In ständiger Bewegung Bahnbestimmung im Zeitalter der Space Geodesy Adrian Jäggi

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1 Overview In ständiger Bewegung Bahnbestimmung im Zeitalter der Space Geodesy Adrian Jäggi Slide 1

2 Overview Slide 2

3 Moderne Satellitenbeobachtungsverfahren GNSS GPS Global Navigation Satellite System GLONASS Galileo Compass SLR GPS SLR GPS & GLONASS & Galileo GPS & GLONASS Satellite Laser Ranging Observatorium Zimmerwald bei Bern, Schweiz Moderne Satellitenbeobachtungsverfahren benötigen eine aufwändige und zum Teil teure Infrastruktur. Idealerweise sind mehrere geodätische Raumverfahren an einem Standort vereint (Kolokation der verschiedenen Techniken). Eine einzelne Station ist nutzlos, es braucht ein globales Netz von Stationen. Slide 3

4 Der lange Weg zum wissenschaftlichen Produkt Originale Messungen Zwischenprodukte, zusätzliche Messungen Finales Produkt Adrian Jäggi München, Gravitationsfeldmodelle der Erde sind bloss ein Beispiel für ein wissenschaftliches Produkt aus Messungen der geodätischen Satellitenverfahren. Im Rahmen des diesjährigen Erdmessungsforum dient es als immer wiederkehrendes Beispiel. Slide 4

5 Teleskope in Zimmerwald Slide 5

6 Grundlagen der Bahnbestimmung Bahnparametrisierung: Oskulierende Bahnelemente zum Zeitpunkt t 0 a: grosse Bahnhalbachse e: numerische Exzentrizität i: Bahnneigung Ω: Rektaszension des aufsteigenden Knotens ω: Perigäumsargument u 0 : Argument der Breite zum Zeitpunkt t 0 Bahnparametrisierung: Zusätzliche, unbekannte Parameter des Kräftefelds Slide 6

7 Starlette, Stella, Ajisai Starlette Höhe: 850 km Inklination: 50 Stella Höhe: 850 km Inklination: 99 Ajisai Höhe: 1485km Inklination: 50 Slide 7

8 LAGEOS-only vs. multi-slr Lösungen SLR-Daten zu den geodätischen Satelliten LAGEOS-1/2 liefern bereits allein sehr zuverlässige Schätzungen von C 20, weil Nicht-gravitative Kräfte mit genügender Genauigkeit modelliert werden Periode von LAGEOS-2 können (es werden keine Parameter für den Strahlungsdruck benötigt), die Parameterbestimmung auf der Analyse von relativ langen Bahnbögen im Rahmen einer rein dynamischen Bahnbestimmung beruht, stossen bei anderen SH Koeffizienten aber rasch an ihre Grenzen Reduktion von Bahnartefakten: 222 Tage ist z.b. die drakonitische Slide 8

9 Zeitvariabilität aus multi-slr Lösungen Slide 9

10 Sośnica, K., A. Jäggi, D. Thaller, U. Meyer, G. Beutler (2013): Time variable Earth s gravity field from SLR and the comparison with polar motion, CHAMP, and GRACE results, in preparation Simultane Bestimmung aller Parameter Im Sinne der gemeinsamen Bestimmung von Geometrie und Schwere sollten die SH Koeffizienten nicht nur im Rahmen einer dynamischen Bahnbestimmung zusammen mit den übrigen Bahnparametern bestimmt werden, sondern auch in einem Guss zusammen mit allen anderen Parametern. Die Tabelle zeigt, dass insbesondere auch die Erdrotationsparameter davon profitieren. Slide 10

11 GNSS Konstellationen Das Raumsegment der GNSS wird kontinuierlich ausgebaut (z.b. Galileo) und erneuert (z.b. GPS, GLONASS), so dass auch neue Frequenzen und Signale benutzt werden können. Das originale Design der GPS Konstellation (24 Satelliten auf 6 Bahnebenen) erlaubt die 3-dimensionale Positionierung auf der Erde und im erdnahen Raum dank mindestens 4 simultan sichtbaren Satelliten. Slide 11

12 Dach, R., E. Brockmann, S. Schaer, G. Beutler, M. Meindl, L. Prange, H. Bock, A. Jäggi, L. Ostini (2009): GNSS processing at CODE: status report. Journal of Geodesy, 83(3-4), Entwicklung des multi-gnss Stationsnetzes GPS-only Empfänger IGS Stationen zur Berechnung der Kombinierte GPS-GLONASS Empfänger CODE Final Orbits im Jahr 2009 Slide 12

