COMBION

Ziel des Projekts ist, die Ionosphäre mit verschiedenen geodätischen Weltraumverfahren zu beobachten und eine Kombinationsprozedur für die Berechnung von integrierten globalen Modellen zu entwickeln. Die kombinierten Ionosphärenmodelle sollen die Vorteile jeder einzelnen Messtechnik optimal nutzen, indem sie im Vergleich zu den einzelnen Verfahren über eine homogenere Abdeckung sowie über höhere Genauigkeit und Zuverlässigkeit verfügen. Als erster Schritt sollen die Modelle in Form globaler Karten des vertikalen Gesamtelektronengehalts als Funktion der Länge, Breite und Zeit generiert werden. Dann sollen die globalen Einschicht-Ionosphärenkarten durch zusätzliche Schichten erweitert werden, um die vertikalen Variationen der Ionosphäre zu erfassen. In der Schlussphase des Projekts werden die kombinierten globalen Ionosphärenkarten als Basis für die Entwicklung integrierter 4D Modelle genutzt, die die Ionosphäre in Länge, Breite, Zeit und Höhe repräsentieren. Die resultierenden kombinierten globalen Ionosphärenkarten werden nützlich sein zur Korrektur von Einfrequenzmessungen, die nach wie vor von vielen im Radiofrequenzbereich operierenden Verfahren geliefert werden, sowie zur Validierung und Verbesserung der aus individuellen Techniken und theoretischen Modellen abgeleiteten Ionosphärenparameter. Die als Nebenprodukt berechneten spezifischen systematischen Fehler, wie z.B. die GNSS DCB, werden auch für verschiedene andere Anwendungen verwendet. Die kombinierten Ionosphärenmodelle können zu unterschiedlichen Studien der Physik der oberen Erdatmosphäre und der Sonne- Erd-Umgebung beitragen. Innerhalb der Forschungsarbeit sollen folgende Weltraumverfahren berücksichtigt werden: das Globale Satellitennavigationssystem (GNSS), Satellitenaltimetrie-Missionen, Interferometrie auf langen Basislinien (VLBI), das französische System DORIS und tieffliegende Erdsatelliten (LEOs) wie z.B. CHAMP, GRACE und GOCE. Das Projekt COMBION wird aus den folgenden Hauptschritten bestehen: Erforschung der von jedem individuellen Verfahren gelieferten Ionosphärenparameter; Betrachtung und Modellierung der spezifischen systematischen Fehler. Definition des 3D-Modells und Berechnung globaler Ionosphärenkarten aus GNSS-Messungen mit einer zeitlichen Auflösung von zwei Stunden. Entwicklung eines Verfahrens zur Kombination der GNSS Ionosphärenkarten mit Ergebnissen anderer Weltraumverfahren auf Normalgleichungsebene; Bestimmung optimaler Gewichtung und gründliche Analyse der Resultate. Erweiterung des kombinierten 3D-Ionosphärenmodells durch zusätzliche Schichten. Untersuchung verschiedener Methoden zur 4D-Modellierung und von Messdaten, die ein vertikales Profilieren der Ionosphäre erlauben und anschließende Entwicklung eines kombinierten 4D-Modells. Endgültige Validierung der integrierten Ionosphärenmodelle durch Vergleiche mit Messungen externer Messverfahren und mit theoretischen Modellen.

Die Ionosphäre ist ein dispersives Medium für die Signale der geodätischen Weltraumverfahren, die den Mikrowellenbereich nutzen; dadurch werden Signale in diesem Medium in erster Näherung invers proportional zum Quadrat der Frequenzen beeinflusst. Dieser Effekt ermöglicht die Bestimmung von ionosphärischen Parametern in Form von Total Electron Content (TEC) Werten oder Elektronendichten (Ne). TEC Werte oder Elektronendichten können mit Kugelfunktionen beschrieben werden, um daraus globale Ionosphärenkarten (Global Ionosphere Maps, GIMs) abzuleiten. Üblicherweise stammt der Input für die Entwicklung von GIMs von Zweifrequenz-Beobachtungen auf Global Navigation Satellite Systems (GNSS) Stationen. Jedoch sind GNSS Stationen inhomogen über die gesamte Erde verteilt, mit großen Lücken über den Ozeanen; dadurch wird die Genauigkeit der GIMs über diesen Gebieten verringert. Andererseits liefern Satellitenaltimetriemissionen auf zwei Frequenzen wie Topex/Poseidon (T/P) oder Jason-1 präzise Informationen zur Ionosphäre über den Ozeanen; weiters erlauben Low Earth Orbiting (LEO) Satelliten, wie Formosat-3/COSMIC (F/C) global gut verteilte Ionosphärenmessungen. Dieses Projekt behandelt die globale Modellierung von TEC durch die Kombination von GNSS Beobachtungen mit Satellitenaltimetrie und auch mit globalen TEC Daten aus Okkultationsmessungen der F/C Mission. Die Untersuchungen konzentrierten sich auf die Dauer zwischen dem letzten solarem Minimum (2006) und einigen Jahren danach (bis 2009). An einigen ausgewählten Tagen wurde die Kombination durchgeführt, und die kombinierten GIMs von vertikalem TEC (VTEC) zeigen eine maximale Abweichung von ungefähr 1.5 TEC Units (TECU) bezogen auf das ausschließlich aus GNSS-Beobachtungen ermittelte GIM. Die RMS (root mean square) Fehlerkarten der kombinierten Lösung zeigen eine Verbesserung während des ganzen Tages. Die Verringerung des RMS erreicht 0.5 TECU in Gebieten, wo nur wenige GNSS Beobachtungen aber eine große Zahl an F/C Beobachtungen zur Verfügung stehen. Das bestätigt, dass die kombinierten GIMs eine homogenere globale Verteilung haben als Ergebnisse von einer Technik alleine. Somit kann die Schlussfolgerung gezogen werden, dass die Kombination von Satellitenaltimetrie und auch F/C mit GNSS Beobachtungen für die globale Modellierung der Ionosphäre die Genauigkeit und Zuverlässigkeit der GIMs signifikant verbessert, besonders wenn eine große Anzahl an Okkultationsmessungen zur Verfügung steht. Alle Vergleiche und Validierungen in dieser Studie liefern wichtige Informationen bezüglich der Kombination und Integration der verschiedenen Beobachtungsverfahren im Global Geodetic Observing System (GGOS) der International Association of Geodesy (IAG).