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GPS Meteorology with Single Frequency Receivers
- Links: BfS ODL Mithörnetz mit mehr als 1800 Stationen; Rechts: Untersuchung einer Mithörstation
[1]
- © BfS
Zhiguo Deng (Erfolgreiche
Fertigstellung Juni 2012)
GFZ Potsdam
Der atmosphärische Wasserdampf spielt eine bedeutende Rolle
für das Wettergeschehen und speziell für die Entwicklung von Wolken
und Niederschlag. Als einer der wichtigsten Parameter für die moderne
Wettervorhersage hat der atmosphärische Wasserdampf hohe zeitliche
und räumliche Variabilität und Beobachtungen mit entsprechend hoher
Auflösung sind erforderlich, um kurzfristige Wetterprognosen mit
ausreichender Genauigkeit zu erstellen. Eine Möglichkeit derartige
Beobachtungen bereitzustellen besteht in der Nutzung von Daten des
Global Positioning Systems (GPS). Die GPS-Signale werden auf ihrem Weg
vom GPS-Satelliten zum Empfänger auf Erde durch die Atmosphäre
verändert. Dieser atmosphärische Einfluss muss bei der
Positionierung berücksichtigt werden, kann jedoch auch zur
Atmosphärensondierung genutzt werden. Die troposphärische
Laufzeitverzögerung liefert speziell Informationen zum
Wasserdampfgehalt der unteren Atmosphäre. Aus einer hinreichend
großen Zahl von GPS-Beobachtungen kann prinzipiell die räumliche
Verteilung des Wasserdampfes bestimmt werden. Um jedoch Feuchtefelder
mit horizontalen Auflösungen von einigen Kilometern bestimmen zu
können, ist eine Verdichtung der bestehenden GPS-Netze notwendig. Aus
Kostengründen empfiehlt es sich, die bestehenden geodätischen Netze
mit Einfrequenz-Empfängern (SF) zu verdichten. Die notwendigen
IonosphäreKorrekturen können mit Hilfe der L2-Daten der umliegenden
ZweifrequenzEmpfänger (DF) durchgeführt werden.
Ein Ziel
dieser Arbeit ist es, zu zeigen, dass die Daten von SF-Empfängern,
die von einem Netz aus DF-Empfängern umgeben sind, mit sehr großer
Genauigkeit prozessiert werden können. Hierzu wurde das SEID
(Satelliten-spezifische Epochen-Differenz) Verfahren entwickelt, das
die zeitlichen Differenzen in den ionosphärischen Verzögerungen der
umgebenden DF-Empfänger nutzt, um ein synthetisches L2-Signal für
die SF-Empfänger zu generieren. Zusammen mit den beobachteten
L1-Daten stehen damit formal für jeden SF-Empfänger dieselben
Informationen zur Verfügung, wie sie DF-Empfänger liefern. Diese
Datensätze können genauso wie DF-Daten von bestehender
GPS-Auswertesoftware verarbeitet werden. Dieses Verfahren kann z.B.
die troposphärischen Laufzeitverzögerungen in Zenit Richtung (ZTD
– Zenith Total Delay) mit hoher Genauigkeit bestimmen werden.
Um die Genauigkeit des SEID-Modells abzuschätzen, wurden
verschiedene Studien durchgeführt. Prinzipiell nimmt die Genauigkeit
ab, je weniger Referenzstationen in der Nähe des SF-Empfängers
liegen und je weiter diese entfernt sind. Deshalb wurden Szenarien mit
einer unterschiedlichen Anzahl von Referenzstationen in
unterschiedlichen Entfernungen analysiert. Die Ergebnisse fallen sehr
positiv aus: für Szenarien bei denen die mittlerer Entfernungen
zwischen den SF-Stationen und den Referenzstationen unter etwa 80 km
liegen, ist die Genauigkeit der ZTD Beobachtungen vergleichbar mit
DF-Beobachtungen. Diese Studie zeigt auch, dass die ZTD Genauigkeit
der SF-Daten besser wird, je geringer die Distanz zu den
Referenzstationen ist und je mehr Referenzstationen verfügbar
sind.
Darüber hinaus wurden die ebenfalls geschätzten
Slant Total Delays (STDs) mit den Beobachtungen eines
Wasserdampf-Radiometers (WVR) und den Analysen eines numerischen
Wettermodells (ECMWF) verglichen. Das Wettermodell stellt alle
Informationen bereit, um die STDs für die etwa 260 verfügbaren
deutschen Stationen zu berechnen. Diese STDs wurden sowohl mit den
hochgenauen DF-Produkten als auch mit den SF-Produkten, die mit Hilfe
der SEID-Methode abgeleitet wurden, verglichen. Es zeigt sich, dass
die relative Genauigkeit der SF STDs für alle Elevationswinkel nahezu
konstant ist und einer Standardabweichung von etwa 0,18% entspricht.
Wasserdampf-Radiometer können den integrierten Wasserdampf entlang
beliebiger Sichtachsen bestimmen (SWV – Slant Water Vapour). Um
diesen mit den STDs aus der GPS-Prozessierung vergleichen zu können,
muss der hydrostatische Anteil des STDs abgespalten und der sich
daraus ergebende Slant Wet Delay (SWD) in den SWV umgerechnet werden.
Entsprechende SWV-Vergleiche wurden für eine GPS-Station, die mit
einem WVR ausgestattet ist, durchgeführt. Ähnlich wie beim
ECMWF-Vergleich nimmt die Standardabweichung mit abnehmender Elevation
zu: Sie steigt fast linear von 1,3 kg∙m-2 nahe dem Zenit
bis auf etwa 2 kg∙m-2 bei einer Elevation von 20°.
Alle drei Validierungsstudien zeigen, dass die ZTD, STD und
SIWV Produkte, die aus SF-Daten gewonnen wurden, nahezu die gleiche
hohe Qualität haben wie die entsprechenden DF-Produkte. SF-Empfänger
können damit uneingeschränkt zur Atmosphärensondierung eingesetzt
werden. Die einfache Implementierung und hohe Genauigkeit des
SEID-Modells legt die Verdichtung bestehender geodätischer Netze mit
preiswerten SF-Empfängern nahe und kann zu einer verstärkten Nutzung
der GPS-Atmosphärensondierung beitragen.
ng
hesis-Zhiguo_Deng.pdf