in Vorläufen gesäubert. Die Konsistenz der Beobachtungen ist implizit durch die simultane Prozessierung und Ausgleichung gegeben, in welcher unter anderem Beobachtungskorrekturen entsprechend modelliert werden.

WP3600 Satellitenaltimetrie (DGFI)

Durch die Folge vieler erfolgreicher Missionen (ERS-1, TOPEX/Poseidon, ERS-2, GFO, Jason-1, ENVISAT) ist mit der Satellitenaltimetrie eine hohe Informationsdichte entstanden, die ab 1993 eine zuverlässige Beschreibung der Meeresoberfläche und ihrer Variabilität sicherstellt. Um für das GGOS-D Projekt konsistente Beobachtungsreihen der Satellitenaltimetrie zu erzeugen sind drei Bearbeitungsstufen erforderlich, die Aktualisierung, eine möglichst weitgehende Harmonisierung und eine relative Kalibrierung. Aktualisierung der verfügbaren Missionsdaten bedeutet z.B., genauere Bahnbestimmungen mit den neuesten GRACE-basierten Schwerefeldmodellen oder neue, missionsspezifische Kalibrationen z.B. für die Radiometer zu übernehmen. Eine Harmonisierung wurde erreicht indem die Gezeiten-korrekturen aller Missionen mit dem gleichen Modell, hier FES2004, berechnet wurden. Damit wurde gleichzeitig dem projektinternen Standards entsprochen (vergl. WP 3100). Auch für die Korrektur des inversen Barometereffektes wurde ein einheitliches Modell benutzt, das auf dem dynamischen MOG2D-Modell beruht. Durch die Harmonisierung schließt man weitgehend aus, dass sich Differenzen der Korrekturmodelle als scheinbare Variationen des Meeresspiegels abbilden. Der Standardisierung sind allerdings auch Grenzen gesetzt. Die Feuchtkorrektur der Troposphäre wird aus in-situ Beobachtungen der Radiometer abgeleitet, muss bei den Punktpositionierungsverfahren aber geschätzt werden. Auch die Behandlung der permanenten Gezeitendeformation muss beachtet werden: Sie wird im Gegensatz zu den Punktpositionierungsverfahren in der Altimetrie nicht korrigiert. Die letzte Bearbeitungsstufe für die Erzeugung konsistenter Altimeter-Zeitreihen besteht in einer relativen Kalibrierung. Sie nutzt den Umstand, dass ab 1993 mindestens zwei, gelegentlich bis zu fünf Altimetersystem gleichzeitig gemessen haben (siehe Abb. 2.1.7, unteres Balkendiagramm).

Abb. 2.1.7: Ergebnisse der radialen Entfernungsfehler („range biases“) aus der gemeinsamen Kalibrierung aller Missionen, die während der gesamten Lebensdauer von Topex gemessen haben. Die Messperioden der einzelnen Missionen sind in dem Balkendiagramm unten angegeben. Die range biases erreichen bis zu 45 cm (für ENVISAT und ERS-1) und sind für einige Missionen keineswegs stationär. Man beachte die offensichtliche Drift von ERS-1 und ERS-2, die durch unzureichende Kalibrierung von Hilfssensoren verursacht sein könnte.

Durch eine Kreuzungspunktanalyse werden die Doppelmessungen an sich schneidenden Bahnspuren genutzt, um radiale Fehler aller Satellitenbahnen für den gesamten Missionszeitraum zu schätzen. Damit können konstante Entfernungsfehler (sogen. „range biases“) und Unterschiede in den Geozentrumsrealisierungen aufgedeckt werden. Diese Multi-Missions Kalibrierung wurde für die gesamte Lebensdauer von Topex, d.h. von Oktober 1992 bis September 2006 durchgeführt (siehe Abb. 2.7.1). Gleichzeitig erlaubt die vollständige Historie aller Bahnfehler jeder Mission eine robuste statistische Charakterisierung der radialen Fehler durch eine empirische Auto-Kovarianzfunktion (Abb. 2.1.8).

Abb 2.1.8: Empirische Auto-Kovarianzfunktionen der Altimetersysteme die während der Topex Le-benszeit gemessen haben. Deutlich höhere Varianzen und Kovarianzen ergeben sich für GFO, ERS-1 und ERS-2. Die übrigen Missionen haben Varianzen von unter 300 mm2 (das entspricht ± 17 mm).

Für die weiteren Untersuchungen im GGOS-D Projekt wurden nur die Beobachtungsreihen der Missionen Topex und Jason-1 genutzt. Die Untersuchungen zeigen, dass GFO, aber auch die ESA Missionen ERS-1, ERS-2 eine geringere Genauigkeit aufweisen. Für GGOS-D ist zudem eine hohe zeitliche Auflösung, die mit den 10-Tage Wiederholzyklen von Topex und Jason-1 geboten wird, wichtiger ist als eine hohe räumliche Auflösung, die wegen der Beschränkung auf niedrige harmonische Koeffizienten des Schwerefeldes untergeordnete Bedeutung hat. Topex und Jason-1 bilden zudem die längste Beobachtungsreihe über einer identischen Bodenspur.

WP4000 Berechnung konsistenter geodätischer Referenzsysteme durch Kombination der verschiedenen Raumbeobachtungsverfahren über lange Zeiträume (DGFI)

WP4100 Lösungen der einzelnen Beobachtungsverfahren (DGFI, GFZ, IGG)

Das Ergebnis dieses Arbeitspaketes sind Lösungen für die Beobachtungsverfahren GPS, SLR und VLBI über lange Zeiträume, welche die Grundlage für die Berechnung konsistenter geodätischer Referenzsysteme (siehe WP4200) liefern. Für die Berechnung der technik-spezifischen Lösungen wurden die folgenden Beobachtungsreihen verwendet (siehe WP3200, WP3300, WP3400):

• VLBI: 1984-2007, tägliche Normalgleichungen (BKG-IGG, DGFI)
• SLR: 1993-2007, wöchentliche Normalgleichungen (DGFI, GFZ)
• GPS: 1994-2007, tägliche Normalgleichungen (GFZ)

Ergebnisse der Intra-technik Kombination für SLR und VLBI:

SLR Intra-Technik Kombination (DGFI):

Die wöchentliche Kombination der beiden vom GFZ und DGFI erzeugten SLR-Beobachtungsreihen wurde am DGFI auf der Ebene datumsfreier Normalgleichungen durchgeführt. Der Lösungsraum der Parameter in den wöchentlich berechneten SLR-Normalgleichungssystemen des DGFI und GFZ erstreckt sich neben den Stationskoordinaten und EOP auch auf die niederen harmonischen Koeffizienten des Erdschwerefeldes. Die relative Gewichtung erwies sich als robust, während die Varianzkomponentenschätzung für die vorliegende Struktur der Normalgleichungssysteme äußerst sensitiv reagiert. Als Ergebnis wurden kombinierte wöchentliche Normalgleichungen über den gesamten Zeitraum von 1993 bis 2007 erzeugt. Die kombinierten Normalgleichungen enthalten als Parameter die Stationskoordinaten und –geschwindigkeiten, Erdorientierungsparameter und die niederen sphärischen harmonischen Koeffizienten des Erdschwerefeldes.

VLBI Intra-Technik Kombination (IGG):

Die Kombination der VLBI-Einzelbeiträge erfolgte am IGG mit dem vom DGFI entwickelten Programmsystem DOGS-CS auf der Ebene datumsfreier Normalgleichungssysteme separat für jede Beobachtungssession. Eine der grundlegenden Vorraussetzungen für die Kombination auf Normalgleichungsebene ist, dass der gleiche Satz an a-priori Werten verwendet wird. Daher wurden in einem ersten Schritt die Normalgleichungen auf dieselbe Referenzepoche sowie den gleichen terrestischen Referenzrahmen und einen identischen Satz an a-priori EOP transformiert. Im zweiten Schritt erfolgt ein Ausreißertest, um die Eignung der Einzellösung zu bestimmen. Ein kombiniertes Normalgleichungssystem wird durch die gewichtete Addition von Normalgleichungen der jeweiligen Einzellösungen erhalten. Die Gewichte wurden mit Hilfe der Varianzkomponentenschätzung bestimmt. Das Ergebnis sind kombinierte Normalgleichungssysteme mit Stationskoordinaten und -geschwindigkeiten, Erdorientierungsparametern, Quasarkoordinaten und troposphärischen Parametern.

