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Satellitengestützte Geodäsie: Heute und die Zukunft
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Geodäsie (altgriechisch γῆ gé „Erde“ und δαΐηειν daízeïn „teilen“) ist die Wissenschaft
von der Ausmessung und Abbildung der Erdoberfläche:
geometrische Figur der Erde (Geoid, Gelände),
Erdschwerefeld,
Orientierung der Erde im Weltraum (Erdrotation).
(Quelle: Wikipedia)
Gravimetrie (lat. gravitas, „Schwere“, griech. τὸ μζτρον, „das Maß“)
Methoden zur Vermessung des Schwerefeldes der Erde.
(Quelle: Wikipedia)
Definition: Geodäsie und Gravimetrie
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Inhaltsverzeichnis
Motivation
Bekannte Methoden der Geodäsie
Neue Ansätze: GRACE Follow-On und relativistische Geodäsie
Zusammenfassung und Ausblick
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Inhaltsverzeichnis
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Motivation
Bekannte Methoden der Geodäsie
Neue Ansätze: GRACE Follow-On und relativistische Geodäsie
Zusammenfassung und Ausblick
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Messung wichtig, um klimatische Veränderungen sowie den Anstieg des Meerwasser-spiegels zu vestehen und zu beschreiben
aber: Auflösung (400 km) zu grob, um Variationen in der Gletscherstruktur festzustellen (200 km räumliche Auflösung benötigt)
Eisschmelze in Grönland (gemessen von GRACE)
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Eicker et al. 2013
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Absinken des Grundwasserspiegels in Indien
Wichtig für Landwirtschaft (Bewässerung, Nachhaltigkeit)
In mehreren Regionen werden ähnliche Probleme beobachtet
Monitoring von Wasserfluss und Wasserresourcen
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Tiwari et al. 2009
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Trockenheit in Kalifornien
© David McNew/Getty Images
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© Felix W. Landerer, NASA Jet Propulsion Laboratory
Trockenheit in Kalifornien
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Bestimmung des Meeresspiegelanstiegs
Church et al. 2013 (IPCC Assessment Report 5)
Total Sea Surface Height (Altimetry)
+3.0 mm/y
+1.1 mm/y
+1.8 mm/y
Bestimmung und Verständnis des Meeresspiegelanstiegs
Satellitenaltimetrie, z.B. Envisat Topex/Poseidon
Ozeanographie, z.B. Argo Programm
GRACE
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Inhaltsverzeichnis
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Motivation
Bekannte Methoden der Geodäsie
Neue Ansätze: GRACE Follow-On und relativistische Satellitengeodäsie
Zusammenfassung und Ausblick
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Höhenmessung - Altimetrie
Absolute Höhen: physikalisch, Bezug auf Meeresspiegel
Satellitenaltimetrie: rein geometrische Bestimmung der Meereshöhe, Bezug auf ein mathematisches Erdellipsoid (WGS84-/EGM2008-System)
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Höhenmessung - Altimetrie
Absolute Höhen: physikalisch, Bezug auf Meeresspiegel
Satellitenaltimetrie: rein geometrische Bestimmung der Meereshöhe, Bezug auf ein mathematisches Erdellipsoid (WGS84-/EGM2008-System)
Messprinzip der Satellitenaltimetrie: Nutzlast Radar-Altimeter
Kurzwellige Radiopulse
Satellit
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Höhenmessung - Altimetrie
Absolute Höhen: physikalisch, Bezug auf Meeresspiegel
Satellitenaltimetrie: rein geometrische Bestimmung der Meereshöhe, Bezug auf ein mathematisches Erdellipsoid (WGS84-/EGM2008-System)
Messprinzip der Satellitenaltimetrie: Nutzlast Radar-Altimeter
Kurzwellige Radiopulse
Satellit
Reflexion des Signals
Wasseroberfläche
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Höhenmessung - Altimetrie
Absolute Höhen: physikalisch, Bezug auf Meeresspiegel
Satellitenaltimetrie: rein geometrische Bestimmung der Meereshöhe, Bezug auf ein mathematisches Erdellipsoid (WGS84-/EGM2008-System)
Messprinzip der Satellitenaltimetrie: Nutzlast Radar-Altimeter
Kurzwellige Radiopulse
Satellit
Reflexion des Signals
Wasseroberfläche
Empfang des reflektierten
Signals Satellit
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Höhenmessung - Altimetrie
