Beutler, Gerhard

Dach, Rolf

Jäggi, Adrian

Schildknecht, Thomas

Bern Open Repository and Information System (BORIS)

Géomatique Suisse 6/2011Géodésie/MensurationR. Dach, G. Beutler, A. Jäggi, T. Schildknecht1. Das AstronomischeInstitut der UniversitätBern und dasObservatoriumZimmerwaldDas Astronomische Institut der Universi-tät Bern (AIUB) ist für den Betrieb des Ob-servatoriums Zimmerwald zuständig, vondem aus die Richtungen zu Erdsatellitenund Weltraumschrott sowie die Distanzenzu Satelliten (SLR: Satellite Laser Ranging)auf cm-Genauigkeit gemessen werden.Zimmerwald ist aus geodätischer Sicht derZentralpunkt der Schweiz. Internationalist er einer der wichtigen Verknüpfungs-punkte zwischen dem SLR-Beobach-tungsnetz des ILRS (International LaserRanging Service) und – dank den Emp-fängern des Bundesamtes für Landesto-pographie swisstopo – dem Stationsnetzdes IGS (International GNSS Service; GNSSsteht für Global Navigation Satellite Sys-tem). In beiden Diensten sind die Beiträ-ge von Zimmerwald führend in Qualitätund Zuverlässigkeit.Die Forschungsaktivitäten am AIUB sindin zwei Themenbereiche gegliedert• CCD-Astronomie mit dem Schwer-punkt der Suche, Identifizierung undKatalogisierung von aktiven Objektensowie Weltraumschrott• Wissenschaftliche Auswertung vonGNSS- und SLR-MessungenSo unterschiedlich, wie diese Arbeitsge-biete sich auf dem ersten Blick auch dar-stellen mögen, liegen die Arbeiten derGruppen thematisch doch sehr eng bei-sammen: Die Bahnbestimmung für erd-nahe Objekte spielt eine zentrale Rolle.2. Die GNSS-ForschungsgruppeDie GNSS-Gruppe hat folgende For-schungsschwerpunkte, die eng miteinan-der verknüpft sind: 1. Entwicklung der Bernese-Software2. Operationelles Rechenzentrum CODEdes IGS3. Bahnbestimmung tieffliegender Satel-liten (LEO: Low Earth Orbiter) und de-ren Nutzung zur Gravitationsfeldbe-stimmung4. Analyse von SLR-Beobachtungen undderen direkte Verknüpfung mit GNSS-MessungenIn diesen Bereichen sind zahlreiche wei-terführende Forschungsprojekte angesie-delt.2.1  Berner SoftwareDie Berner Software ist ein wissenschaft-liches Programmpaket, das unter ande-rem zur weitestgehend automatischenAuswertung von GNSS-Daten mit höchs-ten Genauigkeitsansprüchen für regiona-le, kontinentale und globalen Netze ein-gesetzt wird (Dach et al., 2007). DieGNSS- Gruppe betreut die Software undentwickelt sie ständig weiter, sodass siedem aktuellen internationalen Standardder GNSS-Auswertung entspricht. DieSoftware wird zur Zeit weltweit von mehrals 500 Institutionen für verschiedene Pro-jekte genutzt.Die flexible Verarbeitung von Daten deszukünftigen Europäischen GNSS Galileoin Kombination mit den neuen Signalenvon GPS (Global Positioning System) undGLONASS (Global Navigation SatelliteSystem) ist ein wichtiger Aspekt der ak-tuellen Entwicklung (Meindl et al., 2008).2.2 Das IGS Rechenzentrum CODECODE (Center for Orbit Determination inEurope) stellt eine enge Zusammenarbeit280GNSS-Forschungsarbeiten am Astronomischen Institut der Universität BernDie GNSS-Forschungsgruppe am Astronomischen Institut der Universität Bern (AIUB)ist in vier Bereichen tätig: operationelle Auswertung von GNSS-Daten als eines derglobalen Rechenzentren des International GNSS Service (IGS), Bahnbestimmung vontieffliegenden Satelliten unter Verwendung von GNSS-Daten, Verwendung dieser Bah-nen zur Gravitationsfeldbestimmung sowie Analyse von Satellite Laser Ranging (SLR)Daten zu Kugel- und GNSS-Satelliten. Für alle diese Aufgaben wird die Berner Soft-ware verwendet, die in der GNSS Gruppe entwickelt wird. Das AIUB betreibt zudemdas Observatorium Zimmerwald.Le groupe de recherche GNSS de l’Institut Astronomique de l’Université de Berne (AIUB) est actif dans quatre branches: l’analyse opérationnelle de données GNSS entant que Centre d’Analyse de l’IGS (International