DE102013218842A1

DE102013218842A1 - Messanordnung zur Erfassung extrem ultravioletter Strahlung im Weltall

Info

Publication number: DE102013218842A1
Application number: DE201310218842
Authority: DE
Inventors: Gerhard Schmidtke; Marcel Pfeifer; Raimund Brunner
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2013-09-19
Filing date: 2013-09-19
Publication date: 2015-03-19
Anticipated expiration: 2033-09-20
Also published as: DE102013218842B4

Abstract

Eine Messanordnung (42, 44, 46) zur Erfassung extrem ultravioletter Strahlung (36) im Weltall verfügt über eine Metallkugel (48) mit zwei diese konzentrisch umgebenden metallischen Gittern (52, 54). Jede dieser Elektroden (48, 52, 54) ist mit einer Spannungsquelle (82, 84, 86) verbunden. Strommesseinrichtungen (76, 78, 80) messen die beim Auftreffen extrem ultravioletter Strahlung (36) fließenden Ströme in Abhängigkeit von den angelegten Spannungen. Nach einer Kalibrierung (102, 103, 104) der Messanordnung mit einem Referenzspektrum ist es möglich, den Verlauf unbekannter Spektren zu berechnen, indem eine Auswertung einer Vielzahl von Strömen erfolgt, die während der Kalibrierphase gespeichert worden sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Messanordnung zur Erfassung extrem ultravioletter Strahlung im Weltall mit drei konzentrisch voneinander isoliert angeordneten elektrisch leitenden Elektroden, von denen die erste eine Metallkugel und die beiden anderen als die Metallkugel in unterschiedlichen Abständen von dieser konzentrisch umgebende Gitter ausgebildet sind, und mit drei Spannungsquellen, die jeweils über eine Strommesseinrichtung mit einer der Elektroden verbunden sind, sowie mit einer Steuer- und Auswertelektronik, die mit den Spannungsquellen verbundene Steuerausgänge und mit den Strommesseinrichtungen verbundene Messeingänge aufweist.
Eine derartige Messanordnung ist aus der DE 10 2005 045 463 A1 bekannt und gestattet die Erfassung von Umgebungsparametern für ein unter Vakuumbedingungen im Weltraum arbeitendes Gerät. In dieser Druckschrift ist auch beschrieben, dass zur Erhöhung der Genauigkeit von Satellitennavigationsdaten eine Reihe von Störfaktoren im Weltraum erfasst werden, und dass die Ausbreitung der Signale auf ihrem Weg vom Satelliten zum Empfänger auf der Erde durch die integrale Säulendichte der ionosphärischen Elektronen, das heißt dem Gesamtelektronengehalt im Ionosphären-Modell, wegen der variablen Sonnenaktivität negativ beeinflusst wird.
In dem im Jahre 2011 veröffentlichten Artikel "NeQuick Ionospheric Model" beschreiben J. Sanz Subirana, J.M. Juan Zornoza und M. Hernández-Pajares von der Technischen Universität Catalonia in Spanien die Verwendung des F_10.7-Index zur Berechnung der Elektronendichte und als Korrekturmodell für Laufzeitfehler bei globalen Navigationssatellitensystemen (GNSS-Satelliten).
In den wissenschaftlichen Mitteilungen des Instituts für Meteorologie der Universität Leipzig, Band 50(212), Seiten 45 bis 54, mit dem Titel "Proxies to describe ionospheric variability and heating rates of the upper atmosphere: current progress" diskutieren C. Unglaub, Ch. Jacobi, G. Schmidtke, B. Nikutowski und R. Brunner die primäre Gesamtionisation der oberen Atmosphäre und zeigen, dass der EUV-TEC-Proxy die ionosphärische Variabilität besser beschreibt als der üblicherweise verwendete solare F_10.7-Index.
Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Messvorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, die es gestattet, auf einfache und zuverlässige Weise zur Erhöhung der Genauigkeit bei der globalen Satellitennavigation Messdaten zu erfassen, die geeignet sind, den üblicherweise verwendeten solaren F_10.7-Index zu ersetzen.
Diese Aufgabe wird bei einer Messanordnung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass die Steuer- und Auswerteeinheit so ausgebildet ist, dass während eines Kalibriervorganges die Ströme zu den Elektroden für vorbestimmte Photonenflüsse und Wellenlängen einer Kalibrierstrahlung als Kalibrierkurven speicherbar sind, wenn die Spannung an der Metallkugel sich zwischen einem Minimalwert und einem Maximalwert verändert, dass für ein vorgegebenes Referenzspektrum mit den Daten der Kalibrierkurven der Verlauf des zu erwartenden Stromes durch jede der Elektroden für eine Vielzahl von Wellenlängen des Referenzspektrums berechnet wird, dass die den Elektroden bei verschiedenen Wellenlängen zugeordneten berechneten Stromverläufe durch Addieren jeweils eine Modellstromkurve erzeugen, und dass die beim Beaufschlagen der Messanordnung durch eine extrem ultraviolette Strahlung mit einem vom Referenzspektrum abweichenden Spektrum erhaltenen Messstromkurven in Messstromkurvenspeichern zum Vergleich mit den errechneten Modellstromkurven speicherbar sind, dass die für jede Wellenlänge berechneten Stromverläufe mit ausgewählten verschiedenen Anpassungsfaktoren versuchsweise so lange multipliziert werden, bis die Abweichung zwischen den Modellstromkurven und den Messstromkurven einen Minimalwert erreicht, so dass mittels der den verschiedenen Wellenlängen zugeordneten, schließlich gefundenen Anpassungsfaktoren durch Multiplizieren mit den Photonenflüssen des Referenzspektrums die Photonenflüsse des zu erfassenden Spektrums bestimmbar sind, und aus der die Messanordnung beaufschlagenden extrem ultravioletten Strahlung der Gesamtelektronengehalt im Ionosphären-Modell berechenbar ist, um als Ersatz für den F_10.7-Index zur Verfügung zu stehen.
Weitere Merkmale der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Ansicht zur Veranschaulichung eines Satellitennavigationssystems, dessen Signale in der Ionosphäre durch die Sonnenstrahlung gestört werden,
2 eine Veranschaulichung der Erde mit zwei Satelliten mit antipodischer Umlaufbahn,
3 einen Ausschnitt aus dem Spektrum der Sonnenstrahlung,
4 ein als Referenzspektrum oder Ausgangs-EUV-Sonnenspektrum tatsächlich gemessenes Spektrum,
