Robuste VLBI-Positionsbestimmung

Die Hauptzielsetzung dieser Arbeit besteht in der Verbesserung der Robustheit und Stabilität der Ergebnisse der Intra-Technik-Kombination von Very Long Baseline Interferometry (VLBI) Daten. Dies soll durch eine neue, optimierte Kombinationsmethode erreicht werden, die im Kontext des International VLBI Service for Geodesy and Astrometry (IVS) entwickelt wurde. Die neue Methode übertrifft bestehende Ansätze in theoretischer und praktischer Hinsicht, beispielsweise durch die Verwendung datenfreier Normalgleichungssysteme und eines Varianzkomponenten-Schätzungsansatzes (Variance Component Estimation, VCE). Ein zentrales Element ist die detaillierte Analyse der einzelnen Beiträge der Analysis Centers (ACs), um verbleibende systematische Unterschiede aufzudecken und zu eliminieren. Die Validierung der Ergebnisse erfolgt durch Vergleich mit Daten anderer raumgeodätischer Techniken, um den Nutzen der neuen Kombinationsmethode zu demonstrieren. Die Arbeit betont die Notwendigkeit, die Vorteile einzelner Techniken zu nutzen und gleichzeitig deren spezifische Schwächen zu überwinden, was durch die Inter-Technik-Kombination erreicht werden kann. Allerdings liegt der Fokus klar auf der Intra-Technik-Kombination von VLBI-Daten, wobei die verschiedenen ACs oftmals unterschiedliche Softwarepakete und Ansätze verwenden, was zu Abweichungen bei der Ausreißerbehandlung, der Verwendung von nicht standardisierten Analyseoptionen und sogar durch kleine logische oder Programmierfehler entstehen kann. Die Reduktion des 'Analyst Noise' steht im Mittelpunkt.

Die Arbeit untersucht detailliert die systematischen Unterschiede in den VLBI-Lösungen, die von verschiedenen ACs mit unterschiedlicher Software (z.B. OCCAM und CALC/SOLVE) und Analysemethoden erzeugt werden. Ein Schwerpunkt liegt dabei auf der Identifizierung der Ursachen für diese Diskrepanzen. Es wird festgestellt, dass die größten systematischen Unterschiede in den Höhenkomponenten der Stationspositionen auftreten, oft zurückzuführen auf unterschiedliche Polgezeitenmodelle. Die Inkonsistenzen in den Ergebnissen resultieren aus verschiedenen Analyseoptionen, die nicht durch Konventionen festgelegt sind, wie z.B. die Parametrisierung und Behandlung von Randbedingungen für Uhr- und Atmosphäreparameter, die Wahl der Referenz-Uhr, die Parametrisierung von baseline-abhängigen Uhr-Offsets und die Einführung von Clock Breaks im Gleichungssystem. Die Arbeit zeigt, wie durch Anpassung der Analyseoptionen und die Anwendung der Varianzkomponenten-Schätzung (VCE) die systematischen Unterschiede reduziert und die Konsistenz der Ergebnisse deutlich verbessert werden können. Die Darstellung der Ergebnisse erfolgt sowohl für Stationspositionen als auch für die Earth Orientation Parameters (EOPs). Der Vergleich der Ergebnisse vor und nach der Anpassung der Analyseoptionen illustriert den positiven Effekt der Maßnahmen auf die Genauigkeit und die Interpretierbarkeit der kombinierten Lösungen. Der 'Analyst Noise' wird durch diese detaillierte Analyse und Harmonisierung der Analysemethoden reduziert.

