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Höhenvermessung der Erdoberfläche durch Satelliten

durch das Impulsvolumen
ausgeleuchtete
Fläche
Empfangsleistung

Bild 1: Vorgang der Reflexion eines Impulses mit der Länge τ an einer glatten Fläche.

durch das Impulsvolumen
ausgeleuchtete
Fläche
Empfangsleistung

Bild 1: Vorgang der Reflexion eines Impulses mit der Länge τ an einer glatten Fläche.

Höhenvermessung der Erdoberfläche durch Satelliten

Die Höhenvermessung der Erdoberfläche (oder der Höhe des Meeresspiegels) kann durch einfache Entfernungsmessung von einem Satelliten erfolgen. Es wird nicht nur die Laufzeit der elektromagnetischen Wellen, sondern auch deren Phasenlage gemessen. Dadurch wird eine sehr große Genauigkeit im Bereich von nur wenigen Zentimetern erreicht. Jedoch unterliegt der Sendeimpuls bei der Reflexion einer starken Veränderung. Ursache ist die Wölbung des Impulsvolumens um wenige Meter, so dass der gesendete Impuls auf einer relativ glatten Oberfläche nicht gleichmäßig reflektiert wird.

Nach einer Laufzeit von R/c0 erreicht das Impulsvolumen die reflektierende Oberfläche punktförmig. Dieser Punkt bildet sich während der Impulsdauer zu einem Kreis aus. Danach entsteht in der Mitte des Kreises ein Loch: in der Mitte ist die Reflexion beendet, aber am Rand des Antennendiagramms ist der gesendete Impuls durch die winkelbedingt größere Schrägentfernung noch gar nicht auf der Oberfläche angekommen. Die ausgeleuchtete Fläche hat ein sich mit zunehmender Dauer vergrößerndes reifenförmiges Aussehen. Solange sich die ausgeleuchtete Fläche zu einem vollen Kreis vergößert (das geschieht bis zum Zeitpunkt R/c0 + τ), steigt die empfangene Leistung an, es bildet sich die steigende Flanke des Echosignals aus. Ab dem Moment des Ausbildens eines Loches in der Mitte bleibt die Empfangsleistung etwa gleich, es bildet sich das Impulsdach aus.

In der Grafik konnte das Verhältnis zwischen Impulsdauer und Durchmesser des Reifens nicht maßstabsgerecht gezeichnet werden. Zum Beispiel führt eine Orbithöhe von 1000 km mit einer Halbwertsbreite der Antenne von 0,32° zu einer ausgeleuchteten Fläche von 2,8 km Durchmesser! Wenn dann die Sendeimpulsdauer bei 3 Nanosekunden liegt, dann ist das Echosignal einer ebenen Fläche im Impulsdach trotzdem mindestens 26 Nanosekunden lang. Weil aber die Oberfläche rau ist, verflachen die Flanken des Echoimpulses zusätzlich. Für die Messung wird deshalb genau der Punkt verwendet, an dem die steigende Flanke des Echosignals in das Impulsdach übergeht ((2R/c0) + τ).

Die Rauigkeit der Meeresoberfläche wird durch Wellen verursacht, die zufällig verteilt sind. Eine Mittelung der Echosignale über einen Zeitraum von bis zu 1000 Sendeimpulsen kann deren Einfluss auf die Impulsform verringern und kann ebenfalls Aussagen über eine signifikante Wellenhöhe (SWH) zulassen. Da eine Entfernungsfaltung möglich ist, das heißt, auf dem Weg des Sendesignals zur Erdoberfläche befinden sich keine nennenswerten Reflexionsobjekte und deshalb können sich mehrere Sendeimpulse auf dem Weg überschneiden, ohne dass Mehrdeutigkeiten auftreten. So kann trotz der sehr großen Orbithöhe eine relativ hohe Impulsfolgefrequenz genutzt werden.