Lage: im Bayerischen Wald zwischen Viechtach und Kötzting
betrieben vom Bundesamt für Kartografie und Geodäsie (BKG) und von der TU München (Forschungseinrichtung Satellitengeodäsie)
Fundamentalstation = hier sind alle geodätischen Messverfahren in einem Punkt versammelt; zwischen den Messgeräten kann man den Abstand mit herkömmlichen Verfahren messen. Es ist also eine Verankerung zwischen einem erdgebundenem Koordinatensystem und dem zälestischen Fundamentalsystem am Sternenhimmel.
Es gibt auch eine mobile Station („TIGO“; Kosten: 25 Mio. DM), die in Chile installiert wurde. Grund: Die Vermessungen gewinnen an Genauigkeit, wenn es auf der ganzen Erde Stationen gibt – das ist allerdings nicht der Fall, sondern es gibt lediglich in Nordamerika, Europa und Japan derartige Vermessungsstationen, nicht jedoch auf der Südhalbkugel.
Damit werden Satelliten angepeilt; die meisten Satelliten besitzen optische Reflektoren (als Winkelspiegel=Retroreflektoren ausgeführt), zudem gibt es noch spezielle Satelliten für die Vermessung, die wie Disco-Kugeln aussehen (mit großer Masse, um eine möglichst stabile Bahn zu haben).
Messprinzip: Laufzeitmessung des Laser-Signals zum Satelliten und wieder zurück; zeitliche Auflösung: eine Picosekunde.
Die Bahnen der Satelliten sind bekannt; damit werden sie computergesteuert angepeilt, wobei eine zeitliche Genauigkeit von 1 ms nötig ist.
Früher wurde auch der Mond angepeilt; heute nicht mehr, weil es sehr zeitaufwändig ist. Auf dem Mond gibt es vier Reflektoren (drei amerikanische, ein russischer), und wegen der großen Entfernung kommt pro Messung durchschnittlich weniger als ein Photon zurück, das macht die Messungen sehr kompliziert.
Der Laserstrahl wird auf 50 cm Durchmesser aufgeweitet und parallel gerichtet; empfangen wird das reflektierte Licht mit dem selben Spiegel, mit dem es ausgesendet wurde.
Der große Spiegeldurchmesser bringt eine höhere Empfindlichkeit beim Empfang (da nur wenige Photonen zurückkommen).
Sinn:
erstens, um die Bahnen der Satelliten zu ermitteln (können bis auf ca. einen Meter genau bestimmt werden)
zweitens, um bei GPS-Satelliten aus den gemessenen Bahndaten den Almanach erstellen zu können, mit dem die Satelliten dann wieder beschickt werden (dient zur Bahnvorhersage, damit die GPS-Empfänger wissen, wo sich der Satellit zu einem bestimmten Zeitpunkt befinden wird)
drittens, um aus den bekannten Bahnen der Satelliten Positionsveränderungen auf der Erde messen zu können
Der Durchmesser des Radioteleskops beträgt 20 Meter, die Brennweite 9 Meter. Der untere Bereich des Reflektors lässt sich beheizen gegen Eis und Schnee. Der Empfänger ist gegen Rauschen mit Helium gekühlt.
Azimut-Drehbereich 540° (symmetrisch zur Südrichtung), Elevation 0° bis 90°.
Wegen der großen Wellenlängen ist das Auflösungsvermögen eines einzelnen Radioteleskops gering (ca. Bogenminute), im Verbund mit sehr großem räumlichen Abstand der Teleskope kann man die Auflösung sehr stark steigern (ca. Millibogensekunde) => VLBI (Very Long Baseline Interferometry). Dazu werden die Radiowellen mit der Zeitinformation aus hochgenauen Atomuhren registriert und anschließend die Signale der verschiedenen Radioteleskope korreliert.
Damit werden Quasare angepeilt, weil sie sehr weit von der Erde entfernt sind und sich deshalb relativ zu ihr praktisch nicht bewegen. (Seit Beginn der Radioastronomie haben sich die Quasare nicht messbar bewegt.) Sie werden gleichzeitig von mehreren Radioteleskopen weltweit angepeilt; aus der Phasenverschiebung kann man den Entfernungsunterschied berechnen.
Das astronomische Fundamentalsystem umfasst 500 Quasare am Rand des Weltalls und ca. 4000 Fundamentalsterne in der Milchstraße; die Koordinaten dieser Objekte werden vom Astronomischen Recheninstitut Heidelberg (ARI) publiziert (6. Fundamentalkatalog FK6 von 1999/2000; Verbesserung gegenüber FK5: u.a. Ergebnisse des Satelliten Hipparcos; FK6 umfasst 878 Fundamentalsterne und 3272 Supplementsterne mit einer Genauigkeit von mindestens 0,01 Bogensekunden, d.h. Genauigkeit der Position und der Extrapolation der Bahnbewegung der Sterne). Das astronomische Fundamentalsystem ist derzeit die beste Realisierung eines Inertialsystems.
Genutzt werden die Daten z.B. zur Beobachtung der Kontinentaldrift oder der Erdrotation.
Dieses Radioteleskop wird ausschließlich für die Vermessung verwendet. Das Radioteleskop in Effelsberg (Eifel) wird dagegen vor allem für Radioastronomie verwendet, nur gelegentlich werden damit auch Vermessungen durchgeführt.
