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Algorithmen, Prozessierungssystem und erste Ergebnisse

Algorithmen, Prozessierungssystem und erste Ergebnisse

iv Vorwort Der Einfluss

iv Vorwort Der Einfluss der Erdatmosphäre auf die Ausbreitung der Sonnenstrahlen verursacht das Farbspiel, das bei Sonnenuntergängen beobachtet werden kann. In ähnlicher Weise werden auch die von den GPS-Satelliten ausgesandten Signale verändert. Aus der Art der Änderung können wichtige Eigenschaften der Atmosphäre wie Temperatur und Wasserdampfgehalt abgeleitet werden. Der kleine Prinz versetzte auf seinem Miniplaneten den Stuhl, um wieder und wieder einen neuen Sonnenuntergang zu beobachten. Als er besonders traurig war, tat er das an einem Tag dreiundvierzig Mal. In Analogie dazu versetzt das Auge von CHAMP, der GPS- Signalempfänger, ständig seinen Stuhl (den Satelliten). In ca. 90 Minuten umkreist er einmal die Erde. Hinzu kommt, dass CHAMP nicht nur die Signale einer Sonne (Strahlungsquelle), sondern von fast 30 GPS-Satelliten empfängt. Somit kann CHAMP im Laufe eines Tages mehr als zweihundert Satellitenuntergänge beobachten und damit von vielen verschiedenen Punkten der Erde Temperatur- und Wasserdampfinformationen liefern. Als ich das erste Mal von diesem neuen Fernerkundungsverfahren hörte, wurde ich neugierig und fand die Methode sehr elegant, da sie eine Art Neben- oder auch Abfallprodukt der Satellitennavigation ist. Bei der Positionsbestimmung mit GPS- Satelliten erzeugt das Ausbreitungsmedium, die Atmosphäre, einen Fehler, der für die Ermittlung der genauen Koordinaten korrigiert werden muss. Aus genau diesem Fehler werden bei der GPS-Okkultationstechnik die Temperatur- und Wasserdampfverteilungen abgeleitet. Die Berechnung kann an einem einfachen Arbeitsplatzcomputer erfolgen und liefert Informationen im globalen Maßstab. Aus eigener Erfahrung kann ich beurteilen, wieviel Aufwand betrieben werden muss, um in schwer zugänglichen, klimatisch extremen Gebieten, Informationen über die Atmosphäre zu gewinnen. Während einer Überwinterung in der Antarktis war ich auch für das Starten der Wetterballone zuständig. Durch die extremen Windverhältnisse kam es häufig zu Fehlstarts, die zu Datenlücken in den Messreihen führten. Vor allem hier, in den Polargebieten, und auch über den Ozeanen kann die wetterunabhängige GPS-Radiookkultationsmethode als neue Datenquelle dienen. Mit dieser Arbeit möchte ich einen Teil meiner Erfahrungen weitergeben, die ich bei der Mitarbeit im CHAMP-Projekt machen konnte und hoffe dazu beizutragen, die GPS- Radiookkultationstechnik und ihre Anwendung zu verbessern.

INHALTSVERZEICHNIS EINLEITUNG ...................................................................................................................................1 1 FERNERKUNDUNG DER ATMOSPHÄRE..............................................................................3 1.1 STRUKTUR DER ATMOSPHÄRE...................................................................................................................3 1.1.1 Vertikalstruktur des Neutralgases .......................................................................................................................3 1.1.2 Vertikaler Aufbau der Ionosphäre.......................................................................................................................5 1.1.3 Allgemeine Zirkulation, Wetter und Klima..........................................................................................................6 1.2 RADIOSONDIERUNGEN ..............................................................................................................................6 1.2.1 Messgenauigkeit ..................................................................................................................................................7 1.2.2 Globale Bedeckung und Verfügbarkeit................................................................................................................8 1.2.3 Horizontale Ballondrift .......................................................................................................................................9 1.3 FLUGZEUGMESSUNGEN ...........................................................................................................................10 1.4 SATELLITENFERNERKUNDUNG ................................................................................................................11 1.4.1 Polarumlaufende Satelliten ...............................................................................................................................12 1.4.2 Geostationäre Satelliten ....................................................................................................................................13 1.4.3 Zukünftige operationelle polarumlaufende Satellitensysteme............................................................................15 1.5 DATENASSIMILATION UND WETTERVORHERSAGE...................................................................................15 1.5.1 Datenassimilation für Wettervorhersagen.........................................................................................................15 1.5.2 Globale Wettervorhersagen...............................................................................................................................16 1.5.3 Operationelle Bereitstellung von meteorologischen Daten ...............................................................................16 2 GNSS-RADIOOKKULTATION ................................................................................................19 2.1 GESCHICHTE DER RADIOOKKULTATION ..................................................................................................19 2.1.1 Planetare Atmosphärensondierung ...................................................................................................................19 2.1.2 Sondierung der Erdatmosphäre mit Okkultationsverfahren ..............................................................................20 2.2 GLOBALE NAVIGATIONSSATELLITENSYSTEME (GNSS) ..........................................................................21 2.2.1 Global Positioning System (GPS)......................................................................................................................21 2.2.2 GLONASS (GLObales NAvigations Satelliten System)......................................................................................23 2.2.3 GALILEO ..........................................................................................................................................................24 2.3 GPS/MET-EXPERIMENT .........................................................................................................................25 2.4 ZUKÜNFTIGE GNSS-OKKULTATIONSMISSIONEN ....................................................................................27 3 PROZESSIERUNG VON GNSS-OKKULTATIONSDATEN ................................................29 3.1 PHASENWEGVERLÄNGERUNG DURCH DIE ATMOSPHÄRE.........................................................................29 3.1.1 Atmosphärischer Brechungsindex .....................................................................................................................29 3.1.2 Geometrische Optik und Fermat’sches Prinzip.................................................................................................32

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