VLBI-based combination strategies for global geodetic reference frames

Abstract

Space geodetic observation methods build the basis for the estimation of global terrestrial reference frames (TRF), celestial reference frames (CRF), as well as Earth rotation and orientation parameters (EOP), which are essential for numerous applications, such as the precise determination of satellite orbits, continental drift, time and other Earth observation methods. Very Long Baseline Interferometry (VLBI) is the only space geodetic technique that allows the consistent estimation of global geodetic reference frames connecting TRF, CRF, and EOP and thus form the direct link between terrestrial and celestial reference systems. Currently, the official international TRF solution (ITRF) and the official international CRF solution (ICRF) are calculated independently of each other. It has been shown that the quality and stability of products from space geodetic techniques is improved by a combination, compared to individual contributions. This strategy is used for VLBI-based products as well. Within this thesis, the VLBI-based methods for the consistent combination of global geodetic reference frames on the level of normal equations are optimized by improved combination strategies, such as weighting of individual contributions and outlier tests. Furthermore, additional products will be added. For this purpose, VLBI observations and derived products are used, which are provided by the International VLBI Service for Geodesy & Astrometry (IVS). A main focus is the extension of the combination products by adding source positions and the generation of a consistently estimated CRF, as well as the improvement of the combination strategy for small station networks and single baseline observations (so-called intensive sessions). Another aspect is the investigation of the impact of initial values on the combination (a priori values), especially for station coordinates and EOP. Based on this, the combination process is extended and improved by the consistent combination with EOP. Furthermore, it is investigated how the datum definition and stabilization of EOP for small station networks and intensive sessions can be improved by using parameters from other space geodetic techniques, such as Global Navigation Satellite Systems using common parameters.

Geodätische Weltraumverfahren bilden die Grundlage zur Bestimmung von globalen terrestrischen Referenzrahmen (TRF), himmelsgebundenen Referenzrahmen (CRF), sowie der Erdrotation und -orientierung (EOP). Diese Basis ist entscheidend für zahlreiche Anwendungen, wie beispielsweise die genaue Bestimmung von Satellitenbahnen, Kontinentaldriften, der Zeit sowie anderen Erdbeobachtungsmethoden. Das Verfahren der Very Long Baseline Interferometry (VLBI) erlaubt als einziges der geodätischen Raumverfahren die konsistente Bestimmung von globalen geodätischen Referenzrahmen, bestehend aus TRF, CRF und EOP, und bildet damit den direkten Link zwischen erd- und himmelsgebundenen Referenzsystemen. Aktuell erfolgt eine Berechnung der offiziellen, internationalen TRF Lösung (ITRF) und der offiziellen, internationalen CRF (ICRF) Lösung unabhängig voneinander. Es hat sich gezeigt, dass die Qualität und Stabilität von Produkten aus geodätischen Raumverfahren durch eine Kombination, im Vergleich zu Einzelauswertungen, verbessert wird. Diese Strategie wird auch bei VLBI-basierten Produkten eingesetzt. Im Zuge dieser Dissertation werden die VLBI-basierten Verfahren zur konsistenten Kombination von globalen geodätischen Referenzrahmen auf Normalgleichungsebene durch verbesserte Kombinationsstrategien, wie Gewichtung der individuellen Beiträge und Ausreißertests optimiert und darüber hinaus um zusätzliche Produkte ergänzt. Dazu werden VLBI Beobachtungen und daraus abgeleitete Produkte verwendet, die im Rahmen des International VLBI Service for Geodesy & Astrometry (IVS) bereitgestellt werden. Ein Schwerpunkt liegt dabei auf der Erweiterung der Kombinationsprodukte um Quellenpositionen und die Erstellung eines konsistent geschätzten CRF, sowie die Verbesserung der Kombinationsstrategie für kleine Stationsnetze und Einzelbasenbeobachtungen (sog. Intensive-Sessions). Ein weiterer Aspekt ist die Untersuchung der Einflüsse von Initialwerten für die Kombination (a priori Werte), insbesondere für Stationskoordinaten und EOP. Darauf aufbauend wird der Kombinationsprozess um die konsistente Kombination mit EOPs erweitert und verbessert. Weiterhin wird untersucht wie die Datumsfestlegung und Stabilisierung der EOP für kleine Stationsnetze und Intensive-Sessions mittels Stützparameter aus anderen geodätischen Raumverfahren, wie globale Satellitennavigationssysteme, über gemeinsame Auswerteparameter verbessert werden können.