Methodology for orbit determination using DORIS RINEX data
Authors: Παπανικολάου Ξάνθος 
Published: May 2023

Η επιστήμη της Γεωδαισίας έχει κάνει μεγάλα άλματα προόδου μετά την εισαγωγήτων τεχνητών δορυφόρων που βρίσκονται σε τροχιά γύρω από τη Γη. Σε αυτήτη ’νέα εποχή’, τα δεδομένα που προέρχονται από δορυφορικές αποστολές παίζουνσημαίνοντα ρόλο στο ευρύτερο γνωστικό πεδίο, προσφέροντας σημαντικά αποτελέσματα σε ένα ευρύ φάσμα γεωεπιστημών. Η χρήση όμως τέτοιων δεδομένων, είναισυχνά συνυφασμένη με την περιγραφή της δορυφορικής κίνησης και των δυνάμεωνπου την επηρεάζουν, σε κατάλληλα, υψηλής ακρίβειας χωρικά και χρονικά συστήματααναφοράς. Συνεπώς, η εκτίμηση των δορυφορικών τροχιών αποτελεί ένα θεμελιώδεςπρόβλημα στην σύγχρονη γεωδαισία.Η εκτίμηση υψηλής ακρίβειας δορυφορικών τροχιών, γίνεται κυρίως με χρήσητριών συστημάτων και συγκεκριμένα του SLR, του GNSS και του DORIS. Οι τεχνικέςαυτές, συμβάλουν καταλυτικά και στην υλοποίηση των σύγχρονων παγκόσμιων συστημάτων αναφοράς (π.χ. ITRF).Παρά τη σημαντική συμβολή και την εξέχουσα θέση που καταλαμβάνει τις τελευταίες δεκαετίες, το σύστημα DORIS δεν έχει έως τώρα προσελκύσει το ανάλογοεπιστημονικό κοινό και συνεπώς μια κατάλληλη υπολογιστική πλατφόρμα λογισμικούγια την εκμετάλλευση των δυνατοτήτων που μπορεί να προσφέρει. Ενδεικτικός είναιο μικρός αριθμός εξειδικευμένων κέντρων ανάλυσης, ειδικά σε σχέση με τις λοιπέςτεχνικές προσδιορισμού τροχιών.Με αφορμή την έλλειψη αυτή, στο πλαίσιο της παρούσας Διδακτορικής Διατριβής,επιχειρείται ο σχεδιασμός και η ανάπτυξη μια δέσμης λογισμικών εργαλείων επιστημονικής ποιότητας, για την επεξεργασία δεδομένων DORIS και δη για τη χρήσηδεδομένων καταγραφής του συστήματος για την εκτίμηση δορυφορικών τροχιών.Τα υπολογιστκά εργαλεία που αναπτύχθηκαν είναι ελεύθερα διαθέσιμα στην επιστημονική κοινότητα, ακολουθώντας την πολιτική του ’ανοιχτού κώδικα’, προσαρμόσιμακαι επεκτάσιμα για να ανταποκρίνονται σε ερευνητικές απαιτήσεις υψηλής ακρίβειας,περιλαμβάνοντας τους πλέον σύγχρονους αλγορίθμους και μεθοδολογίες. Ο σχεδiασμός και η υλοποίηση ακολουθεί και υιοθετεί σύγχρονα προγραμματιστικά πρότυπα.Η διάρθρωση της εργαλειοθήκης που αναπτύχθηκε, αποτελείται από ανεξάρτητα’πακέτα’ (ή βιβλιοθήκες), καθένα εκ των οποίων έχει σαφώς καθορισμένη στόχευση.Με τον τρόπο αυτό, τα ξεχωριστά κομμάτια συγκρατούνται σε εύκολα διαχειρίσιμαμεγέθη, καθιστώντας το πακέτο ιδανικό για χρήση από την επιστημονική κοινότητασε ένα ευρύ φάσμα εφαρμογών.Τα τρέχοντα διεθνή, υψηλής ακρίβειας πρότυπα μοντελοποίησης έχουν ακολου-θηθεί αυστηρά, σε μία σειρά προβλημάτων που αφορούν ενδεικτικά: τις δυνάμεις πουεπιδρούν σε τεχνητούς δορυφόρους γύρω από τη γη, την ίδια κίνηση της γης, ταχωρικά και χρονικά συστήματα αναφοράς, την αριθμητική επίλυση διαφορικών εξισώσεων. ΄Οπου χρειάστηκε, δοκιμάστηκαν και αξιολογήθηκαν διαφορετικές μέθοδοικαι εν συνεχεία προσαρμόστηκαν και επεκτάθηκαν με βάση κριτήρια ακριβείας και υπολογιστικού φόρτου. Αξίζει να σημειωθεί ότι το λογισμικό εστιάζει σε μία μοντέρνα,καινοφανή προσέγγιση επεξεργασίας δεδομένων DORIS υποστηρίζοντας τις τελευταίες εξελίξεις τις τεχνικής όπως π.χ. η υιοθέτηση του μορφότυπου ανταλλαγής δεδομένων DORIS RINEX, η διαχείριση δεδομένων φέροντος κύματος (carrier phase)καθώς και η δυνατότητα επεξεργασίας δεδομένων σε σχεδόν πραγματικό χρόνο.Δεδομένης της πολυπλοκότητας του προβλήματος και των περιορισμών που τίθενται σε μία Διδακτορική Διατριβή, ο σκοπός της παρούσας δεν είναι η ανάπτυξηενός λογισμικού που θα φτάσει τα επίπεδα ποιότητας που αυτή τη στιγμή πετυχαίνουνκέντρα ανάλυσης εγνωσμένης αξίας, με δεκαετίες εμπειρίας και μεγάλες ερευνητικέςομάδες υποστήριξης (IDS). Ο στόχος που τέθηκε είναι η δημιουργία μιας καινούριας,σύγχρονης εργαλειοθήκης που θα μπορεί να παίξει το ρόλο του θεμελιώδους δομικούστοιχείου για την επίτευξη τέτοιων ακριβειών στο άμεσο μέλλον. Με μικρές, σαφώςορισμένες βελτιώσεις, εκτιμάται ότι το πακέτο που σχεδιάστηκε για την παρούσαΔιατριβή μπορεί να υπηρετήσει το ρόλο αυτό.Για τον έλεγχο της ποιότητας του πακέτου που σχεδιάστηκε, αναπτύχθηκε έναπρόγραμμα για τον προσδιορισμό της τροχιάς της δορυφορικής αποστολής JASON-3. Οι εκτιμήσεις θέσης και ταχύτητας του δορυφόρου που προέκυψαν, για μία ημέρα ενδεικτικά, συγκρίθηκαν με αντίστοιχα αποτελέσματα της υψηλότερης δυνατήςακρίβειας από την CNES/SSALTO. Οι διαφορές που προέκυψαν είναι της τάξης τωνλίγων μέτρων και των λίγων χιλιοστών ανά μέτρο για την θέση και την ταχύτητααντίστοιχα.Τα αποτελέσματα υποδεικνύουν ότι η εργαλειοθήκη που σχεδιάστηκε και αναπτύχθηκε μπορεί να αποτελέσει το κύριο δομικό στοιχείο ενός προγράμματος επεξεργασίας δεδομένων DORIS, ποιότητας εφάμιλλης των κέντρων ανάλυσης της τεχνικής.