In-Depth Characterization of the First Inter-Satellite Laser Ranging Interferometer on GRACE Follow-On

Abstract

The GRACE Follow-On (GRACE-FO) satellite mission was launched in May 2018. It continues the time series of monthly estimates of the Earth’s gravity field, started by its predecessor, the Gravity Recovery And Climate Experiment (GRACE). Scientists all around the globe use these monthly snapshots to study hydrological processes and the climate crisis. The GRACE-FO twin satellites orbit the Earth approximately every 90 minutes in a polar orbit, with an along-track distance of about 220 km. The Earth’s gravity information is encoded in subtle distance variations between the two, which are measured by the conventional Microwave Instrument (MWI), and in GRACE-FO also by the novel Laser Ranging Interferometer (LRI). The LRI is an optical interferometer split into two units, one on each spacecraft. Its sensitivity of 200 pm/sqrt(Hz) at 5 Hz surpasses the MWI by several orders of magnitude. Further, it has proven very reliable, with very few instrument-related outages.

This dissertation is concerned with data analysis of the various telemetry channels of the LRI to deepen the understanding of the instrument. It begins with explaining the LRI instrument and its subunits. New formulas for converting the measured optical phase to the inter-spacecraft range in meter are presented, considering the effect of a time-varying laser frequency. Furthermore, the dominant error sources in the data processing, namely the determination of the absolute value of the laser frequency and a time-tag error of the measurements, are modeled.

Lasers form the heart of the LRI, and their reliability and stability are closely monitored. The two LRI lasers show no sign of performance degradation after five years in orbit, but a small bi-modal behavior of some laser telemetry channels was observed. Further, short periods with increased laser frequency noise are investigated.

The absolute optical frequency of the LRI lasers acts as the conversion factor between the measured phase variations and the desired ranging signal. It is not measured directly on board and must be inferred in post-processing on ground. Therefore, a large part of this work is taken by developing different models for the absolute optical frequency of the LRI lasers, including the assessment of thermally induced tone errors.

The triple mirror assembly is a key component in the LRI, and the perpendicular alignment of its three mirrors ensures the parallelity of the two laser beams traveling between the spacecraft. Hence, their alignment is closely monitored in orbit by analyzing particular diagnostic scans. These scans can further be used to assess various properties of the beam, like the Gaussian divergence angles, the heterodyne efficiency variations, and the effects of a particular kind of tilt-to-length coupling.

In the end, single event upsets within the ranging data are investigated, which are short-lived disturbances of the ranging measurement due to charged particles that interact with the onboard electronics.

Die Satellitenmission GRACE Follow-On (GRACE-FO) wurde im Mai 2018 gestartet. Sie setzt die Zeitreihe monatlicher Schätzungen des Schwerefelds der Erde seines Vorgänger, dem Gravity Recovery And Climate Experiment (GRACE), fort. Wissenschaftler rund um den Globus nutzen diese monatlichen Momentaufnahmen, um hydrologische Prozesse und die Klimakrise zu untersuchen. Die GRACE-FO Zwillingssatelliten umkreisen die Erde etwa alle 90 Minuten auf einer polaren Umlaufbahn mit einem Abstand von etwa 220 km. Die Informationen über die Schwerkraft der Erde sind in den feinen Abstandsschwankungen zwischen den beiden kodiert, die mit dem herkömmlichen Microwave Instrument (MWI) und in GRACE-FO auch mit dem neuartigen Laser Ranging Interferometer (LRI) gemessen werden. Das LRI ist ein optisches Interferometer, das in zwei Einheiten aufgeteilt ist, eine auf jedem Satelliten. Seine Empfindlichkeit von 200 pm/sqrt(Hz) bei 5 Hz übertrifft die des MWI deutlich. Darüber hinaus hat es sich als sehr zuverlässig erwiesen, mit wenigen gerätebedingten Ausfällen.

Diese Dissertation befasst sich mit der Datenanalyse der verschiedenen Telemetriekanäle des LRI, um das Verständnis für das Instrument zu vertiefen. Sie beginnt mit einer Erläuterung des LRI-Instruments und seinen Teileinheiten. Es werden neue Formeln für die Umrechnung der gemessenen optischen Phase in die Entfernung zwischen den Satelliten in Metern vorgestellt, wobei die Auswirkungen einer zeitlich veränderlichen Laserfrequenz berücksichtigt werden. Darüber hinaus werden die dominierenden Fehlerquellen bei der Datenverarbeitung modelliert, nämlich die Bestimmung des Absolutwerts der Laserfrequenz und ein Zeitstempelfehler der Messungen.

Laser bilden das Herzstück des LRI, und ihre Zuverlässigkeit und Stabilität werden genau überwacht. Die beiden LRI-Laser zeigen nach fünf Jahren in der Umlaufbahn keine Anzeichen einer Leistungsverschlechterung, aber es wurde ein geringfügiges bimodales Verhalten einiger Lasertelemetriekanäle beobachtet. Außerdem werden kurze Perioden mit erhöhtem Laserfrequenzrauschen untersucht.

Die absolute optische Frequenz der LRI-Laser dient als Umrechnungsfaktor zwischen den gemessenen Phasenschwankungen und dem gewünschten Entfernungssignal. Sie wird nicht direkt an Bord gemessen, sondern muss in der Datenverarbeitung am Boden abgeleitet werden. Daher besteht ein großer Teil dieser Arbeit in der Entwicklung verschiedener Modelle für die absolute optische Frequenz der LRI-Laser, einschließlich der Bewertung thermisch bedingter Tonfehler.

Die triple mirror assembly ist eine Schlüsselkomponente des LRI, und die rechtwinklige Ausrichtung seiner drei Spiegel gewährleistet die Parallelität der beiden Laserstrahlen, die sich zwischen den Satelliten bewegen. Daher wird ihre Ausrichtung durch die Analyse bestimmter Diagnose-Scans in der Umlaufbahn genau überwacht. Anhand dieser Scans können verschiedene Eigenschaften des Strahls bewertet werden, z. B. die Gaußschen Divergenzwinkel, die Schwankungen der Überlagerungseffizienz und die Auswirkungen eines besonderen Typs der Rotation-zu-Weglängen Kopplung.

Schließlich werden single event upsets in den Entfernungsmessungsdaten untersucht, bei denen es sich um kurzlebige Störungen der Entfernungsmessung aufgrund geladener Teilchen handelt, die mit der Bordelektronik wechselwirken.