Die Erde befindet sich in einem kontinuierlichen Wandel, der aus verschiedenen variierenden dynamischen Prozessen und einwirkenden Kräften resultiert. Die globale Erderwärmung, der Anstieg des Meeresspiegels oder tektonische Verschiebungen sind einige der globalen Phänomene, die diesen Veränderungsprozess sichtbar machen. Um diese Veränderungen besser zu verstehen, deren Ursachen zu analysieren und um geeignete Präventivmaßnahmen abzuleiten, ist ein eindeutiger Raumbezug zwingend notwendig. Der International Terrestrial Reference Frame (ITRF) als globales erdfestes kartesisches Koordinatensystem bildet hierbei die fundamentale Basis für einen eindeutigen Raumbezug, zur Bestimmung von präzisen Satellitenorbits oder zum Detektieren von Verformungen der Erdkruste. Die 2015 verabschiedete Resolution „A global geodetic reference frame for sustainable development“ (A/RES/69/266) der Vereinten Nationen (UN) verdeutlicht den hohen Stellenwert und die Notwendigkeit eines solchen globalen geodätischen Bezugssystems. Das Global Geodetic Observing System (GGOS) wurde 2003 durch die International Association of Geodesy (IAG) gegründet. „Advancing our understanding of the dynamic Earth system by quantifying our planet’s changes in space and time“ lautet die 2011 formulierte Zielsetzung, auf die alle Arbeiten von GGOS ausgerichtet sind, um die metrologische Plattform für sämtliche Erdbeobachtungen zu realisieren. Die Bestimmung eines globalen geodätischen Bezugsrahmens, der weltweit eine Positionsgenauigkeit von 1mm ermöglicht, ist eine der großen Herausforderungen von GGOS. Das Erreichen dieses Ziels setzt neben der technischen Weiterentwicklung und dem infrastrukturellen Ausbau geodätischer Raumverfahren das Identifizieren und Quantifizieren von systematischen Abweichungen sowohl im lokalen als auch im globalen Kontext voraus. Die Bestimmung eines globalen geodätischen Bezugsrahmens erfolgt durch eine kombinierte Auswertung aller geodätischen Raumverfahren. Da diese untereinander nur eine geringe physische Verknüpfung aufweisen, stellen lokal bestimmte Verbindungsvektoren, die auch als Local-Ties bezeichnet werden, eine der wesentlichen Schlüsselkomponenten bei der Kombination dar. Ungenaue, fehlerbehaftete und inaktuelle Local-Ties limitieren die Zuverlässigkeit des globalen geodätischen Bezugssystems. In der vorliegenden Arbeit werden ein Modell sowie verschiedene Lösungsverfahren entwickelt, die eine Verknüpfung der geometrischen Referenzpunkte von Radioteleskopen bzw. Laserteleskopen mit anderen geodätischen Raumverfahren durch prozessbegleitende lokale terrestrische Messungen erlauben. Während Radioteleskope zur Interferometrie auf langen Basislinien (VLBI) verwendet werden, ermöglichen Laserteleskope Entfernungsmessungen zu Erdsatelliten (SLR) oder zum Mond (LLR). Die Bestimmung des geometrischen Referenzpunktes von Laser- und Radioteleskopen ist messtechnisch herausfordernd und erfordert eine indirekte Bestimmungsmethode. Bestehende geometrische Methoden sind entweder auf eine bestimmte Teleskopkonstruktion beschränkt oder erfordern ein spezielles Messkonzept, welches ein gezieltes Verfahren des Teleskops voraussetzt. Die in dieser Arbeit hergeleitete Methode weist keine konstruktionsbedingten Restriktionen auf und erfüllt zusätzlich alle Kriterien der durch das GGOS angeregten prozessintegrierten in-situ Referenzpunktbestimmung. Hierdurch wird es möglich, den Referenzpunkt kontinuierlich und automatisiert zu bestimmen bzw. zu überwachen. Um die Zuverlässigkeit von VLBI-Daten zu erhöhen und um die Zielsetzung von 1mm Positionsgenauigkeit im globalen Kontext zu erreichen, wird das bestehende VLBI-Netz gegenwärtig durch zusätzliche Radioteleskope unter dem Namen VLBI2010 Global Observing System (VGOS) erweitert. Die hierbei entstehenden VGOS-Radioteleskope zeichnen sich u. a. durch eine sehr kompakte Bauweise und hohe Rotationsgeschwindigkeiten aus. Weitgehend ununtersucht ist das Eigenverformungsverhalten dieser Teleskope. Während für konventionelle Radioteleskope bspw. Signalwegänderungen von z. T. mehreren Zentimetern dokumentiert sind, existieren nur wenige vergleichbare Studien für VGOS-Radioteleskope. Hauptgründe sind zum einen die erhöhten Genauigkeitsanforderungen und zum anderen fehlende Modelle zur Beschreibung der Reflektorgeometrien, wodurch eine direkte Übertragung bisheriger Mess- und Analyseverfahren erschwert wird. In dieser Arbeit werden für VGOS-spezifizierte Radioteleskope Modelle erarbeitet, die eine geometrische Beschreibung der Form des Haupt- und Subreflektors ermöglichen. Basierend auf diesen Modellen lassen sich u. a. Änderungen der Brennweite oder Variationen der Strahllänge infolge von lastfallabhängigen Deformationen geometrisch modellieren. Hierdurch ist es möglich, wesentliche Einflussfaktoren zu quantifizieren, die eine Variation des Signalweges hervorrufen und unkompensiert vor allem zu einer systematischen Verfälschung der vertikalen Komponente der Stationskoordinate führen. Die Wahl eines geeigneten Schätzverfahrens, um unbekannte Modellparameter aus überschüssigen Beobachtungen abzuleiten, wird häufig als trivial und gelöst angesehen. Im Rahmen dieser Arbeit wird gezeigt, dass neben messprozessbedingten systematischen Abweichungen auch systematische Abweichungen durch das gewählte Schätzverfahren entstehen können. So resultieren aus der Anwendung eines Schätzverfahrens, welches ausschließlich in linearen Modellen Gültigkeit besitzt, i.A. keine erwartungstreuen Schätzwerte bei nichtlinearen Problemstellungen. Insbesondere in der Formanalyse des Hauptreflektors eines VLBI-Radioteleskops zeigt sich, dass die resultierenden Schätzwerte verzerrt sind, und diese Verzerrungen Größenordnungen erreichen, die als kritisch zu bewerten sind.


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    Title :

    Modellbildungen zur Signalweg- und in-situ Referenzpunktbestimmung von VLBI-Radioteleskopen


    Additional title:

    Modelling for signal path and in-situ reference point determination of VLBI radio telescopes


    Contributors:

    Publication date :

    2021



    Type of media :

    Miscellaneous


    Type of material :

    Electronic Resource


    Language :

    German



    Classification :

    DDC:    629