Einfluss von Satelliten-Megakonstellationen auf VLBI Messungen

Abstract

Private Firmen versuchen sich zunehmend in der Entwicklung von Satelliten und generell in der Raumfahrt zu etablieren. Dem Unternehmen SpaceX ist dieser Schritt im letzten Jahr auch geglückt. In den kommenden Jahren will es eine Flotte von 40.000 Satelliten im Weltall haben und auch die personenbezogene Raumfahrt revolutionieren. Diese Megakonstellation an sogenannten Starlink Satelliten bereitet aber der Very Long Baseline Interferometry Kopfzerbrechen und es stellt sich die Frage, ob sie Auswirkungen auf die geodätischen Messungen hat. Da die VLBI als einziges Verfahren alle fünf Erdorientierungsparameter (EOP) bestimmen kann, sollten die Messungen höchst präzise und vor allem frei von Störungen sein. Folglich werden in dieser Arbeit mithilfe der online verfügbaren NORAD two line elements die Bahnen der Starlink Satelliten berechnet und auf eine Überlappung mit den Beobachtungen überprüft. Ein Radioteleskop einer VLBI Station misst die Radiostrahlung sogenannter Quasare, sollte sich nun ein Satellit in dem Öffnungswinkel einer Antenne befinden, wird er als zu nahe angesehen und die Beobachtung muss eliminiert werden. Dieser Schritt wird mit allen Satelliten und allen Beobachtungen durchgeführt und als Ergebnis erhält man einen gekürzten Datensatz. Mit dem Programm VieVS folgt als nächster Schritt eine Auswertung dieser Daten und man erhält den mean formal error, Mittelwert der Standardabweichung, für die EOPs und die Stationskoordinaten. Bei einem Vergleich der Differenz zwischen den originalen und den reduzierten Daten können Rückschlüsse auf die Auswirkungen gezogen werden. Bei einer geringen Anzahl an Satelliten (1.000) sind noch keine größeren Fehler erkennbar. Erzeugt man aber zusätzliche Satellitenbahnen, müssen bei 40.000 Satelliten bis zu 12% der Beobachtungen eliminiert werden und ernstzunehmende Verschlechterungen der mean formal errors treten auf. Die Resultate bezüglich dUT1 verschlechtern sich vom Originalwert bis zur Endkonstellation um 16%, die anderen Parameter weisen mit 13% in der Polbewegung und 11.5% in den Stationskoordinaten ähnliche Größen in den Verschlechterungen auf. Somit stellen zukünftige Megakonstellationen von Satelliten durchaus Probleme für die Very Long Baseline Interferometry dar.

Numerous private corporations try to evolve into a leading role in aerospace. In the last year, a company called SpaceX was able to accomplish this step. In the upcoming decade they are planning to launch a fleet of 40.000 satellites. However, those mega-constellations of Starlink satellites have been a controversial issue, especially the Very Long Baseline Interferometry is critical and fears possible negative effects on their geodetic observations. VLBI is the only technique to determine all earth orientation parameters and therefore the measurements should be precise and free of interference. For that reason, this thesis calculates the orbit of the Starlink satellites, the calculation is based on the online available NORAD two line element sets. Through a radio telescope of a VLBI station the radiation of so-called quasars is being measured and when a satellite converges to the aperture angle of the antenna, the measurement must be eliminated. This step is carried out with all satellites and all observations and the result is a diminished data set. The program VieVS evaluates this data and computes the mean formal error, which is the mean value of the standard deviation, for the EOPs and the station coordinates. Conclusions about the effect can be drawn from the differences between the original and the reduced data sets. While the number of satellites (1.000) is minor, no important errors can be detected. However, if additional orbits for satellites are generated (40.000), up to 12% of observations must be eliminated, and the mean formal error worsens. The results regarding dUT1 decline from the starting value to the end constellation by 16%, the other parameters show with 13% in polar motion and 11.5% in station-coordinates degradations of similar magnitudes. Consequently, future mega-constellations of satellites will definitely cause problems for Very Long Baseline Interferometry.