ALBERT

Description: The recent deliverable describes the development and the characteristics of the European Fluid Atlas (EFA) created in the frame of the REFLECT project by University of Miskolc. In the Atlas, formerly existing and newly measured data of geothermal fluids are visualised. Fluid data were collected from 21 European countries. The layers provide point feature information presented on a base map, including geography, geology, and depth range, as well as physical, chemical and microbial properties of fluids. Data of wells, rocks and reservoirs are also available. The focus is on fluids used for electricity generation (〉 100 °C), but data from heat projects are also included. A free and open-source cross-platform is used for the visualisation, in which the geographic information system provides the environment to view, edit and analyse geospatial data. The interface includes query and filtering tools to explore the database with a map-based visualization. The query results can be downloaded as an excel worksheet. By selecting the entire dataset, the downloaded report contains all the data published on EFA.

Description: Present day system Earth research utilizes the tool ‘Scientific Drilling’ to access samples and to monitor deep Earth processes that cannot be tackled by other scientific means. Unlike most laboratory experiments or computer modelling, drilling projects are massive field endeavours requiring intense collaboration of researchers with engineers and service providers. In the framework of the International Continental Scientific Drilling Program, ICDP, more than seventy drilling projects have been conducted, from multiyear big research programs to short, smallscale deployments such as lake drilling projects. ICDP has supported these projects not only through grants covering field-related costs, but also through a variety of scientific-technical services and support, as well as active help in data management, outreach and publication. These services are described in this booklet. Due to its instructional character, we call it the ICDP Primer.

Description: With the ongoing deployment of Global Navigation Satellite Systems (GNSS) ground stations and the modernization of satellite signal systems, the utilization of various augmentation technologies enables the realization of Precise Point Positioning (PPP) in real-time. Augmentation technology, which introduces precise atmospheric and signal-related delays, has become an essential component of high-precision real-time services and is attracting growing interest in scientific research, disaster monitoring, autopilot, etc. Previous studies have dedicated significant efforts to enhance the generation and dissemination of augmentation information on the service side and improve real-time positioning algorithms on the user side. The real-time atmosphere augmentation information with sufficient accuracy and proper constraint, and reliable Ambiguity Resolution (AR) for this purpose is the main focus of current GNSS research. However, these efforts have primarily been concentrated on small or medium-sized regions with the capability for transmitting massive data volumes. Alternatively, they have focused on larger areas, but with slow convergence due to the imprecise nature of atmosphere information. To address the challenge posed by the trade-offs among service area size, correction volume, and the precision of represented correction, a new augmentation strategy is proposed. This approach integrates the advantages of atmospheric delay fitting models, unmodeled residuals, and uncertainty information to achieve rapid and high-precision positioning, all while reducing data transmission volume for larger areas. It also allows users to implement different positioning modes depending on their communication capacity. Additionally, all deviations among different types of receivers and satellite signals are calibrated in this study for reliable AR can be achieved on all reference stations. The main contribution of this thesis is summarized as follows. With the real-time precise orbit, clock, and Uncalibrated Phase Delay (UPD) products, precise atmospheric delay corrections relying on reliable AR can be derived for large-areas augmentation services. To address the challenge of achieving reliable AR across different receiver types and various satellite signals, this thesis proposes a comprehensive method for calibrating receiver-type-related satellite-specific deviations and analyzes the impact of satellite signal bias corrections in data processing. The primary objective is to enhance the reliability of AR, enabling the utilization of all available signals and receiver types in large-area services. Subsequently, new tropospheric and ionospheric delay fitting models applied for large-area are carried out according to the properties of their propagation paths. In addition, the corresponding atmospheric delay uncertainty for large areas is introduced based on the fitting residuals. Finally, a hierarchical mode is developed for augmentation services, leveraging the advantages of the fitting model and uncertainty grid to reduce data volume and incorporating regional fitting residuals using the interpolation model and ionospheric delay error function, depending on the network capability. Based on hierarchical augmentation, positioning in large areas can not only achieve rapid/instantaneous high-precision convergence but also overcome the conflict among correction volume, represented precision, and coverage size. In order to derive precise atmospheric delay and accelerate positioning, implementing reliable and robust AR across all types of receivers and satellite signals is essential. It also demonstrates and discusses the advantages of calibrating satellite-signal and receiver-type-related satellite-specific deviations in AR solutions. The deviations related to receivers in terms of UPD products are assessed and calibrated, confirming that a 0.03 cycle consistency in wide lane UPD can be achieved. The effectiveness of the proposed approach is demonstrated using GPS satellite signals, which can improve the AR rate by at least 10% and produce more reliable results. In addition, the impact of different signal settings and corrections on orbit, clock, and UPD generation, as well as positioning and pseudo-range signal systematic and stochastic residuals, is analyzed. These processing strategies provide flexible observation selections, allowing the utilization of all available satellite signals and receiver types, thereby enabling reliable AR and a higher fixing rate. As a result, an AR fixing rate exceeding 95% is achievable across all stations in large-area services. For precise atmospheric delay modeling over large areas, new models are proposed, including a tropospheric Zenith Wet Delay (ZWD) model and a satellite-wise ionospheric slant delay fitting model. The tropospheric delay model takes the exponential function of water vapor vertical changes into consideration, addressing model anomalies in areas with large altitude differences. The new ionospheric delay fitting model introduces the trigonometric functions to describe differences in slant path delays between the optimal reference propagation path and others, achieving superior modeling performance in large areas. The precision of the fitting model, utilizing a 200 km station-spacing network, demonstrates tropospheric ZWD and ionospheric slant delays of 1.3 cm and 8.9 cm, respectively, with smaller standard deviations. These new fitting models overcome the challenge of handling massive information for providing station-wise corrections and avoid an increase in the number of coefficients. In addition to the function model, the stochastic model, i.e., uncertainty information, is essential for describing the quality of corrections. The atmospheric delay uncertainty for the large-area fitting model is generated based on the fitting residuals and represented in forms of grid-point. Additionally, regional ionosphere unmodeled residual uncertainty is represented by the form of liner function, which is established by the relationship between distance and interpolation precision through inter-satellite cross-verification among all reference stations. The differences between uncertainty value and real delays are 2.5 cm and 0.5 cm for grid and function forms, respectively. For real-time applications in large areas, the fitting model and grid-based atmosphere uncertainty serve as the essential information, satisfying the requirement of rapid positioning. By further incorporating unmodeled residuals and ionosphere error function, a hierarchical augmentation model is provided. Based on the fitting model established for large areas, unmodeled residuals are further introduced as optional compensation for specific areas, depending on the magnitude of fitting residuals. This approach results in a 97% reduction in tropospheric delay and a 65% reduction in ionospheric delay transmission volume. Furthermore, leveraging the regional high capability of communication, 85.3% of all solutions can achieve instantaneous convergence at the first epoch with the aid of corresponding regional compensation. This thesis proposes a large areas augmentation service to overcome the conflict among correction data volume, represented precision, and coverage size. It demonstrates the benefits of an augmentation mode that integrates regional information into large-area services. Under these conditions, a more reliable and rapid AR solution can be easily achieved based on precise atmospheric delay correction and uncertainty in large areas with fewer data volume requirements. This is beneficial for actual real-time services and applications.

