Klemens Heidland
Alfred-Wegener-Institut fiir Polar- und Meeresforschung Postfach 12 01 61
D-2751 5 Bremerhaven
Die vorliegende Arbeit ist die inhaltlich unverändert Fassung einer Dissertation, die 1993 dem Fachbereich Geowissenschaften der Universitä Bremen vorgelegt wurde.
Inhaltsverzeichnis -1-
Zusammenfassung
...
3...
Summary 5 Einleitung...
7Zielsetzung der Arbeit
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8Entwicklungsstand der Satellitenaltimetrie
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9Beitrag der Altimetrie zu glaziologischen Arbeiten in der Antarktis 1 1 Das Arbeitsgebiet Ekströmise
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15Die GEOSAT-Mission
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17Überblic übe die GEOSAT-Mission
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17Umlaufbahnen des GEOSAT
...
18...
Instrumentierung 20...
Datenprodukte und Datenverieilung 21 Verfahren der Satellitenaltimetrie...
23Prinzip der Altimetermessung
...
23Geometrie der Satellitenaltimetrie
...
27Bahnbestimmung fü den GEOSAT
...
29Korrekturen der Altimetermessung
...
32...
Gezeiten 34 Ausbreitung der Radarwellen in der Atmosphär...
35Einfluà der angemessenen Fläch auf die Genauigkeit der Altimetermessung
...
36Laufzeitmessung
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37Hohenbestimmung Ãœbe Eis mittels Satellitenaltimetrie 39 Aktive Radarverfahren
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39Radarrückstreufläc (radar Cross section)
...
41Signalverfolgung
...
43Radarmessung übe Schnee- und Eisfläche
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44Rückkehrsignal (waveforms)
...
47Retracking
...
51Nadirabweichung und Neigungseinflüss
...
54Nadirabweichung der Altimeterantenne
...
54Korrektur wegen geneigter Reflexionsfläch
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55Fehlerhaushalt der Altimetrie übe Eis
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58Aufbereitung der GEOSAT-Daten
...
59Datenverteilung
...
59Datenorganisation
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60Numerierung der Umlaufbahn
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62Kombination der Datenprodukte
...
64Inhaltsverzeichnis
Plausibilitätsprüfung der GEOSAT-Daten
...
Plausibilitätsprüfu der WDRs
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Plausibilitätsprüfu der SDRs
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Plausibilitätsprüfu der GDRs
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Korrekturen der Altimetermessung
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Durchführun des Retracking
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Korrektur wegen geneigter Reflexionsfläch
...
übrig Korrekturen
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Datenauswertung. Ausgleichung und Höhen
modellierung
...
77Ausgleichung der radialen Einflüss auf die Höhenprofil
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77Berechnung gemittelter Höhenprofil aus Wiederholungs- messungen
...
89Kreuzungspunkte der Satellitenbahnen
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93Interpolation von Höhenlinie
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95Vermessung eines Höhenprofil auf dem Ekströmise 97 GPS-Messungen zur Bestimmung der Koordinaten der vermarkten Punkte
...
98Durchführun der GPS-Messungen auf dem Schelfeis
...
98Auswertung der GPS-Messungen
...
99Trigonometrisches Nivellement
...
103Meßverfahre und Durchführun der Messungen
...
103Auswertung des trigonometrischen Nivellements
...
105Vergleiche mit Ergebnissen anderer Höhenbestim mungen
...
111Fernerkundungsaufnahmen der LANDSAT-Satelliten
...
111Höhenprofi entlang der Satellitenspur 177
...
113Höhe der Ekströmisen-Kart
...
114Altimetermessungen des Satelliten SEASAT
...
119Ausblick
...
123Literatur
...
125Dank
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138Anhang
...
139Inhalt der Datenprodukte
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139Programme
...
141Abkürzunge
...
144Zusammenfassung -3- Zusammenfassung
In der vorliegenden Arbeit werden Altimetermessungen Ÿbe Eis, die der Satellit GEOSAT in den Jahren 1987 bis 1989 durchgeführ hat, im Bereich des Ekströmise in der Antarktis ausgewertet.
D i e Altimetermessungen werden bei der Aufbereitung durch Kor- rekturen verbessert, die die Einflüss entlang des Signalwegs, Ge- zeiteneinflüss usw. kompensieren. Uber Eis sind zusätzlich Kor- rekturen erforderlich. Die Retracking-Korrektur verbessert d i e i m Altimeter durchgeführt Laufzeitmessung durch Analyse d e r vom Altimeter empfangenen Rückkehrsignale D i e i m Bereich d e s Ekströmise ermittelten Korrekturwerte liegen i m Durchschnitt bei 7 0 cm.
Aufgrund der im Altimeter eingesetzten unzureichenden Signalver- folgung geht das MeBsignal Ÿbe ansteigenden oder abfallenden Eis- fläche verloren und verursacht eine Lück in den Höhenprofile von etwa 30 km. Fü diese Zeiträum werden falsche Werte gespei- chert. Dadurch wird eine Plausibilitätsprüfu der GEOSAT-Daten erforderlich, die gezeigt hat, da übe 15% der Eisfläche der Ant- arktis Messungen mit dem Altimeter des GEOSAT durchführba wa- ren. Im Arbeitsgebiet Ekströmise beschränke sich diese Messun- gen auf den ebenen Westteil.
Die Genauigkeit der Höh der Umlaufbahn des Satelliten wirkt sich direkt auf die Genauigkeit der Höhenprofil aus. Die Ausgleichung der Höhenprofil nutzt die exakte Wiederholung der Umlaufbahn f à ¼ die Bestimmung eines Additionswertes als Höhenverbesserun fü jedes Profil. Die Höhenverbesserun beträg durchschnittlich 0 . 5 m und erreicht maximal 5 m. Aus allen verfügbare Wiederho- lungsmessungen wird ein gemitteltes Höhenprofi berechnet. D i e Meßgenauigkei ist fü die einzelnen Höhenprofil unterschiedlich.
D i e Abweichungen aller Einzelmessungen vom gemittelten Höhen profil ergeben Standardabweichungen (10) zwischen k0.3 m und 5 1 . 3 m.
Nach der Ausgleichung verbleiben an den Kreuzungspunkten der Höhenprofil aus auf- und absteigenden Satellitenbahnen Differen- zen zwischen 0.5 m und 3.0 m. Die fü die Laufzeitmessung vom Altimeter angemessene Fläch im Nadir hat einen Durchmesser von mehr als 5 km. Innerhalb dieser Fläch könne durchaus größe Höhenänderung auftreten, so da die erhaltenen Differenzen da- durch zu begründe sind.
-4- Zusammenfassung
Der Vergleich der Höhenliniendarstellun aus der Altimeterauswer- tung und der topographischen Karte "Ekströmisen des IfAG (1989) mit Höhen die wahrend vieler Expeditionen mit terrestrischen Methoden gemessen worden sind, zeigt gute Übereinstimmun der Höhenlinie in der geometrischen Genauigkeit und morphologischen Richtigkeit.
Trotz der eingeschränkte Eignung des GEOSAT-Altimeters fü die Messungen uber Eis, hat sich das Potential der Satellitenaltimetrie uber Eis gezeigt. Sofern die gravierenden Mangel der Signalverfol- gung übe Eis abgestellt werden und die Bahnbestimmung des Sa- telliten verbessert wird, wird die Satellitenaltimetrie das am effek- tivsten einsetzbare und nutzbare Verfahren der Höhenmessun i n den Polargebieten werden.
Summary -5-
Summary
In this thesis radar altimeter measurements over ice sheets carried out by the satellite GEOSAT between 1987 and 1989 are analysed for the area of the ice shelf Ekströmise in Antarctica.
All altimeter measurements have to be improved for compensation of different influences during the way of the signal in the atmo- sphere, tidal influences etc. for the correct determination of heights.
Additional corrections are necessary over ice. The retracking correction improves the measurement of the travel time of the sig- nal by analysis of the returning waveform. The average of the retracking corrections in the area of the Ekströmise amouts to 70 Cm.
The altimeter was designed specifically for operation over the ocean. Therefore the signal tracking over ice sheets is often insuf- ficient. The altimeter losts the signal especially over ice sheets with more than l 0 slope of the ice surface and the consequence are data gaps. The GEOSAT data products contain invalid data for these gaps which have to eliminate before the processing. The plausibility con- trol of the GEOSAT data indicates that 15 % of all measurements in Antarctica are valid especially over flat ice sheets. Valid measure- ments over the Ekströmise are concentrated in the flat western P a r t .
