title: Co-location of space geodetic techniques in space
Creators: name: Mammadaliyev, Nijat
Publisher: name: Technische Universität Berlin
Year: 2025
Subjects: subject: 500 Naturwissenschaften und Mathematik::550 Geowissenschaften, Geologie::550 Geowissenschaften
subject: space tie
subject: ITRF
subject: ITRS
subject: GENESIS
subject: VLBI
subject: SLR

description: One of the most important goals of space geodesy is the realization of an International Terrestrial Reference System that satisfies the Global Geodetic Observing System requirements of 1 mm accuracy and 0.1 mm\a long-term stability. Currently, four main space-geodetic techniques contribute to the establishment and maintenance of a terrestrial reference frame. In particular, Very Long Baseline Interferometry and Satellite Laser Ranging techniques play a crucial role. This thesis explores the potential of combining these two techniques on board a dedicated satellite via a space tie. VLBI is the only non-satellite space-geodetic technique that contributes to terrestrial reference frame determination. However, space-tie combination requires the tracking of a dedicated satellite with VLBI infrastructure and precise orbit determination based on interferometric observations. Therefore, the feasibility of satellite tracking using the VLBI infrastructure is studied. Certain limitations, such as the common visibility of the satellite over a baseline and the slew rate of the telescope, must be considered in tracking a dedicated satellite with VLBI. Baselines of up to 11000 km can observe a satellite at an altitude of around 6000 km at low elevation angles. In addition, VLBI telescopes must be able to follow a satellite in orbit in order to compensate for the motion of the satellite and to correctly point to a dedicated satellite during observations. Satellites orbiting at a low altitude cross the sky faster than high-altitude satellites, so tracking a low-orbiting satellite requires a higher slewing rate. Observing satellites using VLBI has several benefits. It ensures precise orbit determination using interferometric observations and enables direct access to the center of mass of the Earth. The feasibility of estimating these novel parameters is studied through various simulation scenarios. Simulations are performed for six different fictitious satellite orbit scenarios, including the GRASP and E-GRASP missions, a modified version of E-GRASP, and three circular orbits with different inclination angles over a time span of seven years. Real data analysis is performed for the most realistic simulation. In addition to white noise, systematic errors in gravitational and non-gravitational perturbation forces are simulated to assess their impact on the VLBI-based geodetic products. Dynamic precise orbit determination based on simulated VLBI observations demonstrated that satellite orbits can be recovered at the centimeter level based on VLBI observations. Furthermore, the geocenter time series based on the VLBI and non-tidal loading model demonstrated good agreement, depending on the selected ground network and satellite orbit. Moreover, alternative orbits improved the formal error of geocenter coordinates by up to 95 percent compared to the formal errors obtained from the GRASP-like orbit scenario. Before performing space-tie combinations, the impact of using satellite observations in addition to quasar observations on the EOP, station coordinates, and VLBI-only terrestrial reference frame are studied. In most cases, introducing satellite observation improves EOP estimation compared with quasar-only solutions. In addition, statistically significant improvements are observed in the formal error of the estimated parameters. In the case of a circular orbit with an inclination of 30 degree, an average 50 percent improvement is expected, in fact, the EOP formal errors are improved by almost 75 percent compared with the quasar-only results. In general, using satellite observations for parameter estimation improved station coordinate repeatability compared with the quasar-only solution. The 3D coordinate repeatability is reduced by 41 percent in the case of a circular orbit with an inclination of 60 degree. For the same orbit scenario, a 54 percent mean improvement is expected, in fact, the mean formal error of the X, Y, and Z components is improved by 71 percent, 65 percent, and 67 percent, respectively, with respect to the quasar-only solution. This thesis explores the potential of space-tie vectors as an alternative to local-tie vectors, assesses their effectiveness, and investigates the viability of combining SLR and VLBI techniques using space-tie vectors. The impact of systematic errors on the determination of single-technique and combined terrestrial reference frames is investigated in terms of 14 Helmert transformation parameters. Therefore, various perturbation forces acting on the satellite and biased space ties are considered to obtain simulation scenarios in which VLBI observations are subject to systematic errors. For each satellite scenario, a perfect solution in which simulated observations contain only white noise is generated. The Helmert transformation parameters calculated between the solutions include the systematic error and the corresponding perfect solution. Adding satellite observations enabled VLBI-only determination of a reference frame without imposing no-net-translation datum conditions. Satellites located at six different orbits are used one-at-a-time as a platform for the space-tie vectors, allowing for the combination of SLR and VLBI through space ties. Using the simulated observations, an unconstrained normal equation system is generated for the techniques, and a combination is performed at the normal equation level via space ties. VLBI observations subjected to systematic errors resulted in unreliable determination of the reference frame. In particular, the results show that highly accurate orbit determination is essential for a reliable space-tie combination and that space-tie vectors must be known at the sub-millimeter level. The most important finding is that space ties can transfer datum information between techniques and provide a reliable link.
