Seminarvortrag - Troposphärische Refraktion

Einfluß der Troposphäre auf die relative Positionierung	Ronald Peters
Vertieferseminar Vermessungskunde 4	27.10.1998

1. Aufbau der Atmosphäre	2. Troposphären- Effekte	3. Refraktion	4. Mapping function	5. Auswirkung auf die Positionierung	6. Fazit	7. Quellenverzeichnis

1. Aufbau der Atmosphäre

Chemischer Aufbau
Stickstoff N₂	78 %	trockene Atmosphäre !!!
Sauerstoff O₂	21 %
CO₂, O₃, Edelgase	1 %

Wasserdampf H₂O	0 - 4 %	nur Troposphäre
= Wassersäule über 1 cm²	0,01 .. 7,5 g	Pol à Tropen
über 1 m²	0,1 .. 75 kg	Pol à Tropen

F Troposphäre = da, wo das Wetter stattfindet

2. Troposphären-Effekte

Dämpfung F unbedeutend
‚ Szintillation F unbedeutend
ƒ Refraktion

3. Refraktion

3.1. Wirkung

Richtungsänderung des Signals < 1 cm (15°)
‚ Geschwindigkeitsänderung

à scheinbar längere Strecke 2 .. 9 (.. 25) m
à insbesondere Höhenfehler (3 * Lagefehler)

3.2. Ursache

Unterschiedliche Refraktivität N

N = (n-1) * 10⁶

3.3. Elevationswinkel

4. Mapping function (obliquity factor)

(yo, das ist das gleiche Bild wie bei 3.3.)

F Distanzkorrektion als Funktion von

Elevationswinkel und
Korrektion in Zenitrichtung

4.1. Modell nach Saastamoinen

z'	... scheinbare Zenitdistanz
j (phi)	... Stationsbreite
H	... Stationshöhe
p	... Druck
e	... Dampfdruck
T	... Temperatur
B, d (delta)	... tabellierte Korrekturwerte

F eines der ersten, einfachsten Modelle
à in fast jeder Daten-Auswertung benutzt

4.2. Weitere Modelle

FHopfield Two Quartic Model

basiert auf konstanter Temperaturabnahme mit der Höhe

F Black & Eisner Modell

Integration der Refraktivität über den Signalweg

F Davis, Chao and Marini Mapping Functions

verschachtelte Brüche von Winkelfunktionen

F ... (und andere)

4.3. Wetter-Parameter

F Parameter in Zenitrichtung à Mapping function
F Standard-Atmosphären-Modelle (tabelliert)
F Luftdruck am Boden repräsentiert ganze Luftsäule

à Genauigkeit für trockenen Anteil: einige mm ( für 15° Elevationsmaske)
à 10 cm .. 1,2 m (5°)

F Feuchtanteil problematisch: Bodenwerte nicht repräsentativ
à Genauigkeit für feuchten Anteil: 20 .. 30 mm (15°)

F Verbesserung der Genauigkeit: Messung der Feuchtigkeit

F Wasserdampfradiometer:

Messung auf zwei Frequenzen im GHz-Bereich

Wasserdampfgehalt

Wassergehalt

(in Signalrichtung)
à Restfehler (feuchter Anteil) < 10 mm
teure Ausrüstung
à nur Fundamental-, Referenzstationen

5. Auswirkung auf die Positionierung

5.1. Absolute Positionierung

Lage: wenige cm
Höhe: 3 * Modellfehler

5.2. Relative Positionierung

kurze Basislinien à gleicher Troposphären-Einfluß

Lage: praktisch kein Einfluß
Höhe: 3 * Modelldifferenz

lange Basislinien

F größere troposphärische Unterschiede
F Basis > 50 km à Höhenfehler > 2,5 cm

F Änderung des Einflusses des feuchten Anteils beobachtet:

2 cm / 10 km
3 cm / Stunde

5.3. Verbesserung

F Messung meteorologischer Parameter
à keine zufriedenstellenden Resultate

F Bestimmung einer Distanzkorrektion je Meßepoche,
stochastische Modelle
à hohe Korrelation von Korrektion und Höhe

6. Fazit

F Positionierung mit geringer Genauigkeit / Navigation
à unbedeutender Einfluß

F Präzisionsmessungen / Referenzstationen
à Wetterbeobachtung, WVR

F andere
à Standardmodelle

7. Quellenverzeichnis und weiterführende Links

F Brunner, Welsch:

Effect of the Troposphere on GPS Measurement

F Spilker:

Tropospheric Effects on GPS

F Atmospheric Radiation Measurement (ARM)

U.S. Department of Energy (DOE)

F ETH Zürich

Institute for Atmospheric Science, Hans Hirter

Water Vapor Radiometry