Προσομοίωση Προηγμένων Τεχνικών Εκτίμησης και Βελτίωσης Σχεδιασμού και Μελέτης Δορυφορικών Γεωδαιτικών Συστημάτων Επόμενης Γενιάς

Abstract

Ο σκοπός της παρούσας διπλωματικής είναι διττός: αφενός αφορά στην διερεύνηση των δυνατοτήτων προηγμένων λογισμικών εργαλείων, όπως το λογισμικό πακέτο Satellite Tool Kit (STK), που αφορούν στην μοντελοποίηση και ανάλυση σύνθετων συστημάτων και ειδικά στον σχεδιασμό και την αξιολόγηση δορυφορικών αποστολών, και αφετέρου, με χρήση του λογισμικού STK, η αξιολόγηση ενός παγκόσμιου δορυφορικού σχηματισμού πλοήγησης, σχεδιασμένου βάσει της λογικής των Flower Constellations, που αποτελεί μία νέα μεθοδολογία κατανομής δορυφόρων σε συμβατές τροχιακές θέσεις, που χαρακτηρίζονται από επαναλαμβανόμενα τροχιακά ίχνη μέσω ενός κατάλληλου μηχανισμού κατανομής τους. Πιο συγκεκριμένα, σε πρώτο στάδιο η μελέτη εστιάζει στην ανάπτυξη σύντομων εφαρμογών δορυφορικής γεωδαισίας οι οποίες ως στόχο έχουν την κατανόηση της λειτουργίας και την ανάδειξη των δυνατοτήτων του λογισμικού STK. Δεύτερος βασικός στόχος είναι η αξιολόγηση του δορυφορικού σχηματισμού πλοήγησης Global Navigation Flower Constellation (GNFC) και η σύγκρισή της απόδοσης του σε σχέση με την απόδοση των συμβατικών σχηματισμών των συστημάτων GPS και GALILEO.

Η εργασία χωρίζεται σε έξι επιμέρους κεφάλαια. Το πρώτο κεφάλαιο αποτελείται από μία εισαγωγή στους στόχους της διπλωματικής εργασίας και σε μία εκτενή παρουσίαση της δομής και των περιεχομένων της. Στο δεύτερο κεφάλαιο γίνεται η εισαγωγή των απαραίτητων θεωρητικών εννοιών που αφορούν στα συστήματα αναφοράς που χρησιμοποιούνται στη δορυφορική γεωδαισία, στον τρόπο περιγραφής της τροχιάς των δορυφόρων και τους χαρακτηριστικούς τύπους τροχιών, ενώ στο τέλος του κεφαλαίου επιχειρείται μία εισαγωγή στα συστήματα GNSS και μία εκτενής περιγραφή των δεικτών γεωμετρικής ισχύος ή αλλιώς δεικτών DOP, οι οποίοι και θα χρησιμοποιηθούν για την αξιολόγηση των σχηματισμών GNSS. Στο τρίτο κεφάλαιο πραγματοποιείται μία εκτενής ανάλυση του τρόπου λειτουργίας του STK, των χαρακτηριστικών του και των δυνατοτήτων εισαγωγής αντικειμένων, ανάλυσης και γραφικής απεικόνισης των αποτελεσμάτων, ενώ στο τέταρτο κεφάλαιο αναπτύσσεται μία σειρά εφαρμογών που ως στόχο έχουν την εξοικείωση με το λογισμικό και την ανάδειξη των δυνατοτήτων του. Στο πέμπτο κεφάλαιο επιχειρείται μία εκτενής περιγραφή των Flower Constellations, των χαρακτηριστικών τους και των παραμέτρων σχεδιασμού που χρησιμοποιούνται, προκειμένου να γίνει κατανοητή η λογική σχεδιασμού πάνω στην οποία βασίζονται, ενώ επίσης γίνεται αναφορά σε πιθανές εφαρμογές των Flower Constellations στο σχεδιασμό γεωδαιτικών, και όχι μόνο, δορυφορικών σχηματισμών. Αντικείμενο του έκτου και τελευταίου κεφαλαίου της διπλωματικής είναι η αξιολόγηση 3 δορυφορικών σχηματισμών πλοήγησης, των GPS, GALILEO και GNFC, και η σύγκριση μεταξύ της απόδοσης του σχηματισμού GNFC με τους συμβατικούς σχηματισμούς GPS και GALILEO αξιοποιώντας τις δυνατότητες του λογισμικού STK, καθώς και των λογισμικών SURFER και MATLAB.

The purpose of this thesis is twofold: firstly, to explore the capabilities of advanced software tools, such as the STK (Systems Tool Kit), for the modeling and analysis of complex systems, especially for designing and evaluating satellite missions, and secondly through the use of STK to evaluate a Global Navigation Satellite System, designed on the basis of the so-called Flower Constellation concept, which constitutes a novel alternative methodology to distribute several satellites into admissible locations in orbits that are characterized by repeatable space tracks through a proper phasing mechanism. Specifically, the first part of the study focuses on the development of short applications of satellite geodesy with the aim to understand the functionality and the full capabilities of STK software package. This was done in order to proceed into a second key objective, which was the evaluation of the global navigation satellite constellation GNFC (Global Navigation Flower Constellation) and the comparison of its performance to the performance of the conventionally designed constellations of the GPS and GALILEO satellite systems.

The thesis is divided into six separate chapters. The first chapter consists of an introduction to the purpose of this thesis and an extensive presentation of the structure of this thesis and the contents of each chapter. The second chapter provides an introduction to the necessary theoretical background that is related to the reference systems and frames used in satellite geodesy, the way to describe a satellite's orbit and the available typical orbit types. In the last part of the chapter we present a brief overview on the design issues pertaining to the Global Navigation Satellite Systems and give a thorough description of the Dilution of Precision Figure of Merit, which is used in the evaluation of the global navigation systems under consideration. In the third chapter, an extended analysis of STK' s way of operation is presented, focusing mainly on its structure, its basic characteristics and the capabilities it provides as far as inserting objects, analyzing and visualizing the results of the design process. In the fourth chapter a series of applications are realized in order to demonstrate the software’s operation and to highlight its geodetic capabilities. In the fifth chapter a thorough description of the Flower Constellations concepts is given, along with an extensive account on the characteristics and the parameters that rule the design process of a Flower Constellation, in order to understand the basic principles behind the eventual workings of the orbits of the satellites participating in such a constellation. In addition, possible implementation of the Flower Constellations in geodetic applications is discussed. Finally, the subject of the last chapter of the thesis is the evaluation of three global navigation satellite constellations, GNFC, GPS and GALILEO, and the comparison between GNFC' s performance and the performance of the conventionally designed GPS and GALILEO, using the combined capabilities of the STK, MATLAB and SURFER packages.