GRACE-FO - Gravity Recovery and Climate Experiment-Follow-On Mission

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Wie bei GRACE ist das primäre Ziel der GRACE-FO Mission präzise, globale und hochauflösende Modelle des statischen und zeitvariablen Erdschwerefeldes zu bestimmen. Dies basiert wieder auf hochgenauen Beobachtungen des Abstandes zwischen den beiden Zwillingssatelliten, die auf einem ko-planaren, niedrigen und polaren Orbit fliegen, mit Hilfe eines K/Ka-Band Mikrowelleninstruments (KBR). Jeder der beiden Satelliten ist zusätzlich mit einem geodätischen Global Positioning System (GPS) Empfänger zur Positions- und Zeitbestimmung, einem Laser-Retroreflektor (LRR) für die unabhängige Vermessung der Satellitenbahn vom Boden aus und einem hochgenauen Akzelerometers zur präzisen Ausmessung der auf den Satelliten wirkenden nicht-gravitativen Kräfte ausgestattet.

Zusätzlich hat GRACE-FO auch ein Laser Ranging Interferometer (LRI) als Technologie-Demonstration an Bord. Das LRI vermisst, wie das KBR Instrument, allerdings wesentlich genauer, die Abstandsänderungen zwischen den beiden Satelliten und dient damit der Vorbereitung zukünftiger GRACE-ähnlicher Missionen wie GRACE-C oder NGGM (Next Generation Gravity Mission). Weiterhin setzt GRACE-FO die Zeitreihe von Radiookkultationsmessungen von GRACE fort.

Das GRACE-FO Projekt wird in den USA unter der Leitung der NASA Earth Science Division (ESD) innerhalb des NASA Science Mission Directorate (SMD) und des Earth Systematic Missions Program Office am Goddard Space Flight Center (GSFC) durchgeführt. Dem Jet Propulsion Laboratory (JPL) wurde dabei die Verantwortung für die Realisierung des GRACE-FO Projekts auf amerikanischer Seite übertragen.

Daneben besitzt die GRACE-FO Mission signifikante deutsche Beiträge, die vom GFZ geleitet und gemeinsam durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF), dem Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi), der Helmholtz-Gemeinschaft (HGF), dem Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) (Beistellungen zum LRI) und dem GFZ finanziert wurden bzw. noch werden.

Die deutsch-amerikanische Zusammenarbeit ist in einem Memorandum of Understanding (MOU) zwischen NASA und GFZ festgelegt, die jeweiligen Rollen und Verantwortlichkeiten sind im Cooperative Project Plan (CPP) beschrieben. Demnach ist das GFZ verantwortlich für (1) die Auswertung und Verteilung der wissenschaftlichen Daten innerhalb eines deutsch-amerikanischen Science Data System (SDS) über das GFZ Information System and Data Center (ISDC); (2) die Beistellungen zum experimentellen Laser Ranging Interferometer (LRI), das im Rahmen eines Kooperationsvertrags mit dem Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik (Albert-Einstein-Institut) entwickelt wurde; (3) die Beistellung der Startrakete und des Startservices; (4) die Beistellung von Laser-Retroreflektoren (LRR) für beide Satelliten; (5) den Missionsbetrieb (mit US-Unterstützung, unterbeauftragt an das DLR/GSOC und finanziert mit Eigenanteilen des GFZ) und (6) die Führung des Europäischen Science Teams.

GRACE-FO wurde am 22. Mai 2018 erfolgreich mit einer Space-X/Falcon-9 vom Startbahnhof Vandenberg in Kalifornien gestartet. Das GRACE-FO Mission Operations System (MOS) und Ground Data System (GDS) werden für die ersten 5 Jahre vom GFZ sowie für laufende „Extension Phase“ bis Ende 2029 finanziert. Der Missionsbetrieb wird im Unterauftrag vom German Space Operation Center (GSOC) des DLR (Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt) in Oberpfaffenhofen durchgeführt. Das GFZ stellt den Operations Mission Manager (OMM), validierte Flugprozeduren sowie seine Satellitenempfangsstation in Ny-Ålesund/Spitzbergen bei.

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Instrumentierung

Das GRACE-FO Science Instrument System (SIS) beinhaltet alle Komponenten des K/Ka-Band Mikrowelleninstruments zur Messung des Abstands zwischen beiden Satelliten, den GPS-Empfänger, der zur Durchführung der präzisen Bahnbestimmung und der Radiookkultationsmessungen notwendig ist, und andere Sensoren wie die Sternkameras zur präzisen Lagebestimmung oder die Akzelerometer zur Korrektur von nicht-gravitativen Störbeschleunigungen. Diese Instrumente sind im Prinzip identisch zu den bereits bei GRACE eingesetzten Elementen, basieren aber auf modernisierter Hard- und Software. Zusätzlich wird auf GRACE-FO ein Laser Ranging Interferometer (LRI) als Technologie-Demonstrator eingesetzt, mit dessen Hilfe gegenüber dem Standard-Mikrowelleninstrument genauere Abstands- und Abstandsänderungen beobachtet und damit präzisere Schwerefeldmodelle abgeleitet werden können. Zusätzlich hat das GFZ Laser-Retroreflektoren für beide Satelliten zur Verfügung gestellt, die eine unabhängige Kontrolle der aus GPS abgeleiteten Bahnen ermöglichen. Das SIS koordiniert auch die Kompatibilität aller Sensoren untereinander und ihre Integration in den Satelliten.

