Eine Vielzahl geophysikalischer Prozesse im System Erde gehen mit Massenverlagerungen einher. Änderungen in der Massenverteilung führen zu beobachtbaren Änderungen im Schwerefeld und Rotationsverhalten der Erde sowie zu einer Deformation der Erdkruste. Die messtechnische Erfassung dieser Größen erlaubt einen Rückschluss auf die beteiligten Massentransportprozesse und stellt damit eine Grundvoraussetzung für die Erdsystemforschung dar. Satellitengestützte Navigationssysteme wie z.B. das Global Positioning System (GPS) spielen in diesem Zusammenhang eine zentrale Rolle, denn sie ermöglichen eine präzise Positionsbestimmung auf globaler Ebene. Für die Bestimmung eines terrestrischen Referenzrahmens werden üblicherweise mittlere Koordinaten zu einer Referenzepoche sowie zugehörige lineare Änderungen mit der Zeit angenommen. Bei diesem Konzept führen alle nichtlinearen Stationsbewegungen, deren Effekte im Rahmen der Beobachtungsmodellierung nicht reduziert werden, zu Abweichungen gegenüber dem linearen Bewegungsmodell. Diese Abweichungen haben Einfluss auf die Positionszeitreihen der in Betracht gezogenen Stationen und erlauben einen Rückschluss auf die auflastinduzierenden Änderungen in der Massenverteilung. Die Bestimmung von Stationspositionszeitreihen mittels GPS bildet den Kern der vorliegenden Arbeit. Die Arbeit baut inhaltlich auf vier Publikationen auf, die sich unterschiedlichen Fragestellungen in Bezug auf die Positionsbestimmung mittels GPS widmen. Eine zusammenfassende Diskussion gibt einen Überblick über Massenvariationen im System Erde und auflastinduzierte Krustendeformation. Spezielle Aspekte in Bezug auf eine konsistente Modellierung von Massenvariationen und daraus abgeleiteter Deformationsanteile werden hier dargelegt. Praktische Untersuchungen erfolgen zu Änderungen in der Massenverteilung aufgrund von atmosphärischen Druckvariationen, Ozeanzirkulation und hydrologisch bedingten Wasserspeicheränderungen im Bereich der Kontinente. Der Einfluss ionosphärischer Terme höherer Ordnung auf GPS-Parameterschätzwerte wird untersucht. Diese Analyse erfolgt vor dem Hintergrund, dass bei der vermittelnden Ausgleichung generell auch systematische Effekte, die für sich genommen keine Stationspositionsänderung verursachen, trotzdem Einfluss auf geschätzte Stationskoordinaten haben. Die Sensitivität der GPS-Beobachtungen gegenüber der Auflastdeformation wird genutzt, modellierte Massenvariationen zu validieren. Mittels gegebener Massenvariationen werden Deformationszeitreihen abgeleitet. Für diese Zeitreihen werden im Zuge der Parameterschätzung Skalierungsfaktoren bestimmt und als Indikator für die Übereinstimmung zwischen modellierter und beobachteter Deformation gewertet. Änderungen der Massenverteilung im System Erde zeichnen sich unter anderem durch eine Schwerpunktverlagerung gegenüber der festen Erde aus. Wird die Massenverteilung durch eine sphärisch-harmonische Reihenentwicklung dargestellt, so sind die Terme ersten Grades mit der Schwerpunktverlagerung verknüpft. Die Grad-1-Anteile der Massenvariation können mittels satellitengravimetrischer Beobachtungen prinzipiell nicht bestimmt werden. Sie lassen sich aber mit Hilfe der GPS-Beobachtungen aus dem zugehörigen Deformationsanteil ermitteln. Der Einfluss systematischer Beobachtungsfehler auf diesem Inversionsansatz wird untersucht. Bei der Bestimmung globaler GPS-Lösungen werden die in den Beobachtungen enthaltenen Auflasteffektes prinzipiell auf alle simultan geschätzten Parameter abgebildet. Diese systematische Verfälschung erschwert die geophysikalische Interpretation von Stationspositionszeitreihen. Ein integrierter Ansatz wird entwickelt, um bestehende Vorinformation über verschiedene Massenvariationsprozesse bestmöglich einzubeziehen.

Für die geodätische Überwachung dreidimensionaler Objekte fehlen in der Regel Informationen zur vollständigen Beschreibung der räumlichen Deformation. Um dieses Informationsdefizit zu beheben, können geotechnische Beobachtungen genutzt werden. In der Dissertation wird die Integration dieser Relativmessungen durch ein erweitertes Krigingverfahren gelöst. Dazu werden für den Signal- und Trendanteil der Beobachtungen die nötigen Kovarianz- und Trendmatrizen hergeleitet. Darüberhinaus wird durch die Darstellung der Beobachtungen als lineare Funktionale des Verschiebungsfeldes die Möglichkeit eröffnet, nicht nur das Verschiebungsfeld zu schätzen sondern auch beliebige lineare Funktionale des Verschiebungsfeldes. Das hergeleitete Verfahren wird an zwei praktischen Beispielen demonstriert.