GNSS Service), la détermination d’or-bites de satellites de basse altitude sur la base de données GNSS, l’utilisation de cesorbites pour la détermination du champ de gravité terrestre, et l’analyse de donnéesSLR (Satellite Laser Ranging) , mesures de distance à des satellites de type sphériqueet GNSS. Pour toutes ces applications, le groupe utilise un logiciel développé en in-terne, le Bernese Software. L’AIUB dirige les opérations de l’Observatoire de Zimmer-wald.Il gruppo di ricerca GNSS dell'Istituto Astronomico dell'Università di Berna (AIUB) é at-tivo in quattro campi: analisi operazionale di dati GNSS come uno dei centri di calco-lo a livello globale del IGS (International GNSS Service), determinazione delle orbite disatelliti di orbita bassa su base di dati GNSS, utilizzo di queste orbite per la determi-nazione del campo gravitazionale, e analisi di dati SLR (Satellite Laser Ranging) deri-vanti da misure a satelliti a sfera e GNSS. Per tutti questi compiti viene utilizzato il Soft-ware Bernese il quale é sviluppato dal gruppo di ricerca medesimo. L’AIUB dirige in-oltre le attività dell'osservatorio di Zimmerwald.source: https://doi.org/10.7892/boris.10235 | downloaded: 8.5.2016Geomatik Schweiz 6/2011Geodäsie/Vermessungzwischen dem AIUB, der swisstopo, demBundesamt für Kartographie und Geodä-sie (BKG, Frankfurt am Main) und dem In-stitut für Astronomische und Physikali-sche Geodäsie (IAPG) der TechnischenUniversität München (TUM) dar. CODE isteines der Rechenzentren des IGS, dessenoperationelle Auswertungen am AIUBdurchgeführt werden. CODE liefert seitdem 21. Juni 1992 Bahnen für alle akti-ven GPS-Satelliten, die im Vergleich mitden Resultaten der anderen Rechenzen-tren des IGS als führend bezeichnet wer-den dürfen (Abb. 1). Seit Mai 2003 wer-den die Daten des GPS und GLONASS ineiner rigorosen Mehrsystemauswertungauf Beobachtungsstufe kombiniert (Dachet al., 2009). Mit diesem Vorgehen warCODE im Rahmen des IGS wegweisend:Erst nach mehr als fünf Jahren folgtenweitere IGS-Rechenzentren diesem Bei-spiel (Springer und Dach, 2010).CODE hat die Entwicklung innerhalb desIGS und der GNSS-Auswertung durch sei-ne Beiträge zur Verbesserung der Aus-wertemodelle signifikant mitgeprägt: DasCODE Bahnmodell (Beutler et al., 1994)wird bis heute von fast allen IGS-Rechen-zentren verwendet. Ein Schwerpunkt istdie Bestimmung der systematischen Dif-ferenzen zwischen den verschiedenenGNSS-Beobachtungstypen und Syste-men. CODE liefert zusätzlich Beiträge zur Antennenphasenmodellierung derGLONASS-Satelliten (Dach et al., 2011).2.3 LEO- Bahn- undGravitationsfeldbestimmungZahlreiche LEOs sind mit GPS-Empfän-gern zur Bahnbestimmung ausgestattet.Am AIUB hat man sich auf Missionen mithohen Anforderungen an die Bahnge-281nauigkeit spezialisiert. Die LEO-Bahnenwerden nach dem Prinzip des sogenann-ten «Precise Point Positioning» (PPP) be-rechnet. Dass die dazu benötigten sehrgenauen GPS-Satellitenbahnen und  -uh-ren aus den Produkten des CODE-Re-chenzetrums übernommen und mit dergleichen Software weiterverarbeitet wer-den, ist für die Qualität der LEO-Bahnenvon grossem Vorteil.Aus den mit GPS kinematisch bestimm-ten LEO-Trajektorien (z.B. für CHAMP,GRACE und GOCE) werden am AIUB dieParameter des Gravitationsfeldes und de-ren zeitliche Änderungen als verallgemei-nerte Bahnbestimmungsaufgabe (Beutleret al., 2010a,b) abgeleitet. Neben denGPS-Daten fliessen die mikrometerge-nauen, mikrowellenbasierten Messungender Distanzänderungen zwischen denbeiden GRACE-Satelliten (z.B. im ModellAIUB-GRACE03S in Abb. 2) bzw. die Gra-diometerdaten von GOCE in die Gravita-tionsfeldbestimmung ein.2.4 SLR-AuswertungMit der neuen Entwicklung der BernerSoftware zur Verarbeitung von SLR-Be-obachtungen werden am AIUB die Beob-achtungen zu LAGEOS und ETALON ver-arbeitet (weitere