ERSTE ERGEBNISSE DER SONDIERUNG VON IONOSPHÄRE UND PLASMASPHÄRE BASIEREND AUF GPS MESSUNGEN AN BORD VON CHAMP

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1 ERSTE ERGEBNISSE DER SONDIERUNG VON IONOSPHÄRE UND PLASMASPHÄRE BASIEREND AUF GPS MESSUNGEN AN BORD VON CHAMP S. Heise 1, N. Jakowski 1, A. Wehrenpfennig 1, Ch. Reigber 2 und H. Lühr 2 1 Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.v. (DLR), Institut für Kommunikation und Navigation, Außenstelle Neustrelitz, Kalkhorstweg 53, D Neustrelitz 2 GeoForschungsZentrum Potsdam (GFZ), Telegrafenberg, D Potsdam Phone/Fax: /123 Stefan.Heise@dlr.de

2 ERSTE ERGEBNISSE DER SONDIERUNG VON IONOSPHÄRE UND PLASMASPHÄRE BASIEREND AUF GPS MESSUNGEN AN BORD VON CHAMP S. Heise 1, N. Jakowski 1, A. Wehrenpfennig 1, Ch. Reigber 2 und H. Lühr 2 1 Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.v. (DLR), Institut für Kommunikation und Navigation, Außenstelle Neustrelitz, Kalkhorstweg 53, D Neustrelitz 2 GeoForschungsZentrum Potsdam (GFZ), Telegrafenberg, D Potsdam Zusammenfassung. Die wesentlichen Ziele der Mission des deutschen Geoforschungssatelliten CHAMP bestehen darin, das Schwerefeldes und das Magnetfeld der Erde hochgenau zu vermessen, sowie wertvolle Beiträge zur Sondierung der neutralen Atmosphäre und der Ionosphäre zu leisten. CHAMP wurde am 15. Juli 2000 erfolgreich gestartet. Zum Zweck einer präzisen Orbitbestimmung empfängt der GPS-Empfänger an Bord von CHAMP bis zu 8 GPS-Satelliten gleichzeitig. Dabei handelt es sich um Zweifrequenzmessungen mit einer Messrate von 0,1 Hz, die beträchtliche Informationen bezüglich des Ionisationszustandes der Topside-Ionosphäre und der Plasmasphäre enthalten. Durch die Kombination der differentiellen Träger- und Codephasenmessungen sowie die Bestimmung der instrumentellen Biases für jede Empfänger Sender Kombination zwischen CHAMP und GPS in einem separaten Verfahren ist es möglich, absolute Werte des Elektronengehalts (Total Electron Content TEC) entlang der verschiedenen Strahlenwege zu bestimmen. Die Kalibration beruht dabei auf einem modellgestützten Verfahren (Ionosphären-/Plasmasphären-Modell) unter nächtlichen ionosphärischen Bedingungen, die einen relativ geringen Ionisationsgrad gewährleisten und daher möglichst kleine Kalibrationsfehler versprechen. Die kalibrierten TEC-Daten eines vollen CHAMP-Orbits werden anschließend in das Parameterized Ionospheric Model (PIM) assimiliert, welches auch die Plasmasphäre enthält. Die Assimilationstechnik und erste Ergebnisse der Rekonstruktion der Elektronendichte im Bereich der Topside-Ionosphäre und Plasmasphäre innerhalb der CHAMP-Orbitebene von der CHAMP-Höhe bis zur GPS-Orbithöhe werden diskutiert. Weiterhin werden erste Validierungsergebnisse mit unabhängigen in situ Messungen der Elektronendichte durch die Langmuir-Sonde an Bord von CHAMP vorgestellt. Abstract. The German geoscience satellite CHAMP contributes to a precise recovery of the Earth s gravity field, to a global mapping of the Earth s magnetic field and to the sounding of the Earth s neutral atmosphere and ionosphere. After CHAMP has been successfully launched on 15 July 2000, the GPS TRSR2 flight receiver tracks up to 8 satellites simultaneously for precision orbit determination. Since these navigation data are measured with a sampling rate of 0,1 Hz, the dual frequency GPS signals provide valuable information on the ionisation state of the topside ionosphere and plasmasphere. Combining differential carrier and code phases, absolute values of the total electron content (TEC) along the numerous radio links are estimated after calibrating the instrumental biases of each CHAMP receiver GPS transmitter combination in a separate way. The calibration is carried out by applying a model assisted technique under nighttime ionospheric conditions that promises a low ionization level and therefore small calibration errors. The calibrated TEC data derived for a full CHAMP revolution are then assimilated into the Parameterized Ionospheric Model (PIM) that includes also the plasmasphere. The assimilation technique and preliminary results that provide a reconstruction of the ionosphere/plasmasphere electron density in the CHAMP orbit plane from the CHAMP altitude up to GPS orbit heights will be discussed. First order validation checks using electron density in situ measurements by the Langmuir probe onboard CHAMP will be presented. 