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IONOSPHÄRISCHE KORREKTUR VON GNSS-EINFREQUENZDATEN MITTELS MULTILAYER MODELL
NINA MAGNET, ROBERT WEBER
DEPARTMENT FÜR GEODÄSIE UND GEOINFORMATION TECHNISCHE UNIVERSITÄT WIEN
ANGEWANDTE GEODÄSIE UND GNSS GEODÄTISCHE WOCHE 2013 | ESSEN
08.-10. OKTOBER 2013
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Inhalt
2
Einleitung:
Beobachtungsgleichungen
Ionosphärenmodellierung
Multilayer Model:
Definition
Parameter
Resultate
Zusammenfassung und Ausblick
Source: badaget.de
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Code: ε)αc(αΔΔ)Δttc(ρP E
SIonTropS
E
ελbΔΔ)Δttc(ρL S
E
IonTropS
E Phase:
Source: RA-PPP Midterm Report
3
Ionisierung beeinflusst elektromagnetische Wellen frequenzabhängig → dispersives Medium
0e dsNTECTotal Electron Content (1 TECU = 1016 Elektronen / m²)
ρ … Geometrische Distanz von Satellit S zu Empfänger E
ΔtS … Satellitenuhrfehler
ΔtE … Empfängeruhrfehler
ε … Messfehler
ΔTrop … Troposphärische Streckenkorrektur
ΔIon … Ionosphärische Streckenkorrektur
αE, αS … Differential Code Biases (DCBs)
bES … Non-integer Ambiguity-Parameter, Phase-Bias
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Beobachtungsgleichungen
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Geometriefreie Linearkombination P4:
4
2
L2
2
L1
f
f1γ
GLEICHUNG NUR ABHÄNGIG VON STEC UND DCBS
ELIMINIERT
Geometrischer
Term
Frequenz-
abhängige
Effekte
)DCB(DCBc IonoγP2P1P4 E
S
GEODÄTISCHE WOCHE 2013 IONOSPHÄRISCHE KORREKTUR VON GNSS-EINFREQUENZDATEN MITTELS MULTILAYER MODELL
Ionosphärenmodellierung
Für die Modellierung des Multilayer
Models wurden nur Code-
Messungen herangezogen
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Projektionsfunktion:
Geometriefreie Linearkombination P4:
5
)DCB(DCBc IonoγP2P1P4 E
S 2
L2
2
L1
f
f1γ
γ
)DCB(DCBcP2P1Iono E
S
STECIono 2
16
f
1040.3
γ
)DCB(DCBcP2P1STEC E
S
VTECMSTEC
2
(z)shR
R-1
1M
in
GEODÄTISCHE WOCHE 2013 IONOSPHÄRISCHE KORREKTUR VON GNSS-EINFREQUENZDATEN MITTELS MULTILAYER MODELL
Ionosphärenmodellierung
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6
Erde: TECmax = 52 TECU
Österreich: TECmax = 25 TECU
CODE TEC
Maps
GEODÄTISCHE WOCHE 2013 IONOSPHÄRISCHE KORREKTUR VON GNSS-EINFREQUENZDATEN MITTELS MULTILAYER MODELL
Ionosphärenaktivität (5. Juni 2011)
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EPOSA Referenz-Netzwerk:
Landesweiter RTK-Dienst Anbieter Ca. 40 Stationen (mittlerer Stationsabstand: 70 km)
liefert GNSS (GPS + GLONASS) Beobachtungen für regionale Ionosphärenmodellierung (RINEX Format)
7
Source: Eposa
GEODÄTISCHE WOCHE 2013 IONOSPHÄRISCHE KORREKTUR VON GNSS-EINFREQUENZDATEN MITTELS MULTILAYER MODELL
Beobachtungsdaten
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F2-Layer (300 – 450 km): unterteilt in 9 Layer
150km
180300km)(hsinA[TECU]f ii
A … Amplitude [TECU]
Amplitude
Ionosphärenmaximum
8
Chapman Profile:
Derzeit nicht genutzt – mit dem
Multilayer Model sollen möglichst
genaue GNSS Signalkorrekturen
