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Johannes Böhm
Wir haben 11 Artikel von und mit Johannes Böhm gefunden.
Austrian contributions to the realization of time systems
Kurzfassung
Die Realisierung von Zeitsystemen ist eine wichtige Aufgabe für ein Land und weltweit, da eine genaue Zeit für viele Aufgaben gebraucht wird, wie zum Beispiel Fiztransaktionen oder Positionierung. Das Bundesamt für Eich- und Vermessungswesen (BEV) ist mit der Realisierung der Coordinated Universal Time (UTC) für Österreich beauftragt und das BEV trägt auch zur globalen Realisierung von UTC bei. Andererseits sind die Technische Universität Wien (TU Wien) und BEV involviert in der UT1-Bestimmung mit dem Verfahren der Very Long Baseline Interferometry (VLBI). UT1 ist mit dem Winkel der Erdrotation verknüpft und unabdingbar für satellitenbasierte Positionierung und Navigation. Die Differenz zwischen diesen beiden Zeitskalen wird nicht größer als 0.9 Sekunden, weil immer rechtzeitig vorher eine Schaltsekunde bei UTC angebracht wird.
Abstract
The realization of accurate time scales is an important task for a country and worldwide because it is needed for many applications, such as ficial transactions or positioning. The Federal Office of Metrology and Surveying (BEV) is in charge of the realization of the Coordinated Universal Time (UTC) for Austria and it is contributing to the realization of UTC globally. On the other hand, TU Wien and BEV are involved in the determination of UT1 with Very Long Baseline Interferometry (VLBI) observations. UT1 corresponds to the Earth rotation angle and is indispensable for any kind of satellite-based positioning and navigation. The difference between both time scales does not exceed 0.9 second because leap seconds are introduced in UTC to keep the difference below one second.
Die Realisierung von Zeitsystemen ist eine wichtige Aufgabe für ein Land und weltweit, da eine genaue Zeit für viele Aufgaben gebraucht wird, wie zum Beispiel Fiztransaktionen oder Positionierung. Das Bundesamt für Eich- und Vermessungswesen (BEV) ist mit der Realisierung der Coordinated Universal Time (UTC) für Österreich beauftragt und das BEV trägt auch zur globalen Realisierung von UTC bei. Andererseits sind die Technische Universität Wien (TU Wien) und BEV involviert in der UT1-Bestimmung mit dem Verfahren der Very Long Baseline Interferometry (VLBI). UT1 ist mit dem Winkel der Erdrotation verknüpft und unabdingbar für satellitenbasierte Positionierung und Navigation. Die Differenz zwischen diesen beiden Zeitskalen wird nicht größer als 0.9 Sekunden, weil immer rechtzeitig vorher eine Schaltsekunde bei UTC angebracht wird.
Abstract
The realization of accurate time scales is an important task for a country and worldwide because it is needed for many applications, such as ficial transactions or positioning. The Federal Office of Metrology and Surveying (BEV) is in charge of the realization of the Coordinated Universal Time (UTC) for Austria and it is contributing to the realization of UTC globally. On the other hand, TU Wien and BEV are involved in the determination of UT1 with Very Long Baseline Interferometry (VLBI) observations. UT1 corresponds to the Earth rotation angle and is indispensable for any kind of satellite-based positioning and navigation. The difference between both time scales does not exceed 0.9 second because leap seconds are introduced in UTC to keep the difference below one second.
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VGI_201906_Niessner.pdf
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Site-Augmentation of Empirical Tropospheric Delay Models in GNSS
Kurzfassung
Die inkorrekte Modellierung troposphärischer Laufzeitverzögerungen ist eine der Hauptfehlerquellen in der GNSS-Auswertung, da sie die Genauigkeit der Positionsbestimmung signifikant beeinträchtigt. Viele GNSS-Nutzer haben keinen Zugriff auf numerische Wettermodelle (NWM) oder gar auf Raytracing-Programme, mit welchen sich die troposphärischen Laufzeitverzögerungen der Signale sehr genau aus den NWM berechnen ließen. Aus diesem Grund kommt empirischen Troposphärenmodellen wie beispielsweise GPT2w (Global Pressure and Temperature 2 wet; Böhm et al., 2015) [1] in GNSS eine besondere Bedeutung zu. Leider ist deren Genauigkeit nicht mit jener von Echtzeitmodellen vergleichbar, was vor allem daran liegt, dass empirische Modelle kurzfristige Wettervariationen nicht erfassen können. Allerdings kann die Genauigkeit empirischer Modelle durch Hinzunahme meteorologischer Messungen an der Station deutlich gesteigert werden; die hydrostatische Zenitlaufzeitverzögerung kann sehr genau aus lokalen Druckmessungen berechnet werden, was es in GNSS-Auswertungen ohnehin übliche Praxis ist. In diesem Artikel wird ein Modell vorgestellt, mit welchem die feuchte Zenitlaufzeitverzögerung, die den Hauptunsicherheitsfaktor in der Troposphärenmodellierung darstellt, durch lokale Messungen von Temperatur und Wasserdampfdruck wesentlich genauer bestimmt werden kann als es durch rein empirische Methoden möglich ist. Vergleiche mit hochgenauen IGS-Produkten und Raytracing zeigen schließlich, dass mit diesem Modell die Genauigkeit empirischer feuchter Zenitlaufzeitverzögerungen um bis zu 30 % erhöht werden kann.
Abstract
Incorrect modeling of tropospheric delays is one of the major error sources in GNSS analysis, as it considerably impairs the accuracy of determined positions. Many GNSS users have no access to real-time information from numerical weather models (NWM), even less to a ray-tracing program capable of directly determining very exact tropospheric path delays. For this reason, empirical troposphere models such as GPT2w (Global Pressure and Temperature 2 wet; Böhm et al., 2015) [1] are of fundamental importance in GNSS analysis. Unfortunately, the accuracy of these empirical models is far worse than that of real-time data, mainly because there is no possibility of capturing short term weather variations, which do not follow seasonal trends. However, in situ meteorological data can be used to significantly improve these empirical models. As is common practice in GNSS analysis, in situ pressure allows very accurate determination of the zenith hydrostatic path delay. In this paper, a new model is proposed revealing new possibilities of improving the zenith wet path delay, which constitutes the main element of uncertainty in troposphere modeling, by additional knowledge of temperature T and water vapor pressure e. Comparison with IGS products or ray-tracing proves the ability of this model to improve empirical zenith wet delays considerably by up to 30%.
