85
Semmering, 2002-10-17 H. Sünkel SAG-BGÖ 2002 H. Sünkel Institut für Geodäsie Technische Universität Graz und Institut für Weltraumforschung Österreichische Akademie der Wissenschaften Die Satellitenmission GOCE Die Satellitenmission GOCE der ESA der ESA Eine Herausforderung an Mathematik, Numerik und Informatik

Semmering, 2002-10-17 H. SünkelSAG-BGÖ 2002 H. Sünkel Institut für Geodäsie Technische Universität Graz und Institut für Weltraumforschung Österreichische

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: Semmering, 2002-10-17 H. SünkelSAG-BGÖ 2002 H. Sünkel Institut für Geodäsie Technische Universität Graz und Institut für Weltraumforschung Österreichische

Semmering, 2002-10-17 H. SünkelSAG-BGÖ 2002

H. Sünkel

Institut für GeodäsieTechnische Universität Graz

undInstitut für Weltraumforschung

Österreichische Akademie der Wissenschaften

Die Satellitenmission GOCE der ESADie Satellitenmission GOCE der ESAEine Herausforderung an

Mathematik, Numerik und Informatik

Page 2: Semmering, 2002-10-17 H. SünkelSAG-BGÖ 2002 H. Sünkel Institut für Geodäsie Technische Universität Graz und Institut für Weltraumforschung Österreichische

Semmering, 2002-10-17 H. SünkelSAG-BGÖ 2002

Galilei - Newton - Einstein

Mass

Gravitation Space-time

Gravity = Gravitation + Rotation

„Mass tells space-time how to curve

and space-time tells masshow to move“.

Page 3: Semmering, 2002-10-17 H. SünkelSAG-BGÖ 2002 H. Sünkel Institut für Geodäsie Technische Universität Graz und Institut für Weltraumforschung Österreichische

Semmering, 2002-10-17 H. SünkelSAG-BGÖ 2002

Gravity in control of our daily life

• Shape of the Earth‘s surface• Distribution of land and water on Earth• Speed of processes inside, on and outside the Earth• Density and constitution of the Earth‘s atmosphere• Biological processes• Growth of plants• Anatomy and physiology of men and animals• Motion of living organism• Architecture of buildings• Mechanical design and structure of machines and vehicles

Gravity scales life in space and time2...81.9 ms 2...81.9 ms

Page 4: Semmering, 2002-10-17 H. SünkelSAG-BGÖ 2002 H. Sünkel Institut für Geodäsie Technische Universität Graz und Institut für Weltraumforschung Österreichische

Semmering, 2002-10-17 H. SünkelSAG-BGÖ 2002

A primitive Earth model

Core

Lower mantle

Upper mantle

Crust Radial-symmetric,not rotating, staticmass distribution

Radial-symmetric,static gravity field

Page 5: Semmering, 2002-10-17 H. SünkelSAG-BGÖ 2002 H. Sünkel Institut für Geodäsie Technische Universität Graz und Institut für Weltraumforschung Österreichische

Semmering, 2002-10-17 H. SünkelSAG-BGÖ 2002

Mantle convection

Mantle convection

CouplingMantle - Core

CouplingMantle - Core

RheologyRheology

Tectonic processes(Lithosphere)

Tectonic processes(Lithosphere)

Gravity anomalies due to mass anomalies

Page 6: Semmering, 2002-10-17 H. SünkelSAG-BGÖ 2002 H. Sünkel Institut für Geodäsie Technische Universität Graz und Institut für Weltraumforschung Österreichische

Semmering, 2002-10-17 H. SünkelSAG-BGÖ 2002

Post-glacialrebound

Post-glacialrebound

Ocean circulation& heat transport

Ocean circulation& heat transport

Ice SheetMelting

Ice SheetMelting

Sea level changeSea level change

VolcanicactivitiesVolcanicactivities

108 - 106 yr Time Scales 102 - 100 yr108 - 106 yr Time Scales 102 - 100 yr

The dual role of the gravity field

Page 7: Semmering, 2002-10-17 H. SünkelSAG-BGÖ 2002 H. Sünkel Institut für Geodäsie Technische Universität Graz und Institut für Weltraumforschung Österreichische

Semmering, 2002-10-17 H. SünkelSAG-BGÖ 2002

Turning inside out

massmass

shapeshape

Geoid Geoid

Earth

dvlGV 1Earth

dvlGV 1

Gravitational potential

Page 8: Semmering, 2002-10-17 H. SünkelSAG-BGÖ 2002 H. Sünkel Institut für Geodäsie Technische Universität Graz und Institut für Weltraumforschung Österreichische

Semmering, 2002-10-17 H. SünkelSAG-BGÖ 2002

mSmCPr

R

R

GMV lmlm

llm

ll

m

sincos)(cos2

1

0

The gravitational potential

Properties of the gravitational potential:

0 VT1. is harmonic outside the Earth:V

Consequence: is represented by a linear combination of harmonic functions (= solutions of )

3. belongs to an infinite dimensional spaceV

2. decreases to zero towards infinityV

V0 VT

Page 9: Semmering, 2002-10-17 H. SünkelSAG-BGÖ 2002 H. Sünkel Institut für Geodäsie Technische Universität Graz und Institut für Weltraumforschung Österreichische

Semmering, 2002-10-17 H. SünkelSAG-BGÖ 2002

The gravity potential

0.)( WconstPW Unique „global horizontal“ surface of constant gravity potential ( )at „mean“ sea level: geoidGlobal reference surface for „orthometricheight“

0W

)(PV Gravitational potential ( ) Rotational potential ( )Gravity potential ( )

V

)(P)(PW 2/)( 22

PhP W

)(PW Unique „local vertical“Reference direction for „local-horizontalreference system“

Page 10: Semmering, 2002-10-17 H. SünkelSAG-BGÖ 2002 H. Sünkel Institut für Geodäsie Technische Universität Graz und Institut für Weltraumforschung Österreichische

