DTRF2014: Die aktuelle Realisierung des Internationalen Terrestrischen Referenzsystems (ITRS) des DGFI-TUM

Die Realisierung globaler und regionaler terrestrischer Referenzsysteme ist seit vielen Jahrzehnten einer der Schwerpunktbereiche des DGFI-TUM. Das Institut ist im Rahmen dieser Arbeiten international intensiv vernetzt und nimmt eine Schlüsselposition bei der Realisierung des fundamentalen erdfesten Koordinatensystems ITRS (International Terrestrial Reference System) ein.

Ein Referenzrahmen (engl.: reference frame) ist die Realisierung eines theoretisch definierten Koordinatensystems (engl.: reference system) in Form von fest vermarkten Punkten an der Erdoberfläche und zugehörigen Koordinaten. Aufgrund von physikalischen Prozessen im Erdsystem sind die Beobachtungsstationen auf der Erdoberfläche ständig in Bewegung (z.B. aufgrund der Plattentektonik). Deshalb beinhaltet ein Referenzrahmen üblicherweise mittlere 3D-Koordinaten der Stationen und ihre linearen Veränderungen/Bewegungen über einen langen Zeitraum hinweg.

DTRF2014 - Positionen und horizontale Geschwindigkeiten global verteilter geodätischer Beobachtungsstationen

Relevanz und internationale Kooperation

In seiner Rolle als “ITRS Combination Center” im Rahmen des Internationalen Erdrotations- und Referenzsystemdienstes (IERS) hat das DGFI-TUM Verantwortung für die kontinuierliche Berechnung des ITRF (International Terrestrial Reference Frame – Internationaler Terrestrischer Referenzrahmen) übernommen. Der ITRF ist die Realisierung des fundamentalen erdfesten Koordinatensystems mit bestmöglicher Genauigkeit und Langzeitstabilität. Der ITRF ist die Voraussetzung für viele Anwendungen des täglichen Lebens (z.B. für alle Arten der Navigation und Positionierung, für die Realisierung von Höhensystemen und genauen Zeitsystemen oder für die Berechnung von Raketen- und Satellitenbahnen). Außerdem bildet er das Rückgrat für die Erforschung des Erdsystems, indem er die metrologische Basis für eine einheitliche Referenzierung von Abläufen und Veränderungsprozessen z.B. im Kontext des globalen Wandels bildet. Um die Aktualität und hohe Genauigkeit dauerhaft gewährleisten zu können, muss der ITRF im Abstand von wenigen Jahren immer wieder neu berechnet werden.

Die Internationale Assoziation für Geodäsie (International Association of Geodesy, IAG) formuliert als Anforderung für künftige Realisierungen des ITRS eine Genauigkeit von 1 mm (!) in der Position aller auf der Erdoberfläche vermarkter Beobachtungsstationen bzw. 0.1 mm/Jahr für die Beschreibung ihrer linearen Bewegung. Angesichts der vielen Fehlereinflüsse (z.B. atmosphärisch bedingte Signalstörungen der Beobachtungsverfahren, nicht-lineare Bewegungen der Beobachtungsstationen aufgrund von geodynamischen Prozessen [z.B. Gezeitendeformation des Erdkörpers innerhalb weniger Stunden, jahreszeitlich bedingte Landhebung/Senkung um mehrere cm durch Tief-/Hochdruckgebiete, Verformung von Teleskopen durch Sonneneinstrahlung]) ist das eine gewaltige Herausforderung. Die geforderte Genauigkeit kann derzeit noch nicht erreicht werden: Die aktuellen Realisierungen des ITRS liegen hinsichtlich ihrer Genauigkeit im Bereich von ca. 5 mm für die Position und 1 mm/Jahr für die lineare Bewegung. Die von der IAG angestrebte weitere Steigerung der Genauigkeiten wird benötigt, um auch die sehr kleinen Signaturen des globalen Wandels verlässlich über lange Zeiträume hinweg feststellen zu können. Ein Beispiel hierfür ist der Meeresspiegelanstieg von nur wenigen mm pro Jahr: Diesen kann man nicht verlässlich messen, wenn der Referenzrahmen nicht über lange Zeit hinweg stabil und hochgenau ist. Aktuelle Angaben zum Meeresspiegelanstieg schwanken noch zwischen 2,9 und 3,4 mm pro Jahr, also um nahezu 20%! In einem vielbeachteten Review-Artikel zu den derzeitigen Grenzen der Bestimmung des Meeresspiegelanstiegs schreiben Kollegen aus Frankreich: „The major limitation is the realization of the terrestrial reference frame. Ideally, to be useful in long-term sea level studies, vertical land motion should be determined with standard errors that are 1 order of magnitude lower than the contemporary climate signals of 1-3 mm/year observed on average in sea level records” (Wöppelmann & Marcos, Reviews of Geophysics, doi:10.1002/2015RG000502, 2016). Das DGFI-TUM widmet sich in intensiven Forschungsarbeiten in Kooperation mit weiteren Partnern der Herausforderung, die Genauigkeiten und die Konsistenz der Referenzrahmen weiter zu steigern.  