The accuracy of the height of the satellite orbit effects directly the accuracy of the height profiles. The adjustment uses the exact re- peating satellite orbits for the computation of an addition constant for every height profile. The improved height profiles are used for the adjustment of an averaged height profile. The accuracy of the height profiles is given by the root mean Square which are deter- mined by the adjustment and vary in the range between k0.3 m and k1.3 m.
The remaining differences after the adjustment between the height profiles ad the crosspoints of the ascending and descending satellite orbits vary in the range between 0.5 m and 3.0 m. The footprint over ice has a diameter of more than 5 km. The variation of the surface heights inside the footprint can be a few meters and entails the obtained differences.
-6- S u m m a r y
The comparison of the topographic map with isolines determined from the altimeter measurements and the topographic m a p
"Ekströmisen ( I f A G , 1989) which contains height measurements carried out with terrestrial methods during many Antarctic expe- dition indicates good correspondence of the morphological forms for the correct Interpretation of the surface and good geometrical accuracy of the isolines.
The altimeter technique shows the potential of the precise height determination for the Ekströmise altough the use of the GEOSAT altimeter is limited over ice. If more advanced altimeters will be able to track the Signal continuously over ice sheets and the deter- mination of the satellite orbit will be improved than the altimeter technique will be the best technique for precise height measure- ment in polar regions.
1 Einleitung -7- 1 Einleitung
In der aktuellen Klimadiskussion steht die Antarktis mit ihrem sen- siblen Eisregime an zentraler Position. Die Glaziologie träg mit der Bestimmung der Eismassenhaushalte der Eisschilde und der Schelf- eise der Antarktis wesentlich zur Lösun der sich daraus ergeben- den Fragen bei. Änderunge der Temperatur des Ozeans und Mee- resspiegeländerunge wirken sich insbesondere auf das dynami- sche Verhalten der Schelfeise aus.
Der Kontinent Antarktika bedeckt mit den von ihm abfließende Schelfeisen etwa 14 Mio. km2 bzw. 2.5% der Erdoberfläche 98% der Antarktis sind von Eis bedeckt. Tm antarktischen Eis sind etwa 80%
des Süßwasse der Erde gespeichert ( K o h n e n , 1983, S w i t h i n b a n k , 1988). Der mächtig Eiskörpe Antarktikas hat einen wesentlichen Einfluà auf das Klima der Erde, das Verhalten der eisbedeckten Ge- biete ist zentraler Indikator fü das Klimageschehen auf der Erde ( T h o m a s u.a., 1985). Forschungsergebnisse aus der Antarktis, insbe- sondere die Beobachtung des Wachsens oder Schrumpfens oder des Gleichgewichtszustandes des antarktischen Eiskörpers geben wich- tige Hinweise übe den Gesamtzustand des globalen Klimasystems unserer Erde.
Glaziologisches Interesse richtet sich auf diejenigen Haushaltsgrö
ßen die die Eismassenbilanz beeinflussen. Die Unwirtlichkeit der Antarktis, die Unzugänglichkei vieler Gebiete fü den Großtei des Jahres und der hohe logistische Aufwand fü Landexpeditionen be- dingen, da von diesem Kontinent vergleichsweise wenig bekannt ist.
Fü die Höhenbestimmun der Gesamtantarktis, die eine wichtige Grundlage fü die glaziologische Forschung ist, kommen nur satelli- tengestützt Fernerkundungsverfahren in Frage, die sowohl effek- tiv einsetzbar und praktikabel fü die flächendeckend Beobach- tung der Eisfläche sind als auch die notwendigen Genauigkeiten der Höhenbestimmun gewährleisten Dazu bietet sich die Satelli- tenaltimetrie an, die bereits fü die Bestimmung der Meeresflä
chentopographie und die Beobachtung der zeitlichen Variation der Meeresflächentopographi Grundlegendes geleistet hat.
Die Satellitenaltimetrie miß die Distanz zwischen Satellit und Erd- oberfläch übe die Laufzeit eines vom Altimeter ausgesendeten Signals. Mit der durch die Satellitenbahnbeobachtung bekannten Höh des Satelliten wird die Höh der angemessenen Fläch be-
-8- 1 Einleitung
stimmt. Die Nutzung der Satellitenaltimetrie fü die Glaziologie be- gann mit dem Altimeter auf GEOS-3, der von April 1975 bis Dezem- ber 1978 auf Bahnen zwischen 65ON und 65OS Meßdate von Süd grönlan lieferte, und setzte sich verstärk fort mit SEASAT (Meß dauer von Juni 1978 - Oktober 1978) und GEOSAT (Meßdaue von Mär 1985 - Oktober 1989), die sich auf Bahnen zwischen 72ON und 72OS bewegten und größe eisbedeckte Gebiete Grönland und den Rand der Antarktis erfaßten
1.1 Zielsetzung der Arbeit
Mit der Verfügbarkei von Altimetermessungen der Satelliten SEA- SAT und GEOSAT am nördl Rand der Antarktis (Abb. 1.1) ist die Höhenbestimmun in diesen Bereichen möglic geworden.
Die Arbeit untersucht die Möglichkeite und Grenzen der Anwen- dung der Satellitenaltimetrie übe Eis, speziell übe dem Ekström isen, dem Schelfeis, auf dem die deutsche ganzjähri besetzte Sta- tion Georg-von-Neumayer (bis 1992) bzw. Neumayer (ab 1992) liegt.
Die Arbeit behandelt die wesentlichen Aspekte der Bearbeitung der Satellitenaltimetrie allgemein und speziell übe Eis. Dabei werden die Auswerteverfahren zur Korrektur der Altimetermessung übe Eis untersucht. Übe Eis ist besonders das sogenannte Retracking von Bedeutung, weil die Signalverfolgung des Altimeters, das fü den Einsatz übe dem Ozean konzipiert war, übe dem Eis zu unge- nau arbeitet und darum eine Korrektur der Laufzeitmessung des Signals notwendig wird.
In der Arbeit werden Messungen des Satelliten GEOSAT im Bereich des Ekströmise untersucht und ausgewertet. Dafü stehen die Da- ten von etwas mehr als einem Jahr zur Verfügung
Auf dem Ekströmise wurden in der Vergangenheit viele Höhen messungen mit konventionellen Verfahren durchgeführt Währen der Expedition ANT V1113 wurde entlang des GEOSAT-Orbits 177 ein trigonometrisches Nivellement von etwa 5 0 km Läng durchge- führt Dieses Profil und die übrige Höhenmessunge dienen als Bo- denkontrolle (ground truth) fü die Höhenbestimmun aus Satelli- tenmessungen. Aus dem Vergleich beider Datensätz wird die Ge- nauigkeit der Altimetermessung übe Eis abgeleitet.
1 Einleitung -9-
1 . 2 Entwicklungsstand der Satellitenaltimetrie
Die Nutzung der Satellitenaltimetrie auf den Satelliten GEOS-3, SEA- SAT und GEOSAT hat der Geodäsie der Geophysik, der Ozeanogra- phie und anderen Disziplinen wesentliche Impulse fü die globale Höhenbestimmung d i e Bestimmung des Schwerefeldes, die Beob- achtung der zeitlichen Veränderun der Meeresflächentopographi usw. gegeben.
Die Satellitenaltimetrie beobachtet als aktives Radarverfahren die Laufzeit, die das ausgesendete Signal fü den Weg Satellit - Refle- xionsfläch - Satellit benötigt In Kenntnis der Höh der Bahn uber dem Ellipsoid und der Ausbreitungseigenschaften des Signals läà sich die ellipsoidische Höh der angemessenen Fläch bestimmen.
Die Höhenbestimmun als wesentliches Ziel der Satellitenaltimetrie kombiniert die Altimetermessung mit der präzise Bahn, den Ein- stellwerten des Altimeters und den Reduktionen fü den Ausbrei- tungsweg und die Rückstreufläc des Signals.
Die Bahnbestimmung fü GEOSAT erfolgte mit Dopplerverfahren mit einer Genauigkeit von nur etwa k5 m . Die Messung der Bahn mit Lasern ermöglich eine präziser Bahnbestimmung, wurde aber fü GEOSAT nicht durchgeführt
Unabhängig Kalibrierungen wurden dazu durchgeführt die Satelli- tenmessungen und d i e anschließende Auswertealgorithmen zu Überprüf und zu verbessern. Zur unabhängige und präzise Messung der Satellitenbahn und der Altimeterdistanz wurden dazu in der S p u r des Satelliten Kalibrierungsstationen eingerichtet. Die verbleibenden Residuen der Höhen die durch die Kalibrierung im Testfeld bestimmt werden, sind wichtige Kriterien fü die Qualitä
der Satellitenaltimetrie. Ãœbe dem Ozean wurden aufwendige Kali- brierungen f à ¼ GEOS-3 ( M a r t i n und K o l e n k i e w i c z , 1981) und SEASAT ( K o l e n k i e w i c z und M a r t i n , 1982) durchgeführt indem in einer Satellitenspur neben einer kleinen Insel ein Laser den über fliegenden Satelliten anmiß und unabhängi vom Altimeter die Di- stanz Laser - Satellit beobachtet. Das Ergebnis dieser Messung ergab fü GEOS-3 eine Unsicherheit der Höhenbestimmun von k16 cm und fü SEASAT 1k7 Cm.
