Konzept einer zukünftigen Schwerefeldmission: GNSS-LEO ... · Technische Universität München E. Reußner, R. Pail, M. Murböck Lehrstuhl für Astronomische und Physikalische Geodäsie

Technische Universität München

E. Reußner, R. Pail, M. Murböck

Lehrstuhl für Astronomische und Physikalische Geodäsie

Konzept einer zukünftigen Schwerefeldmission:

GNSS-LEO-Tracking

Elisabeth Reußner




Gliederung

1 Einführung

2 GETRIS Mission

3 Methode des GNSS-LEO-Trackings

4 Missionssimulator

5 Datengrundlage

6 Ergebnisse der durchgeführten Simulationen

6.1 Simulationen im statischen Erdschwerefeld

6.2 Simulationen im statischen und zeitvariablen Erdschwerefeld

6.3 Simulationen im statischen und zeitvariablen Erdschwerefeld über 5

Tage

7 Abschließende Betrachtungen

2




• Ziel: gute und vor allem homogen über die Erde verteilte Kenntnis des

globalen Erdschwerefelds

Satellitengestützte Erdschwerefeldmissionen

• Konzept einer zukünftigen Schwerefeldmission: GETRIS Mission

• Aufgabe: Adaption des Konzepts der GETRIS Mission

GNSS-LEO-Tracking

Numerischen Simulation und Analyse der Distanzmessung zwischen

GNSS und LEO

Ziel: Untersuchung hinsichtlich der Leistungsfähigkeit für zeitvariable

Signale des Schwerefelds

1 Einführung

3




2 Die GETRIS Mission

Schlie (2012) Die GETRIS Mission - Konzept einer zukünftigen Schwerefeldmission zur Beobachtung von Massentransportprozessen im System Erde

4

GNSS

m – Mikrowellenlink




3 Die Methode des GNSS-LEO-Trackings

5

sin 𝛿𝐺𝑁𝑆𝑆 = 𝜌𝐸𝑟𝑑𝑒

𝜌𝐺𝑁𝑆𝑆 ∙ sin 90° sin 𝛿𝐿𝐸𝑂 =

𝜌𝐸𝑟𝑑𝑒

𝜌𝐿𝐸𝑂 ∙ sin 90°

cos𝜑𝐺𝑁𝑆𝑆,𝐿𝐸𝑂 = 𝜌 𝐺𝑁𝑆𝑆 ∙ 𝜌 𝐿𝐸𝑂

𝜌 𝐺𝑁𝑆𝑆 ∙ 𝜌 𝐿𝐸𝑂

𝝋𝑮𝑵𝑺𝑺,𝑳𝑬𝑶 ≤ 𝝋𝒎𝒂𝒙




3 Die Methode des GNSS-LEO-Trackings

6

sin 𝛼𝐺𝑁𝑆𝑆 = 𝜌𝐿𝐸𝑂

𝜌𝐺𝑁𝑆𝑆 ∙ sin 180° − 𝛼𝐿𝐸𝑂

Berücksichtigung der Erdatmosphäre: 200 km Sicherheitsbereich um die Erde

𝝋𝑮𝑵𝑺𝑺,𝑳𝑬𝑶 ≤ 𝝋𝒎𝒂𝒙 und 𝝋𝑮𝑵𝑺𝑺,𝑳𝑬𝑶 ≤ 𝜶𝒎𝒂𝒙




4 Der Missionssimulator

vgl. Schlie (2012) Die GETRIS Mission - Konzept einer zukünftigen Schwerefeldmission zur Beobachtung von Massentransportprozessen im System Erde

7

Eingangsschwerefeld

+ Beobachtungsrauschen

+ zeitvariable Daten

Simulator Ausgangsschwerefeld

Eingangsschwerefeld

Differentielle

Schwerefeldkoeffizienten

∆𝐶𝑛𝑚, ∆𝑆𝑛𝑚 und deren

Fehler

Mittleres zeitvariables

Schwerefeld

Restfehler

∆∆𝐶𝑛𝑚, ∆∆𝑆𝑛𝑚

Statisches Schwerefeld

Zeitvariables

Schwerefeld

-

-




• 4. Timewise Modell als statisches Eingangsschwerefeld (GOCE_TIM4)