Die inkorrekte Modellierung troposphärischer Laufzeitverzögerungen ist eine der Hauptfehlerquellen in der GNSS-Auswertung, da sie die Genauigkeit der Positionsbestimmung signifikant beeinträchtigt. Viele GNSS-Nutzer haben keinen Zugriff auf numerische Wettermodelle (NWM) oder gar auf Raytracing-Programme, mit welchen sich die troposphärischen Laufzeitverzögerungen der Signale sehr genau aus den NWM berechnen ließen. Aus diesem Grund kommt empirischen Troposphärenmodellen wie beispielsweise GPT2w (Global Pressure and Temperature 2 wet; Böhm et al., 2015) [1] in GNSS eine besondere Bedeutung zu. Leider ist deren Genauigkeit nicht mit jener von Echtzeitmodellen vergleichbar, was vor allem daran liegt, dass empirische Modelle kurzfristige Wettervariationen nicht erfassen können. Allerdings kann die Genauigkeit empirischer Modelle durch Hinzunahme meteorologischer Messungen an der Station deutlich gesteigert werden; die hydrostatische Zenitlaufzeitverzögerung kann sehr genau aus lokalen Druckmessungen berechnet werden, was es in GNSS-Auswertungen ohnehin übliche Praxis ist. In diesem Artikel wird ein Modell vorgestellt, mit welchem die feuchte Zenitlaufzeitverzögerung, die den Hauptunsicherheitsfaktor in der Troposphärenmodellierung darstellt, durch lokale Messungen von Temperatur und Wasserdampfdruck wesentlich genauer bestimmt werden kann als es durch rein empirische Methoden möglich ist. Vergleiche mit hochgenauen IGS-Produkten und Raytracing zeigen schließlich, dass mit diesem Modell die Genauigkeit empirischer feuchter Zenitlaufzeitverzögerungen um bis zu 30 % erhöht werden kann.
Abstract
Incorrect modeling of tropospheric delays is one of the major error sources in GNSS analysis, as it considerably impairs the accuracy of determined positions. Many GNSS users have no access to real-time information from numerical weather models (NWM), even less to a ray-tracing program capable of directly determining very exact tropospheric path delays. For this reason, empirical troposphere models such as GPT2w (Global Pressure and Temperature 2 wet; Böhm et al., 2015) [1] are of fundamental importance in GNSS analysis. Unfortunately, the accuracy of these empirical models is far worse than that of real-time data, mainly because there is no possibility of capturing short term weather variations, which do not follow seasonal trends. However, in situ meteorological data can be used to significantly improve these empirical models. As is common practice in GNSS analysis, in situ pressure allows very accurate determination of the zenith hydrostatic path delay. In this paper, a new model is proposed revealing new possibilities of improving the zenith wet path delay, which constitutes the main element of uncertainty in troposphere modeling, by additional knowledge of temperature T and water vapor pressure e. Comparison with IGS products or ray-tracing proves the ability of this model to improve empirical zenith wet delays considerably by up to 30%.
Keywords/Schlüsselwörter
GNSS troposphärische Laufzeitverzögerung feuchte Zenitlaufzeitverzögerung VMF1 GPT2w
GNSS troposphärische Laufzeitverzögerung feuchte Zenitlaufzeitverzögerung VMF1 GPT2w
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VGI_201609_Landskron.pdf
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Scheduling Strategies for the AuScope VLBI network
Kurzfassung
In den letzten Jahren wurde in Australien das AuScope VLBI-Netzwerk errichtet. Es handelt sich um drei neue VLBI-Teleskope (Hobart, Katherine und Yarragadee), welche über den Kontinent verteilt wurden. Mit diesen drei Teleskopen, und gelegentlich zwei weiteren, dem 12-m-Teleskop in Neuseeland und dem 15-m-Telescop in Südafrika, wird das AUSTRAL Beoabachtungsprogramm durchgeführt. Die Beobachtungspläne (sogente Schedules) werden in Wien, Österreich erstellt und die Korrelation der Beobachtungen wird in Perth, Australien durchgeführt. Das AUSTRAL Beobachtungsprogramm beinhaltet verschiedene Experimente (astrometrisch und geodätisch) mit gegensätzlichen Zielen, weshalb die Methode zum Erstellen der Schedules den benötigten Anforderungen angepasst und erweitert werden muss. Wir diskutieren die verschiedenen Techniken, welche zum Erstellen dieser Schedules verwendet werden und präsentieren erste Resultate, die zeigen, dass das AuScope VLBI-Netzwerk Ergebnisse mit einem vergleichbaren Genauigkeitslevel wie globale VLBI-Experimente (durchgeführt vom International VLBI Service for Geodesy and Astrometry - IVS) liefert.
Abstract
In recent years Australia established the AuScope VLBI array which consists of three new 12-m radio telescopes across the continent (Hobart, Katherine and Yarragadee). With this network, the independent AUSTRAL observing program is carried out, regularly adding two more telescopes, the 12-m telescope in New Zealand and the 15-m telescope in South Africa. The observing plans (schedules) are created in Vienna, Austria and the correlation is done in Perth, Australia. The network engages in different AUSTRAL experiments (astrometric and geodetic) with contradictory aims, therefore scheduling approaches have to be adjusted to fit the required needs. We discuss the different techniques used to create these schedules, and provide first results, suggesting that solutions from the AuScope VLBI network are on a similar level of accuracy as standard global VLBI sessions performed by the International VLBI Service for Geodesy and Astrometry (IVS).
In den letzten Jahren wurde in Australien das AuScope VLBI-Netzwerk errichtet. Es handelt sich um drei neue VLBI-Teleskope (Hobart, Katherine und Yarragadee), welche über den Kontinent verteilt wurden. Mit diesen drei Teleskopen, und gelegentlich zwei weiteren, dem 12-m-Teleskop in Neuseeland und dem 15-m-Telescop in Südafrika, wird das AUSTRAL Beoabachtungsprogramm durchgeführt. Die Beobachtungspläne (sogente Schedules) werden in Wien, Österreich erstellt und die Korrelation der Beobachtungen wird in Perth, Australien durchgeführt. Das AUSTRAL Beobachtungsprogramm beinhaltet verschiedene Experimente (astrometrisch und geodätisch) mit gegensätzlichen Zielen, weshalb die Methode zum Erstellen der Schedules den benötigten Anforderungen angepasst und erweitert werden muss. Wir diskutieren die verschiedenen Techniken, welche zum Erstellen dieser Schedules verwendet werden und präsentieren erste Resultate, die zeigen, dass das AuScope VLBI-Netzwerk Ergebnisse mit einem vergleichbaren Genauigkeitslevel wie globale VLBI-Experimente (durchgeführt vom International VLBI Service for Geodesy and Astrometry - IVS) liefert.