Fü d i e Auswertung der Satellitenaltimetrie übe Eis sind beson- dere Verfahren zu entwickeln, die nur zum Teil auf Verfahren der Altimetrie uber dem Ozean zurückgreife können
-10- l Einleitung
Abb: 1 .l: Lage der GEOSAT-Bahnen in der Antarktis
Die Abb. zeigt den Bereich in der Antarktis, der von GEOSAT- Bahnen abgedeckt wird.
-12- l Einleitung
sungen nach wenigen Jahren bestimmen lassen, werden zur Beant- wortung der aktuellen Frage nach der Eismassenbilanz der Antark- tis beitragen.
Fü die Modellierung ist sie eine wichtige Randbedingung (H u y -
b r e c h t s , 1992). Aus den Höhe lassen sich die Neigungen des Eises und damit Fließlinie ableiten, wichtige Größ fü die Beschrei- bung der Dynamik des Eises.
Modellierte Massenbilanzen lassen sich mit den gemessenen Höhe verifizieren. Fü Vergleiche sind älter Nivellements, z.B das Nivel- lement übe das grönlandisch Inlandeis währen der EGIG-Kam- pagne im Jahr 1959 (Mälzer l 9 6 4 ) , unentbehrlich. Neuere Arbeiten übe Grönlan ( B i n d s c h a d l e r u.a., 1989) greifen immer wieder darauf zurück
Zur Bestimmung der Eishöhe träg die Satellitenaltimetrie bei, die der Glaziologie die präzis Vermessung der Höhe entlang der Sa- tellitenbahn und die daraus abgeleiteten Neigungen der Eisoberflä
ehe bietet.
Die Schwierigkeit der Höhenbestimmun in der Antarktis wird in vielen Karten dadurch offensichtlich, da keine Höhenlinie vor- handen sind, obwohl Höheninformatio zentraler Inhalt von Karten ist. Begründe läà es sich mit fehlenden Messungen.
D r e w r y hat fü die Karte "The Surface of the Antarctic Ice Sheet"
(1983) (Abb. 1.2) alle ihm zugängliche Höhenmessunge genutzt.
Die Karte zeigt die Höhe der Antarktis und alle Meßprofil und Einzelpunktmessungen, die in die Karte eingegangen sind. Die Karte verdeutlicht das Mißverhältn zwischen der Anzahl und Verteilung der Messungen und der Gröà der dargestellten Flache.
Die Karte "Ekströmisen des VAG (Institut fü Angewandte Geodä
sie, 1989) zeigt bereits fü den begrenzten Bereich des Ekströmise die Schwierigkeit der Datenbeschaffung. In den ebenen, leichter zu- gängliche Teilen dieses Schelfeises liegen ausreichend Höhenmes sungen vor, in den ~ b e r g a n ~ s b e r e i c h e n zum aufliegenden Eis mit den Anstiegen auf den Sgrisen und Halvfarryggen oder in weniger interessierenden Teilen liegen kaum Messungen vor.
Die Bestimmung der Höhe der Eisoberfläch der gesamten Antark- tis ist eine wichtige Aufgabe fü die Dokumentation des aktuellen Zustands.
1 Einleitung - 13-
Abb. 1.2: Topographische Karie mit Höhenlinie und Hauptfließlinie der Antarktis nach Drewry (1 983), bearbeitet von Huybrechts (1 992, Seite 24). Die Einzugsgebiete der Schelfeise sind durch gestrichel- te Linien abgegrenzt.
Fü die Höhenbestimmun sind folgende Verfahren anwendbar.
1 .) Terrestrische Verfahren
Terrestrische Verfahren erfordern die Anwesenheit vor Ort und sind mit hohem logistischen Aufwand verbunden. Der Arbeitsfort- schritt ist in erster Linie von der Geschwindigkeit des Beobachters abhängig Zum Einsatz kommen:
- Einzelpunktbestimmung mit Satellitenverfahren
- trigonometrisches/geometrisches Nivellement - barometrische Höhenbestimmun
- 14- 1 Einleitung 2.) Flugzeuggestützt Verfahren
Flugzeuggestützt Verfahren sind mit noch umfangreicherer Logi- stik und Gerätetechni verbunden. Der Arbeitsfortschritt i s t abhängi von der Geschwindigkeit des Flugzeugs, z.B. Flug-EMR (Elektromagnetisches Reflexionsverfahren) (Thyssen und Grosfeld, 1988). Dazu ist auch die Ballonaltimetrie zu zählen die in der Antarktis eingesetzt wurde (Levanon, 1982). Die Meßprofil werden durch die Windrichtung bestimmt. Die so gewonnenen Daten sind fü systematische Arbeiten nicht einsetzbar. Die Photogrammetrie als klassisches flugzeuggestützte Vermessungsverfahren ist uber eisbedeckten Fläche nicht effektiv einsetzbar.
3.) Satellitengestützt Verfahren
Satellitengestützt Altimeter sind mit hohen Entwicklungskosten vor dem Start verbunden. Wenn der Satellit nach dem Start arbei- tet, werden die Messungen des Satelliten kontinuierlich an eine Bo- denstation Übertrage und von dort verteilt. Die Anwesenheit im Meßgebie ist nur zur Überprüfu und Kalibrierung der Altimeter- messungen erforderlich.
Fü die präzis Höhenbestimmun der gesamten Antarktis bleibt nur die Fernerkundung mit der Satellitenaltimetrie. Die übrige Verfahren sind fü die Gesamtvermessung ungeeignet, entweder wegen unzureichender Genauigkeit oder unbefriedigenden Arbeits- fortschritts.
Den Expeditionen auf dem Eis kommt neben den bisherigen For- schungsaktivitäte fü die Fernerkundung die wichtige Aufgabe zu, unabhängig Überprüfung und Kalibrierungsmessungen auf den Eisfläche selbst durchzuführen die Aufschluà uber Qualitä und Zuverlässigkei der Fernerkundungsmessungen geben und die Be- obachtungen von Satelliten fü die Glaziologie anwendbar machen.
Die Eishöh oder die Lage der Eiskante lassen sich zur Zeit schon recht gut mit Fernerkundungsverfahren bestimmen.
1 Einleitung -15-
1 - 4 Das Arbeitsgebiet Ekstromisen
Die Untersuchungen in dieser Arbeit wurden auf dem Ekströmise durchgeführ (Abb. 1.3). Das Schelfeis liegt nordöstlic des Wed- dellmeeres, die Nord-Süd-Ausdehnun beträg etwa 120 km, die Ost-West-Ausdehnung zwischen 60 km im Norden und 30 k m im Süden Das Schelfeis befindet sich zwischen den aufliegenden Eis- körper des Halvfarryggen im Osten und des S ~ r i s e n im Westen.
Auf dem Schelfeis befindet sich seit 1981 die Überwinterungssta tion der Bundesrepublik Deutschland Georg-von-Neumayer, d i e im antarktischen Sommer logistische Basis fü Meßkampagne auf dem Schelfeis ist. Übe das Ekströmise geben U. a. K o b a r g (19881, E c k - staller (1988), Kipfstuhl (1991) oder N i x d o r f (1992) Auskunft.
Das gesamte Ekströmise befindet sich innerhalb des Meßbereich des GEOSAT, dessen Bahn bis 72's verläuft
I
Abb. 1.3: Überblic übe das Ekströmise und die umgebenden Schelfeise.
Der Karteninhalt beruht auf einer Digitalisierung von LANDSAT- Szenen aus den Jahren 1986 bis 1988. Die Geocodierung und ln- terpretation wurde vom Institut fü Angewandte Geodäsi (IfAG) in Frankfurt und die Digitalisierung im AWI in Bremerhaven durchge- führ (Heidrich u.a., 1992).
-16- I Einleitung
2 Die GEOSAT-Mission - 17-
2 Die GEOSAT-Mission
Die Ergebnisse der nur drei Monate dauernden SEASAT-Mission waren richtungsweisend fü viele Anwendungen der Satellitenalti- metrie, s o daà eine Nachfolgemission angestrebt wurde. Mit dem Satelliten GEOSAT (abgekürz fü GEOdetic SATellite) stand erstma- lig nach SEASAT wieder ein Satellit zur Verfugung, der mit seiner Bahn grofie Gebiete Grönland und der Antarktis abdeckte.