Semmering, 2002-10-17 H. SünkelSAG-BGÖ 2002

gravdensBGI.gifgravdensBGI.gif

Surface gravity: incomplete data coverage

Page 11: Semmering, 2002-10-17 H. SünkelSAG-BGÖ 2002 H. Sünkel Institut für Geodäsie Technische Universität Graz und Institut für Weltraumforschung Österreichische

Semmering, 2002-10-17 H. SünkelSAG-BGÖ 2002

POD for gravity field recovery

Mass distributionMass distribution Gravitational field

Gravitational field

Satellite orbit

Satellite orbit

The idea:

0 Vr

Page 12: Semmering, 2002-10-17 H. SünkelSAG-BGÖ 2002 H. Sünkel Institut für Geodäsie Technische Universität Graz und Institut für Weltraumforschung Österreichische

Semmering, 2002-10-17 H. SünkelSAG-BGÖ 2002

POD for gravity field recovery

Equation of motion, defined in a space-fixedgeocentric reference systemfree fall (around the Earth)Vr Satellite motion due to surface forces F

=F

),;;,( 00 lmlm SCtrrrr Satellite orbit as a function of gravitational field parameters lmlm SC ,

),( 0000lmlm SCVV Reference gravitational field controlled by

parameters 00 , lmlm SC

),;;,( 0000

00

00lmlm SCtrrrr Reference satellite orbit as a function of

gravitational field parameters 00 , lmlm SC

0

Page 13: Semmering, 2002-10-17 H. SünkelSAG-BGÖ 2002 H. Sünkel Institut für Geodäsie Technische Universität Graz und Institut für Weltraumforschung Österreichische

Semmering, 2002-10-17 H. SünkelSAG-BGÖ 2002

POD for gravity field recovery

),( 0000lmlm SCrr

Principle:

Real orbit from satellite tracking

Reference orbit based on a priori gravitational field

),(0lmlm SCrrrr

),( lmlm SCrr

0

0

lmlmlm

lmlmlm

SSS

CCC

Residual harmonic coefficientsunknowns

Functional relation

Page 14: Semmering, 2002-10-17 H. SünkelSAG-BGÖ 2002 H. Sünkel Institut für Geodäsie Technische Universität Graz und Institut für Weltraumforschung Österreichische

Semmering, 2002-10-17 H. SünkelSAG-BGÖ 2002

lmlm SC ˆ,ˆ

Harmonic coefficient(parameter) residuals

Observation residualsLSALSA

lmlmiiiT

i SCfzyxr ,,, Pseudo-observations

POD for gravity field recovery

lmlm

iii

SC

zyxA

,

,,Design matrix from partials

iii zyx ,,

Page 15: Semmering, 2002-10-17 H. SünkelSAG-BGÖ 2002 H. Sünkel Institut für Geodäsie Technische Universität Graz und Institut für Weltraumforschung Österreichische

Semmering, 2002-10-17 H. SünkelSAG-BGÖ 2002

• JGM3 lmax = 70

• OSU91a lmax = 360

• EGM96 lmax = 360

2 0

1

1l

l

mlmlmlm

l

)msin(S)mcos(C)(cosPr

R

R

MG),,r(V

lmax

l m

0 0 0. 0.1 0 0. 0.1 1 0. 0.2 0 -0.48417e-03 0.2 1 0.85718e-12 0.28961e-112 2 0.24382e-05 -0.13999e-053 0 0.95714e-06 0.3 1 0.20297e-05 0.24943e-063 2 0.90465e-06 -0.62044e-063 3 0.72030e-06 0.14147e-05... ... ... ...

lmC lmS

The Earth’s gravitational field: models

Page 16: Semmering, 2002-10-17 H. SünkelSAG-BGÖ 2002 H. Sünkel Institut für Geodäsie Technische Universität Graz und Institut für Weltraumforschung Österreichische

Semmering, 2002-10-17 H. SünkelSAG-BGÖ 2002

• Solid Earth Physics anomalous density structure of lithosphere and upper mantle• Oceanography quasi-stationary dynamic ocean topography• Sea Level Change • Glaciology ice sheet balance• Geodesy unification of height systems, levelling by GPS, inertial navigation, orbit prediction

Open problems

Page 17: Semmering, 2002-10-17 H. SünkelSAG-BGÖ 2002 H. Sünkel Institut für Geodäsie Technische Universität Graz und Institut für Weltraumforschung Österreichische

Semmering, 2002-10-17 H. SünkelSAG-BGÖ 2002

Gravity field: current knowledge

The geoid: a surface of constant gravity potential at zero level

+ 100 m

- 100 m

0 m

Offset fromreferenceellipsoid:

m1

cm1

Accuracy

Now:

Required:

Page 18: Semmering, 2002-10-17 H. SünkelSAG-BGÖ 2002 H. Sünkel Institut für Geodäsie Technische Universität Graz und Institut für Weltraumforschung Österreichische

Semmering, 2002-10-17 H. SünkelSAG-BGÖ 2002

3 Mission scenarios:

1. Satellite-to-Satellite Tracking in high-low mode

SST - hl

2. Satellite-to-Satellite Tracking in low-low mode

SST - ll

3. Satellite Gravity Gradiometry

SGG

Gravity field exploration from space

Page 19: Semmering, 2002-10-17 H. SünkelSAG-BGÖ 2002 H. Sünkel Institut für Geodäsie Technische Universität Graz und Institut für Weltraumforschung Österreichische

Semmering, 2002-10-17 H. SünkelSAG-BGÖ 2002

Page 20: Semmering, 2002-10-17 H. SünkelSAG-BGÖ 2002 H. Sünkel Institut für Geodäsie Technische Universität Graz und Institut für Weltraumforschung Österreichische

Semmering, 2002-10-17 H. SünkelSAG-BGÖ 2002

CHAMP (2000)

GRACE (2002)

GOCE (2006)

Love affairs with body Earth(... “move your body close to mine”)