Description: Mit der laufenden Bereitstellung von Bodenstationen für globale Navigationssatellitensysteme (GNSS) und der Modernisierung von Satellitensignal-Systemen ermöglicht die Nutzung verschiedener Augmentationstechnologien die Realisierung der Präzisen Punkt-Positionierung (PPP) in Echtzeit. Augmentationstechnologie, die präzise atmosphärische und signalbezogene Verzögerungen einführt, ist zu einem wesentlichen Bestandteil hochpräziser Echtzeitdienste geworden und findet wachsendes Interesse in wissenschaftlicher Forschung, Katastrophenüberwachung, Autopiloten usw. Frühere Studien haben erhebliche Anstrengungen darauf verwendet, die Erzeugung und Verbreitung von Augmentationsinformationen auf der Dienstseite zu verbessern und Echtzeit-Positionierungsalgorithmen auf der Benutzerseite zu optimieren. Die Echtzeit-Atmosphärenaugmentationsinformationen mit ausreichender Genauigkeit und angemessener Einschränkung sowie zuverlässige Ambiguitätsauflösung (AR) für diesen Zweck stehen im Mittelpunkt der aktuellen GNSS-Forschung. Diese Bemühungen konzentrierten sich jedoch hauptsächlich auf kleine oder mittelgroße Regionen mit der Fähigkeit zur Übertragung großer Datenmengen. Alternativ richteten sie sich auf größere Gebiete, jedoch mit langsamer Konvergenz aufgrund der ungenauen Natur der Atmosphäreninformation. Um der Herausforderung durch die Abwägung zwischen Größe des Dienstleistungsgebiets, Korrekturvolumen und Präzision der dargestellten Korrektur zu begegnen, wird eine neue Augmentationsstrategie vorgeschlagen. Dieser Ansatz integriert die Vorteile atmosphärischer Verzögerungsanpassungsmodelle, nicht modellierter Reste und Unsicherheitsinformationen, um eine schnelle und hochpräzise Positionierung zu erreichen, und das bei gleichzeitiger Reduzierung der Datenübertragungsvolumina für größere Gebiete. Es ermöglicht den Benutzern auch, verschiedene Positionierungsmodi je nach ihrer Kommunikationskapazität zu implementieren. Zusätzlich werden in dieser Studie alle Abweichungen zwischen verschiedenen Typen von Empfängern und Satellitensignalen kalibriert, um eine zuverlässige AR an allen Referenzstationen zu erreichen. Die Hauptbeiträge dieser Arbeit werden wie folgt zusammengefasst. Mit den Echtzeit-Präzbitbahnen, Uhren und Uncalibrated Phase Delay (UPD)-Produkten können präzise atmosphärische Verzögerungskorrekturen für großflächige Augmentationsdienste abgeleitet werden, die auf zuverlässiger AR basieren. Um die Herausforderung zu bewältigen, eine zuverlässige AR über verschiedene Empfängertypen und verschiedene Satellitensignale hinweg zu erreichen, schlägt diese Arbeit eine umfassende Methode zur Kalibrierung von empfängertypbezogenen satellspezifischen Abweichungen vor und analysiert die Auswirkungen von Korrekturen für Satellitensignalverzerrungen in der Datenverarbeitung. Das Hauptziel besteht darin, die Zuverlässigkeit der AR zu verbessern und die Nutzung aller verfügbaren Signale und Empfängertypen in großflächigen Diensten zu ermöglichen. Anschließend werden neue troposphärische und ionosphärische Verzögerungsanpassungsmodelle für großflächige Anwendungen gemäß den Eigenschaften ihrer Ausbreitungspfade durchgeführt. Darüber hinaus wird die entsprechende atmosphärische Verzögerungsunsicherheit für große Gebiete auf der Grundlage der Anpassungsreste eingeführt. Schließlich wird ein hierarchischer Modus für Augmentationsdienste entwickelt, der die Vorteile des Anpassungsmodells und des Unsicherheitsgitters nutzt, um das Datenvolumen zu reduzieren und regionale Anpassungsreste unter Verwendung des Interpolationsmodells und der ionosphärischen Verzögerungsfehlerfunktion, abhängig von der Netzwerkfähigkeit, zu integrieren. Basierend auf der hierarchischen Augmentation kann die Positionierung in großen Gebieten nicht nur eine schnelle/instantane hochpräzise Konvergenz erreichen, sondern auch den Konflikt zwischen Korrekturvolumen, dargestellter Präzision und Abdeckungsgröße überwinden. Um präzise atmosphärische Verzögerungen abzuleiten und die Positionierung zu beschleunigen, ist es entscheidend, eine zuverlässige und robuste AR über alle Arten von Empfängern und Satellitensignalen zu implementieren. Es zeigt auch die Vorteile der Kalibrierung von satellitensignal- und empfängertypbezogenen satellspezifischen Abweichungen in AR-Lösungen auf. Die Abweichungen im Zusammenhang mit Empfängern in Bezug auf UPD-Produkte werden bewertet und kalibriert, wobei bestätigt wird, dass eine Konsistenz von 0,03 Zyklen bei Wide-Lane-UPD erreicht werden kann. Die Wirksamkeit des vorgeschlagenen Ansatzes wird unter Verwendung von GPS-Satellitensignalen demonstriert, die die AR-Rate um mindestens 10% verbessern und zu zuverlässigeren Ergebnissen führen können. Darüber hinaus wird der Einfluss unterschiedlicher Signalparameter und Korrekturen auf die Erzeugung von Orbit, Uhr und UPD sowie auf die Positionierung und systematische und stochastische Reste der Pseudo-Range-Signale analysiert. Diese Verarbeitungsstrategien bieten flexible Auswahlmöglichkeiten bei der Beobachtung und ermöglichen die Nutzung aller verfügbaren Satellitensignale und Empfängertypen, wodurch eine zuverlässige AR und eine höhere Fixierungsrate ermöglicht wird. Als Ergebnis ist eine AR-Fixierungsrate von über 95% bei allen Stationen in großflächigen Diensten erreichbar. Für eine präzise Modellierung atmosphärischer Verzögerungen über großen Gebieten werden neue Modelle vorgeschlagen, darunter ein troposphärisches Zenith Wet Delay (ZWD)-Modell und ein satellitenweises ionosphärisches Schrägverzögerungsanpassungsmodell. Das troposphärische Verzögerungsmodell berücksichtigt die exponentielle Funktion der vertikalen Änderungen des Wasserdampfs und behebt Modellanomalien in Gebieten mit großen Höhendifferenzen. Das neue ionosphärische Verzögerungsanpassungsmodell verwendet trigonometrische Funktionen, um Unterschiede in den Schrägpfadverzögerungen zwischen dem optimalen Referenzausbreitungspfad und anderen zu beschreiben und erreicht so eine überlegene Modellierungsleistung in großen Gebieten. Die Präzision des Anpassungsmodells, unter Verwendung eines 200 km-Stationen-Netzwerks, zeigt troposphärische ZWD- und ionosphärische Schrägverzögerungen von jeweils 1,3 cm und 8,9 cm mit kleineren Standardabweichungen. Diese neuen Anpassungsmodelle überwinden die Herausforderung, massive Informationen für die Bereitstellung stationsspezifischer Korrekturen zu verarbeiten, und vermeiden eine Zunahme der Anzahl der Koeffizienten. Neben dem Funktionsmodell ist das stochastische Modell, d. h. Unsicherheitsinformationen, entscheidend für die Beschreibung der Qualität der Korrekturen. Die Unsicherheit der atmosphärischen Verzögerung für das großflächige Anpassungsmodell wird auf der Grundlage der Anpassungsreste generiert und in Form von Gitterpunkten dargestellt. Zusätzlich wird die regionale ionosphärische nicht modellierte Restunsicherheit durch die Form einer linearen Funktion repräsentiert, die durch die Beziehung zwischen Entfernung und Interpolationsgenauigkeit durch inter-satellitenkreuz-Verifikation zwischen allen Referenzstationen etabliert wird. Die Unterschiede zwischen Unsicherheitswert und realen Verzögerungen betragen 2,5 cm bzw. 0,5 cm für Gitter- und Funktionsformen. Für Echtzeitanwendungen in großen Gebieten dienen das Anpassungsmodell und die gitterbasierte Atmosphärenunsicherheit als wesentliche Informationen, die die Anforderungen an schnelle Positionierung erfüllen. Durch die weitere Integration von nicht modellierten Resten und Ionosphärenfehlerfunktion wird ein hierarchisches Augmentationsmodell bereitgestellt. Basierend auf dem für große Gebiete etablierten Anpassungsmodell werden nicht modellierte Reste zusätzlich als optionale Kompensation für spezifische Bereiche eingeführt, abhängig von der Größenordnung der Anpassungsreste. Dieser Ansatz führt zu einer Reduktion von 97% der troposphärischen Verzögerung und einer Reduktion von 65% des ionosphärischen Verzögerungsvolumens. Darüber hinaus können unter Nutzung der regionalen hohen Kommunikationsfähigkeit 85,3% aller Lösungen mit Hilfe entsprechender regionaler Kompensation eine sofortige Konvergenz beim ersten Epochenzeitpunkt erreichen. Diese Dissertation schlägt einen großflächigen Augmentationsdienst vor, um den Konflikt zwischen Korrekturvolumen, dargestellter Präzision und Abdeckungsgröße zu überwinden. Sie zeigt die Vorteile eines Augmentationsmodus, der regionale Informationen in großflächige Dienste integriert. Unter diesen Bedingungen kann eine zuverlässigere und schnellere AR-Lösung basierend auf präziser atmosphärischer Verzögerungskorrektur und Unsicherheit in großen Gebieten mit geringeren Anforderungen an das Datenvolumen leicht erreicht werden. Dies ist vorteilhaft für tatsächliche Echtzeitdienste und Anwendungen.