2 . I Ãœberblic Ãœbe die GEOSAT-Mission
Der Satellit GEOSAT wurde am 13. Mär 1985 von der Vandenberg Air Force Base, Kalifornien, USA, mit einer Atlas-E Trägerraket von der US-Navy gestartet. Er erhielt die Bezeichnung 1985-2lA und die NASA-Katalognummer 15595. Er wurde in eine etwa 800 km hohe Bahn mit einer Inklination zur Äquatoreben von 108' manö
vriert, die Bahn des Satelliten wurde dadurch von 72'N und 7Z0S begrenzt ( J e n s e n und W o o l d r i d g e , 1987).
Währen der ersten 18 Monate der Mission, der GEOSAT Primary Mission oder der Geodetic Mission (GM), wurde der Satellit fü ein Projekt der US-Navy eingesetzt, um ein dichtes globales Netz von Altimetermessungen zur Verbesserung des Erdschwerefeldes zu erhalten. Die Satellitenbahn war so gelegt, daà sie sich im 3-Tages Zyklus nahezu wiederholte, der Abstand der Bahnen auf der Erde betrug 2-3 km. Nach Abschluà der Primary Mission lag ein dichtes Netz präzise Höhenmessunge vor (McConathy und Kilgus, 1987).
Die Messungen und Ergebnisse der Geodetic Mission standen zu- nächs nur einem autorisierten Nutzerkreis zur Verfugung. Südlic von 60's wurden sie 1990 von der US-Navy freigegeben ( M a r k s u.a., 1991) und südlic von 30° 1992 (Blue, 1992).
Fü den weiteren Teil der Mission, der Exact Repeat Mission (ERM), wurde die Satellitenbahn etwas geändert Wichtigstes Ziel der Mis- sion war die Erfassung von Zeitreihen mit der (jahres)zeitlichen Va- riation der Meeresflächentopographie Der Satellit flog dafü ab dem 8. November 1986 auf einer fü die ozeanographischen An- wendungen optimierten Bahn, die sich im 17-Tages Zyklus mit ei- ner angestrebten Genauigkeit von k l km wiederholte. Der Abstand zwischen den Bahnen betrug am ~ ~ u a t o r 164 km und verringerte sich nach Norden und Süde entsprechend der Abnahme der Brei- t e n k r e i s d u r c h m e s s e r .
- 18- 2 Die GEOSAT-Mission
Die Mission war aufgrund von Komplikationen mit der Datenauf- zeichnung auf den Recordern an Bord des Satelliten im Oktober 1989 erheblich eingeschränk und wurde schließlic nach einem Defekt der Stromversorgung im Januar 1990 fü beendet erklär (Cheney, pers. Mitteilung). Tabelle 2.1 faß den zeitlichen Ablauf zu- s a m m e n
Start 13.03.85, 01 :55 UTC
1 .Teil der Mission 31.03.85 - 30.09.86 GEOSAT Primary Mission
Geodetic Mission (GM)
Manöve zur Änderun der Bahn ab 01.10.86 2.Teil der Mission 08.1 1.86 - 10.89
Exact Repeat Mission (ERM)
offizielles Ende der Mission 05.01.90
Tabelle 2.1: Zeitlicher Verlauf der GEOSAT-Mission
2 . 2 Umlaufbahnen des GEOSAT
Die Bahn eines mit einem Altimeter bestückte Satelliten ist äuß ren Gegebenheiten unterworfen. Fü eine präzis Bestimmung der Höh der Satellitenbahn, die sich direkt auf die Höhenbestimmun auswirkt, muà der Satellit höhe als 800 km fliegen, um einem gro- ße Einfluà der Atmosphär zu entgehen, der sich bei der Interpo- lation zwischen den gemessenen Bahnpunkten auf die Bahnhöh auswirkt und nicht präzis genug modelliert werden kann." Auf der anderen Seite muà er niedriger als 1500 km fliegen, da darübe die fü das Altimeter erforderliche Sendeleistung zu groà wird. Die Inklination der Umlaufbahn muà so gewähl sein, da sowohl eine gute Überdeckun als auch günstig Winkel zwischen auf- und ab- steigenden Umlaufbahnen zur Messung in zwei Richtungen sowie zur Ausgleichung und Kontrolle erzielt werden (Cheney u.a., 1986).
Die Satellitenbahnparameter des GEOSAT währen der Exact Repeat Mission (ERM) (Tabelle 2.2) entsprachen etwa denen des Satelliten SEASAT, dessen Bahnen zu Beginn so gelegt waren, da sie etwas versetzt nach 17.05 Tagen wiederholt wurden. SEASAT arbeitete 1978 nur etwas mehr als 9 0 Tage und es konnten keine längere Zeitreihen zur Erfassung der Dynamik der Ozeane gemessen wer-
2 Die GEOSAT-Mission -19- den. Fü die Berechnung von Differenzen zur Bestimmung von Ver- änderunge waren daher weitere Messungen erforderlich. Gleiche Bahnen von SEASAT und GEOSAT ermöglichte dann sowohl den di- rekten Vergleich zwischen den Messungen beider Satelliten als auch die Übertragun vieler Anwendungen und Programmentwick- lungen von SEASAT auf GEOSAT. Abb. 2.1 zeigt die Umlaufbahnen beispielhaft fü einen Tag.
Abb. 2.1: Umlaufbahnen des GEOSAT eines Tages übe Land und Eis
Flughöh 780-820 km
Inklination zur Äquatoreben 108' groß Halbachse der Umlaufbahn 71 62 km
Exzentrizitä 0.0008
Periode 6037 s
Umlaufe pro Tag 14.3
Wiederholrate 244 Umläufe 17.05 Tage
Tabelle 2.2: Parameter der Umlaufbahn währen der ERM
-20- 2 Die GEOSAT-Mission 2.3 Instrumentierung
Im folgenden werden kurz wesentliche Systeme des Satelliten zum besseren Verständni des Meßverfahrens der Datenaufzeichnung und der Auswertung beschrieben. Die fü die Altimetrie relevanten Systeme werden in den nachfolgenden Kapiteln ausführliche be- handelt, die Geometrie der Satellitenaltimetrie in Kap. 3, das Ra- daraltimeter - speziell übe Eis - in Kap. 4.
A l t i m e t e r
Der einzige Beobachtungssensor auf GEOSAT war das Radaraltime- ter, das in ähnliche Bauweise schon sehr zuverlässi auf SEASAT gearbeitet hatte. Es arbeitete im Ku-Band (13.5 GHz) in einem soge- nannten "atmosphärische Fenster".
Das Altimeter mißt
- die Laufzeit des Signals zur Berechnung der Distanz zwischen Sa- tellit und Rückstreufläc
- die Form des zurückgestreute Signals zur Interpretation der Ei- genschaften der Rückstreufläch z.B. Wellenhöhe Rauhigkeit, Neigung oder Dielektrizitä
- die zurückgestreut Energie, aus der sich z.B. die Windgeschwin- digkeit am Boden ableiten läß da die Windgeschwindigkeit das Signal beeinflußt
Die Bahnbestimmung ist von zentraler Bedeutung fü die Bestim- mung von absoluten Höhe aus Messungen des Satellitenaltimeters.
Bei GEOSAT erfolgte die Messung der Bahn mit Dopplerverfahren.
GEOSAT sendete dafü Signale mit den Frequenzen 150 MHz und 400 MHz (siehe Kap. 3.3).
Steuerung, Ausrichtungs- und Geschwindi~keitskontrolle
Zur genauen Ausrichtung des Altimeters in den Nadir besaà der Sa- tellit ein Schweregradient-System, das gewährleiste sollte, da die Abweichung des Altimeters aus dem Nadir währen 98% der Ope- rationsdauer weniger als 1' betragen sollte. Am Satelliten befand sich dafü ein 6.10 m langer Ausleger mit einer Endmasse von 45 kg. Der Satellit selbst hatte ein Gesamtgewicht von 630 kg.
2 Die GEOSAT-Mission -2 1 -
B a h n m a n à ¶ v e
Fü die Durchführun von Bahnänderungsmanöve und fü die Stabilisierung des Satelliten in seiner Umlaufbahn war der Satellit mit einem Schubsystem ausgerüstet Es bestand aus sechs Düse und wurde mit Freon 14 versorgt, das dafü in Tanks mitgeführ wurde. Der Satellit konnte damit seine Geschwindigkeit sowie Roll- und Pitchwinkel veränder ( F r a i n u.a., 1987). Bahnkorrekturen wurden etwa einmal pro Monat durchgeführt damit die angestreb- te Bahn möglichs genau eingehalten werden konnte.
