عنوان پایان‌نامه
باز یابی میدان ثقل با استفاده از مشا هدات خو شه ماهواره
- رشته تحصیلی
- مهندسی عمران - نقشه برداری- ژئودزی
- مقطع تحصیلی
- دکتری تخصصی PhD
- محل دفاع
- کتابخانه مرکزی پردیس 2 فنی شماره ثبت: 3532;کتابخانه مرکزی -تالار اطلاع رسانی شماره ثبت: 79676;کتابخانه مرکزی پردیس 2 فنی شماره ثبت: 3532;کتابخانه مرکزی -تالار اطلاع رسانی شماره ثبت: 79676
- تاریخ دفاع
- ۳۰ بهمن ۱۳۹۵
- دانشجو
- محمدرضا سیف
- استاد راهنما
- محمدعلی شریفی
- چکیده
- در سال‌های اخیر، بازیابی میدان ثقل زمین با استفاده از مشاهدات ماهواره‌های جاذبی اطلاعات سودمندی از رخدادهای درون زمین را در اختیار محققان جهان قرار داده است. بنابراین نسل‌های جدید مأموریت‌های جاذبی نه تنها برای پر کردن خلا ناشی از مأموریت کنونی در آینده بلکه برای بهبود مدل‌سازی میدان ثقل طراحی شده و خواهد شد. در این تحقیق با تکیه بر یکی از روش‌های شبه‌تحلیلی (روش لاگرانژ)، روش نوینی در بازیابی و آنالیز حساسیت مأموریت‌های آتی ارائه گردیده است. تفاوت اساسی این روش با نمونه‌های مشابه در این است که این روش بر اساس تحلیل حرکت مداری ماهواره‌ها با استفاده از فرمولاسیون شبه‌تحلیلی روش لاگرانژ است که در سال 2011توسط نویسندگان این پژوهش توسعه یافت. قابلیت این روش در بازیابی میدان ثقل زمین در خلال یک سری شبیه‌سازی‌ها در کنار داده‌های واقعی بررسی گردید. نتایج نشان‌دهنده این حقیقت بود که این روش می‌تواند ازنظر کیفیت مدل‌سازی با روش‌های موجود قابل رقابت باشد. حساسیت اندک به مقدار اولیه برای مجهولات مسئله مدل‌سازی میدان ثقل (ضرایب استوکس) و اثرپذیری کمتر از کمبود داده در مناطق قطبی برای مأموریت‌های مشابه ماهواره GOCE ، از وجه تمایزات این روش است. این نتایج با استفاده از مشاهدات واقعی مداری ماهواره GOCE نیز تکرار شد. به منظور مدل‌سازی میدان ثقل از مشاهدات مداری R1 ماهواره GOCE در بازه زمانی یک ماهه استفاده گردید. توسعه یک فرمولاسیون شبه-تحلیلی کارایی خود را در آنالیز حساسیت مشاهدات مأموریت‌های ثقل سنجی به آنامولی‌های میدان ثقل نیز نشان داد. از منظر آنالیز حساسیت مأموریت‌های جاذبی، روش لاگرانژ این فرصت را فراهم کرد تا اثر آنامولی‌های میدان ثقل بر مشاهدات مأموریت‌های جاذبی را تجزیه‌وتحلیل کنیم. در این روش حساسیت مشاهدات و میزان همگن بودن آن‌ها ازنظر حساسیت به تمامی ترم‌های میدان ثقل، بر اساس تفسیر نقش هرکدام از این ترم‌ها در تغییرات مشاهدات فاصله‌سنجی بین زوج ماهواره قابل‌بررسی است. ازآنجاکه نقش هرکدام از آنامولی‌های میدان ثقل در اغتشاش مشاهدات زوج ماهواره تابعی از آرایش فضایی آن دو ماهواره است، با استفاده از این تفسیر می‌توان پیش از بازیابی میدان ثقل و صرفاً بر اساس آنالیز مشاهدات به برآورد مناسبی از ضعف و قوت هرکدام از مأموریت‌های جاذبی در مدل‌سازی میدان ثقل رسید. کارایی این روش برای چندین آرایش فضایی مهم (آرایش فضایی هم‌مدار، پاندولی، چرخوفلکی و مارپیچی) به‌عنوان نمونه مطالعاتی مورد بررسی قرار گرفت. علاوه بر آن، نقش ارتفاع مداری زوج ماهواره و فاصله زوج ماهواره به‌عنوان فاکتورهای تأثیرگذار در حساسیت مأموریت‌ها با استفاده از روش پیشنهادی مورد بررسی قرار گرفت. اثر بیضویت زمین نیز به‌عنوان مهم‌ترین ترم اغتشاشی میدان ثقل بر تغییرات آرایش‌های فضایی به شکل جداگانه مورد ارزیابی قرار گرفت. بالاترین و پایین‌ترین حساسیت به زونال میدان ثقل به ترتیب مربوط به مأموریت هم‌مدار و پاندولی است. علت این مسئله را باید در آرایش فضایی در-راستای حرکت مأموریت هم‌مدار و ضعف مأموریت پاندولی در اندازه‌گیری مؤلفه در راستای حرکت است. به دلیل وجود مؤلفه شعاعی، مأموریت‌های چرخوفلکی و مارپیچی توانایی بالاتری در گردآوری مشاهدات همگن دارند مأموریت مارپیچی در مقایسه با مأموریت چرخوفلکی به دلیل وجود مؤلفه خارج-از-صفحه‌ای حساسیت بالاتری نسبت به مؤلفه‌های سکتوریال دارد. بنابراین، می‌توان از این آرایش فضایی انتظار بیشترین همگن بودن در مشاهدات را داشت. در این تحقیق مأموریت Bendre به‌عنوان یک آرایش فضایی