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Internationales Forschungsprojekt GeoMetre

Globaler geodätischer Bezugsrahmen

Ein hochpräziser globaler geodätischer Bezugsrahmen ist die fundamentale Basis für alle raumbezogenen Anwendungen. Er ermöglicht die Bestimmung von präzisen Satellitenorbits, durch die eine genaue Positionierung auf der Erde erst möglich wird. Technologien wie das autonome Fahren, oder das Precision Farming in der Landwirtschaft sind ohne das Globale Navigationssatellitensystem (GNSS) undenkbar. Frühwarnsysteme für Naturkatastrophen wie Erdbeben, Vulkanausbrüchen oder Tsunamis resultieren aus Deformationen an der Erdkruste. Zum Detektieren dieser Deformationen sind präzise geodätische Beobachtungen und ein einheitlicher Raumbezug zwingend notwendig. Der Anstieg des Meeresspiegels ist unstrittig eine direkte Folge der globalen Erderwärmung. Der gegenwärtige Anstieg beträgt 2-3 mm pro Jahr und erfordert einen globalen geodätischen Bezugsrahmen, der eine Positionsgenauigkeit von mindestens 1 mm besitzt und eine zeitliche Stabilität von 0,1 mm pro Jahr aufweist. Gegenwärtige terrestrische Referenzrahmen, wie der International Terrestrial Reference Frame (ITRF), sind mindestens um den Faktor 5 ungenauer und stellen somit einen der limitierenden Faktoren dar. Die International Association of Geodesy (IAG) hat 2003 das Global Geodetic Observing System (GGOS) initiiert, um hochwertige Produkte zur Beschreibung der Form, der Rotation und der Massenverteilung der Erde bereitzustellen, und um einen globalen geodätischen Bezugsrahmen abzuleiten, der eine Genauigkeit von 1 mm bzw. 0,1 ppb für die Position und den Netzmaßstab aufweist und eine zeitliche Stabilität von 0,1 mm pro Jahr bzw. 0,01 ppb pro Jahr erreicht. Hierbei entspricht 1 ppb (parts per billion) etwa 6 mm auf der Erdoberfläche.

Realisierung eines Bezugsrahmens

Die Realisierung eines geodätischen Bezugsystems erfolgt durch die kombinierte Auswertung von geodätischen Raumverfahren wie

  • Global Navigation Satellite System (GNSS),
  • Satellite Laser Ranging (SLR),
  • Doppler Orbitography and Radiopositioning Integrated by Satellite (DORIS) und
  • Very Long Baseline Interferometry (VLBI).

Die Referenzpunkte dieser Raumverfahren sind die physische Materialisierung des realisierten Frames auf der Erdoberfläche. Aufgrund fehlender technischer Verknüpfungen zwischen den geodätischen Raumverfahren sind zusätzliche geometrische Information für eine sinnvolle Kombination nötig. Lokal bestimmte Verbindungsvektoren (Local-Ties) stellen die erforderlichen Informationen im Kombinationsprozess bereit. Sie sind zwischen den Referenzpunkten der verschiedenen Raumverfahren definiert und lassen sich durch hochpräzise lokale Messungen an Multitechnikstationen (Co-location Station), die mindestens zwei unterschiedliche Raumverfahren an einem Standort betreiben, bestimmen. Sie sind eine Schlüsselkomponente, da sie die unterschiedlichen Raumverfahren zu einem gemeinsamen, integrierten Erdsystemsensor einen.

Zielsetzung von GeoMetre

Die Verbesserung der Rückführbarkeit der geodätischen Längenmessung auf das SI-Meter ist das übergeordnete Projektziel des internationalen Forschungsprojektes GeoMetre (Large-Scale Dimensional Measurements for Geodesy, JRP 18SIB01), welches mit Mitteln des EMPIR-Programms und dem Forschungs- und Innovationsprogramm der Europäischen Union Horizon 2020 gefördert wird. Hierzu zählen insbesondere die nachfolgenden Projektziele:

  1. Entwicklung und Validierung von anwendungsorientierten und feldtauglichen Transfernormalen, die eine Übertragung des Meters auf Referenz- bzw. Kalibrierbasen über Entfernungen von mindestens 5 km mit einer erweiterten Messunsicherheit von unter 1 mm ermöglichen.
  2. Entwicklung und Validierung von Präzisionsmessinstrumenten zur Bestimmung von 3D-Koordinaten mit einer Genauigkeit von 50 µm in einem Messvolumen von 50 m, die den unter Umständen schnell variierenden Brechungsindex der Luft kompensieren.
  3. Entwicklung von innovativen Analysestrategien und Methoden zur Rückführbarkeit von geodätischen Raumverfahren wie bspw. GNSS oder SLR über Distanzen von mindestens 5 km mit einer Messunsicherheit von unter 1 mm.
  4. Reduktion der Messunsicherheiten von sogenannten Local-Ties, die zwischen den geometrischen Referenzpunkten geodätischer Raumverfahren definiert sind, an Multitechnikstationen auf unter 1 mm, sowie die Entwicklung von innovativen Algorithmen, die eine prozessbegleitende Referenzpunktbestimmung an VLBI-Radioteleskopen bzw. SLR-Laserteleskopen ermöglichen.
  5. Wissenstransfer zu akkreditierten Laboren, Instrumentenhersteller, Normenausschüssen (ISO, IAG) und Endanwendern aus den messenden Disziplinen durch das Bereitstellen aller entwickelter Technologien, Messinfrastrukturen und Analysemethoden.

Labor für Industrielle Messtechnik

Das Labor für Industrielle Messtechnik der Frankfurt University of Applied Sciences ist eines von 16 europäischen Partnern in diesem Forschungsprojekt und befasst sich mit der Entwicklung von neuen Analysestrategien zur Kompensation von refraktiven Einflüssen auf terrestrische Beobachtungen, zur prozessbegleitenden in-situ Referenzpunktbestimmung von SLR- und VLBI-Teleskopen aber auch zur sachgerechten Abschätzung von Messunsicherheiten. Weiterhin untersucht das Labor die auftretenden Deformationen von Radioteleskopen, welche zu Variationen im Signalweg führen und unkompensiert einen systematischen Laufzeitfehler verursachen.

Förderung

Diese Arbeit ist Teil des internationalen Projektes GeoMetre (Large-Scale Dimensional Measurements for Geodesy, JRP 18SIB01) und wurde aus Mitteln des von den Teilnehmerstaaten kofinanzierten EMPIR-Programms und aus dem Forschungs- und Innovationsprogramm der Europäischen Union Horizon 2020 finanziert. DOI: 10.13039/100014132.

Publikationen

Eschelbach, C., Lösler, M., Klügel, T., Riepl, S., Mähler, S., Pollinger, F.: Zum Einsatz der Nahbereichsphotogrammetrie zur Referenzpunktbestimmung an SLR-Teleskopen. Frontiers of Geodetic Science, Geodätische Referenzsysteme und Erdrotation, 22.-23. September 2021, Hannover, Deutschland, 2021.

Eschelbach, C., Lösler, M., Guillory, J., Truong, D., Wallerand, J.-P., Röse, A., Köchert, P., Prellinger, G., Meyer, T., Pollinger, F.: Vom Kleinen zum Großen: Ein Zwischenbericht zum EMPIR-Projekt GeoMetre. VDVmagazin - Zeitschrift für Geodäsie und Geoinformatik, 72(5), S. 354-361, 2021.

Pollinger, F., Courde, C., Eschelbach, C., Garcia-Asenjo, L., Guillory, J., Hedekvist, P., Kallio, U., Klügel, T., Neyezhmakov, P., Pesce, D., Pisani, M., Seppä, J., Underwood, R., Wezka, K., Wiśniewski, M. (for the GeoMetre Consortium): Large-scale dimensional metrology for geodesy - first results from the European GeoMetre Project. In: Scientific Assembly of the International Association of Geodesy (IAG), 28.06. - 02.07.2021, Beijing, China, 2021.

Lösler, M., Eschelbach, C., Klügel, T.: Close Range Photogrammetry for High-Precision Reference Point Determination: A Proof of Concept at Satellite Observing System Wettzell. In: Scientific Assembly of the International Association of Geodesy (IAG), 28.06. - 02.07.2021, Beijing, China, 2021.