Eine der zentralen Aufgaben der Geodäsie liegt in der Definition und der Realisierung von geeigneten Referenzsystemen. Die Realisierung eines globalen terrestrischen Referenzsystems wird als Referenzrahmen bezeichnet und ist durch Positionen zu einer Bezugsepoche und durch zeitlich lineare Bewegungen global verteilter Stationen festgelegt. Verschiedene Satellitenbeobachtungsverfahren können kombiniert werden, um ein globales terrestrisches Referenzsystem höchstmöglicher Genauigkeit, Stabilität und Konsistenz zu realisieren. Im Rahmen dieser Arbeit fanden dazu GPS- und GLONASS-Beobachtungen der Globalen Navigationssatellitensysteme (engl. Global Navigation Satellite System - GNSS) und Laserentfernungsmessungen (engl. Satellite Laser Ranging - SLR) zu den passiven Satelliten LAGEOS-1 und LAGEOS-2 Anwendung. Die Datengrundlage sind tägliche Normalgleichungssysteme für GNSS und wöchentliche für SLR über einen Zeitraum von 17 Jahren (1994 - 2010). Diese entstammen einer homogenen Reprozessierung, welche unter der Beteiligung der TU München, der Universität Bern, der ETH Zürich und der TU Dresden erfolgte. Dabei wurden Reduktionsmodelle verwendet, welche sich an den aktuellen IERS-Konventionen orientieren. Die verschiedenen Satellitenbeobachtungsverfahren wurden mit der gleichen wissenschaftlichen Software ausgewertet und kombiniert. Die Lösung weist daher eine höchstmögliche Konsistenz auf. In Anlehnung an die Empfehlungen in den aktuellen IERS-Konventionen wurden Auflastdeformationen infolge von Massenvariationen in der Atmosphäre und im Ozean im Auswerteprozess berücksichtigt. Dazu fand ein Modell Anwendung, welches schon bei der Reduktion von Beobachtungen der Schwerefeldmission GRACE (engl. Gravity Recovery and Climate Experiment) genutzt wird. Die Berücksichtigung dieses Modells führt zu einer Verbesserung der Genauigkeit der GNSS- und SLR-Stationspositionen. Da die SLR-Stationspositionen aufgrund eines systematischen Effektes (engl. blue sky effect) leicht verfälscht sind, sollte dieser Effekt berücksichtigt werden. Dies gilt vor allem vor dem Hintergrund einer Kombination der Verfahren zur Realisierung eines globalen terrestrischen Referenzsystems höchster Genauigkeit. Darüber hinaus überlagern weitere nichtlineare geophysikalische Effekte das lineare Modell aus Positionen und Geschwindigkeiten, z.B. die Auflastdeformation infolge kontinentaler Wasserspeicheränderungen. Werden diese Effekte in einer Auswertung nicht reduziert, sind in den ausgeglichenen Parametern sogenannte residuale Deformationen enthalten. Im Rahmen dieser Arbeit wurde daher das lineare Modell erweitert, indem residuale Deformationen in Form einer sphärisch harmonischen Entwicklung parametrisiert wurden. Die daraus bestimmten Grad-1-Auflastkoeffizienten weisen ein starkes jährliches Signal auf, welches sowohl die GNSS- als auch die SLR-Lösung zeigen. Die Kombination von GNSS und SLR erfolgte auf Normalgleichungsebene. Um die individuellen Stärken der Verfahren optimal ausnutzen zu können, wurden für eine gegenseitige Gewichtung der Verfahren realistische Genauigkeitsmaße abgeleitet. Es wurden Stationspositionen und -geschwindigkeiten geschätzt sowie die Polkoordinaten und die Grad-1-Auflastkoeffizienten gemeinsam ausgewertet. Im Gegensatz zu den bisherigen Referenzrahmen wurden keine terrestrisch gemessenen Differenzvektoren (engl. Local Ties - LT) an Kolokationsstationen verwendet, um die verfahrensinternen Lösungen zu kombinieren. Mit einer entsprechenden Definition des geodätischen Datums konnten hingegen Komponenten der LT als Unbekannte aus einer globalen Lösung bestimmt werden. Dies ermöglichte eine unabhängige Validierung der LT, welche einen entscheidenden Punkt in der Kombination unterschiedlicher Verfahren darstellen. / One of the main tasks of geodesy is the definition and realization of reference systems. A global terrestrial reference system is realized by a reference frame of a set of positions which respect to a reference epoch and linear motions of a network of globally distributed stations on the Earth's surface. Different space geodetic techniques can be combined to realize a reference system with optimal accuracy, stability and consistency. As such, the focus of this thesis was to apply GPS and GLONASS of the Global Navigation Satellite System (GNSS) and satellite laser ranging (SLR) to LAGEOS-1 and LAGEOS-2 to determine an improved global terrestrial reference frame. The data are daily for GNSS and weekly for SLR normal equation systems over a time span of 17 years (1994 - 2010), produced from a homogeneous reprocessing. This was done through a joint effort of TU Munich, University of Bern, ETH Zurich and TU Dresden using common state of the art reducing models according to the IERS conventions. The same processing software was used to evaluate and combine the different geodetic systems to ensure the highest consistency. Utilizing the recommendations of the IERS conventions 2010, the displacement of the Earth's surface due to mass variations in the atmosphere and in the ocean was reduced from the observations. A model of the non-tidal part which is also used for the reduction of observations of the geodetic gravity mission GRACE (Gravity Recovery and Climate Experiment) was applied. The reduction of this model enhances the position accuracy of the GNSS and SLR position time series. Because of the systematic effect on SLR observations (blue sky effect) the surface load deformation should be reduced especially when combining SLR and GNSS to realize a global terrestrial system. In addition there are more geophysical effects on the station positions, for example the deformation of the Earth's surface due to continental hydrological loading. If such effects are not considered in the estimation process of geodetic observations, residual deformations are present in the estimated parameters. Therefore, this effort included modeling of deformation in the solution by using a consistent spherical harmonic approach of degree-one surface load coefficients. The residual deformations such as hydrological loading modeled with degree-one surface load coefficients have a strong annual signal for which the GNSS-only and the SLR-only solutions show the same variations. The combination of GNSS and SLR was done at the level of normal equations. Considering the strengths of each technique, an optimal weighting based on more realistic uncertainties was applied to the data. The pole coordinates and the degree-one surface load coefficients were combined. Unique to the most recent realizations of a global terrestrial reference system, no local ties (LT) of co-located sites were used in the combination of the different techniques. Thus, using a global solution together with an appropriate definition of the geodetic datum of the combined station network it was possible to estimate components of LT. This estimation enables an independent validation of the measured LT which are a crucial point in combination of different geodetic techniques.

