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Algorithmen, Prozessierungssystem und erste Ergebnisse

Algorithmen, Prozessierungssystem und erste Ergebnisse

62 3.3.7 Genauigkeit der

62 3.3.7 Genauigkeit der abgeleiteten Temperaturen 3 Prozessierung von GNSS-Radiookkultationsdaten Einen Überblick über das Genauigkeitspotential von Temperaturmessungen mit der GPS- Radiookkultationstechnik gibt Abb. 3.22. Grundsätzlich wird die Atmosphäre dabei in drei Höhenbereiche eingeteilt. Für diese Bereiche existieren unterschiedlichen Messgenauigkeiten und verschiedene dominierende Fehlerquellen. In der Troposphäre kommt es durch die Anwesenheit des Wasserdampfes bei der Ableitung unter der Annahme von trockener Atmosphäre (abgesehen von den Polargebieten) zu einem Fehler in der Ableitung der Temperatur, auch Mehrwegeeffekte (Kap. 3.3.8) führen zu Messfehlern. In der oberen Stratosphäre sind die Leistungsfähigkeit des GPS-Empfängers [Signal/Rauschverhältnis (SNR)] und unkorrigierte ionosphärische Effekte die Hauptfehlerquellen. Das höchste Genauigkeitspotential besitzen GPS- Radiookkultationsmessungen im Bereich der oberen Troposphäre und der unteren Stratosphäre, die erwartete Genauigkeit liegt hier bei etwa 0,2 K. Eine detaillierte Fehleranalyse der GPS-Radiookkultationstechnik ist im Rahmen dieser Arbeit nicht vorgesehen. Es wird auf verschiedene, detaillierte und umfangreiche Darstellungen zur Fehlercharakterisierung in der Literatur verwiesen (u.a. [Steiner et al.,1999; Syndergaard, 1999; Kursinski et al.,1997; Melbourne et al., 1994]). Altitude (km) 60 50 40 30 20 10 0 Radom Error Dominant Systematic Error Dominant Polar Winter Low Multipath Systematic Error Nominal Performance Water Vapor & Tropo Multipath Uncertainty Residual Ionosphere, High Multipath Tropical, 20% Correction 0.1 0.5 1 5 10 Predicted Accuracy (K) Abb. 3.22: Genauigkeitspotential von Temperaturprofilen, abgeleitet aus GPS-Radiookkultationsmessungen (aus [Melbourne et al., 1994]).

3.3 Ableitung atmosphärischer Parameter 3.3.8 Datenprozessierung in der unteren Troposphäre Die Erfahrungen aus der Datenprozessierung des GPS/MET-Experimentes zeigten, dass die Interpretation der Radiookkultationsdaten vor allem in der unteren Troposphäre, dem Höhenbereich von größtem Interesse für die numerische Wettervorhersage, mit Problemen verbunden ist. So zeigten statistische Vergleiche von GPS/MET-Daten mit Radiosonden oder auch meteorologischen Analysen eine gute Übereinstimmung in allen Höhenbereichen mit Ausnahme der unteren Troposphäre [Rocken et al., 2000]. Die GPS/MET-Daten besitzen in diesem Höhenbereich gegenüber den Radiosonden und Analysedaten einen negativen Refraktivitätsbias, der von der Breitenlage der Okkultationen abhängt und in den Tropen deutlich größer als in den Polargebieten ist (siehe auch Kap. 6.4). Die auftretenden Probleme können in zwei Kategorien eingeteilt werden [Gorbunov, 2001]: - Probleme in den Auswertealgorithmen: In der unteren Troposphäre treten, bedingt durch die sehr komplexe Wasserdampfverteilung, starke Variationen im Brechungsindex auf, die Mehrwegeffekte in der Strahlenwegausbreitung verursachen. In diesem Fall erreichen mehrere Strahlen auf jeweils unterschiedlichen Wegen den Empfänger. Mit der Anwendung der Gesetze der geometrischen Optik in dieser Region (die von der Ausbreitung nur eines einzigen Strahles ausgeht) auf die Auswertung der Phasendaten entstehen Mehrdeutigkeiten in der Abhängigkeit des Brechungswinkels vom Impaktparameter [Gorbunov et al., 1996b]. Die Anwendung von Auswertemethoden, die den Wellencharakter der GPS-Signale berücksichtigen, ist erforderlich [Gorbunov et al., 2000; Hocke et. al., 1999; Gorbunov und Gurvich, 1998; Mortensen et al., 1999; Karayel und Hinson, 1997; Pavelyev et al., 1996]. Allerdings hat die Anwendung dieser Methoden auf die Datenprozessierung der GPS/MET- Daten den o.g. Refraktivitätsbias nicht reduzieren können. Dieser Bias wird auf technische Probleme bei der GPS-Signalverfolgung durch den GPS-Empfänger zurückgeführt [Sokolovskiy, 2001b]. - Technische Probleme: Der bei GPS/MET verwendete GPS-Empfänger stellte die Phase und Amplitude des empfangenen Signals als Ausgabe eines Phasenregelkreises bereit (Phase Locked Loop, PLL). Diese Technik wird verwendet, wenn sich die Frequenz des empfangenen Signals ändert, wie es bei GPS-Signalen durch die Dopplerverschiebung der Fall ist (bewegter Sender und Empfänger). Sie ist optimal für die Verfolgung von Signalen, die im Frequenzspektrum über eine Hauptkomponente verfügen. Die Struktur und Dynamik der Radiookkultationssignale, die sich durch die untere Troposphäre ausbreiten, ist jedoch komplexer. Es können Phasenbeschleunigungen auftreten, die höher sind, als es für eine stabile Arbeitsweise des PLL erforderlich ist. Weiterhin sind in den Okkultationssignalen mehrere Frequenzkomponenten enthalten, verursacht durch Mehrwegeffekte (u.a. [Beyerle und Hocke, 2001]). Daher ist nicht geklärt, ob die PLL-Technik für die Signalverfolgung von GPS-Radiookkultationssignalen geeignet ist [Sokolovskiy, 2001a,b]. Bei zukünftigen Satellitenmissionen (vorgesehen auch schon im weiteren Verlauf der CHAMP-Mission) wird deshalb eine alternative Signalverfolgungs- 63

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