Methodology for orbit determination using DORIS RINEX data

Abstract

Geodesy has greatly advanced since the introduction of artificial, Earth orbitingsatellites. A new era has emerged, where satellite-based data dominate the field,providing results for a wide range of geodesy-related fields. The use of artificialsatellites in geosciences however requires a comprehensive knowledge of the satellite motion under the influence of all acting forces as well as the description of thesatellite trajectory in suitable reference frames. Thus exploitation of satellite-basedobservations is inherently coupled with the complex problem of orbit determination, a problem that lies in the core of satellite geodesy since its inception.To-date, Precise Orbit Determination (POD) is dominated by three spacegeodetic techniques, namely Satellite Laser Ranging (SLR), Global NavigationSatellite System (GNSS) and Détermination d’Orbite et Radiopositionnement Intégré par Satellite (Doppler Orbitography and Radiopositioning Integrated bySatellite) (DORIS), which additionally, via the corresponding Technique Centers,provide the input data time series of station positions and Earth Orientation Parameters (EOP) for the realization of the International Terrestrial Reference Frame(ITRF).Despite its prominence and significance in the field of satellite geodesy, DORIShas failed to allure a dedicated scientific audience comparable in size to the othertechniques. The shortage of dedicated IDS analysis centers, is indicative of thelimited availability of dedicated software solutions designed to handle DORIS data,particularly for the purpose of orbit determination.In the framework of the current Thesis, the scarcity of dedicated DORIS analysis tools for orbit determination is targeted, with the aim of creating a high quality,scientific software solution. Specifically, the software package is non-proprietaryand open-source, adaptable and extensible to meet the demands of scientific community, implements state-of-the-art algorithms and methodologies and is designedusing modern programming patterns and paradigms.The software is built in a modular fashion. The various components are organized in different, independent, moderate-sized libraries, targeting well definedproblems. Various different implementations are put to the test and robust algorithmic approaches are constructed based on criteria of accuracy and efficiency(computing speed and resources).Given the complexity of the problem and the inherent limitations of a thesis,both in terms of time and resources, the objective of the current study is not toattain the highest possible accuracy achievable by the IDS Analysis Centers. Instead, the focus is on developing a brand-new toolset from scratch, which can serveas a foundational component towards achieving that goal. The envisioned toolset,with some additional fine refinements, has the potential to form the backbone ofa state-of-the-art, DORIS POD analysis pipeline.Using the toolset developed, an orbit determination analysis scheme was de-signed and tested using the Joint Altimetry Satellite Oceanography Network (JASON)-3 satellite mission, using a high quality reference orbit for validation. Position differences range within a few meters for one day, while velocity discrepanciesare in the order of a few millimeters per second.These results show that the software package developed can serve as a buildingblock for a high quality DORIS analysis software solution. Conclusions and recommendations for further enhancements and refinements are supplied to eventuallyreach the goal set.