Mit der Mission des Ice, Cloud and Land Elevation Satellite (ICESat) gelangte erstmals ein Laseraltimetersystem in einen erdgebundenen Orbit. Die vorliegende Arbeit verdeutlicht anhand von drei verschiedenen Anwendungen das Potenzial dieser Altimeterdaten zur Überwachung des Antarktischen und des Grönländischen Eisschilds. Beide Schilde bilden ein Schlüsselglied im globalen Klimasystem der Erde. In einem ersten Hauptabschnitt werden die ICESat-Altimeterdaten für das Gebiet des Lake Vostok, des größten Vertreters subglazialer Seen in der Antarktis, untersucht. Dieses Gebiet eignet sich durch die Höhenstabilität des über dem See liegenden Eisschilds insbesondere als Validierungsgebiet für Altimeterdaten. Diese werden hinsichtlich der zwischen den Lasern auftretenden Offsets umfassend analysiert. Die ermittelten Offsets variieren in einem Bereich zwischen -7.5 und +13.9 cm und erreichen damit die angestrebte Messgenauigkeit der Mission. Im Hinblick auf eine Bestimmung von zeitlich linearen Höhenänderungen der Eisschilde stellen sie den größten genauigkeits-limitierenden Faktor dar. Aus den um die Offsets korrigierten Altimeterdaten wird ein rasterförmiges Topographiemodell der Eisoberfläche erstellt. Dieses wird umfassend untersucht. Im Anschluss werden glaziologische Anwendungen vorgestellt, für welche das Topographiemodell eine zentrale Grundlage bildet. Unter anderem erfolgt in der Kombination mit Eisdicken- und Geoidinformationen der Nachweis, dass sich das Eis über dem See im hydrostatischen Gleichgewicht befindet. Im Zuge dieser Untersuchung wird aber auch deutlich, dass an einigen Stellen des Sees das Gleichgewicht verletzt wird. Mögliche Ursachen hierfür werden näher untersucht und eingehend diskutiert. Für den Grönländischen Eisschild erfolgt die Analyse der um die Laseroffsets korrigierten Altimeterdaten zur Ableitung zeitlich linearer Höhenänderungen. Die methodische Basis hierfür bildet eine Wiederholspuranalyse der Altimeterdaten. Zur Minimierung des Einflusses der lokalen Topographie und zur besseren Separation der saisonalen Höhenvariation werden die korrespondierenden Altimetermessungen entlang der Referenzspuren an ein drei-komponentiges mathematisches Modell durch Ausgleichung bestmöglich angepasst. Die für den ICESat-Missionszeitraum bestimmte mittlere Höhenrate des Eisschilds beträgt -13.0±0.5 cm/a. Die stärkste Höhenabnahme verzeichnet der Eisschild in den westlichen und südöstlichen küstennahen Randbereichen. Unter Verwendung der Eisdichte für die Volumen-Massen-Umrechnung entspricht dies einer Massenänderung von -209.5±35.6 Gt/a. Dies entspricht einem eustatischen Meeresspiegelanstieg von +0.6±0.1 mm/a. In einer dritten Anwendung werden die ICESat-Altimeterdaten über dem Amery-Schelfeises untersucht. Es wird eine Methodik vorgestellt, welche auf der Kreuzkorrelation von Höhenprofilen verschiedener Epochen beruht und zur Ableitung von Fließgeschwindigkeiten des Schelfeises dient. Der entwickelte Ansatz wird auf die ICESat-Referenzspur 49 angewendet. Sie verläuft entlang der zentralen Achse des Schelfeises. Im Bereich zwischen -71.6° und -70.1° Breite wächst die Fließgeschwindigkeit von +0.83±0.09 m/d auf +1.02±0.06 m/d an. Das Ergebnis steht im Einklang mit einem unabhängigen Geschwindigkeitsmodell, welches zur Validierung herangezogen wurde. / The Ice, Cloud and Land Elevation Satellite (ICESat) was the first Earth-orbiting laser altimeter mission in space. The following work is dedicated to the ICESat-altimetry data in order to demonstrate their full potential for the investigation of glaciological implications in polar regions. The primary science objective of the mission was to focus on the mass balances of the Greenland Ice Sheet and the Antarctic Ice Sheet. Both of them play a key role in the Earth's climate system. Firstly, the ICESat elevation profiles covering the Lake Vostok region are analysed in more detail. The Lake Vostok is the largest known subglacial lake in Antarctica to date. Due to a fast and strong degradation of the laser energy, the ICESat elevation measurements are affected by offsets. The estimated offsets between the laser operational periods vary between -7.5 und +13.9 cm. Therefore, they can't be neglected in the view of precise mass change determinations for ice sheets. In addition, a Digital Elevation Model (DEM) of the ice surface topography is generated