Observatorien für ein zukünftiges geodätisches Beobachtungssystem

Hayo Hase, BKG

Workshop der Forschungsgruppe Satellitengeodäsie16.­18.07.08, Bad Kötzting/Wettzell

   

Zukunft geodätischer Observatorien?Orakel von Delphi fragen...

   

Inhalt

● Geodätische Observatorien● Was sind die zukünftigen Beobachtungssysteme?● Wie sieht ein Observatorium für GGOS 

idealerweise aus?● Wie wird GGOS funktionieren?● Was wird sich in den einzelnen 

Diensten/Techniken ändern?

   

Geodätisches Observatorium

● Ein geodätisches Observatorium ist ein Ort, an dem geodätische Beobachtungen ausgeführt werden.

● Geodätische Beobachtungen ermöglichen die Beschreibung von raumzeitlichen Ereignissen in geodätischen Bezugssystemen.

● Geodätische Bezugssysteme werden durch geodätische Observatorien realisiert.

   

Was ist eingeodätisches Observatorium?

Eine permanente GPS­Station?

Oder eine Fundamentalstation für Geodäsie?

GPS

VLBI

LLR/SLR

GNSS

Gravimetrie

Frequenznormale

   

GPS­Tracking Stations

   

Fundamentalstationen(operationell aktiv)

   

ITRF2005­Referenzstationen

   

ITRF2005­Referenzstationen● ungleiche Punktverteilung

● unproduktiv gewordene historische Stationen werden mitgeführt

● Stationen unterschiedlicher Qualität

   

Konzept einer Fundamentalstation für die Geodäsie

● Permanenz und Kontinuität der Operation mit dem Ziel die geodynamischen Phänomene zeitlich aufzulösen.

● Komplementarität der geodätischen Methoden für ein besseres Monitoring der Einflußfaktoren auf das System Erde.

● Redundanz in der Auswahl der geodätischen Meßmethoden zur Qualitätssicherung.

● Verknüpfung der Referenzpunkte jedes Meßsystems durch ein lokales geodätisches Vermessungsnetz.

Fundamentalstationen sind eine besondere Klasse von geodätischen Observatorien.

   

Hierarchie geodätischer Bezugssysteme

   

Fazit

Geodätische Observatorien mit den Merkmalen  einer geodätischen Fundamentalstation werden auch zukünftig für die Realisierung höchstgenauer Bezugssysteme benötigt.

   

Was sind die zukünftigen Beobachtungssysteme?

   

Konferenzen

● 2002: World Summit, Johannisburg "Nachhaltige Entwicklung und Globaler Wandel"

● 2003: 1st Earth Observation Summit, Washington, Gründung "Group on Earth Observation" (GEO) 

● 2004: 2nd Earth Observation Summit, Tokio, Vorschlag "Global Earth Observation System of Systems" (GEOSS)

● 2005: 3rd Earth Observation Summit, Brüssel, Annahme von GEOSS, 10 jähriger Implementierungsplan, 64 Länder + 43 Internationale Organisationen bilden GEO

   

Global Earth Observing Systemof Systems (GEOSS)

... die Vision für GEOSS ist eine Zukunft zu realisieren, in der die politischen Entscheidungen und Aktionen auf Grundlage von koordinierten, umfassenden und nachhaltigen Beobachtungen und Informationen über die Erde zum Wohle der Menschheit getroffen werden ...

Beobachtungen benötigen Observatorien, Instrumente und Sensoren.Informationen werden aus Beobachtungsdaten durch Prozessierung erzeugt.Nachhaltigkeit impliziert eine Daueraufgabe der Beobachtungs­ und Informations­gewinnung.

   

Global Geodetic Observing System (GGOS)

● 2003­07: IAG beschließt den Aufbau von GGOS● 2004­04: IAG wird Mitglied von GEO (Group on Earth 

Observation) für die Realisierung von GEOSS (Global Earth Observing System of Systems)

● 2006­05: GGOS wird Mitglied von IGOS­P (Integrated Global Observation Strategy Partnership)

● 2007­07: GGOS wird das Beobachtungssystem der IAG

● 2008: GGOS2020 Referenzdokument

   

Global Monitoring  Information about Earth System

InterpretationInnovative Technologies

Space Techniques

VLBISLR/LLR

GNSSDORIS

AltimetryInSAR

Gravity/Magnet. Missions

Terrestrial Techniques

LevellingGravimetry

Tide GaugesSeismometers

Magnetometers

Geometry

Station Position/Motion,

Sea Level Change,Deformation

Earth Rotation

Precession/Nutation,Polar Motion, 

UT1, LOD

Gravity/Magnet.

GeocenterGravity/Magn. Field, Temporal Variations

Earth System

Sun/Moon

(Planets)

Atmosphere

Ocean

Hydrosphere

Cryosphere

Crust

Mantle

Core

COMBINATIONS

 

INTE RACTIONS

 

GGOS: Monitoring and Modelling the Earth‘s SystemReference frames: highest accuracy and long­term stability

Rothacher et al.