1 Einleitung Die Mission des deutsche Kleinsatelliten CHAMP (Reigber et al., 2000) leistet wertvolle Beiträge zur hochgenauen Vermessung des Schwerefeldes und des Magnetfeldes der Erde. Basierend auf GPS Okkultationsmessungen ist es

3 weiterhin möglich, die neutrale Atmosphäre und die Ionosphäre der Erde global zu sondieren. CHAMP wurde am 15. Juli 2000 vom russischen Plesetsk aus an Bord einer COSMOS-Rakete erfolgreich auf seine Umlaufbahn gebracht ( Der Orbit ist nahezu kreisförmig und beinahe polar mit einer Inklination von 87,2 bei einer anfänglichen Orbithöhe von 454 km. Während der geplanten Missionsdauer von fünf Jahre wird die Orbithöhe aufgrund des Luftwiderstandes kontinuierlich abnehmen. Mindestens eine Orbitkorrektur ist geplant, um ein Absinken der Flughöhe unter 300 km zu vermeiden. Der an Bord von CHAMP befindliche GPS-Empfänger hat neben der Durchführung von GPS-Okkultationsmessungen die wichtige Aufgabe, GPS-Daten zum Zweck einer genauen Orbitbestimmung mit den Mitteln der Satellitennavigation zu empfangen. Dazu befindet sich auf der von der Erde abgewandten Oberseite des Satelliten die Zenit-Antenne, welche unter normalen Bedingungen den permanenten Empfang von bis zu acht GPS Satelliten ermöglicht. Da diese GPS-Signale fortlaufend mit einer Frequenz von 0,1 Hz auf beiden GPS-Trägerfrequenzen empfangen werden, ist es möglich, aus ihnen wertvolle Informationen über den Ionisationszustand der oberhalb von CHAMP befindlichen Topside-Ionosphäre und Plasmasphäre zu extrahieren. Nach dem Empfang und der Vorprozessierung der CHAMP-Daten durch das DLR/DFD Neustrelitz werden die an Bord von CHAMP empfangenen GPS-Rohdaten im DLR Neustrelitz zur Ableitung ionosphärischer Parameter wissenschaftlich ausgewertet. Die abgeleiteten ionosphärischen Parameter sind dabei einerseits vertikale Profile der Elektronendichte, die den Ionisationszustand der Atmosphäre bis zur CHAMP Orbithöhe erfassen, und andererseits die 3-dimensionale Verteilung der Elektronendichte oberhalb von CHAMP bis hin zur GPS-Orbithöhe. Dieser Beitrag soll im Überblick das im DLR Neustrelitz entwickelte Verfahren zur Sondierung der Topside Ionosphäre und Plasmasphäre basierend auf GPS-Messungen an Bord von CHAMP sowie erste Ergebnisse dieses Verfahrens illustrieren. 2 Datenprozessierung Die Prozessierungsschritte von den Rohdaten bis hin zur 3-dimensionalen Verteilung der Elektronendichte sind schematisch im Bild 1 dargestellt. Die Eingabedaten der Prozessierungskette sind dabei die 0,1 Hz GPS-Messungen sowie Orbitdaten sowohl der GPS- als auch des CHAMP-Satelliten. Die erforderlichen Orbitinformationen werden von der Orbitprozessierungsgruppe des GFZ bereitgestellt. Bild 1. Schema der Datenprozessierung zur Rekonstruktion der Elektronendichteverteilung aus CHAMP Topside GPS Messungen. Bild 2. Verlauf der differentiellen Codephasen P 2 -P 1 und Trägerphasen L 1 -L 2 für eine Passage von GPS PRN 26 gemessen auf CHAMP am 26. Juli Während der Vorprozessierung der GPS-Daten werden fehlerhafte Messungen detektiert und entfernt. Desweiteren erfolgt eine Erkennung und nach Möglichkeit auch Korrektur von sogenannten Cycle Slips (Sprüngen in den GPS-