on the basis of the adjusted elevation profiles. The DEM is analysed in more detail. Furthermore, the DEM forms the basis for the investigation of glaciological implications. In combination with an ice-thickness model and a regional geoid model the hydrostatic equilibrium condition is evaluated. It turns out, that the ice sheet covering the lake fulfils the hydrostatic equilibrium condition within ±1 m for large parts of the lake. Beside this, positive and negative deviations are found in the northern and southern part of the lake. Secondly, ice surface height changes and their temporal variations are inferred for the Greenland ice sheet. This investigation is based on a refined repeat-track analysis in order to exploit the full potential of ICESat's altimetry data. To reduce the influence of the local topography corresponding measurements along the track are fitted to a mathematical model, consisting of three components. For the entire ice sheet a mean surface height trend of -13.0±0.5 cm/yr is determined. The largest changes are identified at the coastal margins of the ice sheet. Using the ice surface height changes long-term volume- and mass-change rates are inferred. For this purpose the density of pure ice is used for the volume-mass-conversion. The overall long-term mass change rate amounts to -209.5±35.6 Gt/yr. This is equivalent to an eustatic sea level rise of +0.6±0.1 mm/yr. A third approach analyses ICESat elevation profiles over the Amery ice shelf. The method is based on a cross-correlation analysis of different ICESat repeat cycle in order to determine the ice flow velocity along the track. This method is applied to reference track 49. The investigation reveals that between 71.7° S and 70.1° S along the reference track, the ice-flow velocity increases from about +0.83±0.09 m/d to +1.02±0.06 m/d. These results are in general good agreement with velocities derived from an independent velocity field.

GNSS-Messungen werden neben systembedingten Fehlereinflüssen vor allem von den Auswirkungen der Mehrwegeausbreitung und Signalbeugung insbesondere in der Empfangsumgebung dominiert. Verschiedene Dienste z.B. der Landesvermessungsämter haben deshalb ein primäres Interesse daran, die Auswirkungen der Effekte möglichst gering zu halten oder aber genau bestimmen zu können, um Korrekturwerte zu generieren. Mehrwege- und Beugungseffekte lassen sich besonders innerhalb von Netzstrukturen gut bestimmen. Liegen Sollkoordinaten aller Beobachtungsstationen vor gelingt dies auch in Echtzeit. In der vorliegenden Arbeit werden neben einer detaillierten Beschreibung der jeweiligen Einflussgrößen auch Möglichkeiten aufgezeigt, die genannten Effekte zu erkennen und Maßnahmen zur Reduktion der Auswirkungen auf das Meßergebnis zu ergreifen. Kern der Untersuchungen ist ein zweistufiges Modell zur Reduzierung von Mehrwegeeffekten in Echtzeit innerhalb von (Referenz-) Stationsnetzen durch Bestimmung von Korrekturwerten für originale und abgeleitete Meßwerte pro Epoche, Station und Satellit.

Soll die Massenbilanz des antarktischen Eises bestimmt werden, so ist das grundlegend mit der Beobachtung dessen Geometrie, Kinematik und Dynamik verbunden. Basis dieser Arbeit sind Beobachtungen von Eisoberflächenhöhen und Fließgeschwindigkeiten im Einzugsbereich des Helen-Gletschers südlich der russischen Antarktisstation Mirnyj und im Einzugsbereich des Hays-Gletschers südöstlich der Station Molodëžnaja. 1962 wurde von Mirnyj ausgehend das sich über 100km in südliche Richtung erstreckende geodätisch-glaziologische Triangulationsnetz Mirnyj angelegt. 1972 erfolgte die Realisierung einer Traverse über das Einzugsgebiet des Hays-Gletschers. Beide Regionen wurden in den folgenden Jahren mehrfach wiederholt beobachtet. Eine erneute Wiederholungsmessung von Eisoberflächenhöhen und Fließgeschwindigkeiten konnte zwischen 2005 und 2009 realisiert werden. Diese Arbeit beleuchtet diese Aktivitäten und beschreibt die Ableitung langzeitiger Eismassenveränderungen über Zeiträume mehrerer Dekaden. Die historische Datengrundlage, die Realisierung eines einheitlichen Bezugssystems sowie die verwendeten Beobachtungsverfahren werden ausführlich erläutert. Der Vergleich von Eisoberflächenhöhen der 2000er Jahre und Höhen der 1960er bzw. 1970er Jahre führt zur Abschätzung langzeitiger Veränderungen der Eisoberflächenhöhe für beide Regionen.

