Die European Space Agency (ESA) wird im Jahr 2028 die Genesis Mission starten. Diese stellt die erste gemeinsame Plattform der vier wichtigsten weltraumgeodätischen Techniken dar, mit dem Ziel, Herausforderungen bei der Verbesserung der Genauigkeit und Stabilität des International Terrestrial Reference Frame (ITRF) besser zu verstehen und zu bewältigen. Um die potenziellen Vorteile dieser Mission bewerten zu können, sind Simulationsstudien erforderlich, die die Beobachtbarkeit von Genesis sowie deren Einfluss auf die Bestimmung geodätischer Parameter untersuchen.

Satellite Laser Ranging (SLR), eine der auf Genesis vorgesehenen kollokierten Techniken, spielt eine grundlegende Rolle bei der Etablierung globaler terrestrischer Referenzrahmen, insbesondere durch die Definition des Ursprungs und den Beitrag zur Maßstabsdefinition des ITRF. Das SLR-Netzwerk weist jedoch eine heterogene Leistungsfähigkeit auf: Es ist durch lokale Wetterbedingungen sowie standortspezifische operationelle Fähigkeiten eingeschränkt. Darüber hinaus besitzt das Stationsnetz eine unausgewogene globale Verteilung.

Dennoch wird das SLR-Netzwerk in Zukunft erweitert, sodass bis 2028 insgesamt 20 neue Stationen in Betrieb sein werden. Sieben davon ersetzen bestehende Stationen, während 13 an neuen Standorten errichtet werden. Diese Studie analysiert den Einfluss dieser zukünftigen Netzerweiterung auf die Schätzung geodätischer Parameter auf Grundlage von SLR-Beobachtungen. Um die variable Natur von SLR-Beobachtungen realistisch abzubilden, berücksichtigt die simulierte Leistungsfähigkeit der 20 neuen Stationen die lokale Wolkenbedeckung, um eine realistische Anzahl an Beobachtungen darzustellen.

Dieses Simulationsframework dient dazu, die Fähigkeiten eines erweiterten SLR-Netzwerks im Kontext der neuen Genesis-Mission zu bewerten. Die Simulationsstudie untersucht verschiedene Szenarien, um eine möglichst große Verbesserung der geodätischen Parameterschätzung durch SLR sicherzustellen.

Die Genesis-Mission, deren Start für 2028 geplant ist, vereint die vier geodätischen Messverfahren auf einer einzigen Satellitenplattform. Zur Vorbereitung dieser Mission dienen bestehende Satelliten, die mit einigen dieser Verfahren ausgestattet sind, als wertvolle Testumgebungen für die Entwicklung und Validierung von Strategien zur präzisen Bahnbestimmung (POD). 

In diesem Zusammenhang wird der Satellit Jason-3 verwendet, um die Kombination von SLR- (Satellite Laser Ranging) und DORIS- (Doppler Orbitography and Radiopositioning Integrated by Satellite) Beobachtungen zu untersuchen. Im Rahmen des Genesis-D-Projekts wird am DGFI-TUM der Beitrag dieser Techniken zu einer gemeinsamen POD-Lösung bewertet. 

Aufbauend auf einer früheren Studie, in der geeignete Strategien zur relativen Gewichtung von SLR- und DORIS-Beobachtungen auf Beobachtungsebene untersucht wurden, erweitert diese Arbeit die Analyse auf einen längeren Missionszeitraum und untersucht die Konsistenz kombinierter Lösungen. Dabei werden verschiedene Kombinationsansätze, einschließlich der Kombination von Normalgleichungen, untersucht. Die Ergebnisse werden mittels interner Validierung bewertet, was Aufschluss über nachfolgende Strategien gibt. 

