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Spacecraft navigation is a critical component of any space mission. Space navigation uses on-board sensors and other techniques to determine the spacecraft’s current position and velocity, with permissible accuracy. It also provides requisite information to navigate to a desired position, while following the desired trajectory. Developments in technology have resulted in new techniques of space navigation. However, inertial navigation systems have consistently been the bedrock for space navigation. Recently, the successful space mission GOCE used on-board gravity gradiometer for mapping Earth’s gravitational field. This has motivated the development of new techniques like cold atom accelerometers, to create ultra-sensitive gravity gradiometers, specifically suited for space applications, including autonomous orbital navigation. This research aims to highlight the existing developments in the field of gravity gradiometry and its potential space navigation applications. The study aims to use the Linear Covariance Theory to determine specific sensor requirements to enable autonomous space navigation for different flight regimes.

<p><strong>Airborne gravity gradiometry (AGG) is a relatively new technology to the mineral exploration industry which has been increasingly used over the past decade. AGG systems are capable of separating linear accelerations due to aircraft movement from the accelerations related that represent the gravity signal, resulting in a much higher resolution measurement than airborne gravity. The rapid and cost-effective deployment of an AGG survey gives it an advantage when compared to traditional ground gravity survey. With the momentum of existing AGG technology in the exploration industry and the multitude of next-generation AGG sensors currently in development the technique promises to be a valuable exploration tool for the foreseeable future. This thesis focuses on the capabilities of the AGG technology as an exploration tool, its niche within the exploration process, and how AGG compares to other gravity methods. An overview of the AGG method provides context for the aim of the study. A history of airborne gravimetry is presented, as well as a detailed technical description of AGG measurements and units. A summary of all existing airborne gravity and airborne gravity gradiometry technology is provided, along with the major research initiatives aimed at making more sensitive AGG sensors in the future. A discussion of the potential sources of error and uncertainty when working with AGG data highlights many of the technique’s obstacles that we will be closely examining within this study. The AGG case study which is examined includes an AGG dataset collected as part of a nickel exploration program to image prospective troctolite chambers in Northern Labrador, by Vale. The study focuses on the portion of the survey over the Voisey’s Bay main block that contains several economic nickel deposits, including the world-class Ovoid deposit. This area has been characterized both geologically and geophysically in the past, and contains multiple datasets, including ground gravity. Forward modeling is completed using Voisey’s Bay physical rock properties to calculate the response that could be expected over a nickel-bearing troctolite chamber. The methodology and considerations of AGG data acquisition are reviewed in the context of this survey and the dataset is then taken through a terrain correction involving the determination of the best possible background density choice. The limitations and potential pitfalls of the terrain correction are examined in relation to the digital elevation model being used. The problem of thick, variable overburden in portions of the survey is also examined. Several filtering techniques are completed on the data, including vertical integration and the removal of the regional signal. The AGG resolution is then quantitatively compared to the historical ground gravity data and an upward continued version of the ground gravity (representing the response of an airborne gravity survey) by using 2D power spectra and radially averaged power spectra plots. Although the ground gravity is found to contain better resolution in some areas due to its proximity to the ground, the more regular spatial sampling of the AGG survey provided resolution advantages in other areas. The much higher sensitivity of the AGG sensor resulted in a strong resolution advantage over the upward continued gravity. This comparison is extended to include the differences in interpretive products produced from each dataset, in the form of 3D gravity inversions. Inversions were completed on all three datasets and the results are compared. Although the resolution of an individual ground gravity measurement is greater than that of an AGG measurement, the uniformity of the AGG survey provides superior coverage and leads to a more detailed inversion model, particularly for features greater than ~200-400m, such as the prospective nickel bearing troctolite chambers. </strong></p> / Master of Science (MSc)

Um dos sistemas utilizados na geofísica de exploração são os sistemas gravimétricos aerotransportados. Estes sistemas, no entanto,necessitam parametrizações para aferir a qualidade dos levantamentos executados. Com a introdução da aerogravimetria no Brasil, através do levantamento da Bacia do Parnaíba, foi necessário desenvolver uma área de testes para aferição destes equipamentos. Em 2004 foram implantadas 166 estações gravimétricas na região da pista de teste, localizada no município de Tietê, SP. Devido ao crescente interesse na utilização do tensor gradiente da gravidade no estudo de localização de jazidas minerais tornou-se necessário gerar modelos geofísicos mais detalhados com o objetivo de localizar alvos rasos em subsuperfície. Com a finalidade de melhorar o limite de resolução dos testes realizados utilizando diferentes sistemas gravimétricos aerotransportados foi realizado um adensamento da malha gravimétrica da pista teste de Tietê. Para tanto, foram implementadas novas estações gravimétricas, distribuídas em diferentes espaçamentos, estabelecendo a primeira pista brasileira para calibração de aerogravimetria escalar e sistemas de aerogradiometria gravimétrica 3D. / Airborne gravimetric systems are among geophysical systems applied to expl oration. These systems rely on parametrization to gauge the quality of surveys. With the introduction of airborne gravity surveys in Brazil, with the Parnaiba Basin survey, demand for an equipment calibration lane arose.In 2004, 166 gravity stations were set in the test lane area located in the municipality of Tietê, SP. The need for more detailed geophysical models capable of identifying shallow targets resulted from surging interest in applying gravity gradiometric tensor to locate mineral deposits. The Tietê test lane was densified in order to improve the resolution limitation in tests of a range of airborne gravity systems. To achieve that, new gravity stations were set with different spacing. This stablished the first Brazilian calibration lane for scalar gravimetry and 3D airborne gravity gradiometry systems.

