Contributions to satellite altimetry calibration with microwave transponders and corner reflectors in the context of fiducial reference measurements
Authors: Κοκολάκης Κωνσταντίνος 
Published: May 2023

Η παρούσα διατριβή βελτιώνει την ακρίβεια βαθμονόμησης των προϊόντων των δορυφόρων αλτιμετρίας με: (1) ενίσχυση υπαρχουσών τεχνικών, (2) συνδυασμό τεχνικών ενεργών και παθητικών στόχων, (3) εισαγωγή νέων τεχνικών βαθμονόμησης, και (4) επανεξέταση των συμβατικών τεχνικών επεξεργασίας.Η δορυφορική αλτιμετρία συμβάλλει στην κατανόηση των διαδικασιών που καθορίζουν το κλίμα της Γης μέσω της παρακολούθησης των ωκεανών και των μαζών νερού στην στεριά. Η κύρια μέτρηση της αλτιμετρίας είναι η απόσταση μεταξύ του αλτιμέτρου και της επιφάνειας της Γης. Η ακρίβεια και η αξιοπιστία της αλτιμετρικής απόστασης βεβαιώνεται μέσω μεθοδολογιών βαθμονόμησης που λαμβάνουν χώρα σε εξειδικευμένες εγκαταστάσεις. Τις τελευταίες δεκαετίες οι βελτιώσεις στα επιστημονικά όργανα και στους αλγορίθμους αύξησαν την ακρίβεια της δορυφορικής αλτιμετρίας. Για παράδειγμα, η αποστολή TOPEX/Poseidon (εκτοξεύθηκε το 1992) μετρούσε την τοπογραφία των ωκεανών με ακρίβεια 4 cm ενώ ο Sentinel-3A (εκτοξεύθηκε το 2016) έφτασε την ακρίβεια των 2 cm. Αντίθετα, η διαδικασία ελέγχου της ακρίβειας των δορυφορικών μετρήσεων παρέμεινε πρακτικά ίδια και δεν ακολούθησε τις τεχνολογικές εξελίξεις και τις επιστημονικές απαιτήσεις.Αυτό το κενό έρχεται να καλύψει η εργασία, αναγνωρίζοντας τις κυριότερες πηγές σφαλμάτων των μεθοδολογιών βαθμονόμησης, αντιμετωπίζοντας και τελικά βελτιώνοντας την ακρίβεια και την αξιοπιστία της βαθμονόμησης. Ακολουθώντας τις αρχές Θεμελιωδών Μετρήσεων Αναφοράς (ΘΜΑ), οι κύριες συνιστώσες σφαλμάτων είναι: (α) η καθυστέρηση της υγρή συνιστώσας της τροπόσφαιρας, (β) η εσωτερική καθυστέρηση του αναμεταδότη, (γ) οι γεωφυσικές διορθώσεις και (δ) οι προσεγγίσεις της επεξεργασίας κατά την βαθμονόμηση. Οι ΘΜΑ εισήχθησαν από την Ευρωπαϊκή Υπηρεσία Διαστήματος για να προτυποποιήσουν την εκτίμηση του σφάλματος του αλτιμέτρου. Η διατριβή χωρίζεται σε τέσσερις ενότητες, κάθε μία από τις οποίες παρουσιάζει και έναν ερευνητικό στόχο και την αντίστοιχη συνεισφορά αυτής της εργασίας. Ο πρώτος στόχος ήταν η αύξηση της αξιοπιστίας της εκτίμησης της πιο ευμετάβλητης παραμέτρου της βαθμονόμησης αλτιμετρίας, της καθυστέρησης της υγρής συνιστώσας της τροπόσφαιρας. Αυτός επετεύχθη με την αξιολόγηση και εφαρμογή δύο ανεξάρτητων τεχνικών που βασίζονται στο Ocean and Land Colour Instrument της αποστολής Sentinel-3 και στο επίγειο ραδιόμετρο MP-3000A. Η αξιοποίηση αυτών των τεχνικών παράλληλα με την υπάρχουσα τεχνική των παγκόσμιων δορυφορικών συστημάτων εντοπισμού, προσφέρει έναν ανεξάρτητο τρόπο για την διόρθωση της καθυστέρησης της υγρής συνιστώσας της τροπόσφαιρας κατά την βαθμονόμηση της αλτιμετρικής απόστασης.