Geodätische und astrometrische VLBI

Die Radiointerferometrie auf langen Basislinien (Very Long Baseline Interferometry, VLBI) ist ein hochgenaues Weltraumverfahren, das seit den 1970er Jahren in der Astrophysik wie auch in der Geodäsie eingesetzt wird und bahnbrechende wissenschaftliche Erkenntnisse geliefert hat. So können z.B. weltweite Entfernungen mit mm-Genauigkeit gemessen werden; die VLBI trägt wesentlich zum globalen terrestrischen Referenzrahmen (ITRF) bei und liefert als einziges der geodätischen Weltraumverfahren den Bezug zum himmelsfesten Referenzrahmen sowie alle Erdorientierungsparameter (Polbewegung, Weltzeit, Präzession/Nutation).

Abb. 1: Schematische Darstellung des VLBI-Verfahrens

Bei dem Verfahren beobachten weltweit verteilt mehrere Radioteleskope das gleiche Objekt am Himmel. In Abb. 1 ist das Verfahren dargestellt: Die empfangenen Radiosignale werden aufbereitet, gemeinsam mit der von exakten Atomuhren erhaltenen Zeit digital aufgezeichnet und an einen sogenannten Korrelator gesandt. Dort wird durch Vergleichen der Aufzeichnungen festgestellt, wie groß der Zeitunterschied ist, den dasselbe Signal benötigt hat, um nach der ersten auch an den weiteren Stationen anzukommen. Mit dieser Information lässt sich dann der Abstand der Stationen auf weniger als einen Zentimeter genau bestimmen. In der Astrometrie wird das Verfahren auch zur Vermessung der Positionen der Radioquellen mit einer Präzision von durchschnittlich 0,00004 Bogensekunden genutzt. Dies ist so, als könnte man von der Erde aus auf dem Mond die Position eines Tennisballs bestimmen. Die Positionen der VLBI-Stationen tragen wesentlich zum globalen terrestrischen Referenzrahmen (ITRF) bei, dessen stabile Referenzpunkte deshalb auch ideal zur Vermessung der Erde eingesetzt werden können, um Veränderungen auf der Erde mit hoher Präzision festzustellen.

Abb. 2: Kontinentaldrift: eine Station in den USA und eine in Deutschland bewegen sich auseinander ([2])
Abb. 3: Darstellung der Radiogalaxie 3C219 aus einer Überlagerung von Radio- und Infrarot Bildern. Der „schwarze Punkt“ in der Mitte stellt den Bezugspunkt der Radioquelle für die Astrometrie dar.

Diese Änderungen beruhen auf Phänomenen, wie zum Beispiel globaler Meeresspiegelanstieg, Gezeitenwirkungen oder der tektonischen Plattenbewegung. Bei der Berechnung müssen freilich noch zahlreiche Störeinflüsse berücksichtigt werden. So werden die Radiowellen in der Atmosphäre "abgebremst". Gerade in der untersten Schicht, der etwa zehn Kilometer hohen Troposphäre, spielt sich unser Wetter ab. Die Laufzeitunterschiede liefern hier über längere Zeiträume betrachtet wichtige Informationen über das Erdklima. Und schließlich sind auch die Rotationsschwankungen der Erde selbst zu berücksichtigen, die dazu führen, dass der Pol seine Lage ändert (Polbewegung) und die Länge eines Tages geringfügig variiert. Die aus den VLBI-Messungen gewonnenen Ergebnisse sind äußerst aufschlussreich: In Abb. 2 ist zu erkennen, wie sich die knapp 6.000 Kilometer entfernten Stationen in Westford (USA) und Wettzell (D) aufgrund der Kontinentaldrift um knapp zwei Zentimeter pro Jahr auseinanderbewegen. Die abnehmende Streuung der Grafik lässt den Fortschritt in der Messpräzision erkennen. Langfristige Klima- und Umweltentwicklungen sind aufgrund der hohen Genauigkeit der VLBI-Ergebnisse ebenfalls gut beobachtbar.

Neben den natürlichen extragalaktischen Radioquellen (Quasare, Radiogalaxien (Abb. 3), und BL Lac Objekte), können mit demselben Instrumentarium auch künstliche Radioquellen beobachtet werden, wodurch die Beobachtung von Satelliten oder Raumsonden ermöglicht wird. Hierfür müssen im Vergleich zur geodätischen VLBI neben den technischen insbesondere die theoretischen Voraussetzungen und Modelle bereitgestellt oder entsprechend angepasst bzw. erweitert werden. Das Verfahren der differentiellen VLBI (D-VLBI) ist für solche Anwendungen von besonderem Interesse.

Abb. 4: Verknüpfung der dynamischen GNSS-Orbit Konstellation mit dem quasi-inertialen Himmelsreferenzrahmen der Radioquellen durch differentielle VLBI (D-VLBI).

Neben der Navigation von Raumsonden und der Berechnung der Ephemeriden können derartige Beobachtungen für die Verknüpfung verschiedener Referenzrahmen und unterschiedlicher geodätischer Beobachtungstechniken eingesetzt werden. Die VLBI-Gruppe am GFZ untersucht schwerpunktmäßig diese Anwendungen wobei die Verbindung zwischen den Referenzrahmen der VLBI und der GNSS (Global Navigation Satellite Systems) von besonderem Interesse ist (Abb. 4).
 
Links:
International VLBI Service for Geodesy and Astrometry (IVS)
European VLBI Group for Geodesy and Astrometry (EVGA)

Referenzen und weiterführende Literatur:

[1] Heinkelmann R.: VLBI geodesy: observations, analysis, and results. In: Geodetic sciences – observations, modeling and applications. S. Jin (ed.), InTech open, ISBN 980-953-307-595-7, 2013

[2] Schuh H. & Behrend D.: VLBI: A fascinating technique for geodesy and astrometry. J Geodyn 61, DOI 10.1016/j.jog.2012.07.007, 68—80, 2012

[3] Schuh H. & Böhm J.: Very Long Baseline Interferometry for Geodesy and Astrometry. In: Sciences of Geodesy – II, Innovations and Future Developments, G. Xu (ed.), DOI 10.1007/978-3-642-28000-9, Springer Berlin Heidelberg, 339—376, 2013


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Mitglieder der VLBI-Arbeitsgruppe

Robert Heinkelmann, Leiter der VLBI-Arbeitsgruppe
Tobias Nilsson, Leiter Softwareentwicklung
James Anderson, Satellitenbeobachtungen, D-VLBI
Kyriakos Balidakis, Atmosphärische Effekte, geophysikalische Auflasteffekte
Susanne Glaser (TUB), Simulationen bezügl. GGOS
Li Liu, Satellitenbeobachtungen
Sadegh Modiri, Copula-basierte Korrelationsanalyse von Parametern aus VLBI
Santiago Belda, FCN, EOP, TRF

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