4 Trägerphasen, die durch kurzzeitige Empfangsunterbrechungen entstehen). Dabei wird ein Algorithmus verwendet, wie er von Blewitt (1990) beschrieben wurde. Die Ionosphäre stellt für elektromagnetische Wellen im Bereich der bei GPS verwendeten Wellenlängen ein dispersives Ausbreitungsmedium dar. Aufgrund dieser Eigenschaft ist es möglich, aus den Messungen der beiden GPS-Frequenzen eine integrale Information über die Elektronendichte entlang des betrachteten Strahlenweges abzuleiten. Dabei spricht man vom Total Electron Content (TEC). Das Verfahren zur Bestimmung des unkalibrierten TEC aus den Trägerphasendifferenzen (L 1 -L 2 ) und den Codephasendifferenzen (P 2 -P 1 ) wird im Bild 2 veranschaulicht. Die differentielle Codephase ist vergleichsweise stark verrauscht, beruht aber auf einer absoluten Laufzeitmessung und ist daher, abgesehen von instrumentellen Biases, kalibriert. Die differentielle Trägerphase ist dagegen nur wenig verrauscht aber vollkommen unkalibriert. Durch die Kombination von Code- und Trägerphase im Sinne der kleinsten Abstandsquadrate können deren positive Eigenschaften bei der Bestimmung des relativen unkalibrierten TEC miteinander verbunden werden. Zur Kalibration der relativen TEC Werte entlang der verschiedenen Strahlenwege zwischen CHAMP und GPS ist es erforderlich, die entsprechenden instrumentellen Biases der differentiellen Codephase zu bestimmen. Dies geschieht in einem separaten Prozessierungsschritt, wobei ein speziell entwickeltes modellgestütztes Verfahren verwendet wird. Als unterstützendes Modell dient dabei das PIM (Daniell et al., 1995), welches auch das Gallagher Modell (Gallagher et al., 1988) für die Plasmasphäre enthält. Das Kalibrationsverfahren basiert auf der grundlegenden Annahme, daß das verwendete Modell im Mittel über mehrere Tage und verschiedene geographische Regionen der tatsächlich aufgetretenen Verteilung der ionosphärischen und plasmasphärischen Elektronendichte entspricht. Um die Gültigkeit dieser Annahme weitestgehend zu unterstützen, erfolgt die Bestimmung der Biases unter nächtlichen ionosphärischen Bedingungen, wobei nur GPS-Messungen mit einer Elevation des GPS Satelliten gegenüber CHAMP von mindestens 50 verwendet werden, die zudem in hohen oder mittleren Breiten gemessen wurden. Diese Beschränkungen bei der Wahl der verwendeten Messungen versprechen aufgrund eines vergleichsweise niedrigen Ionisationsniveaus und relativ kurzen Weges durch die Ionosphäre und Plasmasphäre möglichst geringe TEC-Werte und daher möglichst kleine Kalibrationsfehler. Die Biases der differentiellen Codephase resultieren aus Laufzeitunterschieden der beiden Phasen sowohl innerhalb des Senders als auch des Empfängers. Daher kann jedem GPS-Satelliten und dem GPS-Empfänger an Bord von CHAMP ein über gewisse Zeiträume als konstant anzusehender Bias zugeordnet werden. Die differentiellen Codebiases der GPS-Satelliten werden routinemäßig und sehr stabil von verschiedenen GPS-Prozessierungszentren, wie z.b. JPL oder CODE, im Rahmen von Bias-Lösungen für GPS-Bodenstationsnetzwerke bestimmt. Eine solche Bias- Prozessierung wird in operationeller Form auch im DLR Neustrelitz nach einem eigenen Verfahren (Sardon et al., 1997) in Verbindung mit der Erstellung regionaler TEC-Karten durchgeführt. Diese Biases werden bei der Kalibration der CHAMP GPS-Messungen als bekannt vorausgesetzt, so daß letztlich nur der differentielle Codephasenbias des CHAMP GPS-Empfängers zu bestimmen ist. Nachdem alle Biases bekannt sind, kann jede GPS-Messung entsprechend der vorliegenden Sender-Empfänger-Kombination kalibriert werden. Bild 3 zeigt den Verlauf des ermittelten CHAMP Empfänger-Bias in TEC Units (1 TCU=10 16 Elektronen/m 2 ) für den Zeitraum vom Tag 1 bis zum Tag 231 des Jahres 2001, wobei der jeweilige Tageswert ein fünftägiges gleitendes Mittel darstellt. Diese Mittelung ist möglich, da die Temperatur an Bord von CHAMP, welche für Schwankungen des Empfänger Bias von größter Bedeutung ist, über längere Zeiträume als stabil betrachtet werden kann. Wie Bild 3 zeigt, unterliegt der so ermittelte CHAMP Bias nur verhältnismäßig geringen Schwankungen in der Größenordnung von 1 TCU um einen Mittelwert von etwa 20 TCU. Bild 3. Differentieller Codephasenbias des CHAMP GPS Empfängers für die Tage 1 bis 231 des Jahres 2001.

