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. 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.

Das GRACE-FO Mission Operations System (MOS) und Ground Data System (GDS) werden für die ersten 5 Jahre vom GFZ 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

    The GPS Receiver Assembly is part of the Microwave Instrument (MWI) and tracks the GPS satellite ranging signals for - satellite position and clock determination for on-board operations, - precise absolute orbit determination and time-tagging of science data, and - radio occultation measurements for atmospheric studies.

    It consists of the main zenith navigation antenna, the rear back-up navigation antenna and a rear occultation antenna through which the GPS signals are received. These signals are passed to the Signal Processing Unit (SPU), which receives, down-converts and digitizes the GPS signals. The sampled data are passed to the Instrument Processing Unit (IPU), which extracts and delivers the GPS phase and pseudo-range measurements. GPS data are also the basis for the determination of the satellite position and clock estimates required for on-board operations and processing of science data.

  • K/Ka-Band Ranging (KBR) Assembly

    The K/Kaband Ranging (KBR) system is another part of the MWI and provides precise (within 10 µm) measurements of the distance (and its changes) between the two satellites from which the fluctuations in gravity can be determined. It consists of a transmit/receive horn at the front plate of the satellite, a wave-guide assembly and a Microwave Assembly (MWA). A reference signal is generated by the Ultra Stable Oscillator (USO), which is then up-converted to 24 and 32 GHz bands by the MWA, and transmitted to the other GRACE-FO satellite through the wave-guide and horn. The horn and the MWA also receive and down-converts the K/Ka-Band signals from the other satellite, using the same reference K/Ka-Band carrier that was transmitted. The received signals are passed to the SPU for digitization and in turn to the IPU for digital signal processing. The SPU ensures that the KBR signals are sampled at the same epoch as the GPS tracking signals, ensuring precise time-tagging of the KBR measurements.

  • Laser Ranging Interferometer (LRI)

    The LRI is a joint US/German instrument and serves as a technical demonstration to assess if precision laser interferometry can improve microwave inter-satellite ranging performance for future GRACE-like geodetic missions such as GRACE-C. Inter-satellite ranging sensitivity is one of the factors that determine the overall performance of GRACE-FO. Further details are provided at the Max Planck Institute for Gravitational Physics (Albert Einstein Institute, AEI) in Hannover.

  • Laser Retro-Reflector (LRR)

    The passive Laser Retroreflector (LRR) was contributed by GFZ and provides distance measurements of the GRACE-FO satellite orbits relative to the terrestrial ILRS tracking network. Four corner cubes are mounted on the nadir surface of the satellite, which reflect laser-ranging signals transmitted from the ground. The operating characteristics for the LRR are completely determined by the ILRS ground segment.

  • Microwave Instrument (MWI)

    The GRACE-FO Microwave Instrument (MWI) consists of the GNSS receiver and the K-band ranging (KBR) assembly.

  • Science Instrument System (SIS)

    The GRACE-FO Science Instrument System (SIS) includes all elements of the microwave inter-satellite ranging system, the GNSS receivers required for orbit determination and occultation measurements, and associated sensors, such as the star tracker and accelerometers. These elements are in general identical to GRACE, but based on up-to-date hardware (H/W) and software (S/W). In addition, a Laser Ranging Interferometer (LRI) will be added to the GRACE-FO mission for the purpose of demonstrating improved inter-satellite ranging accuracy. Additionally, GFZ provides Laser Retroreflectors (LRR) for both satellites which provide independent orbit determination control. The SIS also coordinates the integration activities of all sensors, assuring their compatibility with each other and the satellite. In the following the different SIS components are shortly summarized. Note that the Attitude and Orbit Control System (AOCS) sensors, which include besides the GNSS Receiver Assembly a Coarse Earth Sun Sensor (CESS), an Inertial Measurement Unit (IMU) and a fluxgate magnetometer, are described in the Satellite System (SAT) page.

    Webseite Instrumentendetails
  • SuperSTAR Accelerometer (ACC)

    The SuperSTAR Accelerometer measures the non-gravitational accelerations acting on the satellite. These accelerations include air drag, solar radiation pressure, Earth radiation forces, thermal forces and forces created by operating the attitude control activator. The measurements are used to model the evolution of the satellite orbits due to the non-gravitational forces, so that the contributions to the inter-satellite range changes due to purely gravitational effects can be correctly discriminated. Accelerometer measurements may also be used, in conjunction with other data and models, to determine upper atmospheric density variations.

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