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Relativistische Effekte in Satelliten-Konstellationen (CRC 1128, C02)

Relativistische Effekte in Satelliten-Konstellationen (CRC 1128, C02)

Leitung:  Dr.-Ing. habil. Enrico Mai, Prof. Dr. Claus Lämmerzahl (ZARM), Dr. Eva Hackmann (ZARM)
E-Mail:  biskupek@ife.uni-hannover.de
Team:  Dr.-Ing. Liliane Biskupek, PD Dr. Volker Perlick (ZARM), Dennis Philipp (ZARM)
Jahr:  2014
Förderung:  DFG
Ist abgeschlossen:  ja
Weitere Informationen www.geoq.uni-hannover.de/c02.html

Für die weltraumgestützte Geodäsie müssen die relativen Bahnen von Satelliten mit sehr hoher Genauigkeit verfolgt werden. In den nächsten Jahren werden die notwendigen experimentellen Fähigkeiten durch den Einsatz von Lasertechnologie und hochpräzisen Weltraumuhrenprojekten drastisch erhöht.

  1. Die Laserdistanzmessung zwischen den Satelliten ermöglicht es, den Abstand zwischen zwei oder mehr Raumfahrzeugen mit einer Genauigkeit von bis zu 10 nm zu messen. Auf dieser Ebene müssen allgemeine relativistische Effekte bei der Bestimmung der Umlaufbahn berücksichtigt werden. Dazu gehören auch die relativistischen Auswirkungen der Multipole des Gravitationskörpers auf die Umlaufbahn.
  2. Auf dieser Genauigkeitsebene sind auch allgemeine relativistische Effekte auf die Signalausbreitung zu berücksichtigen.
  3. Mit der Entwicklung von ACES werden stabile Uhren im Weltraum mit Ungenauigkeiten von nur wenigen Teilen pro 1016 etabliert. Solche genauen Zeitmessungen können nur dann richtig interpretiert werden, wenn der gesamte Rahmen der allgemeinen relativistischen Effekte berücksichtigt wird.

Technologisches Niveau für die weltraumgestützte Geodäsie

Daher muss auf dem derzeitigen technologischen Niveau für die weltraumgestützte Geodäsie kritisch analysiert werden, ob die üblichen postnewtonschen Approximationen ausreichen, um die experimentellen Fähigkeiten voll auszuschöpfen. Die enormen technologischen Verbesserungen in den nächsten Jahren und Jahrzehnten können nur dann zu ebenso enormen Verbesserungen in der Geodäsie und den verwandten Wissenschaften führen, wenn eine konsistente, vollständig allgemeine relativistische Formulierung geodätischer Größen und Beobachtungen gewährleistet ist. Dies ist einerseits notwendig, um die Genauigkeit zu beurteilen und bessere relativistische Annäherungen abzuleiten, andererseits um ein vollständiges Bild der relativistischen Effekte zu erhalten, die bei zukünftigen Geodäsiemissionen berücksichtigt werden sollen. Daher ist das entscheidende Ziel, vollständig relativistische Beschreibungen zu liefern:

  1. von Uhren im Weltraum, Satellitenorbits und Signalausbreitung (zu S/C- und Bodenstationen) mit einer Genauigkeit, die es ermöglicht, die experimentellen Fähigkeiten voll auszunutzen, insbesondere
  2. der Bewegung von Satelliten im Schwerefeld der Erde unter Berücksichtigung ihrer relativistischen mehrpoligen Massenmomente. Damit verbunden ist die Definition allgemeiner relativistischer Analogien von in der Geodäsie gebräuchlichen Konzepten, z.B. der Geoid- und Gravitationsanomalien.

Konzepte

Darüber hinaus werden wir neue experimentelle und theoretische Konzepte für die Geodäsie im Weltraum vorschlagen, die die Auswertung und Interpretation von Gravitationsmessungen deutlich verbessern und neue Ansätze für zukünftige Geodäsiemissionen liefern werden. Dies umfasst

  1. die Entwicklung einer verbesserten semi-analytischen Orbittheorie, die auf dem Ansatz der Lie-Reihen basiert und sich auf relativistische Effekte konzentriert, und
  2. die Untersuchung neuer Konzepte, die leistungsfähiger und effektiver für Schwerkraftmessungen auf der Grundlage von Satellitenschwärmen sind.

Als Ergänzung möchten wir analysieren, ob diese hochpräzisen Messungen im Schwerefeld der Erde für verbesserte Tests der speziellen und allgemeinen Relativitätstheorie verwendet werden können, z.B. für einen verbesserten Test der Lense-Thirring-Präzession oder eine erste Messung des gravitomagnetischen Uhreneffekts. 

Kontakte

Dr.-Ing. Liliane Biskupek (IfE)
Dennis Phiipp (ZARM)

Weitere Einzelheiten

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