International Terrestrial Reference Frame

Der International Terrestrial Reference Frame (ITRF) ist die jeweils gültige, zentimetergenaue Realisierung des terrestrischen Bezugssystems ITRS. Dieser globale Koordinatenrahmen für die Erde ist das Ergebnis zahlreicher internationaler Messkampagnen und einer laufenden Kooperation von Institutionen aus der Geodäsie, Raumfahrt und Astronomie.

Das ITRF besteht aus einem Verzeichnis der dreidimensionalen kartesischen Koordinaten und Geschwindigkeiten von etwa 400 weltweit verteilten, hochpräzisen Vermessungspunkten, durch deren Positionen und plattentektonische Bewegungen das ITRS zahlenmäßig festgelegt wird. Die ITRF-Punkte sind auch präzise in die jeweilige (regionale) Landesvermessung eingebunden.

Im Gegensatz zu geophysikalischen und dynamischen Erdmodellen bleiben im ITRF die verursachenden Kräfte der Kontinentaldrift außer Betracht, weshalb es zu den Modellen der Plattenkinematik zu zählen ist.

Bezugssystem des Erdkörpers

Um die Lage von Punkten auf der Erdoberfläche bestimmen zu können, benötigt die Geodäsie und Astronomie ein genau definiertes Koordinatensystem.

Da in der Natur weder der Ursprung noch die Achsen eines solchen Koordinatenrahmens (engl. „Reference Frame“) realisiert und zugänglich gemacht werden können, erfolgt dessen Definition indirekt – durch eine größere Anzahl von Festpunkten. Deren konkrete Koordinatenwerte machen aus einem theoretisch modellierten Reference System (ITRS) einen praktisch nutzbaren Bezugsrahmen (ITRF), der die Achsen des Systems fixiert.

Sein Ursprung ist das Geozentrum, der Schwerpunkt aller Massen der Erde. Er stellt das Zentrum der Gravitation für alle künstlichen Erdsatelliten dar, weshalb man seine Lage bezüglich der Erdoberfläche aus beobachteten Satellitenbahnen bestimmen kann.
Die Z-Achse ist die mittlere Rotationsachse der Erde (Referenzpol des IERS), die Y-Achse fällt in die 0°-Meridianebene von Greenwich. Diese zwei Parameter werden vom Internationalen Erdrotations-Dienst IERS übernommen.

Messungen für ITRF

Die Bestimmung der Koordinaten der Satellitenstationen und ihrer längerfristigen Änderungen (z.B. durch die Plattentektonik) erfolgt mit verschiedenen Verfahren der Satellitengeodäsie und mit Radioteleskopen. Im einzelnen sind dies:

• Mikrowellenmessungen zu den hohen Navigationssatelliten des Global Positioning System (GPS),
• ergänzt durch andere GNSS-Verfahren wie GLONASS und ab 2009 auch Galileo
• das Doppler-Funksystem DORIS
• Distanzmessungen (Satellite Laser Ranging SLR) zu mittelhohen geodätischen Satelliten
• Laser Ranging zu Mond (Lunar Laser Ranging LLR)
• VLBI (Radio-Interferenzmessung zu Quasaren)
• und deren Verknüpfung mit dem astrometrischen System des derzeit genauesten Sternkatalogs FK6.

Aus anderem Blickwinkel betrachtet, könnte man auch sagen:

• der Koordinatenrahmen ITRF ist das Verzeichnis der Koordinaten, während
• das Bezugssystem ITRS die Geometrie und Dynamik des Erdkörpers beschreibt. Es enthält die Theorie und die zugehörigen Konstanten.

ITRF97 und ITRF2005

Die Erde ist kein ganz starrer Körper, sondern etwas verformbar. Beispielsweise gibt sie den Gezeiten-Kräften, die der Mond auf sie ausübt, um etwa einen halben Meter nach. Darüber hinaus führt die Plattentektonik zu dauernden Verschiebungen der Kontinente um ein bis zehn Zentimeter pro Jahr.

Diese Verschiebungen der Erdkruste konnte man bis vor etwa 10 Jahren nur indirekt nachweisen. Nun ist die Genauigkeit der geowissenschaftlichen Messungen so weit gestiegen, dass sie schon innerhalb Jahresfrist feststellbar sind.
Daher ist es notwendig, das terrestrische Bezugssystem laufend durch Messungen und durch Weiterentwicklung der Modelle zu verbessern. Seit den 1990ern werden die genauesten Messverfahren teilweise zu „Jahreslösungen“ kombiniert – in internationaler Kooperation von Institutionen der Internationalen Union für Geodäsie und Geophysik (IUGG) und dem IERS. Den größten regelmäßigen Beitrag aus Europa zu IERS und ITRF stellen die VLBI- und GPS-Messungen des deutschen Bundesamtes für Kartographie und Geodäsie (BKG) dar.

Die Rotationsdaten dieser Jahreslösungen haben inzwischen (verglichen mit dem System der Quasare) Zentimetergenauigkeit erreicht, über einige Jahre sogar 3 mm oder 0,0001". Die Kontinentaldrift berücksichtigt man durch spezielle Methoden der Höheren Mathematik. Die so errechneten Erdmodelle erhalten eine Jahreszahl:

• ITRF97 ist eine durch verschiedene Projekte besonders genaue Lösung und diente mehrere Jahre zu Vergleichen verschiedener Modelle.
• ITRF2005 ist das derzeit genaueste Modell und ist das Bezugssystem für Erdverformungen.

Siehe auch

• Inertialsystem, Geodätisches Datum, Geodätisches Referenzsystem 1980 (GRS 80), International Celestial Reference System (ICRS), World Geodetic System 1984 (WGS 84)
• Höhere Geodäsie, Radioastronomie, Satellitengeodäsie

Literatur

• Z.Altamimi, P. Sillard, C. Boucher (2002): ITRF2000: A new release of the International Terrestrial Reference Frame for earth science applications, Journal of Geophysical Research, Vol. 107, B10, doi: 10.1029/2001JB000561

Weblinks

• http://www.aiub.unibe.ch/download/BSWUSER/STA/IGS_00.CRD – 446 ITRF-Stationen, darunter Nr.114-117 = Graz, 400-408 +437 = Wettzell (Fundamentalstation, Bayerischer Wald), 289-290 = Potsdam, 428-431 = Bern
• ITRF-Modelle 1992–2000 – Punkte, Messungen und Kontinentaldrift
• Allgemeines zu Referenzsystemen