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A. Wieser (Hrsg.) Ingenieurvermessung 2014 Herbert Wichmann Verlag 335
Untersuchung zur automatisierten Bestimmung
des IVS-Referenzpunktes am
TWIN Radioteleskop Wettzell
Michael LÖSLER, Torsten LOSSIN, Alexander NEIDHARDT und Rüdiger LEHMANN
1 Einleitung
Die Verknüpfung von geodätischen Raumtechniken wie GNSS (Global Navigation Satellite
System), DORIS (Doppler Orbitography and Radiopositioning Integrated by Satellite),
SLR (Satellite Laser Ranging) oder VLBI (Very Long Baseline Interferometry) zur Ablei-
tung eines Referenzrahmens wie dem ITRF gelingt erst durch sogenannte Kolokationssta-
tionen (z. B. ALTAMIMI et al. 2011). Hierbei handel es sich um Forschungseinrichtungen,
an denen mindestens zwei der o. g. Raumtechniken betrieben werden, sodass diese Statio-
nen eine besondere Rolle im Global Geodetic Observing System (GGOS) spielen (vgl.
PLAG & PEARLMAN 2009). Die geometrischen Beziehungen zwischen den betriebenen
Raumtechniken (engl. Local Tie) sind dabei aus präzisen lokalen Vermessungen abzuleiten.
Durch die Genauigkeitsanforderung von unter 1 mm für den räumlichen Verbindungsvektor
und 0,1 mm/a für dessen Variationen sind die messtechnischen Anforderungen sehr hoch
(ROTHACHER et al. 2009). Aufgrund des zeitlichen und personellen Aufwands bei der Be-
stimmung der Referenzpunkte wurden Vermessungskampagnen bisher nur periodisch in
jährlichen oder größeren Zyklen wiederholt (z. B. KLÜGEL et al. 2011, SARTI et al. 2013).
Abrupte Veränderungen und saisonale Variationen können somit nur bedingt detektiert
werden. Das GGOS regt daher folgerichtig eine automatisierte und permanente Überwa-
chung der Referenzpunkte an (ROTHACHER et al. 2009).
Grundsätzlich ist zwischen dem elektronischen und dem geometrischen Referenzpunkt zu
unterscheiden. Während der elektronische Referenzpunkt das Phasenzentrum des aufge-
zeichneten Signals beschreibt und z. B. in Abhängigkeit des Signaleintrittswinkels variiert,
definiert der geometrische Referenzpunkt den ortsfesten Bezugspunkt der jeweiligen Raum-
technik. Raum-geodätische Beobachtungen sind daher durch geeignete Korrekturen auf den
geometrischen Referenzpunkt zu reduzieren. Gegenüber anderen Raumtechniken stellt die
Bestimmung der geometrischen Referenzpunkte von VLBI-Radioteleskopen eine große
Herausforderung für die Metrologie dar, da diese Punkte i. Allg. unzugänglich und nicht
direkt visierbar sind. Der Internationale VLBI Service für Geodäsie und Astrometrie (IVS)
definiert den Referenzpunkt als Schnittpunkt zwischen der primären und der sekundären
Achse. Schneiden sich beide Achsen konstruktionsbedingt nicht, so ist der Referenzpunkt
als die senkrechte Projektion der Sekundärachse auf die Primärachse definiert (NOTH-
NAGEL 2009). Der so definierte Punkt ist somit unabhängig von der Orientierung des Ra-
dioteleskops und wird daher häufig auch als invarianter Punkt bezeichnet. Im Folgenden
soll nur auf die Bestimmung des geometrischen Referenzpunktes eines Radioteleskops mit
Azimut- und Elevationsachse eingegangen werden, da dieser Konstruktionstyp am häufigs-
ten im bestehenden IVS-Netz vorkommt und auch neu entstehende VLBI2010-spezifizierte
Radioteleskope (NIELL el al. 2006) häufig diesem Typ entsprechen. Ein besonderer Fokus
M. Lösler, T. Lossin, A. Neidhardt und R. Lehmann 336
soll dabei auf der Automatisierung liegen. Im Gegensatz zu den bisherigen Untersuchungen
von HAAS & BERGSTRAND (2010) bzw. LÖSLER et al. (2010), die zur Überwachung des
Radioteleskops Reflektoren am starren Teil des Monuments befestigten, werden in der
vorliegenden Arbeit ausschließlich Reflektoren am drehbaren Teil des Radioteleskops ein-
bezogen, da nur aus diesen der Referenzpunkt abgeleitet werden kann.
Der Schwerpunkt dieses Artikels fokussiert das in Kapitel 2 beschriebene Konzept zur
automatisierten Bestimmung des IVS Referenzpunktes und definiert alle dafür notwendigen
Komponenten. Erste erzielte Ergebnisse werden in Kapitel 3 kurz vorgestellt.