• Bestandteile des zeitvariablen Eingangsschwerefelds: Einflüsse der

Atmosphäre, der Ozeane, der Hydrologie, der Eismassen und der festen

Erde

• Schätzung der Koeffizienten bis Grad und Ordnung 60

• Verwendung von weißem Rauschen

• Satellitenbahnen:

– Kreisförmige Keplerorbits (Repeat-Orbit)

– Höhe des LEOs über der Erde: 470 km

– Erde als Kugel

– Positionen der Satelliten im 10 Sekunden Sampling

5 Datengrundlage

8




• Simulationen im statischen Erdschwerefeld über 27 Tage

• Simulationen im statischen und zeitvariablen Erdschwerefeld über

27 Tage

• Simulationen im statischen und zeitvariablen Erdschwerefeld über

5 Tage

6 Ergebnisse der durchgeführten Simulationen

9




• Simulationen im statischen Erdschwerefeld über 27 Tage

ein LEO

Variationen in Bezug auf:

GNSS

Anzahl der GNSS Satelliten

Anzahl der Bahnen

Sichtspektrum des LEOs


10





11

GP

S

Galil

eo

[mm]

[mm]

1.5

1.5

-2

-2




• Simulationen im statischen und zeitvariablen Erdschwerefeld über 27 Tage

3 Galileo Satelliten auf einer Bahn oder 3 Galileo Satelliten auf drei

verschiedenen Bahnen

LEOs mit eingeschränktem Sichtspektrum


Anzahl der LEOs

Aufsteigende Knoten der LEOs

6.2 Simulationen im statischen und zeitvariablen

Erdschwerefeld

12





Erdschwerefeld

13

1 LEO

3 LEOs





Erdschwerefeld

14

1 LEO 3 LEOs

GRACE Paar




• Simulationen im statischen und zeitvariablen Erdschwerefeld über 5 Tage

3 Galileo Satelliten auf einer Bahn

LEOs mit eingeschränktem Sichtspektrum


Anzahl der LEOs

Aufsteigende Knoten der LEOs


Erdschwerefeld über 5 Tage

15





Erdschwerefeld für 5 Tage

16

3 L

EO

s




• Teilweise markante Unterschiede zwischen Varianten mit GPS Satelliten

und Galileo Satelliten

• Unter gleichen Bedingungen bessere Ergebnisse als bei einem GRACE

Paar erzielbar

• Positive Bewertung der Leistungsfähigkeit der simulierten Missionen in

Bezug auf die Messung zeitvariabler Signale im Erdschwerefeld

• Zufriedenstellende Ergebnisse nach 5 Tagen bei Verwendung mehrerer

LEOs

• Simulationen mit anderen Varianten möglich

Erfolgsversprechende Alternative für eine (kostengünstige) zukünftige

Schwerefeldmission

7 Abschließende Betrachtungen

17




Vielen Dank für die Aufmerksamkeit




Funktionsweise des Missionssimulators

vgl. Schlie (2012) Die GETRIS Mission - Konzept einer zukünftigen Schwerefeldmission zur Beobachtung von Massentransportprozessen im System Erde

Eingangsdaten

Orbits

Generieren

oder einlesen

Eingangs-

Schwerefeld

𝐶𝑛𝑚, 𝑆𝑛𝑚 Zeitvariables

Schwerefeld

Ozeangezeiten Rauschen Fehlerfreie

Beobachtungen

„reale“

Beobachtungen Filter

sphärisch-

harmonische

Analyse

Schwerefeld-

koeffizienten

+Fehler

Simulationsprozess

Ausgabedaten




Name der Variante in

dieser Arbeit

Anzahl der Satellitenbahnen

der GNSS Satelliten

Anzahl der verwendeten

GNSS Satelliten

Art des Sichtspektrums

des LEOs

2GPS_1_1_U 1 2 uneingeschränkt

2GPS_1_1_E 1 2 eingeschränkt







Simulationen mit GPS Satelliten im statischen


20




Simulationen mit Galileo Satelliten im statischen


21

Name der Variante in

dieser Arbeit

Anzahl der Satellitenbahnen

der GNSS Satelliten

Anzahl der verwendeten

GNSS Satelliten

Art des Sichtspektrums

des LEOs

2Galileo_1_1_U 1 2 Uneingeschränkt

2Galileo_1_1_E 1 2 Eingeschränkt







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