Page 21: Semmering, 2002-10-17 H. SünkelSAG-BGÖ 2002 H. Sünkel Institut für Geodäsie Technische Universität Graz und Institut für Weltraumforschung Österreichische

Semmering, 2002-10-17 H. SünkelSAG-BGÖ 2002

CHAllenging

Minisatellite

Payload

The CHAMP mission: spacecraft

Page 22: Semmering, 2002-10-17 H. SünkelSAG-BGÖ 2002 H. Sünkel Institut für Geodäsie Technische Universität Graz und Institut für Weltraumforschung Österreichische

Semmering, 2002-10-17 H. SünkelSAG-BGÖ 2002

GPS - satellites

Earthmassanomaly

3-D accelerometer

sst_hl.epssst_hl.eps

SST - hl

)msin(S)mcos(C

)(cosPr

R

R

MG),,r(V

nmnm

2n

n

0mnm

1n

)x(VV k

ii

i VVx

a

The CHAMP Mission: SST - hl

Page 23: Semmering, 2002-10-17 H. SünkelSAG-BGÖ 2002 H. Sünkel Institut für Geodäsie Technische Universität Graz und Institut für Weltraumforschung Österreichische

Semmering, 2002-10-17 H. SünkelSAG-BGÖ 2002

Earth‘s gravity field

and its temporal variations

Gravity Field Model „Eigen 1S“ Geostrophic currents

The CHAMP mission: objectives

Page 24: Semmering, 2002-10-17 H. SünkelSAG-BGÖ 2002 H. Sünkel Institut für Geodäsie Technische Universität Graz und Institut für Weltraumforschung Österreichische

Semmering, 2002-10-17 H. SünkelSAG-BGÖ 2002

Earth‘s magnetic field

and its temporal variations

The CHAMP mission: objectives

Page 25: Semmering, 2002-10-17 H. SünkelSAG-BGÖ 2002 H. Sünkel Institut für Geodäsie Technische Universität Graz und Institut für Weltraumforschung Österreichische

Semmering, 2002-10-17 H. SünkelSAG-BGÖ 2002

Earth‘s atmosphere and ionosphere

and temporal variations

The CHAMP mission: objectives

Page 26: Semmering, 2002-10-17 H. SünkelSAG-BGÖ 2002 H. Sünkel Institut für Geodäsie Technische Universität Graz und Institut für Weltraumforschung Österreichische

Semmering, 2002-10-17 H. SünkelSAG-BGÖ 2002

• Electrostatic STAR Accelerometer• GPS Receiver TRSR-2• Laser Retro Reflector• Fluxgate Magnetometer• Overhauser Magnetometer• Advanced Stellar Compass • Digital Ion Drift Meter

STAR accelerometer

FluxgateMagnetometer

OverhauserMagnetometer

Laser retro-reflector

The CHAMP mission: payload

Page 27: Semmering, 2002-10-17 H. SünkelSAG-BGÖ 2002 H. Sünkel Institut für Geodäsie Technische Universität Graz und Institut für Weltraumforschung Österreichische

Semmering, 2002-10-17 H. SünkelSAG-BGÖ 2002

front side view

rear side view

The CHAMP mission:spacecraft

Page 28: Semmering, 2002-10-17 H. SünkelSAG-BGÖ 2002 H. Sünkel Institut für Geodäsie Technische Universität Graz und Institut für Weltraumforschung Österreichische

Semmering, 2002-10-17 H. SünkelSAG-BGÖ 2002

• Launch: July 15, 2000, Cosmodrome Plesetsk• almost circular orbit: e = 0.004• near polar orbit: i = 87°• initial altitude: 454 km• satellite lifetime: 5 years

COSMOS launch vehicle

The CHAMP mission: launch & orbit

Page 29: Semmering, 2002-10-17 H. SünkelSAG-BGÖ 2002 H. Sünkel Institut für Geodäsie Technische Universität Graz und Institut für Weltraumforschung Österreichische

Semmering, 2002-10-17 H. SünkelSAG-BGÖ 2002

The CHAMP mission: altitude

Page 30: Semmering, 2002-10-17 H. SünkelSAG-BGÖ 2002 H. Sünkel Institut für Geodäsie Technische Universität Graz und Institut für Weltraumforschung Österreichische

Semmering, 2002-10-17 H. SünkelSAG-BGÖ 2002

The GRACE Mission

Page 31: Semmering, 2002-10-17 H. SünkelSAG-BGÖ 2002 H. Sünkel Institut für Geodäsie Technische Universität Graz und Institut für Weltraumforschung Österreichische

Semmering, 2002-10-17 H. SünkelSAG-BGÖ 2002

SST - hl

GPS - satellites

Earthmassanomaly

sst_ll.epssst_ll.eps

SST - ll

)(i)(

i

)(i VV

xa 1

11

)(i)(

i

)(i VV

xa 2

22

j

i)(

j)(

j

)(i

)(i

x

V

xx

VV

12

12

The GRACE Mission: SST-hl and SST-ll combined

Page 32: Semmering, 2002-10-17 H. SünkelSAG-BGÖ 2002 H. Sünkel Institut für Geodäsie Technische Universität Graz und Institut für Weltraumforschung Österreichische

Semmering, 2002-10-17 H. SünkelSAG-BGÖ 2002

• Two satellites following each other on the same orbital track

• Position and velocity of the satellites are measured using onboard GPS antennae

• Interconnected by a K-band microwave link• S-band radio frequencies used for communication

with ground stations

The GRACE Mission: constellation

Page 33: Semmering, 2002-10-17 H. SünkelSAG-BGÖ 2002 H. Sünkel Institut für Geodäsie Technische Universität Graz und Institut für Weltraumforschung Österreichische

Semmering, 2002-10-17 H. SünkelSAG-BGÖ 2002

The GRACE Mission: constellation

Page 34: Semmering, 2002-10-17 H. SünkelSAG-BGÖ 2002 H. Sünkel Institut für Geodäsie Technische Universität Graz und Institut für Weltraumforschung Österreichische

