Satellitenbeobachtungen mit Radioteleskopen zur Verknüpfung von Referenzsystemen (SORTS)

• Antragsteller: Privatdozent Dr.-Ing. Axel Nothnagel
• Fachliche Zuordnung: Geodäsie, Photogrammetrie, Fernerkundung, Geoinformatik, Kartographie
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 271598807

• Erstellungsjahr: 2019

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Globale Referenzrahmen dienen zur Positionsbestimmung und Navigation auf der Erde und im Weltraum. Die beiden wichtigsten globalen Referenzrahmen sind der International Terrestrial Reference Frame (ITRF) und der International Celestial Reference Frame (ICRF). Der ITRF ist das Ergebnis einer Kombination von geodätischen Satellitenbeobachtungen und Messungen mit der Very Long Baseline Interferometry (VLBI). Satellitenbahnen und ihre Parameter bilden eigene dynamische Referenzrahmen. Die Beobachtungstechnik der VLBI liefert in ihrer geodätischen Anwendung den globalen Maßstab des ITRF und ist die einzige Technik, die das I CRF realisiert. Das Prinzip der VLBI beruht auf der Beobachtung der Radioemissionen weit entfernter Galaxien, die durch geeignete Auswahl als stabile Fixpunkte am Himmel verwendet werden. Wie diesem Projekt vorausgehende Studien gezeigt haben, birgt die Einbeziehung von VLBI-Beobachtungen entsprechender Satelliten das Potential, den Bezug zwischen himmels- und erdfesten sowie den dynamischen Referenzrahmen der Satellitenbahnen zu verbessern, indem die beobachtungstechnisch direkt an das himmelsfeste System angebunden werden. Die Beobachtung von Satelliten mit VLBI befindet sich noch in der Entwicklungsphase, da die vorhandenen technischen Einrichtungen für die Beobachtung natürlicher Radioquellen konzipiert sind. In diesem Projekt wurden zwei Aspekte für die technische Realisierung von Satellitenbeobachtungen mittels VLBI behandelt. Der erste Teil konzentrierte sich auf die Modellierung der theoretischen Laufzeiten für Nahfeldquellen. Gute Modelle sind unerlässlich für die Korrelation der VLBI-Rohdaten und die Schätzung der Zielgrößen. Da es bisher noch kein analytisches VLBI-Modell für erdnahe Objekte gab, wurde in diesem Projekt ein eigenes Modell entwickelt. Dieses ist zum einen durch Auswahl eines geeigneten Koordinatensystems für Erdsatelliten optimiert, und zum anderen stellt dieses Modell eine analytische Formulierung bereit. Im Gegensatz zu den bisher in der Literatur diskutierten Modellen werden damit aufwändige numerische Berechnungen vermieden. Der zweite Schwerpunkt der Arbeit war die Charakterisierung und Definition eines geeigneten Radiosignals für die Beobachtung von Satelliten mittels VLBI. Erfahrungen mit GPS-Signalen und DOR-Tönen (Differential One-way Ranging) aus Untersuchungen der Beobachtungen des Chang'E-3 Lunar Landers legen nahe, dass für zukünftige geodätische VLBI-Beobachtungen von Satelliten ein breitbandiges Signal als optimal anzusehen ist. Die technische Machbarkeit durch kommerziell erhältliche Bauteile und das Verhalten eines solchen Signals in der Prozesskette der geodätischen VLBI wurden in diesem Projekt vorbereitet. Dabei wurden auch juristische Aspekte untersucht. Die Ergebnisse werden möglicherweise die Grundlage für ein Projekt der ESA sein, die plant, einen Satelliten des Galileo-Systems mit einer entsprechenden VLBI-Signalgenerierungseinheit auszustatten.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• (2017): Current Development Progress in ivg::ASCOT, In: Proceedings of the 23rd European VLBI Group for Geodesy and Astrometry Working Meeting edited by Rüdiger Haas and Gunnar Elgered, ISBN 978-91-88041-09-8, 167-171
  Halsig S, Corbin A, Iddink A, Jaron F, Schubert T, Nothnagel A
  
• (2017): Initial Estimations of the Lunar Lander Position by OCEL Observations. In: Proceedings of the 23rd European VLBI Group for Geodesy and Astrometry Working Meeting edited by Rüdiger Haas and Gunnar Elgered, ISBN 978-91-88041-09-8, 200-204
  Zhang Z, Han S, Nothnagel A, La Porta L, Halsig S, Iddink A, Jaron F, Haas R, Lovell J, Neidhardt A, Pltz C, Tang G
  
• (2017): Near-Field VLBI Delay Models – Implementation and Testing, In: Proceedings of the 23rd European VLBI Group for Geodesy and Astrometry Working Meeting edited by Rüdiger Haas and Gunnar Elgered, ISBN 978-91-88041-09-8, 195-199
  Jaron F, Halsig S, Iddink A, McCallum L, Nothnagel A
  
• (2017): Near-Field VLBI Delay Models. In: Proceedings of the First International Workshop on VLBI Observations of Near-field Targets, October 5 - 6, 2016, A. Nothnagel and F. Jaron (eds.), Schriftenreihe des Inst. f. Geodäsie u. Geoinformation, Vol. 54, ISSN 1864-1113, Bonn, 23-27
  Jaron F, Halsig S, Iddink A, Nothnagel A, Plank L
  
• (2017): Observing the Chang’E-3 Lander with VLBI (OCEL). In: Proceedings of the First International Workshop on VLBI Observations of Near-field Targets, October 5 - 6, 2016, A. Nothnagel and F. Jaron (eds.), Schriftenreihe des Inst. f. Geodäsie u. Geoinformation, Vol. 54, ISSN 1864-1113, Bonn, 23-27
  Haas R, Halsig S, Han S, Iddink A, Jaron F, La Porta L, Lovell J, Neidhardt A, Nothnagel A, Plötz C, Tang G, Zhang Z
  
• (2018): Modelling the VLBI delay for Earth Satellites, Journal of Geodesy
  Jaron F, Nothnagel A
  
• (2019): Fringe fitting and group delay determination for geodetic VLBI observations of DOR tones, Advances in Space Research, 63:1754
  Han S, Nothnagel A, Zhang Z, Haas R, & Zhang Q
  
• (2019): Position determination of the Chang’E-3 lander with geodetic VLBI, Earth, Planets and Space, 71(1):23
  Klopotek G, Hobiger T, Haas R, Jaron F, La Porta L, Nothnagel A, Zhang Z, Han S, Neidhardt A, Plötz C