Um die unterschiedliche Qualität der einzelnen Beiträge zum Kombinationsprozess zu berücksichtigen, wird die Varianzkomponenten-Schätzung (VCE) eingesetzt. Diese Methode bestimmt relative Gewichtungsfaktoren für die einzelnen Beiträge, indem sie individuelle Varianzfaktoren für Gruppen von Beobachtungen berechnet, anstatt einen gemeinsamen a-posteriori Varianzfaktor zu verwenden. Die reziproken Werte der geschätzten Varianzfaktoren dienen als Gewichte für jeden Beitrag. Die Arbeit erklärt die im IVS-Kombinationsansatz eingeführte VCE und diskutiert die berechneten Varianzfaktoren für jeden Beitrag. Vergleiche zeigen den Nutzen des Varianzkomponenten-Ansatzes. Das SINEX-Format (Solution INdependent EXchange format) wird als Mechanismus für den Austausch der Beiträge der einzelnen ACs verwendet. Die sessionsspezifische Gewichtung ermöglicht eine flexible Anpassung, z.B. die Herabsetzung des Gewichts eines AC-Beitrags, wenn bei einer Station ein Clock Break nicht erkannt wurde. Ein Nachteil dieser Methode kann die geringere Robustheit bei der Bestimmung von Gewichtungen sein, die die unterschiedlichen Analysestrategien der einzelnen ACs repräsentieren. Letztendlich wird ein kombiniertes, datenfreies Normalgleichungssystem durch Addition der gewichteten Normalgleichungen jedes Beitrags berechnet. Dieses kann für weitere Kombinationen mit anderen raumgeodätischen Techniken verwendet werden und dient zur Generierung von Produkten wie einem kombinierten TRF, einer langfristigen EOP-Zeitreihe und kombinierten Stationspositions-Zeitreihen.

Ein zentraler Aspekt dieser Arbeit ist der detaillierte Vergleich von VLBI-Lösungen, die von verschiedenen Analysis Centers (ACs) erstellt wurden. Die ACs verwenden unterschiedliche Softwarepakete und Analysemethoden, was zu systematischen Unterschieden in den Ergebnissen führt. Der Fokus liegt auf der Identifizierung und Quantifizierung dieser Unterschiede, um die Ursachen zu verstehen und die Konsistenz der VLBI-Lösungen zu verbessern. Die Vergleiche umfassen sowohl die Stationspositions-Zeitreihen als auch die Earth Orientation Parameter (EOP)-Zeitreihen. Die größten systematischen Unterschiede wurden in den Höhenkomponenten der Stationspositionen festgestellt und konnten auf Unterschiede in den verwendeten Polgezeitenmodellen zurückgeführt werden. Die Arbeit von Böckmann et al. (2007) dient als Beispiel, in dem die Lösungen von zwei ACs (DGFI und IGG), die unterschiedliche VLBI-Softwarepakete (OCCAM und CALC/SOLVE) einsetzen, verglichen werden. Dabei werden durchschnittliche Höhenunterschiede von bis zu 5 mm mit einem klaren systematischen Verhalten der Vorzeichen in den einzelnen Quadranten der Erde festgestellt. Nach Anpassung der Analyseoptionen konnten diese Unterschiede deutlich reduziert werden, was die Bedeutung konsistenter Analysemethoden unterstreicht. Die Ergebnisse zeigen, dass auch bei Verwendung der gleichen Softwarepakete, unterschiedliche Analyseoptionen zu systematischen Fehlern führen können. Eine detaillierte Analyse der Ergebnisse ist notwendig, um die Ursachen der Diskrepanzen zu identifizieren und Maßnahmen zur Verbesserung der Datenqualität zu entwickeln. Diese Analysen tragen zur Reduzierung des 'Analyst Noise' bei.

Die Untersuchung konzentriert sich auf die Identifizierung und Analyse der systematischen Fehlerquellen, die zu den Diskrepanzen zwischen den VLBI-Lösungen der verschiedenen ACs führen. Hierbei werden verschiedene Aspekte der Datenverarbeitung und Modellierung betrachtet. Unterschiede in der Modellierung von Parametern wie atmosphärische Verzögerungen, Uhrfehler und Polgezeiten werden als wesentliche Fehlerquellen identifiziert. Die Arbeit diskutiert die Auswirkungen von Analyseoptionen, die nicht durch Konventionen festgelegt sind, auf die Genauigkeit und Konsistenz der Ergebnisse. Beispielsweise wird die Wahl der Referenz-Uhr, die Parametrisierung baseline-abhängiger Uhr-Offsets und die Behandlung von Clock Breaks als potenzielle Fehlerquellen analysiert. Diese Punkte sind nicht durch Konventionen vollständig standardisiert und können zu erheblichen systematischen Unterschieden in den Ergebnissen führen. Es wird deutlich, dass die konsistente Anwendung von Modellen und Parametern gemäß den IERS-Konventionen und den IVS-Analysekonventionen essentiell für die Verbesserung der Datenqualität ist. Die Arbeit betont die Notwendigkeit, die verwendeten Modelle und Parameter sorgfältig zu überprüfen und zu harmonisieren, um den 'Analyst Noise' zu minimieren und die Vergleichbarkeit der VLBI-Lösungen zu gewährleisten. Die Ergebnisse zeigen, dass durch die Anpassung von Analyseoptionen und die Anwendung einer einheitlichen Methodik die systematischen Unterschiede deutlich reduziert werden können.

