Time-variable gravity field determination from satellite constellations [Elektronische Ressource] : swarm as an example / Xinxing Wang

Xinxing

Informations

• Publié par: technische_universitat_munchen
• Publié le: 01 janvier 2011
• Nombre de lectures: 38
• Langue: Deutsch
• Poids de l'ouvrage: 4 Mo

Extrait

TECHNISCHE UNIVERSITÄT MÜNCHEN
Institut für Astronomische und Physikalische Geodäsie



Time-variable gravity field determination from
satellite constellations
- Swarm as an example


Xinxing Wang



Vollständiger Abdruck der von der Fakultät für Bauingenieur- und Vermessungswesen der
Technischen Universität München zur Erlangung des akademischen Grades eines
Doktor - Ingenieurs
genehmigten Dissertation.



Vorsitzende: Univ.-Prof. Dr.-Ing. Liqiu Meng
Prüfer der Dissertation:
1. Univ.-Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. Reinhard Rummel
2. Univ.-Prof. Dr. phil. nat. Urs Hugentobler
3. Prof. Dr. Per Knudsen, Technical University of Denmark


Die Dissertation wurde am 01.12.2010 bei der Technischen Universität München eingereicht und
durch die Fakultät für Bauingenieur- und Vermessungswesen am 16.02.2011 angenommen.

Zusammenfassung
Seit ihrem Start am 17. März 2002 hat die Schwerefeldmission GRACE hochgenaue Daten zur
Bestimmung von zeitvariablen Schwerefeldern geliefert. Die monatlichen GRACE-Lösungen zeigen
deutlich den saisonalen Zyklus der kontinentalen Hydrologie, während die Mehrmonatslösungen das
Abschmelzen polarer Eismassen in der Antarktis und Grönland, die Postglaziale Landhebung in
Kanada und den globalen Meeresspiegelanstieg offenlegen. Aus diesem Grund sind GRACE-
Lösungen weit verbreitet in geowissenschaftlichen Disziplinen wie Hydrologie und Ozeanographie.
Zukünftige Missionen werden spezielle Satellitenkonstellationen verwenden, um das zeitvariable
Schwerefeld, welches auf die globalen Massentransporte im System Erde zurückzuführen ist, noch
deutlicher zu bestimmen. In dieser Arbeit wird eine Closed-Loop-Simulation durchgeführt, um diverse
Konstellationen zu analysieren. Als Ausgangspunkt für die Simulation dient die Magnetfeldmission
Swarm der ESA, die aus drei Satelliten besteht und 2012 gestartet wird. Da jeder von diesen Satelliten
mit GPS-Empfänger und Beschleunigungssensoren ausgestattet ist, kann die Konstellation auch für
Schwerefeldschätzung genutzt werden. In dieser Hinsicht ist Swarm vergleichbar zu drei CHAMP
Satelliten, wohingegen jedoch neben der absoluten GPS-Positionierung auch relative GPS Messungen
genutzt werden können um die Genauigkeit der Beobachtungen zu erhöhen.
Ein 24-Monats-Simulation zur Bestimmung des zeitvariablen hydrologischen Signals wird
durchgeführt. Durch diese Simulation wird das Potential der Swarm Mission für zeitliche
Schwerefeldschätzungen evaluiert. Es wird gezeigt, dass Swarm das Potential hat, das zeitvariable
hydrologische Signal bis zu Grad und Ordnung 6 zu bestimmen. Darüber hinaus ist die Mission auch
aus theoretischer Sicht von Interesse, weil sie verschiedene Arten von inter-satellite Basislinien
kombiniert, wie z.B. cross-track (Swarm A-B), along-track/radial (Swarm A-C). Deshalb kann die
Swarm Konstellation als Beispiel zur Analyse der Eigenschaften von unterschiedlichen Basislinien
und deren Kombinationen verwendet werden. Neben GPS Beobachtungen werden auch GRACE-type
K-Band Messungen simuliert. Es wird gezeigt, dass die tandem/pendulum Konstellation eine isotrope
Fehlerstruktur aufweist und damit die beste Schätzung des hydrologischen Signals ermöglicht.
Alle Analysen basieren auf der energy balance Methode, die bereits erfolgreich für die Missionen
CHAMP, GOCE und GRACE implementiert wurde. Für die zeitlichen Schwerefeldschätzungen sollte
die Nicht-Konservativität der zeitlichen Variationen berücksichtigt werden. Bei Vernachlässigung der
Tatsache, dass zeitliche Variationen nicht konservativ sind, wird ein Fehler eingeführt. Die Größe
dieser Fehler für verschiedene zeitvariable Signale wird ausgewertet. Es zeigt sich, dass ein solcher
Fehler für die kontinentale Hydrologie, welche nur mäßig mit der Zeit variiert, vernachlässigbar ist
hinsichtlich dem derzeitigen Niveau der Messgenauigkeit. D.h. die spezielle Gleichung für statische
Schwerefeldschätzungen kann noch verwendet werden.
Wenn man bedenkt, dass die CHAMP Mission beendet ist und die GRACE Mission voraussichtlich
im Zeitraum 2013-2015 beendet werden wird, könnte Swarm tatsächlich die einzige LEO-Mission
sein, die einen Beitrag zur zeitlichen Schwerefeldbestimmung in der nahen Zukunft leistet. Darüber
hinaus könnte auch eine Kombination von Swarm und GRACE (falls die Mission bis dahin noch nicht
beendet ist) dazu beitragen, zeitliche und räumliche Aliasingeffekte in den niedrigen Graden und
Ordnungen zu reduzieren, da eine solche Kombination zu einer besseren Abtastung in Raum und Zeit
führen könnte. Daher kann Swarm als willkommene Ergänzungsmission zu den dedizierten
Schwerefeld Missionen betrachtet werden und Swarm wird wertvolle Informationen über das statische
und zeitvariable Schwerefeld liefern.

