Wyznaczanie i ocena jakości orbit sztucznych satelitów Ziemi z wykorzystaniem obserwacji GNSS i SLR Krzysztof Sośnica
Techniki obserwacyjne do wyznaczania orbit
Techniki obserwacyjne Orbity precyzyjne GNSS Aktywna technika Pomiary fazowe i kodowe Istotna wysoka stabilność zegara pokładowego SLR Technika pasywna Wymaga retroreflektorów na satelicie Ograniczona bezpośrednią widocznością pomiędzy satelitami a stacjami naziemnymi DORIS Technika aktywna (pomiary Dopplerowskie) Pozwala dokładniej wyznaczyć prędkość niż pozycję Wykorzystywana głównie w misjach francuskich (Jason, TOPEX, SPOT, itp..)
Global Navigation Satellite Systems (GNSS) Systemy autonomiczne globalne GPS (USA), a właściwie NAVSTAR-GPS (Navigation Signal Timing and Ranging Global Positioning System) - w pełni operacyjny GLONASS (ZSRR/Rosja) ГЛОНАСС (Глобальная навигационная спутниковая система) - w pełni operacyjny Galileo (Unia Europejska+ESA) BeiDou-2 (Chiny) poprzednia nazwa - COMPASS Systemy regionalne QZSS (Japonia) Quasi-Zenith Satellite System IRNSS (Indie) Indian Regional Navigation Satellite System Systemy wspomagające Wide Area Augmentation System (WAAS, USA) European Geostationary Navigation Overlay Service (EGNOS, EU) inne
Satellite Laser Ranging (SLR) SLR dostarcza bardzo dokładnych pomiarów odległości (na poziomie kilku mm) pomiędzy stacjami naziemnymi a satelitami. Geodezyjne satelity kuliste posiadają zminimalizowany stosunek przekroju poprzecznego do masy, przez co perturbacje ich orbit są minimalne. Satelity geodezyjne orbitują znacznie wyżej niż misje grawitacyjne (GRACE, GOCE). Dotychczas satelity geodezyjne były wykorzystywane jedynie do definicji stałej grawitacji lub spłaszczenia Ziemi. Tutaj są wykorzystywane do wyznaczenia potencjału grawitacyjnego Ziemi z rozwinięciem do stopnia i rzędu 10/10. SLR station at Zimmerwald, Switzerland
Zalety i wady obserwacji GNSS i SLR GNSS Obserwacje ciągłe Wiele satelitów obserwowanych jednocześnie Obserwacje na wielu częstotliwościach Obserwacje niezależne od pogody Biasy: kodowe, międzyczęstotliwościowe, międzysystemowe Offsety i zmienności centrów fazowych anten odbiorników i transmiterów (na satelicie) Opóźnienie jonosferyczne Znaczne opóźnienie troposferyczne Parametry opóźnienia troposferycznego muszą być estymowane Offsety zegarów albo są estymowane albo korzysta się z podwójnych różnic Wielodrożność sygnału Nieoznaczoności fazowe SLR Obserwacje dyskretne (nieciągłe) Kilkaset obserwacji w ciągu kilku dni Zazwyczaj tylko 1 częstotliwość Maksymalnie 1 satelita może być śledzony równocześnie Zależność od zachmurzenia (Rzadko) biasy dystansu Offsety retroreflektorów są dobrze znane (ale występuje efekt sygnatury satelity) Brak opóźnienia jonosferycznego Refrakcja troposferyczna łatwa w modelowaniu 70x mniejsze opóźnienie ze względu na zawartość pary wodnej Brak konieczności estymacji troposfery Brak konieczności estymacji zegarów Brak wielotorowości Brak nieoznaczoności fazowych
Orbity satelitów geodezyjnych
AJISAI (Experimental Geodetic Satellite) http://www.satview.org/
Orbits Rozwiązania SLR w Bernese GNSS Software Estimated parameters Osculating elements SLR solutions LAGEOS-1/2, Starlette, Stella, AJISAI, LARES, Blits, Larets, Beacon-C a, e, i, Ω, ω, u 0 (LAGEOS: 1 set per 10 days, LEO: 1 set per 1 day) Dynamical parameters Pseudo-stochastic pulses LAGEOS-1/2 : S 0, S S, S C (1 set per 10 days) Sta/Ste/AJI : C D, S C, S S, W C, W S (1 set per day) LAGEOS-1/2 : no pulses Sta/Ste/AJI : once-per-revolution in along-track only Earth rotation parameters X P, Y P, UT1-UTC (Piecewise linear, 1 set per day) Geocenter coordinates 1 set per 30 days Earth gravity field Estimated up to d/o 10/10 (1 set per 30 days) Station coordinates 1 set per 30 days Other parameters Range biases for all stations (LEO) and for selected stations (LAGEOS) W rozwiązaniach uwzględnia się do 9 satelitów na różnych wysokościach i pod różnymi kątami inklinacji. Dla LAGEOS-1/2: 10-dniowe łuki orbit są generowane, dla satelitów niskich: 1-dniowe łuki. Stosuje się różne wagi: od 8mm dla LAGEOS-1/2 do 50mm dla Beacon-C. Układy równań normalnych są stabilizowane poprzez warunki na niewiadome (nałożone na harmoniczne sferyczne, pulsy, EOPs).