Description: This deliverable contains the raw data that constitutes the database of microbial diversity and organic compounds in geothermal fluids used for electricity production generated during the project.

Description: Report of design and test results of downhole sampling.

Description: We provide new thermodynamic and kinetic data concerning the dissolution and precipitation of silica in hot and superhot geothermal systems. Different methods were applied, including traditional photometric methods and in situ Raman and conductimetric methods. The studies covered the interactions of silica with both pure water and saline solutions. The kinetics of silica polymerisation were studied in the presence of various metal ions and at different pH values, informed by an analysis of real geothermal water samples from the Tuzla region of Türkiye.

Description: The International Celestial Reference System (ICRS) is the reference system used for astrometry and geodesy in space. Its realizations are the International Celestial Reference Frames (ICRFs). The latest realizations are ICRF3 S/X, ICRF3 K, and ICRF3 X/Ka at radio frequencies observed by geodetic very long bThe International Celestial Reference System (ICRS) is the reference system used for astrometry and geodesy in space. Its realizations are the International Celestial Reference Frames (ICRFs). The latest realizations are ICRF3 S/X, ICRF3 K, and ICRF3 X/Ka at radio frequencies observed by geodetic very long baseline interferometry (VLBI), and Gaia-CRF3 from observations by the Gaia spacecraft at optical frequencies. The ICRFs are independently derived catalogs of mean positions (and proper motions as well as parallaxes in case of Gaia) of distant compact extragalactic sources with approximately comparable precision. Within the error bounds, the different observation setups should ideally produce identical source positions. However, previous research discovered variances related to the variable nature of the sources as a function of frequency and time. A deeper understanding of the individual source position differences as well as the alignment of the ICRFs in terms of global systematic source position differences benefits the large ICRF and Gaia user community, such as geodetic VLBI for connecting VLBI products across frequencies. This work adds several case studies to the existing research on the comparison and the alignment of the ICRFs. At optical frequencies, the set of ICRF3 counterparts in the Gaia spacecraft’s Early Data Release 3 (Gaia EDR3, including Gaia-CRF3) and in Gaia DR2, the predecessor of Gaia EDR3, are investigated. The position differences of the individual counterparts at the various frequencies are re-evaluated, focusing on the correlation of the normalized distances, offset directions, and global systematic differences with the number of VLBI observations or the extent of radio source structure. The individual VLBI and Gaia position offsets tend to be in the same direction, especially in case of significant offsets. It is shown that large normalized position offsets are related to sources with large radio structure. The global systematic differences, which are an order of magnitude smaller than the individual differences, can be accurately determined, especially if the set of counterparts has been defined. A Celestial Reference Frame (CRF) determined from S/X observations from the same time interval as Gaia DR2 does not indicate any improvements in the alignment of Gaia DR2 compared to ICRF3 S/X. Since the alignment of Gaia DR2 and Gaia EDR3 depends on the visual magnitude G and the radio sources in ICRF3 are optically faint, the alignment of the bright fraction (G ≤ 13 mag) of the Gaia data releases to ICRF3 requires additional verification. The approach and data of Lindegren (2020a) are adopted, who used optically bright radio stars to test the alignment. Since the resolution of VLBI and Gaia is small enough to detect their proper motions, they must be included in the alignment test and a time variability of the alignment (spin) must also be estimated. However, these results are not yet accurate enough compared to the expected uncertainties of the individual sources astrometry in the final Gaia data release for this G magnitude range. In this work, these VLBI data of radio stars are homogenized, and a more realistic error budget for the VLBI positions is established. New, dedicated VLBI observations of bright radio stars were carried out to obtain more urgently needed VLBI positions for the determination of the alignment. The positions are included in two ways: once as absolute one-epoch positions and once as relative positions in order to derive new precise models of stellar motion whenever possible. A significant spin around the Y axis was determined for both Gaia DR2 and Gaia EDR3, albeit the rotations in this direction are still the least well determined. Among other aspects, the accuracy of the results, the effect of nonlinear proper motion, and a G magnitude dependence within the bright fraction are investigated. The effect of possible future VLBI observations of radio stars on the alignment is tested. In summary, this work evaluates the accuracy of the alignment of the current ICRFs. It furthermore highlights the need to accurately assess VLBI observations of radio stars in the context of the alignment of the Gaia bright frame with ICRF3 and demonstrates how this can be accomplished.

