Analysis of Disturbance Torques on Satellites in Low-Earth Orbit Based Upon GRACE

Kurzfassung

GRACE (Gravity Recovery and Climate Experiment) ist eine wissenschaftliche Mission, initiiert durch die beiden Principle Investigators UTCSR (University of Texas, Center for Space Research) und GFZ (Geoforschungszentrum Potsdam). Die Nutzlast wurde vom Unternehmen JPL (Jet Propulsion Laboratory) gefertigt, welches gleichzeitig für Nutzlast- und Softwarebetrieb verantwortlich ist. Für den Satellitenbetrieb ist das GSOC (German Space Operation Center) zuständig. In 2002 wurden zwei baugleiche Satelliten in einen polaren Orbit in 500 km Höhe geschossen. Das Missionsziel ist die Untersuchung des Gravitationsfeldes der Erde mit deutlich erhöhter Genauigkeit, verglichen mit Vorgängermissionen. Die Mission übertraf die ursprünglich geplante Dauer von fünf Jahren deutlich. Bis heute werden wissenschaftliche Daten produziert, trotz der reduzierter Leistungsfähigkeit der Batterie in den letzten Jahren. Die Erkenntnisse erlauben Aussagen sowohl hinsichtlich der Zeitvariation des hydrologischen Zykluses als auch das Alterungsverhalten und die Langzeitstabilität des Raumsegments. Die Lageregelung der Satelliten wird gewährleistet durch drei magentische Torquerods und ein Kaltgas-Antriebssystem bestehend aus 12 Schubdüsen. Während der Analyse der Telemetrie wurde ein Unterschied zwischen den Aktivierungszeiten der Schubdüsen beobachtet, besonders deutlich bei Betrachtung des Rollverhaltens. Dieser asymmetrische Betrieb deutet auf einen periodischen Störeffekt hin, der die Satelliten sich abwechselnd in positive und negative neigen lässt bei einer Periode von etwa 322 Tagen. Ein präzises Verständnis aller Störkräfte ist enorm wichtig. Lagestörungen durch das Gravitationsfeld, die für die Erstellung des Feldmodells notwendig sind, können nur ermittelt werden, wenn alle weiteren Störgrößen herausgerechnet werden können. Primäres Ziel dieser Arbeit ist die Analyse des genannten Effektes und die Ermittlung seines Ursprungs, um so neues Verständnis im Hinblick auf Langzeit-Störeffekte auf niedrigfliegende Satelliten zu erhalten. Hierfür werden zwei möglich Effekte untersucht: Der Strahlungsdruck der Sonne, sowie magnetische Störeffekte. Letztere könnten als Ursache die Wechselwirkung von Stromflüssen im Satelliten mit dem Erdmagnetfeld haben. Besonders interessant is die Möglichkeit ungewollter Ströme in den Solarpanelen. Für die Analyse aller Szenarien werden entsprechende Modelle konstruiert. Alle Störeffekte werden auf langen sowie kurzen Zeitskalen betrachtet und so die Einflüsse auf die Lagestabilität der Satelliten spezifiziert.