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L. Plank:
"VLBI satellite tracking for the realization of frame ties";
in series "Geowissenschaftliche Mitteilungen, Heft 95", series editor: J. Böhm; issued by: Department für Geodäsie und Geoinformation, Technische Universität Wien; Geowissenschaftliche Mitteilungen, Wien, 2014, ISSN: 1811-8380, 167 pages.

VLBI satellite tracking is a popular topic in geodesy at the moment. Attributed with the potential to solve the pending problem of inter-technique frame ties, the prospect of success provides the impetus of ongoing research in that area.
Very Long Baseline Interferometry (VLBI) is a well-probed space geodetic technique used to determine the Celestial Reference Frame (CRF), the Terrestrial Reference Frame (TRF) and the Earth Orientation Parameters (EOP) in between. Alternatively, VLBI is generally used in spacecraft tracking. Technology in that area has been rapidly advancing in the last years. An overview of present realizations of VLBI spacecraft tracking, including data processing on the example of the Japanese lunar mission SELENE is part of this work. Today´s most precise and reliable realizations of the TRF rely on the measurements of several space geodetic techniques and the corresponding inter-technique ties. For future improvement, and also for a rigorous determination of the whole system of CRF-EOP-TRF, alternative methods for connecting the various space geodetic techniques, establishing precise frame ties, are urgently needed. A promising solution is the use of VLBI satellite observations, either in combination with a so-called space tie realized by a dedicated satellite or by directly observing satellites of the Global Navigation Satellite Systems (GNSS) with VLBI. The study of successful realizations of VLBI tracking and identifying proper applications for practical geodetic value summarizes this work.
With the goal to process real data, the Vienna VLBI Software VieVS is extended for the possibilities to schedule, simulate and analyze VLBI satellite observations. Some details on the corresponding delay modeling are provided. The technique of VLBI satellite tracking is introduced, discussing some practical issues as well as the latest developments. This thesis contains a detailed simulation study of VLBI observations to satellites, identifying adequate observing strategies for the precise determination of antenna coordinates on Earth in the satellite´s system. For satellites at heights between 1000 and 20000 km, adequate observation strategies are found that allow the determination of the station coordinates at the level of a few millimeters. Therefore, the approach of weekly solutions in chosen, meaning that one satellite is observed by either a regional or a global antenna network during seven consecutive days. For the investigated satellites at 2000 and 6000 km, a feasible observing interval of 1 minute is found. Assuming turbulent tropospheric conditions, in regional networks of 6-7 stations with baseline lengths between 2000 and 3000 km, weekly 3D position rms between 3 and 14 mm can be expected, depending on the orbit, respectively the height, of the observed satellite, as well as on the changing geometry between the observing baselines and the target satellite. For global networks, a considerable high number of observing telescopes is needed, about 16-32, with expected accuracies at the same level as in regional networks for a higher satellite at 6000 km height and about a factor of two worse for a very low satellite at 2000 km. In the case of VLBI observations to a satellite of the GNSS, alternative observing strategies are needed. In this thesis the combination with a classical VLBI session observing extragalactic radio sources or the observation of a satellite constellation are introduced.
The careful assessment of the presented results reveals valuable application of such observations in the area of frame ties, strongly supporting immediate realization and ongoing research on the topic of VLBI satellite observations.

