End-to-end simulation of the measurement chain of the daedalus satellite mission

Abstract

The Daedalus mission has proposed a spacecraft at extremely low orbit for the in-situ exploration of the Earth’s Lower Thermosphere-Ionosphere (LTI). The mission was nominated in 2018 as one of the three candidates of the 10th Earth Explorer. Earth Explorers are a family of European Space Agency spacecrafts devoted to the study of the Earth. The mission received high scientific interest and is still actively pursued by a collaboration of the space agencies of Europe and United States of America. For this purpose a scientific team is formed with the name ”ESA-NASA Lower Thermosphere-Ionosphere Science (ENLoTIS) Working Group”. The LTI extends between approximately 100 and 200 km above sea level and constitutes a transition zone between the massive neutral atmosphere below and the plasma-rich space above, with the magnetic field of the Earth and the geomagnetic activity playing crucial roles. This layer is characterized by complex interactions between charged particles and neutral gasses in the presence of electromagnetic fields which evolve in time and space in multiple scales. Apart from representing an important area of scientific investigation, connecting the neutral atmosphere with the ionized outer space, the LTI also impacts the lifetime of low orbiting satellites, the satellite communications, the satellite navigation and is crucial for predicting the space weather. However, despite its importance, the LTI has not yet been thoroughly investigated in-situ. Many studies of the region employ simulation models which often disagree between them. The Daedalus mission aims to acquire, for the first time, in-situ measurements from a complete set of instruments, able to measure the electrodynamics, energy transfer and dynamics of the LTI. The aim of this thesis was to develop an End-to-End Simulation of the measurement chain of the Daedalus mission and to assess the ability of the mission to answer to a series of scientific questions, which remain open due to insufficient measurements so far. The study included the execution of computer simulations of the LTI region for the duration of the mission lifetime and the processing and analysis of their large data outputs. For this purpose, the LTI was separated into Regions of Interest (RoI) and for each region two data-sets were inter-compared: one describing statistically the whole RoI, and the other describing statistically the along-orbit measurements. The thesis results demonstrated that Daedalus will be able to adequately measure the Regions of Interest in terms of coverage and statistics. It was shown that Daedalus can visit these regions for sufficient time and that the collected measurements can form a statistically representative description of the LTI. The analysis provided guidelines for the fine tuning of orbit parameters and the determination of the minimum mission lifetime. The thesis also studied through simulations the height distribution of critical parameters of the region, such as Joule heating and Pedersen conductivity and helped determine the minimum height and the range of heights at which the satellite should take measurements. Finally, during the course of the thesis, a simulation code was produced for all measurement stages of a space mission, which allows the parameterization and definition of the mission specifications.In the framework of the current thesis, comparisons between simulation models of the LTI and between models and Incoherent Scatter Radar measurements were conducted. The results revealed many discrepancies in the estimation of Joule heating, an important parameter of the LTI, crucial for its energy budget especially during active geomagnetic conditions. The discrepancies can be attributed to inaccurate parameterization and boundary conditions of the models since they are based on the sparse data sets available. Also, a major defect of the models seems to be their inability to represent the small-scale variability of the electric field, which can contribute significantly to the magnitude of Joule heating. The necessity for more accurate quantification of the processes in the LTI highlights the significance of the Daedalus mission.

