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J. Wehinger:
"Contributions to the Optimization of GNSS receivers for Spaceborne Atmospheric Profiling";
Supervisor: A. Goiser; Institut für Industrielle Elektronik und Materialwissenschaften, 2001.

Retrieving atmospheric parameters for numerical weather prediction (NWP) is usually carried out with weather balloons and atmosphere radar. This is connected with a high material investement while at the same time covering only portions of the earth surface with these measurements. The radio occultation technique is a method for spaceborne atmosphere profiling which enables atmosphere profiling uniformly spread around the world. In this technique signals from global navigational satellite systems are used as signals of interest. When they traverse the atmosphere they are modulated by the refractivity profile of the atmosphere. Precise satellite almanach data enables a determination of the signal path which is necessary for the calculation of the atmosphere parameters. One part of the present work is a thorough investigation of the modulations which a signal suffers when traversing the atmosphere. Hereby the modulation is split into an approximation (fit) and a residual part. Existing and new fit functions will be investigated. When receiving the signal the modulations are tracked. The implementation of reliable tracking requires knowledge about the bandwidth and time-dependence of the two signal parts, i.e. fit and residual. Hence signal analysis based on Fourier theory, and time-frequency analysis is performed. Knowing the signal characteristics, the tracking device, which is implemented as a PLL, can be adapted for optimum reception. A setting is presented which grants locked-in tracking in atmospheric worst case situations. Further the work focuses on the further processing of the received signal with the aim of describing it in a highly efficient manner. This leads to a higher computational effort onboard but to a reduction of the transmitted data-load on the satellite-ground link. Hence suitable lossy compression-schemes are developed. Several approaches based on parameterization and transform coding will be presented and their performance in simulations will be illustrated. From all the schemes the wavelet-transform coding turns out to have best results. It will be shown that the amplitude and phase information can be compressed in the same manner by a factor of 7.5 and 11.5 respectively. The constraints were set to maximum deviation of 5e-3 of the maximum amplitude value and 1e-3 m in the phase.

Gewöhnlicherweise werden Atmosphärenparameter für die numerische Wettervorhersage mittels Wetterballonen und Atmosphärenradar gewonnen. Dies ist verbunden mit einem vergleichsweise hohen Materialaufwand bei gleichzeitig geringer Abdeckung der Erdoberfläche. Weite Teile der insbesondere unbewohnten Gebiete können mit dieser Methode nicht hinreichend in Betracht gezogen werden. The Radiookkultationstechnik ist ein Verfahren für eine weltraumbasierende Gewinnung von Atmosphärenprofilen, die beinahe gleichförmig verteilte Meßpunkte liefert. Bei dieser Methode dienen die Signale von Satellitennavigationssystemen als Ausganspunkt. Wenn diese Signale die Atmosphäre durchwandern, werden sie aufgrund der Refraktivitätsänderung der Atmosphäre moduliert. Dies äußert sich als Phasenänderung, die einer Verlängerung des Signalpfades gleichkommt. Die genauen Daten der Satellitenbahnen ermöglichen eine genaue Bestimmung des Signalpfades, welcher notwendig ist, um die Atmospärenparameter später zu berechnen. Ein Teil der vorliegenden Arbeit besteht darin, die eingeführten Modulationen zu untersuchen und zu beschreiben. Die Modulation wird dabei in eine Annäherung und und einen Residualteil zerlegt. In Folge werden bereits existierende Annäherungsfunktionen auf ihre Vorhersagegenauigkeit untersucht und neue Funktionen werden diskutiert. Beim Empfang des Navigationssignals werden die Modulationen verfolgt. Die Umsetzung zuverlässiger Trackingverfahren erfordert die Kenntnis von Bandbreite und Zeitabhängigkeit der Modulationen. Zu diesem Zwecke werden Fourier-Transformationen und Zeit-Frequenzanalysen angewandt. Die Ergebnisse beeinflussen entscheidend die Wahl der Phasenschleifenparameter (PLL). Eine optimale Einstellung wird in Folge vorgestellt. Die weitere Arbeit konzentriert sich auf die Verarbeitung des empfangenen Signals, mit dem Ziel, dasselbige in einer hocheffizienten Weise zu beschreiben. Das hat den Zweck, den Downlink-Kanal möglichst wenig zu belasten. Verlustbehaftete Kompressionsschema und deren Betriebsqualitäten werden untersucht. Von den untersuchten Schema zeigt die Kodierung mit der Wavelettransformation die besten Ergebnisse. Es wird gezeigt daß hierbei der Amplituden- bzw. Phasenteil mit einem Faktor von 7,5 bzw. 11,5 kompremiert werden kann. Die dabei erreichten Genauigkeiten sind 5e-3 des Amplitudenvakuumwerts und 1e-3 m in der Phase.