2 Konzept zur automatisierten Referenzpunktbestimmung
2.1 Allgemeines
Während bei einem konventionellen Monitoring quasi-stabile Punkte beobachtet werden,
erfordert die automatisierte Bestimmung des Referenzpunktes das Beobachten von Punk-
ten, deren Positionen sich in Abhängigkeit der Radioteleskoporientierung ändern. Kommer-
zielle Produkte können diesen Umstand meist nicht berücksichtigen, sodass das von
LÖSLER et al. (2010) in Java erstellte HEIMDALL-System weiterentwickelt und an die
speziellen Erfordernisse angepasst wurde. Das datenbankbasierte System setzt sich aus vier
Kernkomponenten zusammen:
x Beobachtungsplan,
x Netzausgleichung,
x Referenzpunktbestimmung und
x Filterung.
Neben einem Tachymeter können eine Reihe weiterer Sensoren wie Neigungsmesser, me-
teorologische Sensoren oder Invardrahtmessungen zur Erfassung von Höhenvariationen bei
Bedarf eingebunden werden. Die Kommunikation und Ansteuerung erfolgt i. d. R. über die
serielle Schnittstelle RS-232. Sensordaten, die derzeit noch nicht direkt abgefragt werden,
können nachträglich in die SQL-Datenbank importiert und über einen Zeitstempel referen-
ziert werden.
2.2 Beobachtungsplan
Da die langfristige Zielsetzung die Bestimmung des Referenzpunktes während des regulä-
ren Beobachtungsbetriebes ist, wird die zeitliche Abfolge der terrestrischen Messungen
durch einen VLBI-Beobachtungsplan vorgegeben. Dieser enthält für das spezifische VLBI-
Experiment die jeweiligen Azimut- und Elevationswinkel der zu detektierenden Radioquel-
len mit einer zeitlichen Referenz. Durch den VLBI-Beobachtungsplan sind somit a priori
die Zeitpunkte und die anzufahrenden Azimutwinkel ߙ und Elevationswinkel ߝ des Radio-
teleskops bekannt. Folglich lassen sich die Positionen der Reflektoren am Radioteleskop
۾ୠୱ
ሺߙǡߝሻ in Abhängigkeit von ߙ und ߝ näherungsweise für jeden Zeitpunkt bestimmen,
wenn ۾ୠୱ in einer Initialisierungsorientierung (ߙൌɂൌͲ) koordinatenmäßig vorliegen.
۾ୠୱ
ሺߙǡߝሻൌ۾ୖ
܀ఈ
܀ఌ
୶൫۾ୠୱ
െ۾ୖ
൯ൌ۾ୖ
܀ఈǡఌ൫۾ୠୱ
െ۾ୖ
൯ (1)
worin ܀ eine Rotationsmatrix ist, die eine Drehung um den im Subindex angegebenen
Winkel um die in Supindex angegebene Achse beschreibt.
Untersuchung zur automatisierten Bestimmung des IVS-Referenzpunktes in Wettzell 337
Die in Gleichung (1) benötigte Referenzpunktposition ۾ୖ
kann mit ausreichender Nähe-
rung aus Messungen der Elevationsachsenendpunkte abgeleitet werden (vgl. LOSSIN 2013).
Neben der Position der angebrachten Reflektoren ändern sich auch deren Orientierungen
ܖୠୱ
in Abhängigkeit der Teleskopwinkel. Bei der Erstellung des Beobachtungsplans ist
daher zu prüfen, ob ein Reflektor vom gewählten Standpunkt ۾ୗ aus überhaupt visierbar
ist. Der zu berücksichtigende Einfallswinkel ߬ ergibt sich aus
߬ൌቂ۾ି۾ోౘ౩
ሺఈǡఌሻቃ܀ഀǡഄܖోౘ౩
ቚ۾ି۾ోౘ౩
ሺఈǡఌሻቚቚܖోౘ౩
ቚ (2)
und ist mit dem spezifizierten Öffnungswinkel (z. B. ±45°) des verwendeten Prismas zu
vergleichen. Die Ableitung des Orientierungsvektors ܖୠୱ erfolgt zweckmäßigerweise
zusammen mit der Bestimmung der Initialisierungsposition ۾ୠୱ, indem temporär ein zwei-
ter Reflektor zentrisch in Richtung der Reflektornormalen des fest installierten Reflektors
gemessen wird (siehe Abb. 1).
Abb. 1:
Magnetisch befestigter 1,5Ǝ-Kugelreflekto
r
(Silber, links); temporär vorgehaltener RFI-
0,5Ǝ-Reflektor (Blau, rechts) zur Ableitung
der Reflektornormalen ܖୠୱ
Durch die Verwendung von 360°-Reflektoren könnte prinzipiell der Arbeitsbereich vergrö-
ßert werden, jedoch haben Untersuchungen gezeigt, dass diese Reflektoren konstruktions-
bedingt systematische Fehler von mehreren Millimetern verursachen (z. B. KRICKEL 2004).
