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Die weltraumgestützte Global Navigation Satellite System Reflectometry (GNSS-R) ist eine aufstrebende bistatische Fernerkundungstechnik, die kontinuierliche Erdbeobachtungen mithilfe reflektierter GNSS-Signale ermöglicht. Neben Oberflächenanwendungen weisen GNSS-R-Beobachtungen von LEO-Satelliten bei niedrigen Elevationswinkeln eine hohe Sensitivität gegenüber der Verteilung ionosphärischer Schichten auf und eröffnen neue Möglichkeiten zur Untersuchung der vertikalen Struktur der Ionosphäre.

In dieser Studie werden Messungen der PRETTY-CubeSat-Mission im L5/E5-Band verwendet, um ionosphärische Effekte unter streifenden Beobachtungsgeometrien zu untersuchen. PRETTY ermöglicht die Analyse von GNSS-R-Codeverzögerungsbeobachtungen bei Elevationswinkeln des spiegelnden Punktes bis hinunter zu etwa 1°, wodurch die Sensitivität gegenüber ionosphärischen Laufzeitverzögerungen deutlich erhöht wird. Die abgeleitete relative ionosphärische Verzögerung erreicht Werte von bis zu etwa 18 m, mit einem lokalen Maximum bei ungefähr 3° Elevation. Analysiert werden sechs GNSS-R-Ereignisse, die im Juli 2024 über der Arktis aufgezeichnet wurden. Die relativen ionosphärischen Verzögerungen werden aus Delay-Map-Beobachtungen nach Korrektur geometrischer und troposphärischer Beiträge bestimmt.

Die abgeleiteten Verzögerungen werden mit Vorhersagen des Neustrelitzer Elektronendichtemodells (NEDM2020), NeQuick sowie der International Reference Ionosphere (IRI) verglichen. Für alle Modelle zeigt sich eine gute Übereinstimmung, wobei NEDM2020 die kleinsten Residuen im Bereich von etwa 1,3 bis 4,4 m liefert. Die Unsicherheit der Retrievals kann aufgrund der durch die Delay-Map-Auflösung vorgegebenen Quantisierung bis zu etwa 2,6 m betragen, was die Tracking-Genauigkeit weiterhin begrenzt. Dennoch zeigen die Ergebnisse, dass GNSS-R-Codeverzögerungsbeobachtungen bei streifenden Einfallswinkeln ionosphärische Verzögerungsvariationen erster Ordnung auflösen können und sensitiv gegenüber der vertikalen Elektronendichtestruktur der Ionosphäre sind.

Zur weiteren Untersuchung dieser Sensitivität werden die abgeleiteten Verzögerungen mithilfe einer Chapman-Schicht-Darstellung der F-Region angepasst. Die geschätzten Höhen des F-Schicht-Maximums liegen zwischen etwa 307 und 367 km und stimmen innerhalb von ±15 km mit unabhängigen Ionosonden- und EISCAT-Radarmessungen überein. Darüber hinaus wird ein Kompensationspunkt der relativen ionosphärischen Verzögerung identifiziert, der dem Elevationswinkel entspricht, bei dem sich die direkten und reflektierten ionosphärischen Beiträge gegenseitig kompensieren. Dieser Punkt könnte potenziell als Proxy zur Bestimmung der Höhe des F-Schicht-Maximums genutzt werden. Die Ergebnisse verdeutlichen das Potenzial von GNSS-R-Beobachtungen bei streifenden Einfallswinkeln als neuartige ionosphärische Observable für zukünftige Anwendungen im Bereich des ionosphärischen Monitorings und der Modellierung.