Im Jahr 2003 startete die Raumsonde "Mars Express", um den Mars näher zu erforschen und seine Oberfläche zu katalogisieren. Beim Vorbeiflug werden von der Raumsonde Frequenzen, die durch den Einfluss des Planeten und des Mondes Phobos auf die Raumsonde entstehen, erfasst und an die Bodenstationen gesendet. Durch unterschiedliche Einflüsse finden Änderungen der Signale statt und ein Rauschen entsteht. Dadurch wird das gemessene Signal verfälscht und kann daher nicht ohne entsprechende Bearbeitung genutzt werden. Dies findet mit Hilfe numerischer Filter statt.
Es gibt unterschiedliche Verfahren, um numerische Filter zu entwickeln. Im Verlauf dieser Arbeit werden verschiedene Filterverfahren vorgestellt und zur Berechnung genutzt. Dabei wird getestet, welcher Filter am geeignetsten für die Berechnung der Schwerefelddaten von Phobos anhand eines Vorbeiflugs ist.
Durch frühere Missionen wurden schon Berechnungen zum Schwerefeld von Phobos durchgeführt. Diese Ergebnisse sind allerdings mit hohen Fehlern behaftet. Eine Dokumentation zur Berechnung dieser Daten und die Bestimmung der Fehler ist nicht ausreichend. Mit Hilfe von geeigneten Filtern können diese Fehler reduziert werden. Wenn zusätzlich ein verbessertes Modell zur Berechnung genutzt wird, kann ein Fehler von weniger als 1% erreicht werden.
Ziel dieser Arbeit ist es, einen Filter zu finden, das das Signalverhältnis zum Rauschverhältnis verbessert. Das bedeutet, dass das Rauschen so weit wie möglich herausgefiltert wird, dabei aber das Signal nicht abgeschnitten wird. Durch frühere Berechnungen ist bekannt, dass das Signal sehr langsam ist und somit ein Lowpass-Filter genutzt werden muss. Ein langsames Signal hat eine niedrige Frequenz und wird in einem Lowpass-Filter fast vollständig durchgelassen. Frequenzen, die über der Grenzfrequenz (cut-off frequency) des Filters liegen, wie zum Beispiel Rauschen, werden beim Durchlassen abgeschwächt. Um eine Aussage über die Güte eines Filters treffen zu können, ist es wichtig, mit bekannten Daten zu rechnen. Dadurch ist erkennbar, ob das Filter das erwartete Signal durchlässt und wie viel Rauschen dann noch auf dem Signal liegt. Als bekanntes Signal wird die Vorhersage des Einflusses von Phobos auf den Satelliten genommen. Das Rauschen stammt von gemessenen Signalen bei einem Vorbeiflug der Raumsonde.
Inhaltsverzeichnis
- 1 Einleitung
- 2 Die Mission Mars Express
- 3 Schwerefeldmessungen mit Radio Science
- 3.1 Radio Science
- 3.2 Gravity Experiment.
- 4 Der Mars und sein Mond Phobos
- 4.1 Der Mars
- 4.2 Der Mond Phobos.
- 5 Filterverfahren
- 5.1 FIR-Filter mit Fensterfunktionen
- 5.1.1 Rechteckfenster
- 5.1.2 Hamming-Fenster
- 5.1.3 Hann-Fenster
- 5.1.4 Kaiser-Fenster
- 5.1.5 Tukey-Fenster
- 5.2 IIR-Filter mit Butterworth
- 5.3 Integrationsverfahren
- 5.3.1 Moving Average
- 5.3.2 Konstante Integration
- 5.1 FIR-Filter mit Fensterfunktionen
- 6 Datenauswertung
- 6.1 Verwendete Daten .
- 6.2 Vorgehensweise
- 6.3 Daten der einzelnen Filter
- 6.4 Daten der Filter kombiniert mit Moving Average und Integration
- 7 Zusammenfassung und Ausblick
Zielsetzung und Themenschwerpunkte
Diese Studienarbeit befasst sich mit der Verbesserung des Signal-zu-Rauschverhältnisses bei Schwerefeldmessungen der Mars Express Mission. Das Ziel ist die Analyse und Anwendung verschiedener numerischer Filterverfahren, um die Qualität der Daten zu optimieren.
- Analyse verschiedener Filterverfahren für Schwerefeldmessungen
- Bewertung der Effektivität der Filter bei der Rauschunterdrückung
- Anwendung der Filter auf reale Daten der Mars Express Mission
- Vergleich der Ergebnisse verschiedener Filterverfahren
- Optimierung der Filterparameter für maximale Rauschunterdrückung
Zusammenfassung der Kapitel
Kapitel 1 bietet eine Einleitung in die Thematik und führt die Problemstellung der Rauschreduktion bei Schwerefeldmessungen ein. Kapitel 2 präsentiert die Mars Express Mission und ihre wissenschaftlichen Ziele. Kapitel 3 erläutert die Methode der Schwerefeldmessungen mittels Radio Science. Kapitel 4 gibt einen Überblick über den Mars und seinen Mond Phobos. Kapitel 5 behandelt verschiedene Filterverfahren, darunter FIR-Filter mit Fensterfunktionen, IIR-Filter mit Butterworth und Integrationsverfahren. Kapitel 6 beschreibt die Datenauswertung, einschließlich der verwendeten Daten, der Vorgehensweise und der Ergebnisse der Filteranwendung. Kapitel 7 fasst die Ergebnisse zusammen und gibt einen Ausblick auf zukünftige Forschungsarbeiten.
Schlüsselwörter
Schwerefeldmessungen, Mars Express, Radio Science, Filterverfahren, FIR-Filter, IIR-Filter, Fensterfunktionen, Moving Average, Integration, Rauschunterdrückung, Datenanalyse, Signalverarbeitung.
- Citar trabajo
- Dipl.-Ing. Anna-Katharina Stiffel (Autor), 2008, Untersuchung verschiedener numerischer Filterverfahren zur Verbesserung des Signal- zum Rauschverhältnis bei Schwerefeldmessungen der Raumsonde "Mars-Express", Múnich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/151065
