PDF-Download - Deutsche Geodätische Kommission

88 7. Das Ausbreitungsmedium Ionosphäre
Der absolute Elektronengehalt bewirkt indirekte systematische Laufzeitfehler, welche um so größer sind, je kleiner der
Elevationswinkel ist, unter dem die GPS-Signale einfallen, da der Weg durch die Ionosphäre dadurch länger wird. Eine
unmodellierte Ionosphäre zieht eine Netzkontraktion nach sich. Formal kann dieser Maßstabsfaktor nach BEUTLER ET
AL. (1988) unter der Annahme einer gleichmäßigen Satellitenverteilung in Abhängigkeit von maximaler Zenitdistanz
zmax und Elektronengehalt mittels
bzw.
⎛ ∆l
⎞
⎜ ⎟
⎝ l ⎠
⎛ ∆l
⎞
⎜ ⎟
⎝ l ⎠
L1
L2
genähert berechnet werden.
≈
≈
−0.
025
−0.
042
TEC
z
cos
cos
max
TEC
z
max
(7-12)
(7-13)
Bei relativer Punktpositionierung verbleiben lediglich die Unterschiede des ionosphärischen Einflusses, die daraus
resultieren, dass die zeitgleich empfangenen GPS-Signale die Empfangsantennen aus unterschiedlichen Richtungen
erreichen und somit unterschiedliche Bereiche der Ionosphäre durchlaufen.
Neben absoluten und relativen Einflüssen der Ionosphäre werden in der Fachliteratur durch großräumige horizontale
Gradienten des Elektronengehalts, kleinräumige Störungen und wandernde Störungen mittlerer Größe weitere ionosphärische
Störungen zur Charakterisierung der Ionosphäre angeführt.
Wandernde ionosphärische Störungen sind i.d.R. im Durchzug von akustischen Gravitationswellen in der erdnahen
Neutrosphäre oder durch Irregularitäten von Plasmastrukturen, verursacht durch lokale troposphärische Wetterphänomene,
begründet (DAVIES 1990). Bisher wurde lediglich darauf abgehoben, dass die ionosphärische Aktivität
solaren Einflüssen unterliegt, wandernde ionosphärische Störungen werden jedoch vom erdnahen Atmosphärenbereich
beeinflusst. Detektiert wird das Auftreten einer solchen Störung mittels oszillierenden Bewegungen (Frequenz = 5-60
Minuten) ionosphärischer Bereiche. Maximale Ausdehnungen betragen 100-1000 km. Die Geschwindigkeit, mit der
diese Störungen wandern, schwankt im Bereich 50-1000 m/s. Mittlere wandernde Störungen besitzen Wellenlängen von
ca. 100-200 km und dauern ca. 5-45 Minuten an.
Großräumige horizontale Gradienten führen direkt zu Laufzeitdifferenzen. Die resultierenden Laufzeitverzögerungen
sind in erster Näherung proportional zur Länge der Basislinie und hängen zusätzlich stark von der Größenordnung der
horizontalen Gradienten ab. Die großräumigen horizontalen Gradienten sind in der Sonnenaktivität bzw. durch die
geomagnetische Aktivität begründet. Sie resultieren durch eine Abhängigkeit des Elektronengehaltes von der geographischen
Lage, siehe hierzu Kapitel 7.3.2. Beobachtbar ist eine Breitenabhängigkeit des Elektronengehalts (Gefälle
vom Äquator zu den Polen, Nord-Süd-Gradient) sowie ein Tagesgang (Ost-West-Gradient). Maximale Nord-Süd-
Gradienten (Ost-West-Gradienten) nehmen Werte von 10 16 Elektronen/m² (510 15 Elektronen/m²) pro 100 km an.
Sowohl die großräumigen horizontalen Gradienten als auch die Variation des absoluten vertikalen Elektronengehaltes
sind als großräumig wirkende Einflüsse zu bezeichnen und verursachen ca. die Hälfte der relativen ionosphärischen
Laufzeitfehler. Sie können mittels Zweifrequenzbeobachtungen einer einzelnen Station ausreichend gut erfasst werden.
Nach PARKINSON UND ENGE (1996) resultieren aus großräumigen Gradienten typischerweise Laufzeitunterschiede bezogen
auf L1 von ca. 1-2 ppm. Während magnetischen Stürmen können diese Gradienten v.a. in polaren und
äquatorialen Gebieten deutlich größere Werte annehmen (SKONE UND CANNON (1998) bzw. WANNINGER (1993)).
Diese großräumig wirkenden und deshalb gut modellierbaren Effekte werden durch wandernde Störungen mittlerer
Größe und kleinräumige Störungen überlagert. Auf Grund ihrer kurzperiodischen Eigenschaft sind diese schwer oder
gar nicht deterministisch modellierbar. Hieraus können, falls keine räumlichen ionosphärischen Korrelationen bestehen
und somit Differenzierungstechniken diese Einflüsse nicht mehr ausreichend reduzieren, Probleme bei der Erkennung
und Bestimmung von Cycle Slips sowie der Festsetzung von Mehrdeutigkeiten resultieren. Wandernde ionosphärische
Störungen mittlerer Größe haben horizontale Ausdehnungen bzw. horizontale Wellenlängen von einigen 100 km
(SPOELSTRA 1992) und scheinbare Perioden von zehn Minuten bis zu wenigen Stunden, so dass bei langzeitstatischen
Beobachtungsverfahren diese Fehlereinflüsse sehr stark reduziert werden. Aus kleinräumigen, plötzlich auftretenden,
großen und nicht konstanten Fluktuationen der homogenen Elektronenverteilung und somit des ionosphärischen Einflusses
resultieren Amplituden- und Phasenszintillationen, welche v.a. im Bereich des magnetischen Äquators in Abhängigkeit
von Jahreszeit und Tagesgang (WANNINGER 1993) beobachtet werden. Selten treten solche Szintillationsereignisse
in mittleren oder polaren magnetischen Breiten auf, bei extremer magnetischer Aktivität jedoch muss mit
ihrem Vordringen auch in mittlere magnetischen Breiten insbesondere zu Nachtzeiten gerechnet werden. Dabei treten
Amplituden von 4-10-... ppm (L1-bezogen) auf. Szintillationsereignisse haben Perioden von 2 s bis 15 s. Aus
Amplitudenszintillationen resultieren deutlich schlechtere Signal-Rausch-Verhältnisse, v.a. sind hierbei die L2-Träger-