Abstract
In recent years Australia established the AuScope VLBI array which consists of three new 12-m radio telescopes across the continent (Hobart, Katherine and Yarragadee). With this network, the independent AUSTRAL observing program is carried out, regularly adding two more telescopes, the 12-m telescope in New Zealand and the 15-m telescope in South Africa. The observing plans (schedules) are created in Vienna, Austria and the correlation is done in Perth, Australia. The network engages in different AUSTRAL experiments (astrometric and geodetic) with contradictory aims, therefore scheduling approaches have to be adjusted to fit the required needs. We discuss the different techniques used to create these schedules, and provide first results, suggesting that solutions from the AuScope VLBI network are on a similar level of accuracy as standard global VLBI sessions performed by the International VLBI Service for Geodesy and Astrometry (IVS).
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VGI_201531_Mayer.pdf
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Laudatio auf Dr. Hana Krásná anlässlich der Verleihung des Karl Rinner Preises 2013
Kurzfassung
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Abstract
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Abstract
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Keywords/Schlüsselwörter
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VGI_201420_Boehm.pdf
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Atmospheric effects on the Earth gravity field featured by TU Vienna
Kurzfassung
Satelliten-Missionen wie GRACE (Gravity Recovery and Climate Experiment) und GOCE (Gravity Field and steady-state Ocean Circulation Explorer), die das Erdschwerefeld erkunden, beobachten die momentane Verteilung der Massen im System Erde, einschließlich aller festen, flüssigen und gasförmigen Bestandteile. Aufgrund der Fluktuation dieser Massen auf verschiedenen räumlichen und zeitlichen Skalen garantiert eine lange Beobachtungszeit nicht, dass die durch sie verursachten Variationendes Schwerefeldeseliminiert werden. Um so gente Aliasing-Effekte zu vermeiden, muss deshalb der bekannte Teil der Massenvariationen modelliert und bezüglich eines mittleren Zustandes korrigiert werden. Innerhalb des Projekts"GGOS Atmosphäre", fiziert vom Österreichischen Wissenschaftsfonds (FWF) am Institut für Geodäsie und Geophysik (IGG) der TU Wien, werden verschiedene Methoden zur Bestimmung der atmosphärischen Schwerefeldfeldkoeffizienten (AGC) ausgewertet. Die Ergebnisse zeigen, dass für eine adäquate Modellierung die vertikale Struktur der Atmosphäre zu berücksichtigen ist. Außerdem hat die Auflast der Atmosphäre einen signifikanten Einfluss auf die Schwerkraftvariation und ist somit ebenfalls zu berücksichtigen. Die Wahl unterschiedlicher Datenstrukturen des ECMWF (European Centre for Medium-range Weather Forecasts), nämlich"model" oder "pressure level" Daten, hat keinen entscheidenden Einfluss auf die AGC. Alle Ergebnisse bestätigen die Strategie zur Datenverarbeitung des GRACE Science Data Systems ([4] Flechtner, 2007), welches das GRACE AOD1B (Stufe 1B Atmosphäre und Ozean de-Aliasing) Produkt bereitstellt.
Abstract
Satellite missions like GRACE (Gravity Recovery and Climate Experiment) and GOCE (Gravity field and steady-state Ocean Circulation Explorer) which explore the Earth gravity field observe the instantaneous distribution of mass in the Earth, including all solid, liquid and gaseous components. Due to the fluctuation of those masses at various temporal and spatial scales, a long observation period does not guarantee that the introduced variations in the gravity field are cancelled out. Therefore, to avoid aliasing effects, the mass variations have to be modeled and corrected with respect to the mean state.Within project GGOS Atmosphere, funded by the Austrian Science Fund (FWF) at the Institute of Geodesy and Geophysics (IGG) of the Vienna University of Technology, different methods for the determination of Atmospheric Gravity field Coefficients (AGC) are evaluated. Results indicate that for a proper modelling the vertical structure of the atmosphere has to be taken into account, as already applied for GRACE data processing. Further, atmosphere loading adds a significant signal to the gravity change which has to be considered, in particular at longer wavelengths. The choice of different data structures of the ECMWF (European Centre for Medium-range Weather Forecasts), i.e. model or pressure level data, does not have a significant impact on the final AGC. All findings confirm the data processing strategy of the GRACE Science Data System([4] Flechtner, 2007), providing the operational GRACE AOD1B (level 1B atmosphere and ocean de-aliasing) product.
Satelliten-Missionen wie GRACE (Gravity Recovery and Climate Experiment) und GOCE (Gravity Field and steady-state Ocean Circulation Explorer), die das Erdschwerefeld erkunden, beobachten die momentane Verteilung der Massen im System Erde, einschließlich aller festen, flüssigen und gasförmigen Bestandteile. Aufgrund der Fluktuation dieser Massen auf verschiedenen räumlichen und zeitlichen Skalen garantiert eine lange Beobachtungszeit nicht, dass die durch sie verursachten Variationendes Schwerefeldeseliminiert werden. Um so gente Aliasing-Effekte zu vermeiden, muss deshalb der bekannte Teil der Massenvariationen modelliert und bezüglich eines mittleren Zustandes korrigiert werden. Innerhalb des Projekts"GGOS Atmosphäre", fiziert vom Österreichischen Wissenschaftsfonds (FWF) am Institut für Geodäsie und Geophysik (IGG) der TU Wien, werden verschiedene Methoden zur Bestimmung der atmosphärischen Schwerefeldfeldkoeffizienten (AGC) ausgewertet. Die Ergebnisse zeigen, dass für eine adäquate Modellierung die vertikale Struktur der Atmosphäre zu berücksichtigen ist. Außerdem hat die Auflast der Atmosphäre einen signifikanten Einfluss auf die Schwerkraftvariation und ist somit ebenfalls zu berücksichtigen. Die Wahl unterschiedlicher Datenstrukturen des ECMWF (European Centre for Medium-range Weather Forecasts), nämlich"model" oder "pressure level" Daten, hat keinen entscheidenden Einfluss auf die AGC. Alle Ergebnisse bestätigen die Strategie zur Datenverarbeitung des GRACE Science Data Systems ([4] Flechtner, 2007), welches das GRACE AOD1B (Stufe 1B Atmosphäre und Ozean de-Aliasing) Produkt bereitstellt.