Die aktuellste Version der vom DGFI-TUM berechneten Realisierung des ITRS trägt den Namen DTRF2014. Da aktuell nur drei Institutionen weltweit in der Lage sind, die anspruchsvollen Berechnungen durchzuführen und hochqualitative Lösungen zu berechnen, gibt es dementsprechend auch nur drei Realisierungen des ITRS. Eine davon entspricht jedoch konzeptionell nicht der Definition des ITRS und ist somit nicht direkt vergleichbar. Eine zweite vergleichbare Realisierung wird vom IGN in Paris (Institut national de l'information géographique et forestière) berechnet. Sie trägt den Namen ITRF2014. Zwei Lösungen sind im Sinne der Redundanz (z.B. für die Aufdeckung eventueller Unstimmigkeiten bzw. systematischer Fehler) das absolute Minimum. Dementsprechend sind diese Arbeiten des DGFI-TUM unverzichtbar und haben international ein entsprechendes Gewicht.

Die Verfügbarkeit eines hochgenauen und langzeitstabilen globalen Referenzsystems als Grundvoraussetzung für die vielen oben genannten Anwendungen wird auch an höchsten politischen Stellen erkannt. Aktuell wird international an der Implementierung einer UN Resolution gearbeitet, um einen „Globalen Geodätischen Referenzrahmen“ (Global Geodetic Reference Frame, GGRF) unter UN-Mandat zu etablieren (www.unggrf.org). An aktuellen Beiträgen der IAG zur Diskussion der Definition des GGRF ist auch das DGFI-TUM gemeinsam mit Partnern der Forschungsgruppe Satellitengeodäsie (FGS) beteiligt.

DTRF2014 - Konzept und Methodik der Berechnung

Der DTRF2014 besteht aus 1712 weltweit verteilten Beobachtungsstationen, für die Koordinaten und Bewegungsraten (d.h. Koordinatenänderungen in drei Dimensionen) bestimmt wurden.

Es werden vier unterschiedliche geodätische Beobachtungsverfahren miteinander kombiniert: 

  • Globale Satellitennavigationssysteme (GNSS; Global Navigation Satellite Systems)
  • Laserentfernungsmessungen zu Satelliten (SLR; Satellite Laser Ranging)
  • Doppler-Messungen zu Satelliten (DORIS; Doppler Orbitography and Radiopositioning Integrated by Satellite)
  • Interferometrie auf sehr langen Basislinien (VLBI; Very Long Baseline Interferometry)

Für den DTRF2014 wurden Beobachtungen zwischen 1980 und Anfang 2015 verwendet (die Jahreszahl in der DTRF-Bezeichnung gibt an, bis zu welchem Jahr die Beobachtungsdaten noch komplett in die Berechnung eingeflossen sind). Während des Jahres 2015 fanden an vielen beteiligten Institutionen zunächst Arbeiten zur Vorprozessierung der Beobachtungen statt. Dies wird getrennt für die vier Beobachtungsverfahren durchgeführt. Am DGFI-TUM wurden anschließend diese vorprozessierten Daten der einzelnen Verfahren zu einem gemeinsamen umfassenden und konsistenten Referenzrahmen kombiniert (daher die o.g. Bezeichnung „ITRS Combination Center“). Dabei besteht die Herausforderung, die vier Beobachtungsverfahren optimal miteinander zu verknüpfen, so dass die unterschiedlichen Beiträge und Sensitivitäten der vier Verfahren für unterschiedliche Parameter (z.B. Realisierung des Koordinatenursprungs im Geozentrum, Orientierung der Koordinatenachsen, Festlegung des Netzmaßstabs, Anbindung an das durch Radio-Sterne realisierte himmelsfeste Koordinatensystem und Ableitung von Erdrotationsparametern) bestmöglich ausgenutzt werden können. Für die Kombination spielen Beobachtungsstationen, auf denen mehrere dieser Verfahren parallel betrieben werden (z.B. das von der TUM mitbetriebene Geodätische Observatorium Wettzell), eine fundamentale Rolle (daher werden solche Stationen auch als „Fundamentalstation“ bezeichnet).