Um die Konsistenz der VLBI-Lösungen zu verbessern, werden die Analyseoptionen der verschiedenen ACs angepasst und harmonisiert. Die Arbeit zeigt, wie durch die Verwendung konsistenter Modelle und Parameter (z.B. einheitliches Polgezeitenmodell) die systematischen Unterschiede zwischen den Lösungen reduziert werden können. Beispielsweise wird gezeigt, dass Unterschiede in der Modellierung von Polgezeiten zu signifikanten Abweichungen in den Höhenkomponenten der Stationspositionen führen können. Nach Anpassung der Polgezeitenmodelle konnten die Höhenunterschiede auf unter 1 mm reduziert werden. Der Vergleich von Zeitreihen der Stationspositionen und EOPs vor und nach der Anpassung der Analyseoptionen verdeutlicht den positiven Effekt dieser Maßnahmen. Die Ergebnisse zeigen eine deutlich verbesserte Übereinstimmung der einzelnen Lösungen nach Anpassung der Analyseoptionen. Insbesondere die ACs GSFC, SHAO und USNO, die die gleiche Software und ähnliche Lösungsansätze verwenden, zeigen nahezu identische Ergebnisse. Auch die Ergebnisse von DGFI, welches ein anderes Softwarepaket (OCCAM) verwendet, zeigen eine gute Übereinstimmung nach der Anpassung der Analyseoptionen. Die Arbeit unterstreicht somit die Bedeutung einer standardisierten Datenverarbeitung und einheitlicher Analysemethoden für die Verbesserung der Datenqualität und die Reduktion des 'Analyst Noise'. Die Auswirkungen der Anpassungen auf die Genauigkeit der kombinierten Lösung werden anhand verschiedener Beispiele detailliert dargestellt.

Die Arbeit beschreibt den Beitrag der Very Long Baseline Interferometry (VLBI) Technik zur Erstellung des International Terrestrial Reference Frame (ITRF) 2005. Der Fokus liegt auf der Methodik der Datenkombination und der Analyse der Ergebnisse. Die Arbeit von Vennebusch et al. (2007) liefert detaillierte Einblicke in die Rolle des VLBI für die ITRF2005-Realisation. Es wird deutlich, dass die Kombination der Daten verschiedener Analysis Centers (ACs) von entscheidender Bedeutung ist, um die Genauigkeit und Zuverlässigkeit des ITRF zu verbessern. Die Herausforderung liegt darin, systematische Unterschiede zwischen den einzelnen AC-Beiträgen zu identifizieren und zu minimieren. Diese Unterschiede können aus verschiedenen Ursachen resultieren, einschließlich unterschiedlicher Software, Analysemethoden und Modellierungen. Die Arbeit betont die Bedeutung von konsistenten Datenverarbeitungsverfahren und standardisierten Analyseoptionen, um die Vergleichbarkeit und die Qualität der kombinierten VLBI-Ergebnisse zu gewährleisten. Es werden Probleme bei der Kombination von Ergebnissen auf der Ebene einzelner Zahlen (Averaging) diskutiert, insbesondere im Hinblick auf die Vernachlässigung der Interaktion zwischen Earth Orientation Parameters (EOPs) und dem zugrundeliegenden TRF. Die Notwendigkeit datenfreier Normalgleichungssysteme wird hervorgehoben, um diese Probleme zu umgehen. Die Arbeit legt den Grundstein für weitere Verbesserungen der VLBI-Datenkombination und deren Beitrag zur präzisen Bestimmung des ITRF.