i


Abstract
Since its launch in 2002, the GRACE mission has provided time-variable gravity field solutions for
more than 8 years. The monthly GRACE solutions clearly show the continental scale hydrological
cycle, while the long-term time series reveal trends in deglaciation in Antarctica and Greenland, the
post glacial rebound in Canada as well as the sea level rise. GRACE solutions are widely used in
hydrology, oceanography, ice, atmosphere, solid earth and other related Earth science studies.
Future gravity missions designed to determine the time-variable gravity field will use specific satellite
constellations to extract signatures of global mass transport. In this dissertation a closed-loop
simulation is set up to study various constellations. Starting point for the simulation is the magnetic
field mission Swarm, an ESA mission to be launched in 2012, consisting of three satellites. Since each
of them is equipped with both GPS receivers and accelerometers, the constellation can be used for
gravity field recovery as well. In this respect Swarm is comparable to three CHAMP satellites where
in addition to absolute GPS positioning, one could use relative measurements to increase the
observation accuracy.
A 24-month-simulation is carried out to recover the time-variable hydrology signal. By this simulation
Swarm‘s potential for time-variable gravity field recovery is evaluated. It is shown that Swarm has the
potential to recover the time variable hydrology signal to about d/o 6, based on 2 years of data. In
addition, the mission is of interest from a theoretical point of view, because it combines different types
of inter-satellite baselines, i.e., cross-track (Swarm A-B) and radial/along-track (Swarm A-C).
Therefore the Swarm constellation can be used as an example to evaluate characteristics of different
baselines and combinations. In order to quantify the potential of these constellations in future mission
scenarios, GRACE-type K-band inter-satellite links are included as well. The tandem/pendulum
constellation is shown to outperform GRACE, which provides smaller error spectrum and isotropic
error patterns.
All analyses are based on the energy integral approach, which was implemented successfully for static
gravity field analysis of CHAMP and GOCE as well as for time variable gravity field analysis of
GRACE. Still, in case of time-variable signals, the method has its peculiarities because it is usually
applied in a specialized version which only holds in conservative fields. For time-variable gravity field
recovery, the non-conservativeness of time variations should be considered. Neglecting the fact that
time-variable fields are not conservative and still applying the specialized observation equation, an
error will be introduced. The magnitude of this error for different time-variable signals are evaluated,
where it is found that for continental hydrology, which is only moderately changing in time, the error
effect can be neglected at the current level of accuracy, i.e., the specialized observation equation can
still be applied.
Considering that GRACE may terminate in the time frame 2013 to 2015, Swarm may continue in
time-series of gravity measurements until GRACE follow-on mission is in place. Given the fact that
CHAMP has already terminated, Swarm could indeed be the only LEO mission contributing to
temporal variations of the low degree spherical harmonics in the near future. Moreover, even a
combination of Swarm and GRACE (if it still operates after the launch of Swarm) may help to reduce
temporal/spatial aliasing in the low degree harmonics by providing a better sampling in space and time.
Therefore, Swarm can be regarded as a welcome complementary mission to the dedicated gravity
missions and will provide valuable information on both static and time-variable gravity fields in the
near future.

Keywords: Swarm, time-variable gravity field recovery, energy balance approach, satellite
constellation
ii


Acknowledgement
I would like to express my special gratitude and appreciation to my supervisor, Prof. Dr.-Ing. Reiner
Rummel for giving me