Datenaufzeichnung
Das Altimeter lieferte einen Datenstrom von 10.205 kbitls ( = I 1 0 MByteITag), der auf den zwei mitfliegenden Recordern alternierend aufgezeichnet wurde. Die Altimetermessungen und -einstellwerte wurden bereits im Satelliten komprimiert. Im Oktober 1989 konn- ten nach dem Defekt beider Recorder keine Messungen mehr ge- speichert werden. Ab diesem Zeitpunkt wurden nur noch die wäh rend der Überfliegun der Bodenstation gemessenen Daten über t r a g e n .
Kommunikation
Der Kontakt zum Satelliten erfolgte uber die Bodenstation in Laurel, Maryland, USA, die fü den Betrieb und die Steuerung zuständi war. Der Satellit überflo die Bodenstation zweimal pro Tag, wäh rend einer aufsteigenden und einer absteigenden Umlaufbahn. Die Aufzeichnungen wurden beim Überfliege der Bodenstation an diese mit Sendern, die im S-Band (2.2 GHz) arbeiteten, Übertragen Die Übertragungsrat betrug 833.4 kbitsls, der Überflu uber die Station dauerte etwa 15 Minuten. Die Steuerung erfolgte übe einen Befehlsvorrat, der im Satelliten gespeichert war und von der Bo- denstation aus aktiviert wurde.
2 . 4 Datenprodukte und Datenverteilung
Nach der Aufzeichnung der Daten an der Bodenstation auf Analog- bände wurden die Daten im anschließende Verarbeitungsprozeà zu sogenannten SDRs (sensor data record) und WDRs (waveform data record) aufbereitet (Inhalt dieser Datensätz im Anhang).
Fü die ozeanographische Anwendung waren die SDRs wichtiges Zwischenprodukt. Sie enthalten Werte fü die Nadirabweichung und den Rückstreukoeffiziente (backscatter coefficient) , die aus den
2 Die GEOSAT-Mission
WDRs abgeleitet wurden. Die WDRs selbst enthielten fü die An- wendung übe dem Ozean ansonsten keine relevante Information.
Die SDRs wurden nach Rockville, Maryland, USA zum dortigen Re- chenzentrum der NOAA (National Oceanic and Atmospheric Admini- stration) geschickt, wo sie mit den Satellitenpositionen, Korrektur- werten fü Troposphär und Ionosphäre Gezeitenwerten usw. kom- biniert wurden, um die GDRs (geophysical data record) zu erzeugen.
Die GDRs sind das Standardprodukt und enthalten in komprimierter Form die notwendige Information. Die GDRs werden als komplette ERM verteilt, pro ERM benötige die GDRs etwa 60 MByte. Die SDRs und WDRs werden aufgrund der größer Datenmenge tageweise verteilt, die SDRs verbrauchen 365 MByte und die WDRs 950 MByte pro ERM. Die Nutzer erhalten die Datenprodukte von den Datenver- teilern der NOAA. Das AWI erhielt die GDRs übe LandIEis vom Na- tional Snow and Ice Data Center (NSIDC) in Boulder, Colorado, USA, die WDRs und SDRs übe das National Oceanographic Data Center (NODC) in Washington D.C., USA.
Fü die Auswertung von Altimetermessungen übe Eis müsse von beiden Organisationen aufbereitete und verteilte
kombiniert werden.
Satellit Trackingnetz
^o*=/
- -
\
G ; : : / / - /- - --
I I 1 s-Band- 1 Telemetrie
I I I I I I I
Orbits
0
Archiv
rQ
Daten wieder
Geoid
/Eis
Atmo-
Abb. 2.2: Schematische Darstellung des Datenflusses von der Altimeter- messung bis zum fertigen Datenprodukt
3 Satellitenaltimetrie -23- 3 Verfahren der Satellitenaltimetrie
3 . 1 Prinzip der Altimetermessung
Die Satellitenaltimetrie ist die Messung der Flughöh des Satelliten übe der Erdoberfläche Der Satellit dient als bewegte Plattform fü das Radaraltimeter, das kurze Impulse aussendet und nach Refle- xion an der Erdoberfläch wieder empfängt Die Höh des Satelliten übe der Erdoberfläch kann angenäher direkt nach (3.1) aus der Laufzeit des Signals bestimmt werden (Abb. 3.1).
mit a : Altimetermeßwert Flughöhe Distanz Satellit - Rückstreufläc
C: Signalgeschwindigkeit
A t : Laufzeit
Energie
4
Plateau1
Sendeimpuls 3.125 ns/ / Ernpfangsfenster 60 * 3.125 ns Zeit
Abb. 3.1 : Laufzeitmessung des Radaraltimeters
Das Prinzip wird am Beispiel des GEOSAT-Altimeters erläutert Das Altimeter des GEOSAT arbeitete im Ku-Band mit einer Frequenz von 13.5 GHz oder entsprechend 2.2 cm Wellenlänge Die Altimeteran- tenne sendete ein eng gebündelte Signal mit einem ~ f f n u n g s - winke1 von 2O. Der Öffnungswinke einer Antenne ist der Winkel, übe den nahezu die gesamte Energie abgestrahlt wird und bei dem die Signalstärk am Rand auf die Hälft des Maximalwertes (= 3 dB) abgefallen ist. Das Altimeter des GEOSAT führt pro Sekunde 1024 Messungen durch. Die einzelnen Meßimpuls haben eine Läng von tpe = 102.4 PS, die um den Faktor K = 32768 auf eine Läng von t p a
= 3.125 ns komprimiert sind (3.2). Die Komprimierung des Impul- ses erfolgt durch lineare Frequenzmodulation mit einem Frequenz-
3 Satellitenaltimetrie -25- Fü den Empfang des Rückkehrsignal wird i m Altimeter ein Fen- ster geöffnet das sich aus 60 Zellen von jeweils 3.125 ns Lange zu- sammensetzt (Abb. 3.1). Die zeitliche Läng einer Zelle ist gleich der Lange des Sendeimpulses. Im Empfangsfenster wird der f à ¼ die Laufzeitmessung wesentliche Teil des Rückkehrsignal mit der an- steigenden Flanke und dem sich anschließende Plateau aufge- zeichnet. Fü die Laufzeitmessung des Signals ist eine ausgeprägt ansteigende Flanke notwendig. Je besser die ansteigende Flanke ausgepräg ist, desto genauer kann die Laufzeit gemessen werden.
Fü das zurückkommend Signal wird eine Laufzeit prädiziert die d i e ansteigende Flanke des Rückkehrsignal i m Empfangsfenster zentrieren soll. Fü die Messung des Rückkehrsignal stehen von den 60 Zellen dann nur noch 30 zur Verfügung
Von der Bauart her ist das auf GEOSAT eingesetzte Altimeter ein impulsbegrenztes (pulse limited) Altimeter. Das Altimeter sendet einen sehr kurzen Impuls aus, damit die Laufzeit zum Nadirpunkt bestimmt wird, auch wenn das Altimeter nicht ganz präzis in den Nadir ausgerichtet ist. Da das Signal sehr kurz ist, wird die gesamte Reflexionsflache nicht gleichzeitig beleuchtet. Das Signal erreicht im Idealfall zuerst d e n Nadirpunkt und wird von dort reflektiert.
Wenn das Impulsende den Nadirpunkt erreicht hat, kann aus dem Nadir keine Energie mehr reflektiert werden und aus der Re- flexionsflache wird ein Kreisring. Der Flächeninhal der Reflexions- fläch bleibt jedoch nahezu konstant, bis d i e durch den Abstrahl- winke1 des Altimeters festgelegte Grenze erreicht wird (Abb. 3.2).
Die Form d e s aufgezeichneten Signals besteht dann aus einer an- steigenden Flanke, die solange ansteigt wie sich die Reflexionsfläch vergrößer Daran schließ sich ein Plateau mit nahezu konstanter oder leicht abfallender Amplitude fü die Zeit gleich große Re- flexionsflache an. Das Abfallen des Plateaus des Rückkehrsignal entspricht der Abschwächun am Rande d e r Sendekeule. Die aus- laufende Flanke fäll außerhal des Empfangsfensters und wird nicht mehr aufgezeichnet.
-26- 3 Satellitenaltimetrie
reflektierende Fläch
Abb. 3.2: Veränderun der Reflexionsfläch und Zuordnung zum Rückkehrsigna
Daneben miß das Altimeter übe dem Ozean die Wellenhöh SWH (significant wave height), die sich in der Steilheit der ansteigenden Flanke des Rückkehrsignal abzeichnet.