5 die Sensoranordnung mit einer Stromversorgung und einer Betriebselektronik gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung,
6 drei Stromverläufe für den Metallkugelstrom in nA in Abhängigkeit von der Metallkugelspannung in V, die als Kalibrierstromverläufe in einem Kalibrierkurvenspeicher abspeicherbar sind,
7 die Messanordnung mit der zugehörigen Stromversorgung und der eine Steuer- und Auswerteelektronik umfassenden Betriebselektronik in schematischer Darstellung, und
8 den Verlauf einer Messstromkurve zusammen mit einer modellierten Stromkurve sowie die die modellierte Stromkurve bildenden Einzelströme in Abhängigkeit von der Spannung für die Metallkugel der Sensoranordnung.
Die schematische Darstellung in 1 zeigt einen Empfänger 10 für den Empfang von Datensignalen 12 eines Navigationssatelliten 14. Die Datensignale 12 enthalten Informationen, die es dem Empfänger 10 gestatten, seine Position auf der Erde 16 zu berechnen. Auf dem Weg vom Navigationssatelliten 14 zum Empfänger 10 durchlaufen die Datensignale 12 die Atmosphäre 18 und insbesondere die Ionosphäre 20.
Der Navigationssatellit 14 steht über einen Kommunikationskanal 22 und eine Kommunikationsantenne 24 mit einer Bodenstation 26 in Verbindung. Die Bodenstation 26 tauscht über den Kommunikationskanal 22 Daten mit dem Navigationssatelliten 14 aus, wobei diese Daten auch Daten enthalten, die dazu dienen, Positionsmessfehler am Empfänger 10 zu reduzieren, die durch Störungen des Datensignals 12 in der Atmosphäre 18 oder der Ionosphäre 20 insbesondere durch wechselnde Einflüsse der Sonne 28 entstehen.
Ein bekanntes Verfahren berücksichtigt die Sonnenaktivität, welche die temporären Änderungen der Ionosphäre 20 verursacht, die zu Laufzeitfehlern der für die Navigation verwendeten Datensignale 12 führt, dadurch, dass die von der Sonne 28 ausgehende Radiostrahlung 30 bei einer Wellenlänge von 10,7 cm mit einem Radioteleskop 32 empfangen und ausgewertet wird, um Korrekturinformationen 34 zu gewinnen, die es der Bodenstation 26 gestatten, Korrekturdaten entweder direkt terrestisch zum Empfänger 10 oder über den Kommunikationskanal 22 zum Navigationssatelliten 14 zu senden.
Aufgrund der Sonnenaktivität der Sonne 28 gelangt auch eine extrem ultraviolette Strahlung 36 (EUV-Strahlung) zur Ionosphäre 20 und erzeugt dort Ladungsträger und insbesondere freie Elektronen, durch die die Datensignale 12 des Navigationssatelliten 14 insbesondere durch Laufzeitverzögerungen gestört werden, so dass die am Empfänger 10 angezeigten Navigationsdaten durch Änderungen der Sonnenaktivität sich ändernden Messfehlern unterliegen.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist ein Sensorsatellit 38 vorgesehen, der aufgrund der dort einfallenden EUV-Strahlung 36 den Elektroneninhalt vorausberechnet, der in der Ionosphäre 20 vorliegt und zu Navigationsfehlern durch Störung der Übertragung der Datensignale 12 führt. Die mit Hilfe des Sensorsatelliten 38 gewonnenen Daten werden als Korrekturinformation 40 über die Kommunikationsantenne 24 zur Bodenstation 26 übertragen und anschließend entweder über terrestische Kommunikationsnetze zum Empfänger 10 oder über den Kommunikationskanal 22 zum Navigationssatelliten 14 übertragen, so dass für die Berechnung der Positionsdaten des Empfängers 10 bei der Navigation Korrekturinformationen 40 Verwendung finden, um die durch die Ionosphäre 20 verursachten und zeitlich schwankenden Messfehler zu reduzieren.
Die dazu erforderlichen Geräte können statt auf einem speziellen Sensorsatelliten 38 auch auf Navigationssatelliten 14 untergebracht werden, so dass neben den bereits im Umlauf befindlichen Navigationssatelliten 14 keine zusätzlichen Sensorsatelliten 38 benötigt werden. Die Unterbringung der erforderlichen Geräte auf den Navigationssatelliten bietet zudem den großen Vorteil, Korrekturgrößen für die Laufzeitverzögerung der Signale bereits an Bord der Navigationssatelliten 14 zu berechnen und direkt in die Datensignale 12, das heißt ohne den Umweg über die Bodenstation 26 mit der Kommunikationsantenne 24 einzuspeisen und auf diese Weise den aufwändigen Aufbau von Bodenstationen zahlenmäßig zu optimieren und beträchtliche Kosten einzusparen.
2 veranschaulicht, wie im Falle spezieller Sensorsatelliten 38 vorzugsweise nicht ein einziger Sensorsatellit 38 zum Einsatz kommt, sondern zwei Sensorsatelliten 38 mit antipodischer Umlaufbahn vorgesehen sind, so dass stets ein Sensorsatellit 38 die Sonnenstrahlung mit der EUV-Strahlung 36 auswerten kann. Wenn die Geräte zur Erfassung der EUV-Strahlung 36 nicht auf einem speziellen Sensorsatelliten 38 angeordnet sind, sondern auf den einzelnen Navigationssatelliten 14 eines Netzes oder eine Flotte von Navigationssatelliten 14, befindet sich immer eine ausreichende Anzahl von Navigationssatelliten außerhalb des Schattens der Erde 16, so dass stets mehrfach eine Erfassung und Auswertung der EUV-Strahlung 36 erfolgen kann.
Ein Ausschnitt aus dem Spektrum der Sonnenstrahlung mit der EUV-Strahlung 36 ist in 3 veranschaulicht. 3 zeigt den Energiefluss der Strahlung der Sonne 16 beziehungsweise die Irradianz in Abhängigkeit von der Wellenlänge. Der Wellenlängenbereich, der gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ausgewertet wird, liegt etwa zwischen 1 nm und etwa 300 nm. Dabei handelt es sich um wesentlich kürzere Wellenlängen als die der Radiostrahlung mit der Wellenlänge von 10,7 cm, die mit einem Energiefluss verbunden ist, der wesentlich niedriger als der der EUV-Strahlung 36 ist. Im Gegensatz zur EUV-Strahlung wird die Radiostrahlung mit der Wellenlänge von 10,7 cm in der Ionosphäre nicht absorbiert und verursacht daher auch keine Laufzeitfehler der Datensignale 12. Außerdem ist bekannt, dass die Radiostrahlung mit der Wellenlänge von 10,7 cm, die die EUV-Strahlung nur unzureichend widerspiegelt, dass 10,7 cm beispielsweise während ruhiger Sonnenaktivität mit der EUV-Strahlung teilweise sogar antikorreliert.