Berechnung akkumulierter GPS, SLR und VLBI Lösungen (DGFI):

Die Berechnung akkumulierter Normalgleichungen für die Beobachtungsverfahren GPS, SLR und VLBI ist eine wichtige Voraussetzung für die Berechnung der geo-dätischen Referenzsysteme (siehe WP4200). Die im Projekt erarbeiteten Methoden wurden angewendet, um die GPS-, SLR- und VLBI- Beobachtungsreihen zu akkumulieren und technik-spezifische Gesamtlösungen zu berechnen (Intra-Technik-Kombination). Ein wichtiges Ergebnis dieses Arbeitsschrittes sind die Zeitreihen für die Stationskoordinaten und Datumsparameter für die verschiedenen Raumbeobachtungsverfahren. Es erfolgte eine umfangreiche Analyse der Zeitreihen. Ziel war die Identifizierung von nicht-linearen Effekten (u.a. Sprünge, saisonale Bewegungen, postseismische Deformationen) in den Stationsbewegungen und Untersuchungen zur Stabilität der Datumsparameter (Koordinatenursprung und Netzmaßstab) für die unterschiedlichen Beobachtungsverfahren. Es wurden für viele Stationen Sprünge in den Stationskoordinaten (insbesondere wegen instrumenteller Effekte oder geophysikalischer Ereignisse wie z.B. Erdbeben) identifiziert. In diesen Fällen wurden neue Parameter für Stationskoordinaten und –geschwindigkeiten aufgesetzt. Aufgrund der konsistent reprozessierten Beobachtungsreihen und der verbesserten und vereinheitlichten Modellbildung (im Vergleich zum ITRF2005) konnte die Anzahl der Sprünge insgesamt erheblich reduziert werden. Ein weiteres wichtiges Ergebnis der Zeitreihenanalyse der Stationskoordinaten war, dass für viele Stationen ausgeprägte saisonale Variationen insbesondere in den Stationshöhen erkannt wurden, die bei zukünftigen Berechnungen des terrestrischen Referenzsystems berücksichtigt werden sollten.

Abb. 2.1.9: Mittleres Jahressignal der Höhenkomponente für zwei GPS-Stationen. Die geglättete Funktion(rot) ist eine mathematische Approximation der Zeitreihe durch jährliche und halbjährli-che harmonische Funktionen.

Exemplarisch zeigt Abbildung 2.1.9 das mittlere Jahressignal in der Höhenkomponente für die Stationen Brasilia und Ankara. Während die mittlere saisonale Höhenbewegung der Station Brasilia ein deutliches Maximum und Minimum aufweist, zeigt Ankara kein ausgeprägtes Minimum. Insgesamt wurde festgestellt, dass das saisonale Verhalten stark stationsabhängig ist. Wie Abbildung 2.1.9 zeigt, lassen sich unterschiedliche saisonale Stationsbewegungen relativ gut durch einen mathematischen Ansatz mit jährlichen und halbjährlichen harmonischen Funktionen beschreiben

Deutsches GeoForschungsZentrum, Potsdam

Bernese GPS-Lösung:

Da der GGOS-D TRF nicht rechtzeitig zur Verfügung stand wurde für die Generierung der GPS-Zeitreihen ein eigener TRF aus den Daten der Bernese GPS-Lösung berechnet. Dabei wurden die bereits aus früheren TRF-Berechnungen aus reprozessierten GPS-Reihen bekannten Diskontinuitäten berücksichtigt, aber auch anhand der aktuellen Zeitreihen neue Diskontinuitäten detektiert und bei der endgültigen Lösung eingeführt. Abbildung 2.1.10 zeigt die vertikalen Geschwindigkeiten der aus über zwölf Jahren Beobachtungen berechneten Bernese GPS-TRF-Lösung. Deutlich sind die postglazialen Landhebungen in Skandinavien und Nordamerika zu erkennen. Dieser Referenzrahmen bildet die Grundlage für die in WP5300 beschriebenen Bernese GPS-Zeitreihenlösungen.

Abb. 2.1.10: Vertikale Geschwindigkeiten in Millimeter/Jahr der Bernese GPS-TRF-Lösung.

ERPs aus Mehrjahreslösungen im Vergleich zu Tageslösungen (GFZ):

Die Berechnung des Referenzrahmens durch Aufakkumulieren aller Tages-Normalgleichungssysteme beinhaltet neben den Stationspositionen auch die ERPs (Polkoordinaten und UT) für den gesamten Zeitraum. Die daraus entstandenen ERP-Zeitreihen sind völlig konsistent zum TRF. Vergleicht man diese mit ERP-Zeitreihen, die aus Tageslösungen generiert wurden, so zeigen sich deutliche Unterschiede für alle Beobachtungsverfahren.
Im Vergleich mit einer externen ERP-Reihe (IERS-C04) wird deutlich, dass die homogenen Zeitreihen aus der Mehrjahreslösung stabiler sind als die Zeitreihen aus Tageslösungen (siehe Abbildung 2.1.11 für die y-Polkoordinate aus GPS und VLBI). Der Stabilisierungseffekt ist dabei umso größer je schwächer die Netzgeometrie der Beobachtungsstationen ist. (VLBI-Netz pro Session ist immer deutlich schwächer als das Gesamtnetz, während bei GPS nur in den Anfangsjahren die Netzgeometrie eine Rolle spielt).

Abb. 2.1.11: Y-Polkoordinaten geschätzt aus Tages- und Mehrjahreslösungen für GPS und VLBI, sowie UT1-UTC geschätzt aus VLBI (alle im Vergleich zu IERS-C04).

WP4200 Kombination verschiedener Beobachtungsverfahren DGFI, GFZ)

Deutsches Geodätisches Forschungsinstitut, München

Die in WP4100 generierten Mehrjahreslösungen der verschiedenen Raumbeobachtungsverfahren wurden zu einer konsistenten Gesamtlösung als Realisierung eines geodätischen Referenzsystems kombiniert (Inter-Technik Kombination). Es wurde eine verfeinerte Kombinationsmethodik entwickelt und in die DGFI Kombinationssoftware DOGS-CS implementiert. Wesentliche Merkmale dabei waren eine verbesserte Strategie zur Verknüpfung der verschiedenen Raumbeobachtungsverfahren durch neue Verfahren zur Behandlung der terrestrischen Verbindungsmessungen. Besonders hervorzuheben ist, dass im Rahmen des GGOS-D Projektes erstmals eine konsistente Gesamtlösung für den terrestrischen Referenzrahmen (Stationskoordinaten und deren zeitliche Variationen), den zälestischen Referenzrahmen (Quasarkoordinaten) und die Erdorientierungsparameter berechnet werden konnte. Dies war für ein erfolgreichen Projektabschluss besonders wichtig, denn die geodätischen Referenzsysteme liefern die Grundlage für die in WP5000 erzeugten echtzeitnahen geodätisch-geophysikalischen Produkte. Abbildung 2.1.12 zeigt die Stationsgeschwindigkeiten des GGOS-D Referenzrahmens.

Abb. 2.1.12: Stationsgeschwindigkeiten des terrestrischen GGOS-D Referenzrahmens

Deutsches GeoForschungsZentrum, Potsdam (GFZ)

Auch für die Kombination wurden die ERP-Zeitreihen aus Tageslösungen mit denen aus einer Mehrjahreslösung verglichen (analog zu WP4100 für die einzelnen Beobachtungsverfahren). Eine Stabilisierung durch die homogene Berechnung bei einer Mehrjahreslösung konnte auch hier festgestellt werden, insbesondere für die Anfangsjahre.
Eine entscheidende Rolle bei der inter-Technik-Kombination spielen die Local Ties zur Verknüpfung der Stationspositionen. Als Kriterium für die Auswahl „guter“ Local Ties wurden die Polkoordinaten herangezogen: In einem ersten Schritt wurden alle vorhandenen Local Ties eingeführt und die ERPs nicht kombiniert, d.h. je Beobachtungsverfahren wurde eine eigene Polzeitreihe geschätzt. Im Idealfall sollten alle drei Polzeitreihen identisch sein. Diskrepanzen zwischen den Polzeitreihen konnten dann einzelnen Local Ties zugeordnet werden, die folglich zur weiteren Berechnung nicht mehr eingeführt wurden. Abbildung 2.1.13 zeigt den iterativen Prozess zur Auswahl geeigneter Local Ties zwischen GPS- und VLBI-Kolokationen.

Abb. 2.1.13: Differenzen in den Polkoordinaten zur Auswahl geeigneter Local Ties.

WP4300 Vergleiche der verschiedenen Lösungen (innerhalb des Verbundvorhabens) (DGFI, GFZ)

Deutsches Geodätisches Forschungsinstitut, München

Vergleiche wurden durchgeführt zwischen den verschiedenen Lösungen, die innerhalb des Verbundvorhabens generiert wurden. Dabei wurden insbesondere die Parameter verglichen, die für die Berechnung des terrestrischen Referenzrahmens relevant sind (u.a., Stationspositionen und –geschwindigkeiten, niedere harmonische Koeffizienten des Erdschwerefeldes, Erdorientierungsparameter). Es wurden auch Vergleiche zwischen den technik-spezifischen Lösungen vorgenommen. Dabei wurden die Stationskoordinaten auf Kolokationsstationen (unter Berücksichtigung der terrestrischen Verbindungsmessungen) verglichen. Abbildung 2.1.14 zeigt exemplarisch die Ergebnisse dieses Vergleichs für insgesamt 21 VLBI-GPS Kolokationen. Dargestellt sind die 3-D Differenzvektoren zwischen den VLBI und GPS Lösungen und den terrestrischen Verbindungsmessungen. Die GGOS-D Ergebnisse sind im Vergleich zu den entsprechenden ITRF2005 Ergebnissen des DGFI dargestellt (siehe externer Vergleich, WP4400). Für die meisten Stationen zeigt sich in den GGOS-D Ergebnissen eine wesentliche bessere Übereinstimmung zwischen VLBI und GPS. Der Genauigkeitsgewinn ist besonders deutlich für geographisch isolierte Stationen auf der Südhalbkugel (mit Ausnahme der Station Hobart).