Abstract
Satellite missions like GRACE (Gravity Recovery and Climate Experiment) and GOCE (Gravity field and steady-state Ocean Circulation Explorer) which explore the Earth gravity field observe the instantaneous distribution of mass in the Earth, including all solid, liquid and gaseous components. Due to the fluctuation of those masses at various temporal and spatial scales, a long observation period does not guarantee that the introduced variations in the gravity field are cancelled out. Therefore, to avoid aliasing effects, the mass variations have to be modeled and corrected with respect to the mean state.Within project GGOS Atmosphere, funded by the Austrian Science Fund (FWF) at the Institute of Geodesy and Geophysics (IGG) of the Vienna University of Technology, different methods for the determination of Atmospheric Gravity field Coefficients (AGC) are evaluated. Results indicate that for a proper modelling the vertical structure of the atmosphere has to be taken into account, as already applied for GRACE data processing. Further, atmosphere loading adds a significant signal to the gravity change which has to be considered, in particular at longer wavelengths. The choice of different data structures of the ECMWF (European Centre for Medium-range Weather Forecasts), i.e. model or pressure level data, does not have a significant impact on the final AGC. All findings confirm the data processing strategy of the GRACE Science Data System([4] Flechtner, 2007), providing the operational GRACE AOD1B (level 1B atmosphere and ocean de-aliasing) product.
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VGI_201115_Karbon.pdf
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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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Determination of water vapor trends from VLBI observations
Kurzfassung
Beobachtungen der Radiointerferometrie auf langen Basislinien (VLBI) können zur Bestimmung des ausfällbaren Wassers in der Atmosphäre über den Messstationen herangezogen werden. Die Zeitreihen können einen wichtigen Beitrag für die meteorologische Forschung leisten. Da von manchen VLBI Stationen Beobachtungsreihen über mehr als zwanzig Jahre vorliegen, können langfristige Trends berechnet werden. In dieser Studie werden zwei Methoden zur Trendbestimmung untersucht: Zum einen werden lineare Trendanteile mit dem BIBER-Schätzer (bounded influence by standardized residuals) bestimmt, zum anderen werden lineare und nicht-lineare Eigenschaften der Trendkomponente mit normierten, quadratischen B-spline Wavelets dargestellt. Wird der Trendanteil im Gegensatz zu einem linearen Term durch die Wavelets beschrieben, so sind die Standardabweichungen der Residuen signifikant kleiner. Robust geschätzte lineare Trends an zwölf global verteilten VLBI Stationen werden präsentiert.
Abstract
Very Long Baseline Interferometry (VLBI) observations can be analyzed to derive precipitable water, which can be an important contribution for meteorological research. Since some of the VLBI stations observe for more than twenty years, it is possible to determine long-term trends. In this work we introduce two methods for the climate trend determination: the robust estimation of a linear trend using the bounded influence by standardized residuals (BIBER) – estimator, and a multi-resolution quadratic normalized B-spline wavelet model for the representation of linear and nonlinear trend characteristics. If the trend is modeled by the wavelets instead of a solely linear term, the rms of the residuals becomes significantly smaller. Robust estimated linear trends of water vapor at twelve globally distributed VLBI sites are presented.
Beobachtungen der Radiointerferometrie auf langen Basislinien (VLBI) können zur Bestimmung des ausfällbaren Wassers in der Atmosphäre über den Messstationen herangezogen werden. Die Zeitreihen können einen wichtigen Beitrag für die meteorologische Forschung leisten. Da von manchen VLBI Stationen Beobachtungsreihen über mehr als zwanzig Jahre vorliegen, können langfristige Trends berechnet werden. In dieser Studie werden zwei Methoden zur Trendbestimmung untersucht: Zum einen werden lineare Trendanteile mit dem BIBER-Schätzer (bounded influence by standardized residuals) bestimmt, zum anderen werden lineare und nicht-lineare Eigenschaften der Trendkomponente mit normierten, quadratischen B-spline Wavelets dargestellt. Wird der Trendanteil im Gegensatz zu einem linearen Term durch die Wavelets beschrieben, so sind die Standardabweichungen der Residuen signifikant kleiner. Robust geschätzte lineare Trends an zwölf global verteilten VLBI Stationen werden präsentiert.
Abstract
Very Long Baseline Interferometry (VLBI) observations can be analyzed to derive precipitable water, which can be an important contribution for meteorological research. Since some of the VLBI stations observe for more than twenty years, it is possible to determine long-term trends. In this work we introduce two methods for the climate trend determination: the robust estimation of a linear trend using the bounded influence by standardized residuals (BIBER) – estimator, and a multi-resolution quadratic normalized B-spline wavelet model for the representation of linear and nonlinear trend characteristics. If the trend is modeled by the wavelets instead of a solely linear term, the rms of the residuals becomes significantly smaller. Robust estimated linear trends of water vapor at twelve globally distributed VLBI sites are presented.
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VGI_200709_Heinkelmann.pdf
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Numerische Wettermodelle für die troposphärische Modellierung bei GPS und VLBI
Kurzfassung
Die mittels sogenter Projektionsfunktionen (engl.: mapping functions) modellierte troposphärische Refraktion ist eine der wichtigstenFehlerquellen bei derAuswertungvon GPS-(GlobalPositioning System) und VLBI-(Very Long Baseline Interferometry) Beobachtungen. Fehler in diesen Funktionen wirken sich nicht nur auf die troposphärischen Laufzeitverzögerungen in Zenitrichtung aus, sondern aufgrund von Korrelationen auch auf die geschätzten Stationshöhen. Um die troposphärischen Projektionsfunktionen besser bestimmen zukönnen, sind in den letzten Jahren meteorologische Profileverwendet worden, die aus numerischenWettermodellen erhalten werden.So liegen bei der Vienna Mapping Function (VMF) Daten des ECMWF (European Centre for Medium-Range Weather Forecasts) zugrunde. Untersuchungen zeigen, dass sich mit der VMF nicht nur die innere Genauigkeit der geodätischen Ergebnisse signifikant verbessert, sondern dass sich auch die Stationshöhen selbst im cm-Bereich ändern können.