Semmering, 2002-10-17 H. SünkelSAG-BGÖ 2002

• K-Band Ranging System (KBR) • Accelerometer (ACC) • GPS Space Receiver (GPS) • Laser Retro-Reflector (LRR) • Star Camera Assembly (SCA) • Coarse Earth and Sun Sensor (CES) • Ultra Stable Oscillator (USO) • Center of Mass Trim Assembly (CMT)

The GRACE Mission: payload

Page 35: Semmering, 2002-10-17 H. SünkelSAG-BGÖ 2002 H. Sünkel Institut für Geodäsie Technische Universität Graz und Institut für Weltraumforschung Österreichische

Semmering, 2002-10-17 H. SünkelSAG-BGÖ 2002

The GRACE Mission: spacecraft structure

Page 36: Semmering, 2002-10-17 H. SünkelSAG-BGÖ 2002 H. Sünkel Institut für Geodäsie Technische Universität Graz und Institut für Weltraumforschung Österreichische

Semmering, 2002-10-17 H. SünkelSAG-BGÖ 2002

• Launch: March 17, 2002, Cosmodrome Plesetsk• almost circular orbit: e < 0.005• near polar orbit: i = 89°• initial altitude: 485 - 500 km• satellite system lifetime: 5 years

The GRACE Mission: launch & orbit

Page 37: Semmering, 2002-10-17 H. SünkelSAG-BGÖ 2002 H. Sünkel Institut für Geodäsie Technische Universität Graz und Institut für Weltraumforschung Österreichische

Semmering, 2002-10-17 H. SünkelSAG-BGÖ 2002

The CHAMP mission: altitude

Page 38: Semmering, 2002-10-17 H. SünkelSAG-BGÖ 2002 H. Sünkel Institut für Geodäsie Technische Universität Graz und Institut für Weltraumforschung Österreichische

Semmering, 2002-10-17 H. SünkelSAG-BGÖ 2002

Gravity Field and Steady-state

Ocean

Circulation

Explorer

The GOCE Mission

Page 39: Semmering, 2002-10-17 H. SünkelSAG-BGÖ 2002 H. Sünkel Institut für Geodäsie Technische Universität Graz und Institut für Weltraumforschung Österreichische

Semmering, 2002-10-17 H. SünkelSAG-BGÖ 2002

The GOCE mission: team structure

GOCE Project Team GOCE Industry Team

GOCE - MAGProject scientist (ESA) and

members

European GOCE GravityConsortium (EGG-C)

Team leaderand Task leaders

Science Data Use:Solid Earth

Science Data Use:Solid Earth

Science Data Use:Oceanography

Science Data Use:Oceanography

Science Data Use:Ice

Science Data Use:Ice

Science Data Use:Geodesy

Science Data Use:Geodesy

Science Data Use:Sea Level

Science Data Use:Sea Level

Page 40: Semmering, 2002-10-17 H. SünkelSAG-BGÖ 2002 H. Sünkel Institut für Geodäsie Technische Universität Graz und Institut für Weltraumforschung Österreichische

Semmering, 2002-10-17 H. SünkelSAG-BGÖ 2002

SGG

Earthmassanomaly

GPS - satellites

gradiometry.epsgradiometry.eps

SST - hl

ijji

)(j

)(j

)(i

)(i

xV

xx

V

xx

VVlim

j

2

12

12

0

The GOCE Mission: SST-hl and SGG combined

Page 41: Semmering, 2002-10-17 H. SünkelSAG-BGÖ 2002 H. Sünkel Institut für Geodäsie Technische Universität Graz und Institut für Weltraumforschung Österreichische

Semmering, 2002-10-17 H. SünkelSAG-BGÖ 2002

• Launch: Feb. 2006, Cosmodrome Plesetsk (62.7° N, 40.3° E)• Total satellite mass: 800 kg• Orbit inclination: i = 97°• Injection altitude: 270 km• Passive descent from 270 km to 250 km• Altitude controlled by ion thrusters• Satellite lifetime: 2 years

The GOCE mission: launch & orbit

Page 42: Semmering, 2002-10-17 H. SünkelSAG-BGÖ 2002 H. Sünkel Institut für Geodäsie Technische Universität Graz und Institut für Weltraumforschung Österreichische

Semmering, 2002-10-17 H. SünkelSAG-BGÖ 2002

Mission duration: 20 months– Commission phase: 3 months

– Phase 1: 6 months– Hibernation phase: 5 months – Phase 2: 6 months

Design orbit altitude:– Phase 1: 250 km– Phase 2: 240 km

Orbit characteristics:– Dawn-dusk sun-synchronous, Inclination: 96.5°– Injection eccentricity: 0.000– phase 1: two months repeat, phase 2: eventually drifting ground track– Maximum air drag during gradiometer operation: 0.3 mGal / in mbwHz

GOCE: mission parameters

Page 43: Semmering, 2002-10-17 H. SünkelSAG-BGÖ 2002 H. Sünkel Institut für Geodäsie Technische Universität Graz und Institut für Weltraumforschung Österreichische

Semmering, 2002-10-17 H. SünkelSAG-BGÖ 2002

2 5 0 k m

2 4 0 k m

T 0 T 0 + 3 m o n th s T 0 + 9 m o n th s T 0 + 1 4 m o n th s T 0 + 2 0 m o n th s

2 6 0 k m

2 7 0 k m

O rb itA ltitud e

E clip seD ura tio n

5 m in .

1 0 m in .

1 5 m in .

4 3 d 3 5 d3 5 d 1 3 5 d

S pacecra ftC o m m issio n ing

G rad io m ete rC a lib ra tio n

1 .5 1 .5 6 m on th s 4 .5 m o n th s .5 6 m on th s

G rad io m ete rS e t-up andC alib ra tio n

M easu rem en tIn te rrup tio n

F irs t M easu rem en tP hase

S eco nd M easu rem en tP hase

3 0 m in .