Kugelsatelliten sollen inKürze folgen). Da die SLR spezifischenModule voll in die Umgebung der GNSS-Auswertesoftware integriert sind, ist einedirekte Kombination der beiden Techni-Abb. 1: Entwicklung der Genauigkeit der GPS-Bahnbestimmung im Vergleichzwischen den Rechenzentren des IGS seit 1994 bis heute (von acc.igs.org).Abb. 2: Schwereanomalien in mgal, abgeleitet aus dem Modell AIUB  GRACE03S.Géomatique Suisse 6/2011Géodésie/Mensurationken via die GNSS-Satelliten als Alternati-ve zur klassischen Methode der «LocalTies» möglich (Thaller et al., 2011). Ab-bildung 3 zeigt die aus der kombiniertenAuswertung abgeleiteten Antennenoff-sets für die GNSS-Satelliten.3. Projekte und StudienDie oben beschriebenen Forschungs-schwerpunkte bilden den Rahmen fürzahlreiche Projekte, von denen hier nurdie wichtigsten aufgelistet werden sollen.Genaue Bahnbestimmung für den GOCE-Satelliten: Das AIUB ist Mitglied des EGG-C (Euro-pean GOCE Gravity Consortium) beste-hend aus 10 Europäischen Institutionen.Das AIUB ist dabei im Rahmen von HPF(High level Processing Facility) für die Be-rechnung präziser Bahnen für den GOCE-Satelliten der ESA (European Space Agen-cy) zuständig. Die Qualität der GOCE-Bahndaten wird mit Hilfe von SLR-Mes-sungen validiert (Abb. 4). Diese Bahnenbilden die Grundlage für die Gravitati-onsfeldbestimmung aus den GOCE-Gra-diometerdaten.Galileo Geodetic Service Provider (GGSP): GGSP ist ein Konsortium unter der Lei-tung des GeoForschungsZentrums (GFZ,Potsdam), dem neben dem AIUB das Eu-ropean Space Operation Centre (ESOC,Darmstadt), das BKG und das InstitutGéographique National (IGN, Paris) an-gehören. Ziel ist die Realisierung des GTRF(Galileo Terrestrial Reference Frame), dergeodätischen Grundlage für das zukünf-tige Galileo-System. In der In Orbit Vali-dation (IOV) Phase werden die Produktedieser Gruppe als Referenz für die neuentwickelten Galileo-Komponenten ver-wendet (Gendt et al., 2010).Uhrenmodellierung in der GNSS-Analyse: Die Spezifikation der Stabilität der GalileoSatellitenuhren sowie jüngsten Erfahrun-gen mit dem ersten GPS-Block IIF-Satelli-ten zeigen, dass in Zukunft die Satelliten-und Empfängeruhren mit wenigen Para-metern in der GNSS-Auswertung model-liert werden können. In einer ESA-Studie,die vom AIUB gemeinsam mit dem Geo-desy and Geodynamics Lab (GGL) der Eid-genössischen Technischen Hochschule(ETH) in Zürich und dem IAPG der TUMdurchgeführt wird, sollen diese Möglich-keiten und die sich daraus ergebendenVorteile für GNSS-Produkte (wie Satelli-tenbahnen, Stationskoordinaten, Pol-schwankung) untersucht resp. aufge-zeichnet werden.Analyse von Zeitreihen: Die Leistungsfähigkeit der heutigen Re-chentechnik erlaubt es, die GNSS-Datenvon vielen Beobachtungsstationen meh-rerer Jahre im Rahmen von so genannten282«Reprocessing Campaigns» mit denneusten Auswertemodellen konsistentauszuwerten. Um die daraus resultieren-den Zeitreihen (insbesondere Stationsko-ordinaten) interpretieren zu können, müssen Sprünge, Ausreisser und Ge-schwindigkeitsänderungen möglichst au-tomatisch erkannt werden. FODITS (FindOutliers and Discontinuities in Time Se-ries) als eine neue Komponente der Ber-ner Software bietet diese Möglichkeit.Seine Leistungsfähigkeit hat das Pro-gramm im Rahmen des DOGEx-Vergleichs(Detection of Offsets in GPS Experiment)bewiesen (Williams and King, 2010).Reprozessierung von GPS , GLONASS  undSLR-Daten: Gemeinsam mit dem Institut für Planeta-re Geodäsie der Technischen UniversitätDresden, dem GGL der ETH Zürich unddem IAPG der TUM sollen die GPS- undGLONASS-Messungen des IGS- und SLR-Daten zu LAGEOS des ILRS konsistent undnach neusten Auswertemodellen verar-beitet werden. Von der Zusammenfüh-rung der Messungen verspricht man sichein besseres Verständnis der einzelnenTechniken und neue Erkenntnisse für dieGeodynamik