Satellitengeodäsie – Erdvermessung erklärt

Die Erdvermessung erfordert Präzision, daher werden seit Jahrzehnten Satelliten, auch künstliche Raumflugkörper genannt, eingesetzt, um solche Vermessungsarbeiten durchzuführen. Die Vermessung und die Abbildung der Erdoberfläche bezeichnet mal als Geodäsie, bei der die Satellitengeodäsie ein eigenständiges Teilgebiet einer wissenschaftlichen Bestimmung darstellt. Um geodätische Messungen mit hoher Genauigkeit durchzuführen, werden Satelliten eingesetzt, sowie verschiedene Methoden für die Vermessungen. 

Mithilfe von mobilen Funkempfängern und Bodenstationen besteht die Möglichkeit, Richtungen, Geschwindigkeiten und Distanzen präzise mittels Satelliten inklusive exakter Satellitenbahn zu berechnen. Spezielle Sonden ermöglichen eine Bestimmung der Höhe über dem Meeresspiegel, ebenso können die Eigenschaften des Erdschwerefeldes durch diese Technologie geodätisch ermittelt werden. Dank der Erstellung dieses Verfahrens und der weiterführenden Forschung war die Bestimmung der mathematischen Figur der Erde erstmals durchführbar. 

Charakteristika und Messprinzipien der Satellitengeodäsie

Ein Charakteristikum der Satellitengeodäsie sind enorme Geschwindigkeiten und Bewegungen der notwendigen Flugkörper inmitten des Kräftefeldes. Ein wichtiger Bestandteil ist das Erdschwerefeld, welches durch verschiedene Faktoren beeinträchtigt wird, beispielsweise Bahnstörungen durch den Mond, die Sonneneinstrahlung, Magnetfelder oder auch die Hochatmosphäre. 

Inmitten der erdnahen Bahnen bewegen sich die Satelliten mit einer Geschwindigkeit von weniger als acht Kilometern pro Sekunde, daher kann sogar der kleinste Zeitfehler zu einem großen Ortsfehler heranwachsen. Eine exakte Ortsbestimmung muss hohe Anforderungen erfüllen, um genaue Ergebnisse zu erhalten. So spielt auch die verwendete Funktechnik eine große Rolle, die für die Übertragung der Daten und die Verfügbarkeit des Bezugssystems zuständig ist. Besonders die optische Sichtbarkeit und die Höhe bereiteten vor allem in den Anfangsjahren einige Probleme, diese wurden zwischenzeitlich jedoch überwunden. 

Im Grundsatz der Messtechnik sind vier Methoden verankert, wie die Nutzung geodätischer Satelliten möglich ist:

1. Geometrische Satellitengeodäsie: Verwendung von Netzen für die genaue Positionsbestimmung der Messpunkte. Aufbau mittels Richtungs- und Distanzmessungen. Diese Herangehensweise ermöglicht eine genaue Berechnung der Koordinaten. 

2. Die dynamische Satellitengeodäsie: Diese Herangehensweise umfasst die Geschwindigkeitsmessung und die Bahnbestimmung der Satelliten, ebenso wird eine Analyse von Bahnstörungen durchgeführt, was für eine genaue Bestimmung unerlässlich ist. 

3. Erdbeobachtungssatelliten: Diese Satelliten werden als aktive Messplattform oder als Sensor zur Fernerkundung der Erdoberfläche eingesetzt. 

4. Kombination unterschiedlicher Herangehensweisen: Das derzeit relevanteste Verfahren läuft folgendermaßen ab: Vermessungen durch präzise Bahndaten, auch durch GPS-Satelliten. GPS-Satelliten erlauben eine schnelle Ortung und auch Navigation am Boden. Nur so ist eine Navigation von Fahrzeugen überhaupt möglich. Eine genaue Ortsbestimmung von Satelliten und Sonden erfolgt mittels GPS. 

