4.5 Fundamentalstationen Wettzell, TIGO und O'Higgins

Voraussetzung für Forschungsbeiträge zur

  1. hochgenauen Positionsbestimmung
  2. hochgenauen Bestimmung der Erdrotation
  3. hochgenauen Gravitationsfeldbstimmung

ist die Bereitstellung von Observablen, die auf global verteilten Beobachtungsstationen kontinuierlich erfasst werden und die für verschiedene Fragestellungen sensitiv sind. International haben sich für die relevanten geodätischen Raummessverfahren Dienste etabliert, die über weltweite Beobachtungsnetze, Daten-verbindungen und Analysezentren verfügen und koordiniert Daten und Produkte bereitstellen. Zu nennen sind die im Rahmen der IAG etablierten Dienste wie

Es läuft bereits ein Pilotprojekt zum DORIS Messverfahren, mit dem Ziel, auch für DORIS einen weltweiten Dienst international einzurichten. Eine Zusammenführung der Ergebnisse der einzelnen Dienste wird durch einen weiteren Service, dem Internationalen Earth Rotation Service (IERS) zu einem Gesamtergebnis kombiniert.

Die Beobachtungsstationen des IVS , ILRS und IGS werden in ihrer Gesamtheit als International Geodetic Space Network (IGSN) zusammengefaßt, wobei Richtlinien und Standards festgelegt sind, um die Klassifizierung der Stationen festzulegen. Die wichtigsten Stationen in diesem Verbund sind Stationen, auf denen möglichst viele Messverfahren vorhanden sind, geodätische Raummessverfahren und lokale Messverfahren, die kontinuierlich aktiv Beobachtungsdaten bereitstellen. Stationen, die über VLBI-, SLR/LLR- und GPS-Messverfahren verfügen, werden unter dem Begriff Fundamentalstation zusammen-gefasst. Konsequent wurde der Gedanke der Fundamentalstationen in der FGS seit vielen Jahren verfolgt und realisiert.

Fundamentalstation Wettzell

Anfang der siebziger Jahre wurde die Station Wettzell als Satellitenbeobachtungsstation errichtet. Im Rahmen des SFB 78 wurde für ihren weiteren Ausbau das Konzept einer Fundamentalstation für Forschungsvorhaben mit vorwiegend geodynamischer Zielsetzung entwickelt und in den achtziger Jahren im SFB 78 und nach dessen Beendigung in der FGS konsequent umgesetzt. Die wesentlichen Ausbauschritte waren:

Seit 1992 wird der Bau des Transportablen Integrierten Geodätischen Observatoriums verfolgt, das die Rolle einer Fundamentalstation auf der Südhalbkugel übernehmen soll. Mit dem Bau eines hochempfindlichen Drehgeschwindigkeitssensors, einem Laserkreisel, wurde in 1999 begonnen.

Die Auslastung der Systeme durch einen 24-Stunden-Messbetrieb sowie die Entwicklung der neuen Systeme machte eine personelle Aufstockung auf 32 Bedienstete erforderlich.

Mit den kollokierten Messsystemen für VLBI, SLR/LLR und den GPS-Messungen ist die Fundamental-station Wettzell(Abbildung 4.5.1), unterstützt durch lokale Beobachtungen, heute die herausragende Station im ISGN. Die Beobachtungen stehen über die Internationalen Dienste zuverlässig zur Verfügung.

Luftbild der Fundamentalstation Wettzell

Abbildung 4.5.1: Fundamentalstation Wettzell

Transportables Integriertes Geodätisches Observatorium (TIGO)

Seit 1992 wird das Transportable Integrierte Geodätische Observatorium (Abbildung 4.5.2) verwirklicht, eine transportable Fundamentalstation, mit vergleichbaren Funktionen wie die Station Wettzell, die zur Verbesserung des globalen Netzes auf der Südhalbkugel eingesetzt werden soll. TIGO ist weitgehend fertiggestellt, ein erster Messeinsatz ist ab Anfang 2001 in Südamerika vorgesehen. TIGO beinhaltet die folgenden Messmodule

O‘Higgins

Auf der antarktischen Halbinsel wurde in O’Higgins ein geodätisches Observatorium (Abbildung 4.5.3) eingerichtet, das über

verfügt. Aus logistischen Gründen können auf der Station O’Higgins nur saisonbedingt VLBI-Beobachtungen durchgeführt werden.

TIGO O'Higgins
Abbildung 4.5.2: Transportables Integriertes Geodätisches Observatorium (TIGO) Abbildung 4.5.3: Geodätisches Observatorium O’Higgins

4.5.1 Einsatz der Fundamentalstation Wettzell

Die Fundamentalstation Wettzell ist eingebunden in eine Reihe international koordinierter Messprogramme, vorwiegend mit der Zielsetzung, die globalen Referenzsysteme zu stützen und Beiträge zur Erdrotation, Plattentektonik, Aufbau globaler/regionaler geodätischer Punktfelder und Vermarkung extraterrestrischer Bezugssysteme zu liefern.

Seit 1983 ist die Empfangsanlage für Radiointerferometrie (Very Long Baseline Interferometry (VLBI)) operationell. Die regelmäßige Beteiligung an Experimenten zur Bestimmung der Erdrotationsparameter wie

 -  NEOS-A (wöchentlich 24 Stunden, früher IRIS A),
 -  NEOS-B (monatlich 1 x 24 Stunden),
 -  IRIS-S (monatlich 1 x 24 Stunden),
 -  Intensive  (täglich über 1 Stunde),
 -  CORE (24 Stunden Messungen, montags, dienstags, tlw. mittwochs,
    künftig Ablösung der NEOS-Experimente),
 
an Experimenten zur Bestimmung von Krustenbewegung wie
 
 -  R&D (1 x monatlich über 24 Stunden),
 -  GLOBAL (vierteljährlich 36 Stunden),
 -  X-ASIA (vierteljährlich 36 Stunden),
 -  EUROPE (2-monatlich)

sowie gelegentlich an radioastronomischen Experimenten, führte zu einer sehr hohen Auslastung des Teleskopes.

