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01.09.2014 :: English :: Druckversion
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GPS-Okkultation, Reflektometrie und Scatterometrie (GORS)-Empfängertechnik auf der Grundlage der COTS GPS Empfängertechnik als Kerninstrument für ein zukünftiges Tsunami-Detektionssystem

GPS-Scatterometrie und Reflektometrie werden als wertvolle neue Verfahren in den Bereichen Altimetrie, Ozeanographie und Glaziographie angesehen. Die hohe Reflektivität der GPS-Signale im L-Band-Frequenzbereich (1,2 und 1,6 GHz) auf Wasser sowie eis- und schneebedeckten Oberflächen kompensiert teilweise die geringe Signalintensität und erlaubt die Detektion der reflektierten Signalkomponenten.

Erfahrungen mit speziellen Delay Mapping-GPS-Empfängern in Ballons und Flugzeugen konnten in der Vergangenheit aufzeigen, dass Meeresspiegelmessungen mit Genauigkeiten von bis zu 5 cm erzielt werden können. Erst vor kurzem konnte nachgewiesen werden, dass altimetrische Höheninformationen von CHAMP-Okkultationsereignissen mit einer Sensitivität im Dezimeterbereich extrahiert werden können.

Das GFZ schlägt daher vor GPS-Okkultation, Reflektometrie und Scatterometrie (GORS)-Empfängersystem auf der Grundlage der COTS GPS Empfängertechnik als Kerninstrument für ein zukünftiges Tsunami-Detektionssystem im Rahmen einer niedrig fliegenden Kleinsatellitenkonstellation zu entwickeln. Darum sind die wissenschaftlichen und betriebsspezifischen Anforderungen an GPS Altimetriemessungen für Satellitenmissionen zu entwickeln und ein architekturspezifisches Designkonzept zu erstellen. Darüber hinaus müssen die Auswirkungen auf Satellitenmission, Betrieb, Satellitendesign, GPS-Empfänger und -Antennen evaluiert und entsprechende Maßnahmen definiert werden.

Tsunami-Detektion aus dem All

Spuren von Reflektionspunkten auf dem Indischen Ozean für ein Szenario mit einem Empfänger auf einem CHAMP-Orbit. Die Abbildung zeigt die Bodenspur des Empfängers (blau) sowie die Reflektionspunktverteilung für GPS (rot) kombiniert mit GLONASS (gelb) und GALILEO (orange). Die Reflektionspunkte, die am weitesten von der Empfängerspur entfernt liegen, haben die geringsten Einfallswinkel.

Im Rahmen von GITEWS wird eine Machbarkeitsstudie zur satellitengestützten Detektion von Tsunamis mit Hilfe der GNSS-Reflektometrie (GNSS-R) durchgeführt. Die GNSS-R nutzt vorhandene Signale von Navigationssatellitensystemen (Global Navigation Satellite Systems) wie GPS. Von der Meeresoberfläche reflektierte GNSS-Signale können zur Messung der Höhe der Meeresoberfläche verwendet werden und lassen darüber hinaus auch Schlüsse auf die Streuungseigenschaften der Meeresoberfläche im Sinne der Scatterometrie zu. GNSS-R Empfänger auf einer niedrig fliegenden Satellitenkonstellation können daher als multistatische Altimeter betrachtet werden, die die Meeresoberfläche an vielen Reflektionspunkten gleichzeitig nach Wellensignaturen von Tsunamis absuchen. Ein Schwerpunkt dieser Machbarkeitsstudie ist daher das Missionsdesign für eine GNSS-R Empfänger-Satellitenkonstellation in einem niedrigen Orbit. Hierfür wurden Untersuchungen der Abtastbreite und der räumlichen Auflösung unter Betrachtung der Einfallswinkel der Signale, der Flughöhe des Empfängersystems und des Types des GNSS-Systems (GPS, GLONASS, GALILEO) durchgeführt. Sie zeigen, dass die räumliche Auflösung zunimmt, wenn die Signale unterschiedlicher GNSS-Systeme gleichzeitig empfangen werden können und dass die Abtastbreite bei geringen Einfallswinkeln am größten ist. Ein weiterer Schwerpunkt der Untersuchung ist die Bestimmung der zu erwartenden Höhengenauigkeit. Dazu werden Simulationen der Signalreflektion mit Hilfe eines Streuungsmodells durchgeführt.

Der GORS-Empfänger Prototyp

Der JAVAD GeNeSiS-112 Empfänger hat die Abmessungen 112 x 100 x 14 mm und ein Gewicht von 110 g.

