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Algorithmen, Prozessierungssystem und erste Ergebnisse

Algorithmen, Prozessierungssystem und erste Ergebnisse

42 3 Prozessierung von

42 3 Prozessierung von GNSS-Radiookkultationsdaten Satellitenverbindung Mittlere Signallaufzeit [ms] Standardabweichung [%] Okk-GPS/Bodenstation 73,084 4,59 Ref-GPS/Bodenstation 73,530 4,72 Okk-GPS/LEO 93,338 0,56 Ref-GPS/LEO 84,303 5,07 Tab. 3.1: Signallaufzeiten der GPS-Signale für die an der Okkultation beteiligten Satellitenverbindungen. Analyse für 188 CHAMP-Okkultationen vom 07. April 2001. Während der Signallaufzeit von 93 ms zwischen okkultierten GPS-Satelliten und CHAMP bewegt sich der GPS-Satellit um ca. 280 m. Die Korrektur der Laufzeiteffekte spielt demzufolge bei der Auswertung von GPS-Radiookkultationsmessungen eine wichtige Rolle. 3.2.8 Relativistische Effekte Bei Anwendung der Doppeldifferenzenmethode (3.31) wurde gezeigt, dass die relativistischen Beiträge eliminiert werden können. Bei der Anwendung von Einfachdifferenzenmethoden (3.21 und Kap. 6.9) sind diese Effekte zu korrigieren. Die Satellitenuhren (Oszillatoren) werden durch die allgemeine (Gravitation) und spezielle Relativitätstheorie (Geschwindigkeit) beeinflusst. Der dominante Term ist konstant und für alle GPS-Satelliten ähnlich, da sie sich in derselben Orbithöhe befinden. Die GPS-Satellitenuhr würde im Orbit um ca. 40 µs schneller gehen. Dieser Anteil wird durch einen negativen Offset in der Oszillatorfrequenz (10,23 MHz) beim Start der Satelliten von -0,00455 Hz korrigiert. Der Resteffekt, verursacht durch die Exzentrizität der Bahn (variierende Orbithöhe) wird als „periodischer“ Effekt bezeichnet. Er kann einen Betrag von ca. 70 ns (21 m) [Seeber, 1989] und eine maximale Drift von 0,01 ns/s (3 mm/s) erreichen und ist somit signifikant (Kap. 3.2.3). Er wird wie folgt beschrieben und kann direkt mit den Bahndaten der GPS- Satelliten (Position und Geschwindigkeit) in den Beobachtungsgleichungen (z.B. 3.31) korrigiert werden [Springer, 1999] r i i 2r r&r i δ r = − . (3.35) 2 c i Hier sind r i und r&r die geozentrische Position bzw. Geschwindigkeit des Satelliten und c die Lichtgeschwindigkeit. 3.2.9 Lage der Antennenphasenzentren Für die Prozessierung der GPS-Okkultationsdaten werden die präzisen Satellitenbahndaten benötigt (Kap. 5.3). Diese Bahnen sind (per definitionem) auf den Massenmittelpunkt des jeweiligen Satelliten bezogen. Für die gemessenen Trägerphasen sind jedoch die Positionen der Phasenzentren der GPS-Sendeantenne und der GPS-Okkultationsantenne an Bord des CHAMP-Satelliten relevant. Die Satellitenmessungen werden entsprechend korrigiert.

3.2 Doppeldifferenzenmethode GPS-Satelliten Für die GPS-Satelliten erfolgt diese Korrektur in einem satellitenfesten Bezugssystem. Da sich die Satelliten zur optimalen Bestrahlung der Solarzellen ständig nach der Sonne ausrichten, wird dieses Bezugssystem wie folgt definiert (Abb. 3.8): ez r Einheitsvektor vom Massenmittelpunkt des Satelliten zum Geozentrum ey r normalisierter Einheitsvektor des Kreuzproduktes von ez r mit dem Vektor Satellit – Sonne ex r Einheitsvektor orthogonal zu z entsteht. e r und ey r , so dass ein rechtsdrehendes System Für Block-I-Satelliten ergibt sich eine Abweichung rpc r von [Feltens, 1991; Landau, 1988]: rpc r = 0,2100 ex r +0,8540 ez r [m]. (3.36) Die analoge Abweichung für Block-II/IIa-Satelliten beträgt rpc r = 0,2794 ex r +1,0229 ez r [m]. (3.37) Die Information der z-Komponente der Block-II-Satelliten ist nicht genau [Zhu et al., 2001]. Daher werden von den verschiedenen GPS-Analysezentren unterschiedliche Werte für z verwendet. Das GFZ Potsdam verwendet 1,0229 m. Für Block-IIR Satelliten wurde dieser Wert in jüngster Zeit vom GPS Operational Control Segment signifikant verändert, so wurde z.B. z für PRN 14 von 0,86710 m auf 1,61366 m geändert. Auch hierfür benutzen die GPS-Analysezentren verschiedene z-Werte. Das GFZ Potsdam verwendet [Zhu et al., 2001]: rpc r = 0,2794 ex r + 0,0000 ez r [m]. (3.38) Abb. 3.8: Satellitenfestes Bezugssystem der GPS-Satelliten zur Korrektur der Abweichung der Lage des Phasenzentrums der Sendeantenne vom Massenmittelpunkt (MMP). 43

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