Description: Das International Celestial Reference System (ICRS) ist das Himmelsreferenzsystem, das in der Astrometrie und Geodäsie verwendet wird. Seine Realisierungen sind die International Celestial Reference Frames (ICRFs). Die jüngsten Realisierungen sind im Radiofrequenzbereich der ICRF3 S/X, der ICRF3 K und der ICRF3 X/Ka, welche mit Hilfe von geodätischer very long baseline interferometry (VLBI) beobachtet werden. Außerdem ist es im optischen Frequenzbereich der Gaia-CRF3, welcher aus Beobachtungen des Gaia Weltraumteleskops stammt. DDas International Celestial Reference System (ICRS) ist das Himmelsreferenzsystem, das in der Astrometrie und Geodäsie verwendet wird. Seine Realisierungen sind die International Celestial Reference Frames (ICRFs). Die jüngsten Realisierungen sind im Radiofrequenzbereich der ICRF3 S/X, der ICRF3 K und der ICRF3 X/Ka, welche mit Hilfe von geodätischer very long baseline interferometry (VLBI) beobachtet werden. Außerdem ist es im optischen Frequenzbereich der Gaia-CRF3, welcher aus Beobachtungen des Gaia Weltraumteleskops stammt. Die ICRFs sind unabhängig voneinander abgeleitete Kataloge mittlerer Positionen (und Eigenbewegungen als auch Parallaxen im Falle von Gaia) entfernter kompakter extragalaktischer Quellen mit annähernd vergleichbarer Genauigkeit. Innerhalb der Fehlergrenzen sollten die verschiedenen Beobachtungsmethodiken idealerweise zu identischen Quellenpositionen führen. In früheren Untersuchungen wurden jedoch Abweichungen festgestellt, die mit der frequenz- und zeitvariablen Quellenstruktur zusammenhängen. Ein tieferes Verständnis der individuellen Positionsunterscheide der Quellen als auch der Unterschiede in der Orientierung der ICRFs mittels globaler systematischer Positionsunterschiede der Quellen kommt der großen Nutzergruppe von ICRF und Gaia zugute, wie z. B. der geodätischen VLBI für die Zusammenführung von VLBI-Produkten über Frequenzen hinweg. Diese Arbeit ergänzt die bestehenden Forschungsarbeiten über den Vergleich und die Orientierung der ICRFs um mehrere Fallstudien. Im optischen Frequenzbereich werden die ICRF3-Gegenstücke im Early Data Release 3 (Gaia EDR3, einschließlich Gaia-CRF3) der Gaia Raumsonde und im Gaia DR2, dem Vorgänger von Gaia EDR3, untersucht. Die Positionsunterschiede der einzelnen Gegenstücke für die verschiedenen Frequenzen werden neu bewertet, wobei der Schwerpunkt auf der Korrelation der normalisierten Entfernungen, der Richtungen der Positionsdifferenzen und der globalen systematischen Unterschiede mit der Anzahl der VLBI-Beobachtungen sowie dem Ausmaß der Radioquellenstruktur liegt. Die individuellen VLBI- und Gaia-Positionsunterschiede bevorzugen die selbe Richtung, insbesondere im Falle signifikanter Differenzen. Es wird gezeigt, dass große normalisierte Positionsunterschiede auf Quellen mit großer Radioquellenstruktur zurückzuführen sind. Die globalen systematischen Abweichungen, die um eine Größenordnung geringer sind als die individuellen Differenzen, können genau bestimmt werden. Dies gilt insbesondere wenn die Teilmenge der verwendeten Gegenstücke vorher definiert wurde. Ein Celestial Reference Frame (CRF), der aus S/X-Beobachtungen des selben Zeitintervalls wie Gaia DR2 ermittelt wurde, zeigt keine Verbesserungen in der Ausrichtung von Gaia DR2 im Vergleich zu ICRF3 S/X. Da die Orientierung von Gaia DR2 und Gaia EDR3 von der scheinbaren Helligkeit G ab- hängt und die Radioquellen des ICRF3 eine geringe scheinbare Helligkeit aufweisen, muss die Ausrichtung des hellen Anteils (G ≤ 13 mag) der Gaia-Daten auf den ICRF3 zusätzlich überprüft werden. In dieser Arbeit werden der Ansatz und die Daten von Lindegren (2020a) übernommen, der zur Überprüfung der Orientierung scheinbar helle Radiosterne verwendete. Da die Auflösung von VLBI und Gaia klein genug ist, um Eigenbewegungen von Sternen zu erkennen, müssen diese in den Orientierungstest einbezogen und auch eine zeitliche Variabilität der Orientierung geschätzt werden. Allerdings sind diese Ergebnisse bisher nicht genau genug im Vergleich zu den erwarteten Genauigkeiten der Astrometrie der einzelnen Quellen des hellen Anteils in der endgültigen Gaia-Datenveröffentlichung. In dieser Arbeit werden die vorhandenen VLBI-Daten der Radiosterne homogenisiert und es wird ein realistischeres Fehlerbudget für die VLBI-Positionen aufgestellt. Es wurden neue, gezielte VLBI-Beob-achtungen von hellen Radiosternen durchgeführt, um mehr dringend benötigte VLBI-Positionen für eine bessere Bestimmung der Orientierung zu erhalten. Die Positionen wurden auf zwei verschiedene Arten integriert: einmal als absolute Positionen aus einer Beobachtungsepoche und einmal als relative Positionen, um wann immer möglich neue präzise Modelle der Sternbewegung abzuleiten. Sowohl für Gaia DR2 als auch für Gaia EDR3 wurde eine signifikante zeitabhängige lineare Rotation um die Y -Achse ermittelt, wenngleich die Rotationen in dieser Richtung noch die geringste Genauigkeit aufweisen. Unter anderem werden die Genauigkeit der Ergebnisse, die Auswirkung der nichtlinearen Eigenbewegung und die Abhängigkeit von der scheinbaren Helligkeit innerhalb des hellen Anteils untersucht. Der Einfluss möglicher zukünftiger VLBI-Beobachtungen von Radiosternen auf die Orientierungsbestimmung wird getestet. Zusammenfassend evaluiert diese Arbeit die Genauigkeit der Orientierung der aktuellen ICRFs. Sie unterstreicht darüber hinaus die Notwendigkeit, VLBI-Beobachtungen von Radiosternen im Zusammenhang mit der Orientierung des hellen Gaia-Referenzrahmens zu ICRF3 genau zu prüfen, und zeigt, wie dies erreicht werden kann.ie ICRFs sind unabhängig voneinander abgeleitete Kataloge mittlerer Positionen (und Eigenbewegungen als auch Parallaxen im Falle von Gaia) entfernter kompakter extragalaktischer Quellen mit annähernd vergleichbarer Genauigkeit. Innerhalb der Fehlergrenzen sollten die verschiedenen Beobachtungsmethodiken idealerweise zu identischen Quellenpositionen führen. In früheren Untersuchungen wurden jedoch Abweichungen festgestellt, die mit der frequenz- und zeitvariablen Quellenstruktur zusammenhängen. Ein tieferes Verständnis der individuellen Positionsunterscheide der Quellen als auch der Unterschiede in der Orientierung der ICRFs mittels globaler systematischer Positionsunterschiede der Quellen kommt der großen Nutzergruppe von ICRF und Gaia zugute, wie z. B. der geodätischen VLBI für die Zusammenführung von VLBI-Produkten über Frequenzen hinweg. Diese Arbeit ergänzt die bestehenden Forschungsarbeiten über den Vergleich und die Orientierung der ICRFs um mehrere Fallstudien. Im optischen Frequenzbereich werden die ICRF3-Gegenstücke im Early Data Release 3 (Gaia EDR3, einschließlich Gaia-CRF3) der Gaia Raumsonde und im Gaia DR2, dem Vorgänger von Gaia EDR3, untersucht. Die Positionsunterschiede der einzelnen Gegenstücke für die verschiedenen Frequenzen werden neu bewertet, wobei der Schwerpunkt auf der Korrelation der normalisierten Entfernungen, der Richtungen der Positionsdifferenzen und der globalen systematischen Unterschiede mit der Anzahl der VLBI-Beobachtungen sowie dem Ausmaß der Radioquellenstruktur liegt. Die individuellen VLBI- und Gaia-Positionsunterschiede bevorzugen die selbe Richtung, insbesondere im Falle signifikanter Differenzen. Es wird gezeigt, dass große normalisierte Positionsunterschiede auf Quellen mit großer Radioquellenstruktur zurückzuführen sind. Die globalen systematischen Abweichungen, die um eine Größenordnung geringer sind als die individuellen Differenzen, können genau bestimmt werden. Dies gilt insbesondere wenn die Teilmenge der verwendeten Gegenstücke vorher definiert wurde. Ein Celestial Reference Frame (CRF), der aus S/X-Beobachtungen des selben Zeitintervalls wie Gaia DR2 ermittelt wurde, zeigt keine Verbesserungen in der Ausrichtung von Gaia DR2 im Vergleich zu ICRF3 S/X. Da die Orientierung von Gaia DR2 und Gaia EDR3 von der scheinbaren Helligkeit G ab- hängt und die Radioquellen des ICRF3 eine geringe scheinbare Helligkeit aufweisen, muss die Ausrichtung des hellen Anteils (G ≤ 13 mag) der Gaia-Daten auf den ICRF3 zusätzlich überprüft werden. In dieser Arbeit werden der Ansatz und die Daten von Lindegren (2020a) übernommen, der zur Überprüfung der Orientierung scheinbar helle Radiosterne verwendete. Da die Auflösung von VLBI und Gaia klein genug ist, um Eigenbewegungen von Sternen zu erkennen, müssen diese in den Orientierungstest einbezogen und auch eine zeitliche Variabilität der Orientierung geschätzt werden. Allerdings sind diese Ergebnisse bisher nicht genau genug im Vergleich zu den erwarteten Genauigkeiten der Astrometrie der einzelnen Quellen des hellen Anteils in der endgültigen Gaia-Datenveröffentlichung. In dieser Arbeit werden die vorhandenen VLBI-Daten der Radiosterne homogenisiert und es wird ein realistischeres Fehlerbudget für die VLBI-Positionen aufgestellt. Es wurden neue, gezielte VLBI-Beob-achtungen von hellen Radiosternen durchgeführt, um mehr dringend benötigte VLBI-Positionen für eine bessere Bestimmung der Orientierung zu erhalten. Die Positionen wurden auf zwei verschiedene Arten integriert: einmal als absolute Positionen aus einer Beobachtungsepoche und einmal als relative Positionen, um wann immer möglich neue präzise Modelle der Sternbewegung abzuleiten. Sowohl für Gaia DR2 als auch für Gaia EDR3 wurde eine signifikante zeitabhängige lineare Rotation um die Y -Achse ermittelt, wenngleich die Rotationen in dieser Richtung noch die geringste Genauigkeit aufweisen. Unter anderem werden die Genauigkeit der Ergebnisse, die Auswirkung der nichtlinearen Eigenbewegung und die Abhängigkeit von der scheinbaren Helligkeit innerhalb des hellen Anteils untersucht. Der Einfluss möglicher zukünftiger VLBI-Beobachtungen von Radiosternen auf die Orientierungsbestimmung wird getestet. Zusammenfassend evaluiert diese Arbeit die Genauigkeit der Orientierung der aktuellen ICRFs. Sie unterstreicht darüber hinaus die Notwendigkeit, VLBI-Beobachtungen von Radiosternen im Zusammenhang mit der Orientierung des hellen Gaia-Referenzrahmens zu ICRF3 genau zu prüfen, und zeigt, wie dies erreicht werden kann.

