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GPS reflectometry
innovative flood monitoring at the Mekong Delta
Beckheinrich, Jamila
Bevölkerungswachstum und Klimawandel haben tiefgreifende Veränderungen im Mekong Delta verursacht. Eine dieser Veränderungen betrifft das zunehmende Auftreten extremer Hochwasserereignisse. Um das Leben der Menschen in den Küstenbereichen des Deltas während solcher Ereignisse zu schützen, ist es von großer Bedeutung, die Wasserstandhöhe in diesen Bereiche kontinuierlich zu überwachen. Standardmäßig kommen dafür Pegelmessstationen zum Einsatz. Sie ermöglichen die Bestimmung der Wasserstandhöhe mit großer Genauigkeit und hoher zeitlichen Auflösung. Ein Nachteil dieser Methode liegt in der lediglich punktuellen Verfügbarkeit von Messwerten. Aufgrund steigender Wartungskosten wird die Anzahl der Messstationen ferner kontinuierlicher verringert. Eine zukunftsträchtige Alternative stellt die Global Positioning System-Reflectometry (GPS-R) dar, da Wasseroberflächen eine hohe Reflektivität für GPS L-band Signale zeigen. Phasenbeobachtungen haben das Potenzial, genauere Ergebnisse zu liefern. Um die Möglichkeit des Einsatzes eines darauf beruhenden Verfahrens als Pegelmessinstrument zu prüfen, wurden zwei 14-tägige Messkampagnen, 2012 und 2013, im Mekong-Delta durchgeführt. Dabei kam eine neue Generation von GORS-Empfänger zum Einsatz.
Um eine Aussage über den Einfluss der Antennenposition auf Qualität und Quantität der registrierten Phasenbeobachtungen treffen zu können, wurden zwei unterschiedliche Antennenhöhen verwendet. Die Ergebnisse der Analyse zeigen, dass hauptsächlich die Rauheit der Wasseroberfläche für den Verlust der Kohärenz der Phasenbeobachtungen verantwortlich ist. Bedingt durch die hohe Datenrate, ein neues Algorithmus zur automatisierte Extraktion von kohärente Phasenbeobachtungen wird vorgestellt. Dabei zeigen die Analyse der Ergebnisse eine Übereinstimmung von 82%. Die Analyse zeigte ferner die Präsenz von Mehrwegeffekte. Dieses bereits in anderen Veröffentlichungen festgestellte Phänomen stellt weiterhin eine offene Fragestellung dar. In der vorliegenden Arbeit werden diese Effekte durch die Anwendung einer adaptierten Version der empirischen Modenzerlegung Empirical Mode Decomposition reduziert, was zu einer deutlichen Erhöhung der Genauigkeit bei der Bestimmung der Wasserstandhöhen führt. Des Weiteren kann durch die Analyse der Daten das Vorhandensein einer Vielzahl von Phasensprüngen und deren hohes Maß an Korrelation mit der Umgebung der Antenne nachgewiesen werden.
Um den Höhenunterschied zwischen Empfänger und Wasseroberfläche zu bestimmen, wird eine Ausgleichungsrechnung nach der Methode der kleinsten Quadrate durchgeführt. Da die Genauigkeit des geschätzten Höhenunterschieds von der Genauigkeit der berechnete Entfernungsdifferenz zwischen dem direkten und dem reflektierten Signal abhängig ist, muss der Einfluss von systematischen Fehlern, die die Signale beeinflussen, minimiert werden. Für diesen Zweck, werden zum einen verschiedene Strategien für die Korrektur der durch die Troposphäre verursachten Fehlers verglichen, wobei gezeigt wird, dass atmosphärische Höhenschicht und die Gesamtzenitverzögerung genau berechnet werden müssen. Zum anderen werden die Einflüsse des Phase Wind-up sowie von Antennenphasenzentrumvariationen und -offset analysiert und Korrekturverfahren vorgestellt. Für eine erfolgreiche Bestimmung der Wasserstandhöhe ist neben der Korrektur systematischer Fehler die korrekte Festsetzung der Mehrdeutigkeiten in den Phasenbeobachtungen erforderlich.
