Satellitengeodäsie – Was ist das eigentlich?

Für die Erdvermessung werden seit einigen Jahrzehnten künstliche Raumflugkörper, auch künstliche Erdsatelliten genannt, eingesetzt. Als Geodäsie wird die Vermessung und die Abbildung der Erdoberfläche bezeichnet, die Satellitengeodäsie ist ein eigenständiges Teilgebiet dieser wissenschaftlichen Messung. 

Für geodätische Messungen mit hoher Genauigkeit werden die Satelliten sowie verschiedene Methoden eingesetzt. Mittels fixen Bodenstationen und mobilen Funkempfängern ist es möglich, Distanzen, Richtungen und Geschwindigkeiten von Satelliten und die genaue Satellitenbahn zu berechnen. Mithilfe von speziellen Sonden kann die Höhe über dem Meeresspiegel gemessen werden, auch die Eigenschaften des Erdschwerefeldes lassen sich geodätisch mit diesem System erfassen. Durch Forschung und Erstellung dieses Verfahrens war es erstmals möglich, eine Bestimmung der mathematischen Figur der Erde und des Geoids vorzunehmen. 

Charakteristika und Messprinzipien

Ein Charakteristikum der Satellitengeodäsie ist die enorme Geschwindigkeit und die Bewegung der Flugkörper innerhalb des komplizierten Kräftefeldes. Dazu gehören unter anderem das Erdschwerefeld mit verschiedensten Bahnstörungen durch den Mond, die Hochatmosphäre, die durch Sonneneinstrahlung und Magnetfelder beeinträchtigt wird, usw.

Innerhalb von erdnahen Bahnen bewegen sich die Satelliten mit weniger als acht Kilometern in der Sekunde, ein minimaler Zeitfehler kann somit zu einem großen Ortsfehler führen. An eine exakte Ortsbestimmung werden hohe Anforderungen gestellt, beispielsweise an die genutzte Funktechnik, die Übertragung der Daten und die Verfügbarkeit des Bezugssystems. Die Höhe und optische Sichtbarkeit waren in den Anfangsjahren ein Problem, das mittlerweile überwunden wurde. 

Es gibt grundsätzlich vier Herangehensweisen für den Einsatz geodätischer Satelliten:

1. Erdbeobachtungssatelliten: Nutzung der Satelliten als Sensor oder als aktive Messplattform für die Fernerkundung der Erdoberfläche
2. Dynamische Satellitengeodäsie: Sie umfasst die Geschwindigkeitsmessung und Bahnbestimmung von Satelliten, auch die Analyse von Bahnstörungen zur genauen Bestimmung spielen eine wichtige Rolle bei dieser Vorgehensweise. 
3. Geometrische Satellitengeodäsie: Für die Positionsbestimmung der Messpunkte werden Netze benötigt, die mittelts Richtungs- und Distanzmessungen aufgebaut werden. Mithilfe dieser Vorgehensweise kann die Berechnung genauer Koordinaten erfolgen. 
4. Eine Kombination verschiedener Herangehensweisen: zur heutigen Zeit sind die relevantesten Verfahren die folgenden: Messungen aus präzisen Bahndaten, beispielsweise von GPS-Satelliten, sie erlauben eine schnelle Navigation und Ortung am Boden, somit ist eine Navigation von Fahrzeugen möglich und eine genaue Ortsbestimmung von Sonden und Satelliten. 

Die Verfahren der geodätischen und dynamischen Satellitengeodäsie, sowie die kombinierten Verfahren werden nochmals nach Messmethode unterteilt. Durch eine Optimierung der Messmethode war es möglich, die Erdmessung, die Definition des Bezugssystems und die Punktbestimmung in ihrer Genauigkeit zu steigern, bis hin in den Sub-Millimeter-Bereich. 

Satellitengeodäsie und die Einteilung nach Messmethoden

Die Satellitengeodäsie weist eine Reihe unterschiedlicher Messmethoden auf, die angewendet werden können. 

Richtungsmessung

Visuelle Messung: Zu Beginn der Raumfahrt, von 1957 bis circa 1970 wurd mittels Feldstecher oder Fernrohr vor dem Hintergrund des Sternhimmels gemessen. 

Fotografische Messung: Von 1957 bis etwa 1980 wurden ballistische Kameras mit Fotoplatten eingesetzt, sogenannte Satellitenkameras mit Filmen konnten für die Messung genutzt werden, sie bieten eine Brennweite von 20-100 cm, Genauigkeit 1–5 Bogensekunde. Zu einem späteren Zeitpunkt kam das Funkverfahren durch GPS hinzu, gemeinsam mit Lasersatelliten und CCD-Sensoren verdrängte es die Kameras. Zu Beginn der Messungen wurden Funkwellen eingesetzt, diese waren jedoch relativ ungenau und mit hohem Aufwand verbunden.

Seit etwa 1995 wurden CCD-Kameras eingesetzt, verstärkt ab 2005, sie arbeiten mit einer automatischen Steuerung und bieten digitale Auswertungsmethoden mit hoher Genauigkeit. Durch Scannen des Sternhimmels und Messung der Zeit können in der Astronomie Daten geodätisch nutzbar angewendet werden. 

Höhenmessung

Die Höhenmessung, auch Satellitenaltimetrie genannt, beschreibt die Laufzeitmessung eines Radarimpulses, welcher von der Meeresoberfläche reflektiert wird, künftig sollte diese Technik auch über Eisflächen möglich sein. Die wichtige Methode der Geoid-Bestimmung, vor allem für die Ozeanografie, kommt unter anderem bei ERS-Satelliten der ESA zum Einsatz. 

Der deutsche Erdbeobachtungssatellit TerraSAR-X ist mit einem einzigartigen Sensor ausgestattet, der extrem hochauflösendes Bildmaterial liefert. Er wird vorwiegend für ozeangraphische Zwecke eingesetzt, so wird er unter anderem für die Ölfilm- und Schiffsdetektion genutzt. Zudem kann er auch Eis, Windfelder und Küstenlinien aufspüren. 

Distanzmessung

Der Dopplereffekt, die zeitliche Stauchung oder Dehnung eines Signals, ist ebenfalls eine bekannte Methode für derartige Messungen. Eine elektronische Laufzeitmessung kodierter Mikrowellen oder mit dem Radar wurden bis circa 1970 durchgeführt. Heutzutage werden diese Vermessungen verändert gehandhabt und erzielen genauere Ergebnisse, woraus man die Koordinaten ermitteln kann. 

Diese Messmethoden benötigen aufgrund der Erdatmosphäre eine Korrektur, ihre Genauigkeit wird durch längere Messreihen gesteigert, sogenannte Zweiwegmessungen sind genauer als Einwegmessungen. 

Satellitengeodäsie und GPS 

Die Geodäsie mittels Satelliten findet Anwendung, wenn genaue Vermessungen der Erdoberfläche stattfinden. Mithilfe dieser Prozesse können exakte Koordinaten ermittelt werden. Dazu greift diese Technik unter anderem auf GPS-Satelliten zurück, die eine exakte Ortung ermöglichen, wenn bestimmte Voraussetzungen erfüllt werden.