Investigation of optical accelerometry and novel satellite formations for future gravimetry missions

verfasst von: Alexey Kupriyanov
betreut von: Jürgen Müller
Abstract: Die Satellitengravimetrie liefert wesentliche Einblicke in die Phänomene der Massenveränderung auf der Erde. Die Anwender und die wissenschaftliche Community benötigen jedoch Gravimetriedaten mit verbesserter räumlicher und zeitlicher Auflösung. Daher werden in dieser Arbeit neue Instrumente und Messkonzepte untersucht.

Beschleunigungsmesser (ACCs) gehören zu den wichtigsten Sensoren in der weltraumgestützten Gravimetrie. Bisher wurden in der Satellitengravimetrie nur elektrostatische ACCs mit ansteigendem Rauschen im Niederfrequenzbereich eingesetzt, was ihre Leistungsfähigkeit einschränkt. Andererseits hat die LISA-Pathfinder- Mission vielversprechende Ergebnisse durch den Einsatz eines Gravitationsreferenzsensors (GRS) - eines optischen ACC - gezeigt. Beim GRS wird die Verschiebung der Testmasse durch Laserinterferometrie anstelle von kapazitiven Sensoren gemessen.

In dieser Studie wird untersucht, wie die Schwerefeldmessungen aus dem Weltraum durch den Einsatz moderner Sensoren und Beobachtungskonzepte verbessert werden können. Die Dissertation befasst sich mit mehreren Aspekten: 1) Der Leistungsbewertung eines modellierten drahtlosen vereinfachten GRS (SGRS) - eines optischen ACC, dessen Parameter auf dem Lisa-Pathfinder GRS basieren - für die weltraumgestützte Gravimetrie in erdnahen Umlaufbahnen. 2) Gewinnung von Schwerefeldmodellen, die von verschiedenen Sensoren, z.B. Kaltatominterferometrie (CAI), elektrostatischen, hybriden in ll-SST und Cross-Track-Gradiometrie, gewonnen wurden, und deren Vergleich untereinander. 3) Außerdem werden verschiedene Satellitenformationen bewertet, die bei späteren Missionen eingesetzt werden können. Für diese Zwecke wurde ein Closed-loop Simulationsverfahren entwickelt und angewendet.

Das Rauschbudget des modellierten SGRS optischen ACC, einschließlich verschiedener Fehlerquellen, erreicht ∼3×10^(−12) (m/s^2)/√Hz Genauigkeitsniveau bei 1mHz. Durchgeführte Schwerefeldsimulationen zeigen, dass eine Kombination dieses modellierten SGRS mit dem für 2033 erwarteten Genauigkeitsniveau des Inter-Satellite Laser Ranging Instruments andere Instrumentenkonfigurationen übertreffen, die räumlichen Residuen auf ±5 mm EWH reduziere und eine signifikante Reduzierung der in Nord-Süd Richtung verlaufenden Streifen-Effekte zeige. Die untersuchten neuen Dreifach-Satellitenformationen zeigen eine Reduzierung der Residuen auf bis zu ±2.5 mm EWH. Diese Formationen bringen jedoch Herausforderungen mit sich, wie z. B. hohe Relativgeschwindigkeit zwischen den Satelliten in Querrichtung, die eine Weiterentwicklung der derzeitigen LRI-Systeme erfordern.

Auch andere Arten von Simulationen, z. B. Cross-Track-Gradiometrie, Satelliten mit modifizierten Formen usw. wurden im Hinblick auf die Schwerefeldberechnung bewertet. Technische Aspekte, wie z.B. Hochpassfilterung zur Minimierung des Einflusses der niederfrequenten Komponente im modellierten SGRS-Sensor, werden diskutiert. Weiterhin wurde im Fall der Gradiometrie der Effekt der Common Mode Reduktion untersucht, und für die ll-SST-Konfiguration der Skalierungsfaktor für den Restwiderstand.
Organisationseinheit(en): Institut für Erdmessung
Typ: Dissertation
Anzahl der Seiten: 186
Publikationsdatum: 2025
Publikationsstatus: Veröffentlicht
Elektronische Version(en): https://doi.org/10.15488/19007 (Zugang: Unbekannt)
: Details im Forschungsportal „Research@Leibniz University“