Description: Space geodetic techniques contribute significantly to enhancing our understanding of the Earth system. These techniques include Very Long Baseline Interferometry (VLBI), Global Navigation Satellite System (GNSS), Satellite Laser Ranging (SLR), and Doppler Orbitography and Radiopositioning Integrated by Satellite (DORIS). The primary objective of these space geodetic techniques is to establish an accurate Terrestrial Reference Frame (TRF). Since each technique has its strengths and weaknesses, a combination of space geodetic techniques is employed to overcome the weaknesses in TRF determination. The current TRF, known as the International Terrestrial Reference Frame 2020 (ITRF2020), is determined with a combination of space geodetic techniques through station coordinate parameters at the co-location sites using local ties, which represent the difference between the station coordinates of a space geodetic technique at a co-location site. According to the scientific-driven requirements of the Global Geodetic Observing System (GGOS), the TRF needs to be established with an accuracy level of 1 mm. However, the ITRF2020 has not yet reached this scientific requirement. Therefore, another perspective needs to be investigated in order to reach the scientific-driven requirement for TRF determination. Microwave-based space geodetic techniques, such as VLBI and GNSS, observe under the same atmospheric conditions and are also included as a parameter in the adjustment process. Therefore, similar to station coordinates, this parameter can also be combined using ties. The ties for tropospheric parameters are referred to as "tropospheric ties". Unlike the local ties, which are directly measured using a total station or other distance measurements at the reference point of the space geodetic technique, tropospheric ties can only be derived through a model. Currently, two different approaches can be used to derive tropospheric ties. The first approach involves using an analytical model with meteorological data from different sources, such as meteorological sensors at the site, a Numerical Weather Model (NWM), and an empirical meteorological model. The second approach involves using the ray-tracing technique through a refraction field of NWM. However, since tropospheric ties can only be derived from the model, their accuracy is limited. To improve their accuracy, it is necessary to address the systematic effects that cause a discrepancy between the observed tropospheric parameter differences and tropospheric ties. This thesis investigates this discrepancy using the GNSS and VLBI intra/inter technique comparison of tropospheric parameters. The results indicate that the discrepancy is caused by the GNSS instrument, specifically the antenna and radome, in zenith total delay (ZTD) differences. On the other hand, the horizontal gradient difference is affected by multipath effects that occur at low-elevation observations, rather than the instrument. This study observes no systematic effect in VLBI due to the instrument. The systematic effect in tropospheric parameters due to the instrument is referred to as instrumental bias. To prove this hypothesis, a GNSS co-location site experiment was conducted. The experiment reveals that the instrumental bias in GNSS-derived ZTD parameters originates from the instrument. Furthermore, the bias in GNSS-derived horizontal gradients comes from the multipath effect that occurs at low-elevation observations. To address the instrumental bias, another GNSS co-location experiment was conducted. This experiment employed a vertical steering pole to minimize the height difference of various antenna phase centers to a few millimeters level during antenna changing. The experiment successfully kept the reference point position for each experiment antenna at the same position within a 2 mm level. Thus, the remaining bias in GNSS-derived tropospheric parameters is attributed to the instrumental bias. This study demonstrates the capability and limitations of tropospheric ties through a combination of VLBI and GNSS on the Normal Equation (NEQ) level. The combination of VLBI and GNSS with tropospheric ties shows a prominent improvement in station coordinates and tropospheric parameters. A VLBI intra-technique combination during CONT14 demonstrated improvements in station coordinates and tropospheric parameters for two telescopes at the Hobart co-location site. Tropospheric ties demonstrate a capability as alternative ties when the local ties are of poor quality, particularly the height component. The results indicate that VLBI received the most benefit when combining tropospheric parameters with tropospheric ties in both station coordinates and tropospheric parameters. The study of proper temporal resolution for applying tropospheric ties was investigated. The results show similar results for all scenarios in both station coordinates and troposphere parameters. For the first time, a combination of GNSS and VLBI utilizing tropospheric ties with an instrumental bias correction is performed. The results show a significant improvement in station coordinates, particularly in VLBI. Furthermore, applying tropospheric ties with an instrumental bias correction considerably reduces the discrepancy between local ties and the space geodetic technique solution. However, there is no improvement in tropospheric parameters from using instrumental bias correction for tropospheric ties. The study also evaluates the impact of weighting tropospheric ties. The results indicate that strong weight provides the most benefit from using tropospheric ties. Nevertheless, systematic effects must be addressed to avoid degradation in the combined solution. It is important to note that one full set of local ties, i.e., both horizontal and vertical components, is necessary to use tropospheric ties since they cannot fulfill rank deficiencies in the NEQ system.

