Wissenschaft

Vermessung von GNSS- und Pegelinstallationen auf Tristan da Cunha -  ein „Vermessungsabenteuer“ im Südatlantik

Im Rahmen der langjährigen Zusammenarbeit zwischen der Universität Luxemburg (UL) und dem National Oceanography Centre (NOC) von Großbritannien besuchte Norman Teferle im September/Oktober 2017 die Insel Tristan da Cunha im südatlantischen Ozean. Während seines Aufenthaltes errichtete er eine GNSS-Permanentstation und installierte zwei neue Pegel im Hafen von Edinburgh of the Seven Seas, der einzigen Siedlung auf der Insel. Beide geodätischen Instrumente mussten vermessungstechnisch an die bestehenden Referenzpunkte angeschlossen werden, denn nur durch diesen Anschluss können die Langzeitmessungen (Position und Meeresniveau) für geophysikalische Forschungen, wie die Klimaforschung, verwendet werden. Zu diesem Zweck führte Teferle eine genaue terrestrische Vermessung, ein Präzisionsnivellement, eine GNSS-Messkampagne, eine Drohnen-Vermessung und mehrere 3D-Laserscans durch. Vor Ort wurde er dabei von der lokalen Bevölkerung und einigen südafrikanischen Vertragsarbeitern unterstützt.

Tristan da Cunha

Tristan da Cunha ist eine kleine Vulkaninsel auf etwa 37° 06‘ südlicher Breite und 12° 17‘ westlicher Länge (Abb. 1). Sie ist ungefähr 1.950 km westlich von Kapstadt, Südafrika, und 2.900 km östlich von Buenos Aires, Argentinien, und kann nur per Schiff oder Hubschrauber von einem Schiff aus erreicht werden. Tristan da Cunha ist die größte und mit 280 Einwohnern die einzige bewohnte Insel der Inselgruppe. Sie ist kreisförmig mit einem Durchmesser von 10-12 km und einer Fläche von 96 km2. Der höchste Punkt ist der Queen Mary‘s Peak mit 2.062 m Seehöhe. Verwaltungstechnisch gehört die Insel zu den britischen Überseegebieten und wird durch den Gouverneur von St. Helena, Ascension und Tristan da Cunha, welcher auf St. Helena verweilt, regiert. Der Gouverneur wird vor Ort vom Administrator vertreten, welcher wiederum den Rat der Inselbewohner anführt.

 

Zielsetzung

Das Ziel ist, unser Wissen über die Meeresspiegelschwankungen auf dem sich verändernden Planeten zu verbessern. Mit ihrer abgelegenen Lage ist Tristan da Cunha eine der wenigen Inseln in der ozeanisch-dominierten südlichen Hemisphäre, welche eine Landmasse bietet, um die globalen bodengestützten Beobachtungsnetzwerke des International GNSS Service (IGS) und Global Sea Level Observing Systems (GLOSS) zu verdichten und dem Hemisphärenungleichgewicht entgegen zu wirken. Obwohl wir in der Ära der Satellitenaltimetrie leben, sind die Instandhaltung und der Ausbau dieser Netzwerke in abgelegenen Regionen von entscheidender Bedeutung, um die satellitengestützten Beobachtungen zu kontrollieren, zu kalibrieren und auf lokaler Basis zu verdichten.

GNSS-Permanentstation

Die GNSS-Antenne wurde auf einem speziell angefertigten Edelstahlmast montiert, welcher auf einer Betonsäule verankert wurde (Abb. 2). Das Fundament der Säule bildet ein ungefähr 0,5 m3 großer Betonblock, welcher von 2002 an eine Doppler Orbitography and Radiopositioning Integrated by Satellite (DORIS)-Antenne trug. Da die DORIS-Antenne 2012 versetzt wurde, konnte nun die GNSS-Antenne auf der freigewordenen Säule installiert werden. Die Trimble GNSS-Ti-Choke Ring-Antenne (IGS-Bezeichnung TRM59900.00) wird durch einen SCIS Radome geschützt und beide wurden zusammen vor dem Transport nach Tristan da Cunha von Geo++ GmbH in Deutschland absolut kalibriert.