Um dos sistemas utilizados na geofísica de exploração são os sistemas gravimétricos aerotransportados. Estes sistemas, no entanto,necessitam parametrizações para aferir a qualidade dos levantamentos executados. Com a introdução da aerogravimetria no Brasil, através do levantamento da Bacia do Parnaíba, foi necessário desenvolver uma área de testes para aferição destes equipamentos. Em 2004 foram implantadas 166 estações gravimétricas na região da pista de teste, localizada no município de Tietê, SP. Devido ao crescente interesse na utilização do tensor gradiente da gravidade no estudo de localização de jazidas minerais tornou-se necessário gerar modelos geofísicos mais detalhados com o objetivo de localizar alvos rasos em subsuperfície. Com a finalidade de melhorar o limite de resolução dos testes realizados utilizando diferentes sistemas gravimétricos aerotransportados foi realizado um adensamento da malha gravimétrica da pista teste de Tietê. Para tanto, foram implementadas novas estações gravimétricas, distribuídas em diferentes espaçamentos, estabelecendo a primeira pista brasileira para calibração de aerogravimetria escalar e sistemas de aerogradiometria gravimétrica 3D. / Airborne gravimetric systems are among geophysical systems applied to expl oration. These systems rely on parametrization to gauge the quality of surveys. With the introduction of airborne gravity surveys in Brazil, with the Parnaiba Basin survey, demand for an equipment calibration lane arose.In 2004, 166 gravity stations were set in the test lane area located in the municipality of Tietê, SP. The need for more detailed geophysical models capable of identifying shallow targets resulted from surging interest in applying gravity gradiometric tensor to locate mineral deposits. The Tietê test lane was densified in order to improve the resolution limitation in tests of a range of airborne gravity systems. To achieve that, new gravity stations were set with different spacing. This stablished the first Brazilian calibration lane for scalar gravimetry and 3D airborne gravity gradiometry systems.

A maneira mais direta de detectar as anomalias da densidade é pelo estudo do potencial gravitacional e de suas derivadas. A disponibilidade global e a boa resolução dos dados do satélite GOCE, aliadas à disponibilidade de dados de gravimetria terrestre, são ideais para a comparação e classificação das bacias de larga escala, como as bacias sedimentares do Solimões e do Amazonas dentro do Craton amazônico. Foram processados um conjunto de dados, produtos GOCE EGG_TRF_2 Level 2, ao longo das trajetórias do satélite para remover o ruído (shift/drift) nos gradientes da gravidade a partir da técnica crossover (XO). Calculamos a redução das massas topográfica a fim de obter os componentes do gradiente da gravidade e anomalia da gravidade usando modelagem direta com prismas esféricos a partir do modelo de elevação digital, ETOPO1. Desta maneira, a comparação dos dados somente do satélite GOCE com as reduções das massas topográficas referentes aos componentes do gradiente da gravidade permitiram estimar quantidades invariantes que trouxeram uma melhoria na interpretação dos dados do tensor de gravidade. Além disso, comparamos dados terrestres do campo de gravidade com dados do campo de gravidade dos modelos geopotenciais EGM2008 e GOCE, uma vez que os dados terrestres podem ser afetados por erros em longos comprimentos de onda devido a erros de nivelamento, diferentes referenciais de altitudes, e aos problemas em interligar diferentes campanhas de medidas da gravidade. Portanto, estimamos uma melhora e uma nova representação dos mapas das anomalias de gravidade e do tensor gradiente da gravidade nas áreas inacessíveis do Craton Amazônico. As observações forneceram novas entradas para determinar campos regionais a partir dados brutos pre-processados (gradiente de gravidade EGG_TRF_2 L2), bem como a partir de um modelo geopotencial mais recente até grau e ordem 250 dos harmonicos esféricos derivados de dados somente do satélite GOCE para a representação do campo de gravidade como geóide, anomalias da gravidade e os