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17.01.2017

Neuvermessung der Erde

Im Parallelflug haben TerraSAR-X/TanDEM-X die Landoberfläche der Erde exakter denn je vermessen.

Zwei Satelliten im engen Formationsflug haben die Erde in den letzten Jahren neu vermessen. Ergebnis ist eine metergenaue 3D-Karte, auf die sich Wissenschaftler unterschiedlichster Disziplinen stürzen.

Es war eine Mission der Superlative. Fast eine halbe Million hochgenaue Höhenmodelle haben die Satelliten TerraSAR­X und TanDEM­X von der Landoberfläche der Erde erstellt. Über 500 Terabyte Daten haben sie in ihrem fünfjährigen Formationsflug in 500 Kilometer Höhe gesammelt und zur Erde übermittelt. Experten des Deutschen Zentrums für Luft­ und Raumfahrt (DLR) haben die Rohdaten zu einer 3D-Geländekarte von bisher unerreichter Präzision fusioniert. Die Höhenwerte sind auf einen Meter genau – gefordert waren maximal zehn Meter Abweichung. Nun steht die Karte, deren Datenvolumen 350.000 DVDs (2,6 Petabyte) entspricht, bereit. Forscher aus aller Welt stürzen sich auf die Daten. Ein Folgemission soll diese permanent aktualisieren, um die topographischen Veränderungen der Erdoberfläche und die Folgen des Klimawandels zu dokumentieren.

Schlüssel zur Genauigkeit der Karte war der millimetergenau abgestimmte Formationsflug der Satelliten, die ihre Formation laufend verändern mussten und sich dabei teils auf 120 Meter näherten. Nur so war zu gewährleisten, dass die simultane Datenaufnahme mit zwei Radarsatelliten derart exakte Resultate liefern konnte. Die Messung selbst erfolgte mit einem neuen Radarverfahren, der Synthetic Aperture Radar-(SAR)-Interferometrie: Die zwei Satelliten haben jeweils von ihrer Position Mikrowellen auf dasselbe Gebiet gesandt und die reflektierten Wellen per Radar empfangen. Aus der Differenz der Laufzeiten und der Verschiebung der Wellen zueinander konnte das DLR-Team die Höheninformationen für ihre 3D-Kartierung ermitteln.

Photonik liefert nötige Präzision für Radar-Messungen
Beim Formationsflug der Satellitenzwillinge in 500 Kilometern Höhe galt die Faustregel: Aus einem Millimeter Positionsabweichung resultiert ein Meter Messabweichung. Dank präziser Kalibrierung und millimetergenauer Messungen der Satellitenabstände per Laser konnten Abweichungen vermieden werden. Dafür waren spezielle, am GeoForschungsZentrum (GFZ) Potsdam entwickelte Laser-Retroreflektoren im Einsatz. Diese reflektieren ultrakurze Laserimpulse, die jeweils von weltweit verteilten Satellite Laser Ranging-(SLR)-Bodenstationen zu den Satelliten gesandt wurden.

Nicht nur die Satelliten bedurften präziser Kalibrierung. Auch die Daten mussten an einer verlässlichen Referenz ausgerichtet werden, die ebenfalls per Laser ermittelt wurde. Genauer: Per Laseraltimetrie – also punktweisen Höhenmessungen per Laser im Zuge der ICESat-Erdbeobachtung der NASA. Ultrakurze Laserpulse werden zur Erdoberfläche geschickt, reflektiert und die Distanz aus der Laufzeit der rückkehrenden Photonen errechnet.

Präzision der Photonik und Robustheit der licht- und wetterunabhängigen Radar-Technologie gingen also Hand in Hand. Im nächsten Schritt sollen durch den Wechsel vom X-Band (3,1 cm Wellenlänge) auf L-Band (24 cm) auch bis zu 60 Meter tiefe Einblicke in die Eisschichten von Gletschern und Polarkappen sowie das Durchdringen und Vermessen dichter Vegetationen möglich werden.

Datenübertragung per LASER
Ein weiteres Highlight der TerraSAR­X Mission ist die „In-Orbit Verifikation“ einer Zukunftstechnologie: Der Laserkommunikation im All. Per Laser tauschen TerraSAR-X und der US-Satelliten NFIRE mehrmals täglich Daten aus. Dies funktioniert mit Raten von bis zu 5,6 Gigabyte/Sekunde über 5.000 Kilometer Entfernung – in beide Richtungen. Dafür muss der Laserstrahl bei Geschwindigkeiten von gut 25.000 km/h exakt auf die Laser Communication Terminals des empfangenden Satelliten ausgerichtet und dort mehrere Minuten fixiert werden. Laut Tesat-Spacecom, Hersteller der eingesetzten Laserterminals, ist dies so schwierig, wie „auf ein einzelnes Fenster eines Flugzeuges in großer Flughöhe zu zielen und seinen Kurs zu verfolgen“. Da das mittlerweile gut gelingt, ist das Unternehmen überzeugt, dass mit der Laserkommunikation eine neue Basis für Hochleistungs-Überwachungsmissionen gelegt ist. Für Echtzeit-Datenverbindungen von Satelliten zur Erde werde sie künftig eine zentrale Rolle spielen.

Bildquelle: © EADS Astrium

 
 
 
 
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