DTRF2014 - Analyse der Signale

Jeder Pfeil in den hier gezeigten Abbildungen gehört zu einer Beobachtungsstation, die Farben stehen für die vier oben genannten Beobachtungsverfahren. Die Pfeile zeigen die Richtung der linearen Bewegungen an, die Länge der Pfeile ist abhängig von der Bewegungsgeschwindigkeit (mm/Jahr). An den horizontalen und vertikalen Bewegungsraten kann man eine Reihe von geophysikalischen Prozessen erkennen.

Plattentektonik

DTRF2014 – Horizontales Geschwindigkeitsfeld für Europa

Der größte Effekt, der im globalen Geschwindigkeitsfeld zu erkennen ist, ist die Drift der tektonischen Platten. Dabei bewegen sich Referenzpunkte auf einigen Inseln mit bis zu 7-8 Zentimeter pro Jahr. Ein Zoom auf Europa zeigt größtenteils eine relativ einheitliche Bewegung der Referenzpunkte. Jedoch bewegt sich beispielsweise der griechische Raum anders als der Rest Europas, da hier eine sogenannte Deformationszone vorliegt. Deformationszonen sind Bereiche auf der Erdkruste, die nicht zu einer tektonischen Platte (in diesem Fall zur Eurasischen Platte) gehören und somit andere horizontale Bewegungen aufweisen. In Island ist erkennbar, dass sich die Referenzpunkte an der Ostküste nach Nordosten bewegen, wohingegen die Referenzpunkte an der Westküste sich nach Nordwesten bewegen. Dieses Phänomen wird durch die unterschiedliche Bewegung der Nordamerikanischen und der Eurasischen Platte hervorgerufen, deren Grenze durch Island verläuft.

Das von der TUM mitbetriebene Geodätische Observatorium Wettzell ist in der obigen Abbildung mit einem schwarzen Stern gekennzeichnet.

Postglaziale Landhebung

DTRF2014 – postglaziale Landhebung in Grönland und Skandinavien

Das Gebiet von Grönland, Skandinavien und Kanada lag während der letzten Eiszeit unter einer massiven Eisdecke. Diese drückte die Erdkruste für viele 1000 Jahre mit ihrem Gewicht nach unten. Auch wenn das Eis in weiten Teilen längst geschmolzen ist, besteht immer noch eine Ausgleichsbewegung („postglaziale Landhebung“) der Erdkruste. Sie hebt sich in diesem Bereich nach wie vor um teilweise mehrere Zentimeter pro Jahr, was sich in den vertikalen Bewegungen der Beobachtungsstationen des DTRF2014 klar widerspiegelt.

Erdbeben

DTRF2014 – Änderung des horizontalen Geschwindigkeitsfeldes in Südamerika nach dem Erdbeben in Maule/Chile am 27.02.2010

Nach großen Erdbeben kann es zu Änderungen der Bewegung (Richtung und Geschwindigkeit) von Referenzpunkten vor allem im Bereich der Plattengrenzen (aber auch innerhalb einer Platte) kommen, die ebenfalls im DTRF2014 sichtbar sind. Vor dem Erdbeben in Maule/Chile am 27.02.2010 bewegten sich die Referenzpunkte in Chile stark nach Nordosten. Nach dem Erdbeben verläuft ihre Bewegung, dominiert durch eine Relaxationsbewegung der während des Bebens sprunghaft versetzten Erdkruste, überwiegend nach Nordwesten. Die Koordinatenwerte änderten sich bei diesem Beben abrupt um bis zu 3 m.

Nach einem solchen Erdbeben ist ein Referenzrahmen in der betroffenen Region vollkommen unbrauchbar - es stimmen weder Positionen noch Bewegungen der Stationen. Unter anderem ist dies einer der Gründe, warum globale und regionale Referenzrahmen immer wieder aktualisiert und neu berechnet werden müssen.

Unterschied zwischen den ITRS-Realisierungen DTRF2014 und DTRF2008: Die Auswirkungen der starken Erdbeben in Chile (2010) und Japan (2011) auf die Bewegungsrichtungen der Stationen in den betroffenen Gebieten sind deutlich erkennbar.

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