Validierung von GOCE-Gravitationsgradienten in Kreuzungspunkten und Zukunftsperspektiven der Satellitengradiometrie

摘要

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Validierung von GOCE-Gravitationsgradienten in Kreuzungspunkten der Satellitenspuren, der Kreuzungspunktanalyse. In einem zweiten Teil werden perspektivisch neuartige Gradiometriekonzepte für zukünftige Schwerefeld-Satellitenmissionen diskutiert. Nach einer Einleitung, u.a. zu methodischen Grundlagen der Kreuzungspunktanalyse, werden im Vorfeld der eigentlichen Validierung Fehlergrenzen für die Datenverarbeitung definiert. Alle Algorithmen und Datenoperationen werden so entwickelt, dass durch sie induzierte Fehler Gradientenfehler von weniger als 0.7 mE verursachen. Die Bestimmung der Kreuzungspunktpositionen und der Kreuzungszeitpunkte erfolgt in einer gemeinsamen Ausgleichung. Die Interpolation weiterer Datenprodukte im Kreuzungspunkt (cross-over, XO) gelingt in Abhängigkeit der Zeit. Einen entscheidenden Schritt umfasst die Berücksichtigung von Gradientenunterschieden im XO, die sich aufgrund unterschiedlicher Höhen und Orientierungen der Beobachtungssysteme ergeben. Da der Vergleich zweier Gravitationsgradiententensoren im identischen Koordinatensystem erfolgen muss, wird einer der Tensoren in das Koordinatensystem des anderen transformiert. Aufgrund der langwelligen Un-genauigkeiten der GOCE-Gradienten und der schlechteren Tensorkomponenten V_(xy) und V_(yz) werden alle weniger genauen Anteile des Gradiententensors durch Modellgradienten einer bereits bekannten Schwerefeldlösung ersetzt. Auch für den Translationsschritt (Höhenreduktion) wird Modellinformation genutzt. Nach der Transformation erfolgt die Differenzenbildung der Gradienten im XO. Die verbleibenden Residuen der Gravitationsgradienten werden in drei Kategorien untersucht: (1) Qualität des Gesamtdatensatzes Die Residuen aller Tensorkomponenten sind normalverteilt und führen entlang auf- oder absteigender Bahnen zu statistisch identischen Ergebnissen. Die Residuen von V_(xx) und V_(yy) weisen einen RMS von etwa 4 mE auf; die von V_(zz) und V_(xz) liegen mit 9 mE und 8 mE etwa doppelt so hoch. Korrelationen zu Parametern wie der Höhendifferenz im XO zeigen sich nicht. (2) Regionale Untersuchungen Die Residuen werden auf regionale Häufungen hin analysiert. Solche Muster zeigen sich ausschließlich in V_(yy) in Bereichen südlich von Australien sowie - weniger stark ausgeprägt - im nördlichen Kanada. (3) Identifikation lokaler Artefakte Einzelne Ausreißer in den Gradientenzeitreihen lassen sich in Polnähe (große Anzahl an Kreuzungspunkten) sehr gut und im Bereich um den Äquator (weniger Kreuzungspunkte) weniger gut in den XO-Residuen identifizieren. Sequentielle Ausreißer (beeinflussen die Zeitreihe bis zu einigen Minuten) bilden sich in den XO-Residuen äußerst präzise ab. Dies ist eine besondere Stärke der Methode und ein Alleinstellungsmerkmal gegenüber anderen Validierungsansätzen. Die Kreuzungspunktanalyse bestätigt die Präzision der Gradienten-Residuen von V_(xx) und V_(yy) auf dem erwarteten Niveau; V_(zz) und V_(xz) zeigen ein um etwa einen Faktor 2 höheres Rauschen und liegen damit oberhalb der Erwartungen. Die Zeitreihen einzelner Gradientenkomponenten enthalten einzelne, lokale und zeitlich begrenzte Artefakte, deren Identifikation mit der Kreuzungspunktanalyse hervorragend gelingt. Im zweiten Teil dieser Arbeit werden neue Gradiometriekonzepte für zukünftige Schwerefeld-Satellitenmissionen analysiert. Neben Verbesserungen, wie der Ladungskontrolle der Testmasse mittels ultraviolettem Licht, stellen vor allem die Nutzung von Laserinterferometern zur Bestimmung der Lage einer festen Testmasse sowie die Verwendung von Atominterferometern äußerst vielversprechende Technologien dar. Deren Einsatz soll im Vergleich zum GOCE-Gradiometer eine Sensitivitätsteigerung des Instrumentes ermöglichen und dessen Fehlerni-veau speziell im unteren Frequenzbereich (langwellige Anteile) erheblich verbessern. Damit würde auch die Messung zeitvariabler Anteile des Gravitationspotentials möglich werden. Außerdem wurden auch hybride Missionen vorgeschlagen, bei denen z.B. die Beobachtung von Entfernungsänderungen zwischen Satelliten und die Satellitengradiometrie kombiniert werden, um vollen Nutzen aus den Vorteilen beider Verfahren zu ziehen. Diese neuen Technologien (niedriges, nahezu weißes Rauschen in entscheidenden Frequenzbändern) haben das Potential, die Gravitationsfeldbestimmung der Zukunft zu bestimmen.