Als Ergebnis dieser Arbeit kann festgehalten werden, dass unter diesen Voraussetzungen die Bestimmung der Wasserstandhöhen mit einer Auflösung von 10 Minuten und einer Genauigkeit im dm-Bereich möglich ist. Es konnte ferner gezeigt werden, dass bei gleichzeitigem Vorliegen von Daten mehrerer Satelliten Genauigkeiten im cm-Bereich erzielt werden. Während die größtenteils nicht vorhandene Redundanz den Hauptgrund für die eingeschränkte Genauigkeit darstellt, liegt dieser für die fehlende Kontinuität in dem häufig auftretenden Verlust der Kohärenz der Phasenbeobachtungen.
Darüber hinaus, um die allgemeine Anwendbarkeit der in dieser Arbeit entwickeltes Algorithmus zu überprüfen, wurde die Methode auf Daten einer in 2014 durchgeführte Messung in Midelt, Marokko, angewandt. Die daraus resultierenden Wasserstandhöhen im dm-Bereich, zeigen die Anwendbarkeit des entwickelte Algorithmus auf andere grund- und phasenbasierte GPS-R Anwendungen.
Ground-based gauge instrumentation enables a high altimetric accuracy with high temporal resolution, but for a point location only. However, their number is decreasing worldwide. GPS-R reveals new perspectives for water level monitoring, since water surfaces show a high reflectivity for the GPS L-band signal. To test the possibility of using this innovative technique, two field campaigns were conducted in Vietnam within the WISDOM project. As phase observations has the potential to offer more accurate results, a new generation of GORS receiver has been successfully tested.
GPS-R phase-based altimetry imply continuous coherent phase observations. Due to the high sampling rate of the recorded data, a new automated algorithm, based on an ellipse fitting, is proposed to extract coherent observations. A hit rate of 82% could be reached. To test the geometrical impact of the antenna position on quality and quantity of the recorded observations, two antenna heights were used. A detailed analysis of the recorded observations was performed and correction techniques were developed. The results of the analysis show that the roughness of the water surface had a major influence on loss of coherency. Additionally, the surroundings of the antennas and the river geometry restrict the use of reflection events. The analysis also showed the presence of multipath effects other than the water, deteriorating the results. A phenomena already found in other research activities but not resolved. These multipath effects are mitigated and filtered based on an adjusted Empirical Mode Decomposition method showing an improvement of several centimetres in the obtained water level results. The data also reveals the strong presence of cycle slips that distort the results. A cycle slip detection strategy was therefore proposed.
To extract water level changes, a LS method is used. As the accuracy of the extracted altimetric heights are strongly dependent on the accurate calculation of the geometrical excess paths between the direct and the reflected signal, effort was made to analyse the impact of systematic errors that influence the signals. Different tropospheric correction strategies are compared, showing that atmospheric height layer and total zenith delay have to be precisely calculated. Additionally, the impact of the mostly ignored phase wind-up effects in GPS-R applications is underlined. As the recorded coherent phase observations are ambiguous, an ambiguity fixing strategy for different satellite redundancy is proposed. Mostly, only L1 coherent phase observations from a single satellite are present. In this case, water level heights within the set goal of decimetre level of accuracy can be calculated with an interval of 10 min. In the most desirable case, with the presence of redundant satellites, water level heights could be estimated at the centimetre level of accuracy.
To test the general applicability of the proposed algorithm, recorded observations during a measurement campaign, conducted 2014 within the PMARS project in Midelt, Morocco, were used. The obtained results within the decimetre level of accuracy, underline the applicability of the proposed algorithm to other ground and phase-based GPS-R altimetry applications.
All the obtained results are verified by comparing them with tide gauge measurements in the vicinity of the antennas.