Die zentimetergenaue satellitengestützte Positionierung hat in den letzten Jahren immer größere Verbreitung in den verschiedensten Bereichen gefunden. In der Literatur wird von ersten Anwendungen auch in der Sportwissenschaft berichtet. Für höchste Genauigkeitsanforderungen werden geodätische GPS-Empfänger und Antennen eingesetzt, deren Anbringung an Athleten aufgrund ihrer Masse und ihres Volumens jedoch problematisch erscheinen.Ausgehend von den Möglichkeiten, die miniaturisierte Elektronik heute bietet, wurde für die Anwendung im Skispringen ein spezieller GPS-Empfänger entwickelt, der komplett in einen Sprunghelm integriert werden konnte. Damit entstehen nur minimale Beeinträchtigungen im Training. Der untersuchte Athlet benutzt anstatt seines eigenen Helms den Messhelm. Die topographische Lage der Schanzen bewirkt größere Abschattungen der Satellitensignale, sodass GPS-Messungen nicht auf jeder Schanze und zu jeder Tageszeit möglich sind. Die Anzahl gleichzeitig beobachtbarer Satelliten ist vergleichsweise gering. Zentimetergenaue Positionen können zudem nur nach erfolgreicher Mehrdeutigkeitsfestsetzung erzeugt werden. Gängige GPS-Berechnungsalgorithmen gehen dabei unter anderem von der Voraussetzung ausreichend langer und unterbrechungsfreier Messungen aus, die mit der nutzbaren Zeitspanne von 10-20 Sekunden für Anlauf, Absprung, Flug und Landung jedoch nicht erfüllt werden kann. Deshalb wurde ein laserbasiertes Lichtschrankensystem entwickelt, mit dem Passpunktinformationen für den GPSHelm beim Absprung vom Schanzentisch erzeugt werden können. Diese Informationen fließen in die GPS-Trägerphasenauswertung ein und sorgen für eine hohe Genauigkeit und Zuverlässigkeit der Mehrdeutigkeitsfestsetzung. Der gesamte Sprung kann so zentimetergenau bestimmt werden. Im Rahmen von Trainingslehrgängen wurden Messungen gemeinsam mit kinemetrischen und dynamometrischen Untersuchungen durchgeführt und erfolgreich ausgewertet. Anhand dieser Ergebnisse wurde dargelegt, welche vielfältigen Informationen in Geschwindigkeits- und Ortskurven für Anlauf-, Absprung- und Flugphase enthalten sind. / Carrier phase based GPS applications with centimeter accuracy have become more popular over the last years, not only in surveying. First investigations are accomplished in sports sciences as well. However, most geodetic GPS equipment is too large and too heavy for attaching it at the athletes body. Using the potential of miniaturized electronics, a special GPS receiver for ski jumping was developed. The hardware could be integrated completely into a common jumping helmet. Striving to an ideal measurement system with no influence on the athlete activities only little adverse effects remain on the athletes using the GPS-helmet. The topography of jumping hills results in a more or less shadowing of the GPS satellite signals. Not all jumping hills are applicable for GPS measurements. Measurement campaigns need to be well planned considering satellite constellation issues. Centimeter accuracy requires successful integer ambiguity fixing. Common algorithms assume uninterrupted signal reception over a sufficient long time. But the 10 ?20 seconds for an attempt, take-off, flight and landing are not long enough. Thus a laser light barrier array was developed. It determines position and time of the GPS-helmet during athletes take-off from the ramp. This information enables the ambiguity fixing and enhances accuracy and reliability of the solution, even for short GPS measurement segments. The system was successfully tested during some training sessions of german ski jumpers. It was shown which informations can be derived from positions and velocities for several phases of a jump.

