[논문 리뷰] Improvement of the planetary ephemerides using spacecraft navigation data and its application to fundamental physics

Ashok Kumar Verma|arXiv (Cornell University)|2014. 03. 12.

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한 줄 요약

이 학위논문은 항성 탐사선의 원시 항법 데이터를 직접 분석함으로써 행성의 위치표를 향상시켰다. 특히 마르스 글로벌 서베이어(Mars Global Surveyor, MGS)와 메신저(MESSENGER)의 데이터를 사용하여 공간국가의 가공된 데이터에 의존하지 않고, CNES의 GINS 소프트웨어를 활용하였다. 결과적으로 도래한 INPOP13a 위치표는 수성의 위치표 정확도를 100배 향상시켰으며(잔차 0.4 ± 8.4 m), 일반 상대성 이론의 PPN 매개변수 β와 γ를 통해 가장 엄격한 시험을 가능케 하였다. 이 결과의 불확도는 이전 결과보다 10배 작아졌으며, 가장 엄격한 일반 상대성 이론 검증을 이룩하였다.

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).

연구 동기 및 목표

• 과거 및 현재의 우주 임무에서의 원시 라디오 과학 데이터를 독립적으로 분석함으로써 우주선 기관에서 제공하는 가공된 데이터에 대한 의존도를 줄이고 행성의 위치표를 향상시키는 것.
• MESSENGER 임무의 고정밀 탐측 데이터를 통합하여 수성의 위치표 정확도를 향상시키는 것.
• 향상된 위치표를 기반으로 일반 상대성 이론을 엄격하게 검증하는 것, 특히 PPN 체계 내에서의 검증을 목적으로 하는 것.
• 향후 행성 임무, 예를 들어 베피콜로모(BepiColombo)에 적용 가능한 강력한 데이터 분석 도구를 개발하는 것.
• 라디오 신호에 영향을 주는 태양 코로나 플라즈마 효과를 모델링하고 보정함으로써 위치표 정밀도 향상과 외삽 능력을 향상시키는 것.

제안 방법

• MGS 및 MESSENGER의 원시 도플러 및 거리 측정 데이터를 독립적으로 분석할 수 있도록 CNES의 GINS 소프트웨어를 사용하여 궤도 결정 및 탐측 데이터 처리를 수행하였다.
• 도플러(−0.00063 ± 4.8 mHz) 및 이중 방향 거리(−0.003 ± 1.5 m) 데이터의 잔차를 최소화하기 위해 반복적 데이터 조정 기법을 적용하였다.
• MGS, MEX 및 VEX 데이터를 이용하여 느린 태양풍과 빠른 태양풍 영역의 전자 밀도 프로파일을 별도로 추정함으로써 태양 코로나 플라즈마 지연을 보정하였다.
• 보정된 탐측 데이터를 행성의 위치표 해법에 통합하여 INPOP13a를 구축하였으며, 이로 인해 수성의 위치표 정확도가 두 계단 이상 향상되었다.
• 다른 위치표에서 β와 γ에 대해 5%, 10%, 25% 정도의 미세한 변화를 도입하고, 잔차를 INPOP13a와 비교함으로써 PPN 매개변수 검증을 수행하였다.
• 카시니 데이터 및 이전 연구 결과와의 비교를 통해 결과의 일관성과 향상된 감도를 검증하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 원시 우주선 탐측 데이터의 직접 분석이 기관에서 제공하는 가공된 데이터에 비해 행성의 위치표 정확도를 상당히 향상시킬 수 있는가?
• RQ2 태양 코로나 플라즈마 효과를 보정함으로써 위치표의 외삽 능력과 질량 추정 정확도는 어느 정도 향상되는가?
• RQ3 MESSENGER의 고정밀 탐측 데이터를 사용할 경우 수성의 위치표 정밀도는 어느 정도 향상될 수 있는가?
• RQ4 향상된 INPOP13a 위치표를 통해 도출할 수 있는 PPN 매개변수 β와 γ의 가장 엄격한 제약 조건은 무엇인가?
• RQ5 마리너 10(Mariner 10)와 같은 과거 임무의 데이터는 낮은 품질임에도 불구하고 장기적인 PPN 매개변수 감도에 기여하는가?

주요 결과

• INPOP13a 위치표는 태양 코로나 기간을 제외한 지구 기준 수성 잔차가 0.4 ± 8.4 m로, 이는 이전 위치표(INPOP10e: 21 ± 187 m, DE423: 15 ± 105 m)보다 두 계단 이상 향상된 결과이다.
• MGS 탐측 데이터의 잔차는 도플러 측정에서 −0.00063 ± 4.8 mHz, 이중 방향 거리 측정에서 −0.003 ± 1.5 m로, 다른 연구 결과와 정밀도가 일치한다.
• MGS 데이터로부터 추정한 태양 코로나 전자 밀도는 문헌 값과 일치하여 플라즈마 보정 모델의 타당성을 입증하였다.
• INPOP13a에서 도출된 PPN 매개변수 제약 조건은 이전 결과(INPOP10a 또는 INPOP08 사용 시)보다 최소 10배 이상 낮은 불확도를 보였으며, 5% 및 10% 변화 시 비대칭성이 없음을 확인하였다.
• 25% 변화 시 γ 추정치는 베르또티 등(2003)의 카시니 측정 결과와 일치하여 일반 상대성 이론과의 일관성을 확인하였다.
• 마리너 10 데이터는 품질이 낮음에도 불구하고 장기 효과를 포착하는 데 핵심적이었으며, 이는 고전적 자료의 가치를 강조한다.