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FU Berlin
Digitale Dissertation

Stefan Heise :
Rekonstruktion dreidimensionaler Elektronendichteverteilungen basierend auf CHAMP-GPS-Messungen
Reconstruction of 3 dimensional electron density distributions based on GPS measurements from CHAMP

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|Zusammenfassung| |Inhaltsverzeichnis| |Ergänzende Angaben|

Zusammenfassung

Die Ionosphäre bezeichnet den Teil der oberen Atmosphäre, welcher aufgrund seiner Ionisation die Ausbreitung von Radiowellen signifikant beeinflusst. Diese Eigenschaft begründet auch das wissenschaftliche Interesse an der Ionosphäre. Zahlreiche technische Systeme nutzen zur Signalübertragung Radiowellen, deren Ausbreitung ionosphärischen Einflüssen unterliegt. Die Ionosphäre geht oberhalb von etwa 1000 km in die Plasmasphäre über. Zur Korrektur und Simulation ionosphärischer Einflüsse auf die Radiowellenausbreitung sind Modelle der Ionosphäre und Plasmasphäre unentbehrlich. Die Erhebung von Beobachtungsdaten ist eine Grundvoraussetzung zum Verständnis und zur Modellierung des Systems Ionosphäre/Plasmasphäre. Allerdings sind die obere Ionosphäre und insbesondere die Plasmasphäre aufgrund schwieriger Beobachtungsbedingungen bis heute ein wenig erforschtes Gebiet. Existierende Modelle basieren auf vergleichsweise geringen Datenmengen und weisen daher noch erhebliche Mängel auf. Vor diesem Hintergrund ist die Gewinnung neuer Beobachtungsdaten aus dem Bereich der oberen Ionosphäre und Plasmasphäre ein notwendiges und lohnendes Ziel. Das globale Satellitennavigationssystem GPS sendet seine Signale auf zwei verschiedenen Trägerfrequenzen im L-Band. In diesem Frequenzbereich stellt die Ionosphäre ein dispersives Ausbreitungsmedium dar. Unter Annahme eines gemeinsamen Signalweges ermöglicht der simultane Empfang beider GPS-Signale daher prinzipiell die Fernerkundung der Ionosphäre. Bodengebundene GPS-Messungen werden bereits seit einigen Jahren erfolgreich zur operationellen Beobachtung der vertikalen Gesamtelektronenzahl verwendet. Der Einsatz von GPS-Empfängern an Bord niedrig fliegender erdumlaufender Satelliten wie CHAMP bietet neue Möglichkeiten zur Fernerkundung der Ionosphäre und Plasmasphäre. Der deutsche Kleinsatellit CHAMP führt über eine Zenitantenne permanent Zweifrequenz-GPS-Messungen von bis zu acht GPS-Satelliten mit einer Rate von 0,1 Hz durch. Diese der hochgenauen Orbitbestimmung dienenden Messungen bieten erstmals die Möglichkeit einer GPS-basierten Beobachtung der oberen Ionosphäre und Plasmasphäre im globalem Maßstab. Diese Arbeit beschreibt die Rekonstruktion globaler dreidimensionaler Elektronendichteverteilungen im Bereich der oberen Ionosphäre und der Plasmasphäre, basierend auf CHAMP-GPS-Messungen, wobei die entwickelten Verfahren, Methoden und Algorithmen ausführlich dargelegt werden. Nach geeigneter Vorprozessierung und Kalibrierung werden aus den CHAMP-GPS-Messungen die Gesamtelektronenzahlen (TEC) entlang der jeweiligen Strahlenwege bestimmt. Die Rekonstruktion der dreidimensionalen Elektronendichteverteilung erfolgt durch Assimilation der integralen TEC-Messungen jeweils eines vollständigen CHAMP-Umlaufs in das Ionosphären/Plasmasphärenmodell PIM, welches dazu auf einer globalen Voxel-Struktur diskretisiert wird. Das entwickelte Assimilationsverfahren basiert auf einem iterativen Algorithmus. Dabei wird die initiale Modellannahme multiplikativ so modifiziert, dass schließlich die zu assimilierenden TEC-Messungen repräsentiert werden. Die Rekonstruktionsergebnisse werden anhand konkreter Beispiele präsentiert, wobei die Darstellung in Form meridionaler Schnitte entlang der jeweiligen Orbitebene erfolgt. Erste Validierungsergebnisse mit Elektronendichtemessungen der Langmuir-Sonde an Bord von CHAMP, von Incoherent-Scatter-Radars und Ionosonden sind vielversprechend und zeigen die prinzipielle Eignung des vorgestellten Assimilationsverfahrens zur Rekonstruktion lokaler Elektronendichten aus integralen TEC-Messungen. Die Assimilationsergebnisse könnten in der Zukunft eine umfangreiche Datenbasis zur Modellierung der oberen Ionosphäre und Plasmasphäre und zur Beobachtung ionosphärischer und plasmasphärischer Phänomene bieten. Dies gilt insbesondere mit Blick auf die GPS-Messungen zukünftiger Satellitenmissionen.

