[论文解读] 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 4

一句话总结

本研究提出了一种用于通过伽利略卫星轨道节点进动测量Lense-Thirring效应（LTE）的最优轨道参数化方法，表明准确建模太阳辐射压（SRP）并估计关键SRP参数（F0、Y-和Z-偏差）对于避免信号吸收至关重要。在使用3天弧段和恰当参数化的情况下，仅需27颗伽利略卫星和真实数据，即可实现约1%精度的LTE估计，前提是背景模型误差可忽略不计。

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.

研究动机与目标

• 评估利用伽利略卫星节点进动测量Lense-Thirring效应（LTE）的可行性。
• 识别可防止SRP建模误差在节点测量中吸收LTE信号的轨道参数化策略。
• 评估太阳辐射压（SRP）失配对伽利略节点漂移估计的影响。
• 确定用于精确检测LTE的最优SRP模型参数（F0、Y-和Z-偏差）及表面特性假设。
• 在真实条件下，利用模拟的伽利略轨道和观测数据验证该方法。

提出的方法

• 使用ESA指定的轨道参数（Walker 27/3/1，a=29600 km，i=56°，e=0）和EPOS-OC软件，对2008年1月1日至4日的模拟伽利略轨道和观测数据进行处理。
• 对GPS类卫星应用ROCK4 SRP模型，并通过全局缩放因子（F0）和方向偏差（X、Y、Z）进行修改，以模拟建模失配。
• 使用背景模型，包括EIGEN-6C重力场、IERS地球定向参数和潮汐效应，以确保模拟的一致性。
• 测试不同轨道弧段长度（1天和3天）及参数估计策略，包括固定或估计地面站坐标、经验加速度和SRP参数。
• 通过比较金镀层与银镀层卫星表面的模拟结果，评估反射率影响。
• 评估节点估计中的噪声水平，并与随时间推移预期的LTE引起的节点漂移进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 尽管存在SRP建模误差，是否能可靠地从伽利略卫星节点进动中测量Lense-Thirring效应？
• RQ2 哪些轨道参数化策略可防止经验加速度或SRP偏差吸收LTE信号？
• RQ3 SRP模型参数（F0、Y-和Z-偏差）及表面反射率的误差如何影响节点漂移估计？
• RQ4 为最小化噪声同时保留LTE信号检测能力，最优弧段长度（1天 vs. 3天）是什么？
• RQ5 在使用27颗伽利略卫星和真实数据并采用最优参数化的情况下，LTE可被测量到何种程度？

主要发现

• Lense-Thirring效应引起的节点漂移约为1.5 × 10⁻⁷ deg/day，比SRP引起的节点振荡小四个数量级。
• SRP引起的节点位移最大可达LTE信号的10,000倍，但其周期性分量在单轨周期内大部分相互抵消，仅留下两倍于LTE值的残余漂移。
• SRP模型中的X-和Y-偏差引起的节点漂移比LTE大两个数量级，若不进行估计，将构成重大风险。
• 对于3天弧段，必须固定地球反照率缩放因子以避免过度参数化，而F0、Y-和Z-偏差必须被估计以吸收SRP模型的缺陷。
• 在最优参数化下，估计的节点漂移噪声比3天内LTE引起的节点位移小五倍，从而实现潜在的1%精度测量。
• 错误的表面反射率假设（如金 vs. 银）可导致节点偏差达到LTE的100倍，但通过估计SRP参数可有效缓解此类误差。