Bodensegment und Daten/Produkt-Fluss

Schematische Darstellung des CHAMP Produkt-/Datenflusses.
CHAMP Produkt-/Datenfluss.

Die Instrumentierung des CHAMP Satelliten erzeugte einen kontinuierlichen wissenschaftlichen Datenstrom von 10,8kbits/s. Der Satellit fügte dem noch ca. 2,2kbits/s sogenannte "House-Keeping"-Daten hinzu, was sich auf ein Gesamtvolumen von 141MB pro Tag aufsummierte. Dieses wurde dann an die 7,3m-Antenne der DLR Empfangsstation in Neustrelitz gesendet (53,5°N und 13°O).

Mit seiner Telemetrie-Bitrate von 1000kbit/s und einer Kontaktzeit von 28 Minuten am Tag in 450km Höhe und 20 Minuten in 300km Höhe, konnten somit in Neustrelitz zwischen 210MB (450km Flughöhe) und 150MB (300km Flughöhe) pro Tag empfangen, bzw, gesichert werden. Eine zweite Station in Weilheim (48°N und 11°O) diente als Steuerungs- und Satelliten-Kontroll-Station. Diese empfing wissenschaftliche und "House-Keeping"-Daten in Echtzeit, mit einer Downloadrate von 32kbit/s und hatte eine Senderate von 4kbit/s zur Steuerung des Satelliten. Weilheim stand auch als Ersatz-Station für Neustrelitz zur Verfügung und konnte ebenfalls auf eine Download-Rate von 1000kbit/s umgestellt werden.

Der Massenspeicher auf CHAMP war als Ringspeicher organisiert und beinhaltete ein Datensegment für 100MB wissenschaftlicher Daten und eins mit 25MB für "House-Keeping"-Daten. Das Speichern und Auslesen der Daten wurden von einem "write and dump pointer" gesteuert. Die maximale Pufferzeit (Zeit zwischen zwei Überflügen über Neustrelitz) war 13 Stunden. Sollte es in Falle eines Fehlers zu einem Speicherüberlauf gekommen sein, so wurden jeweils die ältesten gespeicherten Daten überschrieben.

CHAMPs "Rohdaten"-Zentrum wurde an der Bodenempfangsstation Neustrelitz errichtet und hatte folgende Funktionen:

  • Telemetrie-Datenempfang und Langzeitspeicher im Rohdatenformat.
  • Demultiplexen und extrahieren von wissenschaftlichen und "House-Keeping"-Daten (Level-0-Daten).
  • Umgehende Weiterleitung der "House-Keeping"-Daten an die DLR/GSOC.
  • Das temporäre Speichern aller Level-0-Daten im Level-0-Auslieferungs-Archiv, um sie für die Messinstrumentehersteller und das Datenprozessing-Zentrum im GFZ Potsdam zur Verfügung zu stellen, wo sich auch ein Level-0-Langzeit-Archiv befindet.

 

Erzeugung von Datenprodukten

Die Datenprodukte von Level-1 bis Level-4 wurden vom wissenschaftlichen Datenverarbeitungs-System im GFZ Potsdam erzeugt und beinhalten:

  • das Orbit und Schwerefeld Produktgenerierungs-System
  • das Magnetische und Elektrische-Feld Produktgenerierungs-System
  • das Produktgenerierungs-System der neutralen Atmosphäre

und bei der DLR-DFD Neustrelitz

  • das Produktgenerierungs-System der Ionosphäre

Produktarchivierung, Administration und Abfrage sind im CHAMP Information System and Data Centre (ISDC), im GFZ Potsdam organisiert. Dieses stellt auch die Benutzerschnittstellen (ftp- und web-basiert) zum Zugang zu allen wissenschaftlichen Produkten, von Level-1 bis Level-4, zur Verfügung.

Die Standardprodukte von CHAMP (Level-1 bis Level-4) sind nach den jeweiligen Bearbeitsungsschritten der Orginaldaten numeriert. Die Entflechtung und Dekodierung der Level-0-Daten lieferte die Level-1-Daten. Diese sind Ausgabedateien getrennt nach Instrument und Datenquelle an Bord von CHAMP. Der Inhalt der Daten wurde vom Telemetrieformat und dessen Einheiten in ein geeignetes Format mit physikalischen Einheiten umgewandelt, dass von der Anwendungs-Software gelesen werden kann. Level-1-Daten enhalten ebenfalls GPS-Daten und Laser-Daten der Bodenstationen.