Größere Radioteleskope sind für die Vermessung weniger gut geeignet, weil sie sich weniger schnell verstellen lassen. Weil während einer Messung alle Teleskope weltweit synchron die zu messenden Objekte anpeilen müssen, geht die Verzögerung durch das langsamste beteiligte Teleskop auf Kosten der Messzeit. Das Teleskop in Wettzell lässt sich mit 3° pro Sekunde drehen (um Vertikalachse) und mit 1,5° pro Sekunde schwenken.
Radioteleskope kann man zur Verbesserung der Auflösung auch zusammenschalten; im Very Large Array, einem Verbund mehrerer Radioteleskope auf der ganzen Welt, wird das gemacht.
Die Messdaten werden auf Festplatten gespeichert (früher: Magnetbänder); pro Messung fällt bis zu einem Terabyte an Daten an, hauptsächlich wegen der hohen zeitlichen Auflösung (Samplerate) und langen Messdauer (mehrere Stunden).
Zur Auswertung werden die Daten nach Bonn geschickt, wo sie korreliert werden.
Prinzip: Sagnac-Effekt
Mit dem Ringlaser kann man die Erddrehung bis auf 10-9 eines Tages genau messen.
Der Ringlaser befindet sich in einem Erdhügel und ist für maximale Bodenruhe auf dem anstehenden Gestein befestigt (Betonfundament, das entkoppelt vom Gebäude ist); die Grundplatte besteht aus Zerodur (Glaskeramik), damit sie sich möglichst wenig ausdehnt bei Temperaturveränderungen (die Glasphase hat einen positiven, die Kristallphase einen negativen Ausdehnungskoeffizienten; beide werden so kombiniert, dass sich die Effekte möglichst kompensieren); zur Verringerung von Temperaturschwankungen wurde über das Ringlaser-Gebäude ein Erdhügel aufgeschüttet, das Gebäude mit Styrodur und Ton isoliert und mit einer Zugangsschleuse (mit Kühlraumtüren) abgetrennt, außerdem ist der Zugang 20 m lang (ebenfalls zur Temperaturangleichung). Das Betonfundament dient gleichzeitig als Wärmespeicher mit sehr großer Wärmekapazität; es ist umgeben von einem Ring aus Bohrpfählen, zwischen denen die Grube für das Fundament ausgehoben wurde (d.h. die Verformung des umliegenden Bodens wurde dadurch minimiert). Ein Operationstank sorgt für konstanten Luftdruck.
Die Erddrehung ist durch fünf Parameter festgelegt:
Lage der Erdachse in der Erde (2 Koordinaten); Bezugssystem auf der Erde: Koordinatenursprung = Erdmittelpunkt; z-Achse = mittlere Erdachse; y-Achse = durch die Ebene des 0°-Meridians; aktuelles Bezugssystem = ITRF2000
Präzession (= Einfluss auf die Kreiselbewegung der Erddrehung durch eine Kraftkomponente senkrecht zur Erdachse)
Nutation (Oszillation der Drehachse während einer Präzession, hervorgerufen durch die Neigung der Mondbahn zur Ekliptik mit einer 19-Jahre-Periode; es gibt auch eine sehr schwache Nutation im Monatsrhythmus)
Rotationsgeschwindigkeit
Der Ringlaser, den die LMU München in Pinion Flat (Kalifornien) zur Messung der Rotation bei Erdbeben installiert hat, ist weniger aufwändig gebaut und dafür wesentlich billiger. Das kann man in Kauf nehmen, weil dort - im Gegensatz zur Beobachtung der Erddrehung - keine so große Langzeitstabilität nötig ist.
Im Unterschied zu einem normalen GPS-Gerät, wo die Position durch die übermittelte Zeitinformation (in das Signal codiert) bestimmt wird, wird hier zusätzlich die Phaseninformation der Trägersignale (L1, L2) ausgewertet, was eine Genauigkeit von Millimetern statt Metern bringt. (Die Phaseninformation alleine bringt noch gar nichts, weil man nicht weiß, wie viele Wellenlängen das Signal vom Satellit bis zum Empfänger zurücklegt; aber mit Vorkenntnis der näherungsweisen Werte kann man diese Mehrdeutigkeiten beseitigen.)
Die Positionsbestimmung kann zwar auch mit dem Radioteleskop geschehen (und dort mit höherer Genauigkeit), jedoch ist dort eine langwierige Auswertung nötig, während beim GPS die Ergebnisse instantan geliefert werden.
Durch Kombination mehrerer GPS-Stationen weltweit kann man die Bahnen der GPS-Satelliten bestimmen, die Erdrotationsparameter bestimmen und außerdem durch Vergleich mit anderen Messverfahren die Eigenschaften der Atmosphäre (Luftfeuchtigkeit) und Ionosphäre (Elektronengehalt) bestimmen.
Voraussetzung für die Messung mit GPS: Satellitenbahnen, Erdrotation und Gravitationsfeld der Erde müssen bekannt sein
Gehäuseform der Antenne als Spitzkegel, damit sich Vögel schlecht draufsetzen können
Die Messungen erfordern eine sehr exakte Zeitmessung. Daher werden hier auch sehr genaue Cäsium-Atomuhren betrieben; bei Messungen verwendet man zusätzlich Wasserstoff-Maser, die eine noch höhere Genauigkeit besitzen (aber eine geringere Langzeitstabilität).
Die Zeit der Cäsium-Atomuhr in Wettzell wird auch nach Paris gemeldet, wo aus den Daten von ca. 200 Atomuhren weltweit die international gültige Zeitmessung generiert wird. Auch die Zeit der Atomuhr der mobilen Station in Chile wird nach Paris gemeldet; es ist die einzige Atomuhr in Chile, die dazu beiträgt.