5 Nach der Kalibration werden die integralen TEC-Informationen entlang der verschiedenen Strahlenwege, die während eines vollen Erdumlaufs von CHAMP gemessen wurden, in das PIM assimiliert. Bild 4 zeigt eine zweidimensionale Projektion der Strahlenwege aller Messungen, die während eines kompletten CHAMP Umlaufs gemacht wurden und vermittelt den Eindruck einer typischen Datenbedeckung. Bild 4. 2D-Projektion einer typischen Verteilung aller während eines vollen Umlaufs von CHAMP gemessener Strahlenwege. Beispiel vom 6. September 2000, Beginn des Orbits: 18:45 UT, Dauer: 93 Minuten, Anzahl der Messungen: 2575 Bild 5. Voxel-Struktur zur Assimilation der TEC Messungen in ein Ionosphären/Plasmasphären-Modell wie z.b. PIM. Zur Assimilation der TEC-Messungen entlang der verschiedenen Strahlenwege in ein Ionosphäre/Plasmasphären- Modell wurde eine 3-dimensionale Voxel-Struktur entwickelt, deren Schnitt entlang eines Meridians im Bild 5 wiedergegeben wird. Aufgrund der großen Bedeutung des Erdmagnetfeldes für die Elektronendichteverteilung im Bereich der Plasmasphäre ist die Voxel-Struktur in dipolaren magnetischen Koordinaten definiert und so geformt, daß ihre Gestalt in groben Zügen der natürlichen (ungestörten) Verteilung der Elektronendichte des Ionosphären/Plasmasphären-Systems entspricht. Die vertikale Auflösung beginnt bei 10 km in der Nähe der Erdoberfläche und verändert sich fließend bis hin zu etwa 1000 km im Bereich der GPS-Orbithöhe. Die horizontale Auflösung beträgt 2,5 geographischer Breite in meridionaler und 5 geographischer Länge in zonaler Richtung. Zu Beginn des Assimilationsprozesses wird PIM verwendet, um die beschriebene Voxel-Struktur zu initialisieren. Im nächsten Schritt wird während eines iterativen Prozesses die Elektronendichte innerhalb der Voxel, die von CHAMP- GPS Strahlenwegen durchkreuzt werden, so verändert, daß die gemessenen TEC-Werte schließlich vollständig assimiliert sind. Nach diesem Schritt ist die in den TEC-Daten enthaltene Information bereits vollständig in die Voxel- Struktur eingeflossen und die gemessenen TEC-Werte entlang der Strahlenwege werden von der Voxel-Struktur korrekt wiedergegeben. Allerdings ist die assimilierte Information nur auf die Voxel beschränkt, die tatsächlich von Strahlen durchkreuzt wurden. Um eine schlüssige 3-dimensionale Elektronendichteverteilung abzuleiten, erhält schließlich jedes von einem Strahl durchkreuzte Voxel einen orts- und entfernungsabhängigen 3-dimensionalen Einfluß auf seine Umgebung. Natürlich wird das Resultat dieser Datenassimilation nicht eine in allen Details korrekte Wiedergabe des tatsächlichen Ionisationszustandes der Ionosphäre und Plasmasphäre sein. Letztlich hängt der Wahrheitsgehalt des Resultates in entscheidender Weise von der Dichte der zur Assimilation zur Verfügung stehenden Daten ab. In jedem Fall ergibt sich aber eine deutliche Korrektur der modellierten Elektronendichteverteilung. Unabhängig von der Datenbedeckung liefert dieses Verfahren immer ein stabiles und physikalisch sinnvolles Resultat. 3 Ergebnisse Das Resultat der Assimilation ist eine 3-dimensionale Elektronendichteverteilung. Aus Gründen der Meßgeometrie ist jedoch klar, daß die Datenbedeckung und deren Einfluß auf den Assimilationsprozeß ihr Maximium innerhalb bzw. in der Nähe der CHAMP-Orbitebene haben. Andere Gebiete der Voxel-Struktur werden dagegen überhaupt nicht vom Assimilationsprozeß erfaßt und beinhalten daher das unveränderte Modell. Folglich ist es sinnvoll, zur 2-dimensionalen