Abstract
Tropospheric mapping functions which are used for modeling tropospheric refraction are one of the major error sources in the analyses of GPS (Global Positioning System) and VLBI (Very Long Baseline Interferometry) observations. Errors of these mapping functions do not only influence the tropospheric zenith path delays,but – through correlations – also the station heights. In recent years, data from numerical weather models have been applied to determine the mapping functions. For the Vienna Mapping Function (VMF) meteorological profiles are taken from the ECMWF (European Centrefor Medium-RangeWeatherForecasts). Investigations show that the application of the VMF does improve the precision of geodetic parameters, and even, the station heights themselves can change at the cm-level.
Die mittels sogenter Projektionsfunktionen (engl.: mapping functions) modellierte troposphärische Refraktion ist eine der wichtigstenFehlerquellen bei derAuswertungvon GPS-(GlobalPositioning System) und VLBI-(Very Long Baseline Interferometry) Beobachtungen. Fehler in diesen Funktionen wirken sich nicht nur auf die troposphärischen Laufzeitverzögerungen in Zenitrichtung aus, sondern aufgrund von Korrelationen auch auf die geschätzten Stationshöhen. Um die troposphärischen Projektionsfunktionen besser bestimmen zukönnen, sind in den letzten Jahren meteorologische Profileverwendet worden, die aus numerischenWettermodellen erhalten werden.So liegen bei der Vienna Mapping Function (VMF) Daten des ECMWF (European Centre for Medium-Range Weather Forecasts) zugrunde. Untersuchungen zeigen, dass sich mit der VMF nicht nur die innere Genauigkeit der geodätischen Ergebnisse signifikant verbessert, sondern dass sich auch die Stationshöhen selbst im cm-Bereich ändern können.
Abstract
Tropospheric mapping functions which are used for modeling tropospheric refraction are one of the major error sources in the analyses of GPS (Global Positioning System) and VLBI (Very Long Baseline Interferometry) observations. Errors of these mapping functions do not only influence the tropospheric zenith path delays,but – through correlations – also the station heights. In recent years, data from numerical weather models have been applied to determine the mapping functions. For the Vienna Mapping Function (VMF) meteorological profiles are taken from the ECMWF (European Centrefor Medium-RangeWeatherForecasts). Investigations show that the application of the VMF does improve the precision of geodetic parameters, and even, the station heights themselves can change at the cm-level.
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IVS Pilot Project - Tropospheric Parameters
Kurzfassung
Ganz ähnlich wie das GPS-Verfahren ist auch die Radiointerferometrie auf langen Basislinien (Very Long Baseline Interferometry, VLBI) in der Lage, troposphärische Laufzeitverzögerungen in Zenitrichtung sehr genau zu bestimmen. Diese beinhalten unter anderem Informationen über den Feuchtegehalt der Troposphäre an den beteiligten VLBI-Stationen. Die Ergebnisse können nicht nur für meteorologische Zwecke verwendet werden, sondern spielen auch in der Klimaforschung eine Rolle. Wieder einmal zeigt sich, dass sozusagen ein Nebenprodukt geodätischer Messungen von großem Interesse für Nachbardisziplinen der Geodäsie sein kann. Zwar ist die globale Verteilung von VLBI-Stationen nicht so hoch wie bei GPS und eine Auswertung in Echtzeit ist noch nicht möglich, aber dennoch sind die troposphärischen Laufzeitverzögerungen der VLBI auf Grund ihrer hohen Genauigkeit von großer Bedeutung für Vergleiche mit Ergebnissen von GPS oder anderen Techniken, wie z. B. Wasserdampfradiometern. Außerdem können für einige VLBI-Stationen konsistente Zeitserien der troposphärischen Parameter von beinahe 20 Jahren ermittelt werden, die für klimatologische Studien herangezogen werden können. Aus diesen Gründen wurde im April 2002 durch den IVS (International VLBI Service for Geodesy and Astrometry) das Pilot Project - Tropospheric Parameters eingerichtet, und das Institut für Geodäsie und Geophysik (IGG) der TU Wien wurde mit der Koordination des Pilotprojekts betraut. Mittlerweile nehmen sieben VLBI-Analysezentren teil und reichen regelmäßig ihre Schätzungen der troposphärischen Parameter (totale und feuchte Laufzeitverzögerung in Zenitrichtung, horizontale Gradienten) der IVS-R1 und IVS-R4 Experimente seit 1. Jänner 2002 ein. Die einzelnen Abgaben werden am IGG in einem zweistufigen Verfahren zu genauen und stabilen troposphärischen Parametern mit stündlicher Auflösung kombiniert. Diese Laufzeitverzögerungen in Zenitrichtung wurden mit den vom IGS (International GPS Service) ermittelten Werten verglichen. An Stationen mit VLBI- und GPS-Antennen treten konstante Differenzen zwischen den Laufzeitverzögerungen auf, obwohl beide Verfahren den gleichen troposphärischen Einflüssen unterliegen. Mögliche Gründe dafür werden diskutiert.
Abstract
In April 2002 the IVS (International VLBI Service for Geodesy and Astrometry) set up the Pilot Project - Tropospheric Parameters, and the Institute of Geodesy and Geophysics (IGG), Vienna, was asked to coordinate the project. Seven IVS Analysis Centers have joined the project until now and submitted their estimates of tropospheric parameters (wet and total zenith delays, horizontal gradients) for all IVS-R1 and IVS-R4 sessions since January 1st, 2002, on a regular basis. The individual submissions are combined by a two-step procedure to stable, robust and highly accurate tropospheric parameters with 1 h resolution. The zenith delays derived by VLBI (Very Long Baseline Interferometry) are compared with those provided by the International GPS Service (IGS). At collocated sites (VLBI and GPS antennas at the same station), almost constant biases are found between the GPS (Global Positioning System) and VLBI derived zenith delays, although the signals recorded by both techniques are subject to the same tropospheric delays. Possible reasons for these biases are discussed.