2 5 m in .

2 0 m in .

The GOCE mission: timeline

Page 44: Semmering, 2002-10-17 H. SünkelSAG-BGÖ 2002 H. Sünkel Institut für Geodäsie Technische Universität Graz und Institut für Weltraumforschung Österreichische

Semmering, 2002-10-17 H. SünkelSAG-BGÖ 2002

Scientific payload:• 3-axis gravity gradiometer• GPS receiver• SLR retroreflector• Star tracker

Auxiliary equipment:• Ion thrusters• FEEPS• Solar panels (8 m²) • On board computer• Telemetry

S 44

The GOCE mission: spacecraft design

center of mass

Page 45: Semmering, 2002-10-17 H. SünkelSAG-BGÖ 2002 H. Sünkel Institut für Geodäsie Technische Universität Graz und Institut für Weltraumforschung Österreichische

Semmering, 2002-10-17 H. SünkelSAG-BGÖ 2002

Gravity gradiometer:

• 3-axis• mbw: 5 - 100 mHz• Precision: < 1 mE

XY

Z

The GOCE mission: gravity gradiometer

1 mE: curvature radius of equipotential surface of 10 Mill. km !

Page 46: Semmering, 2002-10-17 H. SünkelSAG-BGÖ 2002 H. Sünkel Institut für Geodäsie Technische Universität Graz und Institut für Weltraumforschung Österreichische

Semmering, 2002-10-17 H. SünkelSAG-BGÖ 2002

3 mE / Hz

specified

(Predicted per-

formance curve

derived from a

combination of

analysis and test)

5 mHz 100 mHzmbw

Specified noise psd

Predicted noise psd

The GOCE mission: gradiometer noise

Page 47: Semmering, 2002-10-17 H. SünkelSAG-BGÖ 2002 H. Sünkel Institut für Geodäsie Technische Universität Graz und Institut für Weltraumforschung Österreichische

Semmering, 2002-10-17 H. SünkelSAG-BGÖ 2002

dragfx)]2(V[Ladragfx)]2(V[Ra

Accelerometer equations:

Common mode:

dragLR f

2

aa

x)](V[

2

aa 2LR

Differential mode:

V ... gravitational tensorV ... gravitational tensor

The GOCE mission: gravity gradiometry

Page 48: Semmering, 2002-10-17 H. SünkelSAG-BGÖ 2002 H. Sünkel Institut für Geodäsie Technische Universität Graz und Institut für Weltraumforschung Österreichische

Semmering, 2002-10-17 H. SünkelSAG-BGÖ 2002

Attitude:

d)()t()t(

)(2

1

t

ot

o

T

Gravitational tensor:

x2

aa LR

Measurement tensor:

2T )(2

1V

The GOCE mission: gravity gradiometry

Page 49: Semmering, 2002-10-17 H. SünkelSAG-BGÖ 2002 H. Sünkel Institut für Geodäsie Technische Universität Graz und Institut für Weltraumforschung Österreichische

Semmering, 2002-10-17 H. SünkelSAG-BGÖ 2002

Ion thruster(for drag compensation)

Micro thruster(for attitude control)

Gas: Xenonthrust level: 1 - 20 mN thrust level: 0.0001 - 0.1 mN

The GOCE mission: attitude & drag control

Field emission electric propulsion system (FEEPS)

Gas: Indium (Austrian system)Caesium (Italian system)

Page 50: Semmering, 2002-10-17 H. SünkelSAG-BGÖ 2002 H. Sünkel Institut für Geodäsie Technische Universität Graz und Institut für Weltraumforschung Österreichische

Semmering, 2002-10-17 H. SünkelSAG-BGÖ 2002

The GOCE mission: observation sensitivities

22

22

222

2

2

1

12

1

1

1

123

1

n

lk

n

n

lik

Rr

R

z

y

x l

21

1

11 22

2

2

3

ll

lk

lk

Rr

R

V

V

V l

zz

yy

xx

Orbit perturbations Gradiometer dataSST (hi-lo): SGG:

Sat. alt. smoother Sat. alt. smoother

SST amplifier SGG amplifier

Page 51: Semmering, 2002-10-17 H. SünkelSAG-BGÖ 2002 H. Sünkel Institut für Geodäsie Technische Universität Graz und Institut für Weltraumforschung Österreichische

Semmering, 2002-10-17 H. SünkelSAG-BGÖ 2002

jiij xx

PVPV

)(

)(2

]sincos[

)(cos)(2

1

0

PlmPlm

L

lPlm

l

P

l

m

mSmC

Pr

R

R

GMPV

Gravitational potential as a function of position P:)(PV

The GOCE mission: data processing

Gravity gradiometer observations:

LSALSA100 000 000 observations

100 000parameters

Page 52: Semmering, 2002-10-17 H. SünkelSAG-BGÖ 2002 H. Sünkel Institut für Geodäsie Technische Universität Graz und Institut für Weltraumforschung Österreichische

Semmering, 2002-10-17 H. SünkelSAG-BGÖ 2002

vik.bw.epsvik.bw.eps

yyV

xyVxxV xzV

yzV

zzV

100 000 000 observations

100 000 parameters

The GOCE mission: gravity field recovery

Page 53: Semmering, 2002-10-17 H. SünkelSAG-BGÖ 2002 H. Sünkel Institut für Geodäsie Technische Universität Graz und Institut für Weltraumforschung Österreichische

Semmering, 2002-10-17 H. SünkelSAG-BGÖ 2002

SpacewiseSpacewiseTimewiseTimewise

OtherwiseOtherwise

SpacewiseSpacewiseTimewiseTimewise

OtherwiseOtherwise

The GOCE mission: processing methods

Page 54: Semmering, 2002-10-17 H. SünkelSAG-BGÖ 2002 H. Sünkel Institut für Geodäsie Technische Universität Graz und Institut für Weltraumforschung Österreichische

Semmering, 2002-10-17 H. SünkelSAG-BGÖ 2002

The Real Life: Distributed Non-approximative Adjustment (DNA)

