Auf den Millimeter genau
Geodätisches Referenzsystem für eine Positionsbestimmung mit extrem hoher Genauigkeit.
Um wie viele Millimeter steigt der Meeresspiegel? Wie schnell bewegen sich Kontinente? Wie stark beeinflussen Hoch- und Tiefdruckgebiete die Höhe der Landmassen? Um diese Fragen beantworten zu können, werden an mehr als 1700 Messpunkten weltweit rund um die Uhr Daten gesammelt. Forscher der Technischen Universität München TUM werten diese aus. Ihre neue Realisierung des globalen Referenzsystems, die jetzt veröffentlicht wurde, ist so genau, dass man sogar jahreszeitliche Variationen damit aufspüren kann.
Abb.: Vier verschiedene Messsysteme (dargestellt in unterschiedlichen Farben) zeigen an, wohin und wie schnell die Kontinente wandern. (Bild: DGFI-TUM)
Immer wissen, wo man ist – dank Smartphone heute kein Problem mehr. Die eingebaute GPS-Funktion errechnet sogar in abgelegenen Bergtälern den exakten Standort. Die Informationen dafür liefern Satelliten, die per Mikrowellenstrahlung ihre Position zur Erde funken. Doch woher wissen die Satelliten, wo sie sind? „Die ganz alltägliche Standortbestimmung wäre nicht möglich ohne ein hochkomplexes Referenzsystem, das immer wieder aktualisiert werden muss“, antwortet Florian Seitz, Direktor des Deutschen Geodätischen Forschungsinstituts der TUM. Sein Team hat soeben den DTRF2014 veröffentlicht – die neue Realisierung des Internationalen Terrestrischen Referenzsystems.
Die Aktualisierung ist nötig, weil die Erde im Wandel ist. Mit 6,9 Zentimetern pro Jahr rückt beispielsweise Australien nach Nordosten und um 7,1 Zentimeter pro Jahr schiebt sich Hawaii nach Nordwesten. Europa und Amerika driften auseinander, die skandinavischen Länder, auf denen einst Eispanzer gelegen haben, heben sich. „Um diese Bewegungen exakt messen zu können, braucht man ein stets hochgenaues Bezugssystem über viele Jahrzehnte hinweg. Dabei müssen viele dynamische Prozesse berücksichtigt werden, beispielsweise die ungleichmäßige Rotationsgeschwindigkeit der Erde“, sagt Seitz.
Doch wie schafft man ein allgemein gültiges Bezugsystem, wenn nichts bleibt, wie es ist? Die Geodäten haben hierfür ein Netz aus weltweit 1712 Messstationen aufgebaut. Eine der am besten ausgestatteten ist das Geodätische Observatorium Wettzell, das von der TUM mitbetrieben wird. Auf dem Gelände stehen drei Radioteleskope für Very Long Baseline Interferometry (VLBI), die Radiowellen empfangen, welche von Quasaren ausgesandt werden. Die Messungen erlauben Rückschlüsse auf Veränderungen der Position unseres Planeten im All. Außerdem ermitteln zwei Satellite Laser Ranging (SLR)-Systeme mit Hilfe starker Laserstrahlen den Abstand zu Satelliten, die das Laserlicht reflektieren.
Auf diese Weise lassen sich feinste Verschiebungen der Bodenstation dokumentierten. Ergänzt werden diese Messungen durch mehrere Bodenstationen des Global Navigation Satellite System (GNSS), die Daten von GPS, Galileo und GLONASS empfangen. Die drei Beobachtungsverfahren VLBI, SLR und GNSS bilden die Grundlage der Berechnungen des DTRF2014. Dazu kommt noch das Doppler-System DORIS, die Abkürzung steht für Doppler Orbitography and Radiopositioning Integrated by Satellite.
„Durch die Kombination der verschiedenen Messungen können wir genau berechnen, mit welcher Geschwindigkeit sich der Standort Wettzell bewegt“, sagt TUM-Forscher Mathis Bloßfeld. Mit 25,4 Millimeter pro Jahr wandert Wettzell nach Nordost. Zusammen mit seinen Kollegen hat der Ingenieur auch die Bewegung der übrigen global verteilten Messpunkte ermittelt. Komplexe, eigens für diesen Zweck entwickelte Algorithmen helfen dabei. „Der Prozess lässt sich aber nicht vollständig automatisieren“, erläutert Seitz: „Sprunghafte Positionsveränderungen, die beispielsweise durch die Erdbeben in Chile 2010 oder Japan 2011 ausgelöst wurden, müssen bereinigt werden, um keine falschen Rückschlüsse auf künftige Bewegungen zu ziehen.“ Durch sorgfältige Analyse konnten die TUM-Forscher jetzt feinste, jahreszeitliche Variationen im Millimeterbereich in den Koordinaten abbilden. Diese Variationen entstehen, wenn lang anhaltende Hochdruckgebiete die Landmassen zusammendrücken oder Tiefdruckgebiete diese entlasten.
Die neue Realisierung des Internationalen Terrestrischen Referenzsystems DTRF2014, die die Geodäten an der TUM im Auftrag des Internationalen Erdrotations- und Referenzsystemdienstes erstellt haben, wird in der Fachwelt schon ungeduldig erwartet. Der Datensatz zeigt, mit welcher Geschwindigkeit und Richtung sich die Messpunkte in den vergangenen Jahren bewegt haben. Auf dieser Grundlage lässt sich berechnen, wo die Punkte in einigen Monaten oder Jahren liegen werden.
Interessant sind die Ergebnisse für Geowissenschaftler, die mit Hilfe der Daten die Bewegung der Erdkruste exakt nachvollziehen und Rückschlüsse ziehen können auf die Dynamik in Erdinneren. Und die Geodäten benötigen das hochgenaue globale Koordinatensystem für die Bestimmung des globalen Meeresspiegelanstiegs – auf Millimeter genau. „Vor allem aber schafft das System eine neue Grundlage für die Positionierung von Satelliten und verbessert somit die Genauigkeit aller satellitengestützen Navigationssysteme“, sagt Seitz.
TUM / JOL