Abb. 2.1.14: 3-D Differenzvektoren zwischen den VLBI und GPS Lösungen und den terrestrischen Verbindungsmessungen für 21 Ko-lokationsstationen. Die GGOS-D Ergebnisse sind im Vergleich zum ITRF2005 dargestellt. Die sechs Stationen auf der Südhalbkugel sind farblich hinterlegt.

Deutsches GeoForschungsZentrum Potsdam (GFZ)

Ein Schwerpunkt der Vergleiche lag auf den EOP-Zeitreihen. Abb. 2.1.15 zeigt die gute Konsistenz der Polzeitreihen, die aus GPS- und VLBI-Mehrjahreslösungen (siehe WP4100) erzeugt wurden.

Abb. 2.1.15: Differenzen der x- und y-Polkoordinaten aus Mehrjahreslösungen von GPS und VLBI.

WP4400 Vergleiche mit externen Lösungen (DGFI, GFZ)

Deutsches Geodätisches Forschungsinstitut, München

Für einen externen Vergleich der im Verbundvorhaben berechneten Lösungen wurden die Ergebnisse der IERS-Produktzentren verwendet (u.a. ITRF, ICRF, EOPs). Die Stationskoordinaten und –geschwindigkeiten der kombinierten Gesamtlösung wurden mit dem ITRF2005 verglichen. Für einen Vergleich der Erdorientierungsparameter wurden der ITRF2005 und die EOP 05 C04 Reihe des IERS verwendet. Die Ergebnisse für den zälestischen Referenzrahmen wurden mit der IERS Realisierung ICRF-Ext1 verglichen. Tabelle 2.1.1 zeigt exemplarisch den Vergleich zwischen VLBI und GPS für die GGOS-D Berechnungen im Vergleich zum ITRF2005. Die Ergebnisse zeigen, dass bei den GGOS-D Berechnungen wesentlich mehr Kolokationsstationen verwendet werden konnten, und das außerdem die mittlere Differenz zwischen den mit VLBI und GPS bestimmten Polkoordinaten sowie die Netzdeformation (verursacht durch die eingeführten terrestrischen Verbindungsmessungen) im Vergleich zum ITRF2005 reduziert werden konnte. Ein wesentlicher Grund dafür ist der innerhalb des Projektes vorgenommene Abgleich der Standards für die Modellierung und Parametrisierung, die teilweise verbesserte Modellbildung gegenüber dem ITRF2005 sowie die konsistente Reprozessierung der gesamten Beobachtungsreihen für die unterschiedlichen Raumbeobachtungsverfahren.

Tabelle 2.1.1: Mittlere Differenzen in den Polkoordinaten und in der Netzdeformation zwischen VLBI und GPS für die GGOS-D Berechnungen im Vergleich zum ITRF2005.

	Ausgewählte VLBI -GPS Ko-lokationen	Mittlere Differenz Polkoordinaten	Netzdeformation (Epoche: 2000.0)
GGOS-D	19	35 μas	0.3 mm
ITRF2005D	13	41 μas	1.0 mm

Deutsches GeoForschungsZentrum Potsdam (GFZ)

Die ERP-Zeitreihen, die im Rahmen von WP4100 und WP4200 erzeugt wurden, wurden mit externen Zeitreihen verglichen. Abb. 2.1.16 zeigt die Differenzen der beiden Polkoordinaten zur IERS-C04-Reihe. Insgesamt ist eine gute Übereinstimmung zu erkennen. Außerdem ist der Gewinn einer Kombinationslösung gegenüber Zeitreihen der einzelnen Beobachtungsverfahren erkennbar.

WP5000 Erzeugung echtzeitnaher geodätisch-geophysikalischer Produkte (DGFI)

WP5100 Laser-Entfernungsmessungen zu Satelliten (Satellite Laser Ranging, SLR) (DGFI, GFZ)

Aus den SLR-Beobachtungsreihen wurden am DGFI und GFZ echtzeitnahe Zeitreihen für geodätisch-geophysikalische Parameter erzeugt. Dabei wurden als Eingangsdaten sowohl die am DGFI kombinierte SLR-Beobachtungsreihe (siehe WP4100) als auch die beiden individuellen SLR-Reihen verwendet. Es wurden umfangreiche Analysen und Vergleiche vorgenommen und die endgültigen Ergebnisse in mehreren Iterationsschritten berechnet.

Deutsches Geodätisches Forschungsinstitut, München

Aus den SLR-Beobachtungszeitreihen wurden basierend auf den in WP4200 berechneten geodätischen Referenzsysteme Zeitreihen geodätisch-geophysikalischer Produkte erzeugt. Es wurden dabei auch Prozeduren für eine schnellere Verfügbarkeit der SLR-Produkte implementiert. Die zeitliche Verzögerung konnte von bisher gut einer Woche auf 2 Tage reduziert werden.
Aus den SLR-Beobachtungsreihen wurden Zeitreihen für die folgenden Parameter generiert:

• Stationskoordinaten der SLR-Stationen
• Datumsparameter (Koordinatenursprung und Maßstab des SLR-Netzes)
• Erdorientierungsparameter
• Niedere harmonische Kugelfunktionskoeffizienten des Erdschwerefeldes

Eine besondere Stärke von SLR ist die hohe Sensitivität für die Bestimmung des Koordinatenursprungs des terrestrischen Referenzsystems. GPS weist insbesondere für die Realisierung der z-Komponente Probleme auf, die mit einer noch unzureichenden Bahnmodellierung der GPS-Satelliten zusammenhängen. Deshalb wurde bei der Berechnung des GGOS-D Referenzrahmens ausschließlich SLR für die Festlegung des Koordinatenursprungs verwendet. Abbildung 2.1.17 zeigt exemplarisch die SLR-Ergebnisse für die Variationen der Translationsparameter. Die Streuungen in der z-Komponente sind etwas größer als für die x- und y-Komponente. Es zeigt sich ein deutliches saisonales Signal von wenigen Millimetern in allen 3 Komponenten, welches gut mit den Ergebnissen aus geophysikalischen Modellen übereinstimmt.

Abb.2.1.17: Zeitreihen der Translationsparameter aus wöchentlichen SLR-Lösungen

WP5200 Astronomische Radiointerferometrie auf sehr langen Basislinien
Very Long Baseline Interferometrie (VLBI) (DGFI, IGG)

Die Erzeugung von echtzeitnahen Zeitreihen für geodätisch-geophysikalische Parameter aus den VLBI-Beobachtungsreihen wurden am DGFI und IGG vorgenommen. Dabei wurden als Eingangsdaten sowohl die am IGG kombinierte VLBI-Beobachtungsreihe (siehe WP4100) als auch die beiden individuellen VLBI-Reihen verwendet. Es wurden umfangreiche Analysen und Vergleiche vorgenommen und die endgültigen Ergebnisse iterativ berechnet. Es wurden an beiden Institutionen Zeitreihen für Stationskoordinaten, EOP und troposphärische Laufzeitverzögerung in Zenitrichtung aus den VLBI-Beobachtungsreihen generiert.

Deutsches Geodätisches Forschungsinstitut, München

Am DGFI wurden aus den VLBI-Beobachtungsreihen Zeitreihen für Stationskoordinaten, Erdorientierungsparameter und troposphärische Laufzeitverzögerung in Zenitrichtung berechnet. Die am DGFI erzielten Ergebnisse wurden mit den IGG-Ergebnissen verglichen und analysiert. Ein Schwerpunkt der Arbeiten am DGFI war eine detaillierte Analyse der VLBI-Stationskoordinatenzeitreihen und ein Vergleich mit den GPS-Zeitreihen. Abbildung 2.1.18 zeigt die mittleren Jahressignale der Höhenkomponente von 12 VLBI und GPS-Kolokationsstationen. Für die meisten Stationen ergibt sich eine sehr gute Übereinstimmung für das aus beiden Raumverfahren erhaltene jahreszeitliche Verhalten.

Abb. 2.1.19: Mittleres jährliches Signal in der Höhenkomponente von 12 Ko-lokationsstationen aus den homogen prozessierten VLBI- und GPS-Beobachtungsreihen

Institut für Geodäsie und Geoinformation, Universität Bonn

Die sessionsweise Auswertung von VLBI-Beobachtungstagen bietet auch die Möglichkeit, Zeitreihen von Atmosphärenparametern zu berechnen und auszuwerten. Die Atmosphärenparameter werden in Form von zusätzlichen Laufzeitverzögerungen geschätzt, die durch den Wasserdampf in der Atmosphäre verursacht und jeweils auf die Zenitrichtung umgerechnet werden. Am IGG wurden diese Zeitreihen mit den aus GPS-Beobachtungen für ausgewählte Stationen verglichen, da die GPS-Signale von den gleichen refraktiven Effekten beeinflusst werden und somit identisch sein müssten. Abbildung 2.1.19 stellt die Laufzeitverzögerung durch den Wasserdampf an der Station NyAlesund auf Spitzbergen dar. Die Übereinstimmung der beiden Bestimmungen, aus GPS und aus VLBI, ist sowohl für die Einzelsessionen (obere Graphik) als auch für den geglätteten Verlauf (untere Graphik) sehr gut, auch wenn hier und da geringe Abweichungen auftreten. Sehr gut zu erkennen ist der jahreszeitliche Verlauf, der durch die größere Menge Wasserdampf im Sommer verursacht wird.