Globale terrestrische Referenzsysteme und deren Realisierungen, die sogenannten Referenzrahmen, sind die Grundlage für die Beschreibung der Figur der Erde und ihrer Orientierung im Weltraum sowie für die Referenzierung von Vorgängen auf der Erdoberfläche und im nahen Umfeld der Erde. Die Realisierung des Internationalen Terrestrischen Referenzsystems ist eine der zentralen Aufgaben der Geodäsie. Sie erfolgt durch Kombination von Beobachtungsdaten geodätischer Raumbeobachtungsverfahren. Besondere Bedeutung kommen dabei dem Verfahren der Interferometrie auf sehr langen Basislinien, der Laserentfernungsmessung zu Satelliten sowie dem Globalen Positionierungssystem zu. Jedes dieser Verfahren weist besondere Stärken bei der Bestimmung geodätischer Parameter auf und trägt wesentlich zur Realisierung des Referenzsystems bei. In dieser Arbeit werden Methoden zur Berechnung einer zeitabhängigen und einer zeitunabhängigen Realisierung aus den Beobachtungen der genannten Verfahren entwickelt. Beide Ansätze basieren auf der Kombination bedingungsfreier Normalgleichungen, die aus der homogenen Auswertung der Beobachtungen resultierenden. Diese Vorgehensweise kann als gute Approximation der direkten Kombination der Beobachtungen angesehen werden, die bisher nicht erfolgreich umgesetzt werden konnte. Vom Internationalen Erdrotations- und Referenzsystemdienst (IERS) werden Referenzrahmen basierend auf zeitlich hochaufgelösten Eingangsdaten berechnet. Für die jüngste Lösung des IERS, den ITRF2005, wurden Stationskoordinaten und Erdrotationsparameter (Polkoordinaten und UT1-UTC) erstmalig konsistent ausgeglichen. Entsprechend diesem IERS-Standard werden auch in dieser Arbeit Eingangsdaten mit einer zeitlichen Auflösung von einem Tag beziehungsweise einer Woche verwendet. Zusätzlich zu den genannten Parametern werden Nutations- und bei der zeitunabhängigen Realisierung Troposphärenparameter berücksichtigt. Die zeitabhängige und die zeitunabhängige Realisierung unterscheiden sich hinsichtlich des Zeitraums, aus welchem Beobachtungen berücksichtigt werden und damit hinsichtlich ihrer Parametrisierung, ihres Informationsgehalts, ihres Gültigkeitsbereichs und ihrer Genauigkeit. Es werden spezifische Kombinationsmodelle entwickelt, die diese Eigenschaften berücksichtigen. Da sich Beobachtungen verschiedener Raumbeobachtungsverfahren in aller Regel nicht auf gemeinsame Referenzpunkte beziehen, müssen zur Kombination der Stationsnetze Differenzvektoren zwischen dicht beieinander liegenden Referenzpunkten verschiedener Verfahren eingeführt werden. Die gemessenen Differenzvektoren weisen teilweise große Diskrepanzen zu den Koordinatendifferenzen auf, die aus den Raumbeobachtungsverfahren bestimmt werden. Deshalb müssen geeignete gemessene Differenzvektoren für die Kombination ausgewählt werden. Zwei Kriterien werden für die Auswahl formuliert: Die Konsistenz der kombinierten Lösung soll maximal sein, und die Geometrie der verfahrensspezifischen Stationsnetze soll in der Kombination erhalten bleiben. Zur Quantifizierung der Konsistenz werden die Polkoordinaten herangezogen. Es wird gezeigt, dass diese sich in ihrer Eigenschaft als globale Parameter, die aus allen genannten Beobachtungsverfahren geschätzt werden können, hervorragend zur Beurteilung der Konsistenz eignen. Für beide Realisierungen wird nachgewiesen, dass die Kombination der verschiedenen Beobachtungsverfahren für die Mehrzahl der Parameter zu einer Genauigkeitssteigerung im Vergleich zu den verfahrensspezifischen Lösungen führt. Für einige der Parameter wird eine Verbesserung von 10\% und mehr erreicht. Es wird eine Methode zur Kombination von Troposphärenparametern entwickelt und für die Realisierung des zeitunabhängigen Referenzrahmens getestet. Die Kombination der Troposphärenparameter führt zu einer weiteren Verbesserung der Genauigkeit der kombinierten Lösung. Eine Gegenüberstellung des zeitabhängigen und des zeitunabhängigen Referenzrahmens zeigen die unterschiedlichen Potentiale beider Lösungen. Anhand der Ergebnisse der Arbeit werden Empfehlungen zur Verbesserung öffentlich bereitgestellter Kombinationsprodukte formuliert. Hervorzuheben ist dabei, dass die Kombination der Beobachtungsverfahren auf der Ebene der Normalgleichungen oder - wenn möglich - auf Ebene der Beobachtungsgleichungen durchgeführt werden sollte, und dass die speziellen Eigenschaften der Parameter im Kombinationsprozess besser genutzt werden sollten. / Global terrestrial reference systems and their realizations, the so called reference frames, are fundamental for the description of the Earth's shape and its orientation in space and for referencing changes on the Earth's surface and its planetary environment. The Realization of the International Terrestrial Reference System is one of the main tasks of geodesy. It is achieved by the combination of observation data of different space geodetic techniques. The most important techniques are the Very Long Baseline Interferometry, Satellite Laser Ranging and the Global Positioning System. Each of these techniques has individual strengths with respect to the estimation of geodetic parameters and contributes significantly to the realization of the terrestrial reference system. In this thesis methods are developed, which allow for the realization of a time-dependent as well as for a time-independent reference frame from space observation data. Both methods are based on the combination of free normal equations which result from the homogeneous analysis of the different observation types. This approach is a good approximation for the direct combination of observations, which has not yet been implemented successfully. The International Earth Rotation and Reference Systems Service (IERS) computes reference frames from input data with high temporal resolution. For the most recent solution, the ITRF2005, station coordinates and Earth rotation