Die geodätischen Beobachtungsverfahren leisten auf verschiedene Weise Beiträge zur Erforschung des Systems Erde: Einerseits beobachten sie die rezenten Prozesse und ihre zeitlichen Variationen direkt, andererseit liefert sie die Grundlage für die konsistente Betrachtung aller Einflüsse in einem einheitlichen geometrischen und gravimetrischen Bezug. Das Projekt des Global Geodetic Observing System (GGOS) der Internationalen Assoziation für Geodäsie (IAG) soll die Voraussetzungen zur Vereinigung der verschiedenen geodätischen Beobachtungsverfahren, Modelle und Auswertemethoden mit dem Ziel schaffen, mit einem konsistenten Satz geodätischer Parameter ein hochgenaues Monitoring des Systems Erde zu ermöglichen. Die Realisierung geodätischer Bezugssysteme mit höchsten Genauigkeitsansprüchen ist in diesem Kontext eine zentrale Aufgabe des GGOS und Thema der vorliegenden Arbeit. In der derzeit üblichen Darstellung umfasst eine Realisierung des Terrestrischen Referenzsystems (TRS) Stationspositionen zu einer spezifischen Epoche und ihre linearen Änderungen mit der Zeit. In diesem Konzept führen alle nichtlinearen Stationsbewegungen zu residualen Abweichungen, die geowissenschaftlich interpretiert werden können. Der natürliche Ursprung eines globalen TRS, so auch des International Terrestrial Reference System (ITRS), liegt im Massezentrum des Systems Erde (CM). Mit Hilfe dynamischer Satellitenverfahren, wie GPS, lässt sich dieser Ursprung aus geodätischen Beobachtungen realisieren. In einem konsistenten Ausgleichungsansatz werden Satellitenbahnen, Stationspositionen und die in Kugelflächenfunktionen niedrigen Grades modellierte Auflastdeformation gemeinsam geschätzt. Die Grundlage der Realisierung des ITRS bilden in einem gemeinsamen Projekt der TU Dresden, der TU München und des GFZ Potsdam reprozessierte Beobachtungen eines über 200 Stationen umfassenden globalen GPS-Netzes des Beobachtungszeitraums 1994 bis 2007. Nach der Vorstellung der Grundprinzipien des GPS und seiner wesentlichen Fehlereinflüsse erfolgt die Beschreibung der Analyse der Beobachtungsdaten selbst. Sie umfasst die einheitliche Auswertung über den gesamten Zeitraum sowie Verbesserungen in der Modellierung der atmosphärischen Einflüsse und der Charakteristika der Sende- und Empfangsantennen sowie die Nutzung der Normalgleichungen zu Realisierung des ITRS. Der abgeleitete Terrestrische Referenzrahmen (TRF) wird Potsdam-Dresden-Reprocessing 2007 (PDR07) genannt. Zur Beurteilung der Genauigkeit und Zuverlässigkeit dieses TRF werden umfangreiche Analysen durchgeführt. So wird der PDR07 u.a. mit weiteren Realisierungen des ITRS, dem ITRF2000, dem ITRF2005 und den Realisierungen des International GNSS Service (IGS) IGb00 und IGS05, verglichen. Für eine Vielzahl geodynamischer Anwendungen werden GPS-Stationen in Messkampagnen beobachtet. Die hochgenaue Realisierung des ITRS in diesen regionalen GPS-Netzen ist für die geodynamische Interpretation der Ergebnisse zwingend erforderlich. Am Beispiel eines regionalen GPS-Netzes in der Antarktis wird untersucht, wie sich das ITRS in derartigen Netzen realisieren lässt und mit welcher Genauigkeit lineare Stationsbewegungen aus Kampagnenmessungen abgeleitet werden können. Im Anschluss werden die erhaltenen Bewegungsraten geodynamisch interpretiert: Aus den horizontalen Bewegungsraten wird die Bewegung der Antarktischen Kontinentalplatte im Konzept der Globaltektonik bestimmt und ihre innere Stabilität bewertet. Die vertikalen Stationsbewegungen werden genutzt, um Aussagen über rezente Krustendeformationen aufgrund glazialisostatischer Ausgleichsbewegungen und rezenter Massenvariationen des antarktischen Eises zu treffen. / The geodetic observation techniques contribute in several ways to the research of the system Earth: On the one hand they observe the recent processes and their variations in time directly, on the other hand they provide the basis for a consistent description of all effects in a consistent geometrical and gravimetrical reference. Within the project Global Geodetic Observing System (GGOS) of the International Association of Geodesy (IAG) the prerequisites for the combination of geodetic observation techniques, models and analysis strategies shall be created in order to enable a high accurate monitoring of the system Earth with consistent geodetic parameters. In this context the realization of geodetic reference systems with highest accuracy is a central task of the GGOS and subject of this thesis. At present, a common realization of the Terrestrial Reference System (TRS) consists of station positions according to a specific epoch and their linear changes with time. In this concept non-linear station motions yield to residual variations, which may be used for geoscientific