SWH =
f
(WSCi, i=l,60) (3.4)m i t SWH: W e l l e n h à ¶ h
WSCi: korrigierter Wert der i-ten Zelle des Empfangsfensters nach (waveform sample corrected)
Das Altimeter miß die empfangene Energie und berechnet daraus den Rückstreukoeffiziente (backscatter coefficient) o O . ~ n d e r u n g e n des Rückstreukoeffiziente werden durch unterschiedliche Dämp fung in der Atmosphär verursacht. Übe dem Ozean lassen sie sich mit der Windgeschwindigkeit korrelieren.
m i t o O : R Ã ¼ c k s t r e u k o e f f i z i e n
WSCi: korrigierter Wert der i-ten Zelle des Empfangsfensters
3 Satellitenaltimetrie 3.2 Geometrie der Satellitenaltimetrie
Die Geometrie bei der Höhenbestimmun zeigt die Abb. 3.3. Die ellipsoidische Höh h eines Punktes ergibt sich nach (3.6) aus der berechneten Bahnhöh
herb
des Satelliten übe dem Ellipsoid, von der der Altimetermeßwer a einschließlic der Kalibrierungswerte acal, die Gezeiteneinflusse tozean und tErde, die Ausbreitungseinflusse in der Ionosphär dIono und der Troposphär dTro und die Einflusse der Ozean- bzw. Eisoberfläch dRsF subtrahiert werden. Die berech- nete Bahnhöh weicht von der tatsächliche um den Wert d ab.1
Satellitenbahn
instrumentelle Korrekturen
atmosphärisch Korrekturen
physikalische
1
Korrekturen
\
Satellit GEOSAT
Abb. 3.3: Geometrie der Altimetermessung
3 Satellitenaltimetrie -29- Nivellement und Satellitenhöhenbestimmun noch so gering, da das Geoid hier nur unzureichend bekannt ist. Wegen der schwierig durchzuführende Messungen wird sich der Zustand in den kom- menden Jahren nur langsam verbessern.
3.3 Bahnbestimmung fü den GEOSAT
Die präzis Bestimmung der Umlaufbahn des Satelliten ist entschei- dend fü die Bestimmung absoluter Höhen Fehler der Bahnbestim- mung wirken sich direkt auf die Genauigkeit der Höhe aus.
Die Genauigkeit, mit der die Bahn bestimmt werden kann, ist ab- hängi von:
- der Art und Genauigkeit des Meßverfahrens mit dem der Satellit verfolgt wird,
-
der Verteilung und den Fehlern in den Koordinaten der Beobach- tungsstationen,- der Genauigkeit des Schwerefeldes, das fü die Modellierung der Satellitenbahn benutzt wird.
Dopplermessungen könne zu Satelliten durchgeführ werden, die kontinuierlich auf stabilen Frequenzen Signale senden. Die Genauig- keiten, die mit Dopplerverfahren erreichbar sind, liegen in der Grö
ßenordnun von ± m.
In der Satellitengeodäsi haben Dopplerverfahren mit der Einrich- tung des TRANSIT-Systems eine weite Verbreitung erfahren und sich zu einem Standardverfahren entwickelt. Die global eingerichte- ten Beobachtungsnetze fü die Bahnbestimmung der Satelliten des Systems bieten ideale Voraussetzungen auch fü die Bahnbestim- mung anderer Satelliten, wenn sie Signale auf den Frequenzen sen- den, die von den Empfänger im Beobachtungsnetz aufgezeichnet werden können
Die fü diese Messungen einsetzbaren Dopplerempfänge sind kom- pakt gebaut und leicht zu transportieren, die Handhabung ist rela- tiv einfach und die Sendefrequenzen durchdringen die Atmosphäre so da kontinuierliche Messungen gewährleiste sind. Messungen müsse nicht im Satelliten gespeichert werden.
-30- 3 Satellitenaltimetrie
Die Bahnbestimmung beim GEOSAT erfolgte mit Dopplerverfahren.
GEOSAT sendete Signale mit Frequenzen bei 150 MHz und 400 MHz, auf denen ebenfalls die Satelliten des TRANSIT-Systems senden (Anderle, 1986). Das ermöglich die Nutzung der fü die Bahnbe- stimmung der Satelliten des TRANSIT-Systems eingerichteten Be- obachtungsnetze, z.B. des TRANET (Transit Network) oder des OP- NET (Navy's Operational Network). Das TRANSIT-System bietet als ein global operierendes und genutztes System fü die Navigation und Positionsbestimmung die notwendigen Voraussetzungen fü die Bahnbestimmung des GEOSAT.
Fü die Altimetrie ist die Genauigkeit, die mit Dopplerverfahren zu erreichen ist, nicht ausreichend. Die Auswertung der Altimetrie übe dem Ozean behilft sich damit, da sie bei den Ausgleichungs- verfahren von einem übe länger Zeit konstant bleibenden Offset der Bahn ausgeht und die Abweichungen an den Kreuzungspunkten der Umlaufbahnen minimiert.
Die Beobachtungsstationen fü die Satellitenbahnmessung in fest eingerichteten Observatorien sind oft an Forschungsinstitute oder andere Institutionen gebunden, die sich zum größt Teil auf der Nordhemisphär befinden. Die Anzahl der Beobachtungsstationen ist auf der Nordhemisphär sehr viel größ als auf der Südhemi sphare und damit ist die Bahnbestimmung auf der Nordhemisphär genauer als auf der Südhemisphär Abhängi vom Meßverfahre ist die Anzahl der Beobachtungsstationen auf der Südhemisphä
nur kurzfristig fü globale Projekte zu steigern.
Die Modellierung der Satellitenbahn. benötig ein hochaufgelöste Schwerefeld, das durch die harmonischen Koeffizienten des Feldes beschrieben wird. Die heute zur Verfügun stehenden Schwerefeld- modelle beruhen auf Satellitenbahnanalysen, Schwere- und Höhen messungen auf der Erde und Altimetermessungen.
Bei der Kugelfunktionsentwicklung des Potentials des Schwerefel- des ausschließlic aus Satellitenbahnanalysen endet die Empfind- lichkeit der Modellierung der harmonischen Koeffizienten etwa beim Grad 20 (Seeber, 1989), z.B. GEM-T1 ( M a r s h u.v.a., 1988), GEM-T2 (Marsh u.v.a., 1990) oder GEM-T3 (Lerch u.v.a., 1992). Die Genauigkeit dieser Modelle ist abhängi von der Anzahl und Vertei- lung der beobachteten Satelliten, vom Meßverfahre zur Bahnbe- stimmung und. der Anzahl und Verteilung der beobachtenden Sta- tionen.
3 Satellitenaltimetrie -31- Die globalen Schweremodelle werden auf den Kontinenten verdich- tet durch die Nutzung von Schweremessungen zur Bestimmung mit- telwelliger Anteile etwa von 20
-
200 km und durch hochauflösen de Geländemodell zur Bestimmung kurzwelliger Anteile. Auf den Ozeanen erfolgt die Verdichtung durch Altimetermessungen. Mit der Nutzung der Altimetrie ist das Geoid im Bereich der Ozeane viel genauer bekannt als im Bereich der Kontinente.Das genutzte Schwerefeld wirkt sich auf die Genauigkeit der Bahn- bestimmung eines Satelliten unterschiedlich aus, weil sich die Sa- telliten auf unterschiedlichen Bahnen bewegen und sich die Kräft des Schwerefeldes unterschiedlich auf jeden einzelnen Satelliten auswirken.
Fü einige Satelliten, die mit einem Altimeter ausgerüste waren, sind darum speziell angepaßt Modelle berechnet worden, fü GEOS-3 z.B. das Modell GEM-10 (Lerch u.a., 1979), fü SEASAT das Modell PGS- 133 1 (Lerch u.a., 1982) oder fü TOPEXIPOSEIDON das Modell PTGF-4A (Shum u.a., 1990). Die Bahnelemente des GEOSAT und des SEASAT sind ähnlich so da die SEASAT-Modelle auch fü die Bahnberechnung des GEOSAT verwendet werden.
Die in den GDRs enthaltenen Bahnkoordinaten wurden von der Navy Astronautics Group (NAG) in Point Mugu, Kalifornien, USA, berechnet (Cheney u.a., 1987). Der Satellit wurde dafü auf den OP- NET-Stationen mit Dopplerverfahren beobachtet. Die Modellierung der Satellitenbahn erfolgte mit dem Erdmodell GEM-10 (Goddard Earth Model 10), das 1978 aus Satellitenbahnbeobachtungen und terrestrischen Schweremessungen berechnet worden war. Das Modell hat eine Koeffizientenentwicklung des Schwerepotentials bis zum Grad 1=22. Es schließ noch keine Altimetermessungen ein.
Nachfolgemodelle wie GEM- 1 OA, GEM- 1 OB und GEM- 10C beziehen dann bereits Altimetermessungen von GEOS-3 ein, mit der Folge, da das i m Meeresbereich bislang unzureichend bekannte Erdmodell nun im Ozeanbereich sehr viel genauer bekannt ist als im Bereich der Kontinente.