Ganz ähnlich wie das GPS-Verfahren ist auch die Radiointerferometrie auf langen Basislinien (Very Long Baseline Interferometry, VLBI) in der Lage, troposphärische Laufzeitverzögerungen in Zenitrichtung sehr genau zu bestimmen. Diese beinhalten unter anderem Informationen über den Feuchtegehalt der Troposphäre an den beteiligten VLBI-Stationen. Die Ergebnisse können nicht nur für meteorologische Zwecke verwendet werden, sondern spielen auch in der Klimaforschung eine Rolle. Wieder einmal zeigt sich, dass sozusagen ein Nebenprodukt geodätischer Messungen von großem Interesse für Nachbardisziplinen der Geodäsie sein kann. Zwar ist die globale Verteilung von VLBI-Stationen nicht so hoch wie bei GPS und eine Auswertung in Echtzeit ist noch nicht möglich, aber dennoch sind die troposphärischen Laufzeitverzögerungen der VLBI auf Grund ihrer hohen Genauigkeit von großer Bedeutung für Vergleiche mit Ergebnissen von GPS oder anderen Techniken, wie z. B. Wasserdampfradiometern. Außerdem können für einige VLBI-Stationen konsistente Zeitserien der troposphärischen Parameter von beinahe 20 Jahren ermittelt werden, die für klimatologische Studien herangezogen werden können. Aus diesen Gründen wurde im April 2002 durch den IVS (International VLBI Service for Geodesy and Astrometry) das Pilot Project - Tropospheric Parameters eingerichtet, und das Institut für Geodäsie und Geophysik (IGG) der TU Wien wurde mit der Koordination des Pilotprojekts betraut. Mittlerweile nehmen sieben VLBI-Analysezentren teil und reichen regelmäßig ihre Schätzungen der troposphärischen Parameter (totale und feuchte Laufzeitverzögerung in Zenitrichtung, horizontale Gradienten) der IVS-R1 und IVS-R4 Experimente seit 1. Jänner 2002 ein. Die einzelnen Abgaben werden am IGG in einem zweistufigen Verfahren zu genauen und stabilen troposphärischen Parametern mit stündlicher Auflösung kombiniert. Diese Laufzeitverzögerungen in Zenitrichtung wurden mit den vom IGS (International GPS Service) ermittelten Werten verglichen. An Stationen mit VLBI- und GPS-Antennen treten konstante Differenzen zwischen den Laufzeitverzögerungen auf, obwohl beide Verfahren den gleichen troposphärischen Einflüssen unterliegen. Mögliche Gründe dafür werden diskutiert.
Abstract
In April 2002 the IVS (International VLBI Service for Geodesy and Astrometry) set up the Pilot Project - Tropospheric Parameters, and the Institute of Geodesy and Geophysics (IGG), Vienna, was asked to coordinate the project. Seven IVS Analysis Centers have joined the project until now and submitted their estimates of tropospheric parameters (wet and total zenith delays, horizontal gradients) for all IVS-R1 and IVS-R4 sessions since January 1st, 2002, on a regular basis. The individual submissions are combined by a two-step procedure to stable, robust and highly accurate tropospheric parameters with 1 h resolution. The zenith delays derived by VLBI (Very Long Baseline Interferometry) are compared with those provided by the International GPS Service (IGS). At collocated sites (VLBI and GPS antennas at the same station), almost constant biases are found between the GPS (Global Positioning System) and VLBI derived zenith delays, although the signals recorded by both techniques are subject to the same tropospheric delays. Possible reasons for these biases are discussed.
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Determination of Tropospheric Parameters by VLBI as a Contribution to Climatological Studies
Kurzfassung
Erst in den letzten Jahren wurde erkannt, dass die troposphärischen Laufzeitverzögerungen, denen die Signale der VLBI (Very Long Baseline Interferometry) und GPS unterworfen sind, nicht nur Störgrößen bei der Bestimmung geodätischer Parameter (Stationskoordinaten, Erdorientierungsparameter, ...) sind, sondern auch wertvolle Informationen für Meteorologie und Klimatologie liefern können. Zum Beispiel lässt sich aus dem feuchten Anteil der Laufzeitverzögerung in Zenitrichtung der Wasserdampfgehalt über der Station mit hoher Genauigkeit bestimmen. Im Gegensatz zu GPS ist eine Auswertung der VLBI-Experimente in genäherter Echtzeit noch nicht möglich; andererseits aber überdecken die zur Verfügung stehenden konsistenten VLBI-Reihen troposphärischer Parameter einen erheblich längeren Zeitraum. Für manche Stationen existieren Zeitserien seit Beginn der 80er Jahre. Daraus können langzeitliche Trends bestimmt werden und somit auf eine Zu- oder Abnahme des Feuchtegehalts der Troposphäre geschlossen werden. An der Station Wettzell (Bayerischer Wald, Deutschland) wurde der Trend für die letzten 20 Jahre zu ~ +0.7 mm/Jahr bestimmt, was einer Zunahme des ausfällbaren Wassers von ~+0.1 mm/Jahr entspricht. Dies stimmt wiederum sehr gut mit der am Boden gemessenen durchschnittlichen Temperaturzunahme von +0.13 °C/Jahr an der Station Wettzell überein, da eine höhere Temperatur der Troposphäre auch eine erhöhte Speicherung von Wasserdampf erlaubt. Zusätzlich werden periodische Variationen in den Zeitserien mit Fourier- und Waveletanalysen ermittelt. Dabei zeigen sich neben den zu erwartenden saisonalen Schwankungen auch andere Perioden, die je nach Station unterschiedlich stark ausgeprägt sind. Schließlich werden die VLBI-Ergebnisse der Feuchte mit Daten des ECMWF (European Centre for Medium-Range Weather Forecasts) verglichen, wobei eine sehr gute Übereinstimmung zu erkennen ist.
Abstract
As consistent VLBI observations at various stations over the whole globe have been carried out since 1984, it is possible to determine long time series not only of baseline vectors and Earth orientation parameters, but also of tropospheric parameters. Time series of wet zenith delays provide information about trends and periodic variations of the amount of water vapour in the troposphere. At Wettzell (Germany) there is a trend of ~+0.7 mm/year in the wet zenith delay which corresponds to ~+0.1 mm/year precipitable water vapour. Additionally, periodic variations in the time series are revealed by Fourier and wavelet analyses, and information about the precipitable water provided by the ECMWF (European Centre for Medium-Range Weather Forecasts) is used to evaluate the VLBI estimates.
