Jochen Howind - Deutsche Geodätische Kommission

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90% der gesamten troposphärischen Laufzeitverzögerung aus, wird primär vom Luftdruck und von der Temperatur
bestimmt und ist relativ leicht modellierbar. Der Einfluss auf GPS-Beobachtungen beträgt 2.3m in Zenitrichtung und ist
mit einer Variation von 2cm in 12 Stunden vergleichsweise konstant. In niedrigen Elevationen wächst die Laufzeitverzögerung
bis auf 25m in Horizontnähe an. Die feuchte Komponente mit einem Anteil von 10% des Gesamteffekts ist
dagegen primär vom Wasserdampfgehalt abhängig und aufgrund schneller zeitlicher und örtlicher Variationen schwer
erfassbar. Ihr Einfluss auf GPS-Beobachtungen in Zenitrichtung beträgt ca. 40cm und variiert drei- bis viermal so stark
wie der trockene Anteil. Betrachtet man die idealisierte Vorstellung einer horizontal geschichteten Atmosphäre, so
erhält man unter Vernachlässigung der Erdkrümmung die Abbildungsfunktion
1 = 1
(3.3)
cos
( z) sin(
e)
mit der Zenitdistanz z bzw. der Elevation e des betrachteten Satelliten, mit der der zenitale Troposphäreneinfluss in
Richtung des Signalweges projiziert wird. Die Troposphäre ist für GPS-Signale nicht dispersiv, weshalb ihr Einfluss im
Gegensatz zu dem der Ionosphäre nicht durch Zweifrequenzmessungen eliminiert werden kann. Daher stellen Troposphärenmodelle
(Saastamoinen, Hopfield, ...) einen Zusammenhang zwischen der troposphärischen Laufzeitverzögerung
in unterschiedlichen Satellitenelevationen und den physikalischen Einflussgrößen (Temperatur, Luftdruck, Wasserdampfgehalt,
...) her. Sie beruhen i.A. auf der Modellvorstellung einer sphärisch geschichteten Atmosphäre und
werden aus meteorologischen Messungen in unterschiedlicher Dichte bzw. unterschiedlicher zeitlicher und geographischer
Verteilung ermittelt (Spilker, 1996). Zudem können Mapping-Funktionen (Niell, Davis,...) eingeführt werden, die
die Zenitkorrektur in Abhängigkeit von der Elevation der Satelliten und den meteorologischen Einflüssen faktorisieren
(vgl. Mendes und Langley, 1994 bzw. Santerre et al., 1995). Die einfachste und damit grundlegende Form für solche
Mapping-Funktionen beschreibt die Funktion (3.3) in Anlehnung an das Modell von Black und Eisner (1984). Im Allgemeinen
ergibt sich damit die troposphärische Laufzeitkorrektur als Produkt der Korrektur in Zenitrichtung und einem
mit Hilfe der gewählten Mapping-Funktion bestimmten elevationsabhängigen Faktor. Beide Komponenten werden
i.d.R. in einen trockenen und einen feuchten Anteil aufgespaltet. Zur Berücksichtigung der räumlichen bzw. zeitlichen
Variation der Troposphäre können zudem stationsspezifische Troposphärenparameter bzw. Parameter für bestimmte
Zeitintervalle eingeführt werden (Mayer et al., 2000a). Anzumerken ist, dass sich die Troposphäre primär auf die Höhenkomponente
der Stationskoordinaten auswirkt, was u.a. bei großen Höhenunterschieden zwischen den Stationen zu
Problemen führen kann (vgl. Mayer, 2004) und bei der Interpretation der Ergebnisse berücksichtigt werden muss.
Gelangt das GPS-Signal nicht auf direktem Weg vom Satelliten zum Empfänger, sondern durch Reflexion oder Beugung
auf indirektem Weg, so spricht man von Mehrwegeausbreitung bzw. Multipath (Braasch, 1996). Die Überlagerung
des direkten und des indirekten Signals ist besonders kritisch bei Trägerphasenbeobachtungen in niedrigen Elevationen
und bei kurzen Beobachtungszeiträumen. Der Einfluss auf die Trägerphasenbeobachtungen beträgt bis zu 5cm
mit typischen Periodenlängen von bis zu 30 Minuten (vgl. u.a. Heister et al., 1997). Mehrwegeeffekte können jedoch
nur schwer erfasst bzw. modelliert werden. Sie können primär bei der Vorbereitung der Messung durch Verwendung
geeigneter Antennen (Grundplatte, Choke-Ring,...), eine geeignete Stationsauswahl sowie ausreichend lange Beobachtungszeiträume
vermindert werden. Aufgrund der nach einem Sterntag wiederkehrenden Satellitenkonstellation wiederholen
sich auch die Mehrwegeeffekte, falls die GPS-Antenne bzw. deren Umgebung nicht verändert wurde. Diese können
dann u.U. durch Differenzbildung der Beobachtungen von mehreren Tagen unter Berücksichtigung der Länge eines
Sterntages identifiziert werden. Einen ersten Ansatz zur Identifikation und Berücksichtigung von Mehrwegeeffekten im
Rahmen eines Analyseverfahrens präsentieren Wanninger und May (2000).
Ein weiterer Einflussfaktor bei GPS-Beobachtungen ist die Empfängerhardware und dabei insbesondere die GPS-
Antenne. Durch die elektromagnetischen Eigenschaften der GPS-Antennen unterscheidet sich das elektrische vom mechanischen
Phasenzentrum um einen konstanten Wert (Offset) und variiert in Abhängigkeit von der Elevation und dem
Azimut der einfallenden Signale. Zudem unterscheiden sich die Phasenzentren verschiedener Antennentypen und sogar
von Antennen gleichen Typs aufgrund unterschiedlicher Bauweise bzw. ungleicher Fertigung der GPS-Antennen teilweise
erheblich. Der Einfluss dieser Fehler kann im Rahmen präziser GPS-Messungen nicht vernachlässigt werden,
sondern muss durch eine geeignete Antennenauswahl bzw. -ausrichtung reduziert werden. Zudem kann durch eine Kalibrierung
der GPS-Antennen die Position des Antennenphasenzentrums durch Offsets zum mittleren Phasenzentrum
und zusätzlichen elevations- und/oder azimutabhängigen Phasenzentrumsvariationen (PCV) angegeben werden (vgl.
u.a. Böder, 2002 und Menge, 2003). Relative Kalibrierungen zu einer Referenzantenne (Dorne Margolin T) sind ausreichend
für kurze Basislinien bzw. kleinräumige Netze und werden im Regelfall heute schon verwendet. Im Gegensatz
dazu sollten auf langen Basislinien absolut kalibrierte Antennen verwendet werden (Mader, 1999). Aufgrund unmodellierter
systematischer Effekte in den GPS-Auswerteergebnissen auf langen Basislinien bei Verwendung absolut kalibrierter
Antennen, die der Nichtberücksichtigung der Antennenphasenzentren der GPS-Satelliten zugeschrieben werden