Referenzrahmen spielen auch über die Geodäsie hinaus eine zentrale Rolle. Die Quantifizierung geophysikalischer Prozesse auf der Erde sowie die präzise Bestimmung von Satellitenorbits im Weltraum und daraus resultierende Anwendungen wie die GNSS-Positionierung erfordern ein stabiles und hochgenaues Koordinatensystem. Der von der IAG definierte International Terrestrial Reference Frame (ITRF) dient als Realisierung des terrestrischen Referenzsystems, während der International Celestial Reference Frame (ICRF) das quasi-inertiale Referenzsystem realisiert.

Eines der vier geodätischen Raumverfahren, die zur Realisierung dieser Referenzsysteme beitragen, ist Very Long Baseline Interferometry (VLBI). VLBI nimmt dabei eine besondere Stellung ein, da sie als einzige Technik alle Erdorientierungsparameter (EOP) bestimmen kann, die zur Verknüpfung des terrestrischen und des zälestischen Referenzrahmens erforderlich sind. Seit 2017 sind die ersten Teleskope der neuen VLBI-Generation, des sogenannten VLBI Global Observing System (VGOS), im Einsatz. Aufgrund seiner Breitbandbeobachtungen erreicht VGOS eine höhere Präzision als das konventionelle Legacy-S/X-VLBI und soll dieses langfristig ersetzen. Auf Basis des derzeit verfügbaren Beobachtungszeitraums von etwa acht Jahren und einem Netzwerk aus 17 operationellen VGOS-Teleskopen kann bereits ein unabhängiger Referenzrahmen bestimmt werden. Dessen Langzeitstabilität erreicht jedoch bislang nicht jene des Legacy-VLBI-Netzwerks, das auf mehr als 45 Jahren Beobachtungen und einer wesentlich größeren Stationsanzahl beruht.

Vor diesem Hintergrund wurde ein kombinierter terrestrischer und zälestischer Referenzrahmen (TRF und CRF) aus Legacy-S/X-VLBI- und VGOS-Sessions, die am DGFI-TUM prozessiert wurden, auf Normalgleichungsebene berechnet. Für die Verknüpfung des Legacy-VLBI- und VGOS-Netzwerks existieren verschiedene Methoden, die alle in der Kombination angewendet wurden, um eine starke Verknüpfung beider Systeme zu gewährleisten.

Wir präsentieren die Ergebnisse der Analysen von Legacy-VLBI- und VGOS-Daten, deren Kombination sowie Vergleiche der abgeleiteten TRF-/CRF-Produkte und der EOP-Zeitreihen mit externen Lösungen. Insgesamt liefert die Kombination gute Ergebnisse und zeigt eine hohe Übereinstimmung mit externen Referenzrahmen und Parameterserien.

Beobachtungen von permanenten Globalen Navigationssatellitensystem (GNSS) Stationen enthalten Deformationssignale, die unter anderem durch Massenumverlagerungen in Atmosphäre, Ozean und lokaler Hydrologie verursacht werden. Modelle nicht-gezeitenbedingter Auflastdeformationen, die auf verschiedenen geophysischen Datengrundlagen und Modellierungsansätzen beruhen, sind öffentlich verfügbar, werden aber generell nicht in den Realisierungen des Internationalen Terrestrischen Referenzsystems (ITRS) angebracht. In den letzten Jahren wurden weitere Modelle entwickelt und bereits existierende Modelle verbessert, sodass eine Vielzahl an Modellen mit unterschiedlichen Stärken und Schwächen existiert. Die Theorie dieser Auflastdeformationen und der GNSS Stationspositionen zusammen zu führen ermöglicht es, auf der einen Seite die GNSS Daten zu korrigieren, wodurch stabile und verlässliche Stationspositionen erreicht werden können. Auf der anderen Seite kann das globale, dichte Netzwerk aus GNSS Stationen dabei helfen, die Deformationsmodelle zu validieren. In Kombination unterstützen diese Anwendungen die detaillierte Untersuchung geophysischer Signale. In dieser Arbeit werden GNSS Beobachtungsdaten von global verteilten Stationen prozessiert, um die Deformationen in einem hochpräzisen Netzwerk zu untersuchen. Netzwerklösungen, die mit nicht-gezeitenbedingten Auflastdeformationen aus verschiedenen Modellen korrigiert werden, geben die Möglichkeit zur detaillierten Analyse. Mithilfe von autoregressiven Prozessen werden vertrauenswürdige Kovarianzinformationen aus den Zeitreihen geschätzt, welche die Anwendung von statistischen Testmethoden ermöglichen. Diese werden genutzt, um auf signifikante Änderungen zwischen den verschiedenen Realisierungen des Netzwerk zu prüfen und Unterschiede in den Modellen aufzudecken.