Erst in den letzten Jahren wurde erkannt, dass die troposphärischen Laufzeitverzögerungen, denen die Signale der VLBI (Very Long Baseline Interferometry) und GPS unterworfen sind, nicht nur Störgrößen bei der Bestimmung geodätischer Parameter (Stationskoordinaten, Erdorientierungsparameter, ...) sind, sondern auch wertvolle Informationen für Meteorologie und Klimatologie liefern können. Zum Beispiel lässt sich aus dem feuchten Anteil der Laufzeitverzögerung in Zenitrichtung der Wasserdampfgehalt über der Station mit hoher Genauigkeit bestimmen. Im Gegensatz zu GPS ist eine Auswertung der VLBI-Experimente in genäherter Echtzeit noch nicht möglich; andererseits aber überdecken die zur Verfügung stehenden konsistenten VLBI-Reihen troposphärischer Parameter einen erheblich längeren Zeitraum. Für manche Stationen existieren Zeitserien seit Beginn der 80er Jahre. Daraus können langzeitliche Trends bestimmt werden und somit auf eine Zu- oder Abnahme des Feuchtegehalts der Troposphäre geschlossen werden. An der Station Wettzell (Bayerischer Wald, Deutschland) wurde der Trend für die letzten 20 Jahre zu ~ +0.7 mm/Jahr bestimmt, was einer Zunahme des ausfällbaren Wassers von ~+0.1 mm/Jahr entspricht. Dies stimmt wiederum sehr gut mit der am Boden gemessenen durchschnittlichen Temperaturzunahme von +0.13 °C/Jahr an der Station Wettzell überein, da eine höhere Temperatur der Troposphäre auch eine erhöhte Speicherung von Wasserdampf erlaubt. Zusätzlich werden periodische Variationen in den Zeitserien mit Fourier- und Waveletanalysen ermittelt. Dabei zeigen sich neben den zu erwartenden saisonalen Schwankungen auch andere Perioden, die je nach Station unterschiedlich stark ausgeprägt sind. Schließlich werden die VLBI-Ergebnisse der Feuchte mit Daten des ECMWF (European Centre for Medium-Range Weather Forecasts) verglichen, wobei eine sehr gute Übereinstimmung zu erkennen ist.
Abstract
As consistent VLBI observations at various stations over the whole globe have been carried out since 1984, it is possible to determine long time series not only of baseline vectors and Earth orientation parameters, but also of tropospheric parameters. Time series of wet zenith delays provide information about trends and periodic variations of the amount of water vapour in the troposphere. At Wettzell (Germany) there is a trend of ~+0.7 mm/year in the wet zenith delay which corresponds to ~+0.1 mm/year precipitable water vapour. Additionally, periodic variations in the time series are revealed by Fourier and wavelet analyses, and information about the precipitable water provided by the ECMWF (European Centre for Medium-Range Weather Forecasts) is used to evaluate the VLBI estimates.
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VLBIONOS - Probing the Ionosphere by Means of Very Long Baseline Interferometry
Kurzfassung
Aufbau, Beschaffenheit, geographische und zeitliche Veränderungen der Ionosphäre (grob gesagt der Bereich der Erdhülle zwischen 50 km und 1000 km) sind für Meteorologen und Klimaforscher ein wichtiger Untersuchungsgegenstand. Aber auch für die Geodäsie spielt die Ionosphäre eine immer bedeutendere Rolle. Einerseits werden Signale im Radiofrequenzbereich durch die Ionosphäre derart abgelenkt bzw. verzögert, daß z.B. hochgenaue GPS-Messungen nur durch Beobachtung auf zwei Frequenzen möglich sind und es trotzdem während der ungefähr alle 11 Jahre auftretenden Perioden starker Sonnenaktivität zu spürbaren Genauigkeits- und Qualitätseinbußen der GPS-Ergebnisse kommt. Andererseits ist es heutzutage möglich, aus global verteilten GPS-Messungen wie sie z.B. im Rahmen des International GPS Service (IGS) durchgeführt werden, Informationen über den Zustand und die kurz- und langfristigen Veränderungen der Ionosphäre zu gewinnen. Im vorliegenden Artikel wird erstmals gezeigt, daß dies auch mit dem Verfahren der Very Long Baseline Interferometry (VLBI) möglich ist. Es sollen erste Ergebnisse präsentiert werden, die im Rahmen eines vom österreichischen Fonds zur Förderung der wissenschaftlichen Forschung (FWF) seit März 2003 unterstützten Forschungsprojekts erzielt wurden. Bei dem Verfahren der Radiointerferometrie auf langen Basislinien (VLBI) wird auf zwei unterschiedlichen Frequenzbändern (2.3 und 8.4 GHz) beobachtet, um die Laufzeitverzögerung zu bestimmen, die durch die Ionosphäre verursacht wird. Dadurch können Rückschlüsse auf den Gesamtelektronengehalt (TEC) entlang des Ausbreitungsweges der Welle gezogen werden. Allerdings lassen sich in einem einfachen Ansatz nur die Differenzen in der Beschaffenheit der Ionosphäre über den einzelnen Stationen bestimmen, und die Beobachtungen sind zusätzlich noch um einen durch instrumentelle Einflüsse hervorgerufenen konstanten Wert verfälscht. Da jedoch in unterschiedlichen Azimuten und Elevationen beobachtet wird, gelingt mittels spezieller Methoden durch eine Parameterschätzung nach der Methode der kleinsten Quadrate eine Trennung von den instrumentellen Einflüssen und somit eine Bestimmung der absoluten ionosphärischen Parameter. In ersten Analysen wurde der vertikale Gesamtelektronengehalt in Form von Fourieransätzen (bis Grad 4) geschätzt. Dabei wurde vereinfachend angenommen, daß alle Beobachtungen in Zenitrichtung durchgeführt wurden. Die innere Genauigkeit der VLBI-Ergebnisse wird zu +/- 5-7 TEC Units (TECU) geschätzt. Trotz der erwähnten Approximation stimmen die Ergebnisse auch mit denen von GPS innerhalb von +/- 10 TECU überein mit maximalen Abweichungen von 20 TECU. Ebenfalls erprobt wurde ein zweiter, an der TU Wien entwickelter Ansatz mit stückweise linearen Funktionen (VTM – Vienna TEC Model).
