Multi-dimensionales Ionosphärenmodell aus der Kombination geodätischer Raumverfahren

Die Ionosphäre ist der Teil der Atmosphäre, der Ionen und freie Elektronen enthält. Die Laufzeitdifferenzen simultaner Mehrfrequenz-Mikrowellenmessungen ermöglichen die Schätzung des Integrals der Elektronendichte entlang des Signalwegs („Total Electron Content“, TEC). GNSS, DORIS und Zweifrequenz-Satellitenaltimetermissionen, wie z.B. Jason-1/-2 und ENVISAT, messen mit Mikrowellen auf mehreren Frequenzen. Diese geodätischen Raumverfahren können daher genutzt werden, um ionosphärische Parameter zu bestimmen. Sie leisten damit auch einen Beitrag zur Überwachung des sogenannten "Space Weather".

: Verschiedene geodätische Raumverfahren zur Ionosphärenmodellierung

Zur Beschreibung der Elektronendichte wurde in den letzten Jahren am DGFI ein multi-dimensionales Modell in B-Spline-Funktionen entwickelt. Dieses zunächst auf regionale Anwendungen beschränkte Modell wurde durch Einführung trigonometrischer B-Splines auf globale Anwendungen erweitert. Neben der Lokalisierung zeichnen sich B-Spline-Ansätze dadurch aus, dass sich daraus Funktionenfamilien (Skalierungsfunktionen und Wavelets) konstruieren lassen, die die Betrachtung eines Signals unter verschiedenen Auflösungen ermöglichen. Die Zerlegung der Elektronendichte in eine Summe bandpassgefilterter Signalkomponenten entspricht einer sukzessiven Tiefpassfilterung und wird als Multiskalen-Darstellung (MSD) bezeichnet. Vorteile der MSD liegen vor allem in der Datenkompression als auch bei der Kombination der verschiedenen Eingangssignale.

Die vorhandenen Ansätze und Eingangsdatenmodellierungen sollen in den kommenden Jahren verbessert und erweitert werden. Zusätzliche Datenquellen sind zu erschließen (z.B. DORIS und TEC-Daten möglichst vieler satellitengetragener GPS-Empfänger) und bestmöglich zu kombinieren. Um möglichst zeitnahe Ionosphärenmodelle abzuleiten, soll die Kalman-Filter-Technik zum Einsatz kommen. Dieses Verfahren der sequentiellen Parameterschätzung ermöglicht neben echtzeitnahen Aussagen über die Ionosphärenaktivität auch die Prädiktion der Ergebnisse in die Zukunft und kann damit eine Grundvoraussetzung für die Nutzung des Modells für Echtzeit-Positionierungsaufgaben sein. Die Berücksichtigung physikalisch basierter Modellierungsansätze wird auch im Rahmen eines DFG-Projekts (MuSIK) vorangetrieben werden. Die dort gewonnenen Erkenntnisse stellen die Grundlage für die Entwicklung eines datengetriebenen physikalischen Ionosphärenmodells dar, welches nicht nur zur Korrektur geodätischer Messungen und für die Überwachung des „Space Weather“ wertvoll sein wird, sondern vor allem auch das Verständnis der Zusammenhänge in der Ionosphäre verbessern kann.

Ausgewählte Publikationen

Dettmering D., Heinkelmann R., Schmidt M.: Systematic differences between VTEC obtained by different space-geodetic techniques during CONT08. Journal of Geodesy 85(7), 443-451, doi 10.1007/s00190-011-0473-z, 2011

Schmidt M., Dettmering D., Mößmer M., Wang Y., Zhang J.: Comparison of spherical harmonic and B spline models for the vertical total electron content. Radio Science, 46, RS0D11, doi:10.1029/2010RS004609, 2011

Schmidt M., Hugentobler U., Jakowski N., Dettmering D., Liang W., Limberger M., Hoque M., Wilken V.: Multi-scale model of the ionosphere from the combination of modern space-geodetic satellite techniques, EGU General Assembly 2011, Vienna, Austria, 2011-04-04/08, 2011-04-05 (Poster)

Schmidt M., Dettmering D., Liang W., Heinkelmann , R. : Concepts for modeling VTEC as a multi-scale representation, EGU General Assembly 2011, Vienna, Austria, 2011-04-04/08, 2011-04-05 (Poster)

Dettmering D., Heinkelmann R., Schmidt M., Seitz M.: Die Atmosphäre als Fehlerquelle und Zielgröße in der Geodäsie. Zeitschrift für Vermessungswesen ZfV 135, Heft 2, S. 100-105, 2010