Strict solution of the normal equation system

Flexible, but enormous computation requirements

The GOCE mission: processing methods

The Runner: Semi-Analytic approach (SA)

Approximative, iterative algorithm: works partially in the frequency domain (FFT) and uses the dominant block-diagonal structure of the normal equations

The Progressive Worker: Parallel pcgma package

Approximative algorithm, using a block-diagonal preconditioner as a first guess (initialization step) and applying iteratively a conjugate gradient method

Page 55: Semmering, 2002-10-17 H. SünkelSAG-BGÖ 2002 H. Sünkel Institut für Geodäsie Technische Universität Graz und Institut für Weltraumforschung Österreichische

Semmering, 2002-10-17 H. SünkelSAG-BGÖ 2002

SGG observations regarded as a function of space position P

)P(Vij

]msinSmcosC[

)(cosPr

R

R

GM)P(V

PlmPlm

L

2lPlm

1l

P

l

0m

]msinSmcosC[

)(cosPr

R

R

GM)P(V

PlmPlm

L

2lPlm

1l

P

l

0m

Potential regarded as a function of space position P)P(V

The GOCE mission: spacewise processing

Page 56: Semmering, 2002-10-17 H. SünkelSAG-BGÖ 2002 H. Sünkel Institut für Geodäsie Technische Universität Graz und Institut für Weltraumforschung Österreichische

Semmering, 2002-10-17 H. SünkelSAG-BGÖ 2002

lmlm S,C

Harmonic coeff.SGG observ.LSALSA

)P(Vij

Iterative Direct

serial parallel serial parallel

The GOCE mission: spacewise processing

Page 57: Semmering, 2002-10-17 H. SünkelSAG-BGÖ 2002 H. Sünkel Institut für Geodäsie Technische Universität Graz und Institut für Weltraumforschung Österreichische

Semmering, 2002-10-17 H. SünkelSAG-BGÖ 2002

Preconditioned Conjugated Gradient Method (PCGM)

• Iterative solution• Preconditioning by appropriate representative matrix• Inclusion of prior information possible• Extended by frequency selective filters to account for coloured noise SGG data• Serial and parallel versions operational • Successfully tested up to degree 300 on different platforms (DEC-Alpha, SGI Origin, CRAY T3E, Graz Beowulf Cluster)

The GOCE mission: spacewise processing

Page 58: Semmering, 2002-10-17 H. SünkelSAG-BGÖ 2002 H. Sünkel Institut für Geodäsie Technische Universität Graz und Institut für Weltraumforschung Österreichische

Semmering, 2002-10-17 H. SünkelSAG-BGÖ 2002

Distributed Non-approximative Adjustment (DNA)

• Direct solution• Inclusion of prior information possible• Inclusion of non-gravitational parameters (non-conservative force model, calibration parameters, ...)• Extended by frequency selective filters to account for coloured noise SGG data• Parallel versions successfully tested up to degree 180 on the Graz Beowulf Cluster

The GOCE mission: spacewise processing

Page 59: Semmering, 2002-10-17 H. SünkelSAG-BGÖ 2002 H. Sünkel Institut für Geodäsie Technische Universität Graz und Institut für Weltraumforschung Österreichische

Semmering, 2002-10-17 H. SünkelSAG-BGÖ 2002

SGG observations regarded as a function of time)t(Vij

even:ml

odd:mllm

lmL

]2min[ll

klm

1l

km

L

Lkkmkmkmkm

L

0m

S

C)I(F

r

RA

)]t(sinB)t(cosA[R

GM)t(V

Potential regarded as a function of time t)t(V

The GOCE mission: timewise processing

Page 60: Semmering, 2002-10-17 H. SünkelSAG-BGÖ 2002 H. Sünkel Institut für Geodäsie Technische Universität Graz und Institut für Weltraumforschung Österreichische

Semmering, 2002-10-17 H. SünkelSAG-BGÖ 2002

lmlm S,Ckmkm B,A

Harmonic coeff. Lumped coeff.Sensitivity coeff.Sensitivity coeff.

In case of a periodic SGG time series: • Lumped coefficients = Fourier coefficients of SGG time series• Lumped coefficients considered as pseudo observations in LSA for the estimation of the harmonic coefficients• Ideally the normal matrix has block diagonal structure• In reality it is (strongly) block diagonally dominant• Iteration required due to sun-synchronous orbit and varying orbit parameters

The GOCE mission: timewise processing

Page 61: Semmering, 2002-10-17 H. SünkelSAG-BGÖ 2002 H. Sünkel Institut für Geodäsie Technische Universität Graz und Institut für Weltraumforschung Österreichische

Semmering, 2002-10-17 H. SünkelSAG-BGÖ 2002

mSmCPr

R

R

GMV lmlm

L

llm

ll

m

sincos)(cos2

1

0

The gravitational potentialand derived quantities

mSmCPRN lmlm

L

llm

l

m

sincos)(cos2 0

mSmCPlg lmlm

L

llm

l

m

sincos)(cos12 0

Geoid:Resolution: 100 kmAccuracy: 1 cm

Gravity anomaly:Resolution: 100 kmAccuracy: 1 mGal

100 km resolution requires L = 20000 km / 100 km = 200

Page 62: Semmering, 2002-10-17 H. SünkelSAG-BGÖ 2002 H. Sünkel Institut für Geodäsie Technische Universität Graz und Institut für Weltraumforschung Österreichische

Semmering, 2002-10-17 H. SünkelSAG-BGÖ 2002

simulated GOCE performance

spatial resolution D(half wavelength)

maximum degree L(corresponds to D)

geoid height[mm]

gravity anomaly[mGal]

1000 km 20 0.4 0.0006

400 km 50 0.5 0.001

200 km 100 0.6 0.03

100 km 200 2.5 0.08

65 km 300 ~ 45 ~ 2

< 10 mm < 1 mGal

Goal:

The GOCE mission: performance( cumulative error )

Page 63: Semmering, 2002-10-17 H. SünkelSAG-BGÖ 2002 H. Sünkel Institut für Geodäsie Technische Universität Graz und Institut für Weltraumforschung Österreichische

Semmering, 2002-10-17 H. SünkelSAG-BGÖ 2002

Slm order Clm

EGM spherical harmonic error spectrum

The GOCE mission: error spectrum

Page 64: Semmering, 2002-10-17 H. SünkelSAG-BGÖ 2002 H. Sünkel Institut für Geodäsie Technische Universität Graz und Institut für Weltraumforschung Österreichische

Closed loop simulation Gravity fieldGravity field

Gradiometersignal

Gradiometersignal

Harmonicanalysis

Harmonicanalysis

Harmonic coeff.Harmonic coeff.