Description: Die vier geodätischen Raumverfahren VLBI (Very Long Baseline Interferometry), GNSS (Global Navigation Satellite System), SLR (Satellite Laser Ranging) und DORIS (Doppler Orbitography and Radiopositioning Integrated by Satellite) liefern Beiträge zum besseren Verständnis des Erdsystems. Ihre Datensätze sind von zentraler Bedeutung für die Realisierung eines präzisen terrestrischen Referenzrahmens (ITRF). Da die einzelnen Messtechniken Stärken und Schwächen für die TRF-Bestimmung aufweisen, werden die Datensätze kombiniert mit dem Ziel, die Schwächen auszugleichen. Der aktuelle ITRF, der Internationale Terrestrische Referenzrahmen 2020 (ITRF2020), ist eine Lösung, die kombinierte Stationskoordinaten an den Kollokationsstationen unter Verwendung lokaler Verbindungsvektoren (local ties), d.h. den Abstandsvektoren zwischen den jeweiligen Referenzpunkten, und kombinierte EOP (Erdorientierungsparameter) liefert. Das globale geodätische Beobachtungssystem (GGOS) stellt an die Lage des Ursprungs des ITRF die wissenschaftlich begründete Genauigkeitsanforderung von 1 mm. Die ITRF2020-Genauigkeit erfüllt diese Vorgabe jedoch nicht ganz. Um dieses Ziel zu erreichen, sind daher innovative Ansätze zu entwickeln. Die geodätischen Raumverfahren VLBI und GNSS, die Signale im Mikrowellenfrequenzspektrum nutzen, liefern an den Kolokationsstationen Beobachtungsdaten unter den gleichen atmosphärischen Bedingungen. Die Verknüpfung atmosphärischer Parameter kann daher ebenfalls im Ausgleichungsprozess eingesetzt werden. Ähnlich wie die Stationskoordinaten können diese Parameter auch miteinander verknüpft, also kombiniert, werden. Die Verknüpfung troposphärischer Parameter wird als „tropospheric tie“ bezeichnet. Im Gegensatz zu den lokal ties, die mit Totalstationen oder anderen Messgeräten am Referenzpunkt des jeweiligen Sensors gemessen werden, können die troposphärischen ties nur mittels Modellrechnungen bestimmt werden. Dabei werden gegenwärtig zwei verschiedene Ansätze verfolgt. Zum einen erfolgt die Berechnung mittels eines analytischen Modells auf der Grundlage meteorologischer Daten, die aus unterschiedlichen Quellen stammen, beispielsweise meteorologische Sensoren am Messstandort, numerische Wettermodelle (NWM) oder empirische meteorologische Modelle. Zum anderen wird die Methode der Strahlverfolgung (ray tracing) durch ein vom NWM abgeleitetes Brechungsindexfeld eingesetzt. Diese nur aus Modellen berechneten troposphärischen ties weisen notwendigerweise eine begrenzte Genauigkeit auf. Für höhere Genauigkeiten müssen weitere systematische Effekte berücksichtigt werden, die zu Abweichungen zwischen den beobachteten troposphärischen Parametern und den troposphärischen ties führen. Um diese systematischen Effekte zu untersuchen, werden in dieser Arbeit troposphärische Parameter verglichen, die in GNSS- und VLBI-Analysen berechnet wurden. Die Ergebnisse zeigen, dass signifikante Abweichungen in der vertikalen Signallaufzeitverzögerung (zenith total delay, ZTD) durch instrumentelle Effekte des GNSS-Verfahrensverursacht werden, insbesondere durch Elevations-abhängige Laufzeitvariationen und Verwendung einer Abdeckvorrichtung „radom“. Abweichungen der horizontalen Gradienten werden hingegen nicht durch das Instrument beeinflusst, sondern durch Mehrwegeffekte, die sich insbesondere auf Beobachtungen bei geringen Elevationswinkeln auswirken. In dieser Studie wird bei VLBI-Messungen kein systematischer Effekt, der instrumentelle Ursachen hat, beobachtet. Der systematische Effekt in den troposphärischen Parametern, der auf das Instrument zurückzuführen ist, wird im Folgenden als „instrumental bias“ bezeichnet. Für die Überprüfung der Hypothese, dass der instrumental bias überwiegend durch instrumentelle Effekte der von GNSS-Beobachtungen abgeleiteten ZTD-Parametern verursacht ist, wurde ein GNSS-Kollokationsexperiment durchgeführt. Die Ergebnisse des Experiments bestätigen diese Hypothese. Des Weiteren zeigt sich, dass der instrumental bias der horizontalen Gradienten, die von GNSS-Beobachtungen bei niedrigen Elevationen abgeleitet wurden, auf multi-pathing zurückzuführen ist. Um den instrumental bias in den ZTD-Parametern zu bestimmen, wurde ein weiteres GNSS-Kollokationsexperiment realisiert. Hierbei wurden Unterschiede in der Phasenzentrumsposition der verschiedenen Antennentypen mittels eines höhenverstellbaren Antennenmasts bis auf wenige Millimeter ausgeglichen. Während der Messung konnte die Position der Antennenreferenzpunkte erfolgreich innerhalb eines Bereichs von 2 mm gehalten werden. Die verbleibenden Abweichungen in den abgeleiteten troposphärischen Parametern sind daher nicht auf troposphärische Effekte sondern lediglich auf instrumentelle Ursachen zurückzuführen. Möglichkeiten und Grenzen der tropospheric ties werden in dieser Studie durch eine Kombination von VLBI- und GNSS-Beobachtungsdaten auf Normalgleichungsebene (NEQ) untersucht. Die Verwendung von tropospheric ties zeigt signifikante Effekte auf die Kombination von VLBI bzw. GNSS. Eine VLBI-Intratechnikkombination zweier Teleskope an der Kollokationsstation Hobart, Australien, während der CONT14-Messkampagne führt zu einer Genauigkeitssteigerung bezüglich der Stationskoordinaten und der troposphärischen Parameter. Die Untersuchung der tropospheric ties zeigt, dass sie eine Alternative zu den local ties darstellen, z.B. wenn diese fehlerbehaftet sind, insbesondere in der vertikalen Komponente. Die Ergebnisse zeigen, dass VLBI den größten Nutzen aus der Kombination von troposphärischen Parametern mit tropospheric ties zieht, sowohl bei den Stationskoordinaten als auch bei den troposphärischen Parametern. Es wird untersucht, welche zeitliche Auflösung für die Anwendung der tropospheric ties geeignet ist. Die Ergebnisse zeigen ähnliche Resultate für alle Szenarien, sowohl für Stationskoordinaten als auch für troposphärische Parameter. Zum ersten Mal wird eine Kombination von GNSS und VLBI unter Verwendung der tropospheric ties mit einer Korrektur des instrumental bias durchgeführt. Die Ergebnisse zeigen eine signifikante Verbesserung der Stationskoordinaten, insbesondere bei VLBI. Darüber hinaus wird durch die Anwendung der tropospheric ties mit der instrumental bias-Korrektur die Diskrepanz zwischen den local ties und den Ergebnissen aus den geodätischen Raumverfahren deutlich verringert. Bei den troposphärischen Parametern kann durch die Anwendung der instrumental bias-Korrektur jedoch keine Verbesserung nachgewiesen werden. Auch die Folgen der Gewichtung der tropospheric ties wird untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass sich eine hohe Gewichtung positiv auf die Verwendung der tropospheric ties auswirkt. Allerdings müssen systematische Effekte berücksichtigt werden, um eine Verschlechterung der kombinierten Lösung zu vermeiden. Es ist wichtig darauf hinzuweisen, dass für die Verwendung der tropospheric ties ein vollständiger Satz an local ties erforderlich ist, da die tropospheric ties nicht die Rangdefizite im NEQ-System ausgleichen können.

Description: BeiDou Navigation Satellite System (BDS), the Chinese component of Global Navigation Satellite Systems (GNSS), has come into operation and started to serve global users publicly since July 31st, 2020. BDS-3, i.e., the latest development of BDS, provides many services not only the traditional Position, Navigation and Timing (PNT) but also several featured ones such as Satellite-Based Augmentation Service (SBAS), Precision Point Positioning (PPP), Short Message Communication Service (SMCS) and Search And Rescue (SAR). Precise and accurate orbit and clock products are the perquisites of a GNSS to guarantee a high-quality service performance. BDS-3 is the first GNSS in which the Inter-Satellite-Link has been constellation-widely deployed. It has been preliminarily demonstrated that this new feature of BDS-3 improves the system’s survivability as well as its independence on the ground tracking. This study is devoted to the Precise Orbit Determination (POD) of BDS-3 with newly available ISL observations. The inherent incapability of ISL measurements of sensing the absolute variations of Right Ascension of the Ascending Nodes (RAANs) of satellite orbits hinders the autonomous orbit determination free from ground support. Different approaches to constrain the constellation rotation have been studied in the literature. On the other hand, orbit determination using only ISL observations can serve to evaluate the performance of the newly carried Inter-Satellite-Link payloads. Depending on the satellite, the post-fit RMS of ISL range observations is 4.2~10.5 cm. Eliminating the effects of constellation rotations, orbit precision based on ISL range observations is around 7.0, 4.6, and 3.5 cm in the along-track, cross-track, and radial direction, respectively. The clock observations of ISLs are used to synchronize the clocks of satellites within the constellation. The post-fit RMS of ISL clock observations ranges from ~2.9 cm to 10.0 cm, differing for satellites. For most satellites, similar precision of clock offsets as the IGS MGEX ACs’ products can be obtained by ISL measurements, with STDs around 0.15 ~ 0.20 ns. Hardware delays of Inter-Satellite-Links estimated from the range and clock observations both show very good temporal stability, with a monthly average STD of 0.13 and 0.08 ns, respectively. Harmonic signals taking the orbit motion as the fundamental frequency are found in both the range and clock residuals. Although it turns out those harmonic signals only affect the results marginally, a Fourier-like periodic function model is proposed to absorb them and has been proved effective. Several unresolved issues related to the POD of BDS-3 are investigated based on ground tracking data before studying the contributions of additional ISL observations. The effects of non-conservative perturbations from the Earth’s albedo and antenna thrust are significant and, therefore, need to be considered in the POD of BDS-3. The applicability of different empirical Solar Radiation Pressure (SRP) models and the necessity of an extra a-priori box-wing model are evaluated. Generally, the ECOM2 model shows superiority over the ECOM1 model as for BDS-3 satellites. And if the ECOM2 model is adopted,the additional a-priori box-wing model is unnecessary. In order to keep the backward compatibility of BDS-2, the strategy for integrated processing of BDS-2 and BDS-3, in which the legacy frequency combination B1I+B2I remains unchanged for BDS-2, is proposed and demonstrated. The contributions of incorporating ISL observations to the POD of BDS-3 are assessed comprehensively. First, the benefits of additional ISL range measurements are demonstrated in cases of different ground tracking networks. Secondly, the somehow unexpected improvement in the orbit precision brought by incorporating ISL clock observations is displayed. Furthermore, integratedly processing the ISL derived range, ISL derived clock, and L-band ground tracking observations reduces the orbit DBD by ~39% and 42% in the along-track and radial directions, respectively, compared to using only ground-tracking data. Last but not least, the contributions of ISL measurements to the estimation of geodetic parameters are proved, especially for the geocenter coordinates. Strong correlations between empirical SRP parameters and the geocenter Z-component, which plague the community for a long time, are significantly reduced by adding ISL observations. The results are very promising not just in terms of establishing and maintaining a national BDS-based terrestrial reference frame but also improving the potential contribution of BDS via the IGS community to the International Terrestrial Reference Frame (ITRF).

