[論文レビュー] Improvement of the planetary ephemerides using spacecraft navigation data and its application to fundamental physics

Ashok Kumar Verma|arXiv (Cornell University)|Mar 12, 2014

Scientific Research and Discoveries参考文献 91被引用数 4

ひとこと要約

本学位論文は、宇宙探査機のナビゲーションデータを直接分析することで、惑星のエフェマリスを向上させた。特に、マーズ・グローバル・サーベイヤー（MGS）およびメッセンジャー（MESSENGER）からの原始的な電波科学データを、宇宙機関が提供する処理済みデータに依存せずに分析した。これにより得られたINPOP13aエフェマリスは、水星のエフェマリス精度が100倍向上（残差 0.4 ± 8.4 m）し、PPNパラメータβとγを用いた一般相対性理論の最も厳しいテストを実現した。その不確実性は、過去の結果と比較して10倍も小さくなった。

ABSTRACT

The planetary ephemerides play a crucial role for spacecraft navigation, mission planning, reduction and analysis of the most precise astronomical observations. The construction of such ephemerides is highly constrained by the tracking observations, in particular range, of the space probes collected by the tracking stations on the Earth. The present planetary ephemerides (DE, INPOP, EPM) are mainly based on such observations. However, the data used by the planetary ephemerides are not the direct raw tracking data, but measurements deduced after the analysis of raw data made by the space agencies and the access to such processed measurements remains difficult in terms of availability. The first part of the study deals with the analysis of the Mars Global Surveyor (MGS) tracking data. The tracking observations containing one-, two-, and three-way Doppler and two-way range are then used to reconstruct MGS orbit precisely. As a supplementary exploitation of MGS, we derived the solar corona model and estimated the average electron density along the line of sight separately for slow and fast wind regions. Fitting the planetary ephemerides, including additional data which were corrected for the solar corona perturbations, noticeably improves the extrapolation capability of the planetary ephemerides and the estimation of the asteroid masses (Verma et al., 2013). The second part of the thesis deals with the complete analysis of the MESSENGER tracking data. This analysis improved the Mercury ephemeris up to two order of magnitude compared to any latest ephemerides. Such high precision ephemeris, INPOP13a, is then used to perform general relativity tests of PPN-formalism. Our estimations of PPN parameters (? and ) are the most stringent than previous results (Verma et al., 2014).

研究の動機と目的

• 過去および現在の宇宙ミッションの原始的電波科学データを独立して分析することで、宇宙機関が提供する処理済みデータへの依存を低減し、惑星エフェマリスの精度を向上させること。
• メッセンジャー・ミッションの高精度トラッキングデータを統合することで、水星のエフェマリスの精度を向上させること。
• 改善されたエフェマリスを用いて、特にPPN形式内での一般相対性理論の厳密なテストを行うこと。
• 今後の惑星ミッション（BepiColomboを含む）に応用可能な堅牢なデータ解析ツールを開発すること。
• 電波信号に及ぼす太陽コロナプラズマの影響をモデル化・補正することで、エフェマリスの精度と外挿能力を向上させること。

提案手法

• CNESのGINSソフトウェアを用いて軌道決定およびトラッキングデータ処理を行い、MGSおよびMESSENGERからの原始的ドップラーおよび距離測定データの独立的分析を可能にした。
• 反復的データ補正技術を適用し、ドップラー（−0.00063 ± 4.8 mHz）および2パス距離（−0.003 ± 1.5 m）データのフィット後残差を最小化した。
• MGS、MEX、VEXデータを用いて、スローおよびファスト・ソーラー・ウィンド領域のそれぞれについて電子密度プロファイルを別々に推定することで、太陽コロナプラズマ遅延を補正した。
• 補正済みトラッキングデータを惑星エフェマリス解法に統合し、INPOP13aを構築した。これにより、水星エフェマリスの精度が2桁向上した。
• PPNパラメータのテストとして、代替エフェマリスにβおよびγに5%、10%、25%の摂動を導入し、INPOP13aとの残差を比較した。
• Cassiniデータおよび先行研究との整合性を確認し、結果の妥当性と感度の向上を検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 原始的な宇宙探査機トラッキングデータの直接的分析は、宇宙機関が処理したデータと比較して、惑星エフェマリスの精度を顕著に向上させ得るか？
• RQ2 太陽コロナプラズマ効果の補正は、惑星エフェマリスにおける外挿能力および質量推定精度をどの程度向上させるか？
• RQ3 メッセンジャーの高精度トラッキングデータを用いることで、水星エフェマリスの精度はどの程度向上するか？
• RQ4 改善されたINPOP13aエフェマリスを用いて、PPNパラメータβおよびγに達成可能な最も厳しい制約は何か？
• RQ5 マリナー10の過去のミッションデータは、低品質であるにもかかわらず、長期間にわたるPPNパラメータ感度に寄与しているか？

主な発見

• INPOP13aエフェマリスは、太陽コロナ期間を除いた水星の地心残差が 0.4 ± 8.4 m に達し、INPOP10e（21 ± 187 m）およびDE423（15 ± 105 m）と比較して2桁の精度向上を達成した。
• MGSトラッキングデータのフィット後残差は、ドップラーで −0.00063 ± 4.8 mHz、2パス距離で −0.003 ± 1.5 m であり、他の研究の結果と一致する精度を示した。
• MGSデータから推定された太陽コロナ電子密度は、既存の文献値と整合的であり、プラズマ補正モデルの妥当性が裏付けられた。
• INPOP13aによるPPNパラメータの制約は、INPOP10a や INPOP08 を用いた過去の結果と比較して、不確実性が少なくとも10倍小さくなった。5%および10%の変化では非対称性も認められなかった。
• 25%の変化では、γの推定値がCassini測定値（Bertotti et al., 2003）と整合的であり、一般相対性理論との整合性が確認された。
• マリナー10のデータは、品質が低いにもかかわらず、PPNパラメータ推定における長期的効果を捉えるために不可欠であることが判明し、アーカイブデータの価値が浮き彫りになった。