Abstract
In geodetic Very Long Baseline Interferometry (VLBI) the observations are performed at two distinct frequencies (2.3 and 8.4 GHz) in order to determine ionospheric delay corrections. This allows information to be obtained from the VLBI observables about the sum of electrons (total electron content - TEC) along the ray path through the ionosphere. Due to the fact that VLBI is a differential technique, only the differences in the behavior of the propagation media over the stations determine the values of the observed ionospheric delays. However, in a first simple approach, an instrumental delay offset per baseline shifts the TEC measurements by a constant value. This offset is independent of the azimuth and elevation of the observed radio source and allows separation of the ionospheric parameters for each station from the instrumental delay offsets per baseline in a least-squares adjustment. In first tests of this method Fourier coefficients up to the 4th order plus a constant value and a linear trend were estimated to represent the vertical TEC (VTEC). Slant TEC (STEC) values are converted into VTEC values by a mapping function. A disadvantage of this approach is the assumption that these values are assigned to the station coordinates but not to the geographical coordinates of the intersection point of the ray path and the infinitely thin ionospheric layer. The precision of the estimated values is about +/- 5 to 7 TEC units (TECU). The results obtained from VLBI agree with a standard deviation of +/- 10 TECU with other techniques like GPS, rarely exceeding 20 TECU. A second approach, developed at the TU Vienna, using piece-wise linear functions (VTM – Vienna TEC model) was also tested.
Aufbau, Beschaffenheit, geographische und zeitliche Veränderungen der Ionosphäre (grob gesagt der Bereich der Erdhülle zwischen 50 km und 1000 km) sind für Meteorologen und Klimaforscher ein wichtiger Untersuchungsgegenstand. Aber auch für die Geodäsie spielt die Ionosphäre eine immer bedeutendere Rolle. Einerseits werden Signale im Radiofrequenzbereich durch die Ionosphäre derart abgelenkt bzw. verzögert, daß z.B. hochgenaue GPS-Messungen nur durch Beobachtung auf zwei Frequenzen möglich sind und es trotzdem während der ungefähr alle 11 Jahre auftretenden Perioden starker Sonnenaktivität zu spürbaren Genauigkeits- und Qualitätseinbußen der GPS-Ergebnisse kommt. Andererseits ist es heutzutage möglich, aus global verteilten GPS-Messungen wie sie z.B. im Rahmen des International GPS Service (IGS) durchgeführt werden, Informationen über den Zustand und die kurz- und langfristigen Veränderungen der Ionosphäre zu gewinnen. Im vorliegenden Artikel wird erstmals gezeigt, daß dies auch mit dem Verfahren der Very Long Baseline Interferometry (VLBI) möglich ist. Es sollen erste Ergebnisse präsentiert werden, die im Rahmen eines vom österreichischen Fonds zur Förderung der wissenschaftlichen Forschung (FWF) seit März 2003 unterstützten Forschungsprojekts erzielt wurden. Bei dem Verfahren der Radiointerferometrie auf langen Basislinien (VLBI) wird auf zwei unterschiedlichen Frequenzbändern (2.3 und 8.4 GHz) beobachtet, um die Laufzeitverzögerung zu bestimmen, die durch die Ionosphäre verursacht wird. Dadurch können Rückschlüsse auf den Gesamtelektronengehalt (TEC) entlang des Ausbreitungsweges der Welle gezogen werden. Allerdings lassen sich in einem einfachen Ansatz nur die Differenzen in der Beschaffenheit der Ionosphäre über den einzelnen Stationen bestimmen, und die Beobachtungen sind zusätzlich noch um einen durch instrumentelle Einflüsse hervorgerufenen konstanten Wert verfälscht. Da jedoch in unterschiedlichen Azimuten und Elevationen beobachtet wird, gelingt mittels spezieller Methoden durch eine Parameterschätzung nach der Methode der kleinsten Quadrate eine Trennung von den instrumentellen Einflüssen und somit eine Bestimmung der absoluten ionosphärischen Parameter. In ersten Analysen wurde der vertikale Gesamtelektronengehalt in Form von Fourieransätzen (bis Grad 4) geschätzt. Dabei wurde vereinfachend angenommen, daß alle Beobachtungen in Zenitrichtung durchgeführt wurden. Die innere Genauigkeit der VLBI-Ergebnisse wird zu +/- 5-7 TEC Units (TECU) geschätzt. Trotz der erwähnten Approximation stimmen die Ergebnisse auch mit denen von GPS innerhalb von +/- 10 TECU überein mit maximalen Abweichungen von 20 TECU. Ebenfalls erprobt wurde ein zweiter, an der TU Wien entwickelter Ansatz mit stückweise linearen Funktionen (VTM – Vienna TEC Model).
Abstract
In geodetic Very Long Baseline Interferometry (VLBI) the observations are performed at two distinct frequencies (2.3 and 8.4 GHz) in order to determine ionospheric delay corrections. This allows information to be obtained from the VLBI observables about the sum of electrons (total electron content - TEC) along the ray path through the ionosphere. Due to the fact that VLBI is a differential technique, only the differences in the behavior of the propagation media over the stations determine the values of the observed ionospheric delays. However, in a first simple approach, an instrumental delay offset per baseline shifts the TEC measurements by a constant value. This offset is independent of the azimuth and elevation of the observed radio source and allows separation of the ionospheric parameters for each station from the instrumental delay offsets per baseline in a least-squares adjustment. In first tests of this method Fourier coefficients up to the 4th order plus a constant value and a linear trend were estimated to represent the vertical TEC (VTEC). Slant TEC (STEC) values are converted into VTEC values by a mapping function. A disadvantage of this approach is the assumption that these values are assigned to the station coordinates but not to the geographical coordinates of the intersection point of the ray path and the infinitely thin ionospheric layer. The precision of the estimated values is about +/- 5 to 7 TEC units (TECU). The results obtained from VLBI agree with a standard deviation of +/- 10 TECU with other techniques like GPS, rarely exceeding 20 TECU. A second approach, developed at the TU Vienna, using piece-wise linear functions (VTM – Vienna TEC model) was also tested.
Keywords/Schlüsselwörter
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