Description: Das BeiDou Navigation Satellite System (BDS), die chinesische Komponente von Global Navigation Satellite Systems (GNSS), ist seit dem 31. Juli 2020 in Betrieb und dient weltweit Benutzern öffentlich. BDS-3, dh die neueste Entwicklung von BDS, bietet viele Dienste, nicht nur die traditionelle Position, Navigation und Zeitmessung (PNT), sondern auch mehrere Funktionen wie der satellitengestützte Augmentation Service (SBAS), Precision Point Positioning (PPP), Short Message Communication Service (SMCS) und Search And Rescue (SAR). Präzise und genaue Orbit- und Clock-Produkte sind die Voraussetzungen für ein GNSS, um eine qualitativ hochwertige Serviceleistung zu gewährleisten. BDS-3 ist das erste GNSS, bei dem der Inter-Satellite-Link konstellationsweit eingesetzt wurde. Es wurde vorläufig gezeigt, dass diese neue Funktion von BDS-3 die Überlebensfähigkeit des Systems sowie seine Unabhängigkeit von der Bodenverfolgung verbessert. Diese Studie widmet sich der Precise Orbit Determination (POD) von BDS-3 mit neu verfügbaren ISL-Beobachtungen. Die inhärente Unfähigkeit von ISL-Messungen, die absoluten Variationen der Right Ascension of the Ascending Nodes (RAANs) von Satellitenumlaufbahnen zu erfassen, behindert die autonome Umlaufbahnbestimmung ohne Bodenunterstützung. In der Literatur wurden verschiedene Ansätze untersucht, um die Konstellationsrotation einzuschränken. Andererseits kann die Bestimmung der Umlaufbahn, die nur ISL-Beobachtungen verwendet, dazu dienen, die Leistung der neu beförderten InterSatellite-Link-Nutzlasten zu bewerten. Abhängig vom Satelliten beträgt der Post-Fit-RMS der ISLBereichsbeobachtungen 4,2 bis 10,5 cm. Unter Eliminierung der Auswirkungen von Konstellationsrotationen beträgt die Orbit-Präzision basierend auf ISL-Entfernungsbeobachtungen etwa 7,0, 4,6 bzw. 3,5 cm in Längs-, Quer- und Radialrichtung. Die Uhrenbeobachtungen von ISLs werden verwendet, um die Uhren von Satelliten innerhalb der Konstellation zu synchronisieren. Der Post-Fit-RMS von ISL-Uhrbeobachtungen reicht von ~2,9 cm bis 10,0 cm, unterschiedlich für Satelliten. Bei den meisten Satelliten kann durch ISL-Messungen eine ähnliche Genauigkeit der Taktverschiebungen wie bei den Produkten der IGS MGEX ACs mit STDs von etwa 0,15 bis 0,20 ns erreicht werden. Hardwareverzögerungen von Inter-Satellite-Links, die aus den Entfernungs- und Taktbeobachtungen geschätzt wurden, zeigen beide eine sehr gute zeitliche Stabilität mit einer monatlichen durchschnittlichen STD von 0,13 bzw. 0,08 ns. Harmonische Signale, die die Bahnbewegung als Grundfrequenz nehmen, werden sowohl in den Entfernungs- als auch in den Taktresten gefunden. Obwohl sich herausstellt, dass diese harmonischen Signale die Ergebnisse nur marginal beeinflussen, wird ein Fourier-ähnliches periodisches Funktionsmodell vorgeschlagen, um sie zu absorbieren und sich als effektiv erwiesen hat. Mehrere ungelöste Probleme im Zusammenhang mit dem POD von BDS-3 werden auf der Grundlage von Bodenverfolgungsdaten untersucht, bevor die Beiträge zusätzlicher ISL-Beobachtungen untersuchtwerden. Die Auswirkungen nicht-konservativer Störungen durch die Albedo der Erde und den Antennenschub sind signifikant und müssen daher im POD von BDS-3 berücksichtigt werden. Die Anwendbarkeit verschiedener empirischer Solar Radiation Pressure (SRP)-Modelle und die Notwendigkeit eines zusätzlichen a-priori-Box-Wing-Modells werden evaluiert. Im Allgemeinen zeigt das ECOM2- Modell eine Überlegenheit gegenüber dem ECOM1-Modell für BDS-3-Satelliten. Und wenn das ECOM2- Modell übernommen wird, ist das zusätzliche A-priori-Box-Wing-Modell überflüssig. Um die Abwärtskompatibilität von BDS-2 zu erhalten, wird die Strategie zur integrierten Verarbeitung von BDS- 2 und BDS-3 vorgeschlagen und demonstriert, bei der die Legacy-Frequenzkombination B1I+B2I für BDS-2 unverändert bleibt. Die Beiträge der Einbeziehung von ISL-Beobachtungen in den POD von BDS-3 werden umfassend bewertet. Zunächst werden die Vorteile zusätzlicher ISL-Entfernungsmessungen bei unterschiedlichen Bodenverfolgungsnetzwerken demonstriert. Zweitens wird die irgendwie unerwartete Verbesserung der Bahngenauigkeit durch die Einbeziehung von ISL-Uhrenbeobachtungen angezeigt. Darüber hinaus reduziert die integrierte Verarbeitung der ISL-abgeleiteten Entfernung, des ISL-abgeleiteten Takts und der L-Band-Bodenverfolgungsbeobachtungen die Bahn-DBD um ~39 % bzw . Nicht zuletzt werden die Beiträge von ISL-Messungen zur Schätzung geodätischer Parameter, insbesondere für die Geozentrumskoordinaten, nachgewiesen. Starke Korrelationen zwischen empirischen SRP-Parametern und der Geozentrum-Z-Komponente, die die Community schon lange plagen, werden durch das Hinzufügen von ISL-Beobachtungen deutlich reduziert. Die Ergebnisse sind nicht nur im Hinblick auf die Einrichtung und Aufrechterhaltung eines nationalen BDS-basierten terrestrischen Referenzrahmens sehr vielversprechend, sondern auch hinsichtlich der Verbesserung des potenziellen Beitrags von BDS über die IGS-Community zum International Terrestrial Reference Frame (ITRF).