Das Radioteleskop Wettzell spielt in allen geodätisch-geodynamischen Programmen aufgrund der kontinuierlichen Beteiligung eine besonders herausragende Rolle im Hinblick auf Kontinuität der Messreihen und durch die Kollokation mit anderen Techniken im Hinblick auf Komplementarität. Um das auch zukünftig sicherzustellen, sind neben der Grundwartung grundlegende Systemverbesserungen geplant, die sowohl den Messbetrieb als auch die Betriebssicherheit deutlich verbessern. Gedacht ist in erster Linie, das System im MK-IV-Beobachtungsmodus zu betreiben, die Automatisation voranzutreiben, dass auch ohne zusätzliches Personal vermehrt an Samstagen, Sonn- und Feiertagen insbesondere weitere CORE-Experimente mitbeobachtet werden können und eine Echtzeitdatenübertragung einzurichten, um die Transportzeiten für die Magnetbänder zum Korrelator zu vermeiden.

Für stationäre Laserentfernungsmessungen steht das Wettzell Laser Ranging System (WLRS) auf der Fundamentalstation Wettzell zur Verfügung.

WLRS wurde im Jahre 1991 in den Routineeinsatz übernommen und hat damit das GTE-Sylvania System abgelöst. Wesentliche Merkmale des neuen Systems sind

WLRS wird an ca. 350 Tagen im Jahr im 24-Stundeneinsatz betrieben.

Konzeptionell wurde das WLRS so angelegt, dass parallel zum Routinebetrieb Experimente ausgeführt werden können, ohne dass in den Systemaufbau eingegriffen werden muss. So war es möglich, dass andere Detektorschaltungen entwickelt und hinsichtlich ihrer Einsetzbarkeit untersucht werden konnten. Auf diese Weise wurden Lawinenphotodioden für den Routineeinsatz und für die simultanen Messungen auf zwei Wellenlängen vorbereitet. Es wurde der mechanische Aufbau des Detektionsbereiches der Anlage neu gestaltet und eine Streakkamera integriert. Altersbedingt wurde der Nd:Yag Laser erneuert, das gesamte Steuersystem und Laufzeitmesssystem ausgetauscht, so dass heute ein hochmodernes und sehr leistungsfähiges System zur Verfügung steht.

Für den mobilen Einsatz von Laserentfernungsmessungen nach Satelliten stand das Modulare Transportable Laser Ranging System MTLRS-1 zur Verfügung. MTLRS-1 wurde seit 1984 operationell im Rahmen internationaler Forschungsprojekte zur Erfassung von Krustenbewegungen eingesetzt.

In den letzten Jahren wurde die Hardware von MTLRS-1 überarbeitet und technisch auf den neuesten Stand gebracht. Es wurde das Lasersystem und das Empfangssystem komplett ersetzt. Das Ziel, die Messgenauigkeit von 3 cm auf 0,5 cm zu steigern, wurde erreicht. Im Hinblick auf künftige Messvorhaben wurde das Transportkonzept mit dem LKW und dem Stromgenerator als Nachläufer überarbeitet. Die MTLRS-1 Kabine und der Stromgenerator wurde auf einem Auflieger montiert, der von einer Sattelzugmaschine gezogen wird. Bedingt durch die Feldeinsätze unter den extremen äußeren Bedingungen war es weiterhin erforderlich, die komplette Elektronik und Steuereinheit zu ersetzen. Diese Arbeit wurde vergeben, der Auftragnehmer war jedoch nicht in der Lage ein Kontrollsystem zu liefern. Diese Arbeiten stehen nunmehr noch an.

Da mobile Einsätze mit MTLRS unwirtschaftlich geworden sind - mit GPS können Positionen einfacher und kostengünstiger bestimmt werden - sollte MTLRS stationär eingesetzt werden, um eine Lücke im IGSN zu füllen. Hierzu ist ein Gastland zu finden, das bereit ist bei der Integration eines neuen Kontrollsystems mitzuwirken. Die Entwicklungen und Erfahrungen, die insbesondere bei der Eigenentwicklung der Kontrollsysteme für WLRS und für das TIGO SLR-Modul gewonnen wurden, müssen einfließen und auf MTLRS-1 übertragen werden.

Satellitengestützte Navigationssysteme, wie das GPS spielen heute bei der Bestimmung der Positionen und Bewegungsvektoren eine bedeutende Rolle. Die Messungen werden im Mikrowellenbereich durchgeführt und können somit bei allen Wetterlagen erfolgen. Die Verfahren zeichnen sich durch hohe Genauigkeit, auch über große Entfernungen, aus sowie durch wirtschaftliche Erfassung der Messdaten. Mit Abschluss der Ausbauphase (Anfang der 90er Jahre) finden GPS-Verfahren - obwohl GPS ein militärisches System ist und damit im zivilen Bereich Einschränkungen unterworfen ist - Anwendung im wissenschaftlichen Bereich (geodynamische Netze), als auch im praktischen Bereich (Landesvermessung). GPS kann sowohl statisch als auch dynamisch genutzt werden.

Das von der ehemaligen UdSSR entwickelte Navigationssystem GLONASS hat inzwischen Bedeutung gewonnen. Ihm Rahmen der CSTG wurde ein Pilotprojekt gestartet, dass GLONASS mit GPS integriert und heute im Rahmen von IGS mit in die Analysen einbezogen wird.

PRARE ist ein geeignetes Verfahren zur Bahnvermessung. Es wurde jedoch nur bei der Bahnbestimmung des ERS-2 eingesetzt und wird künftig keine Bedeutung mehr haben.

Das in Frankreich entwickelte DORIS hat bedingt durch eine gute globale Verteilung der Beobachtungsstation auch im Rahmen der Arbeiten des IERS an Bedeutung gewonnen. Es wird derzeit an einer 3. Generation DORIS gearbeitet. Hier wird es für die Fundamentalstation Wettzell notwendig werden, im Sinne der Kollokation mit anderen Systemen, auch einen DORIS 3rd Generation Empfänger einzusetzen und zu betreiben.