   

System Erde verstehen, durch

● Kombination verschiedener Meßverfahren,● Integration von Geometrie und Schwerefeld

– durch konsistente dynamische Erdmodelle,– durch bessere Modellierung der Massentransporte.

● mehr Observatorien mit kollokierten Instrumenten,● Nachfolgesatellitenmissionen.

   

Kombination von Meßverfahren durch Kollokation

Erdgebunden:● Kollokation diverser 

Meßtechniken (Konzept einer Fundamentalstation)

● Bsp.: Wettzell, TIGO

Orbiter:● Kollokation von 

Sensoren auf orbitierenden Meßplattformen

● Bsp.: Grace, Envisat, Glonass, VSOP­2

   

Wie sieht ein Observatorium für GGOS 

idealerweise aus?

   

Future Core Ground­Based Infrastructure

Core Network (~ 40 Stations):• 2­3 VLBI telescopes for continuous observations• SLR/LLR telescope for tracking of all major satellites• At least 3 GNSS antennas and receivers (controlled equipment changes)• DORIS beacon of the most recent generation• Ultra­stable oscillator for time and frequency keeping and transfer• Terrestrial survey instruments for permanent/automated local tie 

monitoring• Superconducting and absolute gravimeter (gravity missions, geocenter)• Meteorological sensors (pressure, temperature, humidity)• Seismometer for combination with deformation from space geodesy and 

GNSS seismology• Additional sensors: water vapor radiometer, tiltmeters, gyroscopes, 

ground water sensors, … 

General Characteristics: highly automated, 24­hour/365 days, latest technologiesRothacher et al.

   

Future Core Ground­Based Infrastructure

Core Network (~ 40 Stations):• 2­3 VLBI telescopes for continuous observations• SLR/LLR telescope for tracking of all major satellites• At least 3 GNSS antennas and receivers (controlled equipment changes)• DORIS beacon of the most recent generation• Ultra­stable oscillator for time and frequency keeping and transfer• Terrestrial survey instruments for permanent/automated local tie 

monitoring• Superconducting and absolute gravimeter (gravity missions, geocenter)• Meteorological sensors (pressure, temperature, humidity)• Seismometer for combination with deformation from space geodesy and 

GNSS seismology• Additional sensors: water vapor radiometer, tiltmeters, gyroscopes, 

ground water sensors, … 

General Characteristics: highly automated, 24­hour/365 days, latest technologiesRothacher et al.

W

W

W

W

W

W

W

T

(T)

T

T

T

(T)

W = WettzellT = TIGO

= To do!

   

Fazit● Das angestrebte Instrumentarium eines 

Observatoriums für GGOS wird bereits weitestgehend in 2012 von Wettzell erreicht werden.

● Für TIGO ergibt sich bis 2020 Erneuerungsbedarf von Schlüsselkomponenten (VLBI, SLR, Gravimetrie).

● Der Beitrag Deutschlands ist im internationalen Vergleich signifikant, Wettzell das weltweit führende geodätische Observatorium.

● Aber: Wie lassen sich 40 GGOS­Stationen weltweit realisieren?

   

Geodätisches Observatorium TIGObilaterale Kooperation Deutschland ­ Chile

VLBIRadioteleskop

Optisches TeleskopSLR

GNSSAntennen

Frequenznormale

Büros

GravímeterSeismometer

RegionalnetzGPS + Pegel

MeteorologischeSensoren

   

Fazit● 40 Stationen = 6­7 Stationen pro Kontinent!

● Know­How Transfer der entwickelten Länder ist notwendig!

● Das TIGO­Projekt kann als Musterbeispiel gelten, wie weitere GGOS­Stationen in weniger entwickelten Regionen der Welt etabliert werden können.

● Deutschland hat einen Erfahrungsvorsprung, der sich bei der technologisch­wissenschaftlichen Zusammenarbeit mit anderen Ländern außenpolitisch für GGOS­Stationen nutzen ließe.

Hinweis: Es gibt Interesse an einem TIGO Nachfolgeprojekt wenigstens in Kolumbien, Ecuador und Argentinien.

   

Wie wird GGOS funktionieren?

GGOS wird sich auf Internationale Dienste stützen.

   

IAG Services: Backbone of GGOSIERS:  International Earth Rotation and Reference Systems Service

IGS:  International GNSS Service

IVS:  International VLBI Service

ILRS:  International Laser Ranging Service

IDS:  International DORIS Service

IGFS:  International Gravity Field Service

BGI:  Bureau Gravimetrique International

IGeS:  International Geoid Service

ICET:  International Center for Earth Tides

ICGEM: International Center for Global Earth Models

IDEMS: International Digital Elevation Models Service

PSMSL: Permanent Service for Mean Sea Level

IAS:  International Altimetry Service (in preparation)

BIPM:  Bureau International des Poids et Mesures

IBS:  IAG Bibliographic Service

Geo

met

ryG

ravi

met

ryO

cean

Std

Rothacher et al.

