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Algorithmen, Prozessierungssystem und erste Ergebnisse

Algorithmen, Prozessierungssystem und erste Ergebnisse

64 3 Prozessierung von

64 3 Prozessierung von GNSS-Radiookkultationsdaten technik getestet und eingesetzt werden, die sog. Open Loop(OL)-Technik. Sie wurde bereits bei der Sondierung planetarer Atmosphären eingesetzt [Lindal et al., 1983, 1987]. Im OL-Modus wird das gesamte, komplexe Rohsignal mit allen Frequenzkomponenten aufgezeichnet. Als Ergebnis von vergleichenden Simulationsstudien mit Anwendung der PLL und der OL-Signalverfolgung in der unteren Troposphäre vermutet Sokolovskiy [2001a], dass die Anwendung der Signalverfolgung mit PLL die Hauptfehlerquelle für den negativen Refraktivitätsbias der GPS/MET-Messungen ist. Er schätzt die Signalverfolgung mit dem OL-Verfahren bei Radiookkultationsmessungen in der unteren Troposphäre als erfolgversprechender ein. 3.3.9 Horizontale und vertikale Auflösung der Messungen Charakteristisch für GPS-Radiookkultationsmessungen sind eine relativ hohe vertikale (∆h) und geringere horizontale (∆L) räumliche Auflösung. Beide sind miteinander über die Relation ∆L = 2 2R∆h (3.76) miteinander verknüpft. Dabei ist ∆L die Länge der Kreissehne, die durch die Tangente am inneren zweier konzentrischer Kreisbögen entsteht, deren Radi um den Betrag ∆h voneinander abweichen. R ist der Radius des inneren Kreises, also der Atmosphärenradius am Tangentenpunkt des Strahlenweg. Bei Anwendung der geometrischen Optik (Kap. 3.1.2) ist die vertikale Auflösung durch den Durchmesser der ersten Fresnelzone dF begrenzt. Dieser berechnet sich für die Okkultationsgeometrie bei unsignifikanter atmosphärischer Beugung (Stratosphäre) nach: d F = 2 λD (3.77) mit der Wellenlänge λ des GPS-Signals und dem Abstand D des GPS-Empfängers auf CHAMP vom Tangentenpunkt. Mit λ=19 cm und D=2.600 km (Orbithöhe 500 km) ergibt sich ein Durchmesser der ersten Fresnelzone von 1,4 km. Mit (3.76) resultiert eine horizontale Auflösung ∆L von ca. 270 km. Bedingt durch das exponentielle Ansteigen der Refraktivität zur Erdoberfläche (Troposphäre) hin, wird dF kleiner und erreicht in der Nähe der Erdoberfläche einen Wert von ca. 0,5 km [Kursinski et al., 1997]. Das entspricht (3.76) einer horizontalen Auflösung von 80 km. Durch die Anwendung von Auswertemethoden, die Diffraktionseffekte berücksichtigen (Kap. 3.3.8), kann die vertikale Auflösung gesteigert werden [Gorbunov und Gurvich, 1998]. Mortensen et al. [1999] erreichten mit der Anwendung der Backward-Propagation Methode 100 m vertikale Auflösung. Mit radioholografischen Auswerteverfahren können 20-40 m erreicht werden [z.B. Igarashi et al., 2000]; angesichts der in der realen Atmosphäre immer vorhandenen horizontalen Variabilität, die die praktisch erreichbare Auflösung auf etwa 100 m begrenzt, ein eher theoretischer Wert.

4 CHAMP-MISSION Die CHAMP-Mission entstand 1994 aus einem Projektvorschlag des GFZ Potsdam [Reigber et al., 1995] im Rahmen einer Initiative der Deutschen Agentur für Raumfahrtangelegenheiten (DARA) zur Förderung der Raumfahrtindustrie in den neuen Bundesländern Deutschlands. Zusammen mit dem DLR (Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt) und einem Konsortium von Industriefirmen wurde ein Leitprojekt für die ostdeutsche Weltraumindustrie entwickelt und realisiert. Neben der wissenschaftlichen Betreuung der Mission leitet das GFZ Potsdam auch die Durchführung des gesamten Projektes. Der zeitliche Ablauf der Mission und die Realisierungsphasen (A bis E) sind in Tab. 4.1 dargestellt. Projektabschnitt (Zeitintervall) Aufgabe/Inhalt Phase A Durchführbarkeitsstudie, (Oktober 1994 – März 1995) vorläufiges Design der Mission Phase B endgültiges Design, (November 1995 – Oktober 1996) technische Spezifikationen Phase C/D Implementierung der Mission, Start des (Januar 1997 – Oktober 2000) Satelliten, Testphase im Orbit Phase E (November 2000 – 2005/2006) Wissenschaftliche Nutzung und Auswertung Tab. 4.1: Realisierungsphasen der CHAMP-Satellitenmission. 4.1 Wissenschaftliche Ziele CHAMP ist eine geowissenschaftliche Kleinsatellitenmission mit einer multiplen, sich ergänzenden Nutzlast, die wesentliche Beiträge zur Erforschung der Struktur und Dynamik des Systems Erde liefert [Reigber et al., 1998a]. Die Mission wird wichtige Ergebnisse für die Lösung folgender komplexer Aufgabenstellungen liefern: • Ableitung der räumlichen Struktur des Erdschwerefeldes und seiner zeitlichen Variabilität durch Analyse der Orbitstörungen von CHAMP (u.a. [Biancale et al., 2000; Reigber, 1989]) mit Anwendungen in der Geophysik, Geodäsie und Ozeanografie. Im fortgeschrittenen Verlauf der Mission ist unterstützend dazu eine Machbarkeitsuntersuchung für GPS-basierte Altimetrie/Scatterometrie geplant (z.B. [Garrison und Katzberg, 2000; Komjathy et al., 1999]); • Bestimmung des Erdmagnetfeldes vor allem mit Anwendungen in der Geophysik [Lühr und Haack, 2000]; • Zusätzlich werden global verteilte Limbsondierungen der Atmosphäre/Ionosphäre mittels GPS-Radiookkultationstechnik durchgeführt, auf die im nächsten Kapitel genauer eingegangen wird.

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