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

[Aufbau der Atomosphäre]
 
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

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

[Höhenabh. d. Refraktivität]

3.3. Elevationswinkel


 

4. Mapping function (obliquity factor)


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

F Distanzkorrektion als Funktion von

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

F Änderung des Einflusses des feuchten Anteils beobachtet:

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