componentes tensor da gravidade, os quais foram quantidades importantes para interpretação, modelagem e estudo dessas estruturas. Finalmente, obtivemos um modelo isostático considerando a estrutura de densidade litosférica estudada através de uma modelagem direta 3D da distribuição de densidade por prismas esféricos usando a geometria do embasamento e descontinuidade do Moho. Além do que, constatamos através da modelagem direta das soleiras de diabásios dentro dos sedimentos mostramos que somente as soleiras dentro da Bacia do Amazonas não são as únicas responsáveis pela anomalia de gravidade positiva que coincide aproximadamente com as espessuras máximas dos sedimentos da Bacia. Talvez, isso possa ser também um resultado de movimentos relativos do Escudo das Guianas situado ao norte da Bacia, e o Escudo Brasileiro situado ao sul. Embora isso seja apenas uma evidência adicional preliminar, não podemos confirmá-las a partir das estimativas do campo da gravidade. Portanto, é necessário outros tipos de dados geofísicos, como por exemplo, evidências mais claras advindas do paleomagnetismo. / The most direct way to detect density anomalies is the study of the gravity potential field and its derivatives. The global availability and good resolution of the GOCE mission coupled with the availability of terrestrial gravity data are ideal for the scope of intercomparison and classification of the two large-scale Amazon and Solimoes sedimentary basins into area of the Amazon Craton. The GOCE data set obtained in satellite tracks were processed from EGG_TRF_2 Level 2 Products generated with the correction needed to remove the noise (shift/drift), and so, to recover the individual components of the gravity gradient tensor using the crossover (XO) points technique. We calculated the topographic masses reductions in order to obtain the gravity gradient components and gravity anomaly (vertical component) using forward modelling from tesseroids from Digital Elevation Model, ETOPO1. Thus, the comparison of the only-satellite GOCE data with the reductions of the topographic masses for the gradient components allowed to estimate invariants quantities for bring an improvement in the interpretation of the gravity tensor data. Furthermore, we compared the terrestrial data gravity field with EGM2008 and GOCE-deduced gravity field because the terrestrial fields may be affected by errors at long wavelengths due to errors in leveling, different height references, and problems in connecting different measurement campaigns. However, we have estimated an improvement and new representations of the gravity anomalies maps and gravity gradient tensor components primary in inaccessible areas of the Amazon Craton. GOCE observations provide new inputs to determine the regional fields from the preprocessed raw data (EGG_TRF_2 L2 gravity gradients), as well from the most recent global geopotential model available up to degree and order 250 developed in spherical harmonics derived only-satellite GOCE data for representing of geoid and others gravity field as gravity anomaly and gravity gradient tensor components, which are important quantities for modelling and studying these structures. Finally, we obtained the isostatic model considering the lithospheric density structure studied through a 3D direct modelling of density distribution using the geometry of basement and Moho discontinuity, assumed to be known as initial constraint. In addition, we found through direct modeling sills and sediment has shown that the diabase sills are not the only ones responsible for positive gravity anomaly map that transects the Amazon Basin, roughly coincident with the maximum thickness of sedimentary rocks or the trough of the basin. Maybe, this could be the result of the relative movements of the Guiana Shield, situated at the north of the Amazon basin, and the Brazilian Shield, situated at the south. Although this is only a preliminary additional evidence, we cannot confirm it only from the data of gravity. It is necessary others types of geophysical data, for example, more clear evidences obtained from paleomagnetism.

