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M. Alizadeh:
"Multi-Dimensional modeling of the ionospheric parameters, using space geodetic techniques";
in series "Geowissenschaftliche Mitteilungen, Heft 93", series editor: M. Alizadeh; issued by: Department für Geodäsie und Geoinformation; Geowissenschaftliche Mitteilungen, Wien, 2013, ISSN: 1811-8380, 222 pages.

English abstract:
The rapid development of new technological systems for navigation, telecommunication, and space missions which transmit signals through the Earth's upper atmosphere - the ionosphere - makes the prediction of the meteorological conditions of space around the Earth more essential. For space geodetic techniques, operating in microwave band, ionosphere is a dispersive medium; thus signals traveling through this medium are in the rst approximation, a ected proportional to inverse of the square of their frequencies. This e ect allows gaining information about the parameters of the ionosphere in terms of Total Electron Content (TEC) or the electron density (Ne). Making use of this phenomenon, space geodetic techniques have turned into a capable tool for studying the ionosphere in the last decades. The classical data for obtaining ionospheric parameters from space geodetic techniques are the Global Navigation Satellite Systems (GNSS) dual-frequency observations. However, due to the fact that the GNSS ground stations are in-homogeneously distributed in globe and have a poor coverage over the oceans, the precision of TEC maps are rather low in these areas. On the other hand dual-frequency satellite altimetry missions (such as Jason-1 and 2) provide direct TEC values exactly over the oceans, and furthermore the six Formosat-3/COSMIC (F/C) spacecraft provide about 2500 globally distributed occultation measurements per day, which can be used for obtaining TEC values. Integrating these data with the ground-based data improves the accuracy and reliability of the ionospheric maps. This study aims at developing a global multi-dimensional model of the TEC and electron density, using measurements from several space geodetic techniques. In the case of 2D model, TEC is represented using a spherical harmonic expansion. However, due to the fact that 2D models of TEC provide information about the integral of the whole electron content along the vertical or slant ray-path, when information about the ionosphere at di erent altitudes is needed, these maps are not useful. Besides the geodetic applications, 3D modeling approach can include geophysical parameters like maximum electron density, and its corresponding height. High resolution modeling of these parameters, allow an improved geophysical interpretation.In the case of 3D model, electron density is represented using two sets of spherical harmonic expansions. The 3D models represent the height-dependency of the electron density by a multi-layered Chapman function for the bottom-side and topside ionosphere, and an appropriate base-function for the plasmaspheric contribution. To conclude, due to several developments and modi cations of conceptual approaches, this study can be considered as a pioneer in the eld of modeling the upper atmosphere, using space geodetic techniques.

German abstract:
Die Ionosph are ist ein dispersives Medium f ur die Signale der geod atischen Weltraumverfahren, die den Mikrowellenbereich nutzen; dadurch werden Signale in diesem Medium in erster N aherung invers proportional zum Quadrat der Frequenzen beein usst. Dieser E ekt erm oglicht die Bestimmung von ionosph arischen Parametern in Form von Total Electron Content (TEC) Werten oder Elektronendichten (Ne). TEC Werte oder Elektronendichten k onnen mit Kugelfunktionen beschrieben werden, um daraus globale Ionosph arenkarten (Global Ionosphere Maps, GIM) abzuleiten. Ublicherweise stammt der Input f ur die Entwicklung von GIM von Zweifrequenz-Beobachtungen auf Global Navigation Satellite Systems (GNSS) Stationen. Jedoch sind GNSS Stationen inhomogen uber die gesamte Erde verteilt, mit groen L ucken uber den Ozeanen; dadurch wird die Genauigkeit der GIM uber diesen Gebieten verringert. Andererseits liefern Satellitenaltimetriemissionen auf zwei Frequenzen wie Topex/ Poseidon (T/P) oder Jason-1 pr azise Informationen zur Ionosph are uber den Ozeanen; weiters erlauben Low Earth Orbiting (LEO) Satelliten, wie Formosat-3=COSMIC (F=C) global gut verteilte Ionosph arenmessungen. Dieses Dissertation behandelt die globale Modellierung von TEC durch die Kombination von GNSS Beobachtungen mit Satellitenaltimetrie und auch mit globalen TEC Daten aus Okkultationsmessungen der F=C Mission. Die Untersuchungen konzentrierten sich auf die Dauer zwischen dem letzten solarem Minimum (2006) und einigen Jahren danach (bis 2010). An einigen ausgew ahlten Tagen wurde die Kombination durchgef uhrt, und die kombinierten GIM von vertikalem TEC (VTEC) zeigen eine maximale Abweichung von ungef ahr 1.5 TEC Units (TECU) bezogen auf das ausschlie lich aus GNSS-Beobachtungen ermittelte GIM. Die RMS (root mean square) Fehlerkarten der kombinierten L osung zeigen eine Verbesserung w ahrend des ganzen Tages. Die Verringerung des RMS erreicht 0.5 TECU in Gebieten, wo nur wenige GNSS Beobachtungen aber eine gro e Zahl an F=C Beobachtungen zur Verf ugung stehen. Das best atigt, dass die kombinierten GIM eine homogenere globale Verteilung haben als Ergebnisse von einer Technik alleine. Somit kann die Schlussfolgerung gezogen werden, dass die Kombination von Satellitenaltimetrie und auch F=C mit GNSS Beobachtungen f ur die globale Modellierung der Ionosph are die Genauigkeit und Zuverl assigkeit der GIMs signi kant verbessert, besonders wenn eine gro e Anzahl an Okkultationsmessungen zur Verf ugung steht. Alle Vergleiche und Validierungen in dieser Studie liefern wichtige Informationen bez uglich der Kombination und Integration der verschiedenen Beobachtungsverfahren im Global Geodetic Observing System (GGOS) der International Association of Geodesy (IAG).

Electronic version of the publication:

Created from the Publication Database of the Vienna University of Technology.