dc.contributor.author
Heise, Stefan
dc.date.accessioned
2018-06-08T00:39:28Z
dc.date.available
2002-12-05T00:00:00.649Z
dc.identifier.uri
https://refubium.fu-berlin.de/handle/fub188/12266
dc.identifier.uri
http://dx.doi.org/10.17169/refubium-16464
dc.description
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
dc.description.abstract
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.
de
dc.description.abstract
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.
en
dc.rights.uri
http://www.fu-berlin.de/sites/refubium/rechtliches/Nutzungsbedingungen
dc.subject
electron density
dc.subject.ddc
500 Naturwissenschaften und Mathematik::550 Geowissenschaften, Geologie::550 Geowissenschaften
dc.title
Rekonstruktion dreidimensionaler Elektronendichteverteilungen basierend auf
CHAMP-GPS-Messungen
dc.contributor.firstReferee
Prof. Dr. Horst Malberg
dc.contributor.furtherReferee
Prof. Dr. Justus Notholt
dc.date.accepted
2002-12-03
dc.date.embargoEnd
2002-12-17
dc.identifier.urn
urn:nbn:de:kobv:188-2002002731
dc.title.translated
Reconstruction of 3 dimensional electron density distributions based on GPS
measurements from CHAMP
en
refubium.affiliation
Geowissenschaften
de
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FUDISS_thesis_000000000584
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http://www.diss.fu-berlin.de/2002/273/
refubium.mycore.derivateId
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open access