description: Eines der wichtigsten Ziele der Weltraumgeodäsie ist die Verwirklichung eines Internationalen Terrestrischen Referenzsystems, das den Anforderungen des Globalen Geodätischen Beobachtungssystems mit einer Genauigkeit von 1mm und einer Langzeitstabilität von 0.1mm/a entspricht. Derzeit tragen die vier geodätischen Weltraumverfahren zur Bestimmung eines terrestrischen Referenzrahmens bei. Insbesondere spielen die Radiointerferometrie auf langen Basislinien (engl. Very Long Baseline Interferometry - VLBI) und die Laserentfernungsmessungen zu Satelliten (engl. Satellite Laser Ranging - SLR) eine entscheidende Rolle. Diese Doktorarbeit untersucht das Potential der Kombination dieser beiden Techniken an Bord eines dedizierten Satelliten über die Ko-lokation im Weltraum (engl. space tie). VLBI ist die einzige nicht-satellitengestützte Technik, die zur Bestimmung des terrestrischen Referenzrahmens beiträgt. Die Kombination an einem speziellen Satelliten erfordert die Beobachtung dieses Satelliten mit VLBI-Antennen am Boden und eine präzise Bahnbestimmung basierend auf interferometrischen Beobachtungen. Bestimmte Einschränkungen, wie die gemeinsame Sichtbarkeit des Satelliten von einer Basislinie und die Schwenkrate des Teleskops, müssen bei der Beobachtung des Satelliten mit VLBI berücksichtigt werden. Basislinien von bis zu 11 000km länge können einen Satelliten in einer Höhe von etwa 6000km bei geringen Elevationswinkeln beobachten. Außerdem müssen VLBI-Teleskope in der Lage sein, einem Satelliten in der Umlaufbahn zu folgen, um die Bewegung des Satelliten auszugleichen und während der Beobachtungen korrekt auf den dedizierten Satelliten zu zeigen. Satelliten in niedrigen Umlaufbahnen durchqueren den Himmel schneller als Satelliten in höheren Umlaufbahnen, sodass die Beobachtung eines Satelliten in niedriger Umlaufbahn eine höhere Schwenkrate erfordert. Die Beobachtung von Satelliten mithilfe von VLBI hat mehrere Vorteile. Sie stellt eine präzise Bahnbestimmung mit interferometrischen Beobachtungen sicher und ermöglicht der VLBI den direkten Zugang zum Massenschwerpunkt der Erde. Die Machbarkeit der Schätzung dieser neuen Parameter wird durch verschiedene Simulationsszenarien untersucht. Simulationen wurden für sechs verschiedene fiktive Satellitenbahn-Szenarien durchgeführt, darunter die Missionen GRASP und E-GRASP, eine modifizierte Version von E-GRASP und drei kreisförmige Umlaufbahnen mit unterschiedlichen Neigungswinkeln über einen Zeitraum von sieben Jahren. Die Simulationen basieren auf der Analyse von Echtzeitdaten. Neben weißem Rauschen wurden systematische Unsicherheiten in gravitativen und nicht-gravitativen Störkräften simuliert, um ihren Einfluss auf die VLBI-basierten geodätischen Produkte zu bewerten. Die dynamische präzise Bahnbestimmung basierend auf simulierten VLBI-Beobachtungen zeigte, dass Satellitenbahnen mithilfe von VLBI-Beobachtungen auf Zentimeter-Niveau ermittelt werden können. Darüber hinaus zeigten die aus VLBI geschätzten Geozentrumskoordinaten eine gute Übereinstimmung mit nicht-gezeitenbedingten Auflastdeformationen, abhängig vom ausgewählten Bodennetz und der Satellitenbahn. Außerdem verbesserten alternative Umlaufbahnen die Standardabweichungen der Geozentrumskoordinaten