4 veranschaulicht einen Ausschnitt aus dem aus 3 bekannten Verlauf der EUV-Strahlung 36 zu einem speziellen Zeitpunkt während einer Messung am Ort eines Satelliten 14, 38 im Weltraum. Wie man der Darstellung des Spektrums entnimmt, ist der einer bestimmten Wellenlänge zugeordnete Photonenfluss von Wellenlänge zu Wellenlänge verschieden. Als Folge der Sonnenaktivität verändern sich die Photonenflüsse für jede Wellenlänge mit der Zeit in unterschiedlicher Weise. Tendenziell sind die Veränderungen zu kürzeren Wellenlängen stärker ausgeprägt. Um auch kurzzeitige Veränderungen zu erfassen, ist es erforderlich, Messphasen im Abstand von einigen Minuten vorzusehen.
Zu den auf einem speziellen Sensorsatelliten 38 oder einem Navigationssatelliten 14 vorzusehenden Geräten gehört eine Sensoranordnung 42 mit einer Spannungsversorgung mit Strommesseinrichtungen 44 und einer Betriebselektronik 46, wie in 5 dargestellt ist.
Die Sensoranordnung 42 verfügt über eine Metallkugel 48 mit einem Durchmesser von beispielsweise 6 cm. Als Material für die Metallkugel können verschiedene Metalle eingesetzt werden, bei denen die EUV-Strahlung 36 durch Wechselwirkung von Photonen mit dem Metall Photoelektronen erzeugt, wobei Metalle vorgezogen werden, die sich in ihren Eigenschaften unter Weltraumbedingungen nur wenig verändern.
Die Metallkugel 48 kann als Hohlkörper ausgebildet sein und ist mit einem Abstandshalter 50 versehen, mit dessen Hilfe ein kugelförmiges elektrisch leitendes Innengitter 52 und ein elektrisch leitendes Außengitter 54 konzentrisch mit der Metallkugel 48 jeweils elektrisch isoliert verbunden sind. Bei einem Durchmesser der Metallkugel von 6 cm kann der Durchmesser des Innengitters 52 7 cm und der Durchmesser des Außengitters 54 8 cm betragen. Auf dem Abstandshalter 50 sind Kontaktstreifen 56, 58 und 60 vorgesehen, die jeweils elektrisch mit der Metallkugel 48, dem Innengitter 52 beziehungsweise dem Außengitter 54 sowie mit elektrischen Leitungen 62, 64 und 66 verbunden sind.
Zur Kalibrierung der Sensoranordnung 42 wird diese in eine Kalibrierkammer 68 eingebracht, in der ein den Weltraumbedingungen weitgehend entsprechendes Vakuum vorliegt und es gestattet, mit Hilfe eines Elektronensynchrotrons die Sensoranordnung 42 mit nahezu paralleler Synchrotronstrahlung 70 zu bestrahlen.
Die Bestrahlung der Sensoranordnung 42 in der Kalibrierkammer 48 erfolgt bei jeweils bekanntem Photonenfluss Ф_kal(λ_n) schrittweise im Wellenlängenbereich von 1 nm bis etwa 300 nm in Schritten von jeweils 1 nm. Der Photonenfluss bei der Kalibrierung bleibt vorzugsweise über alle Wellenlängen konstant und liegt vorzugsweise innerhalb des sich aus 4 ergebenden Bereichs der dort veranschaulichten Photonenflüsse. Bei einer gegebenen Wellenlänge ist der elektrische Strom der Photoelektronen proportional dem Photonenfluss.
Informationen über die Größe des Photonenflusses der Synchrotronstrahlung 70 gelangen über eine Datenleitung 72 zur Betriebselektronik 46. Eine zweite Datenleitung 74 übermittelt jeweils die eingestellten Wellenlängen der Synchrotronstrahlung 70 an die Betriebselektronik 46.
Wie man in 5 erkennt, sind die elektrischen Leitungen 62, 64 und 66 über Strommesseinrichtungen 76, 78 und 80 mit Spannungsquellen 82, 84 und 86 verbunden. Auf diese Weise können die Metallkugel 48, das Innengitter 52 und das Außengitter 54 mit Spannungen beaufschlagt werden, wobei die dabei fließenden Photoelektronenströme, generiert durch die Absorption der EUV-Photonen, das heißt der Metallkugelstrom I_MK, der Innengitterstrom I_IG und der Außengitterstrom I_AG, durch die Strommesseinrichtungen 76, 78 und 80 erfasst werden können. Die Größe dieser Ströme ist von den angelegten Spannungen und von den Photoeffekten abhängig, die bei der Wechselwirkung der Synchrotronstrahlung 70 mit der Oberfläche der Metallkugel 48, dem Innengitter 52 und dem Außengitter 54 auftreten.
Die Betriebselektronik 46 verfügt, wie in 5 veranschaulicht ist, über eine Steuer- und Auswerteelektronik 88, mit deren Hilfe eine Kalibrierung der Sensoranordnung 42 vor einem Einsatz der Sensoranordnung 42 auf einem Satelliten 14, 38 im Weltraum beispielsweise am Boden unter Einsatz eines Elektronensynchrotrons durchgeführt wird.
Die Steuer- und Auswerteelektronik 88 steuert über Ansteuerleitungen 90, 92 und 94 die Spannungsquellen 82, 84 und 86. Über die Ansteuerleitungen 92 und 94 erfolgt eine Steuerung der Spannungsquellen 84 und 86 in der Weise, dass das Innengitter 52 mit einer konstanten Spannung, beispielsweise von –20 V, und das Außengitter 54 mit einer konstanten Spannung von beispielsweise +20 V versorgt ist. Je nach den Umgebungsbedingungen der Sensoranordnung 42 können auch andere konstante Werte vorgesehen werden.
Über die Ansteuerleitung 90 erfolgt eine Ansteuerung der Spannungsquelle 82 in der Weise, dass die Spannung der Metallkugel 48 zwischen –30 V und +70 V wählbar ist. Die bei den diversen Spannungen auftretenden Ströme werden mit Hilfe der Strommesseinrichtungen 76, 78 und 80 erfasst, wobei die jeweiligen Stromwerte als Kalibrierdaten über Kalibrierdatenleitungen 96, 97 und 98 Kalibrierkurvenspeicher 102, 103 und 104 mit den Stromwertinformationen versorgen, die in Abhängigkeit von der Metallkugelspannung bei den jeweiligen Wellenlängen zwischen 1 nm und 300 nm vorliegen.
Da das Durchstimmen der Metallkugelspannung über die Ansteuerleitung 90 zwischen –30 V und +70 V bei jeder ganzzahligen Wellenlänge zwischen 1 nm und etwa 300 nm erfolgt, werden in den Kalibrierkurvenspeichern 102, 103 und 104 jeweils 300 Kalibrier-Stromverläufe abgespeichert. Die Abspeicherung der Kalibrier-Stromverläufe kann Messpunkt für Messpunkt oder in mathematischer Form als Potenzreihen erfolgen: I_MK(x, λ_n)_kal = a₀(λ_n) + a₁(λ_n)x + a₂(λ_n)x² + a₃(λ_n)x³ + a₄(λ_n)x⁴ + ..., (1) I_IG(x, λ_n)_kal = b₀(λ_n) + b₁(λ_n)x + b₂(λ_n)x² + b₃(λ_n)x³ + b₄(λ_n)x⁴ + ..., (2) I_AG(x, λ_n)_kal = c₀(λ_n) + c₁(λ_n)x + c₂(λ_n)x² + c₃(λ_n)x³ + c₄(λ_n)x⁴ + ..., (3)
Darin bedeuten

