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T. Hobiger:
"VLBI as a tool to probe the ionosphere";
in Buchreihe "Geowissenschaftliche Mitteilungen, Heft 75", Buchreihen-Herausgeber: H. Schuh; herausgegeben von: Studienrichtung Vermessung und Geoinformation, Technische Universität Wien; Geowissenschaftliche Mitteilungen, Wien, 2006, ISSN: 1811-8380, 129 S.

Präzise Messungen auf zwei Frequenzen haben eine lange Tradition in der Geodäsie. Unter den verschiedenen Verfahren hat die Radiointerferometrie auf langen Basislinien (VLBI) bereits in den späten achtziger Jahren ihre routinemäß igen Beobachtungen begonnen und führt diese immer noch in beinahe unveränderter Art aus. Zwei-Frequenzempfänger, die Signale im X- und S-Band aufzeichnen, wurden konstruiert, um die ionosphärischen Laufzeitverzögerungen im geodätischen Auswerteprozeß korregieren zu können. Jedoch wurde der eigentlichen physikalischen Bedeutung dieser Korrektur lange Zeit keine Aufmerksamkeit gewidmet. Erst nachdem die Möglichkeit aufgezeigt worden war, Ionosphärenparameter aus GPS-Messungen zu bestimmen, setzte das Interesse ein, physikalische Zustandsgröß en der Ionosphäre mittels VLBI zu bestimmen. Diese Arbeit stellt ein Verfahren zur Bestimmung solcher Parameter vor, ohne Information von anderen Techniken zu benötigen. Da jedoch die VLBI ein differentielles Verfahren ist, liefert die gemessene Ionosphärenkorrektur nur eine Aussage über die Unterschiede des Ionosphärenzustandes zwischen den Stationen. Zusätzlich verfälschen instrumentelle Einflüsse an den Stationen die Ionosphärenkorrekturen. Innerhalb dieser Arbeit wird gezeigt wie Ionosphärenparameter, im speziellen vertikale Gesamtelektronendichtewerte, aus VLBI-Messungen gewonnen werden können. Die daraus erhaltenen Zeitserien werden mit GPS-Modellen, Satellitenaltimetrie-Messungen und theoretischen Modellen der Ionosphäre verglichen. Da VLBI als einziges geodätisches Weltraumverfahren, das im Radiofrequenzbereich beobachtet, den Zeitraum der letzten beiden Sonnenzyklen abdeckt, können auch die Zusammenhänge mit Parametern des Weltraumwetters untersucht werden. Die ermittelten Werte von VLBI und GPS stimmen innerhalb ihrer formalen Fehler überein und die Zeitserien aus beiden Verfahren beinhalten dieselben Perioden. Einzig VLBI ist in der Lage, langperiodische Signale wie den elfjährigen Sonnenzyklus exakt aufzudecken. Im weiteren Verlauf der Arbeit werden kleine systematische Unterschiede auf mesßpezifische Fehlerquellen und Modellierungsansätze zurückgeführt und es wird gezeigt, da sich theoretische Modelle unter Berücksichtigung der VLBI-Ergebnisse verbessern lassen. Die mitgeschätzten instrumentellen Einflüsse regieren auf kleinste Veränderungen an den Stationen und zeigen deutlich die Evolution der Empfangssysteme. Die Verwendung der Phaseninformation (fringe phases) als neues Forschungsgebiet innerhalb der geodätischen VLBI, wird ebenfalls behandelt. Phaseninformationen innerhalb eines Beobachtungszeitraums ermöglichen einen Nachweis von kurzperiodischen Variationen der Ionosphäre, sogenannten Szintillationen. In einem eigenen Kapitel dieser Arbeit wird gezeigt, wie solche ionosphärischen Störungen aus den Daten gewonnen werden und wie gut die Ergebnisse mit Resultaten anderer Verfahren übereinstimmen. VLBI kann daher eingesetzt werden, um sowohl langperiodische also auch kurzperiodische Variationen der Ionosphäre aufzuzeigen und bietet sich als neues unabhängiges Verfahren für die Untersuchung der Ionosphäre an.

Precise measurements with dual frequency instruments have a long tradition in geodesy. Among several techniques Very Long Baseline Interferometry (VLBI) started its routine observations already in the late 80ies and has carried them out until today. The dual frequency receiving systems, operating at Xand S-band, were designed to correct ionospheric time delays within geodetic analysis. The potential for ionospheric research of this correction was disregarded until the community around the Global Position System (GPS) showed that parameters of the ionosphere can be deduced from dual frequency satellite measurements. With this thesis a method has been developed, which enables estimation of similar parameters from dual frequency VLBI measurements without any external information. Due to the fact that VLBI is a di erential technique, the calculated ionospheric corrections depend on the di erences of the propagation media over the stations. Additionally, an instrumental delay o set per station causes a bias of the ionospheric measurements. Within this thesis a method is presented, which is capable of estimating ionospheric parameters, i.e. values of vertical total electron content, from VLBI data. The obtained results are cross-validated against GPS, satellite altimetry data and theoretical models of the ionosphere. As VLBI observations cover more than two complete solar cycles, longer than all other space geodetic techniques using radio signals, the relation to space weather indices on long time-scales can be shown. Generally it can be stated that the overall agreement between VLBI and GPS is within the formal error of each technique and that both systems detect the same periods of ionospheric variations. But only VLBI is able to reveal long period signals like the solar cycle, since it covers a su ciently long time-span. Apart from explanations for small biases among the techniques also de ciencies of theoretical models are discussed. Instrumental biases, a by-product of ionospheric parameter estimation, demonstrate how receiving systems evolved with the time, as instrumental changes are absorbed in this parameter. The usage of (fringe) phase information from VLBI measurements is a new and challenging eld of research, which can be utilized for the detection of short period variations (scintillations). A method for the extraction of such disturbances is discussed and by an example it is shown that such a short period variation can be detected very precisely. Therefore VLBI can be used to detect both, long-term trends and short period variations of the ionosphere and thus it can contribute to ionospheric research as a new independent technique.

http://publik.tuwien.ac.at/files/PubDat_228883.pdf