Systemzentrum 25 - Informationen direkt aus dem Orbit

Hunderttausende Objekte schwirren mittlerweile durch den erdnahen Weltraum und können unseren Satelliten gefährlich werden. Was liegt da näher, als die Flugbahndaten abzugleichen und Kollisionswarnungen auszugeben. Mit präzisen Bahndaten und unter Berücksichtigung des Weltraumwetters lässt sich zudem die Bildausbeute verbessern. Hard- und Software dazu entsteht jetzt beim Systemzentrum 25. 

Sichten, sichern und dann ab auf den POST-Server

Das Leistungsspektrum der benötigten Hard- und Software für die Realisierung eines solchen Konzepts ist schnell umrissen. Die Bezeichnung SARah Synthetic Aperture Radar altitude high(Synthetic Aperture Radar altitude high) Support System, kurz SSS, gibt die Richtung vor: Es geht um die Möglichkeit zur Verbesserung der Bilder und die Unterstützung des Kollisionsvermeidungsprozesses im Rahmen des führenden SARah-Kontrollsystems. Das SSS wird aus drei Komponenten bestehen: Der PRE-Server, der außerhalb des geheim eingestuften Netzwerkes des Zentrums Weltraumoperationen arbeitet, fragt aus dem Internet die benötigten Daten ab. Das Sicherheitsgateway ist die gesicherte Schnittstelle zum Netzwerk des Zentrums Weltraumoperationen. Und der POST-Server hält die vom PRE-Server gesammelten Daten für die dortigen Client-PCs zur Abfrage bereit.

SARah-Support-System mit Verkehrs-Infos

Das Raumsegment des SARah-Systems besteht aus drei Satelliten. Davon sind zwei mit einer klassischen Parabolreflektorantenne und einer mit einem Phased-Array-Radar ausgestattet. Das SARah-System wird alsbald das derzeitige SARSearch and Rescue-Lupe-System ersetzen. Phased-Array sind phasengesteuerte Antennen, die aus vielen einzelnen Sende- und Empfangsmodulen zusammengesetzt sind. So können sie schnelle Bildfolgen mit unterschiedlichen Bildgrößen liefern.

Die Radartechnologie ermöglicht es, Aufnahmen der Erdoberfläche unabhängig von Wetter und Tageszeit zu gewinnen. Zum Bodensegment des SARah-Systems gehören die Missionskontrollzentren, die den operativen Ablauf des Satellitenbetriebs sicherstellen. Das umfasst die Planung und Durchführung von Bahnerhaltungsmanövern sowie die Aktualisierung von Software und Missionsplänen auf dem Satelliten.

Kleinste Partikel verkürzen das Satellitenleben

Die größte Gefahr für Satelliten im erdnahen Orbit ist die mögliche Kollision mit anderen Satelliten, Weltraumschrott und Kleinstpartikeln. Aktuell sind ca. 30.000 Objekte im Weltraum mit einem Durchmesser größer als zehn Zentimetern bekannt und katalogisiert. Objekte dieser Größe kann man von der Erde aus mit Radargeräten entdecken und vermessen. Bis zu 150 Millionen Objekte und Partikel größer als ein Millimeter werden im Erdorbit vermutet. Die Grundlage für diese Annahme bildet das MASTER-Modell für die Verteilung von Weltraumobjekten der TUTechnische Universität Braunschweig.

Gegen Kleinstpartikel kann ein Satellit nur mit passiven Schutzmaßnahmen, wie zum Beispiel Schutzschilden oder einer harten Außenhülle, geschützt werden. Wegen der erhöhten Masse und der zusätzlichen Kosten findet dieses Vorgehen kaum Anwendung. Wenn eine Annäherung an ein bekanntes Objekt im Orbit erkannt wird, kann die Kollision durch ein Ausweichmanöver vermieden werden. Da der Treibstoff an Bord eines Satelliten begrenzt ist, stellt die Anzahl der durchgeführten Ausweich- und Bahnerhaltungsmanöver den limitierenden Faktor der Lebensdauer dar. Im Rahmen der Satellitenbetriebsunterstützung für SARah übernimmt das Zentrum Weltraumoperationen in Uedem die Aufgabe der Annäherungsanalyse und Kollisionsvermeidung. Dazu gehören die regelmäßige Analyse der Satellitenposition und die Planung von Ausweichmanövern. 

Hierfür kommt es auf möglichst präzise Informationen zu Größe und Geschwindigkeit dieser Teile an. Die führenden Nationen stützen sich dabei alle auf den Bahndatenkatalog des 18th Space Control Squadron (SPCS) der USA ab. Nur die USA haben ein global umfassendes Sensornetzwerk, das eine entsprechende Katalogbildung ermöglicht.

Die European Space Agency (ESAEuropean Space Agency) benutzt dafür das vom europäischen Kontrollzentrum European Space Operations Centre (ESOC) bereitgestellte System Database and Information System Characterising Objects in Space (DISCOS). Hierbei handelt es sich um einen Katalog von Objekten und Schrottteilen in der Erdumlaufbahn. Aufgebaut wurde die Datenbank mit Daten des USUnited States Space Command (USSPACECOM, 18th SPCS in Vandenbergh, Kalifornien), welches zuverlässige Überwachungsradare betreibt, sowie mit zusätzlichem Material von diversen europäischen Quellen. Dazu gehören unter anderem das deutsche Tracking and Imaging Radar (TIRATracking and Imaging Radar) der Fraunhofer FHR auf dem Wachtberg bei Bonn und das ESAEuropean Space Agency-eigene Teleskop zur Weltraumschrott-Ortung auf Teneriffa.