BibTeX

@phdthesis{455a7f8b79f84fd6ae5753983ac6b84f,
title = "Investigation of optical accelerometry and novel satellite formations for future gravimetry missions",
abstract = "Satellite gravimetry provides essential insight into Earth{\textquoteright}s mass change phenomena and is used in a wide range of applications. However, users and the scientific community need gravimetry data with improved spatio-temporal resolution. Therefore, new instruments and measurement concepts are investigated in this thesis. Accelerometers (ACCs) are one of the key sensors in spaceborne gravimetry. Depending on the measurement principle, they can sense either the non-gravitational forces or gravity gradients. So far only electrostatic ACCs with increasing noise in the low-frequency domain were utilized in satellite gravimetry missions, restricting their performance. On the other hand, the LISA-Pathfinder mission demonstrated promising results by utilizing a Gravitational Reference Sensor (GRS) – an optical ACC. The test mass displacement in the LISA Pathfinder GRS is measured by laser interferometry instead of capacitive sensing as in electrostatic sensor. This study investigates how the gravity field measurements from space can be improved when applying advanced sensors and observation concepts. This dissertation focuses on multiple aspects: 1) Performance evaluation of a modeled wireless Simplified-GRS (SGRS) – an optical ACC, with the parameters based on the LISAPathfinder GRS, in spaceborne gravimetry at Low Earth Orbits. 2) Recovering of gravity field models, obtained from different sensors, e.g., Cold Atom Interferometry (CAI), electrostatic, hybrid in low-low Satellite-to-Satellite Tracking (ll-SST) and cross-track gradiometry and comparison w.r.t. each other. 3) Evaluation of different satellite formations that may be applied in subsequent missions. For these purposes, closed-loop simulation procedures were developed and applied in various studies, considering detailed orbital simulations, inertial sensor modeling and Gravity Field Recovery (GFR). The noise budget of the modeled SGRS optical ACC, including various error sources, achieves ∼3×10^(−12) (m/s^2)/√Hz level of accuracy at 1mHz. GFR simulations show that a combination of this modeled SGRS with the level of accuracy of the intersatellite Laser Ranging Instrument anticipated for 2033, outperforms other instrument configurations, reduces the spatial residuals down to ±5 mm Equivalent Water Height (EWH) and shows a significant reduction of the North-South striping artifacts. Novel triple satellite formations demonstrate reducing of the residuals down to ±2.5 mm EWH. However, these formations present challenges, such as high relative range rates between the satellites in cross-track direction, which requires advancements in current Laser Ranging Interferometer (LRI) systems. Also, other types of simulations, e.g. cross-track gradiometry, satellites with modified shapes, double-pair Bender constellation, etc. are evaluated in terms of GFR. Technical aspects, such as high-pass filtering for minimizing the impact of the low-frequency components in the modeled SGRS sensor is being discussed. Furthermore, the effect of the common mode gain uncertainty in the gradiometry use case and the scale factor for residual drag in ll-SST configuration are also investigated.",
keywords = "Future gravimetry missions, ll-SST, Satellite Gradiometry, Optical accelerometry, Cold Atom Interferometry, Novel inertial sensors, Triple satellite formations, Zuk{\"u}nftige Schwerefeldmissionen, ll-SST, Satellitengradiometrie, Optische Beschleunigungsmessung, Kaltatominterferometrie, Neuartige Tr{\"a}gheitssensoren, Drei-Satelliten-Formationen",
author = "Alexey Kupriyanov",
note = "ISSN 0174-1454, Nr. 406",
year = "2025",
doi = "10.15488/19007",
language = "English",
series = "Wissenschaftliche Arbeiten der Fachrichtung Geod{\"a}sie und Geoinformatik der Leibniz Universit{\"a}t Hannover",
school = "Faculty of Civil Engineering and Geodetic Science",
}