13 Entwicklung des multi-gnss Stationsnetzes Mehr und mehr multi-gnss Empfänger sind im globalen IGS Netz verfügbar Slide 13 IGS Stationen zur Berechnung der CODE Final Orbits Ende 2011

14 Entwicklung der GNSS (GPS) Bahnqualität Die Konsistenz der Lösungen liegt im Bereich weniger cm (s. Slide 14

15 Simultane Bestimmung aller Parameter Eine Vielzahl verschiedener Parameter muss auch bei GNSS gemeinsam mit den Bahnparametern bestimmt werden. Allerdings hat die simultane Bestimmung von Geometrie und Schwere hier noch nicht Einzug erhalten, obwohl die GNSS Satellitenbahnen genauso Lösungen einer Bewegungsgleichung sind und auch durchaus sensitiv auf die tiefen Terme des Erdschwerefeldes reagieren... Slide 15

16 Strahlungsdruckmodellierung Empirisches Strahlungsdruckmodell: mit und e D β Die Modellierung des Strahlungsdrucks stellt eine Limitierungen dar, die sich bis in die geophysikalischen Parameter fortpflanzt Slide 16

17 Meindl, M., G. Beutler, D. Thaller, R. Dach, A. Jäggi (2013): Geocenter coordinates estimated from GNSS data as viewed by perturbation theory. Advances in Space Research, 51(7), pp Geozentrumskoordinaten Z-Koordinate des Geozentrums aus GPS bzw. GLONASS Daten geschätzt (blau). Zu einem grossen Teil können die Variationen mit Korrelationen der Strahlungsdruckparameter erklärt und rekonstruiert werden (rot). Slide 17

18 Sośnica, K., A. Jäggi, G. Beutler, U. Meyer, R. Dach, D. Thaller, L. Mervart (2013): Time variable Earth's gravity field from SLR and GNSS satellites. IAG Scientific Assembly 2013, Sept Zeitvariabilität aus multi-gnss Lösungen Slide 18

19 Aktuelle Schwerefeldmissionen CHAMP ( ) CHAllenging Minisatellit Payload GRACE ( ?) Gravity Recovery And Climate Experiment GOCE ( ) Gravity Field & Steady-state Ocean Circulation Explorer Slide 19

20 Jäggi, A. (2007): Pseudo-Stochastic Orbit Modeling of Low Earth Satellites Using the Global Positioning System. Geodätisch-geophysikalische Arbeiten in der Schweiz, 73 Kinematische vs. dynamische Bahnen Kinematische Bahnen liefern nicht die höchste Bahngenauigkeit, können aber unabhängig von Kräftemodellen bestimmt werden Reduziert-dynamische Dynamische Bahnen sind Bahnen Lösungen liefern höchste einer Bewegungsgleichung. Bahngenauigkeit, sind Je tiefer aber abhängig die Bahnhöhe, von Kräftemodellen desto schwieriger ist eine gute dynamische Modellierung Slide 20

21 Bock, H., A. Jäggi, U. Meyer, J. van den IJssel, P. Visser, M. Heinze (2013): Four Years of Orbit Determination for the GOCE Satellite. ESA Living Planet Symposium 2013, September Bahngenauigkeit von GOCE Reduziert-dynamische Bahn Mean: 0.15 cm, RMS: 1.79 cm PCV der GOCE GPS Antenne: PCV des SLR Reflektors: Slide 21

22 Bock, H., A. Jäggi, U. Meyer, J. van den IJssel, P. Visser, M. Heinze (2013): Four Years of Orbit Determination for the GOCE Satellite. ESA Living Planet Symposium 2013, September Kinematische Bahn Bahngenauigkeit von GOCE Mean: 0.08 cm, RMS: 2.36 cm Slide 22

23 Artefakte der Bahnbestimmung im Schwerefeld Bock, H., A. Jäggi, U. Meyer, G. Beutler, J. van den IJssel (2013): GPS-only gravity field determination from GOCE data. IAG Scientific Assembly 2013, Sept Geoid height differences at to d/o ITG-GRACE of EGM_TIM_RL04 (300km Gauss-filtered) wrt EGM2008 Brockmann et al. (2013) Die Geoiddifferenzen zu ITG-GRACE2010 (rechts unten, Farbskala ±5cm ) zeigen, dass sich kleine systematische Fehler in der Bahnbestimmung problemlos bis in die Schwerefeldlösungen fortpflanzen können. Slide 23

