LEO orbit modeling improvement and application for GNSS and DORIS LEO satellites
Final Report Abstract
GNSS (Global Navigation Satellite Systems) sowie DORIS (Doppler Orbitography and Radiopositioning Integrated by Satellite) sind geodätische Raumverfahren, welche zur Realisierung des Internationalen Terrestrischen Referenzrahmens (ITRF) beitragen. Beide Mikrowellentechniken stützen sich auf präzise Bahnen von komplexen Satelliten. Präzise Modellierung insbesondere von nicht-gravitativen Bahnstörungen ist daher essenziell, um die Präzision und Stabilität zu erreichen, welche erforderlich ist für den globale Referenzbezugsrahmen als metrologische Grundlage zur Vermessung, Interpretation und zum Verständnis der Prozesse im System Erde. Das Projekt wurde in enger Kooperation mit Petr Štěpánek vom Research Institute of Geodesy, Topography and Cartography in Zdiby, Tschechien, durchgeführt, basierend auf einer Vereinbarung der DFG mit der Tschechischen Forschungsförderung (GA CR). Die Projektziele waren die Entwicklung verbesserter Modelle der nicht-gravitativen Beschleunigungen komplexer Satelliten und der entsprechenden Software-Tools, die Berechnung präziser Bahnen aus raumgeodätischen Beobachtungen sowie entsprechende Tests und Validierungsexperimente. Fokus waren die hochfliegenden GNSS Satelliten sowie die tieffliegenden Satelliten, die mit dem französischen DORIS System ausgerüstet sind. Motivation der Arbeit war die Entdeckung von Fehlern in GNSS Bahnen sowie in Zeitserien geodätischer Parameter, welche ihre Ursache in Defiziten der Bahnmodellierung haben. Forschungsfragen des Projektes waren die folgenden: Inwieweit kann die verbesserte Modellierung nicht-gravitativer Kräfte Fehler in GNSS Bahnen sowie durch Bahnfehler induzierte Artefakte in globalen geodätischen Parametern reduzieren? Welches ist der Einfluss entsprechender Modelle für tieffliegende Satelliten auf die aus DORIS abgeleiteten geodätischen Lösungen? Im Rahmend es Projektes wurde ein generisches Box-Wing-Satellitenmodell für den direkten Strahlungsdruck, die Albedo- und Infrarotstrahlung der Erde sowie den Luftwiderstand entwickelt. Das Modell beinhaltet die Möglichkeit zur Schätzung von Parametern der Satellitenoberflächen und steht damit zwischen den heute üblicherweise genutzten empirischen Bahnmodellen und rein physikalischen Satellitenmodellen, deren Parameter aber von den Herstellern oft nicht verfügbar gemacht werden. Mithilfe dieses anpassbaren Box-Wing-Modells für GNSS Satelliten zusammen mit verbesserten Modellen für die Satellitenorientierung in den Schattenperioden war es möglich, systematische Fehler in den Stationskoordinaten, den Koordinaten des scheinbaren Massenzentrums der Erde sowie von Parametern der Erdrotation signifikant zu verbessern. Die Analyse von 8 Jahren Daten von rund 290 Messstationen zeigte eine Reduktion anomaler Signale in GPS Bahnen von 46, 38 und 57% in Radial-, Alongtrackund Crosstrack-Richtung. Auch hochfrequente bahninduzierte Fehler in den Stationskoordinaten konnten im Mittel um 41, 39 und 35% in Nord-, Ostrichtung und Höhe verbessert werden. In der z-Komponente des scheinbaren Geozentrums sind die anomalen Signale praktisch verschwunden, während sie auch in den Raten der Polparameter signifikant reduziert wurden. Diese Resultate haben ein Echo in der wissenschaftlichen Gemeinschaft gefunden. So wurde z.B. zur weiteren Untersuchung eine entsprechende Arbeitsgruppe im Internationalen GNSS Service (IGS) eingerichtet. Routinen zur Modellierung des direkten Strahlungsdrucks sowie der Erdalbedostrahlung wurden als FORTRAN Code über die Webseite des IGS Analysekoordinators der Allgemeinheit verfügbar gemacht. Für tieffliegende mit DORIS ausgerüstete Satelliten sind die Verbesserungen die durch verbesserte Modellierung nicht-gravitativer Kräfte induziert werden, weniger prominent. Die Analyse von Daten über mehrere Jahre zeigt keine signifikante Verbesserung der Genauigkeit und Präzision der geschätzten Stationskoordinaten. Dies bedeutet, dass der heute verwendete Ansatz mit empirischen und stochastischen Parametern zu einer vergleichbaren Bahnqualität führt wie dies durch verbesserte dynamische Modelle möglich ist. Verbesserungen finden sich jedoch in der Skala des Stationsnetzes sowie in den geschätzten Polkoordinaten.
Publications
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(2012): Adjustable box-wing model for solar radiation pressure impacting GPS satellites; Adv. Space Res., 49(7), 1113-1128
Rodríguez-Solano, C. J.; Hugentobler, U.; Steigenberger, P.
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(2013): Improving the orbits of GPS block IIA satellites during eclipse seasons. Adv. Space Res., 52(8), 1511-1529
Rodríguez-Solano, C. J.; Hugentobler, U.; Steigenberger, P.; Allende-Alba, G.
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(2013): Reducing the draconitic errors in GNSS geodetic products; J. Geod. 88(6), 559-574
Rodríguez-Solano, C. J.; Hugentobler, U.; Steigenberger, P.; Bloßfeld, M.; Fritsche, M.
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(2014): Impact of non-conservative force modelling on GNSS satellite orbits and global solutions, Dissertation, Technische Universität München
Rodríguez-Solano, C. J.
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(2014): Impact of orbit modeling on DORIS station position and Earth rotation estimates. Adv. Space Res., 53, 1058-1070
Štěpánek, P.; Rodríguez-Solano, C. J.; Hugentobler, U.; Filler, V.
