Contributions to satellite altimetry calibration with microwave transponders and corner reflectors in the context of fiducial reference measurements

Abstract

This dissertation improves satellite altimetry calibration by strengthening existing procedures, integrating active and passive targets, proposing new calibration methodologies and revisiting calibration processing.Satellite altimetry provides measurements for assessing Earth’s climate by monitoring oceans and inland waters. The primary measurement of altimetry is the range between the altimeter and the surface of the Earth. Accuracy and reliability of altimetric range are ensured through dedicated calibration. Over the last decades the developments in instrumentation and algorithms increased the accuracy of altimetric measurements. For example TOPEX/Poseidon (launched in 1992) measured ocean topography to an accuracy of 4 cm while Sentinel-3A (launched in 2016) reached an accuracy of 2 cm. On the other hand, external calibration, the only means of controlling altimeters accuracy post-launch, remained practically unchanged.To cover this gap, this work improves the reliability and accuracy of calibration by mitigating its largest sources of uncertainty. These have been determined following Fiducial Reference Measurements (FRM) principles and are the wet delay, transponder’s internal delay, geophysical corrections and calibration processing approximations. The FRM have been established by the European Space Agency to standardise the bias estimation. The dissertation is separated into four sections, each one presenting a research objective and the corresponding contribution of this work.The first objective has been to increase the confidence in the estimation of the most variable parameter in altimetry calibration, the wet delay. This was achieved by validating and implementing two independent techniques for estimating wet delays, i.e., the Ocean and Land Colour Instrument on-board Sentinel-3 and the MP-3000A ground radiometer. The implementation of these techniques additionally to the conventional GNSS methods, offers redundant and independent estimation ofwet delay correction for range calibration.The second objective has been to evaluate alternative methods of point target calibration, and assess their advantages with respect to currently-used methods. This would mitigate potentially the largest error of calibration using a transponder, thetransponder’s internal delay. After a systematic assessment of several calibration techniques, the integration of active (transponder) and passive (corner reflectors) point targets at the same calibration network is proposed. The main reference targetof the proposed calibration technique is the transponder because of its higher signal to noise ratio. The tandem operation of diverse targets allows to monitor the largest uncertainty of transponder calibration (i.e., internal delay) by comparing its echowith this of corner reflectors.The third objective has been to design new techniques, in order to mitigate the uncertainty of calibration, accounting for the increased accuracy of modern missions. This dissertation proposes a new technique for altimetry calibration calledAltimeter Differential Corner Reflector (ADCR). The ADCR offers for the first time a bias free of atmospheric, geophysical and orbital errors. This elimination of calibration errors is achieved by co-locating corner reflectors to experience identical effects.A differential bias is thus estimated, which originates from the comparison of corner reflectors range difference (estimated using altimetry measurements) against their known distance.The last objective, has been to revisit conventional calibration processing to reduce approximations that could degrade bias