parameters (pole coordinates and UT1-UTC) were estimated consistently for the first time. In analogy to the IERS standards, input data with daily and weekly resolution are used in this work. In addition to the above mentioned parameters, nutation and troposphere parameters are considered. The time-dependent and the time-independent reference frame are based on observation data of different time spans (two years and one day respectively). Consequently, they are characterised by a different parameterisation and show discrepancies with respect to information content, validity, and accuracy. This requires the development of individual combination models for both realizations. Usually, observations of different space geodetic techniques do not refer to a common reference point. Neighbouring reference points of different techniques are combined by introducing terrestrial difference vectors. In some cases the comparison of the terrestrial difference vectors and the coordinate differences computed from the solutions of the space geodetic techniques show large discrepancies. Thus, the selection of difference vectors which are suitable for the combination is essential. Two criteria for the selection are formulated: The consistency of the combined solution shall be maximal and the geometry of the technique specific station networks shall not be changed by the combination. The consistency is quantified on the basis of the pole coordinates. It is demonstrated, that the pole coordinates are qualified to describe the consistency, since they are global parameters that can be estimated from the observations of all techniques. For both realizations it is shown, that the combination leads to an improvement of accuracy for most of the parameters compared to the technique specific solutions. For some parameters an improvement of 10\% or more is achieved. Additionally, a method for the combination of troposphere parameters is developed and tested for the computation of the time-independent reference frame. The computation of the troposphere parameters leads to a further increase of the accuracy of the combined solution. The comparison of the time-dependent and the time-independent reference frame discloses the individual potentials of both frames. Based on the results, recommendations for the improvement of official combination products are formulated. The most important suggestions are, that the combination of space geodetic techniques shall be performed on the level of normal equations, or if possible on the level of observations. Furthermore, the individual characteristics of the parameters should be used more effectively in the combination process.

Der regionalen Schwerefeldmodellierung in polaren Gebieten kommt in vielerlei Hinsicht eine besondere und wachsende Bedeutung zu. Einerseits sind hochauflösende und präzise Geoidmodelle eine wichtige Eingangsgröße bei der Untersuchung und Quantifizierung geophysikalischer, ozeanographischer bzw. glaziologischer Phänomene, z. B. bei der Bestimmung der mittleren dynamischen Ozeantopographie oder der Anwendung des Schwimmgleichgewichts im Bereich von Schelfeisen, Meereis oder subglazialen Seen. Zudem werden sie allgemein zur Referenzierung von Höhenmodellen benötigt. Andererseits sind, aufgrund der unvermeidbaren polaren Datenlücken von Satellitenbeobachtungen jenseits der Grenzbreite (sog. „Polloch“), terrestrische Schweredaten auch für die globale Schwerefeldmodellierung unerlässlich. Jedoch sind die verfügbaren terrestrischen (bodennahen) Schwerebeobachtungen insbesondere im Gebiet der Antarktis äußerst lückenhaft und heterogen. So entspricht das tatsächliche Auflösungsvermögen selbst aktueller kombinierter Schwerefeldmodelle wie EGM2008 oder EIGEN-6C über dem antarktischen Kontinent lediglich dem der reinen Satellitenmodelle aus GRACE bzw. GOCE. Des Weiteren sind Standardverfahren der regionalen Geoidmodellierung hier nicht ohne Weiteres anwendbar. Neben der Heterogenität der Daten als praktischer Herausforderung muss aus theoretischer Sicht dem zusätzlichen Dichtekontrast durch das Eis Rechnung getragen werden. Die vorliegende kumulative Dissertation greift diese Problematik auf. Während die einzelnen Publikationen die Ergebnisse ausgewählter regionaler Fallstudien präsentieren, soll die folgende zusammenfassende Abhandlung einen doppelten Bogen spannen, indem die geophysikalischen Phänomene gleichzeitig als zu untersuchende Anwendungsgebiete und als Einflussfaktoren im Kontext der regionalen Geoidmodellierung beschrieben werden. So wird am Beispiel der Weddellsee gezeigt, wie die Meereisbedeckung die Qualität und Zuverlässigkeit der mithilfe der Satellitenaltimetrie abgeleiteten Schwerefeldmodelle beeinträchtigt. Diese Modelle bilden derzeit die alleinige Datengrundlage für die hochauflösenden globalen Modelle im Gebiet des Antarktischen Ozeans. Zugleich wird anhand des verfeinerten regionalen Modells und daraus abgeleiteter geostrophischer Geschwindigkeiten demonstriert, dass selbst lückenhafte und heterogene terrestrische Daten hier einen wesentlichen Beitrag zur simultanen Kalibrierung und Vereinheitlichung des Datenbestandes leisten können. Im Ergebnis konnten in den küstennahen Gewässern Differenzen von mehreren Dezimetern gegenüber Geoidhöhen aus EGM2008 festgestellt werden, welche teils auf systematische Abweichungen und teils auf Rauschen im globalen Modell zurückzuführen sind. Über dem Festland erreicht dessen Vernachlässigungsfehler im quadratischen Mittel sogar 0,75 m und Maxima von über 3 m. Ein weiteres verfeinertes und, dank geeigneter Eingangsdaten, sehr genaues und hochauflösendes Geoidmodell wird für die Region um den Vostoksee in der Ostantarktis abgeleitet. In Kombination mit Eisoberflächenhöhen und Eisdicken gelingt es, das Schwimmgleichgewicht des subglazialen Sees nachzuweisen. Das gegenüber GOCE zusätzlich gewonnene Geoidsignal ist hier