Aufgrund von Verdeckungen durch das Radioteleskop selbst garantiert auch der Einsatz
von 360°-Reflektoren keine permanente Sichtbarkeit.
Auch der Einsatz von Standardglaskörperreflektoren führt zu systematischen Messabwei-
chungen in Abhängigkeit des Einfallswinkels. Die radialen Abweichungen ergeben sich zu
(z. B. RÜEGER 1990)
ߦௗൌ݀൫݊െξ݊ଶെଶ߬൯െ݁ሺͳെ߬ሻ (3)
worin ݁ und ݀ die Abstände zwischen der Glasfläche und dem Drehpunkt bzw. der Spitze
des Tripelprismas sind und ݊ൎͳǡͷ͵ das Verhältnis zwischen den Gruppenbrechungsindi-
ces von Glas und Luft beschreibt. Des Weiteren verursacht ein schief ausgerichteter Reflek-
tor laterale Abweichungen (vgl. RÜEGER 1990).
ߦ௧ൌሺ݀െ݁ሻ߬െ݀ ଵ
ୡ୭ୱఛಸሺ߬െ߬ீሻ, mit ߬ீൌୱ୧୬ఛ
(4)
Nach Gleichung (3) bzw. (4) führt eine Fehlausrichtung eines Präzisionsreflektors GPH1P
(Leica) von ߬ൌ͵ͷι zu einer optischen Verschiebung des Reflektorzentrums von
ߦௗൎͲǤͷ und ߦ௧ൎʹ (vgl. Abb. 2) und übersteigt somit die Messgenau-
igkeit gegenwärtiger Präzisionstachymeter und muss berücksichtigt werden. Diese Abwei-
chungen wirken einseitig und lassen sich daher nicht durch spezielle Messanordnungen
oder durch die automatische Zielerfassung (ATR) kompensieren. Modifizierte Reflektoren,
die eine (halb-)automatische Ausrichtung ermöglichen, benötigen Strom und basieren z. T.
M. Lösler, T. Lossin, A. Neidhardt und R. Lehmann 338
auf Funk (vgl. FANCHER et al. 2011, HORST & VON GÖSSELN 2013), sodass sie für einen
Einsatz am Radioteleskopfachwerk nicht infrage kommen. Da der Einfallswinkel im Re-
flektor für die Ableitung des Beobachtungsplans vorliegt, schlagen LÖSLER et al. (2013a)
eine rechnerische Korrektur der polaren Beobachtungen vor. Während die Strecke direkt
mit ߦௗ zu korrigieren ist, wird ߦ௧ mittels ܖୠୱ in eine horizontale und eine vertika-
le Komponente zerlegt und an der gemessenen Richtung bzw. Zenitwinkel angebracht.
Abb. 2:
Radiale und laterale Abweichungen in-
folge eines schief ausgerichteten Glas-
körperreflektors GPH1P bzw. 1,5Ǝ-Ku-
gelreflektor (KR15) nach Gleichung (3)
bzw. Gleichung (4)
Die Näherungskoordinaten der sichtbaren Reflektoren und die Einfallswinkelkorrekturen
werden zusammen mit einem Zeitstempel in der Datenbank gespeichert. Neben den mess-
baren Punkten am Radioteleskop werden die Koordinaten der Vermessungspfeiler in der
Datenbank hinterlegt. Diese dienen zur Stabilitätskontrolle des Instrumentes und werden in
vorgegebenen Intervallen beobachtet.
2.3 Netzausgleichung
Die erhobenen Daten einer Beobachtungskampagne bzw. -epoche werden zunächst mittels
einer Netzausgleichung ausgewertet. In diesem Schritt werden die Beobachtungen der ein-
zelnen Standpunkte miteinander verbunden und der Bezug zum lokalen Vermessungsnetz
(Beobachtungssystem) hergestellt. Die Ausgleichung erfolgt im Gauß-Markov-Modell mit
Bedingungen als freie Netzausgleichung (z. B. ILLNER 1985) mit dem Programm JAG3D1,
wobei die Lagerung des Netzes auf den örtlichen Vermessungspfeilern erfolgt; vgl. Abbil-
dung (3).
Für die Verknüpfung der Standpunkte mit dem lokalen Vermessungsnetz liegen i. Allg.
redundante Beobachtungen vor, sodass bereits im Rahmen der Netzausgleichung Fehlmes-
sungen detektierbar sind und eine Prüfung des stochastischen Modells erfolgen kann. Im
Gegensatz dazu sind Beobachtungen zu den Punkten am Radioteleskop unkontrolliert,
sodass eine äquivalente Analyse erst bei der Referenzpunktbestimmung möglich wird (z. B.