berechnet werden – derzeit wird
keine Rücksicht auf physikalische
Ionosphärenmodellierung
genommen
Zukunft: Implementierung für
eine realistische Repräsentation der
Ionosphäre
Elektronenmaximum Nemax:
Fixe Höhe hmax = 375 km (nicht variabel)
GEODÄTISCHE WOCHE 2013 IONOSPHÄRISCHE KORREKTUR VON GNSS-EINFREQUENZDATEN MITTELS MULTILAYER MODELL
Multilayer Model
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VTEC-Maximum: Ca. 2 Stunden Verzögerung zum Sonnensubpunkt (= Amplitude A) Gewichtsfunktion qi: Reduktion des VTEC mit wachsender Entfernung zum Maximum
Länge Breite
2
2
1
1
lat
lat
lat
d
sq
i
i
2
2
1
1
lon
lon
lon
d
sq
i
i
ii lonlati qqq
slat/slon … Entfernung zwischen Subionosphärenpunkt und VTEC
Maximum
9
ii qAfVTEC )(
GEODÄTISCHE WOCHE 2013 IONOSPHÄRISCHE KORREKTUR VON GNSS-EINFREQUENZDATEN MITTELS MULTILAYER MODELL
Amplitude und Gewichtsfunktionen
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10 GEODÄTISCHE WOCHE 2013 IONOSPHÄRISCHE KORREKTUR VON GNSS-EINFREQUENZDATEN MITTELS MULTILAYER MODELL
DCB Berechnung Differential Code Bias
STEC CODE Maps
“STEC” Multilayer Model
(Berechnung ohne Stations-DCBs) Ionosphäre
Differenz = Stations-DCBs
Kleinste-Quadrate-Ausgleichung über alle
beobachteten Satelliten über 1 Woche
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Differenzen innerhalb von ± 2 TECU
11
5. Juni 2011
GEODÄTISCHE WOCHE 2013 IONOSPHÄRISCHE KORREKTUR VON GNSS-EINFREQUENZDATEN MITTELS MULTILAYER MODELL
Vergleich mit CODE TEC Maps Center for Orbit Determination in Europe
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Differenzen: Offset +2 TECU,
Standardabweichung: ± 2 TECU
12 GEODÄTISCHE WOCHE 2013 IONOSPHÄRISCHE KORREKTUR VON GNSS-EINFREQUENZDATEN MITTELS MULTILAYER MODELL
Vergleich mit NTCM TEC Maps
5. Juni 2011
Neustrelitz TEC Model
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IRI 2012 unterschätzt den TEC besonders in den Mittagsstunden,
das Modell beruht allerdings nur zu einem geringen Prozentsatz auf GNSS Beobachtungen
13
5. Juni 2011
GEODÄTISCHE WOCHE 2013 IONOSPHÄRISCHE KORREKTUR VON GNSS-EINFREQUENZDATEN MITTELS MULTILAYER MODELL
Vergleich mit IRI 2012 International Reference Ionosphere
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14
252 km
106 km
121 km
Berechnung der Koordinatenlösungen mit der Software NAPEOS (NAvigation Package for Earth Observation Satellites)
5./6. Juni 2011, 24 Stunden: Referenz: L5/L3 LC L1: Kein Ionosphärenmodell L1: CODE Modell L1: Multilayer Modell L1: NTCM Modell L1: IRI 2012 Modell
GEODÄTISCHE WOCHE 2013 IONOSPHÄRISCHE KORREKTUR VON GNSS-EINFREQUENZDATEN MITTELS MULTILAYER MODELL
Regionales Einfrequenz-Netzwerk
Source: Eposa
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15
0 50 100 150 200 250 300
Basislinienlänge[km]
Basislinienlänge
MATT-SALZ
MATT-LEOB
MATT-AMST
Bei Phasenmessungen
GEODÄTISCHE WOCHE 2013 IONOSPHÄRISCHE KORREKTUR VON GNSS-EINFREQUENZDATEN MITTELS MULTILAYER MODELL
Basislinienlänge (6. Juni 2011)
-0,7
-0,6
-0,5
-0,4
-0,3
-0,2
-0,1
0