Porównanie rozwiązań SLR i GRACE Na podstawie analizy perturbacji orbit satelitów SLR można odtworzyć czasowe zmiany kształtu geoidy. Zmiany wiekowe deformacji geoidy wyznaczone przez SLR wykazują wysoki topień spójności w porównaniu do rozwiązań GRACE, jednakże z ograniczoną rozdzielczością przestrzenną. Ubytek mas na obszarze Grenlandii, Zachodniej Antarktydy oraz w Patagonii również jest widoczny w rozwiązaniach SLR. Sośnica, K., A. Jäggi, U. Meyer, D. Thaller, G. Beutler, D. Arnold, R. Dach, 2015: Time variable Earths gravity field from SLR satellites. Journal of Geodesy, vol. 89(10), pp. 945-960
Orbity satelitów LEO
Satelity niskoorbitujące Orbity kinematyczne Oparte na technice GNSS Efemerydy w dyskretnych epokach obserwacyjnych Całkowicie niezależne od modeli siłowych używanych dla satelitów LEO (orbita nie podlega całkowaniu numerycznemu) (Zredukowane) orbity dynamiczne Oparte na GNSS lub SLR Orbita podlega całkowaniu numerycznemu, dzięki czemu jest ciągła i zależna od modelu siłowego Nieznane perturbacje orbit mogą być modelowane poprzez parametry empirycznych lub stochastycznych przyspieszeń
Satelity niskoorbitujące GNSS dostarcza ciągłych obserwacji do wielu satelitów na wielu częstotliwościach. GNSS zapewnia również pośrednie powiązanie z ziemskimi układani odniesienia (ITRF). SLR stanowi niezależne narzędzie do walidacji orbit wyznaczonych z wykorzystaniem GNSS. SLR zapewnia bezpośrednie powiązanie z ziemskimi układami odniesienia (ITRF).
Orbity kinematyczne oraz zredukowane orbity dynamiczne Orbity kinematyczne oraz zredukowane dynamiczne dostarczają informacji na temat pola grawitacyjnego Ziemi oraz układów odniesienia. Różnica pomiędzy orbitami kinematycznymi oraz zredukowanymi dynamicznymi z transformacji Helmerta odpowiada ruchom geocentrum. Ruch geocentrum wyznaczony na podstawie obserwacji GRACE Referencja: Tseng T-P., Hwang C., Sośnica K., Kuo C-Y., Liu Y-C., Yeh W-H. (2016) Geocenter motion estimated from GRACE orbits: the impact of F10.7 solar flux. Advances in Space Research
Orbity satelitów GNSS
Yaw-steering Satelity GNSS orbitują w większości w trybie yaw-steering, który zakłada, że panele słoneczne są zawsze prostopadłe do kierunku Słońca, a anteny nadawcze skierowane są w stronę geocentrum. Autor filmów: dr inż. Maciej Kalarus
Różnice kształtu i wielkości satelitów GNSS GPS Block-IIa GPS Block-IIRM GLONASS-M Przez wiele lat model ECOM (Empiryczny Model Orbit CODE) był wykorzystywany do wyznaczania orbit satelitów GPS przez większość centrów analiz IGS. W 2014 okazało się jednak, iż model nie działa właściwie dla nowych systemów takich jak Galileo, QZSS, czy też GLONASS-M. Dlatego na przełomie lat 2014/2015 został opracowany nowy rozszerzony model ECOM (Arnold D., Meindl M., Beutler G., Dach R., Schaer S., Lutz S., Prange L., Sośnica K., Mervart L., Jäggi A.2015, J Geod, vol. 89(8), pp. 775-791).
