Analysis of the Impact of Environmental and Geometric Factors on Discrepancies Between Reduced-Dynamic and Kinematic Orbits of the Swarm B Satellite

Praca przedstawia analizę wpływu czynników środowiskowych i geometrycznych na rozbieżności pomiędzy orbitami kinematycznymi (KIN) i orbitami zredukowanej dynamiki (RD) satelity Swarm B. Analizę przeprowadzono na podstawie danych orbitalnych z 2021 roku. Jej celem było określenie zależności rozbieżności RD–KIN od wysokości orbity, lokalnego czasu słonecznego, aktywności słonecznej i geomagnetycznej oraz warunków oświetlenia satelity.Dane orbitalne RD i KIN zsynchronizowano czasowo, a różnice położenia wyznaczono w lokalnym układzie satelitocentrycznym RSW. Jako syntetyczną miarę całkowitej rozbieżności położenia wykorzystano normę przestrzenną RMS3D. Dane orbitalne uzupełniono o parametry geometryczne i środowiskowe, w tym wysokość orbity, lokalny czas słoneczny oraz wskaźniki aktywności słonecznej F10.7 i geomagnetycznej Kp. Do oceny niepewności statystycznych zastosowano bootstrap blokowy uwzględniający czasową strukturę danych.Uzyskane wyniki wykazały, że rozbieżności pomiędzy orbitami RD i KIN nie mają charakteru wyłącznie losowego, lecz wykazują zależności od warunków środowiska orbitalnego. Najsilniejszą i najbardziej powtarzalną zależność zaobserwowano w funkcji wysokości orbity, przy czym jej charakter był nieliniowy. Stwierdzono również zmiany rozbieżności związane z poziomem aktywności słonecznej i geomagnetycznej. Lokalny czas słoneczny wpływał na rozbieżności RD–KIN, jednak jego wpływ na całkowitą wartość RMS3D był mniejszy niż wpływ wysokości oraz aktywności słonecznej i geomagnetycznej. Zaobserwowano także systematycznie niższe wartości RMS3D dla fragmentów orbity znajdujących się w cieniu Ziemi.Wyniki wskazują, że porównanie orbit kinematycznych i zredukowanej dynamiki może stanowić użyteczne narzędzie diagnostyczne do badania wpływu zmiennych warunków środowiska kosmicznego na rozbieżności pomiędzy różnymi rozwiązaniami orbitalnymi satelitów niskoorbitalnych.

This thesis presents an analysis of the influence of environmental and geometric factors on discrepancies between kinematic (KIN) and reduced-dynamic (RD) orbits of the Swarm B satellite. The analysis was conducted using orbital data from 2021. Its aim was to determine the dependence of RD–KIN discrepancies on orbital altitude, local solar time, solar and geomagnetic activity, and satellite illumination conditions.The RD and KIN orbital data were temporally synchronized, and position differences were determined in the local satellite-centered RSW reference frame. The three-dimensional norm RMS3D was used as a synthetic measure of the total position discrepancy. The orbital data were supplemented with geometric and environmental parameters, including orbital altitude, local solar time, the F10.7 solar activity index, and the Kp geomagnetic activity index. A block bootstrap method accounting for the temporal structure of the data was applied to estimate statistical uncertainties.The results showed that the discrepancies between the RD and KIN orbits are not purely random but exhibit dependencies on the conditions of the orbital environment. The strongest and most consistent dependence was observed as a function of orbital altitude, with a nonlinear character. Variations in the discrepancies associated with the levels of solar and geomagnetic activity were also identified. Local solar time affected the RD–KIN discrepancies, although its influence on the overall RMS3D value was smaller than that of orbital altitude and solar and geomagnetic activity. Systematically lower RMS3D values were also observed for orbital segments located in the Earth's shadow.The results indicate that comparing kinematic and reduced-dynamic orbits can provide a useful diagnostic tool for investigating the influence of variable space-environment conditions on discrepancies between different orbital solutions for low-Earth-orbit satellites.