Seit 1987 wird auf der Station Wettzell eine permanente GPS-Station betrieben. Zunächst war sie in das Cooperative International GPS-Net (CIGNET) eingebunden, das heute in das globale Netz des Internationalen GPS-Service (IGS) integriert ist. Die Fundamentalstation Wettzell ist heute auch in EUREF- und GREF-Netze eingebunden. Aus Redundanzgründen stehen GPS Beobachtungen mit TURBO ROGUE-, ASHTECH- und TRIMBLE- Empfängern zur Verfügung. Neben den GPS Messungen werden auch die GLONASS-Satelliten mit ASHTECH Z18-Empfängern beobachtet. Wettzell kommt hierbei die wichtige Rolle einer Core-Station zu. IGS-Ergebnisse sind hochgenaue Ephemeriden für die GPS- und GLONASS-Satelliten, Rotationsparameter der Erde, sowie Parameter zur Refraktionsberechnung (Atmosphäre, Ionosphäre).

Um insbesondere Bereiche in Asien oder die Antarktis mit einzubeziehen wurden weitere permanente GPS-Stationen eingerichtet in Lhasa/Tibet, O'Higgins/Antarktis und Reykjavik/Island. Weitere Verdichtungs-stufen durch regionale und lokale Netze sind erfolgt. Im Sinne von IGS haben regionale Netzwerke kontinentale Ausdehnung, lokale Netze überdecken Gebiete wie z. B. die Bundesrepublik Deutschland. Über diese Verdichtungsstufen kann zum einen regionsspezifischen geodynamischen Fragestellungen nachgegangen werden, zum anderen realisieren sie sehr genau regionale Referenzsysteme ("aktives Referenznetz") für wissenschaftliche Aufgaben als auch für Aufgaben der Landesvermessung. Im Bereich von Europa wurde ein regionales Netz von 70 permanent beobachtenden Stationen (EUREF) aufgebaut, ebenso ein lokales Netz auf dem Gebiet der Bundesrepublik mit über 20 Stationen (GREF), die in die Vorhaben der Landesvermessungsämter integriert sind (SAPOS).

Ziel beider Netze ist es, Zeitreihen der aktuellen ITRF-Koordinaten für die Referenzstationen abzuleiten, um zeitliche Veränderungen zu bestimmen und deren Ursache zu analysieren. Verstärkt wird daran gearbeitet die Messungen auch für atmosphärische Untersuchungen zu nutzen. Hierzu werden möglichst aktuelle Auswertungen erforderlich sein, die echtzeitnahe Beobachtungsdaten ausgewählter Stationen benötigen.

Der erfolgreiche Einsatz der geodätischen Raumverfahren setzt verschiedene Grunddienste voraus. Zu nennen sind

Darüber hinaus sind weitere in-situ-Registrierungen notwendig zur

Die Bereitstellung der Messdaten wird durch einen Rechnerverbund organisiert:

Voraussetzung hierfür ist die Betreuung der Systemrechner und deren Vernetzung. Alle Grunddienste sind in dem Arbeitsbereich "Allgemeine Dienste" zusammengefaßt.

Das Zeit- und Frequenzsystem der Station Wettzell umfaßt drei Cäsium-Atomuhren zur Generierung der Zeitskala UTC (Wettzell) und drei H-Maser für die Bereitstellung hochgenauer Referenzfrequenzen. Eine Anbindung der örtlichen Zeitskala UTC (Wettzell) an die Weltzeitskala UTC geschieht mit Zeit-GPS-Empfängern. Das Zeitsystem der Station leistet seit über 20 Jahren einen aktiven Beitrag zur Generierung der Weltzeitskala UTC durch Bereitstellung seiner Zeitmessdaten. Als Basisdienst für die Station Wettzell ist geplant, diese Arbeiten künftig fortzusetzen und durch stete Verbesserungen den wachsenden Anforderungen an die Messverfahren selbst anzupassen. Die Bereitstellung der Zeitmessdaten muss zukünftig durch den "online"-Zugriff mit Hilfe von Internet ermöglicht werden; entsprechende Datenorganisationen sind aufzubauen.

Die meteorologischen Messungen sind erforderlich, um Refraktionskorrekturen für die Messgrößen, die die geodätischen Raumverfahren liefern, zu berechnen. Neben den üblichen Temperatur-, Druck- und Feuchtemessungen werden auch Wasserdampfradiometer eingesetzt, die erlauben, den Feuchteanteil der Atmosphäre und seinen Beitrag zur Refraktion zu messen. Die Kombination der meteorologischen Daten mit den geodätischen Raumverfahren, besonders mit den GPS-Messungen und mit den Zweifarben-Laserentfernungsmessungen, verspricht künftig den Einfluß der Refraktion genauer zu erfassen. Auch hier ist es unabdingbar, diese Messreihen fortzuführen und den künftigen Anforderungen anzupassen.

Die meteorologischen Daten und die Messungen der Wasserdampfradiometer sind für den direkten Zugriff in Echtzeit durch die Messsysteme der Station Wettzell und für den "online"-Zugriff über Internet aufzubereiten und in geeigneten Organisationsstrukturen vorzuhalten.

Der entscheidende Vorteil von Fundamentalstationen ist, dass die Messsysteme durch örtliche Vermessung hochgenau miteinander verbunden werden können. Zu diesem Zweck sind lokale Vermessungsnetze eingerichtet, wie

Das lokale Netz dient der Einmessung der Messsysteme und der Ableitung von Zentrierwerten. Das Umgebungsnetz ist angelegt worden, um evtl. auftretende lokale Veränderungen in Lage und Höhe festzustellen. Das gravimetrische Netz unterstützt insbesondere die Aufdeckung von vertikalen Veränderungen. Alle Netze werden regelmäßig beobachtet. Es ist beabsichtigt, die Netze auch in Zukunft wiederholt zu vermessen, sowie auf ausgewählten Punkten die Netzstabilität durch kontinuierliche GPS-Registrierungen zu überwachen.