Η επιστήμη της Γεωδαισίας έχει κάνει μεγάλα άλματα προόδου μετά την εισαγωγήτων τεχνητών δορυφόρων που βρίσκονται σε τροχιά γύρω από τη Γη. Σε αυτήτη ’νέα εποχή’, τα δεδομένα που προέρχονται από δορυφορικές αποστολές παίζουνσημαίνοντα ρόλο στο ευρύτερο γνωστικό πεδίο, προσφέροντας σημαντικά αποτελέσματα σε ένα ευρύ φάσμα γεωεπιστημών. Η χρήση όμως τέτοιων δεδομένων, είναισυχνά συνυφασμένη με την περιγραφή της δορυφορικής κίνησης και των δυνάμεωνπου την επηρεάζουν, σε κατάλληλα, υψηλής ακρίβειας χωρικά και χρονικά συστήματααναφοράς. Συνεπώς, η εκτίμηση των δορυφορικών τροχιών αποτελεί ένα θεμελιώδεςπρόβλημα στην σύγχρονη γεωδαισία.Η εκτίμηση υψηλής ακρίβειας δορυφορικών τροχιών, γίνεται κυρίως με χρήσητριών συστημάτων και συγκεκριμένα του SLR, του GNSS και του DORIS. Οι τεχνικέςαυτές, συμβάλουν καταλυτικά και στην υλοποίηση των σύγχρονων παγκόσμιων συστημάτων αναφοράς (π.χ. ITRF).Παρά τη σημαντική συμβολή και την εξέχουσα θέση που καταλαμβάνει τις τελευταίες δεκαετίες, το σύστημα DORIS δεν έχει έως τώρα προσελκύσει το ανάλογοεπιστημονικό κοινό και συνεπώς μια κατάλληλη υπολογιστική πλατφόρμα λογισμικούγια την εκμετάλλευση των δυνατοτήτων που μπορεί να προσφέρει. Ενδεικτικός είναιο μικρός αριθμός εξειδικευμένων κέντρων ανάλυσης, ειδικά σε σχέση με τις λοιπέςτεχνικές προσδιορισμού τροχιών.Με αφορμή την έλλειψη αυτή, στο πλαίσιο της παρούσας Διδακτορικής Διατριβής,επιχειρείται ο σχεδιασμός και η ανάπτυξη μια δέσμης λογισμικών εργαλείων επιστημονικής ποιότητας, για την επεξεργασία δεδομένων DORIS και δη για τη χρήσηδεδομένων καταγραφής του συστήματος για την εκτίμηση δορυφορικών τροχιών.Τα υπολογιστκά εργαλεία που αναπτύχθηκαν είναι ελεύθερα διαθέσιμα στην επιστημονική κοινότητα, ακολουθώντας την πολιτική του ’ανοιχτού κώδικα’, προσαρμόσιμακαι επεκτάσιμα για να ανταποκρίνονται σε ερευνητικές απαιτήσεις υψηλής ακρίβειας,περιλαμβάνοντας τους πλέον σύγχρονους αλγορίθμους και μεθοδολογίες. Ο σχεδiασμός και η υλοποίηση ακολουθεί και υιοθετεί σύγχρονα προγραμματιστικά πρότυπα.Η διάρθρωση της εργαλειοθήκης που αναπτύχθηκε, αποτελείται από ανεξάρτητα’πακέτα’ (ή βιβλιοθήκες), καθένα εκ των οποίων έχει σαφώς καθορισμένη στόχευση.Με τον τρόπο αυτό, τα ξεχωριστά κομμάτια συγκρατούνται σε εύκολα διαχειρίσιμαμεγέθη, καθιστώντας το πακέτο ιδανικό για χρήση από την επιστημονική κοινότητασε ένα ευρύ φάσμα εφαρμογών.Τα τρέχοντα διεθνή, υψηλής ακρίβειας πρότυπα μοντελοποίησης έχουν ακολου-θηθεί αυστηρά, σε μία σειρά προβλημάτων που αφορούν ενδεικτικά: τις δυνάμεις πουεπιδρούν σε τεχνητούς δορυφόρους γύρω από τη γη, την ίδια κίνηση της γης, ταχωρικά και χρονικά συστήματα αναφοράς, την αριθμητική επίλυση διαφορικών εξισώσεων. ΄Οπου χρειάστηκε, δοκιμάστηκαν και αξιολογήθηκαν διαφορετικές μέθοδοικαι εν συνεχεία προσαρμόστηκαν και επεκτάθηκαν με βάση κριτήρια ακριβείας και υπολογιστικού φόρτου. Αξίζει να σημειωθεί ότι το λογισμικό εστιάζει σε μία μοντέρνα,καινοφανή προσέγγιση επεξεργασίας δεδομένων DORIS υποστηρίζοντας τις τελευταίες εξελίξεις τις τεχνικής όπως π.χ. η υιοθέτηση του μορφότυπου ανταλλαγής δεδομένων DORIS RINEX, η διαχείριση δεδομένων φέροντος κύματος (carrier phase)καθώς και η δυνατότητα επεξεργασίας δεδομένων σε σχεδόν πραγματικό χρόνο.Δεδομένης της πολυπλοκότητας του προβλήματος και των περιορισμών που τίθενται σε μία Διδακτορική Διατριβή, ο σκοπός της παρούσας δεν είναι η ανάπτυξηενός λογισμικού που θα φτάσει τα επίπεδα ποιότητας που αυτή τη στιγμή πετυχαίνουνκέντρα ανάλυσης εγνωσμένης αξίας, με δεκαετίες εμπειρίας και μεγάλες ερευνητικέςομάδες υποστήριξης (IDS). Ο στόχος που τέθηκε είναι η δημιουργία μιας καινούριας,σύγχρονης εργαλειοθήκης που θα μπορεί να παίξει το ρόλο του θεμελιώδους δομικούστοιχείου για την επίτευξη τέτοιων ακριβειών στο άμεσο μέλλον. Με μικρές, σαφώςορισμένες βελτιώσεις, εκτιμάται ότι το πακέτο που σχεδιάστηκε για την παρούσαΔιατριβή μπορεί να υπηρετήσει το ρόλο αυτό.Για τον έλεγχο της ποιότητας του πακέτου που σχεδιάστηκε, αναπτύχθηκε έναπρόγραμμα για τον προσδιορισμό της τροχιάς της δορυφορικής αποστολής JASON-3. Οι εκτιμήσεις θέσης και ταχύτητας του δορυφόρου που προέκυψαν, για μία ημέρα ενδεικτικά, συγκρίθηκαν με αντίστοιχα αποτελέσματα της υψηλότερης δυνατήςακρίβειας από την CNES/SSALTO. Οι διαφορές που προέκυψαν είναι της τάξης τωνλίγων μέτρων και των λίγων χιλιοστών ανά μέτρο για την θέση και την ταχύτητααντίστοιχα.Τα αποτελέσματα υποδεικνύουν ότι η εργαλειοθήκη που σχεδιάστηκε και αναπτύχθηκε μπορεί να αποτελέσει το κύριο δομικό στοιχείο ενός προγράμματος επεξεργασίας δεδομένων DORIS, ποιότητας εφάμιλλης των κέντρων ανάλυσης της τεχνικής.