WP5300 Globales Positionierungssystem (Global Positioning System, GPS) (GFZ)

Deutsches Geodätisches Forschungsinstitut, München

Eine Analyse der Stationspositionszeitreihen lieferte wichtige Ergebnisse für geophysikalische Ereignisse (wie z.B. Erdbeben) in der Stationsumgebung. Die Zeit-reihen vieler Stationen zeigen deutliche nicht-lineare Stationsbewegungen (z.B. saisonale Höhenänderungen), die hoch korreliert sind mit jahreszeitlich bedingten Änderungen der Auflastdeformationen (z.B. verursacht durch Hydrologie, Luftdruck). Exemplarisch wird in Abbildung 2.1.20 die Zeitreihe der Station Brasilia mit einem ausgeprägten Jahressignal in den wöchentlich berechneten Stationshöhen gezeigt.

Abb. 2.1.20: Saisonale Höhenänderungen [cm] der GPS-Station Brasilia von 2002 bis 2006. Die Zeit ist in GPS-Wochen angegeben.

Deutsches GeoForschungsZentrum, Potsdam

Der in WP4100 beschriebene GPS-TRF wurde zur Datumsdefinition der Zeitreihenlösung mit der Bernese GPS Software verwendet. Abbildung 2.1.21 zeigt exemplarisch eine Stationskoordinatenzeitreihe dieser Lösung. Die im lokalen topozentrischen System dargestellten Koordinaten der IGS-Station Potsdam weisen eine Streuung von 2,2 mm, 2,5 mm und 7,2 mm für die Nord-, Ost-, und Höhenkomponente auf. Die Streuung ist vor allem in den Lagekomponenten vor 1996 aufgrund der geringen Stationsanzahl (und der damit erhöhten Basislinienlänge) größer.

Abb. 2.1.21: Taglich aufgelöste Koordinatenzei treihe der IGS-Station Potsdam (POTS) im lokalen topozentrischen System.

Durch die Verwendung des bereits in WP3400 erwähnten verbesserten a priori Strahlungsdruckmodells konnten im Geozentrum sichtbare Artefakte der Orbitmodellierung verringert werden. Abb. 2.1.22 zeigt die Geozentrumszeitreihe der Bernese GPS-Lösung. In der z-Komponente sind zwar noch durch das drakonitische Jahr verursachte Effekte zu sehen, deren Größenordnung ist jedoch kleiner als bei früheren Lösungen.

Abb. 2.1.22: Täglich aufgelöste Geozentrumszeitreihen aus der Bernese GPS-Lösung.

WP5400 Niedrigfliegende Satelliten (Low Earth Orbiting Satellites, LEOs) (GFZ)

Die erzielten Ergebnisse betreffen zum einen den Vergleich zwischen Integrierter Methode und Zweischrittverfahren und zum anderen die abgeleiteten Parameterzeitreihen.
Ein Vergleich zwischen Integrierter Methode und Zweischrittverfahren lässt sich eindrucksvoll mit Hilfe der Beobachtungsresiduen durchführen. In Abb. 2.1.23 sind hiezu Zeitreihen der RMS-Werte sowohl der GPS/SST-Phasen- als auch der LEO-SLR-Residuen dargestellt. Die GPS/SST-Phasen-Residuen sind hierbei von relativer Natur, da sie die innere Genauigkeit der Bahnausgleichungen widerspiegeln. Demgegenüber sind die Residuen der LEO-SLR-Beobachtungen absolute Genauigkeitsmaße, da aufgrund niedriger Gewichtung die SLR-Beobachtungen die Lösungen nicht beeinflussen. Die abgebildeten Zeitreihen sowie die angegebenen globalen RMS-Werte zeigen deutlich die Überlegenheit der Integrierten Methode.

Abb. 2.1.23: Zeitreihen der orbitweisen RMS-Werte der GPS/SST-Phasen- und LEO-SLR-Residuen für die Integrierte Method („Integrated“) und ein entsprechendes Zweischrittverfahren („Twostep“).

Hinsichtlich der geschätzten Parameter liefert die Integrierte Methode ebenfalls genauere Ergebnisse. Dies ist z.B. an den Zeitreihen der Kugelfunktionskoeffizienten vom Grad eins zu sehen, s. Abb. 2.1.24. Vor allem in C10 ist die Streuung um den Erwartungswert, der gleich Null ist, geringer. Insgesamt liegen die Streuungen der einzelnen Zeitreihen bei rund einem Zentimeter.

Abb. 2.1.24: Zeitreihen der Koordinaten des Massenzentrums der Erde aus der Integrierten Methode („Integrated“) und aus einem entsprechenden Zweischrittverfahren („Two-step“). Mittelwerte mit Standardabweichungen der Zeitreihen der Integrierten Methode: -0.8±9.8 mm (C11), +0.2±10.8 mm (S11) und -6.3±13.5 mm (C10).

Neben den Komponenten des Massenzentrums der Erde stellt der Kugelfunktionskoeffizient C20 einen wichtigen geophysikalischen Parameter dar. Zeitreihen zu diesem Koeffizienten sind in Abb. 2.1.25 für verschiedene GPS-LEO-Konstellationen dargestellt. In den beiden oberen Graphiken ist ein deutlicher Versatz der Lösung aus der Integrierten Methode gegenüber der Lageos-Lösung zu verzeichnen. Dieser Effekt wurde bereits von anderen Institutionen (z.B. CSR, Texas) beobachtet und wird auf einen K-Band-Effekt zurückgeführt. Da auf CHAMP keine K-Band- Beobachtungen ausgeführt werden, verkleinert die Hinzunahme von CHAMP zur integrierten Lösung diesen Versatz, wie aus der mittleren Graphik ersichtlich ist. Verzichtet man vollkommen auf K-Band-Beobachtungen, s. untere Graphik, so verschwindet der Versatz. In diesem Falle steigt jedoch die Streuung der Zeitreihe stark an, da die hochgenauen K-Band-Beobachtungen nun nicht mehr zur Lösung beitragen.

Abb. 2.1.25: Zeitreihe des Kugelfunktionskoeffizienten C20 für verschiedene Konfigurationen der Integrierten Methode sowie für die GFZ-Lageos-Lösung. Mittelwerte [E-04]: -4.8416533 (Lageos), -4.8416513 (GPS/GRACE/CHAMP with K-Band), -4.8416510 (GPS/GRACE with K-Band), - 4.8416541 (GPS/GRACE/CHAMP w/o K-Band).

WP5500 Satellitenaltimetrie (DGFI)

Die Satellitenaltimetrie trägt zur Bestimmung des Erdschwerefeldes bei und ist deshalb grundsätzlich bei einer Kombination geodätischer Raumverfahren einzubeziehen. Da das GGOS-D Projekte jedoch nicht auf die hochaufgelöste Bestimmung des Schwerefeld ausgerichtet ist wurde die Altimetrie hier eingesetzt, um die großskaligen, zeitliche Variationen des Schwerfeldes abzuschätzen und durch eine Zeitreihe niedriger Kugelfunktionskoeffizienten zu beschreiben. Dabei ist zu beachten: die durch wiederholte Messungen der Satellitenaltimetrie beobachteten Wasserstandsänderungen setzen sich aus Massenvariation und Volumenänderungen zusammen. Nur die Massenvariationen haben Auswirkungen auf das Schwerfeld. Um die Massenvariationen zu identifizieren wurde der sterische Effekt, d.h. die Volumenänderung durch Änderungen in Salzgehalt und Temperatur abgeschätzt und von den beobachteten Änderungen des Wasserstandes abgezogen. Sterische Anomalien, (d.h. Abweichungen des Wasserstandes von einem „Standard Ozean“) konnten für die 10-Tage Zyklen der Topex-Mission aus den monatlich dynamischen Höhen interpoliert werden, die durch Integration von Temperatur- und Salzgehalt-Profilen bis zu einer Tiefe von 700m bestimmt worden sind (Ishii 2005). Gleichzeitig wurden in den Zeitraum 1993-2005 für alle 10-Tage Zyklen von Topex und Jason-1 Meeresspiegelanomalien (d.h. Abweichungen von einem Mittleren Meeresspiegel) gebildet. Die Differenzen (Meeresspiegelanomalien minus sterische Anomalien) wurden dann in niedrig harmonische Kugelfunktionskoeffizienten (bis Grad und Ordnung 2) des Erdschwerefeldes umgerechnet. Die Kugelfunktionskoeffizienten C10, S11 und C11 (siehe Abb. 2.1.26a) legen den Ursprung des terrestrischen Koordinatensystems relativ zum Massenmittelpunkt, die Koeffizienten C21, S21 (Abb. 2.1.26b) die Richtungen der Koordinatenachsen relativ zu den Hauptträgheitsachsen der Erde fest. C20 wiederum ist eng verknüpft mit der Rotationsgeschwindigkeit der Erde (Abb. 2.1.26c).