reliability. For this objective, the approximation of applying a constant offset to perform the common reference of themeasured and geometrical ranges is examined. A comprehensive methodology is proposed for accurately referencing the measured and geometric ranges at the same satellite point by incorporating satellite attitude information into calibration. Therevised calibration correction on Jason-3, varies from −2 mm to 1 mm for the range bias and from −110 μs to 110 μs for the datation bias. The magnitude of corrections on datation bias corresponds to about 30% of its average value. The mean bias dif-ference of Jason-3 ascending and descending orbits over the GVD1 transponder is improved by 12%.To sum up, this work removes the influence of systematic effects both in the ground infrastructure (i.e., internal delay knowledge, atmospheric and geophysical corrections) and on the satellite that depend on both physical characteristics (e.g., internal geometric structure) and attitude realization of each satellite. To ensure that calibration procedures are aligned with the requirements of future satellite missions and FRM standards, the methods proposed in this dissertation should be considered in every current and future Cal/Val infrastructure. The potential impact of this work is to reach sub-cm accuracy in the calibration of satellite altimete

Η παρούσα διατριβή βελτιώνει την ακρίβεια βαθμονόμησης των προϊόντων των δορυφόρων αλτιμετρίας με: (1) ενίσχυση υπαρχουσών τεχνικών, (2) συνδυασμό τεχνικών ενεργών και παθητικών στόχων, (3) εισαγωγή νέων τεχνικών βαθμονόμησης, και (4) επανεξέταση των συμβατικών τεχνικών επεξεργασίας.Η δορυφορική αλτιμετρία συμβάλλει στην κατανόηση των διαδικασιών που καθορίζουν το κλίμα της Γης μέσω της παρακολούθησης των ωκεανών και των μαζών νερού στην στεριά. Η κύρια μέτρηση της αλτιμετρίας είναι η απόσταση μεταξύ του αλτιμέτρου και της επιφάνειας της Γης. Η ακρίβεια και η αξιοπιστία της αλτιμετρικής απόστασης βεβαιώνεται μέσω μεθοδολογιών βαθμονόμησης που λαμβάνουν χώρα σε εξειδικευμένες εγκαταστάσεις. Τις τελευταίες δεκαετίες οι βελτιώσεις στα επιστημονικά όργανα και στους αλγορίθμους αύξησαν την ακρίβεια της δορυφορικής αλτιμετρίας. Για παράδειγμα, η αποστολή TOPEX/Poseidon (εκτοξεύθηκε το 1992) μετρούσε την τοπογραφία των ωκεανών με ακρίβεια 4 cm ενώ ο Sentinel-3A (εκτοξεύθηκε το 2016) έφτασε την ακρίβεια των 2 cm. Αντίθετα, η διαδικασία ελέγχου της ακρίβειας των δορυφορικών μετρήσεων παρέμεινε πρακτικά ίδια και δεν ακολούθησε τις τεχνολογικές εξελίξεις και τις επιστημονικές απαιτήσεις.Αυτό το κενό έρχεται να καλύψει η εργασία, αναγνωρίζοντας τις κυριότερες πηγές σφαλμάτων των μεθοδολογιών βαθμονόμησης, αντιμετωπίζοντας και τελικά βελτιώνοντας την ακρίβεια και την αξιοπιστία της βαθμονόμησης. Ακολουθώντας τις αρχές Θεμελιωδών Μετρήσεων Αναφοράς (ΘΜΑ), οι κύριες συνιστώσες σφαλμάτων είναι: (α) η καθυστέρηση της υγρή συνιστώσας της τροπόσφαιρας, (β) η εσωτερική καθυστέρηση του αναμεταδότη, (γ) οι γεωφυσικές διορθώσεις και (δ) οι προσεγγίσεις της επεξεργασίας κατά την βαθμονόμηση. Οι ΘΜΑ εισήχθησαν από την Ευρωπαϊκή Υπηρεσία Διαστήματος για να προτυποποιήσουν την εκτίμηση του σφάλματος του αλτιμέτρου. Η διατριβή χωρίζεται σε τέσσερις ενότητες, κάθε μία από τις οποίες παρουσιάζει και έναν ερευνητικό στόχο και την αντίστοιχη συνεισφορά αυτής της εργασίας. Ο πρώτος στόχος ήταν η αύξηση της αξιοπιστίας της εκτίμησης της πιο ευμετάβλητης παραμέτρου της βαθμονόμησης αλτιμετρίας, της καθυστέρησης της υγρής συνιστώσας της τροπόσφαιρας. Αυτός επετεύχθη με την αξιολόγηση και εφαρμογή δύο ανεξάρτητων τεχνικών που βασίζονται στο Ocean and Land Colour Instrument της αποστολής Sentinel-3 και στο επίγειο ραδιόμετρο MP-3000A. Η αξιοποίηση αυτών των τεχνικών παράλληλα με την υπάρχουσα τεχνική των παγκόσμιων δορυφορικών συστημάτων εντοπισμού, προσφέρει έναν ανεξάρτητο τρόπο για την διόρθωση της καθυστέρησης της υγρής συνιστώσας της τροπόσφαιρας κατά την βαθμονόμηση της αλτιμετρικής απόστασης.