um bis zu 95% im Vergleich zu den Standardabweichungen aus dem GRASP-ähnlichen Szenario. Vor der Durchführung der Ko-lokation im Weltraum wird der Einfluss der Nutzung von Satellitenbeobachtungen neben den Quasarbeobachtungen auf die Erdorientierungsparameter (engl. Earth Orientation Parameters - EOP), Stationskoordinaten und den VLBI-basierten terrestrische Referenzrahmen untersucht. In den meisten Fällen verbessert die Einführung von Satellitenbeobachtungen die EOP-Schätzung im Vergleich zu reinen Quasarlösungen. Darüber hinaus wurden statistisch signifikante Verbesserungen in den Standardabweichungen der geschätzten Parameter beobachtet. Bei einer kreisförmigen Umlaufbahn mit einer Neigung von 30◦ wird eine durchschnittliche Verbesserung wegen der Anzahl der Freiheitsgrade (engl. Degree of Freedom - DoF) von 50% erwartet. Die Standardabweichungen der EOP werden gegenüber den reinen Quasar-Ergebnissen sogar um fast 75% verbessert. Generell verbesserte die Verwendung von Satellitenbeobachtungen auch die Wiederholpräzision der Stationskoordinaten im Vergleich zur reinen Quasarlösung. Die 3D-Koordinatenwiederholpräzision wird im Fall einer kreisförmigen Umlaufbahn mit 60◦-Neigung um 41% reduziert. Für das gleiche Satellitenszenario wird eine durchschnittliche Verbesserung wegen DoF von 54% erwartet, aber die durchschnittlichen Standardabweichungen der X-, Y- und Z-Komponenten verbessern sich um 71%, 65% bzw. 67% im Vergleich zur reinen Quasarlösung. Diese Doktorarbeit erforscht das Potential der Ko-lokation im Weltraum zusätzlich zur Ko-lokation am Boden (engl. local ties), wertet ihre Effektivität aus und untersucht die Machbarkeit der Kombination von SLR und VLBI. Der Einfluss systematischer Unsicherheiten auf die Bestimmung von terrestrischen Referenzrahmen, sowohl durch einzelne Techniken als auch durch kombinierte Verfahren, wird mittels 14-Parameter Helmert-Transformationen untersucht. Dazu zählen der Einfluss verschiedener Störkräfte, die auf den Satelliten wirken, sowie der Einfluss von fehlerhaften Exzentrizitäten am Ko-lokations-Satelliten. Für jedes Satellitenszenario wird eine fehlerfreie Lösung generiert, in der simulierte Beobachtungen nur weißes Rauschen enthalten. Die Helmert-Transformationsparameter werden, zwischen den Lösungen ohne und mit systematischen Unsicherheiten berechnet. Die Satellitenbeobachtungen mit VLBI ermöglichen einen VLBI-basierten Referenzrahmens ohne No-Net-Translations Bedingungen. Unter Verwendung der simulierten Beobachtungen wurden datums-freie Normalgleichungen für die Techniken generiert und eine Kombination auf Normalgleichungsebene über die Ko-lokation im Weltraum durchgeführt. Simulierte VLBI-Beobachtungen mit systematischen Unsicherheiten (z.B. Solar-Strahlungsdruck) führten zu einer unzuverlässigen Bestimmung des Referenzrahmens. Insbesondere zeigen die Ergebnisse, dass eine hochgenaue Bahnbestimmung für eine zuverlässige Kombination am Satelliten unabdingbar ist und dass die Exzentrizitäten am Satelliten auf Submillimeterniveau bekannt sein müssen. Eine wichtige Erkenntnis ist, dass das geodätische Datum zwischen den Techniken mittels einer Ko-lokation im Weltraum übertragen und somit eine zuverlässige Verbindung zwischen den Techniken hergestellt werden kann.