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Algorithmen, Prozessierungssystem und erste Ergebnisse

Algorithmen, Prozessierungssystem und erste Ergebnisse

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20 2 GNSS-Radiookkultation wurde mit dieser Technik untersucht. Dabei wurden u.a. auch zugehörige Monde, Planetenoberflächen und spezielle Erscheinungen, wie Ringsysteme erforscht. Detaillierte Beschreibungen dieser Aktivitäten auf US-amerikanischer Seite im Rahmen der Mariner-, Pioneer- und Voyager-Satellitenmissionen finden sich z.B. bei Kliore et al. [1965], Fjeldbo und Eshleman [1968], Fjeldbo et al. [1971], Eshleman [1973], Lindal et al. [1987, 1983], Marouf et al. [1986], Tyler [1987] und Lindal [1992]. Abb. 2.1 zeigt als Beispiel für die planetaren Untersuchungen ein Vertikalprofil der Venusatmosphäre, welches aus Radiookkultationsdaten der Mariner 5-Mission abgeleitet wurde. Seltener sind in der Literatur die Aktivitäten russischer Wissenschaftler zur Erforschung der Venus erwähnt, die in den siebziger Jahren begannen. Einen guten Überblick geben z.B. Yakovlev et al. [1991]. 2.1.2 Sondierung der Erdatmosphäre mit Okkultationsverfahren Im Unterschied zu planetaren Atmosphären, deren Struktur weitestgehend unbekannt war, war der Aufbau der Erdatmosphäre in den Pionierzeiten der Okkultationstechnik schon recht gut bekannt. Für eine Sondierung der Erdatmosphäre mit hoher zeitlicher und räumlicher Auflösung unter Verwendung von Okkultationsverfahren wäre eine entsprechende Vielzahl von Sendern und Empfängern nötig gewesen, um Atmosphärendaten im globalen Maßstab unter operationellen Maßstäben z.B. für die Wettervorhersage und die Atmosphärenforschung zur Verfügung zu stellen. Weiterhin wurden hohe Anforderungen an die Messgenauigkeit gestellt, da die Refraktionseffekte der Erdatmosphäre sehr klein sind (Brechung in der Nähe der Erdoberfläche ca. 1°). Kursinski [1997] formulierte diese Tatsache so, dass das Kostenniveau für die Schaffung einer geeigneten Infrastruktur das Interesse an einer solchen weit übersteigen würde. Es gab jedoch schon in den 60er Jahren [Lusignan, 1969; Fischbach, 1965] Vorschläge, die Okkultationstechnik für die Sondierung der Erdatmosphäre einzusetzen. Fischbach [1965] schlug eine Kleinsatellitenmission mit einem optischen Sensor zur Aufzeichnung von täglich ca. 1.300 Sternenokkultation vor. Hierbei sollte der Brechungswinkel direkt gemessen werden. Lusignan et al. [1969] erkannten das Potential der Okkultationsmessungen für eine Verbesserung der globalen Wettervorhersage, vor allem wiesen die Autoren auf die Unabhängigkeit von der Bewölkung hin. Sie schlugen eine Mehrsatellitenmission vor, bei der jeweils zwei Satelliten phasenverschoben in einem polarumlaufenden Orbit kontinuierlich Okkultationsmessungen bei einer Frequenz von 5 GHz durchführen sollten. Drei dieser Systeme sollten ein komplettes globales Monitoring der Erdatmosphäre mit einer zeitlichen Auflösung von 12 Stunden ermöglichen. Beide Projekte wurden nicht realisiert. In den 70er und 80er Jahren kam es jedoch zu einigen Experimenten im optischen Wellenlängenbereich und im C-Band [Volkov et al., 1987; Gurvich et al, 1982; Rangaswamy, 1976]. Parallel dazu gab es verschiedene theoretische Studien, die sich hauptsächlich mit der Ableitung der atmosphärischen Refraktivität und der erreichbaren Genauigkeit der abgeleiteten atmosphärischen Parameter beschäftigten (z.B. [Sokolovskiy, 1990; Gorbunov, 1990; 1988; Douglas et al., 1980]). Mit der Etablierung des Global Positioning Systems (GPS), einem Satellitensystem zur präzisen Navigation auf der gesamten Erde, änderte sich die Situation für die Nutzung der

2.2 Globale Navigationssatellitensysteme (GNSS) Radiookkultationstechnik drastisch. Durch die kontinuierliche Verfügbarkeit von ca. 30 Sendesatelliten und der Nutzung eines Systems mit sehr hohem Genauigkeitspotential entstand die Chance, sozusagen als Nebenprodukt der Navigation, die Radiookkultationstechnik kostengünstig für die Sondierung der Erdatmosphäre einzusetzen. Im Rahmen einer 1987 begonnenen NASA-Initiative („Mission to Planet Earth“) zur Langzeitbeobachtung der Erde entstand am JPL ein Expertenteam, das die vielfältigen Anwendungen von GPS-Empfängern auf Satelliten für die Geowissenschaften untersuchte. Bereits in dieser Zeit entstanden Abschätzungen des Genauigkeitspotentials von GPS- Okkultationsmessungen die durch das GPS/MET-Experiment (Kap. 2.3) bestätigt wurden [Yunck et al., 2000]. Im Ergebnis der Arbeit dieser Expertengruppe entstand ein Vorschlag an die NASA zur Nutzung von GPS für die Erdbeobachtung: das GGI-Proposal (GPS Geoscience Instrument, [Melbourne et al., 1988]). Auch auf russischer Seite entstanden bereits 1987 Vorschläge zur Nutzung von Navigationssatelliten für die Sondierung der Erdatmosphäre [Gurvich und Krasil’nikova, 1990]. 2.2 Globale Navigationssatellitensysteme (GNSS) 2.2.1 Global Positioning System (GPS) Das NAVSTAR-GPS (NAVigation by Satellite Timing And Ranging), oft einfach auch als GPS bezeichnet, ist ein Ortungssystem, das ursprünglich für militärische Zwecke entwickelt wurde. Es löste seit den 70er Jahren Schritt für Schritt das von der US-Marine betriebene TRANSIT-System ab. GPS ist ein permanent verfügbares System, das eine kontinuierliche Positionsbestimmung durch Empfang der Signale von mindestens vier verschiedenen GPS-Satelliten erlaubt. Detaillierte Beschreibungen des Systems und verschiedener Anwendungen geben z.B. Bauer [1997], Kaplan [1996], Leick [1995] oder auch Hofmann-Wellenhof et al. [1992]. Abb. 2.2: GPS-Satelliten verschiedener Generationen (aus [Fliegel et al., 1992]). 21

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