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Algorithmen, Prozessierungssystem und erste Ergebnisse

Algorithmen, Prozessierungssystem und erste Ergebnisse

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24 2 GNSS-Radiookkultation Struktur der GLONASS-Satellitensignale Die Trägerfrequenzen der GLONASS-Satelliten liegen im gleichen Frequenzbereich wie die der GPS-Satelliten (L-Band). Im Unterschied zu GPS besitzt jeder GLONASS-Satellit seine eigene Frequenz. Die nominalen Werte der GLONASS-Trägerfrequenzen werden durch folgende Formeln beschrieben: f1 k f 2 k = f + k ⋅ ∆f , (2.1) 01 02 2 1 = f + k ⋅∆f ; (2.2) mit den beiden Basisfrequenzen f01=1,602 GHz und f02=1,246 GHz. Die Frequenzen der mit k charakterisierten Satelliten unterscheiden sich um ∆f1=562,5 kHz und ∆f2=437,5 kHz. Ebenso wie bei GPS werden beiden Trägersignalen durch Phasenmodulation Informationen aufmoduliert. Dem L1-Signal werden zwei PRN-Codes aufmoduliert, ein Grobcode (Modulationstakt 0,511 MHz) und ein präziser Code (5,11 MHz). Dem L2- Signal wird nur der präzise Code (P-Code) aufmoduliert. Dieser ist z. Zt. bekannt und wird in zivilen Empfängern verwendet Die Nutzung wird jedoch vom russischen Verteidigungsministerium nicht empfohlen, da er jederzeit auf einen geheimen Code umgestellt werden kann. Analog zu GPS ist beiden Signalen die Navigationsnachricht aufmoduliert. Die mit GLONASS bestimmten Positionen werden im russischen Referenzsystem PZ-90 (russ. Parametraja Zystema-90) bestimmt. Rossbach et al. [1996] geben eine Transformationsvorschrift für die Koordinatentransformation der PZ-90 Koordinaten nach WGS-84 (World Geodetic System 1984) an. Danach werden die Systeme durch eine Drehung um die z-Achse um 0,33’’ ineinander überführt, die Koordinaten unterscheiden sich also lediglich in der Längenangabe (in Mitteleuropa ca. 100 m). 2.2.3 GALILEO Nach derzeitiger Planung wird im Jahr 2008 das europäische Satellitennavigationssystem GALILEO mit insgesamt 30 Satelliten (27 aktive, 3 Reserve) vollständig operationell zur Verfügung stehen [ESA, 2001]. Die Satelliten werden die Erde in einer Höhe von ca. 23.200 km in drei Orbitebenen (Inklination 56°) umkreisen. Es wird eine Echtzeit- Positionierungsgenauigkeit von bis zu 4 Metern erwartet. Diese soll für kommerzielle Nutzer mit einer hohen Zuverlässigkeit bereitgestellt werden. In einem ebenfalls kommerziell verfügbaren Modus ist auch die Nutzung differenzieller Techniken vorgesehen, die eine Positionierung mit mm-Genauigkeit erlauben. Die endgültige Signalstruktur der GALILEO-Satelliten ist derzeit (Mitte 2001) noch in der Definitionsphase [Benedicto et al., 2000]. Die Satelliten werden so konzipiert, dass bis zu 4 Trägersignale im L-Band ausgestrahlt werden können. Mit der geplanten Etablierung von GALILEO noch vor 2010 als zweitem, gleichwertigen Satellitennavigationssystem neben GPS wird sich die Anzahl der Sendesatelliten für die Anwendung der GPS-Radiookkultation nahezu verdoppeln. Die Anzahl möglicher Okkultationsmessungen von niedrigfliegenden Satelliten wird damit deutlich vergrößert.

2.3 GPS/MET-Experiment 25 2.3 GPS/MET-Experiment Im Jahr 1991 entstand bei UCAR (University Corporation for Atmospheric Research) in Boulder ein Konzept für eine Satellitenmission (GPS/MET) zur Demonstration des Potentials der GPS-Radiookkultation für die Sondierung der Erdatmosphäre. Das Projekt wurde von der NSF (National Science Foundation) gefördert [Yunck et al., 2000]. Am 3. April 1995 wurde dann der wissenschaftliche Kleinsatellit Microlab-1 in der Nähe der Luftfahrtbasis Vandenberg (34,8° Nord; 120,5° West) mit einer Pegasus-Rakete von einem Flugzeug aus gestartet. Der Satellit wurde in einen kreisförmigen Orbit mit einer Inklination von 70° und einer Orbithöhe von ca. 740 km (Apogäum: 747 km, Perigäum: 733 km) gebracht. Für einen Erdumlauf benötigte der Satellit ca. 100 Minuten. An Bord von Microlab-1 (Abb. 2.3) befanden sich zwei wissenschaftliche Nutzlasten, ein optischer Sensor zur Detektierung von Blitzen und ein GPS-Empfänger (TRSR-1), der die Basis für das GPS/MET-Experiment bildete - dem Pilotprojekt für GPS-Radiookkultationsmessungen zur Sondierung der Erdatmosphäre im globalen Maßstab. Der eingesetzte GPS-Empfänger verfügte über drei verschiedene Betriebsarten. Die ununterbrochene Aufzeichnung von GPS-Signalen mit einer Datenrate von 1/10 Hz (Low Rate) wurde zur präzisen Orbitberechnung für Microlab-1 genutzt. Weiterhin bestand die Möglichkeit, GPS-Radiookkultationsmessungen in der elektrisch neutralen (Phasenmessungen L1 und L2 mit 50 Hz Frequenz) und ionisierten Atmosphäre (Pseudorange- und Phasenmessungen P1, P2, L1, L2 mit 1 Hz) durchzuführen. Abb. 2.3: Der Satellit Microlab-1 mit dem GPS/MET-Experiment an Bord. Die Okkultationsantenne ist auf der rechten Seite zu sehen. Links davon befindet sich im Satelliteninnern der GPS-Empfänger (aus [Yunck et al., 2000]). Während des GPS/MET-Experiments wurden ca. 50.000 Okkultationen aufgezeichnet. Davon wurden nur ca. 20% auch von UCAR ausgewertet (ca. 9.050, abgeschätzt nach [Rocken et al., 1997], siehe auch Kap. 6.2). Die GPS-Messungen und auch die Ergebnisse ihrer Auswertung (siehe Tab. 2.2) wurden der internationalen wissenschaftlichen Gemeinschaft zur Verfügung gestellt. Für die Entwicklung des CHAMP-Prozessierungssystems

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