Simulated Satellite Formation Flights for Detecting the Temporal Variations of the Earth’s Gravity Field

Abstract

In this thesis, the concept of satellite formation flight (SFF) is studied by means of simulated satellite observations. With various formation types enabling inter-satellite measurements in various directions (e.g. along-track, cross-track or radial), the principal tasks in global gravity field recovery are tackled: the determination of the static gravity field and the detection of its temporal variations. The investigated formation flight types include GRACE, Pendulum, GRACE-Pendulum, Radial wheel and Inclined wheel configurations. For each formation type, appropriate orbit parameters are determined to receive homogeneous subsatellite track patterns required for a high spatial resolution. In addition, orbit designs are developed which allow an enhancement of the temporal resolution (i.e. sub-month solutions). The investigated formation flight types of this case include GRACE-24days, GRACE-12days, Multi-GRACE ΔM and Multi-GRACE ΔΩ configurations.<br /> In the static gravity field analysis, the test scenarios cover different spectral ranges of the Earth’s gravity field up to the spherical harmonics degree 180. The detection of the temporal variations is performed using physical models from ocean tides, atmosphere, ocean and continental hydrology. The numerical computations show that significant improvements are achieved from the formation flights for the recovery of the global static gravity field and the detection of its temporal variations. Thus, the study provides an outlook on the progress in the gravity field modeling that is achievable by future satellite missions.

<strong>Simulierte Satellitenformationsflüge zur Bestimmung der temporalen Variationen des Erdgravitationsfeldes</strong><br /> In der vorliegenden Arbeit wird mit Hilfe simulierter Satellitenbeobachtungen das Konzept des Satellitenformationsflugs (SFF) untersucht. Mit verschiedenen Formationstypen, mit denen Intersatellitenmessungen in verschiedenen Richtungen gesammelt werden können (z.B. along-track, cross-track oder radial), werden die beiden wesentlichen Aufgaben der globalen Gravitationsfeldbestimmung bearbeitet, die Bestimmung des statischen Gravitationsfeldes und die Bestimmung seiner zeitlichen Variationen. Die untersuchten Formationstypen umfassen GRACE, Pendulum, GRACE-Pendulum, Radial wheel and Inclined wheel Konfigurationen. Für jeden Formationstyp werden geeignete Bahnparameter ermittelt, um die für eine hohe räumliche Auflösung notwendige gleichmäßige Überdeckung der Erde mit Subsatellitenbahnen zu erreichen. Außerdem werden Formationsdesigns entworfen, die eine Verbesserung der zeitlichen Auflösung erlauben (submonatliche Lösungen). Die untersuchten Formationstypen dieses Falls umfassen GRACE-24days, GRACE-12days, Multi-GRACE ΔM und Multi-GRACE ΔΩ Konfigurationen.<br /> Bei der Bestimmung des statischen Schwerefeldes werden den Testszenarien unterschiedlich hoch aufgelöste Feldmodelle bis Grad 180 der Kugelfunktionsentwicklung zugrunde gelegt. Die Simulation der zeitlichen Variationen erfolgt mit physikalischen Modellen für die Ozeangezeiten, für die Massenverlagerungen in Atmosphäre und Ozeanen und für die kontinentale Hydrologie. Die numerischen Untersuchungen zeigen, dass signifikante Verbesserungen sind von Satellitenformationsflügen zur Bestimmung des statischen Gravitationsfeldes und der Bestimmung seiner zeitlichen Variationen erreicht. Die Arbeit liefert damit einen Ausblick auf den Fortschritt in der Gravitationsfeldbestimmung, der mit zukünftigen Satellitenmissionen möglich sein wird.