I_MK(x, λ_n)_kal, I_IG(x, λ_n)_kal und I_AG(x, λ_n)_kal: die Kalibrier-Stromverläufe,
a_i, b_i und c_i: die Konstanten der Potenzreihen,
λ_n: die Wellenlängen und
x: die jeweils angelegte Spannung U_MK.

Zur Steuerung der Abspeicherung der Kalibrier-Stromverläufe ist die Steuer- und Auswerteelektronik 88 über einen Bus 106 mit den drei Kalibrierkurvenspeichern 102, 103 und 104 verbunden. Auf die Weise gestatten es die Kalibrierkurvenspeicher 102, 103 und 104, die Stromverläufe durch die drei Elektroden, nämlich die Metallkugel 48, das Innengitter 52 und das Außengitter 54 in Abhängigkeit von den jeweils angelegten Spannungen an die Sensoranordnung 42 und von den Wellenlängen der die Sensoranordnung 42 beaufschlagenden Synchrotronstrahlung zu speichern.
6 zeigt von den insgesamt etwa 900 abgespeicherten Kalibrier-Stromverläufen die Verläufe der Metallkugelströme in Abhängigkeit von der jeweiligen Metallkugelspannung für die Wellenlängen von 60 nm, 100 nm und 150 nm, wobei die Spannungen am Innengitter 52 –20 V und am Außengitter 54 +20 V betragen. Wie man in 6 erkennt, ergibt sich zwischen –30 V und –10 V Metallkugelspannung ein leicht geringer werdender Metallkugelstrom. Die Metallkugelströme sind bei kürzeren Wellenlängen wegen des höheren Energiegehaltes der Synchrotronstrahlung 70 höher (außer beim Übergang zur Röntgenstrahlung) und fallen bei geringer werdender negativer Vorspannung ab. Wenn die Metallkugelspannung ausgehend von 0 V positiver wird, ergibt sich zunächst ein steilerer Abfall der Metallkugelströme und schließlich eine Umkehr in der Stromrichtung, wobei die Stromstärke mit zunehmender positiver Metallkugelspannung zunimmt. Wie man in 6 weiterhin erkennen kann, sind die Stromverlaufskurven bei kürzeren Wellenlängen in 6 nach rechts verschoben, so dass bei kürzeren Wellenlängen mit energiereicheren Photonen eine Stromrichtungsumkehr erst bei einer höheren positiven Spannung erfolgt.
7 veranschaulicht den Einsatz der Sensoranordnung 42 auf Satelliten 14, 38 im Weltraum. Im Gegensatz zu 5 erfolgt nunmehr eine Beaufschlagung der Sensoranordnung 42 nicht mehr mit einer nahezu monochromatischen Synchrotronstrahlung 70, deren Intensität und Wellenlänge genau bekannt sind, sondern mit einer EUV-Strahlung 36, deren Spektrum zwar einigermaßen bekannt ist, deren fortlaufende Intensitätsveränderungen, welche für jede Wellenlänge unterschiedlich verlaufen, erfasst werden sollen, um die zeitabhängigen Laufzeitkorrekturen für eine Satellitennavigation genauer zu bestimmen.
Obwohl die Sensoranordnung 42 keine unmittelbare spektrale Auflösung durchzuführen gestattet, ist es jedoch mit der nachfolgend beschriebenen Anordnung und Methode möglich, relevante Daten für die Laufzeitkorrektur zu gewinnen. Dies ist insbesondere dadurch möglich, dass mit Hilfe der bei der Kalibrierung gewonnenen Daten für die Stromverläufe die Möglichkeit besteht, Teilströme, die einzelnen Spektralbereichen zugeordnet sind, sowie einen Gesamtstrom zu berechnen, der bei einem vorgegebenen Spektralverlauf der EUV-Strahlung 36 beziehungsweise Synchrotronstrahlung 70 auftritt.
Wie nachfolgend erläutert, ist es möglich, nach der Kalibrierung aufgrund der Daten im Kalibrierkurvenspeicher 102 diejenigen Einzelströme zu berechnen, die bei den jeweiligen Wellenlängen der in 4 veranschaulichten Photonenflüsse auftreten.
Zur Durchführung des Verfahrens zur Erfassung des Elektroneninhalts in der Ionosphäre 20 wird die aus 5 bekannte Anordnung durch weitere in 7 veranschaulichte Komponenten ergänzt, wobei die Kalibrierkurvenspeicher 102, 103 und 104 nicht mehr mit Daten geladen werden, sondern nunmehr als Datenspeicher für die Ausgabe von Daten dienen.
Bei der in 7 dargestellten Anordnung entspricht die Sensoranordnung 42 der aus 5 bekannten Sensoranordnung 42. Ebenso erkennt man in 7 die Stromversorgung 44, mit deren Hilfe die drei Elektroden der Sensoranordnung 42, nämlich die Metallkugel 48, das Innengitter 52 und das Außengitter 54 mit Spannungen versorgt werden. Dabei sind die Spannungen am Innengitter 52 und Außengitter 54 bei einer gegebenen Messphase konstant. Während einer Messphase wird die an der Metallkugel 48 angelegte Spannung zwischen –30 V und +70 V verändert, wenn die Steuer- und Auswerteelektronik 88 über die Ansteuerleitung 90 die Spannungsquelle 82 zwischen –30 V und +70 V kontinuierlich durchstimmt. Die dabei bei der jeweiligen Spannung auftretende Größe des Stromes durch die Metallkugel 48 wird mit Hilfe der Strommesseinrichtung 76 erfasst und über die Messdatenleitung 108 zum Messstromkurvenspeicher 110 für den Metallkugelstrom übermittelt.
In entsprechender Weise werden die Gitterströme erfasst und in dem Messstromkurvenspeicher 111 für den Innengitterstrom beziehungsweise dem Messstromkurvenspeicher 112 für den Außengitterstrom gespeichert.