Aufbauend auf den Erfahrungen mit der ITRF2005-Erstellung wird der Beitrag des VLBI zum ITRF2008 detailliert beschrieben. Böckmann et al. (2010b) liefern wichtige Einblicke in diesen Prozess. Es wurden signifikante Fortschritte bei der Homogenisierung der VLBI-Daten erzielt, insbesondere durch die Verwendung eines einheitlichen Satzes von Antennenachsen-Offsets und eines Hochfrequenz-EOP-Modells gemäß den IERS Konventionen 2003. Die Analyse umfasst insgesamt 4539 tägliche VLBI-Sitzungen von 1979.7 bis 2009.0 mit Daten von 115 verschiedenen VLBI-Standorten, darunter die neu hinzugekommenen Stationen Zelenchukskaya und Badary. Die Daten wurden mit neuesten Modellen, wie dem VMF1 für atmosphärische Verzögerungen, und Korrekturen für die Wärmeausdehnung der Radioteleskope, homogen verarbeitet. Der Fokus liegt auf der Verwendung datenfreier Normalgleichungssysteme und der Anwendung der Varianzkomponenten-Schätzung (VCE) zur Gewichtung der individuellen AC-Beiträge. Die Arbeit beschreibt das entwickelte Kombinationsverfahren und die damit erzielte Verbesserung der Robustheit und Stabilität der Ergebnisse. Die systematische Analyse der einzelnen AC-Beiträge zeigt, dass durch die Homogenisierung der Daten und die Anwendung einer verbesserten Kombinationsmethode die Qualität der VLBI-Beiträge zum ITRF2008 deutlich gesteigert werden konnte. Die Integration neuer Daten und die Überwindung von Diskrepanzen aus der ITRF2005-Erstellung führten zu verbesserten und konsistenten Ergebnissen.

Dieser Abschnitt beschreibt detailliert die Datenverarbeitung und die Kombinationsmethoden, die für die Erstellung der ITRF2005 und ITRF2008 verwendet wurden. Es wird die Bedeutung von datenfreien Normalgleichungssystemen hervorgehoben, die die direkte Interaktion zwischen den Earth Orientation Parameters (EOPs) und dem zugrundeliegenden terrestrischen Bezugssystem (TRF) berücksichtigen. Das Solution INdependent EXchange format (SINEX) wird als Austauschformat für die Beiträge der einzelnen Analysis Centers (ACs) verwendet. Die Arbeit diskutiert verschiedene Möglichkeiten für eine rigorose Kombination von VLBI-Daten und beschreibt die im IVS-Kombinationszentrum entwickelte Methode. Im Kontext des ITRF2008 werden detaillierte interne Vergleiche der geschätzten Parameter durchgeführt, um systematische Unterschiede zwischen den AC-Beiträgen zu identifizieren. Um systematische Abweichungen besser zu erkennen, wurden gleitende 90-Tage-Mittelwerte der Zeitreihen berechnet. Die Arbeit betont die Notwendigkeit, konsistente Standards einzuhalten und systematische Unterschiede zwischen den einzelnen AC-Beiträgen zu minimieren, um die Qualität und Interpretierbarkeit der kombinierten Produkte zu gewährleisten. Die Verwendung des SINEX-Formats und die datenfreien Normalgleichungssysteme ermöglichen einen effizienten und robusten Kombinationsprozess. Die Ergebnisse dieser Verfahren wurden durch den Vergleich mit Ergebnissen anderer raumgeodätischer Techniken verifiziert.

