GRACE | Gravity Recovery and Climate Experiment Mission: GFZ

GRACE | Gravity Recovery and Climate Experiment Mission

GRACE war ein gemeinsames Projekt zwischen der US Raumfahrtbehörde ( NASA ) und dem Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt ( DLR ). Die Mission wurde 1996 von der Universität von Texas in Austin, Zentrum für Weltraumforschung ( UTCSR ), dem Deutschen GeoForschungsZentrum ( GFZ ) und den Jet Propulsion Laboratories in Pasadena geplant. GRACE wurde 1997 als zweite Mission im NASA Earth System Science Pathfinder ( ESSP ) Programm ausgewählt. Als Innovation ist der Principal Investigator Prof. Byron Tapley (UTSCR) und sein Team vollständig für die Entwicklung der Flughardware, für das Erreichen der wissenschaftlichen Zielsetzungen und die Verteilung der Messdaten und Produkte an die weltweiten wissenschaftlichen Nutzer verantwortlich. Co-Principal Investigator der Mission war Prof. Dr. Frank Flechtner (GFZ). Projektmanagement und Systementwicklung wurden durch JPL durchgeführt.

Das primäre wissenschaftliche Ziel der GRACE Mission war, das Schwerefeld der Erde und dessen zeitlichen Veränderungen mit nie da gewesener Genauigkeit zu vermessen. Der Genauigkeitsgewinn wurde durch zwei baugleiche Satelliten erreicht, die sich auf derselben Bahn folgen. Für deren Lagekontrolle und die Bestimmung von nicht-gravitativen Störkräften hatten beide Satelliten Sternensensoren und Beschleunigungsmesser an Bord. Die Position und die Geschwindigkeit der Satelliten wurden durch GPS-Empfänger und (für Validierungszwecke) durch Satellite Laser Ranging Retro-Reflektoren bestimmt. Zusätzlich waren die beiden Satelliten mit einem Mikrowellensystem im K-Band ausgestattet, welches es erlaubte, den Abstand und insbesondere dessen Änderung mit einer Genauigkeit von besser als 0.1 µm/s zu bestimmen. Diese Beobachtungen sind direkt verknüpft mit saisonalen und sub-saisonalen Veränderungen im kontinentalen Wasserkreislauf, Eismassenänderungen in den großen Gletschersystemen in Grönland oder in der Antarktis, dem Meeresspiegelanstieg, der langwelligen Ozeanzirkulation oder dem Wärmetransport vom Äquator hin zu den Polen. In den mehr als 15 Jahren des Missionsbetriebs hat die Mission damit entscheidend beigetragen, das System Erde besser zu verstehen. Dies zeigt sich unter anderem in mehr als 1700 Publikation in wissenschaftlichen Zeitschriften und mehr als 5500 registrierten Nutzern am GRACE-Archiv ISDC (Information System and Data Center).

Im Oktober 2017 wurde die Mission, nachdem sie dreimal länger als ursprünglich geplant betrieben werden konnte, wegen Batterieproblemen und ausgehendem Treibstoff beendet . Wegen ihrer hohen Relevanz für die Erdsystemforschung haben GFZ und NASA seit 2012 eine Nachfolgemission GRACE-FO realisiert, die im Frühjahr 2018 starten soll. Das zweite wissenschaftliche Ziel der GRACE-Mission war es, täglich etwa 150 global verteilte vertikale Temperatur- und Wasserdampfprofile aus GPS-Radiookkultationsdaten zu bestimmen. Diese wurden vom GFZ operationell (24/7) an verschiedene Wetterdienste zur Wettervorhersage geliefert.

Anmerkungen:

Das GRACE Projekt wurde auf Beschluss des Deutschen Bundestags durch die Raumfahrtagentur des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) mit Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Technologie (BMWi) mit dem Förderkennzeichen 50 EE 1027 gefördert.

Der Betrieb des GRACE-Bodensegments wurde durch die ESA seit 2011 ko-finanziert.

GRACE Start

Die Seite existiert nur in englische Sprache.

GRACE Satelliten

Die Seite existiert nur in englische Sprache.

Die GRACE Nutzlast

Die Seite existiert nur in englische Sprache.

