Wöske, Florian
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Item type:Publication, Gravity Field Recovery from GRACE Satellite Data and Investigation of Sensor, Environment and Processing-Option Influences by Closed Loop Mission Simulation(2021-10-04); ; ; 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.doctoral thesis453 563 - Some of the metrics are blocked by yourconsent settings
Item type:Publication, Carrier-Phase-Based Multi-Vehicle Cooperative Positioning Using V2V SensorsThis work proposes a new cooperative architecture that using Global Navigation Satellite System (GNSS), Inertial Measurement Unit (IMU) and vehicle-to-vehicle (V2V) observations to obtain robust and accurate inter-vehicle state estimation. A new cascade structure of relative filter which consists of float estimator and fixed estimator is presented that can take advantage of both the multi-sensor data and the information from Least-squares ambiguity decorrelation adjustment (LAMBDA). Also, a cooperative baseline estimation method based on multidimensional scaling (MDS) is proposed to further exploit the relative estimation from many other collaborators. Lastly, we combine the cascade relative filter (CRF) with MDS to estimate the relative states cooperatively using a feedback scheme. In the verification part, we use realistic sensor noise and a GNSS signal simulator to obtain inter-vehicle and GNSS measurements for a multiple-vehicle network. In a harsh GNSS scenario, only 51.20% of epochs in RTKLIB software can pass the LAMBDA acceptance test, but our proposed methods can achieve 77.85% (CRF) and 85.05% (CRF/MDS). Referring to the recovery time from a float solution to fixed solution, RTKLIB needs 179.23 s in the case of 4 satellites, but only 34.88 s (CRF) and 21.39 s (CRF/MDS) for the proposed methods. Results show that the proposed CRF has good performance when fusing with IMU and V2V observations, and has a better performance than existing methods. Moreover, the proposed architecture that combines CRF and MDS can have a further improvement, which substantially increases the robustness and accuracy of relative state estimation.journal articleBand:69Heft:993 63 - Some of the metrics are blocked by yourconsent settings
Item type:Publication, Attitude determination & control system design for gravity recovery missions like GRACE(Elsevier, 2020-04-25); ; This paper is dedicated to the attitude control law synthesis for GRACE-like missions. Namely, two satellites move along the same orbit at a distance of several hundred kilometers and “look” at each other. This angular motion resembles the stabilization at unstable equilibrium position in the Orbital Frame. The reaction wheels cannot be used because they greatly affect the accelerometers measurements. Hence, only magnetorquers and thrusters may be utilized for the attitude control. Two different approaches are considered: linear quadratic regulator and Lyapunov-based controller. Control coefficients of the latter are obtained using the Floquet theory. Numerical simulation including atmospheric drag, solar radiation pressure and state vector measurements errors is carried out to validate suggested control techniques. The developed attitude determination and control system algorithms are tested for GRACE and GRACE-FO mission scenarios with relevant requirements and parameters.journal articleBand:17347 20