VLBI global solutions for reference frame studies and observations to satellites

Abstract

Das geodätische Verfahren der Radiointerferometrie auf sehr langen Basislinien (Very Long Baseline Interferometry, VLBI) basiert auf der simultanen Beobachtung schwacher Signale extragalaktischer Radioquellen mittels global verteilter Teleskope. Das Beobachtungsprinzip von VLBI ermöglicht die Realisierung eines himmelsfesten Referenzrahmens sowie die Bestimmung der Orientierung der Erde im Raum. Des Weiteren leistet VLBI einen wesentlichen Beitrag zur Realisierung des terrestrischen Referenzsystems, dem terrestrischen Referenzrahmen (TRF), und bei der Definition des Maßstabes. Eine Vielzahl von Forschungsinstituten und Softwaresystemen beschäftigt sich mit der Bestimmung solcher TRF. Diese Aktivitäten umfassen Kombinationen, welche die Stärken der verschiedenen Techniken und Analysezentren vereinen (inter-technique), Kombinationen innerhalb einer Technik (intra-technique) sowie Lösungen basierend auf Daten einer Technik und eines Analysezentrums.Im Rahmen dieser Arbeit wurde die Software VieCompy entwickelt, welche derzeit die Kombination von VLBI-Daten eines Analysezentrums auf Basis der Stapelung von Normalgleichungen unterstützt. VieCompy ist eine flexible Plattform, die eine Grundlage für zukünftige Erweiterungen in Richtung inter- und intra-technique Kombinationen sowie Schätzung orbitbezogener Parameter bietet. Die Fähigkeiten von VieCompy werden anhand spezifischer Studien demonstriert, die sich mit der Sensitivität des TRFs gegenüber verschiedenen Berechnungsstrategien, Parametrisierungen und Beobachtungsfehlern befassen. In der ersten Studie werden die Auswirkungen verschiedener Methoden zur Realisierung des geodätischen Datums auf den TRF und die formalen Fehler untersucht. Die Ergebnisse unterstreichen die Bedeutung von Transparenz hinsichtlich der Wahl der Methode und der Stärke der angewandten Bedingungen, da diese Faktoren die Vergleichbarkeit verschiedener TRF-Lösungen erheblich beeinflussen können.Die zweite Studie untersucht den Ursprung eines Maßstabtrends, der nach der Epoche 2013.75 in der letzten offiziellen Realisierung des Internationalen Terrestrischen Referenzsystems (ITRF2020) sichtbar ist. Durch die Einführung modifizierter Stationsbewegungsmodelle für die Station NYALES20 (Norwegen) bei der Bestimmung des TRFs konnte eine deutliche Verringerung des Trends im Maßstab um 50-60% erzielt werden. Dies verdeutlicht die Notwendigkeit einer kontinuierlichen Datenüberwachung und präzisen Modellierung des Stationsverhaltens.In der letzten Studie wird das Potenzial von VLBI-Beobachtungen zum Genesis-Satelliten der Europäischen Weltraumorganisation untersucht, der geodätische Techniken auf einer Plattform im Weltraum vereint. Eine Voruntersuchung zeigt, dass eine präzise Kalibrierung des Phasenzentrums des VLBI-Senders im Millimeterbereich und genaue Messungen der Signallaufzeit unerlässlich sind, um hochgenaue Stationskoordinaten aus Satellitenbeobachtungen abzuleiten. Zusammenfassend zeigen diese Studien die zentrale Bedeutung einer robusten und anpassungsfähigen Kombinationssoftware. Mit VieCompy wird in dieser Arbeit ein funktionales Werkzeug für aktuelle VLBI-Lösungen und eine Grundlage für zukünftige Entwicklungen geodätischer Software, einschließlich der Schätzung orbitbezogener Parameter, vorgestellt.

The space-geodetic technique, Very Long Baseline Interferometry (VLBI), is based on the simultaneous observation of faint signals emitted by extragalactic radio sources using globally distributed radio telescopes. The observational principle of VLBI enables the establishment of the celestial reference frame and the determination of the Earth’s orientation in space. Moreover, VLBI contributes significantly to the realization of the terrestrial reference system, the terrestrial reference frame (TRF), playing a particularly crucial role in defining its scale. A variety of research institutions and dedicated software systems are involved in the determination of TRFs. These efforts include inter-technique combinations, leveraging the strengths of various space-geodetic techniques and Analysis Centers (ACs), intra-technique combinations, forming single-technique solutions, and single-technique, single-AC solutions, serving as an essential tool for scientific investigations.This thesis contributes to this field by developing and applying a newly implemented global solution software, VieCompy, which currently supports combining VLBI data from a single-AC based on the stacking of normal equation systems. VieCompy is a flexible platform, providing a foundation for future extensions toward inter- and intra-technique combinations and orbit-related parameter estimation. In this work, the capabilities of VieCompy are demonstrated through dedicated studies addressing key research questions related to the sensitivity of the TRF to different computational strategies, parameterization setups, and observation errors. The first study investigates the impact of various terrestrial datum realization methods on the TRF and the corresponding formal errors. The results emphasize the importance of transparency within the VLBI community regarding the choice of datum realization method and applied constraint strength, as these factors can significantly influence the comparability of different TRF solutions.The second study explores the debated origin of a scale drift observed after epoch 2013.75 in the most recent official realization of the International Terrestrial Reference System, the ITRF2020. A significant reduction of the trend by 50-60\% is achieved by introducing modified station motion models for the station NYALES20 (Norway) in the determination of TRFs. These results underline the need for continuous VLBI data monitoring and accurate station behavior modeling.The final study examines the potential of VLBI observations to the European Space Agency's Genesis satellite, which integrates the main space-geodetic techniques on a platform in space. A preliminary study demonstrates that precise phase center calibration of the VLBI transmitter at the mm-level and accurate group delay measurements are essential for deriving high-accuracy VLBI station coordinates solely derived from satellite observations. In summary, these studies highlight the importance of a robust and adaptable combination software. With VieCompy, this thesis presents a functional tool for current VLBI global solutions and a foundation for future advancements in geodetic software, including orbit-related parameter estimation.