Waarneming van de kolomdichtheid van de elektronen in de ionosfeer met het Global Positioning System tijdens de totale zonsverduistering op 11 augustus 1999

René Warnant
Koninklijke Sterrenwacht van België
Ringlaan 3
1180 Brussel

Het Global Positioning System

Het Global Positioning System (GPS) of het Globale Positionerings-systeem is een programma dat ontwikkeld werd door het Amerikaanse Ministerie van Defensie. Het heeft tot doel een gebruiker die beschikt over het juiste materiaal, de mogelijkheid te bieden om op ieder gewenst moment zijn positie te bepalen binnen een mondiaal referentiesysteem. Dit systeem, dat voornamelijk bedoeld is voor navigatie op zee en in de lucht, is samengesteld uit 3 segmenten : het ruimtesegment, het gebruikerssegment en het controlesegment. De 27 satellieten waaruit het ruimtesegment van het GPS bestaat, zenden op twee radiofrequenties uit, genaamd L1 (1575.42 MHz) en L2 (1227.6 MHz) ; ze bewegen in 6 banen op ongeveer 20.200 km hoogte. De GPS-ontvangers, die het gebruikerssegment vormen, zijn apparaten die in staat zijn de 2 signalen zo te meten dat de positie van een waarnemer in reële tijd overal en op ieder gewenst moment op aarde berekend kan worden, onafhankelijk van de atmosferische omstandigheden en met een nauwkeurigheid van 25 tot 100 meter. Het controlesegment bestaat uit 5 volgstations die instaan voor het beheer van het GPS.

De toepassingen van het GPS

Het aantal GPS toepassingen blijft steeds maar toenemen. De enige beperking is de verbeelding van de gebruiker. Hier volgen enkele toepassingen  :

Navigatie

Oorspronkelijk ontwierp het Amerikaanse Ministerie van Defensie het GPS om overal op Aarde snel en nauwkeurig de positie te kunnen bepalen van militaire voertuigen. In de praktijk kan iedere gebruiker met een GPS-ontvanger in reële tijd zijn positie bepalen met een nauwkeurigheid van 25 tot 100 meter.

Nauwkeurige positiebepaling

Voor navigatietoepassingen is het noodzakelijk dat een waarnemer zijn positie in reële tijd kan bepalen, d.w.z. gelijktijdig met de meting. De meest nauwkeurige positiebepaling wordt echter verkregen in "uitgestelde" tijd: in dat geval voert de waarnemer zijn metingen uit, slaat die op in zijn computer en voert zijn berekeningen uit als hij terug is op kantoor. Indien de waarnemer zijn metingen combineert met metingen van een referentiestation, dan kan met deze techniek in het gunstigste geval een nauwkeurigheid behaald worden van enkele millimeters voor afstanden van enkele tientallen kilometers tussen de waarnemer en het referentiestation.

GPS is van onschatbare waarde gebleken voor de geodesie en de geofysica. Verschillende gebieden van de geofysica vereisen uiterst nauwkeurige afstandsmetingen of liever metingen van de variaties van de afstanden in de loop van de tijd: de studie van de platentektoniek, seismologie, vulcanologie.

Studie van de aardatmosfeer

De radiosignalen uitgezonden door de GPS-satellieten doorkruisen de atmosfeer, daarom zijn ze onderhevig aan atmosferische refractie. Die atmosferische refractie is een verstoring die verwijderd (of verminderd) moet worden om nauwkeurige posities te krijgen. Anderzijds kan juist de invloed van de atmosferische refractie op het GPS-signaal gebruikt worden om de kenmerkende eigenschappen van de atmosfeer te bestuderen:

  • de ionosfeer is het geïoniseerde deel van de aardatmosfeer en strekt zich uit van 50-60 km tot 1000 km hoogte; de invloed van de ionosferische refractie op het signaal uitgezonden door de GPS-satellieten is afhankelijk van de kolomdichtheid van de elektronen, d.w.z. het aantal vrije elektronen dat het signaal tijdens de tocht door de ionosfeer tegenkomt; het gehalte aan vrije elektronen is onder meer afhankelijk van de hoeveelheid zonnestralen die de ionosfeer opvangt.
  • de troposfeer is de onderste laag van de aardse atmosfeer en strekt zich uit van de grond tot een hoogte van 10 km. De invloed van de troposferische refractie op het GPS signaal hangt onder meer af van de hoeveelheid vocht (waterdamp) die zich in de troposfeer bevindt.
  • indien de positie van de ontvanger met redelijke nauwkeurigheid gekend is, dan kunnen de GPS-metingen gebruikt worden voor het berekenen van de invloed van atmosferische refractie op het GPS-signaal. In dat geval is de onbekende niet langer de positie van de waarnemer maar de atmosferische storing, die dan weer afhankelijk is van parameters zoals de kolomdichtheid van de elektronen in de ionosfeer of de hoeveelheid waterdamp in de troposfeer. Op deze wijze laat het GPS-signaal toe te bepalen wat de kolomdichtheid van de elektronen is en ook hoeveel waterdamp er in de atmosfeer zit. Het is zeer waarschijnlijk dat het meten van het troposferische vochtgehalte via het GPS in de komende vijf jaar van onschatbare waarde zal blijken te zijn voor de meteorologie.

Experiment tijdens de zonsverduistering

Zonnestralen zijn de voornaamste bron voor ionisatie van de atmosfeer. Tijdens de zonsverduistering zal deze ionisatiebron eerst geleidelijk verdwijnen en vervolgens weer verschijnen (wat tijdens een zonsondergang niet het geval is). Het experiment zal het gedrag van de kolomdichtheid van de elektronen in de ionosfeer tijdens de zonsverduistering waarnemen. Hierbij zal gebruik gemaakt worden van de GPS-waarnemingen afkomstig van de 7 permanente stations van de Koninklijke Sterrenwacht (fig. 1) en ook van de twee stations die voor die gelegenheid geplaatst worden in het gebied van totale verduistering in het noorden van Frankrijk.

Met dit experiment wil men meer te weten komen over:

  • de manier waarop er tijdens de zonsverduistering schommelingen optreden in de kolomdichtheid van de elektronen. Dit geeft belangrijke informatie over de verschillende chemische en fysisce processen in verband met de ionisatie van de ionosfeer.
  • de schommelingen in de kolomdichtheid van de elektronen waargenomen tijdens de zonsverduistering brengen storingen teweeg die een invloed zullen hebben op de via GPS berekende posities; de studie van deze storingen geeft informatie over de invloed van de ionosferische refractie op de signalen afkomstig van de GPS-satellieten.



Eclipse
Homepage

KSB-ORB
Homepage
Last updated on 15/02/2000 by CM