Im Rahmen des GITEWS Projekts entwickelt das GFZ in Zusammenarbeit mit dem Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) und JAVAD GNSS neuartige GNSS-Empfänger für zukünftige Satellitenmissionen. Der GORS Empfänger Prototyp besteht aus einem 72-Kanal JAVAD GeNeSiS-112 GNSS OEM Empfänger mit Ausgabe der Rohdaten und Positionslösungen. Der Prozessor kann alle derzeitg verfügbaren GNSS Signale einschließlich des neuen GPS L2C Signals empfangen. Die speziell angepasste Empfänger-Firmware erlaubt erstmals die zweifrequente Phasenmessung von reflektierten GPS-Signalen mit zivilem Signalcode.

Satellitentauglichkeit

GeNeSiS-112 Empfänger mit externem (low noise amplifier) LNA beim Signalsimulationstest am DLR.

Im Rahmen von Untersuchungen zur Satellitentauglichkeit werden mit dem JAVAD GeNeSiS-112 Empänger Signalsimulationstests durchgeführt um die Tracking- und Navigationsfähigkeiten unter hoher Signaldynamik zu testen. Die Tests zeigen dass der GeNeSiS Empfänger auch bei hoher Signaldynamik in der Lage ist, korrekte GPS Messungen für die Orbitbestimmung sowie für wissenschaftliche Anwendungen auf einem Empfängersatelliten in einem niedrigen Orbit zu liefen.

Ein Reflektometrie-Experiment mit dem GORS Empfänger Prototyp

 
Links sind die Phasen-Zeitreihen, berechnet aus L1-C/A I,Q Daten (blau) und L2C I,Q Daten (magenta), dargestellt. In der rechten Abbildung zeigt sich die Pfadlängendifferenz zwischen direktem und reflektiertem Signal für L1-C/A (blau) und L2C (magenta).

Am 17.-19. Juli 2007 wurde am Fahrenberg (11.32°E, 47.61°N, 1625 m über NN) in den Bayrischen Voralpen, 50 km südlich von München, ein Reflektometrie-Experiment durchgefürt. Dabei werden Reflektionen vom Kochelsee und Walchensee, die 1026 bzw. 824 m unterhalb des Fahrenbergs liegen, aufgezeichnet. Für den Versuch wurde eine konventionelle GPS-Patchantenne auf einem Stativ montiert und um 45° gegen den Zenith geneigt, um direkte und reflektierte Signale parellel empfangen zu können. Je nach prognostiziertem Reflektionsereignis wird die Antenne entweder auf den Kochelsee oder den Walchensee ausgerichtet. Während eines Reflektionsereignisses wurde das direkte Signal mit dem Master-Kanal verfolgt während der Slave-Kanal das reflektierte Signal mit einer voreingestellten Verzögerung aufgezeichnet hat. Der Empfänger zeichnet die I und Q Vektoren für das L1-C/A und das L2C Signal mit einer Datenrate von 200 Hz auf. Damit ließ sich die Differenz der Pfadlänge zwischen direktem und reflektiertem Signal für beide GPS-Trägerfrequenzen berechnen. Aus der Pfadlängenänderung konnte dann die altimetrische Höhe der reflektierenden Seeoberfläche berechnet werden.

Höhenprofil des Walchensees

Beim GITEWS Workshop "New Earth Observation Techniques for Tsunami Detection and Geohazards Monitoring", organisiert von LAPAN und DLR am 26-28. November 2007 in Jakarta, konnten erste Höhenprofile des Walchensees präsentiert werden. Sie weisen gute Übereinstimmungen mit Pegelmessungen im Bereich von Zentimetergenauigkeit auf. Hieran kann erstmals gezeigt werden, dass zweifrequente Phasenmessungen von reflektierten Signalen möglich sind.

Höhenprofil des Walchensees am 18 Juli 2007 12:54:51, berrechnet aus reflektierten L1-C/A (blau) und L2C (magenta) GPS-Signalen für PRN Nummer 17.

Referenzen

A. Helm, O. Montenbruck, J. Ashjaee, S. Yudanov, G. Beyerle, R. Stosius, and M. Rothacher: GORS - A GNSS Occultation, Reflectometry and Scatterometry Space Receiver, in: Proceedings of the 20th International Technical Meeting of the Satellite Division of The Institute of Navigation ION GNSS 2007,Fort Worth, Texas, Sept. 25–28, 2007, pp. 2011-2021

A. Helm, R. Stosius, O. Montenbruck, J. Asjaee, S. Yudanov,G. Beyerle, and M. Rothacher: The GITEWS GNSS Occultation, Reflectometry and Scatterometry Space Receiver GORS, presentation held at the GITEWS Workshop New Earth Observation Techniques for Tsunami Detection and Geohazards Monitoring, Jakarta, Nov. 26-28, 2007