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Algorithmen, Prozessierungssystem und erste Ergebnisse

Algorithmen, Prozessierungssystem und erste Ergebnisse

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22 2 GNSS-Radiookkultation Die gegenwärtige Konstellation der GPS-Satelliten ermöglicht zu jedem Zeitpunkt an jedem Punkt der Erde die Beobachtung von mindestens vier Satelliten gleichzeitig. Dies wird durch eine Konstellation von ursprünglich 24 (derzeit 29) Satelliten (21 aktive und 3 aktive Reservesatelliten, aktueller Status: http://tycho.usno.navy.mil/gpscurr.html) erreicht. Diese umkreisen die Erde in einer Höhe von ca. 20.200 km in 6 nahezu kreisförmigen Bahnebenen, die um 55° gegenüber der Äquatorebene geneigt sind. Die Umlaufzeit der Satelliten beträgt 11 Stunden und 58 Minuten, wodurch die Satellitenspuren auf der Erdoberfläche um ca. 1° pro Tag westwärts wandern. Der erste GPS-Satellit wurde im Februar 1978 gestartet und war der erste der sogenannten Block I-Serie, die aus insgesamt 11 Satelliten bestand und eine Inklination von 63° besaßen. Heute ist kein Block I-Satellit mehr aktiv. Die gegenwärtige Konstellation besteht hauptsächlich aus Block II/IIa-Satelliten, die durch Block IIR-Satelliten (Abb. 2.2) ergänzt sind. Der Start des ersten Block II-Satelliten erfolgte im Februar 1989. Die Satelliten besitzen eine charakteristische Nummer (SVN, Space Vehicle Number). Die Zuordnung innerhalb der jeweils aktuellen Gesamtkonstellation ist durch die sogenannte PRN (Pseudo Random Number) gegeben. Die PRN nicht mehr aktiver GPS-Satelliten wird wieder neu vergeben. Im Verlauf der weiteren Arbeit wird die PRN zur Kennzeichnung der GPS- Satelliten verwendet. Struktur der GPS-Satellitensignale Die von den GPS-Satelliten verwendeten Frequenzen werden aus der Grundfrequenz f0 des Satellitenoszillators abgeleitet (Tab. 2.1). Jeder GPS-Satellit sendet permanent Signale auf zwei Trägerfrequenzen, die mit L1 und L2 bezeichnet werden. Diese Signale werden mit sogenannten PRN-Codes und der Navigationsnachricht moduliert, die wichtige Zusatzinformationen für den Nutzer enthält, z.B. Informationen über GPS-Uhrenfehler und Bahninformationen der GPS-Satelliten. Der C/A Code ist nur auf L1 moduliert, der P-Code auf beiden Trägersignalen L1 und L2. Komponente Frequenz [MHz] Grundfrequenz f0=10,23 (λ0=29,3 m) Trägerfrequenz L1 f1=154×f0= 1575,42 (λ1=0,19 m) Trägerfrequenz L2 f2=120×f0= 1227,60 (λ2=0,24 m) P-Code P(t) f0=10,23 C/A-Code C(t) f0/10=1,023 Navigationsnachricht D(t) f0/204600=50×10 -6 Tab. 2.1: Zusammensetzung und Struktur der GPS-Signale. Zwei Maßnahmen des US-amerikanischen Verteidigungsministeriums (Department of Defense, DoD) führen zur Einschränkung der erreichbaren Positionierungsgenauigkeit für zivile Nutzer, Anti-Spoofing (AS) und Selective Availability (SA). SA wurde am 4. Mai 2000 gegen 04:00 UTC vorläufig abgeschaltet. Beide Maßnahmen haben bzw. hatten einen

