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GNSS-Reflektometrie

Einsatz der GNSS-Reflektometrie auf Kleinsatelliten zur Tsunamifrühwarnung

Der Begriff GNSS-Reflektometrie (GNSS-R) fasst verschiedene Fernerkundungsmethoden zusammen, bei denen von Wasser-, Eis- oder Landoberflächen reflektierte Signale von Navigationssatelliten aufgezeichnet und ausgewertet werden. Wichtige geophysikalische Eigenschaften der reflektierenden Oberflächen können abgeleitet werden, wie geometrische Höhe, Bodenfeuchte oder Rauhigkeit, die z.B. mit Windgeschwindigkeit und –richtung über Wasseroberflächen korreliert werden kann. Das Spektrum der Anwendungen ist sehr vielfältig und reicht über Wettervorhersage bis hin zur Klimaforschung [1].

In der GFZ-Sektion Geodätische Weltraumverfahren wird seit mehr als 15 Jahren an der Entwicklung der innovativen GNSS-R-Fernerkundungsmethoden gearbeitet. Begonnen wurde mit Untersuchungen reflektierter Signale, die in GNSS-Radiookkultationsmessungen, u.a. des Satelliten CHAMP, entdeckt wurden. Unterstützt durch das GITEWS-Projekt (German Indonesian Tsunami Early Warning System) wurden diese Arbeiten mit ersten erfolgreichen bodengestützten Ergebnissen und Untersuchungen zum Einsatz auf Satelliten weiter ausgebaut [2]. Neben dem Ausbau von bodengestützten Messungen [3] und der Auswertung von Messungen von Luftschiffen und Flugzeugen [4, 5] wird momentan sehr intensiv am satellitengestützten Einsatz für globale Erdbeobachtung gearbeitet. Beispiele sind Studien zum Einsatz der GNSS-R auf Kleinsatelliten oder auf der Internationalen Weltraumstation ISS [6] innerhalb des GEROS-ISS Experimentes der europäischen Weltraumbehörde ESA. Ein weiterer Arbeitsschwerpunkt ist das im Juni 2017 eingereichte G-TERN Proposal [7] für eine GNSS-R Mission im Rahmen des Earth Explorer 9 Programms der ESA.

Abgeschlossene Projekte

  • ADVANTAGE (Advanced Technologies for Navigation and Geodesy, HGF, Impuls- und Vernetzungsfonds, 2017-2020)
  • GARCA (GNSS-Reflectometry Assessment of Requirements and Consolidation of Retrieval Algorithms, ESA, 2014-2016)
  • GEOHALO (Flugzeuggestützte GNSS-Fernerkundung über dem Mittelmeer)
  • GEROS-ISS (GNSS-Fernerkundung an Bord der ISS, ESA-Studie)
  • Gfg2 (GNSS für Globale Erdbeobachtung, EU-finanzierte Sommerschule, 2013)
  • GPS-SIDS (Bodengestützte Meereiskampagne in der Diskobucht, Grönland, ESA))
  • OpenGPS (Entwicklung des Open-GPS-Empfängers)
  • PMARS (Bodenfeuchtemessungen in Marokko)
  • Tsunamidetektion (Machbarkeitsstudie zur Satellitengestützten Tsunamidetektion mit GNSS-Reflektometrie)
  • Walchensee-Experiment (Reflektometrie-Experiment mit dem GORS (GNSS Occultation, Reflectometry and Scatterometry) Empfänger Prototyp, 2007)
  • WISDOM (Wasserstand-Überwachung des Mekong-Delta in Vietnam, 2012-2014)
  • Zeppelin (Zeppelingestützte GNSS-Fernerkundung über dem Bodensee, 2010-2014)

[1] Wickert J., A. Egido, G. Elgered, S. Fuller, M. Gauss, R. Jongman, C. Martin-Puig, P. Monks, Novel GNSS applications for GEEO and GEOSS, Public Report of the GfG² project, European Union, FP7-ENV-2010 GA No. 265098, pp. 43, 2012.

[2] Stosius, R. Beyerle, G.; Hoechner, A.; Wickert, J.; Lauterjung, J., The impact on tsunami detection from space using GNSS-reflectometry when combining GPS with GLONASS and Galileo on GNSS-Reflectometry tsunami detection from space. Advances in Space Research, 47, 5, 843-853, doi: 10.1016/j.asr.2010.09.022, 2011.

[3] Vey, S., Güntner, A., Wickert, J., Blume, T., Ramatschi, M.: Long-term soil moisture dynamics derived from GNSS interferometric reflectometry: a case study for Sutherland, South Africa. - GPS Solutions, 20, 4, p. 641-654, doi:10.1007/s10291-015-0474-0, 2016b.

[4] Semmling, A. M.; Wickert, J.; Schön, S.; Stosius, R.; Gerber, T.; Markgraf, M.; Ge, M. & Beyerle, G. A zeppelin experiment to study airborne altimetry using specular Global Navigation Satellite System reflections, Radio Science, 2013, 48, 427–440, 2013.

[5] Semmling, A. M.; Beckheinrich, J.; Wickert, J.; Beyerle, G.; Schön, S.; Fabra, F.; Pflug, H.; He, K.; Schwabe, J. & Scheinert, M. Sea surface topography retrieved from GNSS reflectometry phase data of the GEOHALO flight mission Geophysical Research Letters, 2014, 41, 954-960

[6] Wickert, J., et al., GEROS-ISS: GNSS REflectometry, Radio Occultation, and  Scatterometry Onboard the International Space Station, IEEE Journal of selected topics in applied Earth observations and Remote Sensing, Vol. 9, Issue: 10, p. 1_30, 10.1109/JSTARS.2016.2614428, 2016.

[7] Wickert, J./Cardellach, E. et al., G-TERN: GNSS Transpolar Earth Reflectometry moNitoring system, Proposal for an Earth Explorer 9 Mission, European Space Agency, 2017.

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