Η διαστημική αποστολή με το όνομα «Δαίδαλος» έχει στόχο να θέσει έναν δορυφόρο σε εξαιρετικά χαμηλή τροχιά για την επιτόπια εξερεύνηση της Κατώτερης Θερμόσφαιρας - Ιονόσφαιρας της Γης. Η αποστολή προτάθηκε το 2018 και προκρίθηκε ως μία από τις τρεις υποψηφιότητες για να αποτελέσει τον 10ο Earth Explorer, μιας οικογένειας δορυφόρων του Ευρωπαϊκού Οργανισμού Διαστήματος με σκοπό την παρατήρηση της Γης. Η αποστολή έτυχε υψηλού επιστημονικού ενδιαφέροντος και εξακολουθεί να επιδιώκεται ενεργά η υλοποίησή της μέσω της συνεργασίας των οργανισμών διαστήματος της Ευρωπαϊκής ΄Ενωσης και των Ηνωμένων Πολιτειών Αμερικής, οι οποίες σχημάτισαν για αυτόν τον σκοπό την ομάδα με όνομα ”ESA-NASA Lower Thermosphere-Ionosphere Science (ENLoTIS) Working Group”. Η Κατώτερη Θερμόσφαιρα - Ιονόσφαιρα της Γης εκτείνεται σε υψόμετρο περίπου από 100 έως 200 χλμ πάνω από την επιφάνεια της θάλασσας και αποτελεί μια ζώνη μετάβασης μεταξύ της ουδέτερης ατμόσφαιρας και του πλούσιου σε πλάσμα χώρου του διαστήματος, με το μαγνητικό πεδίο της Γης και τη γεωμαγνητική δραστηριότητα να παίζουν κρίσιμο ρόλο στη συμπεριφορά της. Αυτό το στρώμα χαρακτηρίζεται από πολύπλοκες αλληλεπιδράσεις μεταξύ φορτισμένων σωματιδίων και ουδετέρων αερίων παρουσία ηλεκτρομαγνητικών πεδίων που εξελίσσονται στο χρόνο και τον χώρο σε πολλαπλές κλίμακες. Εκτός από το ότι αντιπροσωπεύει έναν σημαντικό τομέα επιστημονικής έρευνας, συνδέοντας την ουδέτερη ατμόσφαιρα με το ιονισμένο διαστημικό χώρο, η Κατώτερη Θερμόσφαιρα - Ιονόσφαιρα επηρεάζει επίσης τη διάρκεια ζωής των δορυφόρων χαμηλής τροχιάς, τις δορυφορικές επικοινωνίες, την πλοήγηση μέσω δορυφόρων, και, επίσης, είναι σημαντική για την πρόβλεψη του διαστημικού καιρού. Ωστόσο, παρά τη σημασία της, η Κατώτερη Θερμόσφαιρα - Ιονόσφαιρα δεν έχει ακόμη διερευνηθεί διεξοδικά με επιτόπιες (in-situ) παρατηρήσεις, ενώ πολλές μελέτες της περιοχής χρησιμοποιούν μοντέλα προσομοίωσης που συχνά διαφωνούν σε μεγάλο βαθμό μεταξύ τους. Στόχος της αποστολής του Δαίδαλου είναι να πραγματοποιήσει, για πρώτη φορά, συστηματικές επιτόπιες παρατηρήσεις από ένα πλήρες σύνολο οργάνων ικανών να μετρήσουν την ηλεκτροδυναμική, το ενεργειακό ισοζύγιο και τη δυναμική της περιοχής. Στόχος της διατριβής ήταν να πραγματοποιηθεί μία ολοκληρωμένη προσομοίωση όλων των σταδίων μέτρησης της διαστημικής αποστολής, και να εκτελεστεί μία μελέτη της ικανότητας της αποστολής του Δαίδαλου να απαντήσει σε μία σειρά από επιστημονικά ερωτήματα που παραμένουν αναπάντητα λόγω ανεπαρκών, έως τώρα, μετρήσεων. Η μελέτη περιλαμβάνει την εκτέλεση υπολογιστικών προσομοιώσεων της Κατώτερης Θερμόσφαιρας - Ιονόσφαιρας για όλη τη διάρκεια ζωής της αποστολής, καθώς και την επεξεργασία και ανάλυση του μεγάλου όγκου δεδομένων που παράχθηκαν. Για το σκοπό αυτό, η Κατώτερη Θερμόσφαιρα - Ιονόσφαιρα χωρίστηκε σε περιοχές ενδιαφέροντος και για κάθε περιοχή έγινε σύγκριση δύο συνόλων δεδομένων: ενός που περιγράφει στατιστικά ολόκληρη την περιοχή και ενός που περιγράφει στατιστικά τις μετρήσεις κατά μήκος της τροχιάς του Δαίδαλου. Τα αποτελέσματα της διατριβής έδειξαν ότι η αποστολή είναι σε θέση να μετρήσει επαρκώς την Κατώτερη Θερμόσφαιρα - Ιονόσφαιρα. Αποδείχθηκε ότι ο δορυφόρος μπορεί να επισκεφθεί για επαρκή, συνολικά, χρόνο τις περιοχές ενδιαφέροντος και με τις μετρήσεις που θα συλλέξει να διαμορφωθεί μια στατιστικά αντιπροσωπευτική περιγραφή της ΚΘΙ. Η μελέτη παρείχε κατευθύνσεις για τη ρύθμιση των παραμέτρων της τροχιάς και για τον προσδιορισμό της ελάχιστης διάρκειας της αποστολής. Επίσης, η διατριβή μελέτησε μέσω προσομοιώσεων την καθύψος κατανομή κρίσιμων παραμέτρων όπως η Ωμική θέρμανση και η αγωγιμότητα Πεδερσεν της περιοχής και βοήθησε στο να καθοριστεί το ελάχιστο ύψος και το εύρος υψών στο οποίο θα πρέπει να λάβει μετρήσεις ο δορυφόρος. Τέλος, κατά τη διάρκεια της διατριβής παρήχθη κώδικας προσομοιώσεων όλων των σταδίων μέτρησης μιας διαστημικής αποστολής, που επιτρέπει την παραμετροποίηση και καθορισμό των προδιαγραφών της αποστολής. Στο πλαίσιο της παρούσας διατριβής, πραγματοποιήθηκαν συγκρίσεις διαφορετικών μοντέλων προσομοίωσης της ΚΘΙ μεταξύ τους, και συγκρίσεις μεταξύ μοντέλων και μετρήσεων που λήφθηκαν από ραντάρ (Incoherent Scatter Radar). Τα αποτελέσματα αποκάλυψαν αποκλίσεις στην εκτίμηση της Ωμικής θέρμανσης Joule, μιας σημαντικής παραμέτρου, κρίσιμης για τις ενεργειακές μεταβολές της περιοχής, ειδικά κατά τη διάρκεια συνθηκών υψηλής γεωμαγνητικής δραστηριότητας. Αυτές οι αποκλίσεις μπορούν να αποδοθούν σε εσφαλμένη παραμετροποίηση και ανακριβείς οριακές συνθήκες στα μοντέλα, καθώς βασίζονται στα λιγοστά διαθέσιμα σύνολα δεδομένων. Επίσης, ένα σημαντικό μειονέκτημα των μοντέλων φαίνεται να είναι η αδυναμία τους να αναπαραστήσουν τις μικρής-κλίμακας μεταβολές του ηλεκτρικού πεδίου, οι οποίες μπορούν να συμβάλουν σημαντικά στο μέγεθος της θέρμανσης Joule. Η αναγκαιότητα για ακριβέστερη ποσοτικοποίηση των διεργασιών στην Κατώτερη Θερμόσφαιρα - Ιονόσφαιρα υπογραμμίζει τη σημασία της αποστολής του δορυφόρου Δαίδαλου.