Abb. 2.1.26a: Zeitreihe der harmonischen Koeffizienten vom Grad 1, abgeleitet aus ozeanischen Wassermassenanomalien für den Zeitraum 1993 – 2005. Die Grad 1 Koeffizienten wurden hier skaliert mit dem Erdradius und geben in mm die Variationen zwischen Koordinatenursprung und Massenmittelpunkt wieder. Die auffällige Variation von S11 (entspricht einer y-Verschiebung) kann durch das starke El-Niño Ereignis im Dezember 1997 erklärt werden.

Eine echtzeitnahe Erzeugung dieser Zeitreihen ist problematisch. Altimetermessungen werden zwar echtzeitnah (d.h. mit nur wenigen Tagen oder wenigen Stunden Verzögerung) von den entsprechenden Datenzentren bereitgestellt. Allerdings liegen die notwendigen präzisen Bahndaten in der Regel erst nach mehrwöchiger Verzögerung vor. Auch eine kurzfristige Akquisition von Temperatur und Salzgehalt-Profilen ist noch nicht gewährleistet. Das System der ARGOfloats (http://www.argo.net/) eröffnet hier für die Zukunft eine Perspektive.

WP5600 Kombinierte Lösungen (DGFI, GFZ)

Deutsches Geodätisches Forschungsinstitut, München

Am DGFI wurden Methoden und Prozeduren für die Erzeugung von Zeitreihen geodätisch-geophysikalischer Parameter aus kombinierten Lösungen entwickelt. Dabei konnten die in WP4200 entwickelten Methoden für die Kombination von Mehrjahreslösungen nicht unmittelbar übernommen werden, da bei der Kombination von Epochenlösungen i.d.R. nur sehr wenig Ko-lokationsstationen verfügbar sind. Dies gilt in besonderem Maße für VLBI mit ca. 4-6 gemeinsamen Stationen pro Beobachtungssession. Deshalb erwiesen sich die Verknüpfung der Beobachtungsverfahren und die Datumsfestlegung bei den Epochenlösungen als besonders kritisch. Es sind umfangreiche Studien und Testrechnungen durchgeführt worden, auf deren Basis eine optimale Strategie für die Kombination entwickelt wurde. Ein wichtiges Ergebnis dieser Untersuchungen war, dass vorzugsweise aus den Mehrjahreslösungen gerechnete terrestrische Verbindungsvektoren bei der epochenweisen Kombination der verschiedenen Verfahren eingeführt werden sollten. Dadurch werden stabilere und konsistentere Epochenlösungen erhalten, als bei Einführung der gemessenen terrestrischen Verbindungsmessungen (siehe Abbil-dung 2.1.27) und es werden mehr Lösungen erhalten.

Abb. 2.1.27: Vergleich der kombinierten Lösungen, die unter Verwendung terrestrisch bestimmter Differenzvektoren (dunkelgrau) und berechneter Differenzvektoren (hellgrau) berechnet wurden. Dargestellt sind die mittleren Differenzen des Pols (Poloffset), die mittleren gewichteten Residuen der Transformation (WRMS) der kombinierten Lösungen auf die VLBI-Lösungen sowie die Anzahl nicht gelöster Normalgleichungen. Dieser Vergleich wurde mit kombinierten Lösungen über einen Zeitraum von 2 Jahren vorgenommen.

Deutsches GeoForschungsZentrum, Potsdam

Hinsichtlich der Nutation kann GPS lediglich die zeitliche Veränderung (also die Nutationsraten) beitragen, während der absolute Wert (Nutationsoffset) nur aus VLBI bestimmt werden kann. Trotzdem können die Beiträge beider Beobachtungsverfahren auch für die Nutationsparameter kombiniert werden. Problematisch ist allerdings dabei, dass nicht an allen Tagen ein VLBI-Beitrag vorhanden ist. Dies kann bei einer täglichen Auflösung der kombinierten Zeitreihe dazu führen, dass auch längere Abschnitte nur von GPS bestimmt sind, und folglich große Abweichungen zeigen. Da aber nur Korrekturen zum Modell IAU2000 geschätzt werden, zeigen sich vor allem langperiodische Effekte in den Schätzungen (siehe Abb. 2.1.28), so dass eine kleiner zeitliche Auflösung gerechtfertigt ist. Es wurden Tests mit verschiedenen zeitlichen Auflösungen der Nutationsparameter gemacht, und bereits bei einer Parametrisierung als 7-tägiges Polygon zeigt sich, dass die kombinierte Nutationsreihe sinnvolle Ergebnisse liefert.

Abb. 2.1.28: Nutation in Schiefe aus Zeitreihen mit unterschiedlicher zeitlicher Auflösung.

Die Zeitreihen der Troposphärenparameter (ZTD = Laufzeitverzögerung in Zenitrichtung) wurden für VLBI aus Sessionslösungen erzeugt und für GPS aus Wochenlösungen. Außerdem wurden kombinierte Wochenlösungen gerechnet, um den Effekt eines gemeinsamen TRF und gemeinsamer EOPs auf die Übereinstimmungen der ZTD-Schätzungen für Kolokationsstationen zu untersuchen. Abb. 2.1.29 zeigt die Differenzen zwischen den ZTD-Schätzungen für GPS- und VLBI-Stationen. Es ist gut zu erkennen, dass ein gemeinsames Referenzsystem, wie es in den kombinierten Wochenlösungen der Fall ist, die Differenzen zwischen den GPS- und VLBI-Schätzungen reduziert.

Abb 2.1.29: Mittlere Differenzen der ZTD für GPS und VLBI aus Einzeltechniklösungen und einer kombinierten Lösung.

Aus den subtäglichen GPS und VLBI ERP-Zeitreihen wurde ein kombiniertes subtägliches ERP-Modell berechnet und durch Vergleiche mit den individuellen GPS- und VLBI-Modellen der Einfluss der Kombination untersucht. Dabei wurden die GPS-Polraten und LOD-Werte sowie die VLBI Pol- und UT1-Werte in einer gewichteten Ausgleichung als Pseudobeobachtungen eingeführt. Insgesamt wurden 57 Gezeitenamplituden für die Polbewegung und 41 Amplituden für UT1 geschätzt. Als Referenz für Vergleiche diente das vom IERS empfohlene Modell IERS2003. Die mittleren RMS-Differenzen zu diesem Modell sind für das GPS-Modell, das VLBI-Modell sowie das kombinierte GPS/VLBI-Modell in Abb. 2.1.30 dargestellt. Durch die Kombination kann eine signifikante RMS-Reduzierung von 15% für die tägliche bzw. 40% für die halbtägliche prograde Polbewegung erreicht werden. Für die halbtägliche retrograde Polbewegung sind die RMS-Differenzen des kombinierten und des GPS-Modells annähernd identisch. Der Einfluss der Kombination auf UT1 ist kleiner als für die Polbewegung: die RMS-Differenzen im täglichen Bereich sind für das kombinierte Modell minimal schlechter als für das GPS-Modell wohingegen im halbtäglichen Bereich die Kombination eine leichte Verbesserung ergibt.

Abb 2.1.30: Mittlere RMS-Differenzen der aus GPS, VLBI und GPS/VLBI geschätzten subtäglichen ERP-Amplituden zum IERS2003 Modell.

WP6000 Entwicklung von Analyse- und Validierungsverfahren für Zeitreihen des geodätisch-geophysikalischen Beobachtungssystems (GFZ)

WP6100 Analyse Troposphären – Koordinaten (GFZ, IGG)

Deutsches GeoForschungsZentrum, Potsdam

Die Korrelation zwischen Stationskoordinaten und Troposphärenparametern kann man sich bei der Auswahl gut geeigneter Local Ties zunutze machen. Anhand der CONT02-Kampagne wurden diese Zusammenhänge ausführlich untersucht. Abb. 2.1.31 zeigt den Nord-Gradienten für die Station Kokee Park. Bringt man alle verfügbaren Local Ties in der Kombinationslösung an („G+V 8 LT“), so verändert sich die Gradientenschätzung sowohl für GPS als auch für VLBI gegenüber den beiden Einzeltechniklösungen („VLBI-only“, „GPS-only“). Führt man dagegen den Local Tie für die Station Kokee Park nicht ein („G+V: 7LT“), so zeigen die Gradientenschätzungen fast identische Resultate zu den Einzeltechniklösungen. Dies ist ein klares Zeichen dafür, dass eine Diskrepanz zwischen dem Local Tie und dem Differenzvektor aus Koordinatenschätzungen vorliegt.
Auch die geringeren Diskrepanzen zwischen ZTD-Schätzungen aus GPS und VLBI bei Verwendung eines gemeinsamen Referenzrahmens zeigen deutlich die Korrelation zwischen Stationskoordinaten (hier insbesondere die Höhenkomponente) und den Troposphärenparametern (siehe Ausführungen unter WP5600).