Mit einem Supraleitenden Gravimeter werden relative Schwereänderungen erfasst. Diese Messgröße gibt insbesondere sehr genauen Aufschluß über lunare und solare Gezeiten. Die Messdaten des Supraleitenden Gravimeters sind zukünftig für einen direkten Zugriff über Internet aufzubereiten und entsprechend bereitzustellen.

Seismographische Beobachtungen werden seit über 25 Jahren auf der Station in Zusammenarbeit mit dem Geophysikalischen Observatorium Fürstenfeldbruck der Universität München durchgeführt. Hier ist auch beabsichtigt, diese Messreihe mit dem im Rahmen eines DFG-Projektes beschafften Seismographen fortzuführen.

Ein selbstverständlicher und meist nicht aufgeführter Grunddienst ist die Betreuung der Systemrechner und deren Vernetzung untereinander (LAN) sowie die Anbindung nach außen (WAN). Durch die extrem schnell fortschreitende technische Entwicklung auf diesem Sektor, verbunden mit mangelnder Betriebssicherheit und unzureichender Unterstützung durch Hersteller und Lieferanten, entwickelt sich diese Arbeit zu einer sehr aufwendigen Tätigkeit. Die Messsysteme auf der Station, die sich alle auf Systemrechner stützen und weitgehend automatisiert sind, erfordern eine stetige Laufendhaltung und Ergänzung der Systemrechner, sowohl hinsichtlich der Hardware als auch hinsichtlich der Software. Die Messdaten dieser Basisdienste werden teilweise in Echtzeit, d. h. während der Messdurchführung von den übrigen Messsystemen benötigt. Als typische Beispiele seien die meteorologischen Daten und Daten des Zeit- und Frequenzsystems genannt. In zunehmendem Maße zeigt sich, dass die von den unterschiedlichen Messsystemen gewonnenen Daten in den verschiedensten Kombinationen für Auswertezwecke benötigt werden. Als Beispiel sei hier die Kombination der GPS-Daten mit den meteorologischen Daten. Es ergibt sich die Notwendigkeit, einige Daten für den Echtzeitzugriff zu organisieren und eine Reihe von Messdaten der Station Wettzell für den direkten "online"-Zugriff aufzubereiten, bzw. vorzuhalten und Zugriffsmöglichkeiten über "Anonymous FTP" und WWW einzurichten. Für den weiteren Ausbau der Station sind entsprechende datenmäßige Organisationsstrukturen zu schaffen, die diese Grunddienste entsprechend bereitstellen, organisieren und verwalten.

4.5.2 Entwicklung der Fundamentalstation Wettzell

Die Messsysteme der Fundamentalstation Wettzell müssen entsprechend den technischen Möglichkeiten weiterentwickelt werden, um den Anforderungen der internationalen Messprogramme gerecht zu werden.

Die geodätisch geodynamischen Forschungsprogramme werden auch künftig radiointerferometrische Messungen einbeziehen. Sie liefern heute und auch in absehbarer Zukunft die genauesten Ergebnisse zur Laufendhaltung der Referenzsysteme, zur Anbindung der terrestrischen Referenzsysteme an extraterrestrische Referenzsysteme und zur Plattentektonik in globalen Netzen. Ebenso ist die Very Long Baseline Interferometrie (VLBI) ein bedeutendes Bindeglied zu den astronomischen und astrophysikalischen Fragestellungen (Nutation, Präzession, Relativitätstheorie). Künftig muß man sich verstärkt im Rahmen des IVS an CORE Projekten beteiligen. Mit CORE ist beabsichtigt kontinuierlich die Erdrotationsparameter zu bestimmen, d.h. man plant die vorhandenen Radioteleskope in 7 Netzwerke zu organisieren, die abwechselnd jeweils an einem Wochentag Experimente beobachten und somit eine kontinuierliche EOP-Bestimmung erlauben. Bisher sind drei Netzwerke etabliert, im Jahr 2001 wird ein viertes hinzukommen, so dass bereits an den Wochentagen von Montag bis Donnerstag durchgehend beobachtet werden kann. Problematisch ist derzeit die Organisation der Beobachtungen an den Wochenenden. Hierzu ist es zwingend erforderlich den Messablauf zu automatisieren.

Radiointerferometrische Beobachtungen stellen den unmittelbaren Bezug zwischen den globalen Bezugssystemen, dem ICRF und dem ITRF her. GPS/GLONASS Applikationen setzen die Verfügbarkeit eines Inertialsystem (ICRF) voraus. Es hat sich gezeigt, dass durch die Repräsentation des Inertialsystems durch die Bahn der GPS-Satelliten und insbesondere durch die Bewegung des Phasenzentrums der Satellitensendeantennen systematische Abweichungen auftreten, die die Genauigkeit der Methoden deutlich übersteigen und verbessert werden müssen. Mit Hilfe von VLBI-Beobachtungen gleichzeitig zu den GPS Satelliten könnten derartige Fehlerquellen aufgedeckt werden. Im Rahmen der Dienste IVS, IGS und ILRS etabliert sich eine Arbeitsgruppe, die Vorschläge erarbeitet, wie diese Problematik gemeinsam geklärt werden kann. Neben den analytischen Überlegungen sind auch technische Konzepte zu erarbeiten, die Parallelbeobachtungen sowohl zu Quasaren als auch zu GPS Satelliten zulassen.

Die VLBI-Methode liefert bereits jetzt - wie die R&D-Ergebnisse zeigen - eine Messgenauigkeit globaler Basislinien von unter 1 Zentimeter. Einflüsse, wie Auflasteffekte durch Meeresgezeiten oder Luftdruck auf die Erdkruste, sind ohnehin schon zu berücksichtigen. Lokale Veränderungen der Antenne, z. B. die Antennenhöhe durch thermische Ausdehnung, erreichen bereits eine Größenordnung, die die Messungen beeinflussen. Diese Ausdehnungen sind kontinuierlich zu erfassen.