GRACE Mission Operations

Schwerefeldergebnisse

Zeitvariable Schwerefeldmodelle auf monatlicher und wöchentlicher Basis

Monatliche und wöchentliche zeitvariable GRACE Schwerefeldmodelle des GFZ sind in Form von GRACE Level-2 Produkten, d.h. als Satz von Kugelfunktionskoeffizienten, die das Schwerepotential der Erde für eine bestimmte Zeitperiode darstellen, frei verfügbar. Verschiedene Zeitreihen für verschiedene Versionen (Releases) sind gemeinsam mit hilfreicher Dokumentation in den beiden GRACE Archiven ISDC und PODAAC erhältlich. Dort findet man auch die monatlichen GRACE SDS Newsletter, die jeweils über den aktuellen Stand der vorhandenen Level-1 und Level-2 Produkte des GRACE Science Data Systems (SDS) informieren.

Zeitreihen monatlicher Schwerefelder gibt es in den Versionen RL01 bis RL05. Ausführlichere Informationen zur aktuellen Version (GFZ RL05) finden sich hier.

Zeitreihen aus wöchentlichen Schwerefeldern werden durch das Lösen von Teilmengen der monatlichen Normalgleichungssysteme, die der Einteilung der GPS Wochen entsprechen, gebildet. Sie zeichnen sich durch eine höhere zeitliche Auflösung aus, allerdings auf Kosten einer geringeren räumlichen Auflösung. Wochenlösungen gibt es nur für die Versionen RL04 sowie RL05 und sie können aus dem ISDC Archiv heruntergeladen werden.

Statische Schwerefeldmodelle

Zusätzlich werden durch das GFZ – in Kooperation mit GRGS – die sogenannten EIGEN-Modelle (EIGEN: European Improved Gravity model of the Earth by New techniques) berechnet. Bei diesen statischen, d.h. über längere Zeiträume gemittelten, Schwerefeldmodellen kann unterschieden werden zwischen „satellite-only“ (aus Kombination von GOCE, GRACE, CHAMP und/oder LAGEOS Daten) und kombinierten Modellen (zusätzlich mit terrestrischen Schweredaten). Eine Liste mit verfügbaren EIGEN-Modellen findet sich auf der englischen Version dieser Seite (VERLINKEN). Sämtliche EIGEN-Modelle stehen in der ICGEM Datenbank des GFZ zum Download bereit.

Links zu Schwerefeldergebnissen anderer Prozessierungszentren bzw. zu weiterer Hilfe im Hinblick auf Visualisierung sowie Manipulation und Transformation von Schwerefeldkoeffizienten befinden sich hier.

GRACE GFZ RL05

Die GFZ RL05 Zeitreihe wird seit dem 17. März 2012 veröffentlicht und die Bereitstellung ihres Vorgängers, GFZ RL04, wurde mit der Monatslösung für April 2012 eingestellt. Aktuell (Mai 2013) erstreckt sich die GFZ RL05 Zeitreihe über den Zeitraum von Januar 2003 bis Februar 2013, bestehend aus 117 Monatslösungen bzw. 494 Wochenlösungen. In den folgenden Monaten gibt es aufgrund fehlender oder nicht nominaler Level-1B Daten keine Lösungen: Juni 2003, Januar 2011, Juni 2011, Mai 2012, Oktober 2012 und März 2013.

Verglichen mit RL04 hat es keine Änderungen bezogen auf den Informationsgehalt der RL05 Lösungen gegeben, d.h. sie repräsentieren Schwerefeldvariationen aufgrund von Hydrologie, Eismassen, einmaligen Vorkommnissen wie sehr starken Erdbeben, post-glazialer Landhebung sowie Fehlern oder nicht modellierten Effekten in den verwendeten Hintergrundmodellen. Ein wesentlicher Unterschied im Vergleich zu RL04 ist jedoch die Tatsache, dass für die Kugelfunktionskoeffizienten C20, C30, C40, C21 und S21 keine Driftraten mehr enthalten sind, so dass Nutzer diese auch nicht mehr bei der Analyse der RL05 Zeitreihe berücksichtigen müssen (die Referenzepoche jeder Lösung entspricht der Mitte der Zeitspanne der jeweils verwendeten Daten). Der maximale Grad und Ordnung der RL05 Modelle wurde beschränkt auf 90x90 (RL04: 120x120).