Colourednoise

Colourednoise

FilteringFilteringObservationsObservations

Page 65: Semmering, 2002-10-17 H. SünkelSAG-BGÖ 2002 H. Sünkel Institut für Geodäsie Technische Universität Graz und Institut für Weltraumforschung Österreichische

Semmering, 2002-10-17 H. SünkelSAG-BGÖ 2002

“Delft data-set”:• 29 days repeat orbit• ~ 1.5 million observations (SGG diagonal components)

• lmax = 180

• Size of full normal equation matrix 4.1 GByte

Very different time behaviour of the three methods

The GOCE mission: closed loop simulation

Page 66: Semmering, 2002-10-17 H. SünkelSAG-BGÖ 2002 H. Sünkel Institut für Geodäsie Technische Universität Graz und Institut für Weltraumforschung Österreichische

Semmering, 2002-10-17 H. SünkelSAG-BGÖ 2002

0

500

1000

1500

2000

2500

min

utes

0 2 4 6 8 10 12 14 16

Iterations

DEC-Alpha CRAY (25 PEs)CRAY (50 PEs) CRAY (75 PEs)

Near linear speed-up

with additional processing

elements (PE)

Near linear speed-up

with additional processing

elements (PE)

The GOCE mission: solution time

Page 67: Semmering, 2002-10-17 H. SünkelSAG-BGÖ 2002 H. Sünkel Institut für Geodäsie Technische Universität Graz und Institut für Weltraumforschung Österreichische

Semmering, 2002-10-17 H. SünkelSAG-BGÖ 2002

method # PEs iteration timepcgma 25 10 12h20min

SA 25 5 20min

DNA 49 - 14.5d

338h / 10h

The GOCE mission: test performance

Solution time:

Page 68: Semmering, 2002-10-17 H. SünkelSAG-BGÖ 2002 H. Sünkel Institut für Geodäsie Technische Universität Graz und Institut für Weltraumforschung Österreichische

Semmering, 2002-10-17 H. SünkelSAG-BGÖ 2002

• March 2001: TU Graz started to build up a Beowulf cluster

• 24 Dual-Pentium (866 MHz) PC’s (computing nodes)• 1GB RAM / 18 GB local HD• 1 Master server PC• 1.5 GB RAM• 5*73 GB RAID 5• Linux (Redhat, Kernel 2.4.19) , MPICH, ...• TU Graz cluster outperforms Columbus / Ohio cluster by a

factor of 2• Same performance as the CRAY T3E in Columbus / Ohio

The TU Graz clusterComponents and performance

Page 69: Semmering, 2002-10-17 H. SünkelSAG-BGÖ 2002 H. Sünkel Institut für Geodäsie Technische Universität Graz und Institut für Weltraumforschung Österreichische

Semmering, 2002-10-17 H. SünkelSAG-BGÖ 2002

• 10 ES45 Alphaserver• 4 CPUs each / 1.25 GHz• 2 ES45 with 32 GB RAM

• 8 ES45 with 16 GB RAM• 120 GB local hard disks• connected via 16 ports

Quadrics switch

• 10 ES45 Alphaserver• 4 CPUs each / 1.25 GHz• 2 ES45 with 32 GB RAM

• 8 ES45 with 16 GB RAM• 120 GB local hard disks• connected via 16 ports

Quadrics switch

HP SC-45 cluster

Realization: October 2002

The TU Graz cluster: future plans (1/2)

Page 70: Semmering, 2002-10-17 H. SünkelSAG-BGÖ 2002 H. Sünkel Institut für Geodäsie Technische Universität Graz und Institut für Weltraumforschung Österreichische

Semmering, 2002-10-17 H. SünkelSAG-BGÖ 2002

• System based on Linux• connection between the

nodes via Myrinet (Cluster 1)• connection between the

nodes via GigaBit Ethernet (Cluster 2)

• 24 nodes (Cluster 1)36 nodes (Cluster 2)

• Intel / 2.6 GHz CPUs• 0.5 GB RAM per CPU• 5*73 GB SCSI RAID5

• System based on Linux• connection between the

nodes via Myrinet (Cluster 1)• connection between the

nodes via GigaBit Ethernet (Cluster 2)

• 24 nodes (Cluster 1)36 nodes (Cluster 2)

• Intel / 2.6 GHz CPUs• 0.5 GB RAM per CPU• 5*73 GB SCSI RAID5

Realization: January 2003

The TU Graz cluster: future plans (2/2)

Page 71: Semmering, 2002-10-17 H. SünkelSAG-BGÖ 2002 H. Sünkel Institut für Geodäsie Technische Universität Graz und Institut für Weltraumforschung Österreichische

Semmering, 2002-10-17 H. SünkelSAG-BGÖ 2002

Gravity satellite missions: comparison

2 years5 years5 yearsduration

250 km~450 km454 kmaltitude

96.5°89.0°87.3°inclination

SST-hl/SGGSST-hl / llSST-hlmode

200620022000start

GOCEGRACECHAMP

Page 72: Semmering, 2002-10-17 H. SünkelSAG-BGÖ 2002 H. Sünkel Institut für Geodäsie Technische Universität Graz und Institut für Weltraumforschung Österreichische