Level-2-Datenprodukte sind vorprozessierte, skalierte und kalibrierte Daten, ergänzt mit den notwendigen "House-Keeping"-Daten des Satelliten und aufgeteilt in Tages-Dateien.

Level-3-Produkte umfassen die operativen schnellen Produkte, genauer prozessierte und definitiv kalibrierte Messdaten.

Letztendlich führt Level-4 zu den geowissenschaftlichen Modellen, die sich aus der Analyse der CHAMP-Messdaten ergaben, erweitert und verfeinert durch externe Modelle und Observationen.

Die folgenden High-Level-Produkte wurden mit CHAMP in den drei wissenschaftlichen Arbeitsgebieten weiterverfolgt:

  1. Produkt-Entwicklungssystem Orbit und Schwerefeld (GFZ Potsdam)
    • Level-2: Bereinigte Akzelerometer-Messungen (1Hz), versehen mit Kalibrier-Parameter, Lageinformationen und Düsenaktivität (Betriebszeiten der Lageregelungsdüsen)
    • Level-3: Tägliche Orbitberechungen auf wissenschaftlicher Basis von CHAMP und GPS-Satelliten, erweitert mit Fluglageinformationen und Zuverlässigkeitsmarker, innerhalb weniger Stunden nach dem Daten-Download prozessiert; Vorhersage der CHAMP-Orbits für die Laser-Stationen.
    • Level-4: Nachprozessierte präzise Umlaufbahnen von CHAMP und GPS-Satelliten; globale Schwerefeldmodell der Erde, dargestellt durch die bereinigten Koeffizienten einer Entwicklung nach Kugelflächenfunktionen eines statischen und in der Zeit variierenden Teils des Schwerefeldpotenials: Monatliche Lösungen und schrittweise akkumulierte Lösung.
  2. Produkt-Entwicklungssystem Erdmagnetfeld und Elektrisches Feld (GFZ Potsdam)
    • Level-2: kompletter Vektordatensatz (10 oder 50Hz) des Externen Erdmagnetfeldes; Kalibriermatrix, abgeleitet aus der Kombination von Overhauser- und Fluxgate-Magnetometer-Messdaten; exakte Flugbahnbestimmung vom Hochleistunge-Sternenkompass für den Satelliten und dessen Ausleger; Elektrischer Feldvektor, Ionendichte und Temperatur (alle wählbar zwischen 1 und 16Hz); vorläufiger geomagnetischer Aktivitätsindex, ermittelt entlang der Umlaufbahn.
    • Level-3: Vollständig kalibrierter Datensatz magnetische Vektoren (5Hz).
    • Level-4: Modelle des magnetischen Hauptfeldes, entwickelt nach Kugelflächenfunktionen 14. Grades, abgeleitet von einer Kombination aus Satelliten- und Observatoriumsdaten, die jeden Monat aktualisiert wurden; magnetische Lithosphärenfeldmodelle, abgeleitet von Koeffizienten aus Kugelflächenentwicklung 15. bis 60. Grades, aufgelöst in einen konstanten und einen nach der Zeit variierenden Teil, indem aufeinanderfolgende Modelle verglichen wurden; Magnetischer Aktivitätsindex, der die Ringstromaktivität, die polare Elektrojetaktivität und die globale magnetische Aktivität anzeigt.
  3. Produkt-Entwicklungssystem Atmosphären und Ionosphären (GFZ Potsdam/DLR Neustrelitz)
    • Level-2: Auflistung der Okkultationsereignisse (Okkultationstabellen); geo- und zeitreferenzierte Überdeckungspfadverschiebung durch die Atmosphäre mit Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) für jedes Okkultationsereignis.
    • Level-3: Berechnung vertikaler Profile der Beugewinkel; Abel-invertiertes Profil der Refraktivität: Trockenlufttemperatur, Luftdichte, Luftdruck und, angenommene Temperatur von globalen Analysen, Wasserdampf in der Troposphäre und teilweise Wasserdruck; Link-bezogener differenzieller Gesamtelektroneninhalt (TEC) (horizontal/aufwärts) von differenziellen Phasen; Ionosphärische Profile der Elektronendichte aus GPS-Okkultationsmessungen.

Kontakt

Herr Prof. Dr. Hermann Lühr
Geomagnetismus

Behlertstraße 3a
Haus K 3, Raum 016
14467 Potsdam
Tel. +49 331 288-1735