6 Darstellung des Assimilationsresultats einen zweidimensionalen Schnitt durch die Voxel-Struktur entlang der CHAMP- Orbitebene zu betrachten. Die linke Abbildung im Bild 6 zeigt die Elektronendichteverteilung in der Orbitebene nach einem ausgewählten Assimilationsprozeß. Die rechte Abbildung im Bild 6 bezieht sich auf die selbe Orbitebene, gibt aber die prozentuale Abweichung des Assimilationsergebnisses vom initialen Modell wieder. Eine bemerkenswerte und recht starke Abweichung tritt dabei im Bereich der Plasmapause auf. Diese kann als Korrektur der Lage der modellierten Plasmapause durch die Assimilation interpretiert werden.. Bild 6. links: 2D Rekonstruktion (meridionaler Schnitt) der Elektronendichteverteilung von Ionosphäre und Plasmasphäre nach Assimilation der kalibrierten TEC-Daten eines vollen Erdumlaufs von CHAMP Bild 6. rechts: prozentuale Abweichung der assimilierten Elektronendichte vom initialen Modell. Assimilation für Sep. 6, 2000, Beginn der Assimilation: 18:45 UT, Dauer: 93 min, meridionaler Schnitt (Orbitebene) entlang 30.5 E. Eine sehr gute Möglichkeit zur Validierung der aus der Assimilation resultierenden Elektronendichteverteilung bieten die in situ Messungen der Elektronendichte durch die an Bord von CHAMP befindliche Langmuir-Sonde. Zwar lassen sich die Assimilationsergebnisse im Bereich der Plasmasphäre mit diesen Daten nicht direkt validieren, jedoch wären grobe Fehler bei der Ableitung der Elektronendichte entlang der Flugbahn von CHAMP ein deutlicher Hinweis auf Mängel des Verfahrens und resultierende Fehler auch für den Bereich der Plasmasphäre. Weiterhin bietet die Vielzahl der direkt miteinander vergleichbaren Daten die Möglichkeit, fundierte und differenzierte statistische Aussagen zur Güte der Assimilationsresultate am Ort des Satelliten zu treffen. Die Streudiagramme im Bild 7 zeigen in Bild 7. links: Streudiagramm zwischen in situ gemessener Elektronendichte (Langmuir-Sonde) und dem Assimilationsergebnis entlang der CHAMP-Umlaufbahn für alle Umläufe der Tage (2001) Bild 7. rechts: Streudiagramm zwischen dem initialen Modell (PIM) und den in situ Messungen für den selben Zeitraum

7 eindrucksvoller Weise die durch den Assimilationsprozeß eintretenden Veränderungen der initialen Elektronendichteverteilung entlang der CHAMP-Umlaufbahn. Nach Assimilation der TEC-Messungen stimmt die resultierende Elektronendichte deutlich besser mit den in situ Messungen überein als die initiale Modellannahme und der RMSE geht auf die Hälfte, die durchschnittliche relative Abweichung auf etwa ein Drittel zurück. 4 Zusammenfassung und Schlußfolgerungen Im vorliegenden Beitrag wurden erste Ergebnisse der Sondierung von Topside Ionosphäre und Plasmasphäre basierend auf GPS Messungen an Bord von CHAMP präsentiert. Die Prozessierung der GPS Daten und das Verfahren zu deren Assimilation in ein Ionosphären/Plasmasphären-Modell sowie erste Ergebnisse dieses Verfahrens wurden im Überblick dargestellt und diskutiert. Die Validierung der abgeleiteten Elektronendichten am Ort des Satelliten mit unabhängigen in situ Messungen zeigt die grundsätzliche Tragfähigkeit dieses Verfahrens zur Invertierung der integralen TEC- Messungen in lokale Elektronendichteinformationen. Danksagung. Die Autoren danken allen an der Gewinnung der Daten beteiligten Kollegen des CHAMP-Teams. Schrifttum Blewitt, G., An Automatic Editing Algorithm for GPS Data, Geophysical Research Letters, Vol. 17, No. 3, , 1990 Daniell, R.E., L.D. Brown, D.N. Anderson, M.W. Fox, P.H. Doherty, D.T. Decker, J.J. Soijka, and R.W. Schunk, Parameterized ionospheric model: A global ionospheric parameterization based on first principles models, Radio Sci., 30, , 1995 Gallagher, D. L., P. D. Craven and R. H. Comfort, An Empirical Model of the Earth's Plasmasphere, Adv. Space Res., Vol. 8, No. 8, pp.(8)15-(8)24, 1988 Reigber, Ch., H. Lühr and P. Schwintzer, CHAMP mission status and perspectives, Suppl. to EOS, Transactions, AGU, 81, 48, F307, Sardon, E. and N. Zarraoa, Estimation of the total electron content using GPS data: How stable are the differential satellite and receiver instrumental biases?, Radio Science, Vol. 32, No. 5, , 1997