Ο δεύτερος στόχος υπήρξε η αξιολόγηση εναλλακτικών τρόπων βαθμονόμησης με σημειακούς στόχους και ο προσδιορισμός των πλεονεκτημάτων τους σε σχέση με τις ήδη εφαρμοζόμενες τεχνικές. Αυτή η εισαγωγή εναλλακτικών τρόπων αντιμετωπίζει το κυριότερο σφάλμα της βαθμονόμησης με αναμεταδότη, την εσωτερική καθυστέρηση. Μετά από συστηματική έρευνα και αξιολόγηση διαφόρων τεχνικών, προτείνεται η ταυτόχρονη χρήση ενεργών (αναμεταδότες) και παθητικών (γωνιακοί ανακλαστήρες) σημειακών στόχων στο ίδιο δίκτυο βαθμονόμησης. Ο κύριος σημειακός στόχος προτείνεται να είναι ο αναμεταδότης χάρις στην υψηλή αναλογία σήματος με θόρυβο που προσφέρει. Η ταυτόχρονη λειτουργία αυτών των ετερογενών στόχων επιτρέπει τον έλεγχο της μεγαλύτερης αβεβαιότητας της βαθμονόμησης με αναμεταδότη, την εσωτερική καθυστέρηση, με την σύγκριση του σήματος του αναμεταδότη με αυτό των γωνιακών ανακλαστήρων.Ο τρίτος στόχος ήταν η ανάπτυξη νέων τεχνικών με σκοπό την μείωση της αβεβαιότητας της βαθμονόμησης, ώστε να καλυφθούν οι απαιτήσεις ακρίβειας των σύγχρονων δορυφορικών αποστολών. Συγκεκριμένα, αναπτύχθηκε μία νέα τεχνική βαθμονόμησης που ονομάζεται Διαφορική Αλτιμετρία Γωνιακών Ανακλαστήρων (ΔΑΓΑ). Για πρώτη φορά, μέσω της ΔΑΓΑ, είναι δυνατός ο προσδιορισμός σφάλματος που είναι απαλλαγμένο από αβεβαιότητες διορθώσεων ατμόσφαιρας, γεωφυσικές επιδράσεις και τροχιακά σφάλματα. Αυτή η σημαντική πρόοδος επιτυγχάνεται μέσω της τοποθέτησης γωνιακών ανακλαστήρων στον ίδιο σταθμό. Εφόσον οι γωνιακοί ανακλαστήρες γειτνιάζουν, επηρεάζονται από τα ίδια ατμοσφαιρικά και γεωφυσικά φαινόμενα, στο ίδιο σημείο της τροχιάς. Συνεπώς, υπολογίζεται ένα διαφορικό σφάλμα, που προέρχεται από την σύγκριση του σήματος των γωνιακών ανακλαστήρων (προσδιορισμένο από αλτιμετρικές μετρήσεις) σε σχέση με την γνωστή τους απόσταση. Ο τελευταίος στόχος ήταν η επανεξέταση της συμβατικής επεξεργασίας της βαθμονόμησης για να βελτιωθούν οι προσεγγίσεις που μειώνουν την αξιοπιστία της εκτίμησης του σφάλματος του αλτιμέτρου. Μέχρι σήμερα, η σύνδεση μεταξύ των σημείων αναφοράς μετρούμενης και γεωμετρικής απόστασης γίνονταν μέσω ενός σταθερού όρου. Στην εργασία αυτή προτείνεται μία ολοκληρωμένη μεθοδολογία η οποία με αναλυτικό τρόπο προσδιορίζει δυναμικά (αξιοποιώντας μετρήσεις προσανατολισμού του δορυφόρου στο χώρο) και όχι μονοσήμαντα τη σύνδεση αυτή. Η διόρθωση που επιτυγχάνεται στην περίπτωση του δορυφόρου Jason-3, κυμαίνεται από -2 mm μέχρι 1 mm για την αλτιμετρική απόσταση και -110 μs έως 110 μs για το σφάλμα χρονικής αναφοράς. Το μέγεθος της διόρθωσης για το σφάλμα χρονικής αναφοράς αποτελεί το 30% της μέσης του τιμής. Με την εφαρμογή της προτεινόμενης μεθοδολογίας στις τροχιές του Jason-3 που διέρχονται από τον αναμεταδότη GVD1 στη Γαύδο, υπήρξε βελτίωση κατά 12% της μέσης διαφοράς μεταξύ κατιούσας και της ανιούσας τροχιάς.Συνοψίζοντας, η συμβολή της διατριβής στην επιστημονική κοινότητα είναι πως περιορίζει την επίδραση των συστηματικών σφαλμάτων που προέρχονται από (α) τους επίγειους σταθμούς (συγκεκριμένα της γνώση της εσωτερικής καθυστέρησης, ατμοσφαιρικές και γεωφυσικές διορθώσεις), (β) τα φυσικά χαρακτηριστικά του δορυφόρου (διαστάσεις και εσωτερική διάταξη οργάνων), και (γ) τον προσανατολισμό του στον χώρο. Για να βεβαιώσουμε ότι οι διαδικασίες βαθμονόμησης καλύπτουν τις ανάγκες μελλοντικών αποστολών αλτιμετρίας ακολουθώντας τις απαιτήσεις των ΘΜΑ, οι μέθοδοι που προτείνονται σε αυτήν την διατριβή πρέπει να ληφθούν υπόψιν σε κάθε σημερινή και μελλοντική υποδομή βαθμονόμησης. Ο πιθανός αντίκτυπος αυτήν της εργασίας είναι η επίτευξη ακρίβειας κάτω του εκατοστού στην βαθμονόμηση δορυφορικών αλτιμέτρων.