[論文レビュー] Preliminary study for the measurement of the Lense-Thirring effect with the Galileo satellites

Beatriz Moreno Monge, Rolf Koenig+4 more|arXiv (Cornell University)|Nov 15, 2013

Geophysics and Gravity Measurements被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、Lense-Thirring効果（LTE）を測定するために、Galileo衛星のノード進化を用いた最適な軌道パラメータ化を提案する。太陽放射圧（SRP）の正確なモデリングおよび主要なSRPパラメータ（F0、YおよびZバイアス）の推定が、信号吸収を回避するために不可欠であることを示している。3日間の軌道アーキテクチャと適切なパラメータ化を用いれば、27基のGalileo衛星と実データを用いて、背景モデル誤差が無視できる限り、LTEは約1%の精度で推定可能である。

ABSTRACT

The precession of the orbital node of a particle orbiting a rotating mass is known as Lense-Thirring effect (LTE) and is a manifestation of the general relativistic phenomenon of dragging of inertial frames or frame-dragging. The LTE has already been measured by using the node drifts of the LAGEOS satellites and GRACE-based Earth gravity field models with an accuracy of about 10% and will be improved down to a few percent with the recent LARES experiment. The Galileo system will provide 27 new node observables for the LTE estimation and their combination with the LAGEOS and LARES satellites can potentially reduce even more the error due to the mismodeling in Earth's gravity field. However, the accurate determination of the Galileo orbits requires the estimation of many different parameters, which can absorb the LTE on the orbital nodes. Moreover, the accuracy of the Galileo orbits and hence, of their node drifts, is mainly limited by the mismodeling in the Solar Radiation Pressure (SRP). Using simulated data we analyze the effects of the mismodeling in the SRP on the Galileo nodes and propose optimal orbit parameterizations for the measurement of the LTE from the future Galileo observations.

研究の動機と目的

• Galileo衛星のノード進化を用いてLense-Thirring効果（LTE）を測定する可能性を評価すること。
• SRPモデリング誤差がノード測定におけるLTE信号を吸収するのを防ぐための軌道パラメータ化戦略を同定すること。
• 太陽放射圧（SRP）の誤ミスモデリングがGalileoノードドリフト推定に与える影響を評価すること。
• 正確なLTE検出に最適なSRPモデルパラメータ（F0、YおよびZバイアス）と表面特性の仮定を特定すること。
• 現実的な条件下で、シミュレートされたGalileo軌道および観測データを用いて、その手法の妥当性を検証すること。

提案手法

• ESAが指定した軌道パrameters（Walker 27/3/1、a=29600 km、i=56°、e=0）に従い、EPOS-OCソフトウェアを用いて2008年1月1日から1月4日までのシミュレートされたGalileo軌道および観測データを生成した。
• GPS類似衛星用に開発されたROCK4 SRPモデルを適用し、グローバルスケーリング要因（F0）および方向バイアス（X、Y、Z）を追加して、ミスモデリングを模擬した。
• EIGEN-6C重力場、IERS地球指向、潮汐効果を含む背景モデルを用いて、シミュレーションの一貫性を確保した。
• 1日および3日間の異なる軌道アーキテクチャ、およびステーション座標の固定または推定、経験的加速度、SRPパラメータの推定戦略をテストした。
• 金と銀でコーティングされた衛星表面のノード差を比較し、反射率の影響を評価した。
• ノード推定のノイズレベルを評価し、時間経過に伴う期待されるLTE誘発ノードドリフトと比較した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 SRPモデリング誤差が存在する中で、Galileo衛星のノード進化からLense-Thirring効果を信頼性高く測定できるか？
• RQ2 どの軌道パラメータ化戦略が、経験的加速度またはSRPバイアスがLTE信号を吸収するのを防ぐか？
• RQ3 SRPモデルパラメータ（F0、YおよびZバイアス）および表面反射率の誤差がノードドリフト推定に与える影響は何か？
• RQ4 ノイズを最小限に抑えるとともにLTE信号検出を維持する最適なアーキテクチャ長（1日 vs. 3日）は何か？
• RQ5 最適なパラメータ化と現実的なデータを用いて、27基のGalileo衛星でLTEをどの程度正確に測定できるか？

主な発見

• Lense-Thirring効果は、1日あたり約1.5 × 10⁻⁷ deg/dayのノードドリフトを引き起こし、これはSRP誘発ノード振動の4桁小さい値である。
• SRP誘発ノード変位は、LTE信号の10,000倍まで大きくなるが、1軌道周期内で周期成分がほとんど相殺され、残りのドリフトはLTE値の2倍程度にまで減少する。
• SRPモデルにおけるXおよびYバイアスは、LTEの2桁大きいノードドリフトを生じさせるため、推定されない場合には深刻なリスクを伴う。
• 3日間のアーキテクチャでは、過剰パラメータ化を避けるために地球アルベドスケーリング要因を固定する必要があるが、F0、YおよびZバイアスはSRPモデルの欠陥を吸収するために推定する必要がある。
• 最適なパラメータ化を用いれば、推定ノードドリフトのノイズは3日間のLTE誘発ノードシフトの5分の1にまで低下し、1%の精度での測定が可能になる。
• 誤った表面反射率仮定（例：金対銀）は、LTEの100倍までノード偏差を引き起こす可能性があるが、SRPパラメータを推定することでこれらの誤差は緩和される。