Universität zu Köln

Masses of Small Bodies: Mass estimation of small solar system bodies using Radio Science data from close flybys

Andert, Thomas Paul (2010) Masses of Small Bodies: Mass estimation of small solar system bodies using Radio Science data from close flybys. PhD thesis, Universität zu Köln.

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    Abstract

    The Radio Science technique enables to estimate the mass and other gravitational parameters of a solar system body from spacecraft observations very precisely. It uses the radio link between ground station and spacecraft. The frequency shift of the radio signal is proportional to the relative velocity change between spacecraft and ground station. If a spacecraft performs a close flyby at a solar system body, the velocity of the spacecraft is changed by the gravitational attraction of the body. If all other contributions on the radio signal are known, the remaining frequency change is solely due to the gravitational attraction. A least square fit can be performed on the frequency residuals to derive from it gravitational parameters. Within this thesis models were developed and merged into a software package with which it is possible to determine the orbit of a spacecraft precisely and to predict accurately the frequency to be observed at a ground station. Models for extracting the frequency shift caused by the propagation of the radio signal through the ionosphere and troposphere of the Earth were incorporated. The accuracy of the predicted frequency, i.e. the difference between measurement and predict, is in the same order as the total Doppler velocity error in X-band from the thermal noise of the ground station and the transponder phase noise. Filtering techniques were established improving the signal to noise ratio at least by a factor of three. A numerical stable least square fitting procedure was introduced to fit the frequency change due to the gravitational attraction of a body onto the measured frequency residuals. Measurements from the close flyby of the Rosetta spacecraft at the asteroid Steins were analyzed with the developed method. Due to the large flyby distance no mass estimate was possible. A feasibility study was carried out for the upcoming flyby of Rosetta in July 2010 at the asteroid Lutetia. It is possible to estimate from this flyby the mass of Lutetia with an error of 1 %. Moreover, the developed method was applied to measurements of the Radio Science Experiment onboard Mars Express MaRS from two close flybys at the Mars moon Phobos in March 2006 and July 2008. The mass of Phobos was estimated from these flybys. The solution provides the most accurate value currently available for the mass of Phobos from close flybys. Information about the interior were derived from the precise mass estimate. Phobos has a high porosity which is discussed with respect to its origin. It seems to be unlikely that Phobos is a captured asteroid as suggested from first spectral measurements. It seems to be more likely that Phobos is the remnant of the collision between a body originating from the asteroid belt and a body remaining from the formation process of Mars. Mars Express will perform another flyby in March 2010 with a closest distance of 62 km. A feasibility study was performed from which it was derived that the C20 term of the gravity field of Phobos can be estimated with an error of 1 % with the developed method.

    Item Type: Thesis (PhD thesis)
    Translated abstract:
    AbstractLanguage
    Das Radio Science Verfahren ermöglicht aus Messungen von Raumsonden die sehr genaue Bestimmung der Gravitationsparameter von Körpern des Sonnensystems. Dazu wird das Radio Signal zwischen Raumsonde und Bodenstation verwendet. Die Frequenzänderung des Radio Signals ist proportional zur relativen Geschwindigkeitsänderung zwischen Raumsonde und Bodenstation. Fliegt eine Raumsonde nahe an einem Körper vorbei, so wird ihre Geschwindigkeit durch das Schwerefeld verändert. Sind alle Einflüsse bezüglich der Frequenz des Radio Signals außer dem Schwerefeld des Körpers bekannt, so ist die verbleibende Frequenzänderung allein auf das Schwerefeld zurückzuführen. Mit einer Least Square Anpassung können die Gravitationsparameter bestimmt werden. In dieser Arbeit wurden Modelle entworfen und innerhalb eines Software-Pakets zusammengefasst, mit dem der Orbit einer Raumsonde und die Frequenz, die an der Bodenstation zu erwarten wäre, sehr genau vorhergesagt werden kann. Außerdem wurden Modelle verwendet, um die Frequenzänderungen, die entstehen, wenn das Signal die Erdatmosphäre durchläuft, aus den Messdaten zu entfernen. Die Genauigkeit der Frequenzvorhersage, die in der Arbeit erreicht wurde, liegt dabei im Bereich des Doppler-Geschwindigkeitsfehlers im X-Band auf Grund des thermischen Rauschens der Bodenstation und dem Phasenrauschen des Transponder des Radio Science Verfahrens. Das Signal-zu-Rausch-Verhältnis der Messung wurde durch verschiedene Filtertechniken mindestens um den Faktor 3 verbessert. Ein numerisch stabiles Verfahren zur Least Square Anpassung wurde verwendet, um die modellierte Frequenzänderung auf Grund des Schwerefeldes an die gemessene Frequenzänderung anzupassen. Die Messungen des nahen Vorbeiflugs von Rosetta am Asteroiden Steins wurde mit der entwickelten Methode analysiert. Auf Grund der großen Vorbeiflugs-Entfernung war keine Massenbestimmung möglich. Es wurde eine Machbarkeitsstudie für den Vorbeiflug von Rosetta im Juni 2010 am Asteroiden Lutetia durchgeführt. Es ist möglich mit der entwickelten Methode die Masse von Lutetia auf 1 % genau zu bestimmen. Die in dieser Arbeit entwickelte Methode wurde bei Messungen des Radio Science Experiments auf Mars Express MaRS zweier naher Vorbeiflüge am Marsmond Phobos angewandt. Die Masse von Phobos wurde aus den Messungen der Vorbeiflüge mit einer Genauigkeit bestimmt, die bis jetzt bei nahen Vorbeiflügen noch nicht erreicht wurde. Mit der Massenbestimmung konnten weitere Informationen über den inneren Aufbau von Phobos abgeleitet werden. Die dabei bestimmte hohe Porosität von Phobos wurde im Zusammenhang mit seiner Herkunft diskutiert. Es ist unwahrscheinlich, dass Phobos ein eingefangener Asteroid ist, wie es auf Grund der ersten spektralen Messungen vorgeschlagen wurde. Möglicherweise ist Phobos der Überrest eines Zusammenstoßes zwischen einem Körper, der aus dem Asteroiden-Gürtel stammt, und eines Körpers, der bei der Entstehung des Mars gebildet wurde. Mars Express wird im März 2010 in einer Entfernung von 62 km an Phobos vorbeifliegen. Es wurde eine Machbarkeitsstudie für den Vorbeiflug durchgeführt. Daraus folgt, dass mithilfe der entwickelten Methode der C20 Term des Schwerefeldes von Phobos mit einer Genauigkeit von 1 % bestimmt werden kann.German
    Creators:
    CreatorsEmail
    Andert, Thomas Paultom.andert@unibw.de
    URN: urn:nbn:de:hbz:38-30505
    Subjects: Earth sciences
    Uncontrolled Keywords:
    KeywordsLanguage
    Phobos , Masse , Mars , Mars Express , RosettaGerman
    Phobos , Mass , Mars , Mars Express , RosettaEnglish
    Faculty: Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät
    Divisions: Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät > Institut für Geophysik und Meteorologie
    Language: English
    Date: 2010
    Date Type: Completion
    Date of oral exam: 11 January 2010
    Full Text Status: Public
    Date Deposited: 07 Apr 2010 15:42:53
    Referee
    NameAcademic Title
    Pätzold, MartinP. D. Dr.
    URI: http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/3050

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