 

Der Empfänger Trimble NetR9 und ein DSL-Modem sind in einem Edelstahlgehäuse, welches an der Betonsäule befestigt wurde, untergebracht. Das DSL-Modem ermöglicht LAN-Konnektivität und Stromversorgung über ein Kabel in die Hütte der Kommunikationsabteilung. Dort beherbergt ein kleines Kunststoffgehäuse einen Wechselstrom/Gleichstrom-Transformator und ein zweites DSL-Modem. Somit kann auf das lokale Stromnetz und Computernetzwerk zugegriffen werden. Aufgrund fortwährender Kommunikationsprobleme im Computernetzwerk wird die Permanentstation in Zukunft mit einer eigenen Satellitenkommunikationsanlage aufgerüstet. Derzeit werden die Daten noch per USB-Stick mit der Post versandt.

Pegel

Es wurden zwei Pegel im Hafen installiert (Abb. 3). Der erste beruht auf Druckmessungen mittels zwei OTT PLS-Drucksensoren, welche in zwei unterschiedlichen Wassertiefen angebracht werden. Zur Installation wurden beide Drucksensoren an einem vorgefertigten, salzwasserbeständigen Metallrahmen befestigt, welcher anschließend vom Kai aus abgesenkt und fest in der Kaimauer verankert wurde. Der zweite Pegel, ein OTT RLS-Radarsensor, ist ein modernes Impuls-Radarsystem, welches von einem über dem Wasser hängenden Arm aus den Wasserstand berührungslos mit Hilfe eines Radarimpulses misst. Der Radarsensor wurde an einem schwenkbarem Metallarm befestigt, welcher auf einem auf dem Kai verankertem Metallmast mit Fuß sitzt. Beide Pegel sind über Kabel mit der Elektronik (Datenlogger, Photovoltaik- und Satellitenkommunikationsanlage) in einer naheliegenden Bootshütte verbunden.

Vermessungen

Damit die Referenzpunkte der bestehenden DORIS-Station, der neuen GNSS-Permanentstation und der neuen Pegel in einem einheitlichen Koordinatensystem dargestellt werden können, führte Teferle verschiedene Vermessungsaufgaben durch. Zuerst wurden die bestehenden Referenzpunkte mit zusätzlichen dauerhaft vermarkten Punkten verdichtet, damit ein örtliches 3D-Netz entsteht, welches 1. eine hochgenaue Orientierungs- und Lagebestimmung des Netzes im International Terrestrial Reference Frame 2014 und 2. die Bestimmung des Raumvektors zwischen DORIS- und GNSS-Antenne millimetergenau zulässt. Die Vektorverbindung wird bei zukünftigen Bestimmungen des internationalen Referenzrahmens benötigt, um die technikspezifischen Koordinatenlösungen, hier DORIS und GNSS, zu verknüpfen (Abb. 4). Diese Messungen wurden mittels klassischer terrestrischer Vermessungen (Präzisionstachymeter Leica TS30) und über eine mehrtägige GNSS-Messkampagne (Leica GR10+AT504) über alle Netzpunkte durchgeführt. Die Höhen wurden durch ein Präzisionsnivellement (Leica DNA03 mit Invarlatte) über alle Netzpunkte, den bestehenden Referenzmarken sowie der installierten Pegel, genau bestimmt. Alle Messdaten werden noch in einem 3D-Ausgleich ausgewertet.

 

Unabhängig von diesen Messungen wurden zu Dokumentationszwecken auch mehrere Drohnenflüge (DJI Phantom 3 Professional) und mehrere 3D-Laserscans (Leica TLS P20) durchgeführt (Abb. 4; siehe https://skfb.ly/6vOIP).

 

Schlusswort

Die Installation und Instandhaltung geodätischer bodengestützter Beobachtungsnetzwerke in abgelegenen Regionen der Erde ist auch in Zeiten von Satellitenbeobachtungen essentiell für die Grundlagenforschung und die gegenseitige Kontrolle von Messergebnissen. Oft werden diese Installationen über Jahre geplant und die Beobachtungen müssen über viele Jahre archiviert werden bis sie wichtige Ergebnisse liefern können. Eine gute Portion Geduld und Abenteuerlust helfen.

 

Prof. Felix Norman Teferle, Geodesy and Geospatial Engineering, Institute of Civil and Environmental Engineering, University of Luxembourg

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