Analysing Sporadic Short Excitations in LRI ranging Data: Single Event Upsets and Momentum Transfer Events
Creators: name: Bekal, Pallavi
Publisher: name: Bremen : Universität Bremen
Year: 2024
Subjects: subject: LRI
subject: Laser ranging interferometer
subject: GRACE-FO
subject: MTE
subject: SEU
subject: Single Event Upsets
subject: Momentum Transfer Events
subject: GRACE Follow-On
subject: Laser interferometry
subject: Meteoroids
subject: South Atlantic Anomaly
subject: Orbital debris
subject: Space Laser Interferometery
subject: Dewey Decimal Classification::500 | Naturwissenschaften::530 | Physik
subject: Dewey Decimal Classification::500 | Naturwissenschaften::550 | Geowissenschaften
subject: Dewey Decimal Classification::600 | Technik::620 | Ingenieurwissenschaften und Maschinenbau::621 | Angewandte Physik::621,3 | Elektrotechnik, Elektronik

description: The Gravity Recovery and Climate Experiment Follow-On (GRACE-FO) mission is a joint US-German collaboration to continue the record of Earth’s gravity ﬁeld since the decommissioning of GRACE (2002-2017). GRACE-FO is a two-satellite constellation that orbits the Earth in a near-polar orbit at an altitude of 490 km. The satellites maintain a distance of 220 km ± 50 km between them as they ﬂy along the same orbit, one behind the other. Each spacecraft is aﬀected by the Earth’s varying mass distribution, which changes the inter-satellite range. Two satellite instruments measure this changing range to determine the gravity ﬁeld: the laser ranging interferometer (LRI) and the microwave instrument (MWI). The LRI is a novel technology that uses a laser link between the satellites and determines the range through heterodyne interferometry of the Doppler-shifted laser beams. The range calculated from this instrument has nanometre-level accuracy, 1000 times lower than the conventional MWI. This thesis analyses the LRI ranging data to study certain ﬂeeting and intermittent disturbances: single event upsets (SEUs) and momentum transfer events (MTEs). SEUs are temporary errors within the memory of an electric device caused by interaction with charged particles. Within the architecture of the laser ranging processor (LRP), two FIR ﬁlters oﬀer a certain number of registers where such SEUs can cause bit upsets that eventually aﬀect the four-channel phase data. Simulations are generated to examine the SEU signatures in the data. The unique patterns observed are stored in a pair of look up tables (LUTs) and used in a maximum likelihood method (MLM) pattern-matching algorithm. The goal was to detect SEUs, characterise them and remove the model from the ranging data. The algorithm successfully detects 32 bitﬂip events over ﬁve years. They are equally distributed between both spacecraft and also among the four channels. They are modelled and removed from the phase data with residuals in the order of 10−6 cycles. The geographical location of the events over the map of the Earth shows more than half of them occurring in the South Atlantic anomaly (SAA), where the magnitude of the Earth’s magnetic ﬁeld is the lowest, and the charged particles’ concentration is thus high. The more frequently occurring MTEs are caused by the physical impact of orbital debris on the GRACE Follow-On (GRACE-FO) spacecraft. The LRI measures these disturbances as accelerations along the line-of-sight. By cross-correlating these accelerations with those measured by the onboard accelerometer, 265 such MTEs are detected. MTE impacts are caused by natural or artiﬁcial sources. The natural sources are, for example, the constant meteoroid background and yearly meteoroid streams. The artiﬁcial sources comprise orbital debris accumulated around the Earth since the beginning of space exploration, especially concentrated in low earth orbit. The events detected coincide with the period of the β-angle of the sun.
description: Die Gravity Recovery and Climate Experiment Follow-On (GRACE-FO) - Mission ist eine amerikanisch-deutsche Zusammenarbeit, um die Vermessung des Gravitationsfeldes der Erde seit der Stilllegung von GRACE (2002-2017) fortzusetzen. GRACE-FO besteht aus zwei Satelliten, die die Erde in einer polarnahen Umlaufbahn in einer Höhe von 490 km umkreisen. Die Satelliten fliegen in einem Abstand von 220 km. Dieser ändert sich jedoch, da jeder Satellit leicht unterschiedlich von der Massenverteilung der Erde beeinflusst wird. Zwei Instrumente messen den Abstand, um das Gravitationsfeld zu bestimmen: das Laser ranging interferometer (LRI) und das Microwave instrument (MWI). Das LRI ist ein neuartiges Instrument, das eine Laserverbindung zwischen den Satelliten nutzt und die Änderung des Abstands durch Heterodyninterferometrie der Doppler-verschobenen Laserstrahlen bestimmt. Der mit diesem Instrument berechnete Abstand hat eine Genauigkeit im Nanometerbereich, welche eintausendmal genauer ist, als die des MWI. Diese Arbeit analysiert die LRI-Daten, um bestimmte flüchtige und intermittierende Störungen zu untersuchen: Single event upsets (SEUs) und Momentum transfer events (MTEs). SEUs sind vorübergehende Fehler, die im Speicher eines elektrischen Geräts durch die Interaktion mit geladenen Teilchen verursacht werden. Innerhalb der Architektur des laser ranging processor (LRP) bieten zwei FIR-Filter eine bestimmte Anzahl von Registern, in denen solche SEUBitstörungen vorkommen können. Diese wirken sich schließlich auf die vierkanaligen Phasendaten aus. Es werden Simulationen erstellt, um die SEU-Signaturen in den Daten zu untersuchen. Die Muster, welche sich als eindeutig erweisen, werden in einem Paar von look up tables (LUTs) gespeichert und in einem Maximum likelihood method (MLM)-Mustervergleichsalgorithmus verwendet. Ziel war es, SEUs zu erkennen, sie zu charakterisieren und anschließend zu korrigieren. Der Algorithmus erkennt über einen Zeitraum von fünf Jahren erfolgreich 32 Bitflip-Ereignisse. Sie verteilen sich gleichmäßig auf beide Satelliten und auch auf die vier Kanäle. Die Resultate werden modelliert und mit Residuen in der Größenordnung von 10−6 Cycles aus den Phasendaten entfernt. Die geografische Position der Ereignisse auf der Erdkarte zeigt, dass sich mehr als die Hälfte davon über der South Atlantic anomaly (SAA) ereignen, wo die Stärke des Erdmagnetfelds am niedrigsten und die Konzentration der geladenen Teilchen hoch ist. Die häufiger auftretenden MTEs werden durch Trümmer in der Umlaufbahn verursacht, die auf die Satelliten treffen. Das LRI misst diese Störungen als Beschleunigungen entlang der Sichtachse. Durch Kreuzkorrelation dieser Beschleunigungen mit den Daten des sich am Satelliten befindenden Beschleunigungsmesser, wurden 265 solcher MTEs erkannt. MTEs werden durch natürliche oder künstliche Quellen verursacht. Die natürlichen Quellen sind der Meteoritenhintergrund und die jährlichen Meteoritenströme. Bei den künstlichen Quellen handelt es sich um orbitale Trümmer, die sich seit Beginn der Weltraumforschung rund um die Erde angesammelt haben und sich insbesondere im erdnahen Orbit konzentrieren. Die erfassten Ereignisse fallen mit der Periode des β-Winkels der Sonne zusammen.