Die Spannungsquellen 84 und 86 erhalten von der Steuer- und Auswerteelektronik 88 über die Ansteuerleitungen 92 und 94 die Anweisung, eine Spannung von –20 V für das Innengitter 52 und eine Spannung von +20 V für das Außengitter 54 bereitzustellen. Die dabei fließenden Ströme werden von den Strommesseinrichtungen 78 und 80 erfasst und während des Durchstimmens der Spannungsquelle 82 im Messstromkurvenspeicher 111 für das Innengitter 52 und im Messstromkurvenspeicher 112 für das Außengitter 54 abgelegt. Somit liegen nach einem Durchstimmen der Metallkugelspannung von –30 V bis +70 V drei Messkurven in den Messstromkurvenspeichern 110, 111 und 112 am Ende einer Messphase der einfallenden EUV-Strahlung 36 vor.
In 7 erkennt man, dass die Betriebselektronik 46 zusätzlich zu den Komponenten gemäß 5, die bei der Kalibrierung benötigt wurden, weitere Komponenten aufweist, und zwar insbesondere eine Rekonstruktionseinheit 114. Die Rekonstruktionseinheit 114 erhält Steuerinformationen über eine Steuersignalleitung 116 von der Steuereinheit 88 sowie Kalibrierdaten über die Kalibriereingänge 118, 119, 120. Die Rekonstruktionseinheit 114 rekonstruiert den Photonenfluss der im Weltraum von der Sensoranordnung 42 erfassten EUV-Strahlung 36. Die Rekonstruktion des EUV-Spektrums erfolgt aus einem Vergleich der Messstromkurven mit modellierten Stromkurven.
Die Rekonstruktionseinheit 114 ist mit den Messstromkurvenspeichern 110, 111 und 112 über Datenleitungen 122, 123 und 124 verbunden, so dass die Rekonstruktionseinheit 114 zur Rekonstruktion der EUV-Spektren auf die jeweils 300 Kalibrier-Stromkurven der Kalibrierkurvenspeicher 102, 103 und 104 sowie die jeweils im Messstromkurvenspeicher 110, 111 und 112 gespeicherte Messstromkurve zugreifen kann.
Die Rekonstruktionseinheit 114 enthält einen Speicher zum Speichern eines EUV-Sonnenspektrums, der in 7 nicht gesondert dargestellt ist. Der Speicher zum Speichern eines EUV-Sonnenspektrums enthält zu Beginn der Messungen im Weltall ein Ausgangs-EUV-Sonnenspektrum 115, wie es in 4 dargestellt ist. Ein solches Ausgangs-EUV-Sonnenspektrum wurde zum Beispiel durch frühere Messungen im Weltall erhalten.
In der Rekonstruktionseinheit 114 werden die im Kalibrierkurvenspeicher 102 vorliegenden Daten benutzt, um eine modellierte Stromkurve 126 zu errechnen. Die in 8 dargestellte modellierte Stromkurve 126 für den Messkugelstrom ergibt sich durch Aufsummieren der Einzelwerte der Stromverläufe, die sich aus dem Ausgangs-EUV-Sonnenspektrum berechnen lassen, wenn die Kalibrierdaten verwendet werden, um die zu einer jeweiligen Wellenlänge gehörenden Stromwerte der Stromkurven zu addieren. Mit Hilfe der Kalibrierdaten im Kalibrierkurvenspeicher 102 ist es möglich, für jeden Photonenfluss bei jeder Wellenlänge den zugehörigen Strom durch die Metallkugel 48 zu berechnen. Entsprechend wird in der Rekonstruktionseinheit 114 aus den Daten der Kalibrierkurvenspeicher 103 und 104 berechnet, wie hoch die Ströme durch das Innengitter 52 und das Außengitter 54 sind.
8 veranschaulicht in Abhängigkeit von der an der Metallkugel 48 anliegenden Spannung die modellierte Stromkurve 126 zusammen mit einzelnen Stromkurven, die durch Aufaddieren der Einzelströme der zu verschiedenen Wellenlängen gehörenden Stromkurven erhalten worden ist. Die modellierte Stromkurve 126 ist somit ein auf der Grundlage des Ausgangs-EUV-Sonnenspektrums unter Zuhilfenahme der Kalibrierdaten berrechneter Stromverlauf, der in 8 beispielsweise für die Metallkugel dargestellt ist. Falls bei einer Messung im Weltall ein EUV-Sonnenspektrum vorliegen würde, das dem in 4 dargestellten Ausgangs-EUV-Sonnenspektrum entsprechen würde, würde sich eine Messstromkurve ergeben, die mit der modellierten Stromkurve 126 übereinstimmen würde. Wenn jedoch das im Weltraum vorliegende EUV-Sonnenspektrum vom Ausgangs-EUV-Sonnenspektrum gemäß 4 abweicht, ergibt sich eine abweichende Messstromkurve 130. Die Differenz zwischen der in 8 dargestellten Messstromkurve 130 und der modellierten Stromkurve 126 ist ein Maß für die Abweichungen zwischen dem am Satelliten 14, 38 vorliegenden Sonnenspektrum und dem Ausgangs-EUV-Sonnenspektrum gemäß 4, welches in der Rekonstruktionseinheit 114 abgespeichert wurde.
Um den Verlauf des Sonnenspektrums im Weltall zu erfassen, verwendet die Rekonstruktionseinheit 114 Anpassungsfaktoren Q_mod(λ_n), um herauszufinden, mit welchen Anpassungsfaktoren die modellierte Stromkurve 126 in die gemessene Messstromkurve 130 überführt werden kann.
Es können also die drei im Weltraum zu erwartenden Messstromkurven für die Metallkugel und die beiden Gitter mit Hilfe der Kalibrier-Stromkurven als erste Nährung für ein Ausgangs-EUV-Sonnenspektrum als Modell-Kurven erstellt werden: I_MK(λ...λ, x)_mod = Σ_n Q_mod(λ_n)·I_MK(x, λ_n)_kal, (4) I_IG(λ...λ, x)_mod = Σ_n Q_mod(λ_n)·I_IG(x, λ_n)_kal, (5) I_AG(λ...λ, x)_mod = Σ_n Q_mod(λ_n)·I_AG(x, λ_n)_kal, (6) mit

