In-Depth Characterization of the First Inter-Satellite Laser Ranging Interferometer on GRACE Follow-On
- verfasst von
- Malte Matthias Misfeldt
- betreut von
- Gerhard Heinzel
- Abstract
Die Satellitenmission GRACE Follow-On (GRACE-FO) wurde im Mai 2018 gestartet. Sie setzt die Zeitreihe monatlicher Schätzungen des Schwerefelds der Erde seines Vorgänger, dem Gravity Recovery And Climate Experiment (GRACE), fort. Wissenschaftler rund um den Globus nutzen diese monatlichen Momentaufnahmen, um hydrologische Prozesse und die Klimakrise zu untersuchen. Die GRACE-FO Zwillingssatelliten umkreisen die Erde etwa alle 90 Minuten auf einer polaren Umlaufbahn mit einem Abstand von etwa 220 km. Die Informationen über die Schwerkraft der Erde sind in den feinen Abstandsschwankungen zwischen den beiden kodiert, die mit dem herkömmlichen Microwave Instrument (MWI) und in GRACE-FO auch mit dem neuartigen Laser Ranging Interferometer (LRI) gemessen werden. Das LRI ist ein optisches Interferometer, das in zwei Einheiten aufgeteilt ist, eine auf jedem Satelliten. Seine Empfindlichkeit von 200 pm/sqrt(Hz) bei 5 Hz übertrifft die des MWI deutlich. Darüber hinaus hat es sich als sehr zuverlässig erwiesen, mit wenigen gerätebedingten Ausfällen. Diese Dissertation befasst sich mit der Datenanalyse der verschiedenen Telemetriekanäle des LRI, um das Verständnis für das Instrument zu vertiefen. Sie beginnt mit einer Erläuterung des LRI-Instruments und seinen Teileinheiten. Es werden neue Formeln für die Umrechnung der gemessenen optischen Phase in die Entfernung zwischen den Satelliten in Metern vorgestellt, wobei die Auswirkungen einer zeitlich veränderlichen Laserfrequenz berücksichtigt werden. Darüber hinaus werden die dominierenden Fehlerquellen bei der Datenverarbeitung modelliert, nämlich die Bestimmung des Absolutwerts der Laserfrequenz und ein Zeitstempelfehler der Messungen. Laser bilden das Herzstück des LRI, und ihre Zuverlässigkeit und Stabilität werden genau überwacht. Die beiden LRI-Laser zeigen nach fünf Jahren in der Umlaufbahn keine Anzeichen einer Leistungsverschlechterung, aber es wurde ein geringfügiges bimodales Verhalten einiger Lasertelemetriekanäle beobachtet. Außerdem werden kurze Perioden mit erhöhtem Laserfrequenzrauschen untersucht. Die absolute optische Frequenz der LRI-Laser dient als Umrechnungsfaktor zwischen den gemessenen Phasenschwankungen und dem gewünschten Entfernungssignal. Sie wird nicht direkt an Bord gemessen, sondern muss in der Datenverarbeitung am Boden abgeleitet werden. Daher besteht ein großer Teil dieser Arbeit in der Entwicklung verschiedener Modelle für die absolute optische Frequenz der LRI-Laser, einschließlich der Bewertung thermisch bedingter Tonfehler. Die triple mirror assembly ist eine Schlüsselkomponente des LRI, und die rechtwinklige Ausrichtung seiner drei Spiegel gewährleistet die Parallelität der beiden Laserstrahlen, die sich zwischen den Satelliten bewegen. Daher wird ihre Ausrichtung durch die Analyse bestimmter Diagnose-Scans in der Umlaufbahn genau überwacht. Anhand dieser Scans können verschiedene Eigenschaften des Strahls bewertet werden, z. B. die Gaußschen Divergenzwinkel, die Schwankungen der Überlagerungseffizienz und die Auswirkungen eines besonderen Typs der Rotation-zu-Weglängen Kopplung. Schließlich werden single event upsets in den Entfernungsmessungsdaten untersucht, bei denen es sich um kurzlebige Störungen der Entfernungsmessung aufgrund geladener Teilchen handelt, die mit der Bordelektronik wechselwirken.
- Organisationseinheit(en)
-
Institut für Gravitationsphysik
QUEST Leibniz Forschungsschule
- Typ
- Dissertation
- Anzahl der Seiten
- 155
- Publikationsdatum
- 2023
- Publikationsstatus
- Veröffentlicht
- Elektronische Version(en)
-
https://doi.org/10.15488/15152 (Zugang:
Offen)