Abb. 2.1.31: Einfluss ungeeigneter Local Ties auf die Troposphärengradienten am Beispiel Kokee Park.

Für die Analyse von SLR-Beobachtungen ist es oft notwendig, konstante Entfernungszuschläge (Range Biases) zu schätzen oder als Korrekturen anzubringen. Als konstante Bestandteile der Streckenmessungen zu den Satelliten sind diese stark mit den topozentrischen Stationshöhen korreliert, was insbesondere für die Beobachtungen unter hohen Elevationen gilt. Die Liste der Stationen, für die Range Biases bestimmt werden müssen, variiert mit der Zeit und auch die Range Biases einer Station können sich im Laufe der Zeit ändern. Variationen von bis zu 0,4 m sind durchaus möglich, allerdings liegen die gängigen Werte eher im Bereich unterhalb eines Dezimeters. Abbildung 2.1.32 zeigt als Beispiel die Range Biases der SLR-Station 1884 (Riga), so wie sie in der GFZ-Lösung geschätzt wurden. Außerdem weichen die Range Biase Schätzungen verschiedener Analysezentren teilweise stark voneinander ab.

Abb 2.1.32: Range Biases der Station Riga aus der SLR-Lösung des GFZ

Am GFZ wurde auch eine Test-Lösung gerechnet, bei der alle Range Biases zu null gesetzt wurden. Ein Vergleich der geschätzten Stationskoordinaten aus dieser Lösung mit den Ergebnissen einer Standardlösung, d.h. mit geschätzten Range Biases, führt zu Differenzen bis zu 10 cm (Abb. 2.1.33, rote Kurve). Die gleichzeitige Darstellung der geschätzten Range Biases in derselben Graphik lässt erkennen, dass insbesondere in der Höhenkomponente eine ganz extreme Korrelation existiert.
Die Stärke dieser Korrelationen ist vergleichbar mit den Korrelationen bei GPS und VLBI zwischen den Troposphärenparametern und den Stationshöhen. Daher wird durch die Schätzung von Range Biases bei SLR ein wesentlicher Vorteil von SLR, dass nämlich keine Troposphärenparameter bestimmt werden müssen, zunichte gemacht.

Institut für Geodäsie und Geoinformation, Universität Bonn

Die Analyse und Validierung der Zeitreihen für Koordinaten und Troposphärenparameter aus VLBI-Beobachtungen stellt den chronologisch letzten Arbeitsbereich dar. In Kooperation mit den anderen Verbundpartnern sollten hier insbesondere die Wechselwirkungen zwischen den Troposphärenparametern und den Stationskoordinaten und hier insbesondere der Höhenkomponente untersucht werden. Obwohl geeignete Programme für diesen Zweck bereits vorlagen oder nur geringfügig um entsprechende Diagnoseelemente zu erweitern waren, konnten diese Arbeiten am Ende aus Zeitgründen nur in Ansätzen realisiert werden.

Abb. 2.1.33: Differenzen der topozentrischen Koordinaten der Station Wettzell (rot) aus Lösung mit fixierten Range Biases und geschätzten Range Biases. In blau ist der Range Bias selbst dargestellt.

WP6200 Stationskoordinaten und Koordinatenursprung (DGFI)

Deutsches Geodätisches Forschungsinstitut, München

Der Zusammenhang zwischen Koordinatenursprung und Stationskoordinaten wurde für die Stationsnetze der verschiedenen Beobachtungsverfahren untersucht. Der Koordinatenursprung des terrestrischen Referenzsystems ist geozentrisch definiert, d.h. er sollte im Massenzentrum des Systems Erde liegen. Wenn bei den Berechnungen globaler Referenzrahmen bei der Kombination der verschiedenen Beobachtungsverfahren Ähnlichkeitstransformation verwendet werden (wie oft üblich), dann führen systematische Stationsbewegungen (z.B. großflächige Deformationen des Erdkörpers aufgrund postglazialer Landhebung) zu einer Verfälschung der Transformationsparameter. Bei einer solchen Vorgehensweise verfälschen systematische Stationsbewegungen die Realisierung des Koordinatenursprungs. Die durchgeführten Untersuchungen haben gezeigt, dass die Transformationsergebnisse bei den relativ inhomogenen VLBI- und SLR-Netzen wesentlich stärker beeinflusst wurden als im globalen GPS-Netz. Der Koordinatenursprung darf nicht durch Bewegungen einzelner Stationen verfälscht werden, damit das Referenzsystem gemäß der Konventionen geozentrisch im Massenschwerpunkt der Erde festgelegt ist. Dieses ist bei der Kombination auf Lösungsebene und der gleichzeitigen Schätzung von Ähnlichkeitstransformationsparametern nicht gewährleistet. Deshalb ist es vorzuziehen, bei der Kombination datumsfreie Normalgleichungen der verschiedenen Beobachtungsverfahren (ohne Ähnlichkeitstransformationen) zu akkumulieren. Diese Kombinationsstrategie ist bei den GGOS-D Berechnungen angewendet worden.

Deutsches GeoForschungsZentrum, Potsdam

Am GFZ wurden in diesem Zusammenhang Untersuchungen zur Korrelation zwischen den verschiedenen Parametern einer Helmert-Transformation durchgeführt. Insbesondere die Auftrennung von Rotationen und Translationen ist für die Bestimmung der Geozentrumsvariationen sehr wichtig. Sofern das Stationsnetz global und homogen über die Erde verteilt ist, liefert die Schätzung der Helmert-Transformationsparameter völlig unkorrelierte Ergebnisse. Im Fall der tatsächlich existierenden Netze und ihrer inhomogenen Stationsverteilung steigen die Korrelationen allerdings signifikant an. Das SLR-Netz hat zum Beispiel nur wenige Stationen in der südlichen Hemisphäre, so dass signifikante Korrelationen zwischen der X-Translation und Y-Rotation, zwischen der Y-Translation und X-Rotation sowie zwischen Z-Translation und dem Maßstab erwartet werden müssen. Mit Hilfe wöchentlicher Lösungen des SLR-Netzes, die am GFZ gerechnet wurden, lassen sich Zeitreihen der Korrelationskoeffizienten bestimmen (Abb. 2.1.34 und 2.1.35). Änderungen von Woche zu Woche rühren in der Hauptsache von unterschiedlichen Netzkonfigurationen und den entsprechenden geometrischen Verhältnissen her. Die Absolutbeträge der Korrelationskoeffizienten liegen meist bei maximal 0,4 mit einigen Variationen bis hin zu 0,6.

Abb. 2.1.34: SLR-Netz: Korrelationen zwischen Tx und Ry (oben), Ty und Rx (Mitte), Tz und Maß-stab (unten)

Abb. 2.1.35: SLR-Netz: Korrelationen zwischen Rx und Rz (oben), Ry und Rz (Mitte), Ty und Maß-stab (unten)

Zu Vergleichszwecken wurden auch die Korrelationen der Transformationsparameter des globalen GPS-Netzes des IGS berechnet. Das GPS-Netz besteht aus sehr viel mehr Stationen, von denen auch hier wieder eine größere Zahl in der nördlichen als in der südlichen Hemisphäre liegt. Diese Netzgeometrie führt zu ähnlichen Korrelationen zwischen den Transformationsparametern, wie dies beim SLR-Netz der Fall ist (Abb. 2.1.36).
In blau sind die Korrelationskoeffizienten der Wochenlösungen dargestellt, bei denen alle Stationen in die Ausgleichung eingeflossen sind, während für die rote Zeitreihe zu Testzwecken eine größere Zahl von Stationen in der nördlichen Hemisphäre ausgeschlossen wurde. Dadurch wird eine bessere Balance zwischen den Hemisphären erzeugt und die Beträge der Korrelationen nehmen generell ab. Die dramatischen Veränderungen zu Beginn der Messreihe haben ihre Ursache in der rapide zunehmenden Zahl der Beobachtungsstationen in den frühen 1990er Jahren.

Abb. 2.1.36: GPS-Netz: Korrelationen zwischen Tx und Ry (oben), Ty und Rx (Mitte), Tz und Scale (unten)

WP6300 Koordinatenursprung, Erdorientierungsparameter und niedere Kugelfunktionskoeffizienten des Erdschwerefeldes (DGFI, GFZ)

Deutsches Geodätisches Forschungsinstitut, München

Die Zusammenhänge zwischen Koordinatenursprung, Erdorientierungsparametern und niederen harmonischen Kugelfunktionskoeffizienten wurden theoretisch und anhand der GGOS-D Parameterzeitreihen untersucht. Die Kugelfunktionskoeffizienten C10, S11 und C11 legen den Ursprung des terrestrischen Koordinatensystems relativ zum Massenmittelpunkt, die Koeffizienten C21, S21, C22, S22 die Richtungen der Koordinatenachsen relativ zu den Hauptträgheitsachsen der Erde fest. C20 wiederum ist eng verknüpft mit der Rotationsgeschwindigkeit der Erde. Aus den GGOS-D Beobachtungsreihen wurden Zeitreihen von Koordinatenursprung, Erdorientierungsparametern und den niederen harmonischen Koeffizienten des Erdschwerefeldes generiert. Der Zusammenhang zwischen Variationen des Koordinatenursprungs und den entsprechenden Kugelfunktionskoeffizienten C10, C11 und S11 wurde anhand der SLR-Lösungen vom GFZ und DGFI untersucht. Ergebnisse hierzu sind im nächsten Abschnitt (GFZ Bericht) angegeben.

