Ionosphärenbestimmung mit verschiedenen geodätischen Weltraumverfahren

Transkript

1 Ionosphärenbestimmung mit verschiedenen geodätischen Weltraumverfahren Todorova S. 1, Hobiger T. 2,1, Weber R. 1, Schuh H. 1 (1) Institut für Geodäsie und Geophysik, Technische Universität Wien, Österreich (2) Kashima Space Research Center, National Institute of Information and Communications Technology, Japan

2 Inhalt Die Ionosphäre Definition und Bestimmung Modellierung der Ionosphäre mittels GPS Ionosphärenparameter aus anderen Satellitenmissionen Radiointerferometrie auf langen Basislinien (VLBI) Vergleiche zwischen den unterschiedlichen Verfahren Integriertes Modell der Ionosphäre

3 Die Ionosphäre (1) Definition der oberste Teil der Erd- atmosphäre re,, in dem die Dichte der Elektronen und Ionen ausreichend groß ist, um elektromagnetische Wellen zu beeinflussen

4 Die Ionosphäre (2) Bildung - freie Elektronen und Ionen, erzeugt durch das Einwirken der Sonnenstrahlung aus neutralen Gasteilchen Variation - räumlich (Magnetfeld) - zeitlich (Erdrotation, Sonnenzyklen)

5 Einfluss auf GPS- und VLBI- Messungen: proportional zum Gesamtelektronengehalt entlang des Strahlenweges (TEC)

6 Dispersives Medium - verzögert die gemessene Laufzeit der elektromagnetischen Wellen: Phasenlaufzeitverzögerung: d φ f = TEC [ m ] Gruppenlaufzeitverzögerung: d g f = 2 16 TEC Messungen auf zwei getrennten Frequenzen: [ m ] zur Korrektur des Ionosphäreneffekts liefern Information über die Ionosphäre

7 Zenit 1000 km 1 TECU =10 16 Elektronen / m 2

8 Modellierung der Ionosphäre mittels GPS Linearkombination L4=L1-L2 TEC Beinhaltet ausschließlich: STEC DCBs (Differential Code Biases) Einflüsse auf L4 durch Empfänger- und Satellitenuhren

9 Globale und regionale Modelle Kugelfunktionen: E ( β, s) V n = max n n= 0m= 0 ~ P nm (sinβ )( a nm cos( ms) + b nm sin( ms)) E V ~ P = N nm ( β, s ) nm P nm a nm, b nm vertikaler Gesamtelektronengehalt (in TECU) normierte Legendresche Funktion von Grad n und Ordnung m unbekannte Koeffizienten der Entwicklung (die berechneten Ionosphärenparameter) s - sonnenfixierte Länge Länge und Zeit im Modell schwer unterscheidbar s = UT + λ π

10 Einschichtmodel Alle freien Elektronen der Ionosphäre sind in einer infinitesimalen Schicht der Höhe H (~450 km) konzentriert mapping function: M(z) = 1/cos z z Ionospheric pierce point H R z G α π/2 Sub-ionospheric point

11 Globale Modelle GIMs von IGS, im IONEX-Format Global Ionosphere Maps bereitgestellt von CODE:

12 Ionosphärenmodelle, berechnet an der TU Wien, IGG, mit der BERNESE GPS-Software Software Version 4.2 globales Modell fixierte Zeit lokales Modell fixierte Lage

13 Ionosphäre aus anderen Satellitenmissionen Satellitenaltimetrie - TOPEX/Poseidon, Jason : C- und Ku-Band Beobachtungen, liefern ausschließlich VTEC Schwerefeldmissionen - Champ : vertikale Profile der Elektronendichte unkalibrierte TEC-Werte entlang des Strahlenwegs durch GPS-Radiookkulationsmessungen vertikale Auflösung von Ionosphärenmodellen

14 Radiointerferometrie auf langen Basislinien (VLBI) τ ion 1 τ ion 2 Messwerte: Differenzen in den ionosphärischen Laufzeitverzögerungen + offsets Unbekannte: Stationsspezifische delays und offsets τ ion = τ τ ion 1 ion 2 Modell: stationsspezifische VTEC-Modelle ( in Form von piecewise-linear functions )

15 lokal Vergleiche zwischen den Verfahren

16 global GPS - hohes RMS über dem Meer Altimetrie schlechte Verteilung, Sub-Satellitenspuren erkennbar VLBI zu wenig Stationen, kein globales Modell möglich

17 Stationsverteilung GPS TOPEX/Poseidon GFO-1 ERS-2 VLBI

18 Verfahren + GPS viele Stationen leichte und schnelle Datenbearbeitung keine Messungen über dem Meer DCBs Altimetrie liefert direkt VTEC nicht verbunden mit Bodenstationen Messungen nur über dem Meer relativ niedrige Orbits (1336km) Champ vertikale Auflösung 4D niedriger Orbit (430km) zzt. Daten nur aus einem Satellit VLBI sehr genau (stabile Quellen) Erprobung der Verwendbarkeit zur Ionosphärenbestimmung erfolgt derzeit an der TU Wien und am NICT, Japan Differenzverfahren wenige Stationen keine Messungen über dem Meer

19 Das Gauß-Markoff Modell V T P V min V = AX l X = A = ( A T ϕ a 00 l = L L PA) 0, 1 ϕ a 10 - Zuschläge (residuals) A, T Pl = ϕ a 11, N ϕ a 1 12 R... - Modellmatrix - gemessen - gerechnet Vektor - Vektor der Unbekannten P - Gewichtsmatrix N - Normalgleichungsmatrix

20 Integriertes Ionosphärenmodell Aufbau der N-MatrixN DCB DCB/KF GPS DCB/KF GPS KF GPS P ALTM KF ALTM DCB DCB/KF GPS 0 KF VLBI offsets/kf VLBI offsets offsets/kf VLBI P GPS DCB/KF GPS KF GPS KF ALTM + KF VLBI + offsets/kf VLBI P VLBI 0 offsets/kf VLBI offsets

21 Kombination Hauptaugenmerk liegt vor allem auf der relativen Gewichtung der Einzelergebnisse der unterschiedlichen geodätischen Weltraumverfahren Berücksichtigung und Modellierung verfahrensbedingter (instrumenteller) Fehlerquellen Validierung durch externe unabhängige Messungen Ziele Globale Abdeckung Höhere Stabilität der Matrizen, bzw. der Lösungen

22 Ausblick Integriertes Ionosphärenmodell höhere Genauigkeit und Zuverlässigkeit als die bisherigen Ergebnisse einzelner Verfahren Bessere Kenntnis der Ionosphäre re: Korrektur von Einfrequenz und RTK GPS-Beobachtungen sowie von anderen Satellitenmissionen im Bereich der Radiofrequenzen Information über die Ionosphäre für andere wissenschaftliche Disziplinen (Klimatologie, Geophysik u.a.)

23 Danke für Ihre Aufmerksamkeit! Diese Arbeit wird vom österreichischen Fonds zur Förderung F der wissenschaftlichen Forschung (FWF) unterstützt tzt