Mithilfe der Verfahren rund um die geodätische und dynamische Satellitengeodäsie, aber auch mithilfe der kombinierten Verfahren, werden diese Messmethoden abermals unterteilt. Dank einer Optimierung der Messmethode war es erstmals möglich, die Erdmessung, Punktbestimmung und die Definition des Bezugssystems in ihrer Präzision bis in den Sub-Millimeter-Bereich zu steigern.

Die Einteilung nach Messmethoden in der Satellitengeodäsie

Innerhalb der Geodäsie spricht man von verschiedenen Messmethoden, die Anwendung finden:

Höhenmessung

Die sogenannte Satellitenaltimetrie, auch als Höhenmessung bezeichnet, umfasst die Laufzeitmessung eines Radarimpulses, welcher durch die Meeresoberfläche reflektiert wird. In Zukunft soll eine solche Technik auch über Eisflächen nutzbar sein. Denn vor allem diese Methode ermöglicht die Geoid-Bestimmung, die in der Ozeanografie eine wichtige Rolle spielt. Sie wird besonders bei ERS-Satelliten der ESA eingesetzt.

Distanzmessung

Der sogenannte Dopplereffekt umschreibt die zeitliche Stauchung oder Dehnung eines Signals und gilt als bekannte Messmethode. Durch die elektronische Laufzeitmessung kodierter Mikrowellen oder mithilfe des Radars ließen sich bis circa 1970 Messungen durchführen. Moderne Techniken haben die Herangehensweise verändert, nur so können genauere Ergebnisse erzielt werden, aus denen man die notwendigen Koordinaten ermitteln kann. Diese Methode ist aufgrund der Erdatmosphäre auf eine Korrektur angewiesen, eine Steigerung der Präzision ist mittels längerer Messreihen möglich, man spricht von Zweiwegmessungen und Einwegmessungen. 

Richtungsmessung

Die Richtungsmessung ist eine visuelle Vermessung, zwischen 1957 bis circa 1970 wurde vor allem zu Beginn der Raumfahrt eine Messung mittels Feldstecher oder Fernrohr vor dem Hintergrund des Sternenhimmels gemessen. Auch die fotografische Messung war ein fester Bestandteil: Zwischen 1957 bis etwa 1980 setzte man ballistische Kameras mit Fotoplatten ein, auch Satellitenkameras genannt, diese Kameras mit Filmen wurden für die Vermessung genutzt, sie boten eine Brennweite von 20-100 cm mit einer Genauigkeit 1–5 Bogensekunde. Später folgte die Ergänzung durch das Funkverfahren mittels GPS, gemeinsam mit Lasersatelliten und CCD-Sensoren verdrängte es die alte Technik. Anfangs nutzte man zur Messung noch Funkwellen, da diese auf Dauer zu ungenau und aufwändig waren, wurde auch diese Vorgehensweise schnell abgelöst. Seit etwa 1995 erfolgt der Einsatz von CCD-Kameras, verstärkt ab 2005, diese nutzen eine automatische Steuerung und ermöglichen digitale Auswertungsmethoden, sowie eine hohe Präzision. Durch Scannen des Sternhimmels und die Messung der Zeit lassen sich Astronomie-Daten geodätisch nutzbar machen und anwenden. 

GPS und Satellitengeodäsie

Um genaue Vermessungen der Erdoberfläche durchzuführen ist die Geodäsie mittels Satelliten unerlässlich. Dank dieser Prozesse ist die Ermittlung genauer Koordinaten möglich. Diese Technik nutzt unter anderem GPS-Satelliten, da diese eine exakte Ortung begünstigen, wenn die notwendigen Voraussetzungen erfüllt werden. 

Ursprünglich dienten GPS-Satelliten dem GPS-System des US-amerikanischen Militärs. Dort wurde es zur Kriegsführung eingesetzt. Einige Jahre später wurde diese Technologie zur zivilen Nutzung freigegeben und ist heute kaum noch wegzudenken. GPS-Chips befinden sich in GPS-Trackern aber auch in modernen Smartphones, sie ermöglichen eine genaue Positionsbestimmung begünstigen die Nutzung standortbezogener Services.