Im Bereich der Datenregistrierung wird derzeit, im Gesamtverbund der VLBI-Stationen, von den sogenannten MK-III- auf das MK-IV-Registriersystem umgerüstet. Die Vorteile von MK-IV sind eine höhere Datenaufzeichnung und eine größere Bandbreite. Beides führt zu einer noch höheren Messgenauigkeit. In Verbindung mit der optischen Datenübertragung, die künftig auch die Übertragung größter Datenmengen erlaubt, wird es möglich sein, VLBI in Echtzeit für ausgewählte Messprogramme - vorwiegend im Bereich der Erfassung der Erdrotation - durchzuführen. Ziel ist es, dabei zunächst die Übertragungszeit der VLBI-Messdaten zum Korrelator drastisch zu verringern bzw. die Beobachtungen bereits während der fortlaufenden Messung zu korrelieren (echtzeitnah).

Folgende Vorbereitungen für Realtime-VLBI-Anwendungen sind zu treffen:

Als Vorteile der direkten Datenübertragung werden gesehen

Das 20 m-Radioteleskop der Station Wettzell ist in alle geodätischen Experimente, die von den führenden europäischen und amerikanischen Institutionen mit MK-IV-Datenregistrierung organisiert und beobachtet werden, eingebunden. Die Station Wettzell spielt heute schon eine verbindende Rolle zu den asiatischen Gruppierungen, die im Rahmen des Asian-Pazifischen-Teleskop-Netzes kooperieren. Hier ist in Zusammenarbeit mit dem CRL-Japan bereits die Integration des von den Japanern entwickelte K-4-System erfolgt, das insbesondere in Japan und China im Einsatz ist. Das K-4-System ist nur bedingt kompatibel mit dem amerikanischen MK-IV. Die technischen Kenndaten sind jedoch vergleichbar. Im Rahmen des IVS wird an einer Standard Schnittstelle gearbeitet, die weltweit eine Zusammenarbeit der verschiedenen Aufzeichnungssysteme zuläßt. Ein derartiges Standardinterface ist zu integrieren.

Die Einbindung der radiointerferometrischen Empfangsanlagen der FGS (20 m-Teleskop Wettzell, 9 m-Teleskop O'Higgins, TIGO) in langfristig angelegte, kontinuierlich beobachtende Programme, die international koordiniert sind, ist aufrecht zu erhalten und weiter auszubauen. Hierzu ist stets eine technische Weiterentwicklung der Anlagen erforderlich, um eine hohe Messbereitschaft und einen hohen Qualitätsstandard sicherzustellen.

Die Systemverbesserungen in der VLBI Messanlage wie

erfordern wesentliche Einschnitte in das vorhandene VLBI System. Es ist geplant, eine Konzeptstudie zur Realisierung einer VLBI-Messanlage durchzuführen, mit deren Hilfe die Systemverbesserungen bzw. Erneuerungen effektiv und wirtschaftlich in den Folgejahren eingebracht werden können.

Geodätisch-geodynamische Forschungsvorhaben werden sich auch künftig auf die Nutzung hochgenauer Laserentfernungsmessungen stützen. Neben den zahlreich vorhandenen Satelliten wie LAGEOS-I und II, STARLETTE, STELLA, ETALON-I und II, AJISAI, ERS-1, TOPEX-POSEIDON, METEOSAT-1, METEOR-3, dem GPS-SV-35 und den GLONASS-Satelliten, werden auch künftig weitere Satelliten mit Reflektoren ausgerüstet sein, um die Satellitenbahn genau bestimmen zu können. Dies ist für viele Anwendungen Voraussetzung. Die Kombination mit Lasermessungen ermöglicht eine zweifelsfreie Kalibrierung und die Trennung miteinander korrelierter Fehler (z. B. GPS: Rangingfehler und Uhrenfehler).

Künftig wird auch die Entfernungsmessung zum Mond als Bindeglied an Bedeutung gewinnen, um übergreifende Fragestellungen in den Grenzbereichen Geodäsie und Astrophysik zu klären (Raumkrümmung, Veränderung der Gravitationskonstante ...).

Die Nutzung der genauen Laserentfernungsmessungen stößt heute an die Leistungsgrenze. Die Refraktionsmodelle liefern nicht mehr ausreichend genaue Korrektionswerte. Laserentfernungsmessungen auf zwei oder mehreren Wellenlängen werden es erlauben, den Refraktionsanteil der Atmosphäre direkt zu messen.

Ziel ist es daher,

Während der Einsatz mobiler Laserentfernungsmesssysteme zur Positionsbestimmung im Rahmen geodynamischer Netze mehr und mehr durch die Nutzung der GPS-Systeme verdrängt wurde, sollten heute mobile Laserentfernungsmesssysteme stationär eingesetzt werden, um Lücken in der globalen Netzverteilung der Laserstationen nach Bedarf zu schließen.

Die Laserentfernungsmessung zu Satelliten muß um den Refraktionsanteil der Atmosphäre korrigiert werden. Hierzu wird im allgemeinen das Modell von Marini und Murray verwendet, welches die meteorologischen Parameter Luftdruck, Feuchte und Temperatur am Orte des Messsystems zur Bestimmung dieser Korrektur verwendet. Der Vergleich dieses Modells mit den Messungen durch Radiosondenballon-aufstiege zeigt eine gute Übereinstimmung. Jedoch verbleibt ein Unsicherheitsbereich von 1 bis 5 cm, wobei über die zugrunde liegenden Mechanismen noch keine Klarheit besteht. Im Rahmen der experimentellen Entwicklung der im infraroten Spektralbereich nutzbaren Detektoren wurden viele Simultanentfernungs-messungen zu Satelliten durchgeführt und der gemessene Dispersionsbeitrag mit den Modellerwartungen verglichen. Der erwartete Unsicherheitsbereich konnte bestätigt werden, jedoch ist zu dem gegenwärtigen Zeitpunkt keine Ursache dafür identifizierbar. Diese Arbeiten sollen weitergeführt werden. Dabei ergeben sich folgende Arbeitsfelder:

WLRS wurde Mitte der 80er Jahre konzipiert. Während die Hardwarekomponenten im Laufe der Jahre z. T. erneuert wurden, ist jetzt erst mit der Erneuerung der Steuersoftware begonnen worden. Das grundlegende Konzept wurde bereits umgesetzt und konnte mit Beginn des Jahres 2000 erfolgreich erprobt werden. Verbesserungen, die zum einen einen sicheren Routinebetrieb erlauben, zum anderen den automatischen Messablauf deutlich verbessern sind noch anzustreben.

