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Algorithmen, Prozessierungssystem und erste Ergebnisse

Algorithmen, Prozessierungssystem und erste Ergebnisse

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28 2 GNSS-Radiookkultation Sounding) ausgerüstet und eine Antennenkonfiguration besitzen, die das Aufzeichnen „untergehender“ und „aufgehender“ Okkultationen ermöglicht. Der Start des ersten Satelliten des Nachfolgesystems (NPOESS, Kap. 1.4.1) der polarumlaufenden NOAA-Wettersatelliten ist gegenwärtig für 2008 geplant. Diese Satelliten sollen einen dem europäischen GRAS-Empfänger sehr ähnlichen Empfänger zur Durchführung von GNSS-Okkultationsmessungen an Bord haben (GPS Occultation Sensor, GPSOS; auch von SAAB Ericsson entwickelt). Am JPL Pasadena entstanden Studien [Yunck et al., 2000], die auf der Verwendung nur noch kreditkartengrosser GPS-Empfänger basieren, die derzeit in Entwicklung sind. Mit solchen Empfängern ausgerüstet, könnten dutzende Kleinstsatelliten (Laptopgröße) mit einem einzigen Raketenstart in eine Erdumlaufbahn gebracht werden und eine Erfassung des Atmosphärenzustandes mit hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung ermöglichen. Alternativ dazu und kostengünstiger können diese GPS-Empfänger in bestehende oder zukünftige Mehrsatellitenkonfigurationen für globale Telekommunikation integriert werden.

3 PROZESSIERUNG VON GNSS- OKKULTATIONSDATEN Die physikalischen Grundlagen der GNSS-Radiookkultationstechnik und die Auswertealgorithmen werden am Beispiel des US-amerikanischen GPS-Systems genauer beschrieben. Es wird eine Unterteilung in zwei Hauptschritte vorgenommen, die Kalibrierung der atmosphärischen Laufzeitverlängerung des Signals vom okkultierenden GNSS-Satelliten (hier GPS-Satellit) zum „niedrigfliegenden“ LEO-Satelliten (hier CHAMP) und die Ableitung der atmosphärischen Parameter aus dieser charakteristischen Laufzeitverlängerung. 3.1 Phasenwegverlängerung durch die Atmosphäre Die der GPS-Radiookkultationstechnik zugrunde liegenden physikalischen Prinzipien werden beschrieben. Die Beobachtungsgleichungen für GPS-Messungen werden eingeführt. Die dabei benutzte Notation wird bei der Ableitung der atmosphärischen Phasenwegverlängerung aus GPS-Radiookkultationsmessungen verwendet (Kap. 3.2). Die zeitliche Änderung der atmosphärischen Phasenwegverlängerung während der Okkultationsereignisse wird verwendet, um den atmosphärischen Brechungswinkel abzuleiten. Dieser ist Ausgangspunkt für die Berechnung der atmosphärischen Parameter (Kap. 3.3). 3.1.1 Atmosphärischer Brechungsindex Die von den GPS-Satelliten ausgesandten elektromagnetischen Wellen treten beim Durchgang durch die Atmosphäre mit dieser in Wechselwirkung. Die Art und Weise dieser Wechselwirkung wird durch die räumliche und zeitliche Verteilung des atmosphärischen Brechungsindex bestimmt. Der Brechungsindex wiederum hängt charakteristisch von den atmosphärischen Parametern ab. Eine detaillierte Einführung in diese Zusammenhänge, die Physik der Refraktivität der Atmosphäre, findet sich z.B. bei Foelsche [1999] oder Jeske [1988]. Die Refraktivität N wird in der Atmosphärenphysik aus praktischen Gründen eingeführt. Sie kann sehr einfach aus dem Brechungsindex n berechnet werden: 6 N = ( n −1) × 10 . (3.1) In erster, guter Näherung kann die atmosphärische Refraktivität als Summe von vier Termen dargestellt werden, dem Trocken-, Feuchte-, Ionosphären- und Streuterm: p 5 pw 7 ne N = 77, 6 + 3, 73× 10 − 4, 03× 10 + 1, 4 × W . (3.2) 2 2 T T f Hierbei ist p der atmosphärische Luftdruck in hPa, T die atmosphärische Temperatur in K, pw der Wasserdampfpartialdruck in hPa und ne die Elektronendichte in m - ³. f ist die Frequenz der elektromagnetischen Welle in Hz und W ist der Gehalt an flüssigem Wasser

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