Kalibrierung von GRACE Akzelerometerdaten und deren Einfluss auf die Schätzung der thermosphärischen Neutraldichte

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1 . Masterarbeit Kalibrierung von GRACE Akzelerometerdaten und deren Einfluss auf die Schätzung der thermosphärischen Neutraldichte 1 M.Sc. Kristin Vielberg Universität Bonn Institute für Geodäsie and Geoinformation Astronomische, Physikalische und Mathematische Geodäsie Vermessungswesen aktuell 2018

2 Was ist die thermosphärische Neutraldichte? Thermosphäre: km Neutraldichte 2 Dichte der neutralen Atmosphäre ρ = m V Masse m abhängig von Zusammensetzung der Atmosphäre

3 Satellitenanwendungen Neutraldichte der Thermosphäre wird benötigt für: Präzise Orbitbestimmung Kollisionsanalysen Wiedereintrittsberechnungen Missionsplanung Erforschung der Atmosphäre und des Weltraumwetters 3

4 Variabilität der Neutraldichte Neutraldichte abhängig von Temperatur und Druck Neutraldichte variiert räumlich und zeitlich: Höhen-, Breitenabhängigkeit Tägliche Variationen Sonnenrotation Sonnenzyklus Sonnenstürme, koronale Massenauswürfe beeinflussen Erdmagnetfeld 4 Direkte Messung der Dichte nicht möglich Verwendung empirischer Modelle z.b. Jacchia, MSIS, DTM

5 Empirische Dichtemodelle Verwendung von Proxies F EUV Strahlung der Sonne bei 10.7 cm Wellenlänge K p, A p... globale geomagnetische Variation 5 Problem: geringe zeitl. und räuml. Auflösung Alternative: Schätzung der Neutraldichte aus Kräften, die auf den Satelliten wirken

6 Bewegung eines Satelliten Satellitenbewegung abhängig von Kräften Gravitative Kräfte Nicht-gravitative Kräfte Thermosphärische Reibung insb. abhängig von Neutraldichte der Thermosphäre Strahlungsdruck von Sonne und Erde Messbar mit Akzelerometern 6

7 Schwerefeldmissionen mit Akzelerometern 7 Flughöhen unter 500 km (Thermosphäre) Messungen beinhalten systematische Abweichungen Messungen stark temperaturabhängig Kalibrierung erforderlich

8 Ziel der Masterarbeit 1 Kalibrierung von GRACE Akzelerometerdaten Kalibriergleichung: a cal = b + Sa raw 3 Methoden: I. Multi-Step Numerical Estimation (MNE) II. Dynamic Estimation (DE) III. Empirical Model Approach (EMA) 8 2 Einfluss der Kalibrierung auf die Berechnung der Neutraldichte der Thermosphäre

9 Kalibrierung von Akzelerometerdaten I. Multi-Step Numerical Estimation (MNE) Kinematische Positionen Schritt 1: Numerisch differenzieren Gesamtbeschleunigungen Schritt 2: Gravitative Beschleunigungen abziehen Nicht-gravitative Beschleunigungen Schritt 3: Kalibrierung Kalibrierparameter Probleme durch numerisches Differenzieren: Rauschen Rauschen verringern durch geeigneten Ableitungsfilter Autokorrelationen Kalibrierung inkl. Dekorrelation 9

10 Kalibrierung von Akzelerometerdaten II. Dynamic Estimation (DE) Kalibrierung zusammen mit dynamischer präziser Bahnbestimmung (Löcher, 2011) 10 Bewegungsgleichung: Beziehung zwischen Kräften, die auf den Satelliten wirken, und dessen Beschleunigung Lösung der Bewegungsgleichung über Variationsgleichungsansatz

11 Kalibrierung von Akzelerometerdaten III. Empirical Model Approach (EMA) Empirische Modellierung nicht-gravitativer Kräfte 11

