GPS Meteorology with Single Frequency Receivers

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.