mit 0,56 m Standardabweichung zwar etwas kleiner, jedoch wird im Vergleich mit der residualen Auslenkung des Seespiegels (0,26 m Standardabweichung) auch für diese Anwendung der signifikante und gegenüber dem Auflösungsvermögen von GOCE auch notwendige Beitrag eines regionalen Geoidmodells deutlich. Für das hydrostatische Gleichgewicht eines subglazialen Sees ist streng genommen das tatsächliche Schwerepotential in Höhe des Seespiegels maßgeblich. Dessen Berechnung erfordert eine Fortsetzung des Störpotentials nach unten innerhalb der Topographie, welche konzeptionell in engem Zusammenhang mit dem bekannten Geoid-Quasigeoid-Separationsterm steht. Dessen oft angenommene Approximation mithilfe der Bougueranomalie kann, angesichts der heutigen Anforderungen an ein modernes zentimetergenaues Geoid, gerade in rauem Gelände zu ungenau sein. In Anlehnung an aktuelle Arbeiten auf diesem Gebiet wird ein verallgemeinerter und zugleich verfeinerter Ansatz zur praktischen Berechnung des Terms erarbeitet. Am Beispiel des Himalaya werden die einzelnen Anteile im Rahmen einer Simulationsstudie quantifiziert und insbesondere ihre Sensitivität gegenüber dem Integrationsradius der Topographie untersucht. Besonderes Augenmerk liegt ebenso auf dem indirekten Effekt der Topographie in Bezug auf das Potential, welcher, im Gegensatz zur Anwendung eines planaren Modells, in sphärischer Betrachtungsweise nicht verschwindet. / In many respects, regional gravity field modeling in polar areas is of special, and growing, interest. On the one hand, high-resolution and precise geoid models are an important input parameter to investigate and quantify manifold geophysical, oceanographical and glaciological phenomena, e.g., the determination of the mean dynamic ocean topography, or the application of the hydrostatic equilibrium condition in the areas of ice shelves, sea ice, or subglacial lakes. Moreover, geoid models are in general needed as a reference for height models. On the other hand, because of the unavoidable polar data gaps in satellite measurements due to the inclination (the so-called “polar gap”), terrestrial gravity data are indispensable also for global gravity field modeling. However, the available terrestrial (ground-based) gravity datasets, in particular of Antarctica, are very sparse and heterogeneous. For example, over the Antarctic continent the true resolution of even the most recent combined global geopotential models such as EGM2008 or EIGEN-6C only corresponds to that of the satellite-only models derived from GRACE and GOCE, respectively. Furthermore, standard techniques of regional geoid modeling cannot be readily used in this area. Apart from the heterogeneity of the data as a practical challenge the additional density contrast implied by the covering sheet needs to be accounted for from the theoretical point of view. This complex situation is the starting point for the present cumulative dissertation. Whereas the individual publications present the results of selected regional case studies, the intention of the following summary is to draw an integrated picture aiming at explaining the geophysical phenomena as both applications and influencing factors in the context of regional geoid modeling. Using the example of the Weddell Sea it is shown how sea-ice coverage affects the quality and reliability of marine gravity field models derived from radar satellite altimetry. At present, these models are the only input data to the high-resolution global geopotential models. At the same time, the refined regional model and geostrophic velocities derived thereof are employed to demonstrate how even sparse and heterogeneous terrestrial gravity data may provide a contribution to simultaneously calibrate and unify the available datasets. As a result, near the coast differences at the order of some decimeters could be observed in comparison with EGM2008, originating partly from systematic effects and noise in the global model. In the continental areas, its omission error even yields a standard deviation of 0.75 m and attains a maximum of more than 3 m. Another refined and, owing to appropriate input data, very precise and highly resolving geoid model is derived for the region around subglacial Lake Vostok. In combination with ice-surface heights and ice thickness data it is used to provide observational evidence that the lake is in a state of hydrostatic equilibrium. There, the additional geoid signal w.r.t. GOCE is a bit smaller (0.56 m standard deviation). However, considering the residual deviations of the apparent lake level (0.26 m standard deviation) the significant and necessary, as compared to the resolution of GOCE, contribution of a regional geoid model to this application is shown. In a strict sense, the relevant quantity to evaluate the hydrostatic equilibrium condition of a subglacial lake is the actual geopotential at the anticipated lake level. Its computation requires a downward continuation of the disturbing potential inside the topography, which is closely related to the concept of the well-known geoid-quasigeoid separation term. In the past, this term was frequently described as an approximation by means of the Bouguer anomaly. However, considering the modern requirements of the “one-centimeter geoid” this approximation may be too coarse over rough terrain. Following recent works in this field, a generalized yet refined approach for practical implementation of the term is developed. The individual constituents of the term are quantified. In particular, their sensitivity against the radius up to which topography is taken into account is investigated. For this simulation study, the Himalaya mountain region served as test area. Furthermore, special focus is given to the indirect of topography on the potential which, contrary to applying a planar model, does not vanish in the spherical approach.