Kurzwellige Radiopulse
Satellit
Reflexion des Signals
Wasseroberfläche
Empfang des reflektierten
Signals Satellit
Aus der Laufzeit des Signals wird die Meereshöhe bestimmt
wichtig: die Flugbahn des Satelliten muss genau bekannt sein geozentrische Höhe in Bezug auf Referenzellipsoid
Mean Sea Level trends computed from altimetry, from January 1993 to 2005, © LEGOS/CNRS
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Gravimetrie
Methoden, um Verlauf des Geoids bzw. der Niveauflächen durch Messung der Schwerkraft zu ermitteln
Satellitengravimetrie
Gradiometrie: gleichzeitige Messung eines Schweregradienten mit zwei „Sonden“ in einem festen Relativabstand
Satellite-to-Satellite Tracking (SST): Mikrowellen-Distanzmessung
zwischen zwei Satelliten
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Satellitengravimetrie
© R. Rummel, TUM-IAS
Satelliten als frei fallende Körper
1. Fall: Kugelsymmetrisches Gravitationspotential Keplerorbit (space-fixed) 2. Fall: Rotation der Erde, Abflachung des Potentials Präzession des Orbits 3. Fall: „reale“ Erde Modulation des Orbits durch
Schwerefeldanomalien
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Satellitengravimetrie
Mehrere frei fallende Körper:
1 Satellit mit mehreren „Testmassen“ als Nutzlast
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Satellitengravimetrie
Mehrere frei fallende Körper:
1 Satellit mit mehreren „Testmassen“ als Nutzlast
2 Satelliten im Orbit
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Intersatellite-Ranging mit Mikrowellen (SST)
Satellitengravimetrie
Gradiometrie z.B. mit elektrostatischen
Beschleunigungssensoren
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GRACE (seit 2002)
Satellitengravimetrie
GOCE (2009 – 2013)
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GOCE: Gravity field and steady-state Ocean Circulation Explorer
1995: Beginn der Entwicklungsphase im ESA-Forschungsprogramm „Living Planet“ (u.a. Astrium, Thales Alenia Space, ONERA)
Launch: 17. März 2009, Missionsende: 11. November 2013 (Verglühen des Satelliten in der Erdatmosphäre nach Ende der Treibstoffvorräte) Kreisbahn, sonnensynchroner und polarer Orbit Inklination: i = 96.7: Flughöhe: 255 km Niedrige Flughöhe ermöglichte präzise Vermessung des Erdgeoids
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GOCE: Gravity field and steady-state Ocean Circulation Explorer
Abbremsen des Satelliten in der Restatmosphäre der Erde in dieser Höhe
Dauerhafter Schub nötig, um Flugbahn zu halten Minimieren des Luftwiderstandes durch aerodynamische Form des Satelliten
©ESA /AOES Medialab
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GOCE: Gravity field and steady-state Ocean Circulation Explorer
Drag-Free-Konzept: Kompensation von Störkräften durch entsprechende Lageregelung (Ionen-Triebwerke: Schub zwischen 1 und 20 mN)
Nahezu perfekt frei fallende Testmassen im Schwerefeld der Erde
Messmethode: 3-Achs-Schweregradiometer mit 6 elektrostatischen Beschleunigungssensoren
©ONERA ©ONERA
Drag-Free-Konzept
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Drag-Free-Konzept: Kompensation von Störkräften durch entsprechende Lageregelung (Ionen-Triebwerke: Schub zwischen 1 und 20 mN)
Nahezu perfekt frei fallende Testmassen im Schwerefeld der Erde
Messmethode: 3-Achs-Schweregradiometer mit 6 elektrostatischen Beschleunigungssensoren
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GOCE: Gravity field and steady-state Ocean Circulation Explorer
Jedes Akzelerometer hat zwei sensitive Achsen; Genauigkeit: 10-12 m/s2 eine nicht-sensitive Achse; Genauigkeit: 10-10 m/s2
©TU München - IAPG
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GOCE: Gravity field and steady-state Ocean Circulation Explorer
Gemessene Beschleunigung:
Gravitationsgradient entlang eines Gradiometerarms
Winkelbeschleunigung durch Rotation des Satelliten
Zentrifugalbeschleunigung durch Rotation des Satelliten
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GOCE: Gravity field and steady-state Ocean Circulation Explorer
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GOCE: Gravity field and steady-state Ocean Circulation Explorer