A maneira mais direta de detectar as anomalias da densidade é pelo estudo do potencial gravitacional e de suas derivadas. A disponibilidade global e a boa resolução dos dados do satélite GOCE, aliadas à disponibilidade de dados de gravimetria terrestre, são ideais para a comparação e classificação das bacias de larga escala, como as bacias sedimentares do Solimões e do Amazonas dentro do Craton amazônico. Foram processados um conjunto de dados, produtos GOCE EGG_TRF_2 Level 2, ao longo das trajetórias do satélite para remover o ruído (shift/drift) nos gradientes da gravidade a partir da técnica crossover (XO). Calculamos a redução das massas topográfica a fim de obter os componentes do gradiente da gravidade e anomalia da gravidade usando modelagem direta com prismas esféricos a partir do modelo de elevação digital, ETOPO1. Desta maneira, a comparação dos dados somente do satélite GOCE com as reduções das massas topográficas referentes aos componentes do gradiente da gravidade permitiram estimar quantidades invariantes que trouxeram uma melhoria na interpretação dos dados do tensor de gravidade. Além disso, comparamos dados terrestres do campo de gravidade com dados do campo de gravidade dos modelos geopotenciais EGM2008 e GOCE, uma vez que os dados terrestres podem ser afetados por erros em longos comprimentos de onda devido a erros de nivelamento, diferentes referenciais de altitudes, e aos problemas em interligar diferentes campanhas de medidas da gravidade. Portanto, estimamos uma melhora e uma nova representação dos mapas das anomalias de gravidade e do tensor gradiente da gravidade nas áreas inacessíveis do Craton Amazônico. As observações forneceram novas entradas para determinar campos regionais a partir dados brutos pre-processados (gradiente de gravidade EGG_TRF_2 L2), bem como a partir de um modelo geopotencial mais recente até grau e ordem 250 dos harmonicos esféricos derivados de dados somente do satélite GOCE para a representação do campo de gravidade como geóide, anomalias da gravidade e os componentes tensor da gravidade, os quais foram quantidades importantes para interpretação, modelagem e estudo dessas estruturas. Finalmente, obtivemos um modelo isostático considerando a estrutura de densidade litosférica estudada através de uma modelagem direta 3D da distribuição de densidade por prismas esféricos usando a geometria do embasamento e descontinuidade do Moho. Além do que, constatamos através da modelagem direta das soleiras de diabásios dentro dos sedimentos mostramos que somente as soleiras dentro da Bacia do Amazonas não são as únicas responsáveis pela anomalia de gravidade positiva que coincide aproximadamente com as espessuras máximas dos sedimentos da Bacia. Talvez, isso possa ser também um resultado de movimentos relativos do Escudo das Guianas situado ao norte da Bacia, e o Escudo Brasileiro situado ao sul. Embora isso seja apenas uma evidência adicional preliminar, não podemos confirmá-las a partir das estimativas do campo da gravidade. Portanto, é necessário outros tipos de dados geofísicos, como por exemplo, evidências mais claras advindas do paleomagnetismo. / The most direct way to detect density anomalies is the study of the gravity potential field and its derivatives. The global availability and good resolution of the GOCE mission coupled with the availability of terrestrial gravity data are ideal for the scope of intercomparison and classification of the two large-scale Amazon and Solimoes sedimentary basins into area of the Amazon Craton. The GOCE data set obtained in satellite tracks were processed from EGG_TRF_2 Level 2 Products generated with the correction needed to remove the noise (shift/drift), and so, to recover the individual components of the gravity gradient tensor using the crossover (XO) points technique. We calculated the topographic masses reductions in order to obtain the gravity gradient components and gravity anomaly (vertical component) using forward modelling from tesseroids from Digital Elevation Model, ETOPO1. Thus, the comparison of the only-satellite GOCE data with the reductions of the topographic masses for the gradient components allowed to estimate invariants quantities for bring an improvement in the interpretation of the gravity tensor data. Furthermore, we compared the terrestrial data gravity field with EGM2008 and GOCE-deduced gravity field because the terrestrial fields may be affected by errors at long wavelengths due to errors in leveling, different height references, and problems in connecting different measurement campaigns. However, we have estimated an improvement and new representations of the gravity anomalies maps and gravity gradient tensor components primary in inaccessible areas of the Amazon Craton. GOCE observations provide new inputs to determine the regional fields from the preprocessed raw data (EGG_TRF_2 L2 gravity gradients), as well from the most recent global geopotential model available up to degree and order 250 developed in spherical harmonics derived only-satellite GOCE data for representing of geoid and others gravity field as gravity anomaly and gravity gradient tensor components, which are important quantities for modelling and studying these structures. Finally, we obtained the isostatic model considering the lithospheric density structure studied through a 3D direct modelling of density distribution using the geometry of basement and Moho discontinuity, assumed to be known as initial constraint. In addition, we found through direct modeling sills and sediment has shown that the diabase sills are not the only ones responsible for positive gravity anomaly map that transects the Amazon Basin, roughly coincident with the maximum thickness of sedimentary rocks or the trough of the basin. Maybe, this could be the result of the relative movements of the Guiana Shield, situated at the north of the Amazon basin, and the Brazilian Shield, situated at the south. Although this is only a preliminary additional evidence, we cannot confirm it only from the data of gravity. It is necessary others types of geophysical data, for example, more clear evidences obtained from paleomagnetism.