2.2 Globale Navigationssatellitensysteme (GNSS) wesentlichen Einfluss auf die Auswertung von GPS-Okkultationsmessungen und werden daher kurz erläutert. Übersetzt bedeutet das englische Verb „to spoof“ beschwindeln. Mit AS soll verhindert werden, dass ein im militärischen Sinne „feindlicher“ Sender irreführende Signale ausstrahlen kann, die zu einer falschen Positionsbestimmung im GPS-Empfänger führen würden. Dies wird durch die Verschlüsselung des P-Codes verhindert, er wird zum geheimen Y-Code. Ohne spezielle Ausrüstung kann ein nichtautorisierter Nutzer bei aktiviertem AS in Echtzeit nur noch den C/A-Code und somit nur noch eine Frequenz nutzen, da das L2-Signal mit dem geheimen Y-Code moduliert ist. Jedoch können mit verschiedene Techniken, auch ohne Kenntnis des Y-Codes, beide Trägerfrequenzen genutzt werden. Im „Black-Jack“-GPS-Empfänger (TRSR-2) an Bord des CHAMP- Satelliten wird eine sogenannte Kreuzkorrelationstechnik verwendet (u.a. [Bauer, 1997]), die dieses Problem beseitigt. Selective Availability bedeutet übersetzt soviel wie "ausgewählte Verfügbarkeit". Dabei steuert der Systembetreiber, welches Genauigkeitspotential allgemein, also für militärische und zivile Nutzer, zur Verfügung gestellt wird. Einerseits wurde dies mit der Übermittlung definiert falscher Orbitinformationen über die Navigationsnachricht erreicht. Zusätzlich wurden die Trägersignale durch Manipulation des Satellitenoszillators künstlich verrauscht (engl. „clock dithering“). Die Amplitude dieses unregelmäßigen Effekts beträgt bis zu ca. 0,3 µs (ca. 100 m) bei einer Periode von wenigen Minuten. SA wurde am 2. Mai 2000 deaktiviert. Der Effekt und auch der Einfluss der Abschaltung von SA auf die Variationen des GPS-Satellitenuhrenfehlers wird in Kap. 3.2.5 und 6.9.1 näher untersucht (siehe auch [Wickert et al., 2001a; 2002a]). Die Verwendung differentieller Techniken (Kap. 3.2.1) bei der GPS-Signalverarbeitung kann den GPS-Uhrenfehler, einschließlich des SA-Effektes, eliminieren. Bei der Prozessierung der GPS/MET-Okkultationsdaten (SA aktiviert) wurden dazu die Daten eines globalen GPS-Bodennetzes genutzt [Ware et al., 1996]. Dieses Bodennetz stellte Phasendaten mit einer Datenrate von 1 Hz zur Verfügung und erlaubte die Anwendung einer Doppeldifferenzentechnik zur Eliminierung der GPS-Satellitenuhrenfehler einschließlich des Effektes von SA (Kap. 3.2.2). 2.2.2 GLONASS (GLObales NAvigations Satelliten System) Das russische Gegenstück zum US-amerikanischen GPS ist das GLONASS-System. Dessen Entwicklung wurde Anfang der siebziger Jahre in der ehemaligen UdSSR begonnen. Der Start des ersten GLONASS-Satelliten erfolgte im Oktober 1982. 1996 wurde die volle Ausbaustufe von 24 Satelliten fast erreicht (21 Satelliten). Anfang des Jahres 2001 waren allerdings nur noch 9 Satelliten verfügbar (aktuelle Konfiguration: http://www.rssi.ru/SFCSIC/english.html). Messungen mit GLONASS-Empfängern haben gezeigt, dass die Leistungsfähigkeit des Systems dem des GPS (ohne aktiviertem SA) ebenbürtig ist [Bauer, 1997; Engler et al., 1997]. Die GLONASS-Satelliten umkreisen die Erde in 19.100 km Höhe und sind in drei Bahnebenen mit jeweils 64,8° Inklination angeordnet, also ca. 10° höher als die der GPS- Satelliten. Dies ermöglicht, im Gegensatz zu GPS eine (theoretisch) bessere Verfügbarkeit in höheren geografischen Breiten. 23

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