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.
The Ionosphere denotes that part of the upper atmosphere which affects significantly radio wave propagation due to its ionization. This property causes as well the scientific interest in the ionosphere. Radio waves used for signal transmission by numerous technical systems are affected by the ionosphere. Above altitudes of about 1000 km the ionosphere fades to the so called plasmasphere. For the correction and simulation of ionospheric/plasmaspheric impacts on radio wave propagation, models of the ionosphere and plasmasphere are needed. A basic requirement for the understanding and modeling of the ionosphere/plasmasphere system are observation data. Due to the difficult observation conditions, the exploration of the upper ionosphere and especially of the plasmasphere is indeed sparse up to now. Existing models are based on comparatively small data sets and are therefore still deficient in some cases. In front of this background, the collection of new ionospheric/plasmaspheric observation data is worthwhile and necessary. The global navigation satellite system GPS uses two different L-band carrier frequencies for signal transmission. The ionosphere represents a dispersive propagation medium for this frequency range. Therefore, simultaneous reception of both GPS signals enables remote sensing of the ionosphere, assuming identical ray paths. Ground based GPS measurements are used successfully since several years to monitor the vertical Total Electron Content (TEC) in an operational manner. The installation of GPS receivers on board of LEO (Low Earth Orbiting) satellites such as CHAMP offers new opportunities of ionospheric/plasmaspheric remote sensing. For precise orbit determination the German small satellite CHAMP performs permanently dual frequency measurements of up to 8 GPS satellites with a sampling rate of 0.1 Hz, using a dedicated zenith looking antenna. These navigation measurements provide for the first time the opportunity of a GPS based monitoring of the upper ionosphere and plasmasphere on global scale. This PhD thesis describes the reconstruction of global three dimensional electron density distributions of the upper ionosphere and plasmasphere based on GPS measurements from CHAMP. The methods and algorithms that have been developed in this frame are pointed out in detail. After preprocessing and calibration, link related TEC measurements are derived from the GPS navigation observations on board CHAMP. The three dimensional electron density distribution is reconstructed by assimilating the integrated TEC measurements of a full CHAMP revolution into the ionospheric/plasmaspheric model PIM. For this purpose the discretization of PIM on a global voxel structure is necessary. The assimilation method which has been developed is based on an iterative algorithm. During this procedure the initial model assumption is modified in an multiplicative manner. Finally, the resulting electron density distribution represents the TEC measurements, which had been to assimilate. The reconstruction results are presented for selected assimilation examples by means of two dimensional slices along the respective CHAMP orbit plane. First validation results using electron density measurements from the Langmuir Probe on board CHAMP, from incoherent scatter radars and from ionosondes are promising and show the fundamental suitability of the presented technique for the reconstruction of adequate electron density information from integrated TEC measurements. Considering especially the reconstruction opportunities using GPS measurements of planned LEO missions in the future, such assimilation results may provide a considerable data base for ionospheric/plasmaspheric modeling and research.
