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E. Klaffenböck:
"Troposphärische Laufzeitverzögerung von GNSS-Signalen - Nutzen aktiver Referenzstationsnetze für die Meteorologie";
in series "Geowissenschaftliche Mitteilungen, Heft 76", series editor: R. Weber; issued by: Studienrichtung Vermessung und Geoinformation, Technische Universität Wien; Geowissenschaftliche Mitteilungen, Wien, 2006, ISSN: 1811-8380, 196 pages.

Satellite Navigation Systems have become a key technology in the past years. The systems, originally designed for military purposes, today encompass a broad variety of civil applications. Moreover, the use of Satellite Navigation Systems offer further countless possibilities, for example in the field of meteorology and climatology. In this context water vapour plays a key role. The total moisture content of the atmosphere is accumulated in the lower troposphere (up to a heigth of 10 km) in terms of water vapour. The distribution of water vapour is critically important for weather patterns and therefore plays a key role for weather predictions.
In microwave measurements, the tropospheric and ionospheric refractivity causes a delay in the arrival of the signal propagating through the atmosphere. Therefore researchers have tried to invert the positioning process since several years and have made use of the high accuracy of GNSS measurements to observe the atmosphere. Based on the accurate position of the GNSS ground stations as well as precise satellite orbits the delay of signal due to tropospheric effects can be determined. Surface measurements of the air pressure and the temperature allow to split up the total delay into a hydrostatic and wet part. The latter can be converted into the Integrated Water Vapour (IWV), which is linked to the Precipitable Water (PW) a highly interesting parameter for meteorology and climatology.
This thesis outlines the determination of meteorological parameters for numerical weather predictions based on continuous measurements of the GPS/GLONASS reference station net work in Austria within a few hours after the respective observation. The zenith total delays (ZTD) for two month (February and March 2002) with a temporal resolution of two hours were calculated. To discuss the results the ZTDs were compared with estimates delivered by the IGS as well as Near Real Time (NRT) data of several analysis centers in association with the European COST 716 Action (Exploitation of Ground Based GPS for Climate and Numerical Weather Prediction).
As meteorologists request a delivery of the relevant data within one hour maximum, the availability, the reliability and the impact of the predicted satellite orbits were evaluated. Comparisons show that the absolute difference between ZTDs based on the IGS Final Or bits, which are available two weeks after the respective observations and delays based on IGS Rapid Orbits, available already on the following day, does in general not exceed 1.5 mm. In contrast, the calculations based on IGS Ultra Rapid Orbits result sometimes in much larger discrepancies. Usually the differences are below 1 em, but in extreme cases the differences can reach values up to 10 em. To be able to guarantee the required accuracy of the PW for weather prediction purposes, a procedure was implemented to exclude satellite orbits with a low quality.
In a final step a comparison was made between the GNNS based humidity results on the one hand and results based on radiosonde data on the other hand, as well as with corresponding weather charts. In general there is good agreement between GPS based humidity results and data from radiosondes, thus confirming the great potential of this measurement method for weather analysis and prognosis as well as for climatology.

Satellitennavigationssysteme haben sich im Laufe der Jahre zu einer Schlüsseltechnologie entwickelt. Längst ist das für das Militär konzipierte System aus einer breiten Palette von Anwendungsbereichen nicht mehr wegzudenken. Dennoch öffnen sich auch heute noch neue Möglichkeiten der Nutzung, beispielsweise in der Meteorologie sowie Klimatologie. In diesem Zusammenhang bildet der Wasserdampf eine Schlüsselrolle. Der gesamte Feuchtegehalt der Atmosphäre ist in den untersten Troposphärenschichten (bis zu einer Höhe von 10 km) in Form von Wasserdampf gespeichert. Die Verteilung des Wasserdampfes ist wesentlich für das Wettergeschehen verantwortlich und somit von großer Bedeutung für Wettervorhersagen.
Das durch die Atmosphäre laufende Mikrowellensignal wird durch Refraktion in der Ionosphäre und Troposphäre verzögert. Seit wenigen Jahren versucht man deshalb GNSS Positionierungsverfahren zu invertieren und das hohe Genauigkeitspotential der Messgrößen zur Beobachtung der Atmosphäre heranzuziehen. Man nutzt die Kenntnis der Stationskoordinaten und der Bahndaten um die troposphärische Verzögerung zu berechnen. Genaue Messungen von Druck und Temperatur an der Bodenstation erlauben diese Verzögerung in einen hydrostatischen (trockenen) und einen Feuchtanteil aufzuspalten. Aus Letzterem kann der integrierte Wasserdampfgehalt (IWV Integrated Water Vapour) berechnet werden. Der IWV über einer Station steht weiters in direktem Zusammenhang mit dem aus fällbaren Was ser (PW Precipitable Water) eine für die Meteorologie und Klimatologie wertvolle Größe.
Ziel dieser Arbeit ist es, aus den kontinuierlichen Messungen des österreichischen GNSS Permanentnetzes möglichst rasch nach Datenaufnahme meteorologische Parameter für numerische Wettervorhersagen abzuleiten. Für einen Datensatz von zwei Monaten (Februar und März 2002) wurden ZTDs (Zenith Total Delays) mit einer Auflösung von zwei Stunden berechnet und sowohl mit Abgaben des IGS, als auch mit Ergebnissen von Auswertezentren, die im Rahmen des COST 716 Projekts Exploitation of Ground Based GPS for Climate and Numerical Weather Prediction entstanden, verglichen.
Da Meteorologen die Ergebnisse innerhalb von einer Stunde (Elgered et al., 2004) benötigen, wurden Untersuchungen zur Verfügbarkeit, Zuverlässigkeit und zum Einfluss der Genauigkeit der prädizierten Satellitenbahnen angestellt. Dabei konnte gezeigt werden, dass der Absolut betrag der Differenz des ZTD basierend auf den rund zwei Wochen nach der Beobachtung generierten IGS Final Orbits und den bereits am Folgetag zur Verfügung stehenden Bahnen (lGS Rapid Orbits) generell 1.5 mm nicht übersteigt. Die Berechnungen basierend auf prädizierten Satellitenbahnen (lGS Ultra Rapid Orbits) zeigen hingegen mitunter größere Abweichungen. Die Differenzen im ZTD liegen zwar weitgehend unter 1 cm, können aber im Extremfall bis zu 10 cm ausmachen. Um bei Verwendung der IGS Ultra Rapid Orbits dennoch die für Wetterprognosen erforderliche Genauigkeit im PW (+/-l mm) garantieren zu können, wurde ein Verfahren zum Ausscheiden grob fehlerhafter Satellitenbahnen entwickelt.
Zuletzt wurden Feuchtewerte einerseits basierend auf GNSS Beobachtungen und andererseits auf Radiosondendaten gegenübergestellt, als auch mit Wetterkarten verglichen. Grundsätzlich zeigt sich eine gute Übereinstimmung, welche das große Potenzial dieses auf Navigationssatellitendaten gestützten Messverfahrens in der Meteorologie und Klimaforschung bestätigt.

http://publik.tuwien.ac.at/files/PubDat_228884.pdf