%The present work covers with the validation of GOCE gravitational gradients in satellite track cross-overs, the cross-over analysis. A second part gives a perspective for future gravity field satellite missions discussing novel gradiometric concepts. Following an introduction partly addressing the methodical fundamentals of the cross-over analysis, error limits for data processing are defined previously to the actual validation. All algorithms and data operations are developed to only cause errors on gradient level of less than 0.7 mE. The determination of the cross-over positions and the crossing times is carried out in a joined adjustment. Further data products are interpolated in the cross-over (XO) as a function of time. An essential step is the consideration of differences in attitude and altitude between the observation systems in order to reduce related gradient differences. Since the comparison of two gravitational gradient tensors has to be performed in the identical coordinate system, one of the tensors is transformed into the coordinate system of the other. Due to long-wavelength inaccuracies of the GOCE gradients and the lower quality of the tensor components V_(xy) and V_(yz), all the less accurate parts of the gradient tensor are replaced by model gradients derived from an existing gravity field model. Also for the translation step (height reduction), model information is used. After the transformation, the residuals of the gradient tensors in the XO are formed. The remaining gradient residuals (= gradient differences) are examined in three categories: (1) Quality of the complete data set The residuals of all tensor components are normally distributed and lead to statistically identical results along ascending or descending tracks. The gradient differences of V_(xx) and V_(yy) have an RMS of about 4 mE; the RMS of V_(zz) and V_(xz) are about twice as large with values of 9 mE and 8 mE. The residuals do not show any correlations to parameters such as the height difference in the XO. (2) Regional analysis The gradient differences are analyzed in terms of regional accumulations. Such patterns are only found in V_(yy) covering areas south of Australia, and less obvious in northern Canada. (3) Identification of local artefacts Individual outliers in the gradient time series can be identified in the XO residuals very well close to the poles (large number of cross-overs) and suboptimal in the region around the equator (less cross-overs). Sequential outliers (affecting the time series up to a few minutes) are represented in the XO residuals very precisely. This is a particular advantage of this method and an unique feature against other validation approaches. The cross-over analysis confirms the precision of the gradient residuals at the expected level for V_(xx) and V_(yy); V_(zz) and V_(xz) show a noise level which is about a factor of two higher than expected. The time series of the individual gradient components contain single, local and temporary artefacts which can be excellently identified with the help of the cross-over analysis. In the second part of this thesis, new gradiometric concepts are analyzed to be used for future gravity field satellite missions. In addition to improvements, such as the charge control of the test mass by means of ultraviolet light, the use of laser interferometers to determine the position of a test mass and the use of atom interferometers are very promising technologies. It is expected that their use will increase the sensitivity of the instrument compared to the GOCE gradiometer and to reduce its error level, especially in the lower frequency range (long-wavelength components). This would allow to monitor also time-variable components of the gravitational potential. In addition, hybrid missions have been proposed combining the observation of range rates between satellites and satellite gradiometry to fully benefit from the advantages of both methods. These new technologies (almost white noise at a low level in the frequency bands of interest) have the potential to dominate the gravity field determination of the future.