Ein wichtiger Aspekt der Validierung der verbesserten VLBI-Kombinationsmethode ist der Vergleich der Ergebnisse mit Daten anderer raumgeodätischer Techniken, insbesondere des Global Navigation Satellite Systems (GNSS). Dieser Vergleich dient dazu, die Genauigkeit und Zuverlässigkeit der kombinierten VLBI-Lösungen zu bewerten und systematische Unterschiede zu identifizieren. Die Analyse konzentriert sich auf die Earth Orientation Parameters (EOPs), speziell die Length Of Day (LOD) und die Polbewegung. Es werden signifikante Diskrepanzen in der LOD festgestellt, die auf unterschiedliche Messprinzipien und Modellierungen zurückgeführt werden. Während VLBI die LOD direkt geometrisch misst, wird die GNSS-LOD durch physikalische Parameter der Satellitenbahnen beeinflusst, die im Laufe des Tages variieren. Diese Unterschiede erschweren den direkten Vergleich und die Interpretation der Ergebnisse. Die Diskrepanzen in der Polbewegung werden eher dem VLBI-System zugeschrieben, da das GNSS-bezogene terrestrische Bezugssystem (TRF) im Allgemeinen stabiler ist. Ein signifikanter Ausschlag in den Y-Pol-Differenzen im Jahr 2006 wird auf erhebliche Veränderungen im VLBI-Netzwerk zurückgeführt, wie z.B. den Ausfall von Stationen oder die Inbetriebnahme neuer Stationen. Die Analyse der formalen Fehler zeigt, dass diese in einigen Fällen zu optimistisch sind, was eine Skalierung der Fehler erfordert, um eine bessere Übereinstimmung mit den GNSS-Daten zu erreichen. Die Ergebnisse verdeutlichen die Komplexität des Vergleichs verschiedener raumgeodätischer Techniken und die Notwendigkeit, die spezifischen Stärken und Schwächen der einzelnen Verfahren zu berücksichtigen.

Die Validierung der VLBI-Ergebnisse im Vergleich zu GNSS-Daten konzentriert sich insbesondere auf die Analyse von Diskrepanzen in der Length Of Day (LOD) und der Polbewegung. Die LOD-Diskrepanzen sind komplex und resultieren aus den unterschiedlichen Messprinzipien von VLBI und GNSS. VLBI misst die LOD direkt geometrisch, während die GNSS-LOD von physikalischen Parametern der Satellitenbahnen beeinflusst wird, die über den Tag variieren. Nicht modellierte Kräfte, die auf die Satelliten wirken, können die LOD-Schätzungen verfälschen. GNSS ist daher weniger geeignet für die Bestimmung des Langzeitverhaltens der LOD. Im Gegensatz dazu sind die VLBI-Ergebnisse bei hohen Frequenzen aufgrund der kleineren terrestrischen Netze und damit weniger robusten Gleichungssysteme im Kurzzeitbereich verrauschter. Die Diskrepanzen in der Polbewegung werden hauptsächlich dem VLBI zugeschrieben, da das GNSS-TRF stabiler ist. Ein signifikanter Ausschlag in den Y-Pol-Differenzen im Jahr 2006 wird durch Veränderungen im VLBI-Netzwerk erklärt, wie z.B. den Ausfall oder die Inbetriebnahme von Stationen. Die Analyse der formalen Fehler zeigt, dass diese zu optimistisch sind, sowohl für die einzelnen VLBI-Reihen als auch für die kombinierte Lösung. Eine Skalierung der formalen Fehler ist notwendig, um die Übereinstimmung mit den GNSS-Daten zu verbessern.

Trotz der zufriedenstellenden Ergebnisse der IVS Intra-Technik-Kombination besteht weiterhin Potenzial für Verbesserungen. Die Analyse zeigt eine hohe Homogenität der individuellen Beiträge, mit kleinen Unterschieden zwischen den einzelnen und den kombinierten Zeitreihen (unter 1,5 mm für horizontale und 2,2 mm für Höhenkomponenten der Stationspositionen). Die EOP-Werte zeigen eine ähnliche Konsistenz. Zukünftige Verbesserungen könnten durch die explizite Einbeziehung zusätzlicher Parameter in die Normalgleichungssysteme erreicht werden, wie z.B. Quellpositionen und möglicherweise troposphärische Zenitpfadverzögerungen und Gradienten. Dieser Ansatz wurde bereits vorgeschlagen und in Projekten wie GGOS-D erfolgreich demonstriert, ist aber noch nicht in den internationalen Diensten implementiert. Ein weiterer Entwicklungsschritt ist die Untersuchung der direkten Verwendung von Beobachtungsgleichungen anstelle von Normalgleichungssystemen als Beiträge der einzelnen ACs. Dies ermöglicht eine rigorosere Berücksichtigung von Korrelationen zwischen den einzelnen AC-Beiträgen. Die Herausforderung besteht jedoch in der Bewältigung des steigenden Datenvolumens, insbesondere im Hinblick auf das zukünftige VLBI2010-Konzept und die Anwendung auf Techniken mit einer wesentlich größeren Anzahl von Beobachtungen wie GNSS.

