Zusammenfassung
Das Fourierspektrometer MIPAS-B (Michelson Interferometer für passive atmosphärische Sondierung – Ballonversion) erfaßt von einem Stratosphärenballon aus Emissionsspektren im infraroten Spektralbereich mit der Methode der Horizontsondierung. Daraus werden Höhenprofile einer größeren Anzahl umweltrelevanter Spurengase im selben Luftvolumen gewonnen.
Die Erfahrungen mit dem ersten MIPAS-B Experiment (MIPAS-B1) haben gezeigt, daß die Bestimmung von atmosphärischen Spurengaskonzentrationen zeitaufwendig und ungenau wird, wenn die Sichtlinie nicht exakt bekannt und schlecht stabilisiert ist: Fehler in der angenommenen Sichtlinie dominieren in diesem Fall die Fehlerbilanz der Spurengaskonzentrationen.
MIPAS-B mißt die Eigenemission von Spurengasen. Es gibt also keine extraterrestrische Strahlungsquelle (wie z.B. die Sonne), mit deren Hilfe die Sichtlinie stabilisiert werden kann. Daher müssen andere Methoden angewendet werden, um die Sichtlinie zu stabilisieren und zu ermitteln. Die Lösung dieser Aufgabe für das zweite MIPAS-B Experiment (MIPAS-B2) stellt das zentrale Thema der vorliegenden Arbeit dar.
Lage und Orientierung der Ballongondel werden durch ein Lagereferenzsystem mit GPS-Stützung bestimmt (GPS: Global Positioning System). Darauf aufbauend wurde ein Sichtlinienstabilisierungssystem entwickelt, das erstmals bei einer Ballongondel angewendet wurde. Es erfüllt die Anforderungen der Einstellbarkeit und Stabilisierung der Sichtlinie während der Messungen, um die Pendelbewegungen der Ballongondel auszugleichen.
Im ersten Teil der Arbeit werden die Auswirkungen von Stabilisierungsfehlern diskutiert, die sowohl das Apparateprofil des Fourierspektrometers als auch, bei der Koaddition von Spektren, das Gesichtsfeld verändern. Ferner wird der Einfluß von Kenntnisfehlern der Sichtlinie auf die Bestimmung der Spurengaskonzentrationen dargelegt.
Funktionsweise und Einsatz des oben beschriebenen, neuartigen Sichtlinienstabilisierungssystems werden näher ausgeführt. Zur Verifikation der Sichtlinienstabilisierung wurde im Rahmen dieser Arbeit das Sternreferenzsystem entwickelt. Über die Verifikation hinaus wird mit dem Sternreferenzsystem die für die Auswertegenauigkeit notwendige präzise Richtung der Sichtlinie bestimmt.
Die zur Realisierung des Sternreferenzsystems nötigen Hard- und Softwareentwicklungen werden vorgestellt. Zentrale Komponente ist eine CCD-Kamera, mit der ein Ausschnitt des Sternhimmels erfaßt wird. Das Sternenlicht wird ohne Intensitätsverluste der eigentlichen Meßstrahlung des Spektrometers mit einer Markierung der optischen Achse des Instruments überlagert. Damit kann der mechanische Verzug der Optik bei Temperaturänderungen berücksichtigt werden. Die datenreduzierten Sternaufnahmen werden via Telemetrie zur Bodenkontrollstation übertragen. Für die Auswertung wurden Algorithmen zur Subpixelauflösung, Sternörterberechnung und Sternmustererkennung entwickelt.
Die Ergebnisse der Sichtlinien-Bestimmung mit dem Sternreferenzsystem werden anhand der bisherigen Flüge dargestellt. Fehlerquellen werden diskutiert und erläutert.
Mit Hilfe des Sternreferenzsystems konnte die Leistungsfähigkeit des Sichtlinienstabilisierungssystems verbessert werden. Zudem wurde die Auswertezeit der Spurengasprofile verkürzt und die Genauigkeit erhöht: Die Fehler aufgrund von Kenntnisfehlern der Sichtlinie spielen im Vergleich zu anderen Fehlerquellen unter diesen Voraussetzungen nur noch eine untergeordnete Rolle.
Abstract
The Star Reference System of MIPAS-B2: Line of Sight Determination of a Balloonborne Spectrometer for Remote Sensing of Atmospheric Trace Gases
The spectrometer MIPAS-B (Michelson Interferometer for Passive Atmospheric Sounding - Balloonborne Version) is a limb emission sounder in the mid infrared spectral range, adapted to a stratospheric balloon gondola. Its task is remote sensing of vertical profiles of several trace gases in the context of environmental research.
The experiences with the precursor instrument (MIPAS-B1) have revealed that an insufficient knowledge and a poor stabilisation of the line of sight made the retrieval of the vertical profiles time-consuming and restricted their reliability.
Since MIPAS-B2 measures the thermal emission of trace gases, there is no defined target (e.g. the sun) which can be used as input for stabilising the line of sight. Therefore, other methods have to be used to stabilise the line of sight and to determine its knowledge. The solution of this task is the main aspect of this thesis.
Attitude and heading of the balloon gondola are measured with an inertial navigation system with embedded GPS (Global Positioning System). Based on this inertial navigation system a novel concept for a pointing system was developed and realised. The pointing system accomplishes the requirements of acquisition and stabilisation of the line of sight during the measurements and compensates the oscillating movements of the gondola. In addition, a star reference system was developed to verify the active pointing system and to determine the knowledge of the line of sight a posteriori. This is necessary to achieve the desired retrieval accuracy of the vertical profiles.
The thesis discusses the effects of errors in the stabilisation and the knowledge of the line of sight on the measurements. A variation in the line of sight affects the instrumental line shape of recorded spectra and broadens - through the coaddition of spectra - the resulting field of view. An insufficient knowledge reduces the accuracy of the retrieved vertical profiles.
The new pointing system is described. The hard- and software components needed for the star reference system are shown in detail. The central component is a CCD-camera taking pictures of a part of the night sky for every interferogram. The light of the stars is superimposed onto the light of marks representing the optical axes without masking the infrared beam. Through this, the thermal warping of the optics due to the changes in temperature during flight can be determined. After data reduction star images are sent to ground by telemetry. Algorithms for subpixel resolution, calculation of star positions and star pattern recognition have been developed.
The results derived with the star reference system and the performance of the pointing system are analysed. The errors sources are discussed.
The new star reference and pointing system has significantly improved the line of sight stabilisation and determination. Both the stabilisation and the knowledge of the line of sight are now better than 1 arcmin which corresponds to 1/10 of the field of view of the spectrometer. Based on this, the data analysis could be accelerated and the contribution of the errors in the line of sight to the retrieval errors of the vertical profiles is now almost negligible.