WLRS ist bedingt durch seinen modularen Aufbau eine ideale Plattform, um Experimente durchzuführen, ohne dass der Routinemessbetrieb gestört werden muß. Es ist geplant, weitere neue Detektoren zu erproben, und ihren Einsatz für verschiedene Zwecke zu optimieren. Die Arbeiten zielen insbesondere darauf ab, hochempfindliche Detektorschaltungen für die Entfernungsmessung zum Mond und für Messungen im Infrarotbereich zu entwickeln. Während die höhere Effizienz die Ausbeute der Entfernungsmessungen zum Mond verbessert sollen die Infrarotdetektorschaltungen insbesondere die Zweifarbenmessungen verbessern, d.h. die Differenz simultan gemessener Entfernungen (als Folge der Dispersion) muß besser als 1mm erfasst werden können, damit daraus signifikante Verbesserungen für die atmosphärische Refraktion abgeleitet werden können.

Die Laufzeitmessung ist unter diesem Aspekt ebenfalls zu verbessern. Bisher wurden Laufzeitzähler mit Genauigkeiten um 50 ps verwendet. Heutige Event-timer sind wenige ps genau. Da in einem Laserentfernungsmesssystem jedoch gleichzeitig mehrere Eventtimer eingesetzt werden müssen, ist ein System zu entwickeln, dass es erlaubt mehrere Event-timer zusammen zu schalten und die Messungen der Einzelelemente gegeneinander zu kalibrieren.

Entfernungsmessungen zu hochfliegenden Satelliten und insbesondere zum Mond sind stets eine technische Herausforderung, die teilweise an die Grenze des Durchführbaren geht. Insbesondere das örtliche Seeing der Atmosphäre führt oftmals dazu, dass die Beobachtungen nicht erfolgreich durchgeführt werden können. Wie in der optischen Astronomie schon gezeigt, ist es möglich derartige Scintillationseffekte durch adaptive Optik zu vermindern. Es ist daran gedacht künftig WLRS durch adaptive optische Komponenten zu ergänzen, um den Seeing-Effekt zu Zielen, wie hochfliegende Satelliten und Reflektoren auf dem Mond abzuschwächen.

Die Entwicklungsarbeiten sind am WLRS durchzuführen und zu erproben. Es ist beabsichtigt soweit es technisch möglich ist, diese Verbesserungen auch auf MTLRS und auf das TIGO-SLR Modul zu übertragen. Ziel ist es, alle drei Systeme möglichst mit gleicher Bedienungs-Software zu betreiben.

Zusammenfassend lassen sich folgende Entwicklungsarbeiten nennen:

Derzeit ist MTLRS 1 nicht einsatzbereit, da das in Auftrag gegebene Kontrollsystem nicht funktionsfähig ausgeliefert werden konnte. Personell bedingt, konnten keine Entwicklungsarbeiten am MTLRS 1 durchgeführt werden. Nachdem nunmehr jedoch für WLRS und für das TIGO-SLR Modul ein derartiges Kontrollsystem selbst entwickelt und verwirklicht wurde, liegt es nunmehr nahe, dieses Kontrollsystem auch auf MTLRS zu übertragen, um somit das System wieder einsatzbereit zu machen. Gedacht ist, gemeinsam mit einem Gastland, das Interesse hat, MTLRS zu betreiben, diese Implementation durchzuführen. Dabei geht man davon aus, dass zwei Ingenieure des Gastlandes in Wettzell unterstützt durch SLR-Ingenieure im wesentlichen die Übertragungsarbeit leisten, MTLRS in Betrieb nehmen und im Anschluß das System im Gastland installieren und betreiben. Interesse an einer derartigen Zusammenarbeit wurde aus Indien und aus den Philippinen bekundet. Mit so einer Maßnahme ist es möglich, MTLRS 1 wieder zu nutzen und das ISGN im asiatischen Bereich zu verbessern.

Die Technologie der Satelliten-Laserentfernungsmessung für die weltweit im Rahmen des ILRS eingesetzten Beobachtungsstationen hat mit den Systemen der dritten Generation einen Stand erreicht, bei dem, abgesehen von Fortschritten in der Bestimmung des atmosphärischen Einflusses nur noch durch Erhöhung der Bandbreite von elektronischen Komponenten und Baugruppen mit einer geringfügigen Steigerung der internen Messgenauigkeit zu rechnen ist. Ergänzt man jedoch ein bestehendes SLR-System um eine Komponente, welche neben der Entfernungsmessung eine präzise Richtungsmessung ermöglicht, so ergibt sich hier die Möglichkeit zu einer deutlich verbesserten Bahnbestimmung.

