Erdmessung und Satellitengeodäsie (eBook)

Professor Dr. Reiner Rummel studierte Vermessungswesen an der Technischen Hochschule München. Er wurde 1980 auf eine Professur für Physikalische Geodäsie an die Technische Universität Delft berufen. Von 1993 bis 2009 war er Inhaber des Lehrstuhls für Astronomische und Physikalische Geodäsie der Technischen Universität München.Professor Dr. Willi Freeden studierte Mathematik und Geographie an der RWTH Aachen. Dort habilitierte er sich 1980 mit einer Arbeit aus der Mathematischen Geodäsie. Er war Gastprofessor am Geodetic Department der Ohio State University, Columbus, Ohio. Seit 1994 leitet er in Kaiserslautern die Arbeitsgruppe Geomathematik.

Vorwort der Gesamtherausgeber 6
Vorwort zum Band Erdmessung und Satellitengeodäsie 8
Inhaltsverzeichnis 10
Autorenverzeichnis 12
1 Geschichte der Erdmessung 15
1 Einleitung 16
2 Das Weltbild der Antike – der Beginn der Erdmessung 17
3 Vom Mittelalter zur frühen Neuzeit – die Erdkugel wird wieder entdeckt 24
4 Gravitationsgesetz und Gradmessungen – das Rotationsellipsoid als Erdmodell 31
5 Landesvermessung und Erdmessung – das Geoid als ,,mathematische Erdfigur`` 41
6 Internationale Zusammenarbeit – die ,,International Association of Geodesy`` 51
7 Elektronik und künstliche Erdsatelliten – das geodätische Weltsystem entsteht 64
Literatur 79
2 Signalverarbeitung in der Physikalischen Geodasie 86
1 Einleitung 87
2 Stochastische Prozesse 89
2.1 Regelmäßig abgetasteter kovarianzstationärer Prozess 92
3 Kollokation 93
3.1 Parameterschätzung im Kollokationsmodell 97
3.2 Signalschätzung im Kollokationsmodell 106
3.3 Schätzung für das Gesamtmodell: Trend und Signal 113
4 Modellierung von Kovarianzen 114
4.1 Kovarianzfunktion 115
4.2 Finite Kovarianzfunktionen 119
4.3 Diskreter kovarianzstationärer Prozess 124
4.4 Dekorrelationsfilter 130
5 Fazit und Ausblick 132
Literatur 132
3 Molodenski quo vadis? 135
1 Einleitung: Historischer Abriss 136
2 Das klassische Geodätische Randwertproblem nach Molodenski 140
2.1 Grundlegende Voraussetzungen und Annahmen 141
2.1.1 Schwerefeld 141
2.1.2 Koordinatensysteme 142
2.1.3 Randwerte 144
2.1.4 Unbekannte 145
2.2 Approximative analytische Lösung des GRWP nach Molodenski 146
3 Implementierung der Lösung des Molodenski-Problems im Hinblick auf praktische Anwendungen 152
4 Das fixe Geodätische Randwertproblem 156
4.1 Formulierung und analytische Lösung des fixen GRWP 157
4.2 Anwendung des fixen GRWP auf die Höhenbestimmung 159
5 Ausblick 160
Literatur 162
4 Bahn- und Gravitationsfeldbestimmung aus den Positionen tief fliegender Satelliten 167
1 Einleitung und Übersicht 169
1.1 Darstellung des Gravitationsfeldes der Erde 169
1.2 Die ersten drei Gravitationsfeldmissionen in der GNSS-Ära 171
1.3 Bestimmung des Gravitationsfeldes der Erde 174
2 Parameterbestimmungsaufgaben in der Satellitengeodäsie 178
3 Mathematische Prinzipien der Gravitationsfeldbestimmung 180
3.1 Linearisierung der Aufgabe 181
3.2 Die Bewegungsgleichungen 182
3.3 Kurze Bögen und empirische Parameter 184
3.4 Variationsgleichungen 185
4 Beobachtungsgleichungen 187
5 Die Bahnen und Uhrkorrekturen der GNSS-Satelliten 193