Σ_n: – Summe der Kalibrier-Stromkurven I_MK(x, λ_n)_kal, I_IG(x, λ_n)_kal und I_AG(x, λ_n)_kal von λ₁ bis λ₃₀₀ und
Q_mod(λ_n): – Anpassungsfaktor der Kalibrier-Photonenflüsse an die Photonenflüsse des Ausgangs-EUV-Sonnenspektrums für die zu modellierenden Ströme durch die Metallkugel 48, das Innengitter 52 und das Außengitter 54.

Es erfolgt somit eine schrittweise Anpassung der Summen der Kalibrier-Stromkurven I_MK(x, λ_n)_kal, I_IG(x, λ_n)_kal und I_AG(x, λ_n)_kal an die drei Mess-stromkurven derart, dass für jede Wellenlänge der Q_mod(λ_n)-Faktor so lange verändert wird, bis die modellierten Kurvensätze 126 die optimale Annäherung an die Messkurven 130 ergeben. Dann werden die Faktoren Q_mod(λ_n) zu Q_mess(λ_n), und damit ist das aktuell gemessene EUV-Spektrum und dessen Photonenfluss laut Formeln (4) bis (6) für die sechs gemessenen und in 4 sowie der nachfolgenden Tabelle identifizierten Spektralbereiche bekannt.
Wie die 8 zeigt, werden Abweichungen im Ausgangsspektrum vom Messspektrum innerhalb der sechs Spektralbereiche in unterschiedlichen Kurventeilen des Gesamtstroms bemerkbar und erleichtern dadurch die schrittweise Anpassung. Zusätzlich fließen Erkenntnisse aus den bisherigen, instrumentell sehr aufwändigen Messungen der solaren EUV-Strahlung in die Auswertung ein, wonach die Intensitätsänderungen im Sonnenspektrum tendentiell zu kürzeren Wellenlängen stärker zunehmen.
Es gibt einen weiteren Parameter, mit dem die Genauigkeit der Anpassung der Modell- an die Mess-Stromkurven überprüft werden kann: Grundsätzlich verlaufen die Mess- und Kalibrier-Stromkurven von beziehungsweise für die Metallkugel-Elektrode 48 stetig. Sie sind von –30 V U_MK bis zu +70 V U_MK monoton fallend konvex und nach einem Wendepunkt monoton fallend konkav. Mit der Ermittlung der Wendepunkte von I_MK(λ...λ, x)_mess d²I_MK(λ...λ, x)_mess /dx² = 0 (7) zur Bestimmung der Lage des Wendepunktes x_w und dI_MK(λ...λ, x_w)_mess/dx (8) zur Bestimmung der Steigung der Tangente im Wendepunkt und für I_MK(λ...λ, x)_mod, d²I_MK(λ...λ, x)_mod/dx² = 0 (9) und dI_MK(λ...λ, x_w)_mod/dx (10) kann, falls erforderlich, ein weiterer Abgleich erfolgen.
Analog der nachfolgenden Tabelle erfolgt die Ermittlung der Elektronensäule beziehungsweise der TEC-Werte (TEC – Total Electron Content) unter Berücksichtigung der Absorptions-Wirkungsquerschnitte der EUV-Photonen in der oberen Atmosphäre.