interpretations. The natural origin of a global TRS, and this is also the case for the International Terrestrial Reference System (ITRS), is the center of mass of the system Earth (CM). This origin can be realized by observations of dynamic satellite techniques, such as GPS. In a consistent approach satellite orbits, stations positions and the lower degrees of harmonic surface mass load coefficients are estimated simultaneously. The ITRS is realized based on reprocessed observations of a global GPS network. In a joint effort TU Dresden, TU München and GFZ Potsdam analyzed the data of more than 200 stations of the observation time span 1994 to 2007. After an introduction to the basic principles of GPS and its major error sources the data analysis is described. This covers a homogeneous analysis over the entire period, improvements in atmosphere modeling and antenna phase center modeling as well as the usage of normal equations for the ITRS realization. The determined Terrestrial Reference Frame (TRF) is named Potsdam-Dresden-Reprocessing 2007 (PDR07). In order to assess the accuracy and stability of this TRF a variety of analyses is performed. For example, PDR07 is compared to other ITRS realizations, such as the ITRF2000, the ITRF2005 as well as the realizations of the International GNSS Service (IGS) IGb00 and IGS05. GPS campaign observations are often used to investigate geodynamic phenomena. The realization of the ITRS with highest accuracy in these regional GPS networks is essential for the geodynamic interpretation of the results. A regional GPS network in Antarctica is used to investigate the optimal way to realize the ITRS in such networks and the accuracy of linear station rates determined from campaign observations. Subsequently, the station rates are used for geodynamic interpretations: The horizontal station rates are used to determine the movement of the Antarctic Plate in the concept of global plate kinematics and to assess the inner stability of the Antarctic Plate. The vertical station rates are used to evaluate recent crustal deformations caused by glacial isostatic adjustment and recent mass changes of the Antarctic ice sheet.

Ziel dieser Arbeit ist die Vereinheitlichung der in Südamerika existierenden Höhensysteme, die sich auf verschiedene Meerespegel beziehen, in einem globalen vertikalen Referenzsystem, das die Erfordernisse moderner geodätischer Verfahren erfüllt. Dabei werden folgende Themen bearbeitet: a) Alternativen für die Definition und Realisierung eines konventionellen Welthöhensystems; b) Diagnostik und Standardisierung der südamerikanischen Höhensysteme; c) Strategien für die genaue Transformation der lokalen Höhensysteme in das Welthöhensystem. Unter der Voraussetzung, dass ein modernes Höhensystem die genaue Kombination von physikalischen und geometrischen Höhen unterstützen muss, werden zwei Komponenten betrachtet: a) eine geometrische Komponente bestehend aus ellipsoidischen Höhen als Koordinaten und ein Niveauellipsoid als Referenzfläche und b) eine physikalische Komponente bestehend aus geopotentiellen Koten als Koordinaten und eine durch einen bestimmten W0-Wert definierte Äquipotentialfläche als Referenzniveau. Die physikalische Komponente wird durch Potentialparameter definiert, damit sie als Bezug für jeden Typ von physikalischen Höhen (d.h. orthometrische Höhen, Normalhöhen, usw.) dienen kann. Die Umwandlung von geopotentiellen Koten in metrische Höhen und die Modellierung der Bezugsfläche (Geoid- bzw. Quasigeoid-Bestimmung) werden als ein Teil der Realisierung betrachtet. Da das ganze Konzept sich auf die Kombination von geometrischen und physikalischen Parametern bezieht, war es nötig, eine Inventur der zurzeit angewendeten Konventionen zu machen und diese zu analysieren, um systematische Fehler zu reduzieren und die zeitlichen Veränderungen der verschiedenen Daten zu berücksichtigen. Hauptprodukte dieser Arbeit sind: a) Detaillierte Beschreibung der Charakteristiken des Festpunktfeldes, das das globale vertikale Bezugsystem realisieren soll. Diese Beschreibung enthält genaue Formulierungen für die Berücksichtigung der notwendigen Konventionen und die Bereitstellung von Normalgleichungssystemen der nationalen Höhennetze, um ihre Kombination durch überregionale Ausgleichungen zu ermöglichen. b) Bestimmung eines W0-Referenzwertes unter Anwendung verschiedener Ansätze und der Kombination neuester Modelle der Erdoberfläche und des Erdschwerefeldes. Dabei wurde besonders auf die rigorose Fehlerfortpflanzung der Rechnungen geachtet, um die Zuverlässigkeit dieses Wertes zu schätzen. c) Formulierung der Bobachtungsgleichungen für die Bestimmung der Niveaudifferenzen zwischen den lokalen Höhensystemen und dem Welthöhenbezugssystem. Dies wurde in drei