An Mikrowellen-Empfangssystemen sind eingesetzt für geodätische Nutzung:

Die Mikrowellen-Messverfahren sind wetterunabhängig und erlauben einen wirtschaftlichen Betrieb. Der Schwerpunkt der Beobachtungen liegt beim Betrieb permanent eingerichteter GPS-Empfänger, die kontinuierlich Beobachtungsdaten für die aktive geodätische Realisierung und Laufendhaltung von Referenzsystemen im globalen (IGS), siehe Abbildung 4.5.4, europäischen (EUREF-Permanent), siehe Abbildung 4.5.5, und nationalen (GREF) Bereich, siehe Abbildung 4.5.6 liefern. Zur Verbesserung und Stützung des globalen Netzes sind Bestrebungen im Gange, Satelliten des GLONASS mit einzubeziehen. Hierzu ist es erforderlich, entsprechend permanent arbeitende GLONASS-Empfänger einzurichten und zu betreiben. PRARE dient ausschließlich dazu, um die Bahn des ERS-2 (europ. Erderkundungssatellit) zu bestimmen. DORIS, eine eigenständige französische Entwicklung, liefert Beiträge zur Realisierung und Laufendhaltung des ITRF. Hier ist es künftig notwendig, die Station Wettzell und TIGO mit einem DORIS-Empfänger auszustatten und Messdaten bereitzustellen.

Von allen Stationen werden täglich (auch an Samstagen und Sonntagen) 24-Stundendatenfiles abgerufen, in RINEX konvertiert und dem Daten- und Auswertezentrum des BKG nach Frankfurt zugeleitet. Der Datenfluß ist weitgehend automatisch eingerichtet, jedoch ist eine durchgreifende einheitliche und zuverlässige Datenübertragung von allen Stationen nicht möglich. Täglich ist der Datenfluß zu kontrollieren und gegebenenfalls manuell nachzubessern, wenn technische Ausfälle vorliegen.

Für besondere Aufgaben, wie die Ableitung atmosphärischer Parameter, werden von ausgesuchten Stationen GPS-Beobachtungen im Stundentakt angefordert. Diese Stationen sind so eingerichtet, dass neben dem 24 h-Datenfile auch die Beobachtungsdaten im Stundentakt bereitstehen. Künftig ist beabsichtigt, von ausgesuchten Stationen die Daten in Echtzeit zu übertragen und auszuwerten. Der reibungsfreie Datenfluß setzt voraus, dass die permanent eingerichteten Stationen technisch einwandfrei funktionieren. Die Stationen sind daher redundant und recht aufwendig konzipiert und bedürfen einer regelmäßigen Wartung (einmal pro Jahr). Es sind z. B. die Notstromanlagen regelmäßig zu warten und Ausfälle der Empfänger, der Steuer-rechner und Datenübertragungseinrichtungen zu überwachen und zu beheben. Ebenso sind die Komponenten der schnellen technologischen Entwicklung anzupassen (Rechner, Modems, Betriebssysteme, etc.).

IGS-Stationen

Abbildung 4.5.4: Beobachtungsstationen im IGS

EUREF-Stationen GREF-Stationen
Abbildung 4.5.5: Beobachtungsstationen im EUREF Permanent-Netz Abbildung 4.5.6: Beobachtungsstationen im GREF Permanent-Netz

Es werden GLONASS-Empfänger auf den folgenden Stationen betrieben:

Wie die GPS-Empfänger werden die Daten in 24 Stunden-files täglich abgerufen und zur weiteren Verarbeitung in die IGS-Datenbank geleitet. Auch für diese Systeme fällt Wartungs- und Entwicklungsarbeit an.

Der Einsatz geodätischer Raumverfahren auf der Station Wettzell setzt verschiedene Grunddienste voraus. Hierzu zählt

Desweiteren sind örtliche Registrierungen zur kontinuierlichen

notwendig.

Zu dem Arbeitsbereich "Allgemeine Dienste" zählt auch die IT-Betreuung, insbesondere

Hinsichtlich der Entwicklungsarbeiten sind insbesondere zu nennen:

4.5.3 Entwicklung neuer Messsensoren (Lokale Rotationssensoren / Laser-Kreisel)

Mit dem Bau eines lokalen Rotationssensors (Laserkreisel) ist im Jahr 1999 begonnen worden. Mit dem Großring soll eine Gesamtempfindlichkeit von 10-9 OmegaE (Winkelgeschwindigkeit) der Erdrotation bei einer Zeitauflösung von 1-2 Stunden erreicht werden. Dadurch soll die hohe Genauigkeit der Erdrotations-bestimmung, wie sie heute bei einer Zeitauflösung von nicht besser als einem halben Tag durch den Einsatz geodätischer Raumverfahren (VLBI, SLR/LLR), GPS möglich ist, im geowissenschaftlich zunehmend interessierenden Kurzzeitbereich erschlossen werden. Abhängig von der erreichbaren Empfindlichkeit werden verschiedene Vorgänge aus dem Bereich der Geowissenschaften wie auch der Grundlagenphysik erschlossen, beispielsweise

Als Vorentwicklung für den geplanten Hochpräzisionsringlaser wurde von der FGS, vertreten durch BKG und FESG/TUM, in Zusammenarbeit mit dem

ein Ringlaser vom Typ des neuseeländischen CI-Ringlasers mit modernster Technologie gebaut (Ringlaserprojekt CII):

Die für den Nachweis bzw. die Messung der genannten Effekte, die überwiegend für die Vermarkung hochgenauer terrestrischer Bezugssysteme bedeutsam sind, notwendige Empfindlichkeitssteigerung erfordert eine Vergrößerung der wirksamen Fläche auf etwa 16 m². Ausgehend von den experimentellen Erfahrungen mit dem CII-Ringlaser, bei dem alle kritischen Baukomponenten und Elemente, die für den Großring Verwendung finden, getestet werden, erfolgte die detaillierte technische Auslegung des für die Station Wettzell geplanten Hochpräzisionsringlaser (Abbildung 4.5.7). Es ist mit einer Bauzeit einschließlich der Infrastrukturmaßnahmen auf der Fundamentalstation Wettzell von etwa 3 Jahren zu rechnen.

Großringlaser

Abbildung 4.5.7: Konzeption des Großringlasers

Für den lokalen Rotationssensor ist eine unterirdische Aufstellung in einem Tiefenlabor zwingend notwendig (Abbildung 5.4.8). Nur dadurch können

Ein Teil der nötigen methodischen Untersuchungen ist Gegenstand eines im DFG-Paketantrag Rotation der Erde enthaltenen Teilantrages, der die Entwicklung eines Orientierungsmodells für lokale Rotationssensoren beinhaltet und gemeinsam von FESG/TUM, BKG, Uni Tübingen und TU Dresden bearbeitet wird.