Die Standardabweichung der berechneten Koordinaten wird mit k 4 m abgeschätzt Die Abweichung der berechneten Satellitenbahn von der tatsächliche bleibt jedoch übe lange Distanzen von einigen tausend Kilometern konstant, so da in den angewendeten Ausgleichungsverfahren diese Abweichung als Unbekannte einge- führ werden kann. In der Auswertung der Altimetermessungen übe dem Ozean wird durch Ausgleichung der Kreuzungspunkte der
-32- 3 Satellitenaltimetrie
auf- und absteigenden Satellitenbahnen eine wesentliche Verbesse- rung erzielt und die verbleibenden Residuen liegen im Bereich von k10 Cm. Bei ausgewählte Bahnen des GEOSAT verblieben bei der Bahnbestimmung mit GEM-T1 Residuen von k2.9 m, mit GEM-T2 von k l . l m (Marsh u.v.a., 1990, Haines u.a., 1990).
3.4 Korrekturen der Altimetermessung
Aufgrund bekannter Einflüss bei der Höhenbestimmun nach (3.6) sind Korrekturen notwendig:
- Abweichung der modellierten Bahn von der tatsächliche Bahn In Abhängigkei vom Verfahren der Bahnbestimmung und -mo- dellierung beträg dieser Fehler etwa k2 m. Er ist langwellig, so da er sich bei der Modellierung kurzer Bahnstück als konstan- ter Einfluà auswirkt und bei der Ausgleichung herausfällt
- Instrumentelle Einflüss
Die Radartechnik selbst begrenzt die Genauigkeit, mit der die Laufzeit des Altimetersignals bestimmt wird. Die Entwicklung der Radartechnik ermöglich fü die Distanzbestimmungen immer präziser Messungen. In der Satellitenaltimetrie steigerte sich die Genauigkeit der Radarmessung von k50 cm bei GEOS-3 bis auf k10 cm bei SEASAT und GEOSAT und liegt bei ERS-1 und TOPEXI POSEIDON bei etwa k5 cm (Kolenkiewicz und Martin, 1987).
-
Einflüss entlang des SignalwegesDie Radarwellen werden durch die Eigenschaften des inhomoge- nen Ausbreitungsmediums Atmosphär beeinflußt Refraktion, Dispersion und Absorption wirken sich auf die Laufzeit und die Amplitude des Signals aus. Die Ausprägun dieser Effekte häng vom Zustand des Mediums und von den Parametern der Radarwellen (Frequenz, Amplitude, Ausbreitungsrichtung, Phase, Polarisation) ab. Diese Einflüss lassen sich zum Teil durch Mo- delle beschreiben. Es bleiben jedoch Effekte, die sich auf die Laufzeitmessung als systematische oder zufällig Fehler auswirken.
3 Satellitenaltimetrie -33-
- Einflüss durch die Rückstreufläc
Die Interpretierbarkeit des Rückkehrsignal häng wesentlich von den Eigenschaften der Reflexionsfläch ab. Das Signal/Rausch- Verhältnis die empfangene Energie und das Setzen eines Schwellwertes fü die ansteigende Flanke des Signals wirken sich auf die Qualitä der Laufzeitmessung aus. Die Auswirkungen der speziellen Einflüss auf die Altimetermessung übe Eis wird in Kap. 4 ausführliche behandelt.
Fehlerart
A l t i m e t e r
R à ¼ c k s t r e u f l à ¤ c
S i g n a l a u s b r e i - t u n g
Gezeiten
Geoid
B a h n b e s t i m m u n
Quelle
Tracker Bias Bias Drift Data time tag I n s t r - R a u s c h e n L u f t d r u c k W e l l e n h à ¶ h freie Elektronen in der Ionosphär Luftmassen der T r o p o s p h à ¤ r Wassergehalt der T r o p o s p h à ¤ r Wolken, Regen Ozeangezeiten Gez. d. festen Erde M a s s e n v e r t e i l u n g der Erde
S c h w e r e f e l d a t m o s p h à ¤ r i s c h R e i b u n g
S o n n e n s t r a h l u n g S t a t i o n s b e s t i m m u n g
Amplitude
(Cm)
Wellenläng (km)
Tabelle 3.1 : Fehlerhaushalt der Altimetermessung
-34- 3 Satellitenaltimetrie
Der Fehlerhaushalt der Altimetermessung (Tabelle 3.1) wurde nach T a p l e y u.a. (1982), L y b a n o n und Crout (1987) und W a g n e r (1989) zusammengestellt. Die Zusammenstellung beruht im wesentlichen auf Erfahrungen und Abschätzunge des SEASAT-Altimeters. Übe die Effektivitä der Korrekturen fü die Höhenbestimmun mit dem GEOSAT-Altimeter und die verbleibenden Residuen schreiben R a y u.a. (1991). Sie gilt grundsätzlic fü alle Altimeter, ist fü neue Altimeter jedoch entsprechend den Gerätemodifikatione und Weiterentwicklungen anzupassen.
3.4.1 Gezeiten
Die Höhenbestimmun aus der Altimetermessung muà um die Ein- flüss der Gezeiten des Ozeans und der festen Erde korrigiert wer- den. Die Beträg der Einflüss auf die Höhenbestimmun liegen bei den Ozeangezeiten bei 100 cm und bei den Gezeiten der festen Erde bei 20 Cm. Die Bestimmung der Korrekturen ist fü den Ozeanbe- reich mit einer Genauigkeit von k10 cm und bei der Gezeiten der festen Erde von k2 cm möglich Bei der Untersuchung der Ozeange- Zeiten haben C a r t w r i g h t und R a y (1991) Testgebiete im offenen Ozean untersucht und zum Teil größe Abweichungen zwischen den verwendeten Gezeitenmodellen festgestellt. Dieses gilt ins- besondere fü Randmeere, fü die an die lokalen Gegebenheiten an- gepaßt Modelle zu verwenden sind. Sind keine speziellen Modelle verfügbar sind die Residuen größe
Fü die Berechnung der Ozeangezeiten werden globale Gezeitenmo- delle herangezogen, z.B. nach Schwiderski (1980) oder Hendershott (1977). Fü das Modell von Schwiderski (1980) ist ein globales 1"- Raster mit Werten von 11 Partialtiden im eintägigen halbtägige und langperiodischen Bereich vertafelt. In diesem 1"-Raster werden dann fü einen bestimmten Ort und eine bestimmte Zeit Werte in- terp ~ l i e r t .
Die Schelfeise schwimmen auf dem Ozean und machen die Gezeiten- bewegungen des Ozeans im wesentlichen mit. Die Bewegungsfrei- heit ist jedoch dadurch eingeschränkt da sie an den Ränder auf- liegen. Fü die Bestimmung des Gezeiteneinflusses fü ein Schelfeis ist darum ein speziell angepaßte Gezeitenmodell notwendig, wie es z.B. auch fü Randmeere erforderlich ist. Solche Modelle stehen nicht zur Verfügung
3 Satellitenaltimetrie - 3 5 - Auf dem Ekströmise werden im geophysikalischen Observatorium der Georg-von-Neumayer-Station Gezeiten mit einem Gravimeter und mit Neigungsmessern registriert. Die gezeitenbedingte Dynamik des Ekströmise behandelt Kobarg (1988), der Schwere-, Neigungs- und Strainmessungen des geophysikalischen Observatoriums und der geophysikalischen Traverse währen der Expedition ANT V be- a r b e i t e t .
Die Anbindung der Gezeiten des Ekströmise an die Gezeiten des Ozeans geben T e z k a n und Y a r a m a n c i ( 1 9 9 2 ) in der Untersuchung einer Zeitreihe von gleichzeitigen Schweremessungen des geophysi- kalischen Observatoriums und Pegelmessungen eines i m Ozean ver- ankerten Druckpegels, etwa 10 km vor der Schelfeiskante, vom 2 7 . 0 2 . 1 9 8 7 - 1 7 . 0 1 . 1 9 8 8 .
Die Werte fü die Gezeiten des Ozeans und der festen Erde werden mit den GDRs verteilt ( C h e n e y u.a., 1987). Die Ozeangezeiten wur- den von der NOAA entlang der Subsatellitenbahn nach S c h w i d e r s k i ( 1 9 8 0 ) interpoliert. Die Berechnung der aktuellen Erdgezeiten er- folgte ebenfalls entlang der Subsatellitenbahn nach Verfahren und Gezeitentabellen von C a r t w r i g h t und T a y l e r (1971) und C a r t w r i g h t und E d d e n (1973).
