Gravity Field Recovery from GRACE Satellite Data and Investigation of Sensor, Environment and Processing-Option Influences by Closed Loop Mission Simulation

Abstract

Die globale Vermessung des Gravitationsfeldes der Erde und dessen zeitliche Veränderung liefert eine einzigartige Messgröße der Erdbeobachtung: Gravitation, und davon abgeleitet Masseverteilung und Massetransport in der oberflächennahen Schicht der Erdkruste. Die Zeitliche Änderung des Gravitationsfeldes liefert Daten, die mittlerweile eine Grundlage für viele Geowissenschagften bilden und eien erheblichen Beitrag zum Verständnis des dynamischen Erdsystems, dessen Wasserkreislauf und des Klimawandels leisten. Die Messung der Gravitation und des Schwerefeldes wird allgemein als Gravimetrie bezeichnet. Sie ermöglicht die quantitative Messung von Masseänderungen, ob sichtbare oder unsichtbar, was durch keine andere Technik möglich ist.

Insbesondere die GRACE (Gravity Recovery And Climate Experiment) Satellitenmission hat seit 2002 zu den großen Erfolgen der Satelliten-Gravimetrie beigetragen. Obwohl der Start der GRACE Satelliten nun schon fast 19 Jahre her ist, und mittlerweile die Nachfolgemission GRACE-FO mit dem selben Messprinzip die Vermessungszeitreihe fortführt, wird die Datenauswertung immer noch kontinuierlich verbessert.

Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine Software zur präzisen Orbit und Gravitationsfeld Bestimmung entwickelt. Dabei wird aus den beobachteten Messdaten entlang der Satellitenbahn ein globales Modell des Erd-Gravitationsfeldes in Form von sphärisch-Harmonischen abgeleitet. Dazu wurde in dieser Arbeit der klassische Ansatz der "Variational Equations" implementiert, welcher inzwischen als das Verfahren mit den genausten Ergebnissen betrachtet wird.

Die Arbeit verfolgt zwei Hauptziele. Zuerst wird die GRACE Datenauswertung, also die Bestimmung monatlicher Gravitationsfelder mittels des implementierten Verfahrens untersucht. Ein Hauptaugenmerk ist dabei die Charakterisierung der Auswirkungen verschiedener Parameter und Varianten des Verfahrens auf die Ergebnisse. Des weiteren wird der Einfluss der verschiedenen Sensordaten und dessen Kalibrierung während des Verfahrens analysiert. Vor allem die Akzelerometerdaten, welche nicht-gravitative Beschleunigungen auf die Satelliten messen, werden detailliert studiert. Die größten Einflüsse auf die Ergebnisse haben die Gewichtung der verschiedenen Messdaten, sowie die neben dem Gravitationsfeld bestimmten Parameter. Diese sind hauptsächlich durch die Kalibrierung der Akzelerometer und die Unterteilung der monatlichen Datensätze definiert.

Das zweite Ziel der Arbeit ist die komplette Simulation einer GRACE ähnlichen Satellitenmission samt Datenauswertung. Dazu wurden die beiden Satelliten samt aller relevanten Sensordaten und unter Berücksichtigung von Umwelt- und Sensormodellen simuliert. Mit der Simulation werden Effekte und Einflüsse jedes einzelnen Sensors und dessen Charakteristik, sowie verschiedener Observationsdaten und verschiedener Umwelteinflüsse auf die Ergebnisse untersucht. In der Simulation sind zu jeder Zeit das wahre Gravitationsfeld und die theoretisch perfekten Sensordaten als Referenz bekannt. Zudem bietet die Simulation den großen Vorteil jedes Sensor- und Umweltmodell einzeln ein- und auszuschalten.

Mit dem Vergleich der realen GRACE Datenauswertung und den Ergebnissen der Simulation, werden Rückschlüsse auf die GRACE Daten und die Gravitationsfeldbestimmung gezogen aber andersherum auch die Modellierung validiert.