WW

W

W

W

W

W

TTT

T

T

T

(T)

T

   

Fazit

● Nicht alle Internationalen Dienste lassen sich von einem geodätischen Observatorium bedienen, jedoch sollte ihre Anzahl möglichst groß sein.

● Spezifische Satellitenmissionen benötigen Nachfolgemissionen.

● Allgemein: Je mehr nachhaltig abgesicherte Observatorien/Satellitenmissionen, desto besser für GGOS und GEOSS, desto besser gelingen Modellierungen des Systems Erde.

   

Was wird sich in den einzelnen Diensten/Techniken ändern?

... eine unvollständige Liste von beobachtbaren Trends ...

   

Zeithaltung + Frequenzstandards

Heute:● H­Maser● relative Zeitintervall­

messung (TTL­Logik)

Morgen:● Optische Uhren● absolute 

Epochenzuordnung

   

Zukunft VLBI2010

Heute:● 24h Beobachtungen● lokale Steuerung des 

Radioteleskops● Datenträgertransport● zentraler Hardware­

Korrelator● geschätzter 

Uhrenoffset

Morgen:● 24h/7d Beobachtungen● Fernsteuerung des 

Beobachtungsnetzes● eVLBI?● verteilte Software­

Korrelation (Grid)?● absoluter Uhrenoffset?

   

Zukunft VLBI2010 – Daten

Heute:● ~400 Quellen/24h● 512 Mbps● Analoge BBC, Formatter● RFI● S/X­Band● echtzeitfern

Morgen:● 2880 Quellen/24h● >1 Gbps● Digitale BBC● RFI­Mitigation● 2­18 GHz ?● echtzeitnahe eVLBI

   

Zukunft SLR

Heute:● 10Hz● monospektral● Zweiwegemessung

Morgen:● 1kHz● multispektral● zusätzliche 

Einwegemessung?● Nutzung von 

Fraunhoferlinien des Sonnenspektrums

   

Zukunft GNSS

Heute:● GPS, Glonass● 1 Hz● Tages­Prozessierung

Morgen:● GPS, Glonass, Galileo, ?● >10Hz● Echtzeitprozessierung● Hydrologie● Seismometer

   

Zukunft Gravimetrie

Heute: ● Absolutgravimeter, 

fallende Masse● transportable Gravimeter 

(lokale Messung)

Morgen: ● Absolutgravimeter, 

fallende Atome● Fluggravimetrie ggf. mit 

Laserscanner für 3D­Massenmodell (flächenhafte Messung)

   

Zukunft komplementärer SensorenAusbreitung elektromagnetischer Wellen in der Atmosphäre

Heute: 

(lokale Messung)● relative Feuchte, 

Temperatur, Luftdruck 

Morgen: 

(integrale Messung)● Refraktion: GNSS● Emission: 

Wasserdampfradiometer● Absorption: 

Solarspektroskopie

   

Neue Produkte wg. Naturkatastrophendurch Kombination von Sensoren

● Tsunami­Warnsystem durch GNSS, Meeresgrund­drucksensoren, Seismometern, Pegelstationen

● terrestrisches Erdbebenüberwachungssystem aus Kollokation von GNSS, Seismometer, Akzelerometern für Vorwarnung und Katastrophenmanagement

● Vulkanüberwachung mit InSAR, GNSS, Tiltmetern und Seismometern

   

Neue Produkte aus Echtzeitanwendungen

● Ionosphärenkarten für Luftfahrt aus Realtime­GNSS Permanentstationen (Brasilien, Argentinien)

● EOP mittels eVLBI für Raumnavigation● Kosmische Events durch eVLBI (Supernovae)● Nah­Echtzeit­Kartographie?

   

Fazit● Auch unabhängig von GGOS passen die 

Internationalen Dienste ihre Produkte kontinuierlich an den Stand der technischen Entwicklung an. (Erfordert finanzielle Absicherung.)

● Die Integration neuer Technologien fördert die Entwicklung neuer Produkte. (Erfordert Anpassung des Produktkatalogs.)

● Trends: Weiterentwicklung von Meßtechniken, Kombination von Meßtechniken, Kommunikationsinfrastruktur für Nah­Echtzeit­Anwendungen

   

Zusammenfassung

● Das zukünftige Beobachtungssystem heißt Global Geodetic Observing System (GGOS).

● Die Realisierung von GGOS wird hauptsächlich von den entwickelten Ländern auch in weniger entwickelten Ländern zu leisten sein. Know­Transfer.

● Deutschland ist Geodäsie­Exportland und sollte dieses Profil durch den Aufbau von neuen GGOS­Stationen bewahren.

   

Die Zukunft beginnt immer in der Gegenwart.

Geo

met

rie

Erd

rota

tion

Sch

wer

efel

d

GGOS

Yes, we can!