Inhaltsverzeichnis

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TITELBLATT UND INHALT
1. EINFÜHRUNG UND ZIELSTELLUNG 3
2. DIE IONOSPHÄRE UND PLASMASPHÄRE DER ERDE 6
2.1. Einordnung innerhalb der Erdatmosphäre 6
2.2. Der Aufbau der Ionosphäre 9
2.3. Räumliche und zeitliche Variabilität der Ionosphäre 11
2.4. Atmosphärische Beeinflussung elektromagnetischer Wellen 13
2.5. Bedeutung der Ionosphäre 17
2.6. Die Plasmasphäre 19
2.7. Beobachtung der Ionosphäre und Plasmasphäre 21
2.8. Tomographie der Ionosphäre 26
2.9. Modelle der Ionosphäre 31
3. DIE CHAMP-MISSION 35
3.1. Wissenschaftliche Ziele 35
3.2. Satellit und wissenschaftliche Instrumente 35
3.3. Mission und Orbit 37
4. FERNERKUNDUNG DER IONOSPHÄRE MIT GPS 38
4.1. Das Global Positioning System 38
4.2. GPS-Messgrößen und die Beobachtungsgleichung 43
4.3. Bestimmung des TEC aus den GPS-Beobachtungen 45
5. PROZESSIERUNG DER CHAMP-GPS-DATEN ZUR ABLEITUNG VON TEC-INFORMATIONEN 47
5.1. Verwendete Daten 47
5.2. ProzessierungsÜbersicht und automatische Prozessierung 50
5.3. Sicherung der GPS-Datenqualität 54
5.4. Kalibrierung der relativen TEC-Messungen 59
6. ABLEITUNG LOKALER ELEKTRONENDICHTEN AUS DEN INTEGRALEN TEC-INFORMATIONEN 68
6.1. Die Voxel-Struktur 68
6.2. Assimilation der TEC-Daten 73
7. ERGEBNISSE UND DISKUSSION 85
7.1. Ergebnisse der Datenassimilation 85
7.2. Validierung rekonstruierter Elektronendichteverteilungen mit unabhÄngigen ionosphärischen Daten 89
8. ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK 101
9. LITERATUR 104

Ergänzende Angaben:

Online-Adresse: http://www.diss.fu-berlin.de/2002/273/index.html
Sprache: Deutsch
Keywords: ionosphere, plasmasphere, GPS, CHAMP, electron density
DNB-Sachgruppe: 31 Geowissenschaften
Datum der Disputation: 03-Dec-2002
Entstanden am: Fachbereich Geowissenschaften, Freie Universität Berlin
Erster Gutachter: Prof. Dr. Horst Malberg
Zweiter Gutachter: Prof. Dr. Justus Notholt
Kontakt (Verfasser): stefan.heise@dlr.de
Abgabedatum:05-Dec-2002
Freigabedatum:17-Dec-2002

 

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