Entwicklung von 3D Meteo-Modellen zur Korrektion der troposphärischen Refraktion bei GPS-Messungen

Beschreibung

Mikrowellensignale, wie sie für GPS verwendet werden, unterliegen bei der Durchquerung der Atmosphäre den Gesetzen der Refraktion. Dabei werden sie in ihrer Ausbreitungsgeschwindigkeit und Ausbreitungsrichtung beeinflusst. Die Grösse der Effekte ist abhängig vom Brechungsindex und dessen räumlicher Verteilung. Nach der Formel von Essen und Froome aus dem Jahre 1950 ist der Brechungsindex für Mikrowellen von drei Grössen abhängig: Luftdruck, Luftemperatur und Luftfeuchtigkeit. Möchte man also den Brechungsindex in seiner räumlichen Verteilung bestimmen, so muss die räumliche Vereilung der drei anderen Grössen bekannt sein. Die bei GPS verwendeten Signale werden hauptsächlich in ihrer Ausbreitungsgeschwindigkeit beeinflusst. Die daraus resultierenden Laufzeitfehler verursachen in erster Linie eine höhenabhängige Änderung des Höhenmassstabs. Auch bei Netzen mit kleiner Ausdehnung können die von der Troposphäre verursachten Fehler durch Relativmessungen nur noch ungenügend kompensiert werden. Deshalb ist es notwendig, die verursachten troposphärischen Laufzeitfehler explizit zu berechnen und die GPS-Messungen damit zu korrigieren. Aus einer bekannten räumlichen Verteilung des Brechungsindex kann der Laufzeitfehler und die daraus berechenbare Weglängenkorrektur für jede beliebige GPS-Visur bestimmt werden. Allerdings muss das Brechungsindexfeld bekannt sein. Zu dessen Bestimmung soll unter Verwendung verschiedener Datenquellen ein dreidimensionales Meteo-Modell geschätzt werden, das die optimale Korrektion der troposphärischen Refraktionseinflüsse bei GPS- Messungen erlaubt. Als Datenquellen kommen die Messungen des automatischen meteorologischen Netzes ANETZ der Schweizerischen Meteorologischen Anstalt in Frage, Ballonsonden-Daten, lokale Stations-Meteo-Messungen, die in situ durchgeführt werden sowie Wasserdampf-Radiometer-Messungen. Mittels eines geschickt gewählten Prädiktionsalgorithmus wird aus diesen Daten ein dreidimensionales Meteo-Modell bestimmt. Besonderes Interesse gebührt dabei der Modellierung der zeitlichen Entwicklung. In diesem ersten Zwischenbericht werden die notwendigen theoretischen Grundlagen zusammengestellt, angefangen bei der Atmosphärenphysik über theoretische Betrachtungen des Troposphäreneinflusses auf GPS-Signale bis hin zur Kollokation als Interpolationsalgorithmus. Ein weiteres Kapitel widmet sich dem Thema Datenerhebung und stellt die ENAD-Datenbank der Schweizerischen Meteorologischen Anstalt und ihre Zugriffs möglichkeiten vor. Ebenso wird die lokale Boden-Meteo-Erhebung betrachtet. In der Folge wird ein erster Ansatz zur Bestimmung eines 3D-Meteomodells mit Kollokation vorgestellt: COMEDIE von ECKERT, COCARD, GEIGER, [1992]. Dabei werden verschiedene Interpolationsmethoden verglichen und die Azimut- und Elevationsabhängigkeit der Weglängenkorrektur empirisch untersucht. Der letzte Abschnitt betrachtet verschiedene Verbesserungmöglickeiten für den Modellierungsansatz. Vor allem der Berücksichtigung des Topographie-Einflusses wird besonderes Augenmerk geboten.

Autor*in

W Höflinger

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