Ansätzen betrachtet: ein Ozean-Ansatz (im Meeresgebiet um die Referenzpegel), ein Küsten-Ansatz (auf dem Festland an den Referenzpegeln) und ein Kontinent-Ansatz (mit kontinentalen Festpunktfeldern des geometrischen Referenzsystems). d) Vereinheitlichung der existierenden Höhensysteme Südamerikas in dem globalen vertikalen Referenzsystem. Die Genauigkeit der Ergebnisse liegt derzeit um ±5 cm für die Gebiete mit der größten Anzahl von Beobachtungen (Argentinien, Brasilien-Imbituba, Kolumbien, Ecuador, Uruguay und Venezuela) und um ±2 … 3 dm für Gebiete mit geringer Verfügbarkeit und großer Unsicherheit der Daten (Brasilien-Santana, Bolivien, Peru und Chile). Die geschätzten Höhenniveaus sind größtenteils positiv, d.h. die lokalen vertikalen Datums liegen über dem globalen Referenzwert W0. Dieses sowie auch der Nord-Süd-Anstieg am Atlantik und der Süd-Nord-Anstieg am Pazifik spiegelt die Meeresoberflächentopographie in der Region wieder. e) Vorschläge zur Fortführung der Arbeiten mit zusätzlichen Daten in den einzelnen Ländern. / The objective of this study is the unification of the South American height systems into a global vertical reference system satisfying the requirements of modern Geodesy. The following topics are discussed: a) Definition and realisation of a conventional global vertical reference system; b) Review and standardisation of the geodetic data referring to the South American height systems; c) Strategies for the precise transformation of the local height datums into the global vertical reference system. It is expected that a modern vertical reference system supports the combination of physical and geometric heights with high accuracy globally. Therefore, two components are considered: a) A geometric component consisting of ellipsoidal heights as coordinates and a level ellipsoid as the reference surface, and b) A physical component comprising geopotential numbers as coordinates and an equipotential surface defined by a conventional W0 value as the reference surface. The definition of the physical component is based on potential parameters in order to provide reference to any type of physical heights (normal, orthometric, etc.). The conversion of geopotential numbers into metric heights and the modelling of the reference surface (geoid or quasigeoid determination) are considered as steps of the realisation. Since the approach developed in this study is based on the combination of geometric and physical parameters, it was necessary to include an inventory of the standards used in the determination of the vertical coordinates. This inventory is the basis for the identification and consequent removal of systematic errors caused by the application of different models and methods in the generation of the data available for this study. The main results of this study are: a) A detailed description of the characteristics to be satisfied by the reference stations realising the global vertical reference system. This description includes the needed conventions for the standardisation of the vertical coordinates and the computation of normal equations for the national levelling networks. These equations are required to integrate the local height systems into the global one. b) Estimation of the reference value W0 following different approaches and applying the latest geodetic models of the Earth\'s surface and gravity field. This procedure also includes a rigorous error propagation analysis to assess the reliability of the W0 estimate. c) Observation equations for the determination of the level discrepancies between the local height datums and the global W0. This is performed in three approaches: in the ocean areas around the reference tide gauges (ocean approach), at the reference tide gauges (coastal approach), and at the reference stations of the geocentric reference system (continental approach). d) Vertical datum parameters for the unification of the South American height systems into a global vertical reference system. The accuracy is assessed to be about ±5 cm for those countries with a good coverage of measurements (Argentina, Brazil-Imbituba, Colombia, Ecuador, Uruguay, and Venezuela). For those regions with poor data coverage or high uncertainties in the data quality (Brazil-Santana, Bolivia, Peru, and Chile), the accuracy is estimated to be about ±2 … 3 dm. The obtained level differences are in general positive, i.e., local vertical datums are above the global reference level W0. This and the north-south increase along the Atlantic coast and the south-north increase along the Pacific coast reflect well the behaviour of the sea surface topography in these regions. e) A description of the further activities to be developed by each country to improve the results of this study.