Two-way satellite tracking as basis of gravity field misssion scenarios - a simulation study with detailed error analysis II
Final Report Abstract
In dem Fortsetzungsantrag wurde die Fehleranalyse für die Schwerefeldbestimmung mit Zwei-Wege-Satellitenverbindungen (ISL) zwischen Galileo (MEO) bzw. geostationären (GEO) und niedrigfliegenden Satelliten (LEO) im Rahmen des GETRIS-(Geodesy and Time Reference in Space) Projekts, fortgesetzt. Standen im ersten genehmigten Antragsteil die Fehlerbeiträge der Akzelerometer und die Vermeidung von zeitlichem Aliasing durch Parametrisierung von langwelligen, hochfrequenten Schwerefeldvariationen im Vordergrund, wurden in diesem Antragsteil die Bahnfehler von LEO, MEO und GEO untersucht und die systematischen Fehler der Abstandsmessung sowie die Reduktion von Aliasing durch die getrennte Schätzung von Ozeangezeiten analysiert. Zusammen mit den Erkenntnissen aus dem ersten Antragsteil kann damit eine übergreifende Analyse und Quantifizierung aller relevanten Unsicherheiten des Gesamtsystems der Schwerefeldbestimmung mit ISL erzielt werden. Vor allem wegen der, mitunter recht großen, Aliasing Perioden der Gezeiten von bis zu mehreren 1000 Tagen sind lange Beobachtungszeiträume notwendig, um die Signale der Tiden vollständig zu erfassen. In einem Zeitraum von 10 Jahren konnten die Meisten Beiträge recht gut geschätzt werden. Die Simulationen haben auch gezeigt, dass bestimmte Tiden nur ein sehr bedingtes Schätzpotential aufweisen, was unter anderem auf eine kleine Signalamplitude, großen Aliasing Perioden und Korrelationen untereinander sowie mit AOHIS Signalen zurückzuführen ist. Mit diesen Schätzungen können wiederum Aliasingbeiträge aus Schwerefeldsimulationen herausgerechnet werden. Großer Wert wurde in dieser Arbeit auf die Modellierung von systematischen und stochastischen Fehlern in der Orbitbestimmung, die über weißes Rauschen hinausgehen, gelegt. Dabei sind die Fehler der Einweg- L-Band-Messung von den Zweiweg-Messungen zu unterscheiden. Folgende Fehler wurden für L-Band-Messungen als entscheidend erachtet: Neben weißem Rauschen wurde ein Troposphärenfehler, Satelliten- und Bodenuhrenfehler, Multipath und elektrische Verzögerungen berücksichtigt. Die Zweiwege-Messung kann mit folgenden Fehlern versehen werden: Elektrische Verzögerung und ihre zeitliche Variation, distanzabhängiges weißes Rauschen, farbiges Rauschen, Troposphärenfehler und ebenfalls die Uhrenfehler. Mit diesen Fehlern ergibt sich für die ausschließliche Nutzung von L-Band-Beobachtungen zu 16 Stationen eine Genauigkeit der Galileobahn von 20 cm. Das entspricht auch der zu erwartenden Genauigkeit mit heutigen Mitteln. Werden zur Bahnbestimmung noch zusätzlich ISL Beobachtungen herangezogen, ergibt sich für eine feste Ringstruktur ein Orbitfehler von 5 cm und im Fall des any-to-any Szenariums von 2,8 cm. Dies entspricht einer Verbesserung um den Faktor vier, bzw. sieben. Werden ISL Beobachtungen in der Analyse berücksichtigt, so können mehr Solardruckparameter geschätzt werden, vor allem im Fall von any-to-any. Die Beschränkung der Zahl der Bodenstationen auf sieben hat nur einen geringen Einfluss auf die Bahngenauigkeit. Die höhere Genauigkeit im Fall von any-to-any ist auf die Möglichkeit der Bias-Schätzung zurückzuführen. Im Szenario mit exakt bekannten GEO/IGSO Bahnen und µm-Level Rauschen auf den GEO/IGSO-LEO Beobachtungen zeigen sich im kinematischen Fall Vorteile bzgl. der Schätzung der radialen Komponente und der Komponente entlang der Bahn für IGSO’s, wohingegen die Komponente quer zur Bahn mit einer GEO Konstellation besser geschätzt werden kann. Der 3D-RMS ergibt sich zu etwa 1,9-2,5 cm mit GEO und 1,5-2,2 cm mit IGSO Satelliten. Im reduziert-dynamischen Fall liegt der Wert im submillimeter-Bereich.
Publications
- (2016) Gravity field recovery in the framework of a Geodesy and Time Reference in Space (GETRIS). Adv. Space Res. 59 (2017), pp. 2032-2047
Hauk, M.; Schlicht, A.; Pail, R.; Murböck, M.
(See online at https://doi.org/10.1016/j.asr.2017.01.028) - (2018) Treatment of ocean tide aliasing in the context of a next generation gravity field mission. Geophysical Journal International 214, 345-365
Hauk, M.; Pail, R.
(See online at https://doi.org/10.1093/gji/ggy145) - (2019) Gravity Field Recovery Using High-Precision, High-Low Inter-Satellite Links. Remote sensing 11(5), 537
Hauk, M.; & Pail, R.
(See online at https://doi.org/10.3390/rs11050537) - (2019) Mass variation observing system by high low inter-satellite links (MOBILE) – a new concept for sustained observation of mass transport from space. Journal of Geodetic Science 9(1)
Pail, R.; Bamber, J.; Biancale, R.; Bingham, R.; Braitenberg, C.; Cazenave, A.; Eicker, A.; Flechtner, F.; Gruber, T.; Güntner, A.; et al.
(See online at https://doi.org/10.1515/jogs-2019-0006) - (2019): Concept for continuous laser ranging and time transfer to Galileo using optical two-way links, Proceedings of the 7th Galileo Science Colloquium, Zürich, Switzerland, 4. – 6.9.2019
Schlicht, A.; Hugentobler, U; Marz, S.; Seel, S.; Biller, P.