Length of Day (LOD) beschreibt die Variation der Länge einer Erdrotation relativ zu den Standard 24 Stunden. Es ist ein wichtiger Erdorientierungsparameter (EOP), der den Internationalen Himmelsreferenzrahmen (ICRF) und den Internationalen Terrestrischen Referenzrahmen (ITRF) verbindet. Für die geodätischen Satellitentechniken GNSS, SLR, and DORIS ist die Schätzung von LOD stark korreliert mit der Präzession des aufsteigenden Knotens der Satellitenbahn. Diese ist von the geraden sphärisch-harmonischen Koeffizienten niedrigen Grades des Erdgravitationsfeldes (z.B. Erdabplattung) abhängig und sensitiv gegenüber Orbitmodellierungsmängel, wie empirische Beschleunigungen außerhalb der Bahnebene oder Strahlungsdruck der Sonne (SRP).        

Für SLR und DORIS profitieren LOD-Schätzungen von der Beobachtungskombination verschiedener Satelliten mit klar unterschiedlichen Inklinationen. Diese verschiedene Inklinationen resultieren in geringeren Korrelationen zwischen SLR- und DORIS-bestimmten LOD-Schätzungen mit anderen Parametern. Die geringere Korrelation reduziert den Bias von LOD. Die Bahnen der fünf GNSS-Konstellation GPS, Galileo, GLONASS, BeiDou und QZSS besitzen eine ähnliche Inklination. Durch die resultierenden Schwierigkeiten der Bahnmodellierung besitzen die GNSS-bestimmten LOD Schätzungen einen Bias. Bisher wurde dies nicht beachtet oder ein konstanter, konstellationsunabhängiger Bias bestimmt und auf Normalgleichungslevel angebracht.

In dieser Arbeit evaluieren wir verschiedene LOD-Lösungen aus Berechnungen verschiedener Satellitengruppen (verschiedene Satellitenblöcke, Umlaufsbahnebenen, Konstellationen) und verschiedenen SRP-Modellen. Die Evaluation erlaubt die Bestimmung des besten SRP-Models für jede Gruppe. Die Implementierung des besten SRP-Models für jede Satellitengruppe verbessert die GNSS-bestimmten EOP.

Ko-Autoren: Mathis Bloßfeld, Bingbing Duan, Urs Hugentobler

Die globalen Navigationssysteme (GNSS) wie GPS, Galileo, GLONASS und BeiDou nutzen spezifische Modi der Lageregelung in den Phasen der Eklipse. In diesen Phasen nähert sich die Orbitalebene der Navigationssatelliten der Verbindungsachse Sonne-Erde an und erlaubt somit den Satelliten in den Erdschatten einzutreten.
Um dabei Stabilität und Funktionsfähigkeit zu gewährleisten, weichen die Satelliten von ihrer üblichen Lageregelung ab und vollführen teils komplexe Manöver.
Diese abweichenden Modi unterscheiden sich beträchtlich zwischen den Konstellationen, aber auch innerhalb der Konstellationen zwischen den verschiedenen Herstellern und Satellitengenerationen.

Im Jahr 2021 wurden die verfügbaren Modi in einem allgemeinen Rahmen für präzise Orbitbestimmung (POD) in die Open-Source-Software GROOPS integriert. Diese Präsentation gibt nun einen Überblick über die bestehende Implementierung, vergleicht sie mit alternativen Methoden und diskutiert die nötigen Anpassungen für die neueste Generation der GNSS Satelliten.