Semmering, 2002-10-17 H. SünkelSAG-BGÖ 2002

70 km250 km650 kmresolution(half wavelength)

< 1 cm~ 1 cm~ 1 cmaccuracy

GOCEGRACECHAMP

3008030Harmonic degree

Gravity satellite missions: comparisonAccuracy and resolution

Page 73: Semmering, 2002-10-17 H. SünkelSAG-BGÖ 2002 H. Sünkel Institut für Geodäsie Technische Universität Graz und Institut für Weltraumforschung Österreichische

Semmering, 2002-10-17 H. SünkelSAG-BGÖ 2002

SST - hlSST - hl

SST - llSST - ll

KaulaKaula

SGGSGG

Gravity satellite missionsAccuracy and resolution

EGM 96EGM 96

Page 74: Semmering, 2002-10-17 H. SünkelSAG-BGÖ 2002 H. Sünkel Institut für Geodäsie Technische Universität Graz und Institut für Weltraumforschung Österreichische

Semmering, 2002-10-17 H. SünkelSAG-BGÖ 2002

The GOCE missionOcean topography

Page 75: Semmering, 2002-10-17 H. SünkelSAG-BGÖ 2002 H. Sünkel Institut für Geodäsie Technische Universität Graz und Institut für Weltraumforschung Österreichische

Semmering, 2002-10-17 H. SünkelSAG-BGÖ 2002

x

Hgvf

y

Hguf

s

s

Steady - state flow:

H ... Sea surface height (SSH) relative to geoidx, y ... Local cartesian coordinates (W-E, S-N)u, v ... Surface velocity (W-E, S-N)g ... Gravityf ... Coriolis term

0vu

The GOCE missionDynamic ocean topography

Navier-Stokes equation

Page 76: Semmering, 2002-10-17 H. SünkelSAG-BGÖ 2002 H. Sünkel Institut für Geodäsie Technische Universität Graz und Institut für Weltraumforschung Österreichische

Semmering, 2002-10-17 H. SünkelSAG-BGÖ 2002

Signal l = 20

Range: -75 to +75 cm

l = 80 l = 200

Gravity satellite missionsOcean topography signal

Page 77: Semmering, 2002-10-17 H. SünkelSAG-BGÖ 2002 H. Sünkel Institut für Geodäsie Technische Universität Graz und Institut für Weltraumforschung Österreichische

Semmering, 2002-10-17 H. SünkelSAG-BGÖ 2002

The GOCE missionMean dynamic ocean topography

Page 78: Semmering, 2002-10-17 H. SünkelSAG-BGÖ 2002 H. Sünkel Institut für Geodäsie Technische Universität Graz und Institut für Weltraumforschung Österreichische

Semmering, 2002-10-17 H. SünkelSAG-BGÖ 2002

The GOCE missionGeostrophic current

Page 79: Semmering, 2002-10-17 H. SünkelSAG-BGÖ 2002 H. Sünkel Institut für Geodäsie Technische Universität Graz und Institut für Weltraumforschung Österreichische

Semmering, 2002-10-17 H. SünkelSAG-BGÖ 2002

Problem: conversion velocity density

Propagation of seismic waves

The GOCE mission: geotomography

Page 80: Semmering, 2002-10-17 H. SünkelSAG-BGÖ 2002 H. Sünkel Institut für Geodäsie Technische Universität Graz und Institut für Weltraumforschung Österreichische

Semmering, 2002-10-17 H. SünkelSAG-BGÖ 2002

RiftingRifting

OrogenyOrogeny

Volcanoes,Hot Spots

Volcanoes,Hot Spots

SpreadingSpreading

SubductionSubduction

The GOCE mission: solid Earth

Page 81: Semmering, 2002-10-17 H. SünkelSAG-BGÖ 2002 H. Sünkel Institut für Geodäsie Technische Universität Graz und Institut für Weltraumforschung Österreichische

Semmering, 2002-10-17 H. SünkelSAG-BGÖ 2002

The GOCE mission: surveying

Page 82: Semmering, 2002-10-17 H. SünkelSAG-BGÖ 2002 H. Sünkel Institut für Geodäsie Technische Universität Graz und Institut für Weltraumforschung Österreichische

Semmering, 2002-10-17 H. SünkelSAG-BGÖ 2002

CHAMPmagnetic field determinationtemporal variations of the gravity field

GRACEimproved knowledge of the geoidestimates of time variable components

GOCEhighly precise static geoid determination

Gravity satellite missions: summary

Page 83: Semmering, 2002-10-17 H. SünkelSAG-BGÖ 2002 H. Sünkel Institut für Geodäsie Technische Universität Graz und Institut für Weltraumforschung Österreichische

Semmering, 2002-10-17 H. SünkelSAG-BGÖ 2002

Oceanography:• Absolute ocean circulation• Sea level changes• Ice mass balance

Solid Earth Physics:• Geotomography• Processes in the deep Earth‘s interior• Earthquake prediction

Geodesy:• Unified height datum• GPS levelling• Orbit prediction• Inertial navigation

Gravity satellite missions: benefits

Page 84: Semmering, 2002-10-17 H. SünkelSAG-BGÖ 2002 H. Sünkel Institut für Geodäsie Technische Universität Graz und Institut für Weltraumforschung Österreichische

Semmering, 2002-10-17 H. SünkelSAG-BGÖ 2002

GOCE will cover Theme 1 of ESA‘s Living Planet Programme (with the exception of the magnetic field part)

Geodesy

Solid Earth Physics

Absolute OceanCirculation

Sea Level Change Studies

Ice Sheet Mass Balance

Gravity satellite missionsBenefits for geosciences

Page 85: Semmering, 2002-10-17 H. SünkelSAG-BGÖ 2002 H. Sünkel Institut für Geodäsie Technische Universität Graz und Institut für Weltraumforschung Österreichische

Semmering, 2002-10-17 H. SünkelSAG-BGÖ 2002

The End