Instrumente

  • GPS Receiver Assembly

    Die GPS- Empfängereinheit ist Teil des Mikrowelleninstruments (MWI) und verfolgt die GPS-Satelliten-Entfernungssignale für (1) die Bestimmung der Satellitenposition und der Uhrzeit für den Betrieb an Bord (2) die genaue absolute Bestimmung der Umlaufbahn und die Zeitmarkierung von wissenschaftlichen Daten, sowie (3) für Radio-Okkultationsmessungen für atmosphärische Studien.

    Sie besteht aus der Haupt-Zenit-Navigationsantenne, der hinteren Back-up-Navigationsantenne und einer hinteren Okkultationsantenne, über die die GPS-Signale empfangen werden. Diese Signale werden an die Signalverarbeitungseinheit (SPU) weitergeleitet, welche die GPS-Signale empfängt, umwandelt und digitalisiert. Die abgetasteten Daten werden an die Instrumentenverarbeitungseinheit (IPU) weitergeleitet, die die GPS-Phasen- und Pseudo-Entfernungsmessungen extrahiert und liefert. Die GPS-Daten sind auch die Grundlage für die Bestimmung der Satellitenposition und die Schätzung der Uhrzeit, die für den Betrieb an Bord und die Verarbeitung der wissenschaftlichen Daten erforderlich sind.

  • K/Ka-Band Ranging (KBR) Assembly

    Das K/Ka-Band Ranging (KBR)-System ist ein weiterer Teil des Microwave Instruments (MWI) und liefert präzise (innerhalb von 10 µm) Messungen des Abstands zwischen den beiden Satelliten und seiner Änderungen, aus denen die Fluktuationen der Schwerkraft bestimmt werden können. Es besteht aus einem Sende-/Empfangshorn an der Frontplatte des Satelliten, einer Wellenleiteranordnung und einer Mikrowellenanordnung (MWA). Der ultrastabile Oszillator (USO) erzeugt ein Referenzsignal, das dann von der MWA auf Bänder 24 und 32 GHz hochkonvertiert und über den Wellenleiter und das Horn an den anderen GRACE-FO-Satelliten übertragen wird. Das Horn und der MWA empfangen auch die K/Ka-Band-Signale des anderen Satelliten und konvertieren sie herunter, wobei derselbe K/Ka-Band-Referenzträger verwendet wird, der auch gesendet wurde. Die empfangenen Signale werden zur Digitalisierung an die Signal Processing Unit (SPU) und anschließend zur digitalen Signalverarbeitung an die Instrument Processing Unit (IPU) weitergeleitet. Die SPU stellt sicher, dass die KBR-Signale zur gleichen Zeit wie die GPS-Ortungssignale abgetastet werden, so dass eine präzise Zeitmarkierung der KBR-Messungen gewährleistet ist.

  • Laser Ranging Interferometer (LRI)

    Das LRI ist ein gemeinsames Instrument der USA und Deutschlands und dient als technische Demonstration, um zu prüfen, ob die Präzisions-Laserinterferometrie die Mikrowellen-Entfernungsmessung zwischen Satelliten für künftige GRACE-ähnliche geodätische Missionen wie GRACE-C verbessern kann. Die Empfindlichkeit der Inter-Satelliten-Entfernungsmessung ist einer der Faktoren, die die Gesamtleistung von GRACE-FO bestimmen. Weitere technische Spezifikationen sind am Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik (Albert-Einstein-Institut, AEI) in Hannover erhältlich.

  • Laser Retro-Reflector (LRR)

    Der passive Laser-Retroreflektor (LRR) wurde vom GFZ bereitgestellt und liefert Entfernungsmessungen der GRACE-FO-Satellitenumlaufbahnen relativ zum terrestrischen ILRS-Tracking-Netzwerk. Auf der Nadir-Oberfläche des Satelliten sind vier Prismen, die die vom Boden gesendeten Laser-Entfernungssignale reflektieren. Die Beobachtungen der LRRs werden vom ILRS-Bodensegment durchgeführt.

  • Microwave Instrument (MWI)

    Das GRACE-FO Mikrowelleninstrument (MWI) besteht aus dem GNSS-Empfänger und dem K-Band-Entfernungsmesser (KBR).

  • SuperSTAR Accelerometer (ACC)

    Der SuperSTAR-Accellerometer misst die auf den Satelliten wirkenden nicht-gravitativen Beschleunigungen. Zu diesen Beschleunigungen gehören der Luftwiderstand, der Druck der Sonnenstrahlung, Erdalbedo, oder Kräfte die durch den Betrieb der Lageregelungsaktivatoren entstehen. Diese Messungen werden verwendet, um die Veränderungen der Satellitenbahnen aufgrund der nicht-gravitativen Kräfte zu modellieren, so dass deren Beiträge von den Änderungen der Entfernung zwischen den beiden Satelliten aufgrund rein gravitativer Effekte korrekt unterschieden werden können.

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