3.4.2 Ausbreitung der Radarwellen in der Atmosphare
D i e Erdatmosphär wird fü technische Anwendungen vereinfacht nach den Auswirkungen auf die Signalausbreitung i n die Tropo- sphär und die Ionosphare unterteilt. Die Troposphär ist der unte- r e Teil der Atmosphare, in der die Wellen durch Wasserdampf, temperaturbedingte Luftschichtung und Luftdruck beeinfluß wer- den. In d e r darüberliegende Stratosphär und insbesondere der Ionosphäre die bis etwa 1000 km Höh reicht, wirken sich freie Elektronen auf die Signalausbreitung aus.
Der Einfluà der Ionosphare auf die Höhenmessun ist abhängi von der Anzahl freier Elektronen in der Ionosphare und damit von der Sonneneinstrahlung. Den Einfluà auf die Distanzmessung schätz W a g n e r ( 1 9 8 9 ) mit bis zu k 2 0 cm, die verbleibenden Residuen mit k 3 c m ab. D i e Auswirkung auf das Signal ist frequenzabhängi ( L e i g h u.a., 1988), hohe Frequenzen von z.B. 20 GHz werden weni- ger beeinfluß als niedrigere, jedoch schließ die Dämpfun der At- mosphär sehr hohe Freqenzen aus. Die Messung mit zwei Frequen- zen ermöglich die Modellierung dieses Einflusses. Hochgenaue Alti-
-38- 3 Satellitenaltimetrie
4 Satellitenaltimetrie übe Eis -39- 4 Hohenbestimmuna Übe Eis mittels Satellitenaltimetrie Die Anwendung der Satellitenaltimetrie uber Eis unterscheidet sich von der Ÿbe dem Ozean insbesondere durch folgendes:
- die Signalverfolgung muà flexibler auf Änderunge der Distanz und der Eigenschaften der Reflexionsfläch reagieren
- das Altimeter muà präzise in den Nadir ausgerichtet sein, d a sich Nadirabweichungen und Geländeneigunge Überlager
- die fü die Ozeananwendung entwickelten Ausgleichungsverfah- ren zur Bahnverbesserung sind nur zum Teil fü die Anwendung übe Eis geeignet
- die fü den Ozean aus der Signalform abgeleiteten Werte fü Wellenhöh und Nadirabweichung sind nicht auf die Anwendung Ÿbe Eis Übertragba
4 . 1 Aktive Radarverfahren
Radarverfahren sind von große Bedeutung fü die präzis Entfer- nungs- und Bewegungsbestimmung. Wesentliche Entwicklungen der Radartechnik sind durch Anwendung i n Navigation und Ver- kehrsüberwachun vorangetrieben worden.
In der Fernerkundung werden aktive Radarverfahren u.a. fü fol- gende Anwendungen genutzt:
- präzis Distanzmessung mit Altimetern
- abbildende Radarverfahren, z.B. SAR (Synthetic Aperture Radar), fü die Beobachtung von Wolkenstrukturen, Niederschlagspara- metern, Windfeldern, Wellenstrukturen und -richtungen u.ä
Die eingesetzten aktiven Radarverfahren arbeiten unabhängi von Wetter und Sonnenstand. In der Atmosphär befinden sich im Be- reich der Mikrowellen lokale Ausbreitungsfenster, in denen die Dämpfun der Mikrowellen durch Wolken, Regen oder Nebel mini- mal ist. Das macht aktive Radarverfahren daher hervorragend ge- eignet fü d i e flächendeckend Beobachtung schwer zugängliche Gebiete, wie der Ozeane oder der polaren Eisschilde. In den polaren Zonen sind wegen der dort vorherrschenden Wetterbedingungen
-40- 4 Satellitenaltimetrie übe Eis
und der langen Dunkelheit währen der Winter nur Radarverfah- ren fü die ganzjährig Beobachtung einsetzbar.
Fü die Bestimmung physikalischer Eigenschaften des Schnees, wie Trockenheit oder Feuchtigkeit, sind Radarverfahren sehr gut geeig- net, weil sich die physikalischen Eigenschaften des Schnees in der zuruckgestreuten Energie oder der Form d e r Ruckkehrsignale ab- zeichnen.
In der Glaziologie werden aktive Radarverfahren weiterhin z.B. zur Messung der Eisdicke und zur Bestimmung interner Strukturen von Schelfeisen oder Gletschern eingesetzt ( B o g o r o d s k y u.a., 1985). Das Radar ist auf einem Schlitten, unter einem Flugzeug oder Hub- schrauber montiert. Auf dem Ekströmise und dem Filchner-Ron- ne-Schelfeis werden diese Verfahren z.B. von der Universitä Mün ster eingesetzt (Thyssen und Grosfeld, 1988).
Allen Anwendungen gemeinsam ist die Radargleichung (4.1), die den Zusammenhang zwischen Sende- (Ps) und Empfangsleistung ( P e ) fü ein Objekt in Richtung der Hauptsendekeule unter ideali- sierten Bedingungen liefert (Skolnik, 1970, S. 2-4).
mit: Pe Empfangsleistung PS Sendeleistung
Aw Antennenwirkfläch der Empfangsantenne o Radarrückstreufläc (radar Cross section)
a Distanz X Wellenläng
Entscheidend fü die Empfangsleistung (Pe) ist die sogenannte Ra- darrückstreufläc er, die in der Literatur auch als Radarrückstrahl fläch bezeichnet wird. Sie bezeichnet die Ruckstrahlfähigkei eines Radarziels. Von der Dimension her ist sie eine Fläch und berück sichtigt sämtlich Effekte des jeweiligen Radarziels, die zum Rück kehrsignal beitragen und meistens sehr heterogene Eigenschaften a u f w e i s e n .
Die Antennenwirkfläch ( A w ) und die Wellenläng (X) des Signals sind Konstanten des eingesetzten Altimeters. Der Einfluà unter- schiedlicher Flughöh (a), die durch d i e Erdabplattung hervorge- rufen wird, wirkt sich auf die Empfangsleistung (Pe) maximal mit etwa 10% aus. -
4 Satellitenaltimetrie übe Eis -4 1 -
4.1 .1 Radarruckstreuflache (radar Cross section)
Fü die Distanzmessung nutzt die Radartechnik das Reflexionsver- möge angestrahlter Ziele. Die Radarwellen werden an Grenzschich- ten zwischen unterschiedlichen Medien reflektiert und gelangen zur Empfangsantenne zurück Ein Teil der Radarwellen dringt in Ab- hängigkei von den Eigenschaften des angestrahlten Körper mehr oder weniger tief in den Körpe ein und wird an Teilen, die klein gegenübe der Wellenläng sind, gestreut. Ein Teil dieser ins Me- dium eingedrungenen Wellen verläà das Medium wieder und ge- langt zur Empfangsantenne. Reflexion an der Oberfläch und Streu- ung im angestrahlten Körpe wirken komplex zusammen und sind von zeitlich und örtlic schwankenden Ursachen abhängig deren Zusammenhäng meistens nicht bekannt sind.
Bei Meerwasser ist die Eindringtiefe des Signals äußer gering, so da in der Praxis nur die Reflexion an der Meeresoberfläch be- rücksichtig wird.
Die fü die Höhenbestimmun relevante reflektierende Fläch wird als Footprint bezeichnet. Idealerweise ist es eine vollständi ausge- leuchtete reflektierende Kreisfläch (Abb. 3.2). Dabei wird fü den Footprint zwischen nachfolgenden Definitionen unterschieden:
Das Altimeter des GEOSAT war von der Bauart her ein impulsbe- grenztes Altimeter (Kap. 3.1). Fü die reine Laufzeitmessung wird nur die ansteigende Flanke des Rückkehrimpulse benötig (Abb.
3.1). Diese ist voll ausgebildet, wenn das Impulsende den Nadir- punkt erreicht hat und reflektiert wurde. Der durch die Impuls- läng begrenzte Durchmesser DPLF (pulse limited footprint) nach (4.2) ist abhängi von der Impulsläng (tpa = 3.125 ns), der Flug- höh der Satelliten (a = 800 km) und der Signalgeschwindigkeit (C = 300000 kmls).
Im Empfangsfenster fü das Rückkehrsigna kann nur ein Teil der reflektierten Energie empfangen werden. Der größ Teil der zu- kommenden Energie liegt außerhal des Empfangsfensters und geht verloren. Der Durchmesser DAGC (automatic gain control) bezeichnet die Fläche von der die reflektierte Energie im Empfangsfenster aufgezeichnet werden kann. Der Durchmesser ist abhängi von der Lage der ansteigenden Flanke im Empfangsfenster. Liegt sie in der Mitte, ergibt sich der Durchmesser des Footprints nach (4.3).