Modelowanie orbit satelitów GNSS Klasyczny model ECOM Beutler et al., (1994) Rozszerzony (nowy) model ECOM, Arnold et al., (2015)
Retroreflektory SLR na satelitach GNSS GPS-35/36 GLONASS-M GLONASS-K1 GLONASS Galileo 101-104 (84 CCRs) Galileo 201-204 (60 CCRs)
Walidacja orbit satelitów GNSS z wykorzystaniem obserwacji SLR Jakość orbit Galileo ulega znaczącemu polepszeniu z wykorzystaniem nowego modelu ECOM (~44% rezyduów SLR) BeiDou wykazuje niewielką degradację w stosunku do starego modelu ECOM (~15%) Orbity QZSS są znacząco poprawione (z RMS=160 mm do RMS=65 mm) z wykorzystaniem nowego modelu ECOM dla β >20 deg (ze względu na normalne położenie orbitalne poniżej 20 stopni)
Galileo - 101, 102, 103, 104 Stary ECOM Nowy ECOM Systematyczne efekty związane z ograniczeniami modelowania wpływu ciśnienia słonecznego dla wszystkich satelitów Galileo są znacząco zredukowane w przypadku nowego modelu ECOM.
Galileo -102 Stary ECOM Nowy ECOM W przypadku starego modelu ECOM: Rezydua nocnych obserwacji SLR są przesunięte w stronę negatywnych wartości (-150mm) Dzienne obserwacje mają pozytywne rezydua SLR (+30 mm) Rozsiew rezyduów jest znacząco większy dla niskich kątów β W przypadku nowego modelu ECOM wszystkie te efekty są znacząco zredukowane, a rozsiew rezyduów nie zależy od kąta β.
BeiDou/COMPASS-M3 (C11) Stary ECOM Nowy ECOM Dla BeiDou-M3 (na orbicie MEO): Rezydua SLR są na poziomie~40 mm co świadczy o stosunkowo wysokiej jakości orbit mimo ograniczeń w liczbie naziemnych stacji Stary model ECOM jest nieco lepszy niż nowy (15%), Duże rezydua dla β <4 deg (z powodu normalnej orientacji satelitów zamiast orientacji yaw-steering).
Czy można perturbacje orbit GNSS mierzyć bezpośrednio? cień Ziemi cień Ziemi Projekt ESA: GALAC: Galileo Accelerometry Projekt koordynowany przez Centrum Badań Kosmicznych Polskiej Akademii Nauk, którego celem jest znalezienie odpowiedzi na pytanie: Czy warto zainstalować akcelerometry na pokładzie satelitów Galileo drugiej generacji?
Efekty systematyczne w obserwacjach SLR
Sośnica K.:Determination of Precise Satellite Orbits and Geodetic Parameters using Satellite Laser Ranging, University of Bern, 7 th of April 2014 Obciążenia atmosferyczne L H The Blue-Sky Effect efekt niebieskiego nieba
Sośnica K.:Determination of Precise Satellite Orbits and Geodetic Parameters using Satellite Laser Ranging, University of Bern, 7 th of April 2014 The Blue-Sky Effect Reference: Sośnica, K., D. Thaller, R. Dach, A. Jäggi, G. Beutler; 2013: Impact of loading displacements on SLR-derived parameters and on the consistency between GNSS and SLR results. Journal of Geodesy, vol. 87(8), pp. 751-769
Efekt sygnatury satelitów Detektory Single-photon Emisja słabego sygnału Oczekuje się, że pojedynczy foton powróci do detektora Prawdopodobieństwo odbicia się fotonu jest takie samo dla wszystkich pryzmatów na satelicie Multi-photon Silny sygnał (wiele fotonów) zostaje wysłany do satelity Wiele fotonów powraca do detektora Pierwszy zarejestrowany sygnał pochodzi zawsze od najbliższej krawędzi retroreflektora
Efekt sygnatury satelitów dla GLONASS-M single-photon single-photon Zgodność skali pomiędzy rozwiązaniami GNSS i SLR jest na poziomie ~1 mm! (dla detektorów single-photon) Reference: Sośnica, K., Thaller, D., Dach, R., Steigenberger, P., Beutler, G., Arnold, D., Jäggi, A. (2015). Satellite Laser Ranging to GPS and GLONASS. J Geod 89(7), pp 725-743
Podsumowanie Każda z technik obserwacyjnych (SLR i GNSS) posiada własne zalety i wady. Właściwe modelowanie efektów systematycznych, takich jak efekt niebieskiego nieba, poprawia spójność rozwiązań SLR i GNSS. Najlepszym rozwiązaniem jest integracja różnych technik przy wyznaczaniu orbit sztucznych satelitów Ziemi.
Dziękuję za uwagę