Für einige bestimmte Monate, in denen die Qualität der Lösung aufgrund von spärlicher Bodenspurabdeckung durch kurzperiodische Wiederholungsbahnmuster (z.B. 4-Tage-Wiederholungszyklus im September 2004, 3-Tage-Wiederholungszyklus im Mai 2012) deutlich abnimmt, sind die Lösungen stabilisiert. Die Stabilisierung erfolgt durch Anwendung einer modifizierten Version der Kaula-Regularisierung, welche bereits bei den bisherigen Releases verwendet worden ist (Bettadpur, S (2004), GRACE Mission Status and Gravity Field Product Improvement Plans, Eos Trans. AGU, 85(47), Fall Meet. Suppl., Abstract G23A-01).

Die aktuelle RL05 Zeitreihe zeigt gegenüber RL04 deutliche Verbesserungen in etwa um den Faktor 2 sowohl im Rauschverhalten (d.h. weniger stark ausgeprägte typische GRACE-Streifen) als auch in der räumlichen Auflösung. Letzteres zeigt sich in der untenstehenden Abbildung, in der die kumulierten Gradvarianzen der kalibrierten Fehler der Schwerefeldmodelle dargestellt sind. Demnach erhöht sich die räumliche Auflösung, bis zu der das Geoid mit mm-Genauigkeit bestimmt ist, von ~525km (RL04) auf ~350km (RL05).

Kumulierte Gradvarianzen der kalibrierten Fehler der monatlichen GFZ RL05 und RL04 Lösungen. *(GFZ / Ch. Dahle)*

Weitere Einzelheiten zur RL05 Prozessierung finden sich im GFZ GRACE Level-2 Processing Standards Document for Level-2 Product Release 0005 oder in den Release Notes for GFZ GRACE Level-2 Products - version RL05.

Im Falle einer Veröffentlichung von Ergebnissen, die auf der GFZ RL05 Zeitreihe basieren, werden die Nutzer freundlich gebeten, die folgende Referenz anzugeben:

Dahle, Christoph; Flechtner, Frank; Gruber, Christian; König, Daniel; König, Rolf; Michalak, Grzegorz; Neumayer, Karl-Hans (2012): GFZ GRACE Level-2 Processing Standards Document for Level-2 Product Release 0005, (Scientific Technical Report STR12/02 – Data, Revised Edition, January 2013), Potsdam, 21 p. DOI: 10.2312/GFZ.b103-1202-25

GRACE Produkte

Sämtliche GRACE Produkte von Level-0 bis Level-2 werden von einem gemeinsamen sog. Science Data System (SDS), bestehend aus dem Jet Propulsion Laboratory (JPL), dem Center for Space Research der Universität von Texas (UTCSR) und dem Deutschen GeoForschungsZentrum (GFZ), prozessiert und archiviert.

Grober Datenfluss innerhalb des GRACE SDS *(GFZ)*

Die Archivierung der Produkte erfolgt durch das von JPL betriebene Physical Oceanography Distributed Active Data Center (PODAAC) sowie durch das vom GFZ betriebene Information Systems and Data Center (ISDC). Dort stehen auch hilfreiche Dokumente wie z.B. das GRACE Product Specification Document, das GRACE Level-1B Data Product User Handbook oder die GRACE Level-2 Release Notes zum Download bereit. Beide Archive werden automatisch harmonisiert.

Weitere Informationen zur Definition der Level-0 bis Level-2 Produkte finden sich auf den englischen Seiten.

Für Hinweise zu alternativen GRACE Produkten (außerhalb des SDS) besuchen Sie bitte die Rubrik “Links”.

Die Links unten weisen auf eine Zusammenstellung von auf GRACE und GRACE-FO bezogenen Veröffentlichungen (keine Abstracts).

Diese Liste wird periodisch aufdatiert, ist aber möglicherweise nicht komplett. Wenn Sie eine Veröffentlichung vermissen, bitte kontaktieren Sie Prof. Dr. Frank Flechtner oder Dr. Volker Klemann .

Jährliche und kumulative Anzahl von wissenschaftlichen Artikeln, in denen GRACE(-FO)-Daten verwendet werden oder die direkten bezug auf die Satellitenmissionen nehmen. *(V. Klemann, GFZ)*

Das GRACE-Projekt ist in fünf Hauptkomponenten unterteilt, die den folgenden Abschnitten kurz beschrieben werden.