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GOCE: Gravity field and steady-state Ocean Circulation Explorer
Ergebnis ermittelt aus GOCE-Daten nach 60 Beobachtungstagen, Messgröße in [mGal] (1 Gal = 0.01 m/s2)
©CNES
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GOCE: Gravity field and steady-state Ocean Circulation Explorer
GOCE lieferte bis 2013 das beste Abbild des Erdschwerefeldes
Auflösung des Höhenprofils mit einer Genauigkeit von 2cm (räumliche Auflösung: 100 km)
Daten dokumentieren den Anstieg des Meeresspiegels und Strömungsveränderungen
„Kartoffel“: unterschiedliche Stärke des Schwerefeldes bewirkt auf den Ozeanen Wölbungen und Eindellungen
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GOCE: Gravity field and steady-state Ocean Circulation Explorer
Schwerefeld-Anomalien, dargestellt in zehntausendfacher Übersteigerung ©ESA/HPF/DLR
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GRACE: Gravity Recovery And Climate Experiment
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Gemeinsame Mission von der National Aeronautics and Space Administration (NASA) und des Deutsches Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) Launch: 17.03.2002, andauernder Betrieb
2 baugleiche Satelliten (Astrium): GRACE A und GRACE B („Tom und Jerry“)
©NASA/JPL
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GRACE: Gravity Recovery And Climate Experiment
Flughöhe: 500 km, initialer Abstand zwischen den beiden Satelliten: 220 km, polarer Orbit (Inklination: i = 89:)
Messgröße: Änderung des Abstands zwischen den beiden Satelliten
SST mit K/Ka-Band Ranging (KBR): Abstandsmessung der Satelliten (K-Band-Signal: 24 GHz, Ka-Band-Signal: 32 GHz) Genauigkeit: 10-6 m = 1µm
©NASA/JPL
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PAGE 34
GRACE: Gravity Recovery And Climate Experiment
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GRACE: Gravity Recovery And Climate Experiment
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GRACE: Gravity Recovery And Climate Experiment
220 km
50
0 k
m
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GRACE: Gravity Recovery And Climate Experiment
220 km
50
0 k
m
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GRACE: Gravity Recovery And Climate Experiment
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GRACE: Gravity Recovery And Climate Experiment
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Schwerefeldanomalien ermittelt mit Hilfe von Tracking- Daten von 30 Satelliten, Aufzeichnungszeitraum: 20 Jahre
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GRACE: Gravity Recovery And Climate Experiment
© GFZ Potsdam
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Schwerefeldanomalien ermittelt aus den Daten der CHAMP-Mission, Aufzeichnungszeitraum: 16 Monate
PAGE 41
GRACE: Gravity Recovery And Climate Experiment
© GFZ Potsdam
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Schwerefeldanomalien ermittelt aus GRACE-Daten, Aufzeichnungszeitraum: 39 Tage
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GRACE: Gravity Recovery And Climate Experiment
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GRACE: Gravity Recovery And Climate Experiment
Beispiel Amazonasbecken: Mit Hilfe der GRACE-Daten können saisonale Schwankungen des Grund- wasserspiegels abgebildet werden
©NASA/JPL
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Verbesserung der Kenntnis des Erdschwerefelds um 2 Größenordnungen
Schwerefeldanomalien über 2000 km Wellenlänge auf 0.2 mm genau (von 20mm) Schwerefeldanomalien über 500 km Wellenlänge auf 4 mm genau (von 30 mm)
Zeitliche Variationen des Geoids können mit einer Genauigkeit von 2 – 3 mm
aufgelöst werden (räumliche Auflösung 400 km)
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GRACE: Gravity Recovery And Climate Experiment
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Inhaltsverzeichnis
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Motivation
Bekannte Methoden der Geodäsie
Neue Ansätze: GRACE Follow-On und relativistische Geodäsie
Zusammenfassung und Ausblick
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GRACE Follow-On
Ziele der GRACE Follow-On Mission (Launch 2017):