LÖSLER 2008). Lediglich ein Vergleich zwischen der gemessenen und der prädizierten
Position kann für das Aufdecken von Punktverwechslungen verwendet werden. Die Va-
rianz-Kovarianz-Matrix, die zusammen mit den ausgeglichenen Teleskoppunktkoordinaten
für die Referenzpunktbestimmung benötigt wird, hängt somit stark von den gewählten
a priori Unsicherheiten ab.
1 http://derletztekick.com/software/netzausgleichung
í40 í30 í20 í10 010 20 30 40
í3
í2
í1
0
1
2
3
Einfallswinkel τ [°]
Abeichung [mm]
εlateral GPH1P
εradial GPH1P
εlateral KR15
εradial KR15
Untersuchung zur automatisierten Bestimmung des IVS-Referenzpunktes in Wettzell 339
Abb. 3:
Südlicher Teil des lokalen Vermessungsnetzes (Ausschnitt)
am Geodätischen Observatorium Wettzell im Bereich des
überwachten TWIN-Radioteleskops (TTW2) mit zulässigen
Sichten. Datumsdefinition auf gegründeten Vermessungs-
pfeilern (15, 27, 28, 29 und 30). Pfeiler 33 ist nicht gegrün-
det und wurde daher nur als (freier) Standpunkt verwendet.
2.4 Referenzpunktbestimmung
Der Referenzpunkt eines Radioteleskops ist i. d. R. nicht materialisiert, sodass eine Be-
stimmung auf indirektem Wege erfolgen muss. Zwar existieren Radioteleskope, die durch
bauliche Maßnahmen den Referenzpunkt materialisieren, jedoch setzt eine direkte Beob-
achtung eine bestimmte Teleskopstellung voraus. Ferner lassen sich aus diesen Messungen
keine zusätzlichen Parameter wie bspw. der Achsenoffset ableiten.
Ein geometrisch anschauliches Modell zur Bestimmung des IVS-Referenzpunktes entsteht,
wenn während der Rotation des Radioteleskops um eine Achse die andere fixiert ist. Wird
ein Reflektor beobachtet, der sich am drehbaren Teil des Radioteleskops befindet, so be-
schreibt dessen Trajektorie einen räumlichen Kreis (z. B. E
SCHELBACH
& H
AAS
2003). Der
Kreismittelpunkt ist dabei ein Punkt der Rotationsachse, welche durch den Normalenvektor
der Kreisebene eindeutig beschrieben ist. Die bisher fixierte Achse lässt sich auf dem glei-
chen Weg ableiten und der Referenzpunkt aus der o. g. Projektionsbedingung schätzen.
Grundsätzlich kann die Parametrierung eines räumlichen Kreises auf verschiedenen Wegen
erfolgen; etwa durch die Verschneidung einer Kugel mit einer Ebene (z. B. E
SCHELBACH
&
H
AAS
2003, S
ARTI
et al. 2004). D
AWSON
et al. (2007) untersuchen den Einfluss zusätzli-
cher geometrischer Restriktionen in diesem Modell und zeigen, dass diese signifikante
Auswirkungen auf das Ergebnis des ermittelten Referenzpunktes haben. Ein Nachteil der
Kreisausgleichung ist, dass das Radioteleskop nur um eine der beiden Achsen verfahren
werden kann, da sonst keine räumlichen Kreise entstehen. S
ARTI
et al. (2004) setzen darü-
ber hinaus die Referenzpunkthöhe mit denen der Elevationskreismittelpunkte gleich. Eine
mögliche Schiefstellung der Achsen kann hierbei nur vernachlässigt werden, wenn eine
symmetrische Beobachtungsstrategie gewählt wird. Eine permanente Überwachung der
Referenzpunkte (vgl. R
OTHACHER
et al. 2009) ist daher während des regulären Stationspro-
zesses mit diesem Modell nicht möglich.
Ein alternatives Modell, bei dem die Azimutwinkel ߙ und die Elevationswinkel ߝ als zu-
sätzliche Beobachtungen mit einfließen, stellt L
ÖSLER
(2009) vor.
۾
ୠୱ
ൌ۾
ୖ
܀
ఏ
୶
܀
థ
୷
܀
ି
ಉ
܀
ట
୷
൫۳
܋܋
܀
ఌିை
ഄ
୶
۾
ୣ୪
൯ (5)
Hierbei ist der Achsenoffset mit ۳
܋܋
gegeben, eine mögliche Schiefstellung der Azimutach-
se gegenüber der ݖ-Achse des Beobachtungssystems wird durch die Winkel ߠ und ߶ be-
M. Lösler, T. Lossin, A. Neidhardt und R. Lehmann 340
rücksichtigt, und der Winkel ߰ kompensiert die Nicht-Orthogonalität zwischen der Elevati-
ons- und Azimutachse. Gleichung (5) beschreibt somit die Transformation eines Punktes
۾ୣ୪ൌሾܾܽͲ
ሿ் vom Teleskopkoordinatensystem ins Beobachtungskoordinatensystem
۾ୠୱ unter Berücksichtigung möglicher Imperfektionen beim Übergang. Die Verschiebung
zwischen diesen beiden Koordinatensystemen ist letztlich der gesuchte Referenzpunkt ۾ୖ.