0,1
0,2
0,3
MATT-AMST MATT-LEOB MATT-SALZ
pp
m
Basislinien ppm
Kein Ionosphärenmodell
CODE
Multilayer
NTCM
IRI 2012
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16
Ionosphärische Korrektur: Stationskoordinaten MATT fixiert Wirkt wie Maßstab Beeinflusst hauptsächlich die Längen-
komponente (große Ost-West aber geringe Nord-Süd Ausdehnung des Netzes)
Höhe: Referenzhöhe MATT fixiert, daher Maßstabswirkung nur auf Stationshöhenunterschied
GEODÄTISCHE WOCHE 2013 IONOSPHÄRISCHE KORREKTUR VON GNSS-EINFREQUENZDATEN MITTELS MULTILAYER MODELL
Positionsgenauigkeit 5. Juni 2011
-100
-50
0
50
100
AMST LEOB SALZ
Δ L
änge
[m
m]
Länge
-100
-50
0
50
100
AMST LEOB SALZ
Δ B
reit
e [
mm
]
Breite
-100
-50
0
50
100
AMST LEOB SALZ
Δ H
öh
e [
mm
]
Höhe
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17 GEODÄTISCHE WOCHE 2013 IONOSPHÄRISCHE KORREKTUR VON GNSS-EINFREQUENZDATEN MITTELS MULTILAYER MODELL
Positionsgenauigkeit 6. Juni 2011
-50
0
50
100
150
AMST LEOB SALZ
Δ B
reit
e [
mm
]
Breite
-50
0
50
100
150
AMST LEOB SALZ
Δ L
änge
[m
m]
Länge
-50
0
50
100
150
AMST LEOB SALZ
Δ H
öh
e [
mm
]
Höhe Ionosphärische Korrektur: Stationskoordinaten MATT fixiert Wirkt wie Maßstab Beeinflusst hauptsächlich die Längen-
komponente (große Ost-West aber geringe Nord-Süd Ausdehnung des Netzes)
Höhe: Referenzhöhe MATT fixiert, daher Maßstabswirkung nur auf Stationshöhenunterschied
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Positionierungsgenauigkeit in einem GNSS-Einfrequenznetzwerk vergleichbar zu bewährten
Modellen (CODE): Residuen innerhalb weniger Zentimeter
Große Abweichungen zu IRI 2012 (zeigt gute Performance bei Koordinatenbestimmung)
Wenige Eingangsparameter: Einfache Prädiktion über einige Stunden →
Echtzeitanwendungen (Single Point Positioning): Alternatives Korrekturmodell für
Einfrequenzempfänger
18
Weitere Entwicklung des Multilayer Models (Phasenmodellierung):
Anzahl der Layer adaptieren
Modellierung des F2-Layers: Sinuskurve vs. Chapman Funktionen
Verwendung von Phasenbeobachtungen für die TEC-Modellierung
Verwendung des NmF2 (F2-peak electron density) Parameters von IRI
Variable Höhe der F2-Schicht
DANKE FÜR IHRE AUFMERKSAMKEIT!
GEODÄTISCHE WOCHE 2013 IONOSPHÄRISCHE KORREKTUR VON GNSS-EINFREQUENZDATEN MITTELS MULTILAYER MODELL
Zusammenfassung & Ausblick
Multilayer Model
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19
Vergleich der mittleren Positionierungs-genauigkeit ohne und mit Ionosphären-modell 24 Stunden (6. Juni 2011) Tag (10:00 – 14:00 UTC) Nacht (22:00 – 02:00 UTC)
Größere Differenzen am Tag wegen der höheren TEC-Werte
GEODÄTISCHE WOCHE 2013 IONOSPHÄRISCHE KORREKTUR VON GNSS-EINFREQUENZDATEN MITTELS MULTILAYER MODELL
Differenz mit/ohne Ionosphärenmodell
(6. Juni 2011)
0
10
20
30
40
50
60
70
24 h Tag Nacht
Δ B
reit
e [
mm
]
Breite
CODE
Multilayer
NTCM
IRI
0
10
20
30
40
50
60
70
24 h Tag Nacht
Δ L
änge
[m
m]
Länge
CODE
Multilayer
NTCM
IRI
0
10
20
30
40
50
60
70
24 h Tag Nacht
Δ H
öh
e [
mm
]
Höhe
CODE
Multilayer
NTCM
IRI