5.1 Genauigkeit der Bahnen 194
5.2 Polbewegung und Tageslänge 195
5.3 Das terrestrische Netz 198
5.4 Die Ionosphäre der Erde 199
6 Bahnbestimmung mit Hilfe von GNSS-Empfängern auf tief fliegenden Satelliten 202
7 Gravitationsfeldbestimmung mit Hilfe von GNSS-Empfängern auf tief fliegenden Satelliten 207
8 Gravitationsfeldbestimmung mit GNSS und Distanzmessungen zwischenSatelliten 214
9 SLR für Gravitationsfeldbestimmung und zur Validierung von GNSS-Bahnen 221
10 Fazit und Ausblick 222
Literatur 225
5 Globale Schwerefeldmodellierung am Beispiel von GOCE 228
1 Einleitung 229
1.1 Globale Schwerefeldmodellierung: Funktionales Modell 229
1.2 Eingangsdaten und Modelltypen 231
2 Globale Schwerefeldmodellierung aus GOCE-Daten 235
2.1 Die GOCE-Schwerefeldmission 235
2.2 GOCE-Prozessierungskette 236
2.2.1 Eingangsdaten 238
2.2.2 Daten-Vorprozessierung 238
2.2.3 Beobachtungs- und Normalgleichungen: funktionales Modell 239
2.2.4 Stochastische Modellierung 242
2.2.5 Aufstellen der Normalgleichungen und Lösung 246
2.2.6 Residuenanalyse 247
2.2.7 Validation 248
2.3 Methodischer Vergleich mit anderen GOCE-Modellen 249
2.4 GOCE-Schwerefeldmodellierung: Ergebnisse 251
2.5 Externe Validierung 256
2.6 Diskussion und Ausblick 259
3 Fazit 263
Literatur 264
6 Topographische Modellierung des Gravitationsfeldes 269
1 Einleitung 270
2 Aufstellung von Massenmodellen – Massendichte, Topographie und Isostasie 273
2.1 Massendichten 274
2.2 Globale Topographie- und Lithospärenmodelle 276
2.3 Isostasie 278
3 Methodik der Vorwärtsmodellierung 278
3.1 Topographische Modellierung im Raumbereich 279
3.2 Topographische Modellierung im Spektralbereich 281
3.3 Bewertung und Vergleich 284
4 Anwendungsbeispiele und aktuelle Resultate topographischer Modellierungen 285
4.1 Glättung von Schwerefeldinformation im Alpenraum 286
4.1.1 Lokales Beispiel: Lotabweichungen in Bayern 286
4.1.2 Regionales Beispiel: Schwerewerte in der Schweiz 287
4.2 Topographische Bewertung von GOCE-Schwerefeldmodellen 289
4.3 Spektrale Betrachtung von Mond- und Erdschwerefeld 291
4.4 Globale Bouguer-Schwerekarten für Erde und Mond 293
4.5 Ultrahochaufgelöste Schwerefeldmodellierung 295
5 Zusammenfassung und zukünftige Herausforderungen 299
5.1 Herausforderungen in der Massenmodellierung 299
5.2 Herausforderungen in der Vorwärtsmodellierung 300
Literatur 301
7 Erdrotation 305
1 Bezugssysteme der Erdorientierung 306
2 Polbewegung 311
3 Tageslängenvariation 312
4 Physikalisches Modell der Erdrotation 314
5 Lösung der Euler-Liouville-Gleichung 316
6 Zusammenhang zwischen modellierten und beobachteten Erdrotationsvariationen 318
7 Interpretation der Signale in den Erdrotationsgrößen 321
Literatur 329
8 Geometrische Referenzsysteme 334
1 Einleitung 335
2 Weltraumgestützte Beobachtungsverfahren für die Realisierung von Referenzsystemen 337
2.1 Interferometrie auf sehr langen Basislinien (Very Long Basline Interferometry, VLBI) 338
2.2 Laserentfernungsmessungen zu Satelliten (Satellite Laser Ranging, SLR) 339
2.3 Globales Satellitennavigationssystem (Global Navigation Satellite System, GNSS) 341
2.4 Satellitengestütztes Dopplermessverfahren DORIS (Doppler Orbitography and Radiopositioning Integrated by Satellite) 342