Lösler, M., Eschelbach, C., Holst, C.: On the Impact of the Coordinate Representation onto the Estimates in Least-Squares Adjustment. In: Proceedings of the 25th European VLBI for Geodesy and Astrometry (EVGA) Working Meeting, 15.-18. März 2021, 2021.

Lösler, M., Eschelbach, C., Klügel, T., Riepl, S.: ILRS Reference Point Determination using Close Range Photogrammetry. Applied Sciences, 11(6), 2785, 2021. DOI: 10.3390/app11062785

Lösler, M.: Modellbildungen zur Signalweg- und in-situ Referenzpunktbestimmung von VLBI-Radioteleskopen. Deutsche Geodätische Kommission (DGK), Reihe C, 865, München, 2021. ISBN: 978-3-7696-5277-2; Identisch mit: Wissenschaftliche Arbeiten des Instituts für Geodäsie und Geoinformationstechnik, Geodäsie und Ausgleichungsrechnung, Technische Universität Berlin, 2021. DOI: 10.14279/depositonce-11364

Lösler, M.: Zur Parameterschätzung mit unterschiedlichen Koordinatendarstellungen. Zeitschrift für Geodäsie, Geoinformatik und Landmanagement (ZfV), 145(6), S. 385-392, 2020. DOI: 10.12902/zfv-0319-2020

Lösler, M., Eschelbach, C.: Close Range Photogrammetry for Reference Point Determination. GeoMetre – 2nd Progress Meeting, 17.-18. November, 2020.

Eschelbach, C., Lösler, M., Haas, R., Greiwe, A.: Untersuchung von Hauptreflektordeformationen an VGOS-Teleskopen mittels UAS. In: Wunderlich, T. A. (Hrsg.): Ingenieurvermessung 20: Beiträge zum 19. Internationalen Ingenieurvermessungskurs, München, 3.-6. März 2020, Wichmann, S. 411-424, 2020. ISBN: 978-3-87907-672-7

Eschelbach, C., Lösler, M.: Photogrammetry for Accelerated Reference Point Monitoring - New Model for Reference Point Determination. GeoMetre – 1st Progress Meeting, 24.-25. Februar 2020, Conservatoire National des Arts et Métiers (CNAM), Paris, Frankreich, 2020.

Lösler, M., Haas, R., Eschelbach, C., Greiwe, A.: Gravitational Deformation of Ring-Focus Antennas for VGOS - First Investigations at the Onsala Twin Telescopes Project. Journal of Geodesy, 93(10), S. 2069-2087, 2019. DOI: 10.1007/s00190-019-01302-5

Lösler, M., Eschelbach, C., Riepl, S., Schüler, T.: A Modified Approach for Process-Integrated Reference Point Determination. In: Haas, R., García-Espada, S., Lopez Fernández, J. A.: Proceedings of the 24th European VLBI for Geodesy and Astrometry (EVGA) Working Meeting, 17.-19. März 2019, Las Palmas de Gran Canaria, Spanien, S. 172-176, 2019. ISBN: 978-84-416-5634-5

Lösler, M., Eschelbach, C., Riepl, S., Schüler, T.: Zur Bestimmung des ILRS-Referenzpunktes am Satellite Observing System Wettzell. In: Luhmann, T., Schumacher, C. (Hrsg.): Photogrammetrie - Laserscanning - Optische 3D-Messtechnik: Beiträge der 18. Oldenburger 3D-Tage 2019, Wichmann, S. 162-175, 2019. ISBN: 978-3-87907-660-4

Lösler, M., Eschelbach, C., Haas, R., Greiwe, A.: Measuring Focal-Length Variations of VGOS-Telescopes Using Unmanned Aerial Systems. In: Haas, R., García-Espada, S., Lopez Fernández, J. A. (Hrsg.): Proceedings of the 24th European VLBI for Geodesy and Astrometry (EVGA) Working Meeting, 17.-19. März 2019, Las Palmas de Gran Canaria, Spanien, S. 17-21, 2019. ISBN: 978-84-416-5634-5

Michael LöslerID: 9166