Deutsches GeoForschungsZentrum, Potsdam

Die Zeitreihen der Komponenten des Massenzentrums der Erde, die mit der integrierten Methode berechnet wurden, sind in Abb. 2.1.24 (siehe WP5400) wiedergegeben. Die Mittelwerte liegen bei rund einem Millimeter für C11 und S11 sowie -6.3 mm für C10, wobei zu berücksichtigen ist, dass die Z-Komponente (C10) hier ein starkes Signal aufweist. Die Streuungen der Zeitreihen liegen bei rund 10 mm. Die Mittelwerte und Streuungen ergeben somit ein recht plausibles Bild, was zumindest als interne Validierung angesehen werden kann.
Zeitreihen für C20 sind in Abb. 2.1.25 (siehe WP5400) dargestellt. Bei Prozessierung der vollen GPS-LEO-Konstellation und gleichzeitigem Verzicht auf K-Band-Messungen (siehe untere Graphik in Abb. 2.1.25) ist eine recht gute Übereinstimmung zwischen den Zeitreihen aus der Integrierten Methode sowie der Lageos-Lösung zu sehen und damit die Validierung erbracht.
Die wöchentlichen SLR-Lösungen von DGFI und GFZ für die Jahre 1993-2007, die die niederen Schwerefeldkoeffizienten als Parameter enthalten, wurden verwendet, um die theoretischen Beziehungen zwischen den geometrischen Translationen des Massenschwerpunktes der Erde und den Schwerefeldkoeffizienten vom Grad 1 zu überprüfen. Beide Parametersätze repräsentieren dasselbe Phänomen, nämlich die Bewegung des Geozentrums und sollten daher identische Resultate liefern. Zwei Mehrjahreslösungen wurden berechnet: (1) die Schwerefeldkoeffizienten wurden auf a priori Werten festgehalten und die geometrischen Translationen wurden als Parameter aufgesetzt und bestimmt; (2) die Schwerefeldkoeffizienten des Grades 1 wurden geschätzt. In Abbildung 2.1.37a-2.1.37c sind die Zeitreihen der resultierenden Parameter dargestellt. Es ergibt sich eine gute Übereinstimmung zwischen den geometrischen Translationsparametern und den Schwerefeldkoeffizienten vom Grad 1. Die Diskrepanzen in der Zeitreihe der Y-Translationen und der S11-Koeffizienten werden durch die Realisierung des Referenzrahmens verursacht. Die Korrelation zwischen den beiden, jeweils korrespondierenden Parametersätzen liegt bei etwa 0.97-0.99. Der Schwerefeldkoeffizient C00 und die geometrische globale Skalierung des SLR-Stationsnetzes wurden ebenfalls verglichen (siehe Abbildung 2.1.37d). Da die Beziehung zwischen geometrischer Skalierung des Netzes und C00 (also GM = Gravitationskonstante x Erdmasse) wesentlich komplizierter ist (Skalierung der Bahnen gegenüber Skalierung des Stationsnetzes) und keine starken Korrelationen zwischen diesen zwei Parametern bestehen, können sie auch gemeinsam in einer Lösung geschätzt werden. Die Korrelation – berechnet aus den invertierten Normalgleichungssystemen – beträgt etwa 0.006. Wir sehen jedoch in Abbildung 2.1.37d, dass neben einem konstanten Offset zwischen den Zeitreihen von ungefähr 1.8 ppb auch eine starke Korrelation von ungefähr 0.93 zu sehen ist.

Abb 2.1.37

WP6400 Kinematischer Meeresspiegel und niedere Kugelfunktionskoeffizienten des Erdschwerefeldes (DGFI)

Deutsches Geodätisches Forschungsinstitut, München

Der Meeresspiegel ist auf allen räumlichen und zeitlichen Skalen hoch variable. Nahezu alle Skalen sind durch die bisher verfügbaren Altimetermissionen analysierbar. Der Vollständigkeit halber sollen alle Skalen beschrieben werden, obwohl für das GGOS-D Projekt nur großskalige Strukturen mit höchstens 7-tägiger zeitlicher Auflösung relevant sind (Wochenlösungen der Positionierungsverfahren).
Kurzfristige Schwankungen durch die Anziehungskräfte von Sonne und Mond (Gezeiten), erfolgen primär mit 12 bzw. 24 stündiger Periode und mit großräumigen Amplitudenverteilungen im offenen Ozean bis zu kleinräumigen Gezeitenwellen an der Küste. Die wesentlichen Erscheinungsformen der Gezeiten werden durch hydrodynamische oder empirische Gezeitenmodelle beschrieben. Diese Modelle erlauben im offenen Ozean eine Vorhersage mit wenigen cm Genauigkeit. Die komplexen Verhältnisse an den Küsten können dagegen weniger gut beschrieben werden. Das DGFI hat sich im Rahmen anderer Projekte aktiv an der empirischen Gezeitenmodellierung beteiligt und durch die Analyse einer ca. 15 jährigen, kombinierten Messreihe verschiedener Altimtermissionen ein neues, globales Gezeitenmodell, EOT08a, entwickelt (Savcenko & Bosch, 2008). Mit EOT08a konnten vor allem im Küstenbereich erhebliche Verbesserungen erzielt werden – z.T. ergaben sich Amplitudenkorrekturen von bis zu 15 cm gegenüber dem Referenzmodell FES2004.
Eddies sind Wirbelstrukturen mit einem Radius von 50 – 300 km und einer Lebensdauer von einigen Tagen bis zu mehreren Wochen. Sie bilden sich vor allem in den starken westlichen Randströmungen aus. Da Bildung, Wanderung und Lebensdauer der Eddies chaotischen Charakter haben, wird hier angenommen, dass sich derartige Meeresspiegelschwankungen sowohl räumlich als auch zeitlich, für die in GGOS-D relevanten Skalen ausmitteln. Stationäre Eddies, die sich gelegentlich über signifikanten Strukturen der Meeresbodentopographie ausbilden werden durch die unten beschriebene PCA-Analyse erfasst.
Saisonale Variationen des Meeresspiegels treten durch die jahreszeitlich bedingte unterschiedliche Sonneneinstrahlung auf. Eine Erwärmung der obersten Wasserschichten führt zu einer Volumenausdehnung und damit zu einem höheren Wasserstand. Dies erfolgt im gegenseitigen Wechsel auf Nord- und Südhalbkugel. In Äquatornähe wird das jahreszeitlich oszillierende Auf- und Ab des Meeresspiegels durch starke Strömungen überlagert. Da es sich hier um ein periodisches Signal handelt erscheint es sinnvoll, diesen Teil der Kinematik durch eine harmonische Analyse zu beschreiben (siehe Abb. 2.1.38)

Abb.2.1.38 Ca. 22% aller Variationen des Meeresspiegels besitzen eine jährliche Periode, die durch sin- und cos-Term beschrieben werden kann. Links oben die Amplituden des sin-Terms, die den Zu-stand am 1. April (am 1. Oktober mit umgekehrtem Vorzeichen) darstellen. Die Amplituden des cos-Terms (rechts unten) geben den Zustand am 1. Januar (mit umgekehrtem Vorzeichen am 1. Juli) wieder.

Alle übrigen, nicht periodischen Meeresspiegelschwankungen sollten ohne Vorgabe fester Perioden untersucht werden. Dazu ist besonders das statistische Verfahren der „Principal Component Analysis“ (PCA) geeignet. Dabei werden die dominantesten räumlichen Strukturen der Variabilität durch eine
Singulärwert-Zerlegung identifiziert und die zugehörigen Koeffizienten (die „Principal Components“) ermittelt, mit denen sich die zeitliche Entwicklung des Meeresspiegels beschreiben lässt. Die Ergebnisse einer solchen Analyse sind in Abb. 2.1. 39 dargestellt.

Abb.2.1.39

Die ersten beiden dominantesten Mode einer PCA der um jährliche und halbjährliche Schwankungen bereinigten Meeresspiegelschwankungen. Die räumlichen Strukturen sind jeweils unten, die „principal components“ jeweils oben dargestellt. Mode 1 (links) erklärt 9.8% des nicht-periodischen Signals und weist eine deutliche säkulare Drift auf. Mode 2 (rechts) erklärt weitere 7.7% des Signals und ist geprägt durch den starken El-Nino, der zum Jahreswechsel 1997/1998 anomale Meeresspiegelzustände im zentralen Pazifik verursachte.

Die Kombination von harmonischer Analyse und einer bestimmten Anzahl der dominantesten Moden, die durch eine PCA ermittelt wurden, wird als ökonomischste Beschreibung der Kinematik des Meeresspiegels empfohlen.

