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Matthias Madzak
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Ray-traced tropospheric slant delays in VLBI analysis
Kurzfassung
Die Modellierung der troposphärischen Laufzeitverzögerung ist eine der Hauptfehlerquellen für die Auswertung von Beobachtungen geodätischer Weltraumverfahren wie der Very Long Baseline Interferometry (VLBI). Numerische Wettermodelle wurden in den vergangenen Jahren hinsichtlich ihrer räumlichen und zeitlichen Auflösung sowie bezüglich ihrer Genauigkeit verbessert, und dadurch eignen sie sich sehr gut für die Atmosphärenforschung. Zum Beispiel können numerische Wettermodelle dafür verwendet werden, Strahlverfolgung (Ray-tracing) zu rechnen, um die troposphärische Laufzeitverzögerung zu bestimmen. Wir haben einen Algorithmus für direktes Ray-tracing entwickelt, um diese Laufzeitverzögerungen von Signalen im Radiowellenbereich mit Hilfe von Wetterdaten des European Centre for Medium-Range Weather Forecasts (ECMWF) zu berechnen, wobei der Ray-tracing Algorithmus auf einer Lösung der Eikonal-Gleichung basiert. Gezeigt werden Ergebnisse in Form von Wiederholbarkeiten der Basislinienlängen einer zweiwöchigen kontinuierlichen VLBI-Beobachtungskampagne im Jahr 2008 (CONT08). Die erhaltenen Basislinienlängen, abgeleitet mit Verwendung der Laufzeitverzögerungen aus Ray-tracing, werden mit jenen verglichen, die Laufzeitverzögerungen eines Standardansatzes verwenden. Der Standardansatz beschreibt die Modellierung der schrägen Laufzeitverzögerung als Produkt einer Zenitlaufzeitverzögerung und einer Projektionsfunktion. Die erhaltenen Wiederholbarkeiten zeigen ähnliche Werte für die beiden Modellierungsmöglichkeiten, wenn Zenitlaufzeitverzögerungen und Gradienten in der Auswertung mitgeschätzt werden. Allerdings werden bessere Ergebnisse mit Ray-tracing erzielt, wenn diese beiden Größen in der Ausgleichung nicht geschätzt werden.
Abstract
Modeling troposphere delays is a major source of error in the analysis of observations from space geodetic techniques, such as Very Long Baseline Interferometry (VLBI). Numerical weather models (NWM) have been continuously improving with regard to spatial and temporal resolution as well as advances in data assimilation and thus provide valuable datasets for atmospheric research. The improved accuracy of NWMs have made ray-tracing a suitable technique to estimate the slant total delays for the observations in the neutral atmosphere, i.e. mainly in the troposphere. We have developed a direct ray-tracing method for estimating those slant delays for radio signals using data of the European Centre for Medium-range Weather Forecasts (ECMWF) which is based on the solution of the Eikonal equation. We show results for a two-week campaign of continuous VLBI sessions in 2008 (CONT08), where we applied ray-traced delays to the observed delays and analyzed the repeatability of baseline lengths in comparison to a standard approach with zenith delays and mapping functions. We find that on average, baseline length repeatabilities are similar if residual zenith delays and gradients are estimated. On the other hand, as expected, ray-traced delays perform better if residual zenith delays and gradients are not solved for in VLBI analysis.
Die Modellierung der troposphärischen Laufzeitverzögerung ist eine der Hauptfehlerquellen für die Auswertung von Beobachtungen geodätischer Weltraumverfahren wie der Very Long Baseline Interferometry (VLBI). Numerische Wettermodelle wurden in den vergangenen Jahren hinsichtlich ihrer räumlichen und zeitlichen Auflösung sowie bezüglich ihrer Genauigkeit verbessert, und dadurch eignen sie sich sehr gut für die Atmosphärenforschung. Zum Beispiel können numerische Wettermodelle dafür verwendet werden, Strahlverfolgung (Ray-tracing) zu rechnen, um die troposphärische Laufzeitverzögerung zu bestimmen. Wir haben einen Algorithmus für direktes Ray-tracing entwickelt, um diese Laufzeitverzögerungen von Signalen im Radiowellenbereich mit Hilfe von Wetterdaten des European Centre for Medium-Range Weather Forecasts (ECMWF) zu berechnen, wobei der Ray-tracing Algorithmus auf einer Lösung der Eikonal-Gleichung basiert. Gezeigt werden Ergebnisse in Form von Wiederholbarkeiten der Basislinienlängen einer zweiwöchigen kontinuierlichen VLBI-Beobachtungskampagne im Jahr 2008 (CONT08). Die erhaltenen Basislinienlängen, abgeleitet mit Verwendung der Laufzeitverzögerungen aus Ray-tracing, werden mit jenen verglichen, die Laufzeitverzögerungen eines Standardansatzes verwenden. Der Standardansatz beschreibt die Modellierung der schrägen Laufzeitverzögerung als Produkt einer Zenitlaufzeitverzögerung und einer Projektionsfunktion. Die erhaltenen Wiederholbarkeiten zeigen ähnliche Werte für die beiden Modellierungsmöglichkeiten, wenn Zenitlaufzeitverzögerungen und Gradienten in der Auswertung mitgeschätzt werden. Allerdings werden bessere Ergebnisse mit Ray-tracing erzielt, wenn diese beiden Größen in der Ausgleichung nicht geschätzt werden.
Abstract
Modeling troposphere delays is a major source of error in the analysis of observations from space geodetic techniques, such as Very Long Baseline Interferometry (VLBI). Numerical weather models (NWM) have been continuously improving with regard to spatial and temporal resolution as well as advances in data assimilation and thus provide valuable datasets for atmospheric research. The improved accuracy of NWMs have made ray-tracing a suitable technique to estimate the slant total delays for the observations in the neutral atmosphere, i.e. mainly in the troposphere. We have developed a direct ray-tracing method for estimating those slant delays for radio signals using data of the European Centre for Medium-range Weather Forecasts (ECMWF) which is based on the solution of the Eikonal equation. We show results for a two-week campaign of continuous VLBI sessions in 2008 (CONT08), where we applied ray-traced delays to the observed delays and analyzed the repeatability of baseline lengths in comparison to a standard approach with zenith delays and mapping functions. We find that on average, baseline length repeatabilities are similar if residual zenith delays and gradients are estimated. On the other hand, as expected, ray-traced delays perform better if residual zenith delays and gradients are not solved for in VLBI analysis.
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VGI_201118_Nafisi.pdf
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