Die Arbeit schlägt vor, die entwickelte Intra-Technik-Kombinationsmethode auch auf die sogenannten Intensiven VLBI-Sitzungen anzuwenden. Bisher wurden nur die Beiträge der regulären 24-Stunden-VLBI-Netzwerksitzungen kombiniert. Intensive Sitzungen dienen der täglichen Messung des Erdrotationswinkels UT1, der im Vergleich zu anderen EOP-Komponenten die größte Variabilität aufweist. Aufgrund der geringen Anzahl von Beobachtungen in diesen Sitzungen sind die Gleichungssysteme und die geschätzten Parameter weniger robust, wodurch der Einfluss der gewählten Analyseoptionen und der 'Analyst Noise' größer ist als bei den regulären 24-Stunden-Sitzungen. Es wird erwartet, dass die Intensiven Sitzungen stark von einer Intra-Technik-Kombination profitieren, was in zukünftigen Arbeiten untersucht werden soll. Zusätzlich zur Intra-Technik-Kombination könnten diese Sitzungen auch von einer Inter-Technik-Kombination mit beispielsweise GPS-Beobachtungen profitieren. Diese Erweiterung verspricht eine Verbesserung der Genauigkeit und Robustheit der UT1-Bestimmung, insbesondere durch die Reduzierung des 'Analyst Noise' und die Berücksichtigung zusätzlicher Informationen aus anderen raumgeodätischen Techniken.

Ein weiterer wichtiger Entwicklungsschritt besteht in der Untersuchung der direkten Verwendung von Beobachtungsgleichungen anstelle von Normalgleichungssystemen als Beiträge der einzelnen Analysis Centers (ACs). Nur eine Kombination auf der Ebene der Beobachtungsgleichungen ermöglicht eine rigorose Berücksichtigung der Korrelationen zwischen den einzelnen AC-Beiträgen. Die Anzahl der Beobachtungen pro Sitzung ist mit etwa 5.000 pro AC (35.000 für sieben ACs) in einer Standard-VLBI-Sitzung ausreichend für einen solchen Ansatz. Die Herausforderung liegt jedoch in der Bewältigung des stark wachsenden Datenvolumens, insbesondere mit der Realisierung des zukünftigen VLBI2010-Konzepts, welches eine Verzehnfachung der Beobachtungen vorsieht. Diese Skalierung stellt hohe Anforderungen an die Rechenleistung und die Speicherkapazität. Die Übertragung dieses Kombinationsansatzes auf andere Techniken mit einer viel größeren Anzahl von Beobachtungen, wie GNSS, könnte durch die benötigten Rechenressourcen zusätzlich erschwert werden. Trotzdem würde diese Methode die Genauigkeit und die Konsistenz der kombinierten Lösungen weiter verbessern.

Die Arbeit identifiziert weitere Möglichkeiten zur Verbesserung der VLBI-Datenkombination und der Genauigkeit der Ergebnisse. Eine wichtige Erweiterung besteht in der expliziten Einbeziehung zusätzlicher Parameter in die Normalgleichungssysteme, wie z.B. Quellpositionen und troposphärische Zenitpfadverzögerungen und Gradienten. Dies würde die Berücksichtigung weiterer Einflüsse ermöglichen und die Genauigkeit der geschätzten Parameter weiter erhöhen. Der erweiterte Parameterraum wurde bereits von Rothacher (2003) vorgeschlagen und im deutschen Forschungsprojekt GGOS-D erfolgreich demonstriert, ist aber bisher noch nicht in den internationalen Diensten implementiert. Die Einbeziehung dieser zusätzlichen Parameter würde zu einer robusteren und genaueren Bestimmung des International Terrestrial Reference Frame (ITRF) und der Earth Orientation Parameters (EOPs) beitragen. Die Verbesserungen der Kombinationsmethode führen zu einer Reduktion des 'Analyst Noise' und ermöglichen eine Genauigkeitssteigerung von bis zu 15%. Die Arbeit liefert damit eine wichtige Grundlage für zukünftige Forschungsarbeiten zur Verbesserung der VLBI-Datenverarbeitung und -kombination.