Zur Bestimmung des cm-Geoids und dessen zeitlicher Variationen mit GRACE

Abstract

In dieser Arbeit wird eine Analysemethode unter Verwendung der dynamischen Methode zur Berechnung hochgenauer und hochauflösender Schwerefeldmodelle in Form von Kugelfunktionskoeffizienten auf der Grundlage der neuartigen Daten der Satellitenmission GRACE entwickelt. Neben deren Erweiterung um die Verarbeitung der Messungen nichtgravitativer Störbeschleunigungen von drei-achsigen Akzelerometerinstrumenten sowie von µm-genauen Abstandsmessungen zwischen den Zwillingssatelliten der GRACE-Mission, werden insbesondere Untersuchungen im Hinblick auf eine geeignete Parametrisierung des Bewegungsproblems und deren Einfluss auf die Feldmodelle vorgenommen. Nach Auswahl einer Vorgehensweise wird ein statisches Schwerefeldmodell sowie 35 monatsweise Feldmodelle auf der Grundlage von drei Jahren Missionsdaten berechnet. Vergleiche zu unabhängigen Datensätzen und extern berechneten GRACE-Schwerefeldmodellen sowie Bahnanpassung-Tests für geodätische Satelliten zeigen die hohe Qualität und Vielseitigkeit der vorliegenden GRACE-basierten Schwerefeldmodelle und demonstrieren so allgemein den enormen Gewinn für die Schwerefeldbestimmung mit GRACE. Neben einem cm- bzw. mm-genauen Geoid mit einer bisher unerreichten Auflösung von einigen hundert Kilometern, können mit den vorliegenden GRACE-basierten Monatsmodellen hydrologisch induzierte Schwereschwankungen herunter bis etwa 500 km Halbwellenlänge ausgemessen werden. Problematisch sind dabei jedoch die bekannten systematischen Verfälschungen mittel- und kurzwelliger Signalanteile in den GRACE-Modellen, die durch verschiedene Aliasing-Effekte hervorgerufen werden. Eine Abschätzung der Genauigkeit der Modelle deutet an, dass mit der vorliegenden Modellreihe die in Vorflugstudien erzielbare Genauigkeit nur bis auf einen Faktor 10 für das statische Feld bzw. 17.5 für die Monatslösungen erreicht wird. Allerdings ist eine umfassende Qualitätsbeurteilung GRACE-basierter Schwerefeldmodelle gegenwärtig schwierig, da keine mit GRACE ver¬gleich¬bar genauen, aber unabhängigen Datensätze zur Verfügung stehen.

<b>Towards the determination of the cm-precise Geoid and its temporal variations using GRA</b><br /> In this thesis an approach for the computation of highly accurate gravity field models of the Earth in terms of spherical harmonic coefficients from novel data of the GRACE satellite mission based on the dynamic approach is developed. Along an extension of the method with respect to the exploitation of measurements of non-conservative forces from three-axial accelerometers and µm-precise inter-satellite measurements of the GRACE twin satellite mission, investigations on an appropriate parametrization of the orbital motion and its impact on the derived gravity models are carried out. After a selection of an approach a static as well 35 monthly gravity field models are computed from three years of mission data. Comparisons to independent data sets and externally computed GRACE gravity models as well as orbit determination tests for geodetic satellites show the high quality and capability of the given GRACE-based gravity models, thus demonstrating the enormous gain in gravity recovery from GRACE in general. Besides a cm- respectively mm-accurate geoid at unprecedented resolutions of a few hundred kilometres, the given GRACE-based monthly gravity models allow for the recovery of hydrologically induced gravity variations down to spatial lengths of about 500 km (half wavelength). However, problematic are the well-known systematic degradations for medium and short wavelength signals in the GRACE models, caused by various types of aliasing. An assessment of the models' accuracy indicates, that with the given model series the anticipated accuracy from pre-flight studies is reached only up to a factor of 10 for the static respectively a factor of 17.5 for the monthly gravity field models. Yet a comprehensive evaluation of the quality of GRACE-based gravity models remains difficult, since no independent data of comparable accuracy to GRACE is currently available.