Satellitenbeobachtungen mit Radioteleskopen

Beobachtungen vonSatelliten mit Radioteleskopen werdenbenötigt, um signifikante Verbesserungen bei der Verknüpfung (Frame-Tie) des himmelsfesten Referenzsystems der Quasare (International Celestial Reference Frame (ICRF), realisiert durch Very Long Baseline Interferometry (VLBI) Beobachtungen), und den durch Satellitenbahnen realisierten dynamischen Referenzrahmen zu erzielen. Gleichzeitig steigt mit solchen Beobachtungen die Konsistenz des globalen erdfesten Referenzsystems (International Terrestrial Reference Frame, ITRF) als Kombinationslösung von Beobachtungen der VLBI mit denen der Satellitengeodäsie, weil ansonsten die Kombination nur auf terrestrischen Messungen an Colokationsstationen beruht. Genaue Frame-Ties zwischen den Referenzrahmen sind von fundamentaler Bedeutung für die präzise Navigation im Weltraum und für eine zuverlässige Bestimmung des Meeresspiegelanstiegs und anderer geodynamischer Prozesse. Im Projekt SORTS behandeln wir alle technischen Aspekte, die relevant sind für die Realisierung von VLBI-Beobachtungen zu Colokationssatelliten wie den geplanten GRASP- und MicoGEM-Satelliten, die speziell für diese Zwecke entwickelt werden und neben Laserreflektoren und einem GNSS (Global Navigation Satellite Systems)-Empfänger auch mit einen VLBI-Sender ausgestattet sein werden. Wir werden reines Rauschen als Alternative zu modulierten Signalen in Bezug auf das Signal-zu-Rausch Verhältnis und die zu erwartende Genauigkeit von Gruppen- und Phasenlaufzeiten untersuchen. Des Weiterenwerdenwir ein automatisches Programm zurrealistischen Planungdes Beobachtungsablaufs entwickeln, das alle stations- und quellenspezifischen Restriktionen wie Fahrgeschwindigkeiten der Teleskope und Integrationszeiten berücksichtigt. Dazu gehören automatisierteProzedurenfür einen lückenlosenAblaufvonder Planungder Satellitenbeobachtungen bis zur tatsächlichen Beobachtung. Besonderes Augenmerk wird dabei auf gemeinsame Beobachtungspläne mit alternierenden Beobachtungen zwischen Quasaren und Satelliten gelegt werden. Um Gruppen- und Phasenlaufzeiten von den Beobachtungen zu Satelliten in erdnahen Bahnen abzuleiten zu können, müssen die Modelle in der Korrelationssoftware entsprechend angepasst werden. Außerdem werden wir realistisch simulierte Beobachtungen verwenden, um Satellitenbahnbögen aus verschiedenen Beobachtungstypen zu schätzen, und wir werden Monte-Carlo-Simulationen nutzen, um Feedback für frühere Komponenten in der Prozessierungskette zu liefern und um den Einfluss auf die Frame-Ties zu evaluieren. Projekt SORTS ist ein gemeinsames Projekt der Technischen Universität Wien und der Universität Bonn, wobei sich die jeweiligen Stärken der Gruppen perfekt ergänzen. Außerdem werden wir über Kooperation mit Partnern in Wettzell (Deutschland) und Onsala (Schweden) in der Lage sein, unsere Entwicklungen in einem frühen Entwicklungsstadium mit realen Beobachtungen zu testen, zum Beispiel mit VLBI-Beobachtungen zu GNSS-Satelliten.

Globale geodätische Referenzrahmen (Global Geodetic Reference Frames, GGRF) sind von fundamentaler Bedeutung für jede Art von Positionierung und Navigation auf der Erde und im Weltraum, sowie für geodynamische Untersuchungen wie die Beobachtung des Meeresspiegelanstiegs. Dabei werden höchste Genauigkeiten benötigt, um einen Anstieg in der Größenordnung von 3 mm/Jahr verlässlich beobachten zu können. Üblicherweise bestimmen wir globale geodätische Referenzrahmen, wie zum Beispiel den International Terrestrial Reference Frame 2014 (ITRF2014), in einer kombinierten Lösung von Global Navigation Satellite Systems (GNSS), Very Long Baseline Interferometry (VLBI), Satellite Laser Ranging (SLR) und Doppler Orbitography and Radiopositioning Integrated by Satellite (DORIS) Beobachtungen. Diese vier Beobachtungsverfahren werden durch sogenannte Local-Tie Messungen zwischen den Antennen an Kollokationsstationen verbunden. Obwohl diese lokalen Messungen im Prinzip äußerst genau sind, zeigen sich sehr oft Abweichungen in der Größenordnung von ein paar Zentimetern zu den Ergebnissen der geodätischen Weltraumverfahren (GNSS, VLBI, SLR, DORIS). Daher gibt es in geodätischen Kreisen die Idee, die einzelnen Verfahren mittels eines äußerst kalibrierten Satelliten zu verbinden, der mit Instrumenten aller vier Verfahren ausgestattet ist. Während dieses Konzept für GNSS, SLR und DORIS erfolgreich besteht, ist das Beobachten von Satellitensignalen mit VLBI Radioteleskopen und die Ableitung von geodätischen Observablen alles andere als erprobt. Im Projekt SORTS haben wir nun erfolgreich die gesamte Prozesskette realisiert, und zwar vom Erstellen der Beobachtungspläne (Scheduling), die Durchführung der Beobachtungen selbst, das Korrelieren und Fringe-fitting der Rohdaten an einem sogenannten Korrelator, sowie die Auswertung der Beobachtungen mit geodätischer Software. Wir haben diese Aufgaben für VLBI Beobachtungen zu GNSS Satelliten getestet (genau genommen zu L1- und L2-Band Signalen von GPS und GLONASS) auf der australischen Basislinie zwischen Hobart und Ceduna. Zusätzlich hat auch ein Radioteleskop in Warkworth in Neuseeland in der letzten Kampagne mitbeobachtet. In einer zweiten Studie haben wir mit dem Auscope Array in Australien mit den Teleskopen Hobart, Katherine und Yarragadee, die von den Kolleginnen und Kollegen an der University of Tasmania betrieben werden, den chinesischen Cube-Satelliten APOD-A beobachtet. Dieser Satellit in ein Prototyp für einen solchen Kollokationssatelliten, da er auch spezielle DOR-Töne im X- und S-Band sendet. Allerdings erschwert seine geringe Höhe von ungefähr 450 km die Beobachtung und die Auswertungen. In beiden Teststudien, VLBI Beobachtungen zu GNSS Satelliten und zum APOD-A Cube-Satelliten, konnten wir erfolgreich Beobachtungen gewinnen, welche Genauigkeiten im Nanosekundenbereich aufweisen. Zusammenfassend kann festgehalten werden, dass die Ergebnisse des Projekts SORTS eine sehr gute Basis für zukünftige Studien auf diesem Gebiet bilden.