Ο δεύτερος στόχος υπήρξε η αξιολόγηση εναλλακτικών τρόπων βαθμονόμησης με σημειακούς στόχους και ο προσδιορισμός των πλεονεκτημάτων τους σε σχέση με τις ήδη εφαρμοζόμενες τεχνικές. Αυτή η εισαγωγή εναλλακτικών τρόπων αντιμετωπίζει το κυριότερο σφάλμα της βαθμονόμησης με αναμεταδότη, την εσωτερική καθυστέρηση. Μετά από συστηματική έρευνα και αξιολόγηση διαφόρων τεχνικών, προτείνεται η ταυτόχρονη χρήση ενεργών (αναμεταδότες) και παθητικών (γωνιακοί ανακλαστήρες) σημειακών στόχων στο ίδιο δίκτυο βαθμονόμησης. Ο κύριος σημειακός στόχος προτείνεται να είναι ο αναμεταδότης χάρις στην υψηλή αναλογία σήματος με θόρυβο που προσφέρει. Η ταυτόχρονη λειτουργία αυτών των ετερογενών στόχων επιτρέπει τον έλεγχο της μεγαλύτερης αβεβαιότητας της βαθμονόμησης με αναμεταδότη, την εσωτερική καθυστέρηση, με την σύγκριση του σήματος του αναμεταδότη με αυτό των γωνιακών ανακλαστήρων.Ο τρίτος στόχος ήταν η ανάπτυξη νέων τεχνικών με σκοπό την μείωση της αβεβαιότητας της βαθμονόμησης, ώστε να καλυφθούν οι απαιτήσεις ακρίβειας των σύγχρονων δορυφορικών αποστολών. Συγκεκριμένα, αναπτύχθηκε μία νέα τεχνική βαθμονόμησης που ονομάζεται Διαφορική Αλτιμετρία Γωνιακών Ανακλαστήρων (ΔΑΓΑ). Για πρώτη φορά, μέσω της ΔΑΓΑ, είναι δυνατός ο προσδιορισμός σφάλματος που είναι απαλλαγμένο από αβεβαιότητες διορθώσεων ατμόσφαιρας, γεωφυσικές επιδράσεις και τροχιακά σφάλματα. Αυτή η σημαντική πρόοδος επιτυγχάνεται μέσω της τοποθέτησης γωνιακών ανακλαστήρων στον ίδιο σταθμό. Εφόσον οι γωνιακοί ανακλαστήρες γειτνιάζουν, επηρεάζονται από τα ίδια ατμοσφαιρικά και γεωφυσικά φαινόμενα, στο ίδιο σημείο της τροχιάς. Συνεπώς, υπολογίζεται ένα διαφορικό σφάλμα, που προέρχεται από την σύγκριση του σήματος των γωνιακών ανακλαστήρων (προσδιορισμένο από αλτιμετρικές μετρήσεις) σε σχέση με την γνωστή τους απόσταση. Ο τελευταίος στόχος ήταν η επανεξέταση της συμβατικής επεξεργασίας της βαθμονόμησης για να βελτιωθούν οι προσεγγίσεις που μειώνουν την αξιοπιστία της εκτίμησης του σφάλματος του αλτιμέτρου. Μέχρι σήμερα, η σύνδεση μεταξύ των σημείων αναφοράς μετρούμενης και γεωμετρικής απόστασης γίνονταν μέσω ενός σταθερού όρου. Στην εργασία αυτή προτείνεται μία ολοκληρωμένη μεθοδολογία η οποία με αναλυτικό τρόπο προσδιορίζει δυναμικά (αξιοποιώντας μετρήσεις προσανατολισμού του δορυφόρου στο χώρο) και όχι μονοσήμαντα τη σύνδεση αυτή. Η διόρθωση που επιτυγχάνεται στην περίπτωση του δορυφόρου Jason-3, κυμαίνεται από -2 mm μέχρι 1 mm για την αλτιμετρική απόσταση και -110 μs έως 110 μs για το σφάλμα χρονικής αναφοράς. Το μέγεθος της διόρθωσης για το σφάλμα χρονικής αναφοράς αποτελεί το 30% της μέσης του τιμής. Με την εφαρμογή της προτεινόμενης μεθοδολογίας στις τροχιές του Jason-3 που διέρχονται από τον αναμεταδότη GVD1 στη Γαύδο, υπήρξε βελτίωση κατά 12% της μέσης διαφοράς μεταξύ κατιούσας και της ανιούσας τροχιάς.Συνοψίζοντας, η συμβολή της διατριβής στην επιστημονική κοινότητα είναι πως περιορίζει την επίδραση των συστηματικών σφαλμάτων που προέρχονται από (α) τους επίγειους σταθμούς (συγκεκριμένα της γνώση της εσωτερικής καθυστέρησης, ατμοσφαιρικές και γεωφυσικές διορθώσεις), (β) τα φυσικά χαρακτηριστικά του δορυφόρου (διαστάσεις και εσωτερική διάταξη οργάνων), και (γ) τον προσανατολισμό του στον χώρο. Για να βεβαιώσουμε ότι οι διαδικασίες βαθμονόμησης καλύπτουν τις ανάγκες μελλοντικών αποστολών αλτιμετρίας ακολουθώντας τις απαιτήσεις των ΘΜΑ, οι μέθοδοι που προτείνονται σε αυτήν την διατριβή πρέπει να ληφθούν υπόψιν σε κάθε σημερινή και μελλοντική υποδομή βαθμονόμησης. Ο πιθανός αντίκτυπος αυτήν της εργασίας είναι η επίτευξη ακρίβειας κάτω του εκατοστού στην βαθμονόμηση δορυφορικών αλτιμέτρων.