WP6500 Auflasteffekte (DGFI, GFZ)

Deutsches Geodätisches Forschungsinstitut, München

Am DGFI wurden die Zusammenhänge zwischen Massenverlagerungen in Atmosphäre und Ozean und Höhenänderungen von Stationen auf der Erdoberfläche untersucht. Dazu wurden die aus den GGOS-D Lösungen abgeleiteten Zeitreihen von Stationshöhen mit den aus einem geophysikalischen Auslastmodell abgeleiteten Stationsbewegungen verglichen. Dabei erfolgte die Berechnung der durch die Auflasten verursachten vertikalen Deformationen der Erdkruste mithilfe eines einfachen auf LOVE’schen Zahlen und GREEN’schen Funktionen basierenden Ansatzes. Die dafür benötigte Variation der Ozeanmassen, der Atmosphärenmassen und kontinentalen Wassermassen wurden aus geophysikalischen Modellen (NCEP/NCAR; ECCO; GLDAS) erhalten. Die Ergebnisse sind in Abbildung 2.1.40 dargestellt. Für die Stationen Krasnoyarsk (Sibirien) und Bahrain (Persischer Golf) zeigt sich eine recht gute Übereinstimmung zwischen den GPS-Ergebnissen und den geophysikalischen Modellergebnissen. Die Ergebnisse belegen, dass die saisonalen Veränderungen in den Stationshöhen im Wesentlichen durch Auflastdeformationen hervorgerufen wurden. Ein weiteres Ergebnis innerhalb dieses Arbeitspaketes war die Schätzung von atmosphärischen Auflastkoeffizienten aus den GPS- und VLBI-Zeitreihen der Stationshöhen und ein Vergleich mit geophysikalischen Modellergebnissen. Es zeigte sich insgesamt eine sehr gute Übereinstimmung.

Abb. 2.1.40: Vergleich der aus den GPS-Beobachtungsreihen abgeleiteten Zeitreihen für die Stationshöhen mit geophysikalischen Modellergebnissen.

Deutsches GeoForschungsZentrum, Potsdam

In dieser Untersuchung wurde ein einfacher, aber sehr direkter Ansatz zur Modellierung von Deformationen wegen Atmosphärenauflast verwendet. Die Änderungen des lokalen Luftdrucks werden mit einem lokal gültigen Koeffizienten (coef) multipliziert, um die entsprechende Deformation in der Höhenkomponente zu erhalten: Δh = coef * Δp. Die Änderungen des lokalen Luftdrucks wurden hierbei durch bilinear interpolierte Druckwerte aus ECMWF (European Centre for Medium-Range Weather Forecasts) berechnet. Unter Verwendung von gemessenen Höhenzeitreihen wurde so pro Station ein entsprechender Koeffizient mit der Methode der kleinsten Quadrate geschätzt. Diese pro Station geschätzten Koeffizienten geben dann wieder, wie stark sich die Erdoberfläche an den Punkten der Messstationen bei Luftmassenschwankungen deformiert. Liegt eine Station z.B. direkt an der Küste, wird quasi kein Effekt erwartet (coef ~0), im Inneren eines Kontinents aber ein spürbarer Effekt (coef < 0).
Es wurde untersucht, ob die für die zweite GGOS-D-Iteration erzeugten Lösungen tatsächlich besser physikalisch als Deformation zu interpretierende Höhenzeitreihen ergeben, als solche Höhenzeitreihen, die, wie üblich, unter Verwendung einfacher Modellierungsansätze erzeugt wurden. Davon ist theoretisch unter anderem deshalb auszugehen, weil beim einfachen, herkömmlichen Modellierungsansatz vor allem durch die konstanten a-priori Zenitverzögerungen Teile des Atmosphärenauflastsignals unbeabsichtigt und unkontrolliert absorbiert werden.
Dafür wurden die vom DGFI erzeugten VLBI-Höhenzeitreihen und die mit Bernese am GFZ erzeugten GPS-Reihen verwendet. Die VLBI-, als auch die GPS-Reihen wurden jeweils zweimal prozessiert,
(1) einmal unter Verwendung einfacher, herkömmlicher Modellierungsansätze, wie z.B. der NMF (Niell Mapping Function), und zeitlich konstantem a priori zenith delay (ZD), und
(2) ein zweites mal unter Verwendung der bestmöglichen Modellierung entsprechend den GGOS-D Standards, wie z.B. die VMF1 (Vienna Mapping Function 1) und a priori ZD, der mit realen, atmosphärischen Zustandsdaten (ECMWF).

Die in Abbildung 2.1.41 zum Vergleich dargestellten Koeffizienten, die das GGFC für die Stationen hat, wurden ebenso unter Verwendung der einfachen Regressionsgleichung ΔhGGFC = coeff * ΔpNCEP mit der Methode der kleinsten Quadrate geschätzt (mit ΔpNCEP: Änderungen des lokalen Luftdrucks laut NCEP von 1980 – 1997, ΔhGGFC: Krustendeformationen, die mit Änderungen des lokalen Luftdrucks, Faltung GREEN’scher Funktionen und Annahme inversen barometrischen Verhaltens berechnet wurden).
Die Grafik zeigt, dass der in GGOS-D verwendete Modellierungsansatz (2) besser ist: erstens, sind sich die VLBI- und GPS-Koeffizienten deutlich ähnlicher für den Ansatz (2) (der WRMS der Unterschiede ist 0.134/0.083 in mm/mbar für die Ansätze (1)/(2)). Zweitens verbessert sich mit Ansatz (2) auch die Ähnlichkeit mit den von GGFC zur Verfügung gestellten Koeffizienten deutlich: die WRMS-Werte der VLBI-GGFC Unterschiede sind 0.301/0.154 mm/mbar für die Ansätze (1)/(2), die der GPS-GGFC-Unterschiede 0.232/0.161 mm/mbar.

WP6600 Erdrotationschwankungen (AAM, OAM) (DGFI, GFZ)

Deutsches Geodätisches Forschungsinstitut, München

Die aus den gemessenen Erdrotationsschwankungen abgeleiteten Anregungsfunktionen wurden mit geophysikalischen Modellergebnissen der Atmosphäre, des Ozeans und der kontinentalen Hydrologie verglichen. Dabei wurden aus den verfügbaren geophysikalischen Modellen verschiedene Kombinationen gerechnet und verglichen, um die Genauigkeit und Konsistenz dieser Modelle abschätzen zu können. Im Wesentlichen wurden drei verschiedene Strategien für die Berechnung des integralen Masseneffektes angewendet (siehe Abbildung 2.1.42):

• Geometrischer Ansatz
• Gravimetrischer Ansatz
• Geophysikalischer Modellansatz

Die Ergebnisse der drei unterschiedlichen Strategien wurden verglichen und zeigen eine insgesamt zufriedenstellende Übereinstimmung (siehe Abbildung 2.1.43).

Deutsches GeoForschungsZentrum Potsdam (GFZ)

Vergleiche AAM/OAM

Die beiden Polkoordinaten sowie LOD können in Anregungsfunktionen umgerechnet und mit den entsprechenden Anregungsfunktionen aus Atmosphäre und Ozeanen (AAM und OAM) verglichen werden. Die ERP-Zeitreihen des GGOS-D-Projektes zeigen sehr gute Korrelationen mit den AAM/OAM-Zeitreihen (siehe Abb. 2.1.44). Die Verbesserung in der Kombinationslösung gegenüber den Einzellösungen wird deutlich. Die IERS-C04-Reihe sowie die offizielle IGS-Reihe zeigen teilweise (insbesondere für den Pol) leicht bessere Korrelationen mit AAM/OAM, was einerseits durch die Glättung der IERS-C04–Reihe erklärt werden kann, und andererseits durch die Tatsache, dass die IGS-Reihe als Kombination aus mehreren Einzellösungen entstanden ist, was wiederum ebenfalls einer Glättung entspricht.

Die Nutationsschätzungen stellen Korrekturwerte zum Modell IAU2000 dar und zeigen hauptsächlich eine langperiodische Korrektur, die als Free-Core-Nutation (FCN) bekannt ist. Die Amplitude der FCN ist allerdings nicht konstant. Es wurde ein Verfahren entwickelt, um die zeitlich variable Amplitude zu bestimmen. Abb. 2.1.45 zeigt einerseits, dass die zeitliche Auflösung der Nutationsreihe für die Bestimmung der Amplitude keine grundlegende Rolle spielt, und ein 28-Tages-Polygon eine glattere Schätzung der Amplitude erlaubt. Der Unterschied der Amplitudenschätzung zwischen einer reinen VLBI-Lösung und einer kombinierten Lösung ist sehr gering, und lediglich der RMS der Residuen hat eine minimale Verbesserung durch die Kombination gezeigt.

WP6700 LEO Onboard Ko-Lokation (GFZ)

In ersten Prozessierungen zu Beginn des Projektes wurden Positionen der SLR-Stationen bestimmt. Es wurden jedoch keine gesonderten Zeitreihen hergestellt. Im weiteren Verlauf des Projektes wurden die Positionen der SLR-Stationen wegen der geringen Beobachtungsmenge festgehalten.