12 Kalibrierparameter Kalibriergleichung: bias x [m/s 2 ] 1e e e 06 a cal = b + Sa raw 1.3e 06 MNE EMA DE bias x [m/s 2 ] 1e e e e 06 MNE EMA DE bias x [m/s 2 ] 1e 1.1e 1.2e 1.3e 3-Schritt-Verfahren: 1.4e November 2008 [days] 2.75e 05 1 Tägliche Kalibrierparameter 2.74e 05 schätzen bias y [m/s 2 ] 2.73e e 05 Skalierungsfaktoren zeitlich 15 20mitteln November 2008 [days] 3 Erneute Schätzung 4e 07 täglicher Biases bias y [m/s 2 ] 1.4e February 2014 [days] 2.96e e e e e February 2014 [days] 4e 07 bias y [m/s 2 ] 1.4e 2.96e e 2.88e 2.84e 4e bias z [m/s 2 ] 6e 07 Skalierungsfaktoren für GRACE 8e 07 GRACE A GRACE B S x [ ] ± ± S y [ ] ± ± S z [ ] ± ± November 2008 [days] bias z [m/s 2 ] 6e 07 8e February 2014 [days] Vielberg et al. (2018) bias z [m/s 2 ] 6e 8e

13 Bestimmung der Neutraldichte der Thermosphäre Dichteberechnung: ρ cal = 2m (a cal a SRP a ERP ) x AC D v rel v rel x 13 Untersuchung eines Sonnensturms: Geomagnetischer Sturm am 15. März 2015 Koronaler Massenauswurf auf der Sonne Stärkster Sturm während des 24. Sonnenzyklus

14 Bestimmung der Neutraldichte der Thermospha re Thermospha rische Neutraldichte wa hrend des St. Patrick s Day Sturms (Vielberg et al., 2018) density [kg/m3] 1.5e 11 MNE DE EMA JB MSIS 14 1e 11 5e March 2015 [days] 19 Sonnenstu rme sind in Akzelerometermessungen sichtbar K. Vielberg 15. November 2018 Kalibrierung von GRACE Akzelerometerdaten

15 Empirische Dichtekorrekturen Korrekturfaktoren der Dichtemodelle entlang des Orbits s= ρcal ρmodel 1.6 Entwicklung der Korrekturen in Kugelfunktionen GRACE A am 2. Ma rz, 2015 aus Korrekturen fu r NRLMSISE Vielberg et al. (2018) K. Vielberg 15. November 2018 Kalibrierung von GRACE Akzelerometerdaten

16 Fazit und Ausblick Kalibrierungen erfolgreich durchgeführt Dichte aus Beschleunigungsmessungen sind zeitlich und räumlich hoch aufgelöst Ausblick Dichteberechnungen optimieren Kopplung zwischen Thermosphäre und Ionosphäre untersuchen 16 Publikation: Vielberg, K., E. Forootan, C. Lück, A. Löcher, J. Kusche, and K. Börger (2018). Comparison of accelerometer data calibration methods used in thermospheric neutral density estimation. Annales Geophysicae, 36(3):

17 . Vielen Dank fu r Ihre Aufmerksamkeit! M.Sc. Kristin Vielberg vielberg@geod.uni-bonn.de Universita t Bonn Institut fu r Geoda sie und Geoinformation Astronomische, Physikalische und Mathematische Geoda sie K. Vielberg 15. November 2018 Kalibrierung von GRACE Akzelerometerdaten

18 Referenzen Löcher, A. (2011). Möglichkeiten Der Nutzung Kinematischer Satellitenbahnen Zur Bestimmung Des Gravitationsfeldes Der Erde. PhD thesis, Institut für Geodäsie und Geoinformation (IGG) der Rheinischen Friedrich-Wilhelms-Universität Bonn. Vielberg, K., Forootan, E., Lück, C., Löcher, A., Kusche, J., and Börger, K. (2018). Comparison of accelerometer data calibration methods used in thermospheric neutral density estimation. Annales Geophysicae, 36(3):