Möglichkeiten der Nutzung kinematischer Satellitenbahnen zur Bestimmung des Gravitationsfeldes der Erde

Abstract

Die Extraktion von Schwerefeldinformation aus den Bahnverfolgungsdaten von Satelliten gehört zu den frühesten wissenschaftlichen Anwendungen der Weltraumtechnik. Die Ausrüstung von Satelliten mit GPS-Empfängern hat hier neue Perspektiven eröffnet, da nun in hoher zeitlicher Dichte eine Vielzahl von Simultanbeobachtungen gesammelt werden. Erstmals kann damit die Aufgabe der Bahnbestimmung getrennt von der Aufgabe der Feldbestimmung bearbeitet werden. Für den zweiten Schritt lassen sich damit zahlreiche neue, im allgemeinen einfachere Algorithmen finden. In der vorliegenden Arbeit wird der Versuch unternommen, die damit zur Auswahl stehenden Verfahren zu systematisieren und auf ihre Eigenschaften zu untersuchen. Soweit möglich, werden die Unterschiede und Gemeinsamkeiten der Verfahren auf analytischem Weg herausgearbeitet. Die Untersuchung wird durch umfangreiche numerische Tests mit simulierten und realen Daten der Mission CHAMP ergänzt. <br /> Die Ergebnisse der Arbeit zeigen, dass die Mehrzahl der Verfahren mit fehlerbehafteten Bahnen weitgehend identische Ergebnisse liefern. Unterschiede zeigen sich bei unkorrelierten Bahnfehlern lediglich in den hochfrequenten Feldanteilen, bedingt durch unterschiedliche Genauigkeiten in den numerischen Quadraturen. Bei der Auswertung von Echtdaten verwischen sich diese Unterschiede, da die Fehler realer GPS-bestimmter Bahnen korreliert sind. Signifikant abweichende Lösungen werden nur mit solchen Verfahren erhalten, die lediglich Teile des in der Bahn enthaltenen Signals verwerten. Ein solches Verfahren ist die sehr populäre Energiebilanzmethode. Da dieses Verfahren nur die Signalanteile in Flugrichtung benutzt, wird das Gravitationsfeld damit fast um den Faktor 2 schlechter bestimmt als mit den Verfahren mit isotroper Empfindlichkeit.

<strong>Options of Using Kinematical Satellite Orbits in Gravity Field Recovery</strong><br /> Extracting gravity information from satellite tracking data is amongst the earliest applications of space technology. In this area, new vistas have been opened up by equipping satellites with GPS receivers collecting a large number of simultaneous observations with high temporal density. Now, for the first time, the task of orbit determination can be completed independently from the task of gravity field recovery. As a consequence of this, many new approaches can be found for the latter task, most of them distinguished by their simplicity. This thesis aims to systemise the approaches which are now applicable to such missions and to investigate their properties. If possible, their differences and similarities are established analytically. The study is backed by various numerical computations using simulated and real data from the CHAMPmission. It is shown that most of the procedures yield almost identical results if operated with orbits contaminated by noise. When using white noise, there are some differences in the upper-frequency part of the field caused by the unequal accuracies of the techniques for numerical quadratures. This differences reduce with real orbits due to the fact that their noise is correlated. Distinctly different solutions are obtained only if the procedure discards large parts of the gravity signal contained in the orbit. One of this procedures is the very popular energy balance approach. Making use only of the signal in flight direction, this approach leads to an error in the field solution almost twice as large than in the solutions obtained with procedures of isotropic sensitivity.