VLBI-Beobachtungen zu Satelliten zur Verknüpfung von Referenzrahmen

Mit der Aussicht auf eine Verbesserung in der Verknüpfung von Referenzrahmen unterschiedlicher Beobachtungsverfahren ist die Idee von VLBI-Beobachtungen zu Satelliten für die heutige Geodäsie von großem Interesse.
Die Radiointerferometrie auf langen Basen (VLBI, Very Long Baseline Interferometry) ist ein Standardverfahren in der Geodäsie zur Bestimmung des himmelsfesten Referenzrahmens (CRF, Celestial Reference Frame), des erdfesten Koordinatenrahmens (TRF, Terrestrial Reference Frame) und der Erdorientierungsparameter (EOP, Earth Orientation Parameter) zur Verknüpfung dieser beiden. Außerdem kommt die VLBI in der Raumschiffnavigation zum Einsatz, wo in den letzten Jahren gewaltige Entwicklungen zu beobachten waren. Dies wird am Beispiel der japanischen Mondmission SELENE gezeigt, wovon Daten prozessiert wurden. Heutige Realisierungen des TRF kombinieren die Messungen von unterschiedlichen geodätischen Weltraumverfahren und sind auf eine gute Verknüpfung dieser Systeme angewiesen. Für eine weitere Verbesserung, sowie das Ziel einer konsistenten Bestimmung des gesamten Systems aus CRF-EOP-TRF verfolgend, werden alternative Methoden zur Verknüpfung der unterschiedlichen modernen geodätischen Weltraumverfahren gesucht. Eine vielversprechende Methode hierfür sind VLBI-Beobachtungen zu Satelliten. Damit soll die Verknüpfung entweder mittels eines eigens dafür konzipierten Satelliten oder durch direktes Anmessen von Satelliten globaler Satellitennavigationssysteme (GNSS, Global Navigation Satellite Systems) erfolgen. Die Untersuchung bereits erfolgreicher Realisierungen im Bereich der Raumschiffnavigation hinsichtlich Methoden für eine nutzbringende Verwendung in der Geodäsie ist Thema dieser Arbeit.
Mit dem Ziel, echte Daten zu verarbeiten wurde die Vienna VLBI Software VieVS um die Möglichkeit erweitert, VLBI-Beobachtungen zu Satelliten zu planen, zu simulieren und zu analysieren. Die Berechnung des beobachteten Laufzeitunterschiedes wird näher erläutert, anschließend wird die Methode der VLBI-Satellitenbeobachtungen mit ihren aktuellen Entwicklungen vorgestellt und auf einige Punkte bezüglich der praktischen Realisierung näher eingegangen. Herzstück der vorgelegten Arbeit ist eine umfassende Simulationsstudie zu geeigneten Beobachtungsstrategien, die eine Ableitung präziser Stationskoordinaten im System des beobachteten Satelliten erlauben. Für Satelliten zwischen 1000 und 20000 Kilometern Flughöhe gelingt dies mit einer Genauigkeit von wenigen Millimetern. Dafür wird der Ansatz von Wochenlösungen gewählt, d.h. ein Satellit wird von einem regionalen oder globalen Netzwerk für sieben Tage durchgehend beobachtet. Für die untersuchten Satelliten in 2000 bzw. 6000 km Höhe wird ein geeignetes Beobachtungsintervall von einer Minute bestimmt. Unter der Annahme einer relativ turbulenten Atmosphäre, werden in den Simulationen für regionale Netzwerke aus 6-7 Stationen mit Basislinienlängen zwischen 2000 und 3000 km Genauigkeiten von bestimmten Stationskoordinaten zwischen 3 und 14 mm gefunden. Diese sind abhängig von der Bahn bzw. der Höhe des beobachteten Satelliten, sowie von der sich laufend ändernden Geometrie zwischen den Basislinien und dem Satelliten. Im Fall globaler Netze von mindestens 16 bis 32 Stationen werden Genauigkeiten gleicher Größenordnung gefunden wenn ein Satellit auf 6000 km beobachtet wird. Für ein relativ tiefes Ziel auf 2000 km verringert sich die erwartete Genauigkeit für wöchentliche Stationskoordinaten um einen Faktor zwei. Sollen Satelliten des GNSS beobachtet werden, ist die gewählte Beobachtungsstrategie nicht zielführend und es wird die Kombination mit einer klassischen VLBI Session zu Radioquellen bzw. die Beobachtung einer Satellitenkonstellation untersucht.
Eine finale Einschätzung der erzielten Ergebnisse eröffnet eine Vielzahl von unmittelbaren Anwendungen zur Verknüpfung von unterschiedlichen Systemen. Damit werden eine alsbaldige Realisierung von VLBI-Beobachtungen zu Satelliten sowie eine Fortführung intensiver Forschung auf diesem Gebiet gleichermaßen unterstützt.

http://publik.tuwien.ac.at/files/PubDat_228892.pdf