تشکیل‌شده از 2 مأموریت هم‌مدار (یکی به صورت قطبی و دیگری به صورت مایل) نیز مورد بررسی قرار گرفت. بر اساس این بررسی، بهترین میل مداری برای تعریف زوج ماهواره دوم، میل مداری بین 60 تا 70 درجه است. مسئله دیگری که در این تحقیق به آن توجه شد, دقت شبیه‌سازی مشاهدات است. با توجه به افزایش دقت مشاهدات ماهواره‌ای و رسیدن به دقت‌های زیر سانتیمتر در تعین مدار و دقت‌های میکرونی در مشاهدات فاصله‌سنجی زوج ماهواره و تلاش برای رسیدن به سامانه‌های اندازه‌گیری دقیق‌تر، لزوم پرداختن به‌دقت روش‌های عددی بیش‌ازپیش احساس می‌شود. عدم توجه به‌دقت روش‌های عددی باعث خواهد شد که نتوان در آینده از تمامی مزایای یک سیستم مشاهداتی دقیق‌تر بهره‌مند شد. بنابراین در خلال این پژوهش یک روش انتگرال‌گیری عددی چندپله‌ای جدید به منظور شبیه‌سازی مدار ماهواره‌ها برای اولین بار ارائه گردید که نسبت به روش‌های مرسوم دارای صحت و پایداری جواب بالاتری است. اساس این روش مبتنی بر دخالت مشتقات مرتبه بالاتر در فرآیند انتگرال‌گیری عددی است. استفاده از مشتقات مرتبه بالا علاوه بر افزایش پایداری روش‌های چندپله‌ای، صحت جواب حاصل از آن‌ها را نیز افزایش خواهد داد. صحت, پایداری و سرت این روش با روش‌های مطرح انتگرال‌گیری عددی مقایسه گردید. اختلاف جواب عددی و تحلیلی معادله حرکت ماهواره در میدان مرکزی در مدت یک ماه، برای روش پیشنهادی و روش مرسوم ode45 به عنوان معیاری برای بررسی صحت روش‌های عددی مورد استفاده قرار گرفت. نتایج نشان‌دهنده خطای در حدود 5 سانتیمتر برای روش پیشنهادی و بیست سانتیمتر برای روش ode45 بود. واژگان کلیدی: تعیین میدان ثقل، ماموریت‌های فضایی، خوشه ماهواره‌ها
- Abstract
- During the past decent, the gravity field reconstruction via the analysis of the satellite measurements has been proven to provide essential information for Earth system research purposes. For the next-generation of the gravimetry missions, alternative formations have been, and will be, designed and proposed not only to continue the gravity time-series measurements but also to improve the sensitivity and isotropy. The main aim of this research is to use the ability of one of the semi-analytical approaches (Lagrange method) to model the Earth gravity field and analyze the sensitivity of the future gravimetry formations. In this research we present a new technique by means of a series of simulation studies and we demonstrate that the novel method is comparable with the hitherto proposed techniques. As the main difference with existing methods, our approach is based on the so-called Lagrange coefficients, i.e., a semi-analytical description of the satellite motion. For this reason, we denote the technique to as the Lagrange formalism. The low sensitivity to the priori information about the gravity field, and less influence of the polar gap are of its characteristics. The investigations demonstrate that the idea of the Lagrange method in determining the Earth's gravity field could represent comparable results in term of quality with other approaches. In order to investigate the proposed method using the real orbit data, one month of the first data set of GOCE satellite (R1) has been used. In viewpoint of sensitivity analysis too, this approach provides the opportunity to compute the impact of any gravity field variations on the range rate measurements between a pair satellite. In this approach, the observable sensitivity and isotropy could be investigated by the interpretation of the contribution of the gravity terms to the range change. As their contribution are functions of the satellite configuration, a proper understanding of the strengths and weaknesses of Next-Generation