Da ۾ୣ୪ zwar eine beliebige aber feste Position im Teleskopsystem hat, sind zwei zusätzli-
che Orientierungswinkel ܱఈ und ܱఌ mitzuschätzen. Einen zu Gleichung (5) äquivalenten
Ansatz schlagen KALLIO & POUTANEN (2012) vor, wobei sie die Rotationen nicht durch
Eulerwinkel, sondern durch Richtungskosinusse parametrieren. Beiden Modellen ist ge-
mein, dass durch die Berücksichtigung der Teleskopwinkel ߙ und ߝ keine vordefinierten
Teleskoppositionen notwendig sind und somit eine Bestimmung des Referenzpunktes wäh-
rend des regulären Stationsprozesses möglich wird (vgl. KALLIO & POUTANEN 2013,
LÖSLER et al. 2013a).
Bei der Anwendung von Gleichung (5) wird davon ausgegangen, dass stabile Umgebungs-
verhältnisse vorliegen. Untersuchungen zum thermischen Verhalten von Radioteleskopen
haben jedoch gezeigt, dass temperaturbedingt Höhenvariationen ݖ۾ౌሺȟܶሻ von mehreren
Millimetern auftreten (z. B. ZERNECKE 1999, WRESNIK et al. 2007). LÖSLER et al. (2013b)
evaluieren die Kompensation für die räumlich wirkende Ausdehnung jeder gemessenen
Position ۾ୠୱ
im Rahmen der Referenzpunktbestimmung und zeigen, dass die Güte der
Kompensation bei der Berechnung validierbar ist. In Anlehnung an die IVS-Konventionen
(NOTHNAGEL 2009) ergeben sich
ݖ۾ౌሺȟܶሻൌݖ۾ౌሺߛௌ݄ௌߛ݄ሻȟܶ (6)
ܽሺȟܶሻൌܽሺͳߛௌȟܶሻ (7)
ܾሺȟܶሻൌܾሺͳߛௌȟܶሻ (8)
worin ߛௌ und ߛ die Ausdehnungskoeffizienten von Stahl bzw. Beton beschreiben, ݄ௌ die
Höhe des Referenzpunktes über dem Betonmonument und ݄ die Höhe des Betonmonu-
ments sind, und ȟܶൌܶെܶ die Temperaturänderung in Bezug auf eine Referenztempe-
ratur ܶ beschreibt.
Eingangsdaten für die Referenzpunktbestimmung sind die aus der Netzausgleichung stam-
menden ausgeglichenen Koordinaten ۾ୠୱ
, die zugehörigen Orientierungswinkel ߙ und ߝ
des Radioteleskops sowie die Varianz-Kovarianz-Matrix ۱୪୪ൌሺ۱௫௬௭ ۱ఈఌሻ. Da es
sich bei Gleichung (5) um ein gemischtes Modell handelt, erfolgt die Bestimmung der un-
bekannten Parameter im Gauß-Helmert-Modell (z. B. LENZMANN & LENZMANN 2004).
2.5 Filterung
Lokale Vermessungen werden bisher nur periodisch in jährlichen oder größeren Abständen
durchgeführt. Die dabei bestimmten Referenzpunkte werden jeweils als aktuell gültige
Lösung vorgehalten. Durch den verringerten personellen Aufwand bei einer automatisierten
Vermessung lassen sich die Zyklen zwischen den einzelnen Messkampagnen deutlich ver-
kürzen, sodass mit jeder neuen Epoche die zusätzlichen Informationen aus den aktuellen
Beobachtungen mit der Information der Parameter der vorangegangenen Epoche optimal
kombiniert werden können.
