Konventionelle Terrestrische Referenzsysteme

Ein konventionelles Referenzsystem ist ein Bezugssystem, bei dem die physikalischen Modelle und die dazu gehörigen numerischen Werte der Modellparameter explizit gegeben sind. Das konventionelle terrestrische Referenzsystem (TRS), das wir hier betrachten, ist ein Referenzsystem, das mit der Erde rotiert, dessen Ursprung im Massenzentrum der Erde liegt, und die Orientierung seiner Achsen relativ zur Erdkruste (Referenzpol und Referenzmeridian) entsprach zur Epoche 1984.0 derjenigen des IERS.

Beispiele für ein TRS sind das ITRS, GRS80 oder das WGS84.

ITRS - International Terrestrial Reference System

Der ITRF (International Terrestrial Reference Frame) ist die Realisierung des dazugehörigen globalen terrestrischen Referenzsystems ITRS (International Terrestrial Reference System). Das ITRS ist ein mit der Erde rotierendes kartesisches Koordinatensystem und wird vom IERS (International Earth Rotation and Reference System Service) in den IERS Conventions wie folgt definiert:

• Ursprung: geozentrisch, d.h. im Massenzentrum der Erde inklusive der Massen der Ozeane und der Atmosphäre
• Orientierung: Die Z-Achse bildet die mittlere Rotationsachse der Erde (Referenzpol des IERS). Die X-Achse liegt in der Greenwich-Meridianebene und die Y-Achse komplettiert das rechtshändige Koordinatensystem.
• Längeneinheit: Meter (SI)

Falls geographische Koordinaten benötigt werden (ellipsoidische Länge, Breite und Höhe), so wird zur Umrechnung das GRS80-Ellipsoid empfohlen.

Der ITRF besteht derzeit aus etwa 1500 weltweit verteilten Referenzpunkten, d. h. hochpräzise Koordinaten und Geschwindigkeiten von Beobachtungsstationen der verschiedenen Beobachtungsverfahren GNSS, SLR, VLBI und DORIS. Diese Beobachtungsstationen verwenden mindestens ein Beobachtungsverfahren, als Fundamentalstation bedienen sie hingegen alle Beobachtungsverfahren. Auf der IERS-Webseite ist eine interaktive Karte der ITRF2014 Stationen verfügbar.

Der ITRF wird laufend aktualisiert. Insgesamt arbeiten drei ITRS-Kombinationszentren am neuen ITRF: IGN (Paris, Frankreich), DGFI-TUM (München, Deutschland), NASA-JPL (Pasadena, USA). Da unterschiedliche Kombinationsmethoden bei den drei Institutionen zum Einsatz kommen, ist eine unabhängige Qualitätskontrolle des ITRF gegeben. Die Bedeutung des ITRF wurde mit der IUGG-Resolution Nr. 2 und der IAG-Resolution Nr. 1 der jüngsten IUGG-Generalversammlung erneut hervorgehoben: Der ITRF soll der Standard-Bezugsrahmen für Positionierung, Satellitennavigation und erdwissenschaftliche Anwendungen sowie auch der Standard für Definition und Anbindung nationaler und regionaler Referenzrahmen sein. So sind die ITRF-Referenzpunkte auch präzise in die jeweilige (regionale) Landesvermessung eingebunden.

GRS80 - Geodätische Referenzsystem 1980

Das Geodätische Referenzsystem 1980 (GRS80) ist ein Erdmodell, das die wichtigsten Parameter der Erdfigur, der Erdrotation und des Schwerefeldes umfasst. GRS80 ist ein konventionelles terrestrisches Referenzsystem mit der gleichen Definition für Ursprung, Orientierung und Längeneinheit wie dem ITRS.

Das Referenzellipsoid des GRS80 wird in Verbindung mit dem europäischen Referenzsystem (Datum) ETRS89 als geometrische Rechen- und Abbildungsfläche verwendet und bildet mit ihm so das Koordinatenreferenzsystem für die einheitliche Landesvermessung in Europa. Als Abbildungsvorschrift für verebnete Koordinaten wird dabei die konforme UTM-Abbildung eingesetzt.

WGS84 - World Geodetic System 1984

Das World Geodetic System 1984 (WGS84) ist das geodätisches Referenzsystem des globalen Satellitennavigationssystems GPS und bietet damit eine einheitliche Grundlage für Positionsangaben auf der Erde und im erdnahen Weltraum. Das System besteht u. a. aus:

• einem gleichnamigen Referenzellipsoid inkl. geometrischer und physikalischer Parameter zur Berechnung geodätischer Koordinaten und des Normalschwerefeldes;
• einem globalen Schwerefeldmodell zur Beschreibung der Erdfigur (Geoid); aktuell ist das EGM2008 (Earth Gravitational Model 2008);
• einem Satz dreidimensionaler Koordinaten von über die Erde verteilten Referenzstationen zur physischen Realisierung des geodätischen Referenzrahmens.

WGS84 verwendet praktisch das Ellipsoid des GRS80, enthält aber detailliertere Informationen über das Schwerefeld. Es ist das Koordinatenreferenzsystem für GPS. Das Koordinatensystem, in dem das Referenzellipsoid, das Geoid und die Lage der Fundamentalstationen definiert sind, ist ein kartesisches Rechtssystem identische zum ITRS.

Die Datumsrealisierungen des WGS84 werden fortlaufend aktualisiert. Die Lagerung des Netzes orientiert sich dabei immer mehr an den Realisierungen des International Terrestrial Reference Frames (ITRF) des IERS. So ist die aktuellste Version WGS84(G1762) nach ITRF2008 ausgerichtet und stimmt mit diesem auf wenige Millimeter überein.

Da gleichzeitig auch die geometrischen Parameter des WGS84-Ellipsoids sich nur aufgrund von Rundungsdifferenzen von denen des GRS80-Ellipsoids unterscheiden, stimmen geographische Koordinaten und ellipsoidische Höhen für beide Referenzellipsoide praktisch überein (Differenzen < 0.1 mm). Infolge dessen spielt die strenge Unterscheidung zwischen ITRS / GRS80 und WGS84 (Datum und Ellipsoid) in der Praxis keine Rolle. Anders verhält es sich wegen der unterschiedlichen Festlegungen der geozentrischen Gravitationskonstante allerdings beim jeweiligen Normalschwerepotential U0. Der Unterschied der „Nullniveaus“ zwischen GRS80 und WGS84 beträgt ca. 93 cm, was ggf. bei der Anwendung von globalen Schwerefeldmodellen beachtet werden muss.