Trägerrakete (Launch Vehicle System, LVS)

Das LVS umfasste die ROCKOT-Trägerrakete, einen Multi-Satelliten-Dispenser sowie das Personal, die Testausrüstung und die Einrichtungen zur Vorbereitung, Integration und zum Start der Satelliten. Das LVS wurde vom DLR LVS Manager geleitet und von JPL und seinen Auftragnehmern (z.B. Astrium GmbH) unterstützt. GRACE wurde am 17. März 2002 gestartet. Hier lesen Sie mehr über "GRACE-Start".

Satelliten (Satellite System, SAT)

JPL leitete die Entwicklung des Satellitensystems in Partnerschaft mit Space Systems/Loral (SS/L) und Astrium GmbH (Astrium). Astrium lieferte wesentliche Elemente für die beiden Satelliten, die auf dem bereits bestehenden Kleinsatelliten CHAMP basierten. SS/L lieferte das Lageregelungssystem, die Elektronik der Mikrowelleninstrumente und führte System- und Umwelttests durch. Hier lesen Sie mehr über „GRACE-Satelliten".

Wissenschaftliche Instrumente (Science Instrument System, SIS)

Das SIS umfasste alle Elemente des Intersatelliten-Entfernungsmesssystems, die GPS-Empfänger, die für die präzise Bahnbestimmung und die Radiookkultationsexperimente benötigt werden, sowie die zugehörigen Sensoren wie z.B. zwei Sternkameras. Innerhalb des SIS wurden auch die Integrationsaktivitäten aller Sensoren koordiniert und dabei ihre Kompatibilität untereinander und mit dem Satelliten sichergestellt. Hier lesen Sie mehr über "GRACE-Nutzlast".

Missionsbetrieb (Mission Operations System, MOS)

Das MOS bestand aus dem Personal und der Infrastruktur des Deutschen Raumfahrtkontrollzentrums (GSOC) in Oberpfaffenhofen, den Antennen in Weilheim und Neustrelitz sowie weiteren Bodenstationen, die zur Unterstützung der LEOP (Launch and Early Mission Operation) und evtl. Notfallsituationen benötigt wurden. Diese Einrichtungen dienten insbesondere der kontinuierlichen Überwachung und Steuerung der Satelliten und Instrumente, der Erstverarbeitung der Telemetriedaten und der Übermittlung dieser Daten an das wissenschaftliche Prozessierungssystem zur Erstellung wissenschaftlicher Produkte. Zusätzlich zum Echtzeitbetrieb stellte das MOS das sogenannte Central Checkout System für Bodentests mit allen notwendigen Befehls- und Datenschnittstellen bereit. Hier lesen Sie hier mehr über "GRACE-Missionsbetrieb".

Wissenschaftliches Prozessierungssystem (Science Data System, SDS)

Die Funktionen des SDS umfassten die Verarbeitung der Telemetriedaten zu wissenschaftlichen Produkten inklusive ihrer Validierung, ihre Verteilung an die internationale Nutzergemeinde und ihre Langzeitarchivierung. Das SDS wurde von JPL (Jet Propulsion Laboratory) und UTCSR (University of Texas, Center of Space Research) in den USA sowie dem GFZ in Deutschland durchgeführt. Dieser kooperative Ansatz umfasste die Aufteilung von verschiedenen Datenverarbeitungsaufgaben, die Validierung von Produkten und die Harmonisierung von Datenarchiven. Zu den vom SDS zu verarbeitenden und zu archivierenden Daten und Produkten gehörten z.B. korrigierte Entfernungsbeobachtungen zwischen den Satelliten oder nicht-gravitative Störbeschleunigungen, aus GPS abgeleitete Bahn- und Radiookkultationsdaten oder Schwerefeldprodukte. Das SDS akquirierte, verarbeitete und archivierte auch verschiedene Zusatzdaten (z. B. meteorologische Felder), die für die Datenverarbeitung und -überprüfung erforderlich waren. Weitere Informationen finden Sie auf anderen Seiten wie "Produkte" oder "Schwerefeldergebnisse".

GRACE Bodenspuren

Basierend auf prädizierten GRACE-A Orbits (mit einer Schrittweite von 5s) ist die Bodenspurabdeckung über Europa für jeden Monat der GRACE Mission dargestellt. Die bei der Schwerefeldbestimmung tatsächlich vorhandene Abdeckung kann sich jedoch aufgrund von größeren Lücken in den wissenschaftlichen Daten der Instrumente an Bord von GRACE deutlich unterscheiden. Die hier dargestellten Abbildungen zeigen demnach lediglich die bestmögliche Datenabdeckung.