Wenn das EUV-Licht in unsere obere Atmosphäre, die Thermosphäre, eindringt, ionisiert es die Luftteilchen und bildet das ionosphärische Plasma mit den freien Elektronen (das sind Photoelektronen, die in der Thermosphäre entstehen). Sie verursachen die Laufzeitverzögerung der vom Satelliten zur Erde gesendeten Signale. Da die EUV-Photonen je nach ihrer Wellenlänge unterschiedliche Energien und die absorbierenden Luftteilchen unterschiedliche Absorptions-Wirkungsquerschnitte haben, müssen die physikalischen Prozesse, die zur Bildung der freien Elektronen führen, berücksichtigt werden. Das geschieht mit der Unterteilung in sechs Spektralbereiche. Die Zusammenfassung wird in der nachfolgenden Tabelle dargestellt.

Nr.	Spektralbereich (nm)	Photonenfluss 10¹³ ph m^–2 s^–1	O₂	N₂	O	TEC 10¹³ Elektronen m^–2s^–1
B1	>103	>5000	0	0	0	0
B2	103–91	~14	0,4	0	0	~6
B3	91–80	~12	0,6	0	1	~12
B4	80–46	~13	0,8	0,6	1,1	~12
B5	46–28	~10	1,2	1,3	2,5	~22
B6	28–1	~18	3	2,5	4	~63
#####	###########	#########	###	###	####	##########
B2–B6	300–1					~115*

* Die genauen Werte werden jeweils mit den aktuellen Photonenflüssen berechnet.

Erläuterungen zur Tabelle:
Nr. – bezeichnet den vorgegebenen Spektralbereich;
Spektralbereich in Einheiten nm (gerundet);
(Solarer) Photonenfluss in 10exp(13) Photonen m^–2 s^–1 für eine mittlere Sonnenaktivität;
O₂, N₂ und O – molekularer Sauerstoff, molekularer Stickstoff und atomarer Sauerstoff als absorbierende Bestandteile der Thermosphäre mit der Gewichtung zur Bildung von freien Elektronen in der Säule (Total Electron Content) bei senkrechtem Lichteinfall;
TEC – Elektroneninhalt in 10exp(13) Elektronen m^–2 s^–1 auf dem Weg des GNSS-Signals vom Satelliten zum Einkanal-GNSS-Empfänger auf der Erde.

Spalte 1: Nummerierung der Wellenlängenbereiche B1 bis B6 der EUV-Sonnenstrahlung.
Spalte 2: Angabe der Wellenlängengrenzwerte der sechs EUV-Spektralbereiche.
Spalte 3: EUV-Photonenflüsse eines Sonnenspektrums in den sechs Bereichen.
Spalten 4 bis 6: Mittlere Anzahl von erzeugten freien Elektronen pro EUV-Photon bei der Absorption an molekularem (O₂) und Stickstoff (N₂) sowie an atomarem Sauerstoff (O).
Spalte 7: Anzahl der in der Ionosphäre gebildeten freien Elektronen, die zur Laufzeitverzögerung von GNSS-Signalen beitragen.
Neunte Zeile: Zusammenfassung der Zeilen für B1 bis B6.
Die in 4 und der obigen Tabelle identifizierte Unterteilung der solaren EUV-Strahlungsflüsse in sechs Wellenlängenbereiche erfolgt aus physikalischen Gründen.
Der Ausgang der Rekonstruktionseinheit ist mit einer Recheneinheit zur Berechnung der Elektronendichte verbunden. Diese liefert Ausgangsdaten, welche als Eingangsdaten für einen Normierungsrechner 142 dienen, der eine Normierung der aus der EUV-Strahlung gewonnenen Korrekturdaten auf den F_10,7-Radiofluss-Index beispielsweise des Ionosphärenkorrekturmodells NeQuick vornimmt. Die Erfassung des Elektronen-Säulen-Inhalts der Signalwege erfolgt bei dem beschriebenen Verfahren schließlich nicht mehr in Bodennähe, sondern oberhalb der Ionosphäre.
Spektralbereich B1: Diese Photonen erzeugen zwar in der Sensoranordnung 42 Photoelektronen, jedoch keine freien Elektronen in der Thermosphäre/Ionosphäre. Der Anteil an den drei Messströmen ist von den betreffenden Gesamtströmen abzuziehen, weil er zum zu erzielenden Wert der Elektronensäule (Total Electron Content, TEC-Wert) nichts beiträgt.
Spektralbereich B2: Aufgrund der Absorptions-Wirkungsquerschnitte trägt nur molekularer Sauerstoff zum TEC-Wert bei. Allerdings führt lediglich ein Teil der EUV-Photonen zur Bildung von freien Elektronen.
Spektralbereich B3: Die in diesem Spektralbereich absorbierten EUV-Photonen lösen aus molekularem und Stickstoff mit unterschiedlichen Wahrscheinlichkeiten freie Elektronen heraus.
Spektralbereich B4: O₂, N₂ und O tragen zum TEC-Wert bei. Beim molekularen Sauerstoff erzielen bereits einige der (primären) freien Elektronen eine Energie, welche für die Erzeugung eines weiteren Elektrons ausreicht, genannt freies Sekundär-Elektron.
Spektralbereich B5: In diesem Spektralbereich erzielen die (primären) freien Elektronen Energieüberschüsse, die zur Erzeugung weiterer Sekundär-Elektronen führen. Da atomarer Sauerstoff oberhalb von circa 130 km am häufigsten vorkommt, ist auch die Wahrscheinlichkeit für die Ionisation von O am größten.
Spektralbereich B6: Mit zunehmender Energie der EUV-Photonen steigt auch die Wahrscheinlichkeit für die Bildung weiterer Sekundär-Elektronen.
Die Summe 115 (von überschlagsmäßig geschätzt) ist als Maßzahl auf den F10,7-Index zu normieren, um ihn zu ersetzen.
Zur Berechnung der Elektronen-Säulendichte (EUV-TEC) ist es erforderlich, wegen der sich fortlaufend ändernden Photonenflüsse des Sonnenspektrums die Spektralmessungen mit der Sensoranordnung 42 regelmäßig zu wiederholen und die jeweiligen TEC-Werte zu berechnen.
Im Anschluss an diese Berechnung wird ein EUV-TEC-Wert als Anfangswert derart normiert, dass er die Größe des F_10.7-Wertes für den vorgegebenen Zeitpunkt annimmt. Hieraus ergibt sich ein Normierungsfaktor für die erforderliche Umrechnung. Danach erfolgt der Ersatz von F_10.7, wobei die nachfolgenden EUV-TEC-Werte, beaufschlagt mit dem Normierungsfaktor des Anfangswertes, anstelle des bisher verwendeten F_10.7-Indexes in bei GNSS-Datenauswertungen genutzten Ionosphären-Modellen (zum Beispiel NeQuick-Modell) benutzt werden, wodurch fortan die Zulieferung und Verwendung des erdgebundenen F_10.7-Indexes entfällt. Über die Erhöhung der Genauigkeit hinaus erbringt die Einführung von EUV-TEC-Daten durch die Erfassung kurzzeitiger Strahlungsschwankungen der Sonne, wie sie von Eruptionen ausgelöst werden, den Vorteil einer höheren zeitlichen Auflösung.
Mit dem oben erörterten EUV-TEC-Wert-gestützten Ionosphären-Modell werden die GNSS-Signale bezüglich der Laufzeitfehler relativ einfach korrigiert.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102005045463 A1 [0002]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Instituts für Meteorologie der Universität Leipzig, Band 50(212), Seiten 45 bis 54, mit dem Titel "Proxies to describe ionospheric variability and heating rates of the upper atmosphere: current progress" diskutieren C. Unglaub, Ch. Jacobi, G. Schmidtke, B. Nikutowski und R. Brunner [0004]