und der Realisierung des ter-restrischen Referenzrahmens.Referenzen:Beutler G., E. Brockmann, W. Gurtner, U. Hu-gentobler, L. Mervart, M. Rothacher, and A.Verdun; 1994: Extended orbit modelling tech-Abb. 3: GNSS-Satellitenantennenoff-sets aus einer gemeinsamen GNSS-/SLR-Auswertung ohne bzw. mitgleich zeitiger Schätzung der SLR-Re-flektoroffsets.Abb. 4: SLR-Residuen der am AIUB bestimmten GOCE-Bahn.Geomatik Schweiz 6/2011Geodäsie/Vermessungniques at the CODE processing center of theInternational GPS Service for Geodynamics(IGS): theory and initial results. ManuscriptaGeodetica, vol. 19(6), pp. 367–386.Beutler, G., A. Jäggi, L. Mervart, U. Meyer;2010a: The celestial mechanics approach:theoretical foundations. Journal of Geodesy,vol. 84(10), pp. 605–624, DOI 10.1007/s00190-010-0401-7. Beutler, G., A. Jäggi, L. Mervart, U. Meyer;2010b: The celestial mechanics approach: ap-plication to data of the GRACE mission. Jour-nal of Geodesy, vol. 84(11), pp. 661–-681, DOI10.1007/s00190-010-0402-6. Dach, R., E. Brockmann, S. Schaer, G. Beutler,M. Meindl, L. Prange, H. Bock, A. Jäggi, L. Osti-ni; 2009: GNSS processing at CODE: status re-port. Journal of Geodesy (special Issue: The In-ternational GNSS Service (IGS) in a ChangingLandscape of Global Navigation Satellite Sys -tems, guest editor C. Rizos), vol. 83(3–4), pp.353–366, DOI 10.1007/s00190-008-0281-2. Dach, R., U. Hugentobler, P. Fridez, M. Meindl(Eds); 2007: Bernese GPS Software Version 5.0.User manual, Astronomical Institute, Univer-stiy of Bern.Dach, R., R. Schmid, M. Schmitz, D. Thaller, S.Schaer, S. Lutz, P. Steigenberger, G. WübbenaG. Beutler; 2011: Improved antenna phasecenter models for GLONASS. GPS Solutions,vol. 15(1), pp. 49–65, DOI 10.1007/s10291-010-0169-5.Gendt, G., Z. Altamimi, R. Dach, W. Söhne, T.Springer; 2010: GGSP: Realisation and main-tenance of the Galileo Terrestrial Reference Fra-me. Advances in Space Research, DOI:10.1016/j.asr.2010.02.001, im Druck.Meindl, M., R. Dach, S. Schaer, U. Hugento-bler, G. Beutler; 2008: Developing a GenericMulti-GNSS Software Package. InternationalGNSS Service Analysis Center workshop 2008,Miami Beach, FL, USA, June 2–6, 2008. Ostini, L., R. Dach, M. Meindl, S. Schaer, U. Hu-gentobler; 2009: FODITS: A New Tool of theBernese GPS Software to Analyze Time Series.In Proceedings of EUREF 2008 Symposium,Brussels, Belgium, June 18–21, 2008.283Springer, T., R. Dach; 2010: GPS, GLONASS andMore. GPS World, vol.21(6), pp. 48–58. Thaller D., Dach R., Seitz M., Beutler G., Ma-reyen M., Richter B.; 2011: Combination ofGNSS and SLR observations using satellite co-locations. Journal of Geodesy, vol. 85(5), pp.257–272, DOI 10.1007/s00190-010-0433-z.Williams, S., and M. King; 2010: The Detec-tion of Offsets in GPS Experiment (DOGEx). IGSWorkshop 2010, Newcastle upon Tyne, Eng-land, 28 June–2 July, 2010. R. DachG. BeutlerA. JäggiT. SchildknechtUniveristät BernAstronomisches Institut Sidlerstrasse 5 CH-3012 Bern rolf.dach@aiub.unibe.chgerhard.beutler@aiub.unibe.ch Master of Advanced StudiesMAS Gemeinde-, Stadt- und  RegionalentwicklungIn der neuen Regionalpolitik tätig sein?Projekte in der Quartierentwicklung leiten?Eng mit der Bevölkerung zusammenarbeiten?Entwicklungsaufgaben in Städten, Gemeinden und Regionen übernehmen?Bilden Sie sich in unserem interdisziplinären Studiengang weiter!Dauer: Januar 2012 bis Dezember 2013Info-Veranstaltungen: 8. Juni und 20. September 2011Details unter www.hslu.ch/m118 und bei Ute Andree,  T +41 41 367 48 64, ute.andree@hslu.ch––––

GNSS-Forschungsarbeiten am Astronomischen Institut der Universität

http://boris.unibe.ch/10235/1/FA_6_2011_3.pdf

GNSS-Forschungsarbeiten am Astronomischen Institut der Universität

Abstract

Similar works

Full text

Available Versions

Bern Open Repository and Information System (BORIS)