VLBI Beobachtungen zu Galileo Satelliten

Geodätische Weltraumverfahren sind von fundamentaler Bedeutung für die Bestimmung von globalen geodätischen Referenzrahmen, welche wiederum die Basis für jede Art von Positionierung und Navigation auf der Erde und im Weltraum sind. Diese Referenzrahmen sind die Realisierungen von erdfesten und raumfesten Koordinatensystemen samt den Erdorientierungsparametern für die Transformation zwischen den beiden Systemen. Eine wichtige Komponente der Erdorientierung ist die ungleichmäßige Rotation um die Erdachse in etwa 24 Stunden. Die Bestimmung des zugehörigen Erdrotationswinkels im Mikrosekundenbereich ist Voraussetzung für die hochgenaue Positionierung im Millimeterbereich mit globalen Satellitennavigationssystemen, wie dem amerikanischen Global Positioning System (GPS) oder Galileo der Europäischen Union. Während GPS und Galileo auf Messungen zwischen Satelliten und Antennen auf der Erdoberfläche basieren, verwendet das geodätische Weltraumverfahren der Very Long Baseline Interferometry (VLBI) global verteilte Radioteleskope und die Beobachtung von Quasaren, extragalaktische Radioquellen Milliarden von Lichtjahren entfernt. Die primäre Beobachtungsgröße der VLBI ist die Differenz in den Ankunftszeiten der Signale von den Quasaren an den Teleskopen. Die VLBI ist das einzige Verfahren zur Bestimmung des Erdrotationswinkels mit höchster Genauigkeit, da die Satellitenverfahren wie GPS und Galileo nicht modellierten Fehlern in den Satellitenbahnen ausgesetzt sind. Ziel des Projekts VLBI2Galileo ist nun die Übertragung der Vorteile der VLBI auf Galileo über neuartige Beobachtungen. Die einzigen geometrischen Verbindungen zwischen den beiden geodätischen Weltraumverfahren stammen von lokalen Messungen an Beobachtungsstationen an der Erdoberfläche, da es im Weltraum keine Verbindungen zwischen den Verfahren gibt. In diesem Projekt untersuchen wir die Verwendung von VLBI Transmittern an Bord von Galileo Satelliten, die ähnliche Signale bzw. Rauschen aussenden wie Quasare. Diese Signale können dann mit VLBI Radioteleskopen beobachtet werden, sodass damit eine Verbindung zwischen VLBI und Galileo im Weltraum realisiert wird. In weiterer Folge werden diese Beobachtungen die direkte Bestimmung des Erdrotationswinkels mit Galileo ermöglichen, was derzeit nicht möglich ist. Zusätzlich werden wir die Verwendung von speziell codierten Signalen für die Bestimmung der Distanz zwischen Galileo Satelliten und den VLBI Radioteleskopen untersuchen, was vor allem die radiale Komponente der Galileo Bahnen verbessern wird. Für alle Untersuchungen verwenden wir die Vienna VLBI and Satellite Software (VieVS). Wir werden viele Simulationen für die Verbesserung der Beobachtungspläne (wann sollen welche Teleskope welche Satelliten und welche Quasare beobachten) laufen lassen, um die bestmögliche Bestimmung der Galileo Bahnen und der Referenzrahmen zu ermöglichen. Schließlich werden wir zu Projektende in der Lage sein, Angaben zu liefern, welche Genauigkeiten mit den neuen Beobachtungen zu erwarten sind.

Very Long Baseline Interferometry (VLBI) ist ein Messverfahren, bei dem mehrere Radioteleskope auf der Erde gleichzeitig Radiosignale aus dem Weltall empfangen. Diese Signale stammen von sehr weit entfernten Objekten im Universum, meist sogenannten Quasaren. Zudem ist VLBI das einzige geodätische Verfahren, mit dem die genaue Ausrichtung der Erde im Weltall und der himmelsfeste Referenzrahmen (Koordinatensystem für Positionen im All) bestimmt werden kann. VLBI trägt auch zur Bestimmung des erdfesten Referenzrahmens (Koordinatensystem für Positionen auf der Erde) bei, welcher fundamental für jede Art von Positionierung und Navigation ist sowie für die Beobachtung von kleinsten Veränderungen wie des Meeresspiegelanstiegs von etwa vier Millimetern pro Jahr. Bisher beobachten VLBI Radioteleskope fast ausschließlich Quasare. In Zukunft könnten jedoch auch Satelliten mit speziellen Sendern ausgestattet werden, sodass sie ebenfalls mit VLBI beobachtet werden können. In dieser Arbeit werden die Möglichkeiten von VLBI Beobachtungen zu Satelliten des Satellitennavigationssystems Galileo der Europäischen Union untersucht, vorausgesetzt, diese Satelliten wären mit speziellen VLBI Sendern ausgestattet. Da die Galileo Satelliten derzeit keinen speziellen Sender für VLBI besitzen und daher noch nicht mit VLBI Stationen beobachtet werden können, beruhen die Studien auf simulierten Beobachtungsdaten unter der Annahme, dass ein oder mehrere Galileo Satelliten mit einem VLBI Sender ausgestattet sind. Eine Studie untersucht die Bestimmung der Koordinaten der VLBI Stationen aus VLBI Beobachtungen zu Galileo Satelliten. Ziel ist es, die Verbindung zwischen zwei unterschiedlichen Referenzrahmen - einem, der aus Beobachtungen zu Satelliten abgeleitet wird und einem, der aus Beobachtungen zu Quasaren abgeleitet wird - zu untersuchen. Die Ergebnisse zeigen, dass mindestens zwei, besser drei Galileo Satelliten mit einem VLBI Sender ausgestattet sein sollten, wobei die besten Ergebnisse erzielt werden, wenn alle Satelliten mit VLBI Sendern in derselben Bahn platziert sind. Außerdem wird die Bestimmung der Umlaufbahn eines Galileo Satelliten unter Verwendung von VLBI Beobachtungen zu Galileo Satelliten untersucht. Dies erfolgt einerseits durch die Bestimmung der Position des Satelliten im lokalen Satellitenbahnsystem für kurze Bahnbögen und andererseits durch die Bestimmung der sechs Keplerelemente, welche die gesamte Umlaufbahn beschreiben. Die absolute Orientierung der Satellitenbahn gegenüber des himmelfesten Referenzrahmens ist in diesem Zusammenhang besonders relevant, da sie direkt aus VLBI Beobachtungen zu Satelliten bestimmt werden kann. Die Ergebnisse der Arbeit zeigen, dass die Ausstattung eines oder mehrerer Galileo Satelliten der nächsten Generation mit einem VLBI Sender die Möglichkeiten der Weltraumgeodäsie deutlich verbessern und erweitern wird. Außerdem sind die Untersuchungen und Erfahrungen aus dieser Arbeit sehr wertvoll für die kommende Genesis Mission der Europäischen Weltraumorganisation, welche mit einem VLBI Sender ausgestattet sein wird.