Description: A detailed understanding of the geological structural elements is vital for geothermal reservoir exploration. Among existing geophysical methods, seismic methods are most commonly used for subsurface imaging due to the relatively high resolution at significant depths. However, seismic campaigns are rather expensive. The high upfront investment cost represent a substantial barrier for heat/electricity production from geothermal resources. Thus, developing new techniques is vital for further reduction in exploration and drilling costs, which is necessary for geothermal project advancements. Within the framework of the joint research project RissDom-A, the subsurface exploration of the Groß Schönebeck in-situ geothermal laboratory, situated 40 km north of Berlin, a seismic survey was carried out using 3D surface seismic and 3D vertical seismic profiling methods. VSP was acquired with wireline distributed acoustic sensing (DAS), which allows converting a freely suspended fibre optic cable inside a borehole into a dense array of seismic sensors to record strain or strain rate. In this thesis, the applicability of this method is evaluated for seismic imaging of an enhanced geothermal reservoir. The survey design consisted of 61 vibrator source positions organised in a spiral pattern around the boreholes E GrSk 3/90 and Gt GrSk 4/05 in such a way to optimise the illumination of the reservoir. The DAS recordings have an excellent signal-to-noise ratio (40-50 dB around 1000 m, 4-10 dB at around 4200 m). This data quality was reached with 16 vertical stacking rates on average. In addition, a comparison with a conventional accelerometer measurement showed excellent waveforms agreement. The acquisition campaign was conducted within four days, illustrating that wireline DAS is very attractive both from a data quality point of view and economically. A 3D VSP processing workflow was adapted to the Groß Schönebeck specifics and applied to the data. Particular depth ranges of the recorded data are subjected to strong coherent noise, which has a distinct pattern both in the time and the frequency domain. This type of noise is related to the poor coupling conditions of the cable in the borehole. For signal-to-noise ratio improvement, several existing denoising methods have been analysed. After coupling noise filter function assessment, a new noise elimination method was proposed based on the matching pursuit decomposition technique with Gabor atoms. The developed processing routine was uniformly applied to the whole dataset, which significantly improved the data quality, and as a result, migration images created using the Kirchhoff depth migration algorithm with restricted aperture. After data processing, a detailed subsurface analysis in the vicinity of the boreholes at the Groß Schönebeck was carried out using the 3D DAS VSP image. The resulting borehole cube data resolve new features that could not be imaged with the 3D surface seismic cube due to the lower resolution of the 3D surface seismic cube, with respect to the 3D VSP cube. Complex thin interlaying of the Upper Rotliegend horizons has been revealed in the geothermal reservoir section, allowing for the first time to access and characterise so-called “phantom horizons” which are typical for the Brandenburg area, Germany. Furthermore, the borehole cube provided new insights on two main targets for future exploration. The 3D DAS VSP cube revealed an intra-reservoir structure inside the Elbe reservoir sandstone layer, which could represent porous parts of a stacked fluvial sandstone body. The estimated thickness of this structure varies between 25 to 40 m, which is thinner than previous estimations. Additionally, a lower Rotliegend unconformity (at around 4.2 km depth) was mapped in the study area. This allowed to estimate the possible thickness of the vulcanite sections below this boundary. VSP data thus helped to reduce the uncertainty and exploration risks by providing valuable information for the geological characterisation of the Groß Schönebeck site. With this successful case study I demonstrated that fibre optic data could significantly contribute to the characterisation of deep geothermal reservoirs. Consequently, presented results contribute to the wireline distributed acoustic sensing method promotion to develop modern, reliable and economically affordable exploration methods for geothermal energy assessments.

Description: Ein detailliertes Verständnis der geologischen Strukturelemente ist für die Erkundung geothermischer Reservoire unerlässlich. Unter den bekannten geophysikalischen Methoden werden vor allem seismische Untersuchungen zur Abbildung des Untergrunds aufgrund der vergleichsweise hohen Auflösung bis in große Tiefen genutzt. Seismikkampagnen sind jedoch verhältnismäßig teuer. Die hohen Anfangsinvestitionskosten bilden eine erhebliche Hürde für die Wärme- und Stromproduktion aus geothermischen Ressourcen. Daher ist die Entwicklung neuer Techniken zur Reduktion von Exploarations- und Bohrkosten für die notwendige Förderung geothermischer Projekte essenziell. Im Rahmen des Verbundforschungsprojekts RissDom-A, der Untergrunderkundung des 40 km nördlich von Berlin gelegenen Groß Schönebeck in-situ Geothermielabors, wurden seismische Messungen durchgeführt, bestehend aus einer 3D-Oberflächen- und einer 3D-Bohrlochseismik. Die VSP-Daten (Vertical Seismic Profiling) wurden mittels kabelgebundenem DAS (Wireline Distributed Acoustic Sensing) aufgezeichnet, was die Umwandlung eines frei im Bohrloch hängenden faseroptischen Kabels in ein dichtes Array seismischer Sensoren zur Registrierung von Strain oder Strain-Rate erlaubt. In dieser Doktorarbeit wird die Anwendbarkeit dieser Methodik für die seismische Abbildung von EGS-Reservoiren (Enhanced Geothermal System) eingehend ausgewertet. Die Messkonfiguration bestand aus 61 Vibrator-Quellpositionen, die in einem spiralförmigen Pattern um die beiden Bohrlöcher E GrSk 3/90 und Gt GrSk 4/05 derart verteilt wurden, dass eine optimale Durchschallung des Reservoirs gegeben war. Die DAS-Aufzeichnungen zeigen ein exzellentes Signal/Rausch-Verhältnis (40-50 dB bei ca. 1000 m, 4-10 dB bei ca. 4200 m). Diese Datenqualität konnte aufgrund der durchschnittlich 16-fachen vertikalen Stapelrate erzielt werden. Zu Vergleichswecken zusätzlich vorgenommene konventionelle Beschleunigungsaufnehmer- Messungen zeigen eine sehr gute Übereinstimmung der Wellenformen. Die Messkampagne umfasste vier Tage, was die Attraktivität von Wireline-DAS unter sowohl qualitativen als auch ökonomischen Aspekten überzeugend demonstriert. Eine 3D-VSP Bearbeitungssequenz wurde an die Besonderheiten der Groß Schönebeck Messungen angepasst und auf die Daten angewendet. Einzelne Tiefenbereiche der Aufzeichnungen enthalten starke kohärente Störsignale, die ein ausgeprägtes Muster sowohl im Zeitals auch im Frequenzbereich aufweisen. Diese Art Noise ist auf eine ungenügende Ankopplung des Kabels im Bohrloch zurückzuführen. Zur Verbesserung des Signal/Rausch-Verhältnisses wurden verschiedene gebräuchliche Unterdrückungsmethoden untersucht. Nach Analyse der Kopplungsnoise-Filterfunktion konnte eine neuartige Methode zur Rauschunterdrückung etabliert werden, welche auf einer Matching-Pursuit Dekompositionstechnik mit Gabor-Atomen basiert. Der auf diese Weise entwickelte Prozessierungsansatz wurde gleichmäßig auf den gesamten Datensatz angewendet, was die Datenqualität signifikant erhöhte, so dass in der Folge Migrationsabbilder unter Verwendung eines Kirchhoff-Tiefenmigrationsverfahrens mit beschränkter Apertur erzeugt werden konnten. Nach erfolgter Datenbearbeitung wurde anhand der DAS/VSP 3D-Daten eine detaillierte Untergrundanalyse im Bereich der Groß Schönebeck Bohrlöcher durchgeführt. Das resultierende Bohrlochaten-Volumen löst viele neue Details auf, die mit dem 3D-Volumen der Oberflächenseismik aufgrund des vergleichsweise geringeren Auflösungsvermögens nicht abgebildet wurden. So konnten in der geothermischen Reservoirsektion komplexe dünnschichtige Einlagerungen im Oberen Rotliegend nachgewiesen werden, die erstmalig die Ansprache und Charakterisierung sogenannter „Phantom-Horizonte“ ermöglichen, wie sie typisch für das Gebiet Brandenburg, Deutschland sind. Weiterhin liefert der Bohrlochdaten-Kubus neue Einblicke auf zwei Hauptziele zukünftiger Explorationen. Das DAS/VSP 3D-Datenvolumen zeigt eine Intra-Reservoir Strukur innerhalb der Elbe-Sandstein Schicht, die poröse Anteile eines gestapelten fluvialen Sandsteinkörpers repräsentieren könnte. Die geschätzte Mächtigkeit dieser Struktur variiert zwischen 25 und 40 m, was dünner ist, als zuvor angenommen. Des weiteren konnte im Untersuchungsgebiet eine Diskordanz im Unteren Rotliegend (in einer Tiefe von ca 4.2 km) kartiert werden. Dies erlaubt es, die mögliche Mächtigkeit der Vulkanite darunter abzuschätzen. Somit helfen die VSP-Daten dabei, die Unklarheiten und das Explorationsrisiko zu reduzieren, indem sie wertvolle Informationen zur geologischen Charakterisierung des Groß Schönebeck Standorts liefern. Mit dieser Fallstudie konnte ich erfolgreich demonstrieren, dass mithilfe faseroptischen Kabels gewonnene Messdaten zur Charakterisierung geothermischer Reservoire maßgeblich beitragen können. In der Konsequenz fördern die präsentierten Ergebnisse die Bedeutung von Wireline Distributed Acoustic Sensing im Hinblick auf eine moderne, verlässliche und ökonomische Explorationsmethode für geothermische Energiekonzepte.