Im Zeitraum bis 2005 sind folgende Arbeitsschritte vorgesehen:

Tiefenlabor

Abbildung 4.5.8: Schemazeichnung für das Tiefenlabor

4.5.4 Transportables Integriertes Geodätisches Observatorium TIGO

Forschungsziele mit vorwiegend geodynamischer Zielsetzung müssen sich auf Fundamentalstationen als Basis- oder Referenzstationen einerseits und auf ein breites Spektrum mobiler Messsysteme andererseits stützen können. Die Anzahl und die geographische Verteilung der Basisstationen sind unbefriedigend, vor allem auf der Südhalbkugel. Eine Verbesserung dieser Situation ist durch die Entwicklung und den Bau des Transportablen Integrierten Geodätischen Observatoriums (TIGO) gegeben.

Das Transportable Integrierte Geodätische Observatorium TIGO entspricht in seiner Funktion einer Fundamentalstation, die wie Wettzell Beobachtungsdaten für die Realisierung und Laufendhaltung von Referenzsystemen liefern soll. Derzeit ist TIGO in der Realisierungs- und Erprobungsphase und wird auf der FS-Wettzell betrieben.

TIGO beinhaltet die folgenden Module

Die hardwaremäßigen Maßnahmen sind abgeschlossen. Es sind noch

durchzuführen.

Die Integrationsarbeiten umfassen

Testmessungen werden für alle Messsysteme unter Feldbedingungen durchgeführt. Schwerpunktmäßig sind jedoch Testmessungen notwendig, um die Datenqualität und die Betriebszuverlässigkeit zu sichern. Hier werden insbesondere nach allen getroffenen Maßnahmen weitere

in Kollokation zur FS-Wettzell erforderlich.

Systemverbesserungen sind am

notwendig. Das S-Band muß in der Effizienz noch optimal abgestimmt werden, während das X-Band bereits sehr gut ist.

Im Sommer 1999 wurde eine Ausschreibung veröffentlicht, mit dem Ziel, geeignete Partner für den Feldbetrieb von TIGO zu finden. Es gingen Bewerbungen ein aus Brasilien, Argentinien, Chile, Indien, Indonesien und Philippinen. Nachdem die Stationen erkundet waren und die Institutionen sich schriftlich erklärten, welche Leistungen sie übernehmen könnten, konnte der Einsatzort für TIGO vorentschieden werden. Unter Bewertung der Kriterien

wurde ein Konsortium mehrerer Institutionen an der Universität Concepción und ein geeigneter Standort in Concepción/Chile ausgewählt werden.

Die weiteren Schritte sind nunmehr

Ab dem Jahr 2001 ist der Betrieb von TIGO in Concepción vorgesehen. Dabei sollen die Daten über die internationalen Dienste, insbesondere der Verbesserung des globalen Referenzsystems zugute kommen.

4.5.5 Betrieb der geodätischen Einrichtungen der Beobachtungsstation O'Higgins in der Antarktis

Auf O'Higgins wird eine der beiden am weitesten südlich gelegenen VLBI-Stationen der Welt betrieben (die japanische Antarktisstation Syowa hat Anfang 1998 erstmals erfolgreich VLBI-Daten aufgezeichnet). O'Higgins ist für die Verbindung der weltweit verteilten VLBI-Stationen über die südliche Polkappe und für die Koordinatenbestimmung der auf der südlichen Hemisphäre gelegenen Radioquellen von besonderer Bedeutung. Das zuverlässige Betreiben dieser Station erfordert Fernüberwachung und periodische Personaleinsätze. Die Station wird gemeinsam mit der Deutschen Agentur für Luft- und Raumfahrt e. V. (DLR) betrieben. Die gemeinsam durch die DLR und das BKG genutzten Einrichtungen und Geräte sind:

Durch das BKG werden die geodätischen Messsysteme

betrieben.

Die automatisch arbeitenden Gerätesysteme bedürfen turnusmäßig einer Wartung, Kontrolle und ggf. Reparatur. VLBI-Experimente werden in Verbindung mit den Wartungseinsätzen durch die periodisch zweimal pro Jahr vor Ort tätigen Mitarbeiter durchgeführt. Die Daten der permanent arbeitenden Einheiten werden kontinuierlich zur Fundamentalstation Wettzell für die weitere - international organisierte - Nutzung übertragen.

Zur Kontrolle des Bewegungsverhaltens der VLBI-Station O'Higgins in Bezug auf die Antarktische Halbinsel ist die Einrichtung eines GPS-Überwachungsnetzes mit regionalem Charakter erforderlich. Dieses Netz soll mindestens vier Permanentstationen umfassen (1 GPS-Permanentstation arbeitet bereits auf O'Higgins). Die Standorte sind in Zusammenarbeit mit anderen Stationen im Umfeld der Antarktischen Halbinsel auszuwählen. Der Betrieb der Permanentstationen ist automatisiert auszulegen. Die Datenüber-tragung wird entsprechend den örtlichen Bedingungen und Möglichkeiten (E-mail oder offline) im "Post-Processing"-Moduls realisiert. Die Auswertung der Kontrollmessungen wird durch das BKG erfolgen.

Für die Wartung der geodätischen Technik und für VLBI-Kampagnen sind jährlich zwei Einsätze von zwei Mitarbeitern über jeweils 1,5 - 2 Monate vorgesehen. Die Einsätze werden gemeinsam mit der DLR realisiert und koordiniert. Für die An- und Abreise nach O'Higgins werden logistische Mittel der chilenischen Armee (Flugzeuge und Schiffe) genutzt.

Erforderliche Wartungsarbeiten werden in Verbindung mit den zweimal im Jahr geplanten Einsätzen realisiert. Es ist beabsichtigt, auch das VLBI-Teleskop in O'Higgins auf das MK-IV-Datenerfassungssystem umzurüsten.