Weitere Aufzeichnung der hochaufgelösten, monatlichen, globalen Modelle des Erdgravitationsfelds (5 Jahre)
Demonstration des Nutzens und Beitrag von LRI (Laser Ranging Interferometer) zur Verbesserung des low-low SST (Satellite-to-Satellite Tracking) Messprinzips
Erstes „interspacecraft” Laserinterferometer (NASA/JPL, DLR): Technologiedemonstrator
Verbesserung gegenüber GRACE: Abstandsmessung im nm-Bereich möglich
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Inhaltsverzeichnis
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Motivation
Bekannte Methoden der Geodäsie
Neue Ansätze: GRACE Follow-On und relativistische Geodäsie
Zusammenfassung und Ausblick
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Relativistische Geodäsie
Relativistische Effekte spielen zunehmend wichtige Rolle
SRT: Konstanz der Lichtgeschwindigkeit, Zeitdilatation ART: Einfluss des Gravitationsfeldes auf Raum und Zeit
Geodäsie: ART Einfluss auf
Bewegungsgleichung von Satelliten Signalausbreitung Uhrengang im Schwerefeld
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Relativistische Geodäsie
Relativistische Effekte spielen zunehmend wichtige Rolle
SRT: Konstanz der Lichtgeschwindigkeit, Zeitdilatation ART: Einfluss des Gravitationsfeldes auf Raum und Zeit
Geodäsie: ART Einfluss auf
Bewegungsgleichung von Satelliten Signalausbreitung Uhrengang im Schwerefeld
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Meeresoberfläche
Geoid
Oberfläche
Relativistische Geodäsie
Vergleich von geometrischen Geoidmodellen (EGM2008 bzw. WGS84) mit Satellitendaten liefert Abweichungen im dm-Bereich
Ultrapräzise Atomuhren (Genauigkeit: 10-18 s) eröffnen neue Möglichkeiten der Höhenmessung
Einfluss der Gravitation auf „die Zeit“ messbar
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Relativistische Geodäsie
Raum und Zeit:
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Relativistische Geodäsie
Raum und Zeit:
Zeitdilatation im Schwerefeld der Erde
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Relativistische Geodäsie
Atomarer Übergang zwischen zwei Niveaus: Emission von Licht mit
Folge: Uhren ticken unterschiedlich schnell an Orten mit ( τ, ν und λ ) und ohne ( t(r), ν(r) und λ(r) ) Einfluss eines Schwerefeldes
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Messung der Rotverschiebung: 2 Uhren in unterschiedlichen Höhen in einem Schwerefeld: r1 und r2 = r1+h (mit h << r1)
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Relativistische Geodäsie
Für einen Satelliten auf einer Umlaufbahn mit einer Flughöhe von 200km (rErde = 6350 km, rS = 9 mm) ergibt sich für einen Wasserstoffmaser (1.4 GHz Tickrate) eine gravitative Rotverschiebung von ca.
Das entspricht einer relativen Frequenzänderung von ca. 0.03 Hz.
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Relativistische Geodäsie
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Relativistische Geodäsie
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Verbesserung: „Chronometrisches Leveling” in cm-Genauigkeit über große Distanzen
Schaffen von Grundlagen für ein global einheitliches Höhensystem
Uhrenbasiertes Höhensystem (“Relativistisches Geoid”) als
neues Referenzsystem in der Geodäsie
• geopotential models • satellite orbits • geocenter coordinates
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Inhaltsverzeichnis
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Motivation
Bekannte Methoden der Geodäsie
Neue Ansätze: GRACE Follow-On und relativistische Geodäsie
Zusammenfassung und Ausblick
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Zusammenfassung und Ausblick
Ziel der Satellitengravimetrie ist es,
ein globales Bild von dynamischen Prozessen auf der Erde zu erstellen, nicht „nur“ das Schwerefeld der Erde zu vermessen
klimatische Trends zu ermitteln und fundierte Vorhersagen treffen zu können (Grundlage zur Entwicklung und Anwendung von Maßnahmen)
Zukunft:
Verbesserung der Technologie (LRI, Uhren)
Entwicklung neuer Referenzsysteme und Modelle unter Berücksichtigung von der SRT und ART sowie neuer Messdaten
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Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!
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