Für eine hochpräzise Bildgenauigkeit muss jeder noch so kleine Systemfehler erkannt, analysiert und ausgeglichen werden. Weltraumwettereinflüsse wie die Sonnenaktivität, geladene Teilchen in der Atmosphäre oder Änderungen im Erdmagnetfeld wirken ständig auf das Satellitensystem. Die Auswirkungen auf die Umlaufbahn und auf Signallaufzeiten müssen kontinuierlich überwacht werden.

Die Erdatmosphäre gliedert sich in verschiedene Stockwerke, die jeweils ihre eigenen Wetterphänomene aufweisen. Für den Betrieb von Satelliten spielen besonders die Eigenschaften der Ionosphäre eine große Rolle. Die im Tagesverlauf zu- und abnehmende Ionisation dieser Atmosphärenschicht sorgt für veränderte Signallaufzeiten und Dämpfungseffekte bei der Kommunikation zwischen Satellit und Bodenstation.

Besonders bei der On-Board-Navigation der SARSearch and Rescue-Satelliten ist eine präzise GPSGlobal Positioning System-Position wichtig, da sich schon kleine Ungenauigkeiten direkt auf die Bildqualität der SARSearch and Rescue-Bilder auswirken. Das Zentrum Weltraumoperationen erstellt aktuelle Weltraumwetterberichte und versorgt auch das SARah-System über die Schnittstelle mit sekundengenauen Weltraumwetterdaten, um eine bestmögliche Bildprozessierung zu gewährleisten.

Weltraumwetter beschreibt grundsätzlich physikalische Prozesse und Phänomene im erdnahen Raum, hervorgerufen durch die Energieabstrahlung der Sonne. Im Kontext von SARah sind allerdings nur diejenigen Manifestationen von Weltraumwetter relevant, die sich auf die Satellitenbewegung, ihre Orientierung und die Signalausbreitung auswirken. Sie entstammen zumeist der Thermosphäre und der Ionosphäre. Die Gashülle der Erde, die Atmosphäre, lässt sich durch unterschiedliche Kenngrößen charakterisieren.

Nimmt man zum Beispiel die „Temperatur“, so weist die Atmosphäre diverse Schichten auf, wobei sich niedrig fliegende Satelliten im Low Earth Orbit (LEO) im Raumbereich der Thermosphäre bewegen, die bei etwa 100 Kilometern über der Erdoberfläche beginnt. Erhöht sich hier durch einen Temperaturanstieg die Dichte, werden Satelliten stärker Richtung Erdboden abgelenkt. Ein anderes Kriterium zur Einteilung der Atmosphäre ist der „Ladungszustand“. Wenn die Atome und Moleküle in der Erdgashülle „ionisiert“ sind, dann definieren diese die sogenannte Ionosphäre, die sich grob von etwa 50 Kilometern Höhe bis hin zu 1.500 Kilometern Höhe über der Erdoberfläche erstreckt.

Die ionisierten Teilchen wirken im Wechsel mit elektromagnetischen Wellen und können so zum Beispiel die Kommunikationsverbindung zum Satelliten beeinflussen. Für die Unterstützung der SARah-Mission werden dem Betreiber mit Hilfe des SARah Synthetic Aperture Radar altitude highSupport Systems sämtliche diesbezüglichen Daten sowie weitere Informationen zum Weltraumwetter bereitgestellt, so dass ein optimaler operationeller Betrieb von SARah gewährleistet ist.

Datenreceiver: Abruf beim POST-Server  

Beim POST-Server liegen die Daten aller Teilnehmer des SARah Synthetic Aperture Radar altitude highSupport Systems vor. Dies sind sowohl die aktuellen Positionen und Laufbahnen der Satelliten des SARah-Systems als auch die Daten zum Weltraumwetter, potentielle Annäherungen zwischen SARah-Satelliten und Fremdkörpern und damit potentielle Handlungsanweisungen. 

Datenprovider: Der PRE-Server konvertiert, führt zusammen und liefert 

Die vom POST-Server benötigen Weltraumwetterdaten werden vom PRE-Server aus öffentlichen Quellen gesammelt und in die vereinbarten Formate konvertiert. Bei den Daten für die Kollisionsvermeidung der Satelliten gestaltet es sich schwieriger. Die Analyse der Satelliten-Bahndaten findet auf dem German Space Situational Awareness Centre (GSSAC) Mission System (GMS) statt, das über spezielle Software zur Verarbeitung von großen Datenmengen zur Annäherungsanalyse verfügt. Nach der Berechnung auf den Servern des Zentrums Weltraumoperationen werden die Analyseergebnisse wieder über die Schnittstelle auf den POST-Server geladen und den Missionskontrollzentren zur Verfügung gestellt.

von Frank Paehr und Jens Karras