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Turbulenz Untersuchungen und verbesserte Modellierung der atmosphärischen Refraktion mit VLBI und GNSS

Forschungsprojekte aus dem Bereich Positionierung und Navigation

Turbulenz Untersuchungen und verbesserte Modellierung der atmosphärischen Refraktion mit VLBI und GNSS

Leitung:  Prof. Dr.-Ing. Steffen Schön
E-Mail:  schoen@ife.uni-hannover.de
Team:  Dipl.-Ing. Franziska Kube
Jahr:  2012
Förderung:  DFG (SCHO 1314/3-1)
Ist abgeschlossen:  ja

Motivation

Unzureichende Kenntnisse über die räumliche und zeitliche Variation des Refraktionsindex in der neutralen Atmosphäre verhindert bisher eine Qualitätsverbesserung geodätischer Raumverfahren für die präzise Positionierung und Überwachung der Erdrotation. Bislang werden nur Effekte mit jährlichen bis stündlichen (langperiodischen) Variationen berücksichtigt. Kurzperiodische Variationen im Bereiche von Minuten bis zu Bruchteilen von Sekunden, die durch Turbulenz in den ersten Kilometern über der Erdoberfläche verursacht werden, finden noch keine Berücksichtigung. Diese Refraktionsindexschwankungen rufen Phasenfluktuationen in Signalen hervor, die das turbulente Medium passieren. Für elektromagnetischen Wellen, wie sie bei GNSS und VLBI Verwendung finden, bilden diese Phasenfluktuationen eine wesentliche Fehlerquelle.Turbulente Prozesse können am besten stochastisch beschrieben werden. Gemäß dem bekannten Ansatz der Turbulenz Theorie nach Kolmogorov, sind Refraktionsindexschwankungen durch spezielle exponentielle Prozesse charakterisiert. Da die resultierenden Phasenfluktuationen nicht stationär sind, kommen geeignete Analysewerkzeuge, wie z. B zeitliche oder räumliche Strukturfunktionen zum Einsatz. Der turbulente Zustand wird dann durch die Form der Strukturfunktion beschreiben, wobei sich in doppelt logarithmischen Darstellungen typische Steigungen von 5/3 oder 2/3 ergeben.

Ziele

  • Verbesserte Beschreibung von Refraktionsindexschwankungen und Bestimmung von Turbulenz-Parametern
  • Verbesserte Modellierung der neutrosphärischen Refraktion

Verfahren

Auf der Geodätischen Fundamentalstation Wettzell bietet sich die ausgezeichnete Gelegenheit zwei Raumverfahren im Radiowellenbereich – GNSS und VLBI – parallel zu nutzen. Eine Gruppe von Radio-Teleskopen und GNSS-Permanent-Stationen und das Wettzell Footprint Netz eröffnen zahlreiche Möglichkeiten die Variabilität des Wasserdampfes in der Atmosphäre und die resultierenden Refraktionseffekte zu untersuchen. Neben bestehenden Methoden (z. B. Strukturfunktionen) müssen neue Konzepte entwickelt werden – nicht nur zur Bestimmung der Strukturkonstanten und Exponenten der Prozesse - sondern auch für weitere wichtige atmosphärische Turbulenzparameter, wie Skalenlänge, Windrichtung und -geschwindigkeit. Weiterhin sollen operationelle Methoden entwickelt werden, um reale Turbulenzinformationen für eine verbesserte Modellierung der troposphärischen Laufzeitverzögerungen in GNSS und VLBI zu erreichen.