Gravity Field missions could be explored by the help of this interpretation before estimating the gravity field from the simulated observations. The efficiency of the approach was studied for some important formations as case studies. In addition to the orbital altitude, and inter-satellite distance separation analysis, the impact of various measurements (in directions e.g. along-, radial- and cross- track) on the sensitivity and isotropy has been investigated. The results show that although the longer inter-satellite distance will effect on increasing the mission sensitivity to the gravity variation, this increase is sharper for the sectorial and near sectorial harmonics besides the lower degree of the zonal ones. In view point of the satellite altitude, the higher altitude leads to more sensitivity of the gravity mission, and this effect is more intense for higher degree gravity terms due to the damping factor effect. It could be concluded from our studies that the high sensitivity of the Co-orbiter formation to the zonal terms of the gravity field has been investigated using the proposed approach. Based on these findings, the weakness of the Pendulum formation in measuring the along-track component shows itself in low sensitivity to the zonal term, while the Pendulum observations is more sensitive to the sectorial and near-sectorial harmonics. Adding the along-track component in the trailing Pendulum improve the isotropy dramatically. The Cartwheel and Helix formations could make more isotropic observation because of incorporating the radial component. In comparison with Cartwheel formation, the sectorial and near-sectorial harmonics have more effect on the range change in Helix due to corruption of the out-of-plane component. The Helix is used as reference formation to investigate the Bender-type missions. In the Bender-type formation definition, adding inclined in-line pair-satellite at high inclinations decease the mission sensitivity to the East–West variations of the Earth's gravity field, increase the sensitivity to the North-South variations. Then, it could be expected the more isotropic observation are made using the Bender-type with the inclination between $ 60^\circ $ to $ 70^\circ $.The Earth's oblateness effect on the range change was especially analyzed too, as the most important perturbing term. In addition in this research, a new family of explicit and implicit multistep methods is presented both for the error controlled and uncontrolled modes. The main concept is to replace the Newton interpolation with the Hermite interpolation, where the Hermite polynomial is fitted to the function values and its derivatives. This idea is very useful in numerical solution of the problems (e.g., orbit propagation problem) that the higher order derivatives can easily be computed. The new integrators are numerically tested for few examples and the solutions are compared with that of the well-known multistep and single-step methods. The CHAMP mission is considered as a case study for comparing the achievable accuracy of the proposed method with the existing method for solving the two-body problem during one month. The maximum error of the new proposed method is of about 5 centimeters whereas that of the ode45 reaches about 21 centimeters. The ability of the proposed numerical method has been investigated for producing more accurate orbit and simulated observation of the gravimetry satellite.