Claims

Messanordnung (42) zur Erfassung extrem ultravioletter Strahlung (36) im Weltall mit drei konzentrisch voneinander isoliert angeordneten elektrisch leitenden Elektroden, von denen die erste eine Metallkugel (48) und die beiden anderen als die Metallkugel (48) in unterschiedlichen Abständen von dieser konzentrisch umgebende Gitter (52, 54) ausgebildet sind, und mit drei Spannungsquellen (82, 84, 86), die jeweils über eine Strommesseinrichtung (76, 78, 80) mit einer der Elektroden (48, 52, 54) verbunden sind, sowie mit einer Steuer- und Auswertelektronik (46, 88), die mit den Spannungsquellen (82, 84, 86) verbundene Steuerausgänge (90, 92, 94) und mit den Strommesseinrichtungen (76, 78, 80) verbundene Messeingänge (107, 108, 109) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuer- und Auswerteeinheit (46, 88) so ausgebildet ist, dass während eines Kalibriervorganges die Ströme zu den Elektroden (48, 52, 54) für vorbestimmte Photonenflüsse und Wellenlängen einer Kalibrierstrahlung als Kalibrierkurven (102, 103, 104) speicherbar sind, wenn die Spannung an der Metallkugel (48) sich zwischen einem Minimalwert und einem Maximalwert verändert, dass für ein vorgegebenes Referenzspektrum (115) mit den Daten der Kalibrierkurven der Verlauf des zu erwartenden Stromes durch jede der Elektroden (48, 52, 54) für eine Vielzahl von Wellenlängen des Referenzspektrums (115) berechnet wird, dass die den Elektroden (48, 52, 54) bei verschiedenen Wellenlängen zugeordneten berechneten Stromverläufe durch Addieren jeweils eine Modellstromkurve (126) erzeugen, und dass die beim Beaufschlagen der Messanordnung (42) durch eine extrem ultraviolette Strahlung mit einem vom Referenzspektrum (115) abweichenden Spektrum (36) erhaltenen Messstromkurven in Messstromkurvenspeichern (110, 111, 112) zum Vergleich mit den errechneten Modellstromkurven (126) speicherbar sind, dass die für jede Wellenlänge berechneten Stromverläufe (128) mit ausgewählten verschiedenen Anpassungsfaktoren (Q_mod(λ_n)) versuchsweise so lange multipliziert werden, bis die Abweichung zwischen den Modellstromkurven (126) und den Messstromkurven (130) einen Minimalwert erreicht, so dass mittels der den verschiedenen Wellenlängen zugeordneten, schließlich gefundenen Anpassungsfaktoren (Q_mod(λ_n)) durch Multiplizieren mit den Photonenflüssen des Referenzspektrums (115) die Photonenflüsse des zu erfassenden Spektrums (36) bestimmbar sind, und aus der die Messanordnung beaufschlagenden extrem ultravioletten Strahlung (36) der Gesamtelektronengehalt (140) im Ionosphären-Modell berechenbar ist, um als Ersatz (142) für den F_10.7-Index zur Verfügung zu stehen.
Messanordnung zur Erfassung extrem ultravioletter Strahlung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungsquellen (82, 84, 86) derart ausgelegt sind, dass für eine Kalibrierung eine Metallkugelspannung zwischen –30 V und +70 V einstellbar ist.
Messanordnung zur Erfassung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden (48, 52, 54) so angeordnet sind, dass sich ein Messstrom in der Größenordnung von 1 nA im Vakuum einstellt.
Messanordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Kalibrierkurvenspeicher (102, 103, 104) vorgesehen sind, die es gestatten, jeweils 300 Kalibrierkurven zu speichern, die einem Spektrum zwischen 1 nm und 300 nm zugeordnet sind.
Messanordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils gesonderte Messkurvenspeicher (110, 111, 112) für die Erfassung der Messkurven vorgesehen sind, welche während einer Messphase erstellbar sind.
Messanordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zu erfassende Wellenlängenbereich in sechs Messbereiche aufgeteilt ist, denen jeweils eine unterschiedliche Gewichtung bei der Berechnung der Ionendichte zukommt.