Untersuchung zur automatisierten Bestimmung des IVS-Referenzpunktes in Wettzell 341
ܠൌ൮ܠଵ
ܠଶ
ڭ
ܠ൲Ǣۿ୶୶ൌۉ
ۈ
ۇ
ۿ୶భ୶భǥ
ۿ
୶మ୶మڭ
ڭڰ
ǥۿ
୶୶ی
ۋ
ۊ
(9)
Betrachtet man die Ergebnisse von ݉ Epochen ܠ als unabhängige Realisierung eines Zu-
fallsexperimentes (vgl. Gleichung (9)), so können Methoden der rekursiven Schätzung und
Filterung angewendet werden. Wird als Bewegungsansatz Identität der Parameter ange-
nommen, so ergibt sich die kombinierte Lösung hierbei zu (z. B. KNICKMEYER et al. 1996,
CAROSIO 2000, NIEMEIER 2008)
ܠොൌܠ
ොିଵ۹ିଵǡ൫ܠെܠ
ොିଵ൯ (10)
ۿ୶ොೕ୶ොೕൌۿ୶ොೕషభ୶ොೕషభെ۹ିଵǡۿ୶ොೕషభ୶ොೕషభ (11)
mit der sogenannten Gain-Matrix
۹ିଵǡൌۿ୶ොೕషభ୶ොೕషభቀۿ୶ೕ୶ೕۿ୶ොೕషభ୶ොೕషభቁିଵ. (12)
Die Gleichungen (10) und (11) berücksichtigen nicht die zeitliche Entstehung der einzelnen
miteinander kombinierten Lösungen. Um den Einfluss der jeweils aktuellen Epoche auf die
gefilterte Lösung zu verstärken und um nicht modellierte Modellabweichungen zu kompen-
sieren, kann ein zusätzliches Prozessrauschen ۱୬୬ൌ൫ߪ௫ሶ۾ౌ
ଶߪ௬ሶ۾ౌ
ଶߪ௭ሶ۾ౌ
ଶ൯ bei der
Bildung des stochastischen Modells ۿ୶ೕ୶ೕ
௧ in Gleichung (9) verwendet werden (vgl.
LÖSLER et al. 2013a).
ۿ୶ೕ୶ೕ
௧ ൌۿ୶ೕ୶ೕ۰۱୬୬۰் (13)
worin ۰ den Übergang des stochastischen Prozesses zwischen den Zeitpunkten
ȟݐൌݐെݐିଵ der zu kombinierenden Epochen beschreibt (z. B. NIEMEIER 2008). Das
vorgeschlagene Kalman-Filter ermöglicht es, alle zum gegenwärtigen Zeitpunkt verfügba-
ren geometrischen Informationen sowie deren Unsicherheitsbudget in die aktuelle Lösung
einfließen zu lassen.
3 Erste Untersuchungsergebnisse
Die Forschungsgruppe Satellitengeodäsie (FESG) der Technischen Universität München
betreibt in Kooperation mit dem Bundesamt für Kartographie und Geodäsie (BKG) das
Geodätische Observatorium Wettzell im Bayerischen Wald. Seit Anfang der 1980er-Jahre
nimmt die Station mit dem ʹͲ Radioteleskop (RTW) an Beobachtungskampagnen im
Rahmen des IVS teil (SCHLÜTER & BEHREND 2007) und gehört heute zu einer der am häu-
figsten messenden Stationen für geodätisches VLBI (NEIDHARDT et al. 2012). Neben VLBI
existieren seit den frühen 1970er-Jahren SLR/LLR-Teleskope, mit denen Entfernungsmes-
sungen zu Satelliten bzw. zum Mond durchgeführt werden. Als dritte Raumtechnik sind seit
1986 permanent installierte GNSS Antennen vorhanden. Eine ausführliche Chronik über
die Entwicklungen der Fundamentalstation Wettzell geben HUGENTOBLER et al. (2011).
M. Lösler, T. Lossin, A. Neidhardt und R. Lehmann 342
Im Rahmen des Aufbaus und der Erweiterung des sogenannten VLBI2010 Global Obser-
ving System (VGOS) Netzes werden in Wettzell die bisher weltweit einzigartigen und
komplett VLBI2010 konformen TWIN-Radioteleskope in Betrieb genommen. Hierbei
handelt es sich um zwei baugleiche 13,2 m Antennen (vgl. NEIDHARDT et al. 2011). An
einem der beiden TWIN-Teleskope wurde im Frühjahr 2013 das Monitoringsystem
HEIMDALL eingerichtet, um Erfahrungen für die automatisierte Vermessung von Radio-
teleskopreferenzpunkten zu bekommen und das o. g. Konzept zu validieren. Hierzu wurden
26 1,5Ǝ-Kugelreflektoren (vgl. Abb. 1) an der Azimutkabine und im Fachwerk des Parabo-
loids magnetisch befestigt und in verschiedenen Epochen mit einer Leica Totalstation TS30
überwacht. Zeitweise wurde mit einer TCA2003 (Leica) parallel gemessen. Meteorologi-
sche Daten wurden durch Sensoren vom Typ MSR145 im Außen- und Innenbereich regis-
triert und dienten zur Korrektur der elektro-optischen Distanzmessung (EDM) bzw. zur
Kompensation der thermischen Verformungen des Radioteleskops vgl. Gleichung (6)-(8).