24 Weigelt, M., T. van Dam, A. Jäggi, L. Prange, M.J. Tourian, W. Keller, N. Sneeuw (2013): Timevariable signal in Greenland revealed by high-low satellite-to-satellite tracking Zeitvariabilität aus GPS CHAMP CHAMP GPS und GRACE K-Band Lösungen spielen grundsätzlich in einer anderen Liga. Dank einer rigorosen Reprozessierung der CHAMP GPS Daten gibt es im langwelligen Bereich nun aber Berührungspunkte. Slide 24

25 Weigelt, M., T. van Dam, A. Jäggi, L. Prange, M.J. Tourian, W. Keller, N. Sneeuw (2013): Timevariable signal in Greenland revealed by high-low satellite-to-satellite tracking Zeitvariabilität aus GPS CHAMP CHAMP GPS GRACE K-Band Mittels spezieller Behandlung (Kalman-Filter) lässt sich das jährliche Signal zumindest im langwelligen Bereich einigermassen gut erfassen. Dies ist ein erster, vielversprechender Schritt zur Ausreizung künftiger Gap-Filler Missionen, z.b. Swarm. Slide 25

26 Visser, P., W. van der Wal, E. Schrama, J. Bouman (2013): Long-wavelength temporal gravity field variations: observable by GOCE? IAG Scientific Assembly 2013, Sept Visser et al. (2013) Zeitvariabilität aus GPS GOCE Freie Lösung Fit eines jährlichen Signals Spezielle Behandlung (Wiese Approach) Ohne spezielle Behandlung (Kalman-Filter, einfacher Fit) lassen sich die jährlichen Signale leider kaum erkennen. Die tiefe Bahnhöhe von GOCE bietet gegenüber CHAMP kaum einen Vorteil für die Bestimmung der langwelligen Strukturen des Erdschwerefeldes aus den GPS Messungen. Slide 26

27 Zeitvariabilität aus verschiedenen Techniken Die Bestimmung der Zeitvariabilität aus GPS hl-sst bietet sicherlich noch Potential für Verbesserungen. Man darf auf Swarm gespannt sein. Slide 27

28 Symbolbild GRACE Slide 28

29 Gravitationsfeld und Bahnen separierbar? Gravity field Orbit Nicht-lineares Parameterbestimmungsproblem A priori Modell (Linearisierung) Beobachtungen Regularisierung (a priori Wissen mittels Pseudo-Beobachtungen) Slide 29

30 Gravitationsfeld und Bahnen separierbar? a priori Model Orbit Anfangsbedingungen Empirische Parameter CMA Korrekturen Gravity field sphärisch harmonische Koeffizienten Slide 30

31 Meyer, U., A. Jäggi, H. Bock, G. Beutler (2013): The role of a priori information in gravity field determination. EGU General Assembly 2013, Vienna, Austria, April 7-12, 2013 Gravitationsfeld und Bahnen separierbar? Slide 31

32 Meyer, U., A. Jäggi, H. Bock, G. Beutler (2013): The role of a priori information in gravity field determination. EGU General Assembly 2013, Vienna, Austria, April 7-12, 2013 Gravitationsfeld und Bahnen separierbar? Signal Rauschen Signaldämpfung? Slide 32

33 Meyer, U., A. Jäggi, H. Bock, G. Beutler (2013): The role of a priori information in gravity field determination. EGU General Assembly 2013, Vienna, Austria, April 7-12, 2013 Gravitationsfeld und Bahnen separierbar? Slide 33

34 Zusammenfassung Bahnbestimmung ist auch im Zeitalter der Space Geodesy eine unverzichtbare Technik. Ohne Bahnbestimmung könnten zusätzliche Messungen oft gar nicht ausgewertet werden. In vielen Fällen kann (darf) die Bahnbestimmung nicht von der Bestimmung der geophysikalisch relevanten Parameter entkoppelt werden. Ganzheitliche Ansätze sollten wenn immer möglich zum Einsatz kommen. Systematische Fehler in der Bahnbestimmung wirken sich oft störend auf die geophysikalisch relevanten Parameter aus und müssen minimiert werden. Sämtliche Satellitenbahnen (GNSS, SLR, LEO) haben das Potential zu einer Vielzahl geophysikalisch relevanter Parametern beizutragen, z.b. zu den tiefen Termen des Erdschwerefelds. Slide 34

35 Overview Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Slide 35