3 Das Internationale Terrestrische Referenzsystem (ITRS) 344
3.1 Definition und Realisierung des ITRS 344
3.2 Verdichtung des Internationalen Terrestrischen Referenzrahmens (ITRF) 349
4 Das Internationale Zälestische Referenzsystem (ICRS) 352
4.1 Definition und Realisierung des ICRS 352
5 Transformation zwischen ITRS und ICRS 353
6 Schlussbemerkungen 354
Literatur 355
9 Hohensysteme der nachsten Generation 358
1 Einleitung 359
2 Der Höhenbegriff in der Geodäsie 361
2.1 Natürliche Koordinaten und vertikale Bezugssysteme 361
2.2 Bestimmung von Potenzialdifferenzen durch Nivellement 363
2.3 Bestimmung von Potenzialwerten durch Lösung der Geodätischen Randwertaufgabe 363
2.4 Physikalische Höhen und GNSS-Nivellement 367
2.5 Geoid, Meerestopographie und Datumsfestlegung 370
3 Nivellementbasierte Höhensysteme – Historische Entwicklung und Defizite 371
3.1 Historische Entwicklung in Europa 371
3.2 Begrenzende Faktoren 375
4 Geoidbasierte Höhensysteme – Moderner Ansatz für ein Welthöhensystem 376
4.1 Methodik zur Realisierung eines Welthöhensystems 378
4.2 Standards und Definitionen im Welthöhensystem 381
4.2.1 Geometrische und gravimetrische Bezugssysteme 382
4.2.2 Permanente Gezeiten 386
4.2.3 Zeitvariable Effekte 387
4.2.4 Datumsfestlegung 392
4.3 Validierung von Höhensystemen 394
5 Geoidbasierte Höhensysteme – Fallbeispiele 398
5.1 Globale Höhensystemvereinigung 398
5.2 Modernisierung des nordamerikanischen Höhendatums 400
6 Fazit 402
Literatur 403
10 Globales Geodatisches Beobachtungssystem 410
1 Einleitung 411
2 Motivation und bisherige Entwicklung 412
3 GGOS als Beobachtungssystem 416
4 GGOS als Organisation 423
5 Strategische Ausrichtung, Nutzen und Anwendung von GGOS 425
6 Fazit 428
Literatur 429
11 Neue Sensorik fur die Schwerefeldbestimmung und relativistische Geodasie 431
1 Einleitung 432
2 Entwicklungen in der Quantenmetrologie 433
3 Laserinterferometrie für die Satellitengravimetrie 435
4 Atomare Schweresensoren 441
5 Uhren in Netzwerken für die relativistische Geodäsie 444
6 Ausblick 448
Literatur 448
12 Zukunft der globalen Geodasie und Fernerkundung aus Sicht des Deutschen GeoForschungsZentrum (GFZ), Potsdam 451
1 Gesellschaftliche Herausforderungen 452
2 Zentrale Forschungsthemen 454
2.1 Erdoberfläche 454
2.2 Atmosphäre 456
2.3 Ozeane 458
2.4 Feste Erde 459
3 Sensoren 461
3.1 Multi-/Hyperspektralinstrumente 461
3.2 Mikrowellensysteme 464
3.2.1 Radar 464
3.2.2 GNSS 465
3.2.3 VLBI 467
3.2.4 DORIS 469
3.3 Laser 470
3.4 Uhren und Zeitsysteme 471
3.5 Gravimetrie 472
4 Beobachtungsinfrastruktur 474
4.1 Observatorien und Netzwerke 475
4.2 Flugplattformen 476
4.3 Marine Plattformen 478
4.4 Satelliten 478
5 Informationsinfrastruktur 481
5.1 Informationsübertragung und Kommunikation 482
5.2 Rechentechnik 483
5.3 Archivierung und Datenbereitstellung 484
6 Auswertemethoden 485
6.1 Fernerkundung 486
6.2 GNSS 487
6.3 VLBI 489
6.4 Gravimetrie 490
6.5 Terrestrischer Referenzrahmen 490
6.6 Korrektionsmodelle 492
7 Numerische Modellierung dynamischer Prozesse im System Erde 492
8 Transfer in die Gesellschaft 494
Literatur 495
Sachverzeichnis 506