In dieser ersten Testphase wurden keine realen VLBI-Beobachtungspläne, sondern Kalibra-
tionsfahrten mit beliebigen aber vordefinierten Positionen genutzt, bei denen besonders
viele Beobachtungen auf die verwendeten Standpunkte abfielen. Diese Abarbeitung wurde
bereits im neuen, fernsteuerbaren Kontrollsystem e-RemoteCtrl2 für die TWIN-Teleskope
integriert und über das NASA Field System, welches als Standard zur Steuerung der IVS-
Radioteleskope genutzt wird, umgesetzt (vgl. ETTL et al. 2012). Die Dauer eines Messexpe-
rimentes betrug in Abhängigkeit der Anzahl der besetzten Pfeiler ca. 7 – 14 h und enthielt
durchschnittlich 75 Teleskopstellungen. Eine ausführliche Beschreibung der durchgeführ-
ten Messungen sowie der untersuchten Konfigurationen ist LOSSIN (2013) zu entnehmen.
In den Tabellen 1-3 sind die Ergebnisse der Einzelauswertungen für den Referenzpunkt und
das Exzentrum in Relation zur finalen Filterlösung sowie die Anzahl der im Experiment
besetzten Pfeiler (Standpunkte) zusammengefasst. Abbildung 4 zeigt die aus den Einzelex-
perimenten stammenden Koordinatendifferenzen sowie die gefilterte Lösung für den Refe-
renzpunkt. Aus Übersichtsgründen wurde auf die Messung von 2012 bei der Darstellung in
Abbildung 4 (rechts) verzichtet. Gut zu erkennen ist, dass Konfigurationen mit mehreren
Standpunkten weniger streuen und geringere Abweichungen erzeugen als Kampagnen, die
nur von einem Standpunkt aus beobachtet wurden. Zum einen treten bei Kampagnen mit
mehreren Standpunkten keine konfigurationsbedingten Extrapolationen für den Referenz-
punkt auf, und zum anderen wird bei einer symmetrischen Verteilung der Standpunkte ein
mögliches Achstaumeln des Radioteleskops kompensiert, sodass diese Konfiguration
grundsätzlich vorzuziehen ist. Auf der anderen Seite ist der personelle Einsatz bei Kampa-
gnen, die lediglich von einem Standpunkt aus durchgeführt wurden, am geringsten und aus
wirtschaftlicher Sicht zu favorisieren. Das in Kapitel 2.5 vorgeschlagene Filter erlaubt die
Kombination von allen Einzelexperimenten. Insbesondere auch jenen die für sich genom-
men die Genauigkeitsanforderungen nicht erfüllen, aber durch die Kombination plausible
Resultate liefern. Bei den Lagekomponenten ist bei den Juni/Juli-Kampagnen eine Ände-
rung in der gefilterten Lösung von < 0,2 mm zu erkennen, die sich auch in den Einzellö-
sungen zeigt. Diese Variation ist auf geringfügige Abweichungen beim Wiedereinrichten
des Versuchsaufbaus zurückzuführen, was auch erklärt, warum alle Ergebnisse im benann-
ten Zeitraum diese Tendenz aufweisen. Ferner sind in den Höhenkomponenten noch Varia-
tionen zu erkennen, die vorrangig auf eine noch unzureichende Kompensation der tempera-
turbedingen Höhenänderungen schließen lässt.
2 http://www.econtrol-software.de
Untersuchung zur automatisierten Bestimmung des IVS-Referenzpunktes in Wettzell 343
Abb. 4: Einzellösung mit 99%-Konfidenzellipsen (Maßstab: 10:1) für Einzellösung und
Filterlösung reduziert auf finale Filterlösung (links); Zeitlicher Verlauf der Va-
riationen der ermittelten Referenzpunktkoordinaten mit ͳߪ-Unsicherheitsbalken
und gefilterte Lösung mit ͳߪ-Unsicherheitsband (rechts).
Tabelle 1: Referenzpunkt- und Exzentrumsvariationen [mm] im März/April 2013
31.05.322.03. 23. 03. 24.03. 25.03. 26. 03. 27.03. 30.04.
Pfeiler 5 (134)111113 3
ߜݕ۾ౌ –0,19 –0,65 –0,36 0,57 0,54 –0,34 –0,10 –0,19
ߜݔ۾ౌ 0,20 –0,20 0,98 0,37 0,15 –0,25 0,34 0,36
ߜݖ۾ౌ 0,11 0,00 0,37 –0,22 0,14 –0,19 –0,19 0,02
۳܋܋ –0,01 0,12 0,00 0,01 –0,04 0,02 –0,16 –0,02
Tabelle 2: Referenzpunkt- und Exzentrumsvariationen [mm] im Mai 2013
01.05. 02.05 03.05. 04.05. 05.05. 07.05. 08.05. 09.05. 13.05. 14.05. 15.05.
Pfeiler 3 111224233 3
ߜݕ۾ౌ –0,21 –0,50 0,52 –0,31 –0,04 –0,36 –0,15 –0,10 –0,13 –0,14 –0,13
ߜݔ۾ౌ 0,34 –0,19 0,38 0,72 0,11 0,32 0,24 0,44 0,25 0,19 0,22
ߜݖ۾ౌ –0,11 –0,21 0,21 0,38 –0,21 0,15 –0,10 –0,08 0,27 0,03 0,10
۳܋܋ –0,03 0,09 0,01 0,07 –0,07 –0,03 –0,06 –0,12 0,03 0,03 –0,02
Tabelle 3: Referenzpunkt- und Exzentrumsvariationen [mm] im Juni/Juli 2013
20.06. 21.06. 22.06. 23.06. 24.06. 26.06. 27.06. 28.06. 29.06. 30.06. 01.07. 02.07.
Pfeiler 1 3 3 3 2 (14)3 (2
4)3 (3
4)3 (3
4)1 (1
4) 4 4 1
ߜݕ۾ౌ –0,15 0,00 0,02 0,10 0,09 0,05 0,08 0,04 –0,02 –0,02 0,01 –0,05
ߜݔ۾ౌ –0,15 –0,33 –0,19 0,04 –0,06 0,01 –0,01 –0,02 –0,16 –0,16 –0,02 –0,45
ߜݖ۾ౌ –0,26 –0,24 –0,12 0,05 0,00 0,20 0,24 0,13 –0,07 –0,07 –0,05 –0,39
۳܋܋ 0,10 0,01 0,05 0,03 0,15 0,09 0,09 0,04 0,07 0,07 –0,04 –0,12
3 Resultate vom 31.05.2012 aus manuell durchgeführter Messung (LÖSLER et al. 2013b).
4 Zusätzliche freie Standpunkte für Parallelmessung mit zweitem Tachymeter.
í1.0 í0.5 0 0.5 1.0
í1.0
í0.5
0
0.5
1.0
δ x
P
RP
[mm]
δ y
P
RP
[mm]
1 Pfeiler
2 Pfeiler
3 Pfeiler
4 Pfeiler
5 Pfeiler
Filterung
01.04. 01.05. 01.06. 01.07.
í1
0
1
δ y
P
RP
[mm]
01.04. 01.05. 01.06. 01.07.
í1
0
1
δ x
P
RP
[mm]
01.04. 01.05. 01.06. 01.07.
í1
0
1
δ z
P
RP
[mm]
Kampagnen 2013
M. Lösler, T. Lossin, A. Neidhardt und R. Lehmann 344
4 Zusammenfassung und Ausblick
Das GGOS regt eine automatisierte und permanente Überwachung der Referenzpunkte an
Kolokationsstationen (Core Stations) an, um ein Höchstmaß an Zuverlässigkeit für die
Verbindungsvektoren zu erreichen. In diesem Beitrag wurde ein Vermessungs- und Aus-
wertekonzept vorgestellt, dass diese Anforderung erfüllt. Seit dem Frühjahr 2013 wird am
Geodätischen Observatorium Wettzell dieses Konzept in einer ersten Langzeitstudie betrie-
ben, bei der der IVS-Referenzpunkt und zusätzliche Parameter von einem der VLBI2010-
konformen TWIN-Radioteleskope automatisiert bestimmt werden. Die vorgeschlagene
Kalman-Filterung ermöglicht es, alle zum Zeitpunkt der Berechnung verfügbaren Informa-
tionen in die gegenwärtige Lösung mit einfließen zu lassen. Die Filterung erlaubt darüber
hinaus auch das Kombinieren von Einzellösungen, die für sich betrachtet den Genauig-
keitsanforderungen nicht genügen würden, in der Summe aber plausible und zuverlässige
Resultate liefern. Bei Bedarf kann das Filter noch erweitert werden, um bspw. saisonale
Effekte besser abzubilden. Derartige Modifikationen erfordern jedoch Beobachtungen aus
einer längeren Zeitreihe und sind zum gegenwärtigen Zeitpunkt noch nicht möglich. Die
angestrebte Genauigkeit von ͳ wird durch das vorgeschlagene Konzept erreicht
(vgl. Abb. 4). Insgesamt können für das untersuchte TWIN-Radioteleskop in einem Zeit-
raum von über einem Jahr keine signifikanten Änderungen des Referenzpunktes festgestellt
werden.
Zukünftige Entwicklungen sehen eine Erweiterung des Konzeptes auf andere Raumtechni-
ken vor, sodass der vollständige Local Tie im Ergebnis vorliegt. Weiterhin ist eine Integra-
tion des Konzeptes in das Projekt zum Monitoring und Bewerten von Sicherheits- und
Systemparametern (SysMon) vorgesehen (vgl. ETTL et al. 2010).
Danksagung
Für die Bereitstellung von Messequipment und Sensoren möchten wir uns bei Frau Prof.
Cornelia Eschelbach (FH Frankfurt) ganz herzlich bedanken. Weiterhin sei Frau Kerstin
Schnabel (BKG G3) für die Bereitstellung der Totalstation TS30 (Leica) gedankt.
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