Seit April 2012 fliegt auch der europäische Umweltsatellit Envisat manövrierunfähig um die Erde.

Bild: ESA

Sicheres De-Orbiting Jagd auf ausgebüchsten Satelliten

04.08.2017

Verliert man die Kontrolle über einen Satelliten, wird er zu gefährlichem Weltraumschrott. Um das havierte Objekt sicher aus dem Orbit zu holen, muss man es zunächst exakt orten. Dazu entwickeln Fraunhofer Forscher eine Methode, seine Bewegungsmuster zu entschlüsseln.

2002 wurde der 2,3 Milliarden Euro teure und rund acht Tonnen schwere Umweltsatellit Envisat von der ESA in die Erdumlaufbahn gebracht und verrichtete dort bis 2012 zuverlässig seinen Dienst. Dann ging der Kontakt verloren.

Von Satellit zu Weltraumschrott

Envisat fliegt in einer erdnahen Umlaufbahn in etwa 800 Kilometer Höhe – eine Region des Erdorbits, in der viele Weltraumobjekte unterwegs sind. Der nun unkontrollierte Flug des havarierten Flugobjekts gefährdet aktive Satelliten und Raumfahrezeuge, die damit kollidieren können. Außerdem können durch diese Zusammenstöße Trümmer entstehen, die wiederum gegen andere Objekte prallen können.

Um diese Gefahr unter Kontrolle zu bekommen, sucht die ESA zurzeit nach Lösungsansätzen. Das Ziel: Envisat auf eine tiefere Umlaufbahn bringen und schließlich in der Erdatmosphäre kontrolliert verglühen zu lassen.

Radar findet den richtigen Dreh

Solche sogenannten De-Orbiting-Missionen gelingen jedoch nur, wenn zuvor die Eigendrehbewegung des Satelliten korrekt bestimmt wird. Erst dann kann festgelegt werden, mit welcher Methode der Satellit eingefangen werden soll. Das Forscherteam des Fraunhofer FHR will zukünftige De-Orbiting-Missionen durch seine Radartechnik unterstützen.

„Unser Weltraumbeobachtungsradar Tira kombiniert ein Ku-Band-Abbildungsradar und ein L-Band-Zielverfolgungsradar. Das bietet uns mittels ISAR-Bildgebung die Möglichkeit, Weltraumobjekte hochaufgelöst abzubilden“, erklärt Dr.-Ing. Ludger Leushacke, Abteilungsleiter Radar zur Weltraumbeobachtung am Fraunhofer FHR.

Vorteile gegenüber optischen Radarsystemen

Im Gegensatz zu optischen Systemen ist das Radarsystem der Fraunhofer-Forscher unabhängig vom Wetter vor Ort und lässt sich Tag und Nacht einsetzen. Zudem spielt es für die Auflösung keine Rolle, wie weit das Objekt entfernt ist. Damit können die Wissenschaftler sowohl die Drehgeschwindigkeit von schnell rotierenden Objekten wie Envisat als auch von langsam rotierenden Objekten bestimmen. Die mit Tira aufgenommenen Radar-Rohdaten des havarierten Satelliten werden mit am Fraunhofer FHR entwickelten speziellen Methoden prozessiert und im Anschluss ausgewertet.

So entstehen exakte Radaraufnahmen von Envisat

Hochaufgelöste Radarbilder werden erzeugt, indem die relative Drehung des beobachteten Objekts zur stationären Radaranlage genutzt wird. Dabei wird das Objekt von verschiedenen Betrachtungswinkeln beleuchtet. Allerdings hängt die Querskalierung im Radarbild von der tatsächlichen Drehgeschwindigkeit ab, die aber selbst ja erst aus den Daten gewonnen werden soll.

„Zur Bewältigung dieser Problematik verwendet die Methodik unseres Expertenteams die Drahtgittermodelle der Objekte, um die Querskalierung richtig zu schätzen“, erläutert Cerutti-Maori. Hierzu wird an verschiedene Bilder einer Passage manuell ein Drahtgittermodell des Objektes projiziert. Aus der zeitlichen Entwicklung der Projektionen über eine Passage lässt sich dann der Rotationsvektor des Objekts zuverlässig abschätzen.

Envisat nimmt Fahrt auf

Für die Analyse der langzeitlichen Entwicklung der Eigenbewegung von Envisat wurden Beobachtungen aus dem Zeitraum von 2011, kurz vor Abbruch des Kontakts, bis 2016 herangezogen. Im regulären Dienst rotierte Envisat relativ langsam mit ca. 0.06°/s, was einer Umdrehung pro Erdumlauf entsprach.

Kurz nach dem Abriss der Verbindung am 8. April 2012 konnte ein Anstieg der Eigendrehbewegung auf fast 3°/s festgestellt werden, etwa 45 Umdrehungen pro Umlauf. Dieser Anstieg der Eigendrehgeschwindigkeit deutet nicht einen Zusammenstoß mit anderen Objekten hin, da die Zunahme graduell erfolgte und nicht plötzlich, lautet der Rückschluss der Forscherinnen und Forscher am Fraunhofer FHR.

Langzeitstudie der Eigenrotation

Seit Mitte 2013 ist eine Verlangsamung der Drehgeschwindigkeit zu beobachten: Sie lag Ende 2016 bei ca. 1.6°/s.

„Unsere Untersuchungen können maßgeblich dazu beitragen, in Zukunft eine kontrollierte Entfernung des havarierten Envisat zu unterstützen, wenn die ESA sich dazu entscheidet“, so Leushacke.

„Die am Fraunhofer FHR entwickelten Methoden zur bildgestützten Aufklärung sind aktuell weltweit einzigartig und eignen sich bestens, um bei Weltraumobjekten Ausrichtung und Eigendrehbewegung zu analysieren und deren langzeitliche Entwicklung belastbar zu prognostizieren. Darüber hinaus können sie eingesetzt werden, um auch potenzielle äußere Beschädigungen der Satelliten effizient zu untersuchen.“

Bildergalerie

  • Das Weltraumbeobachtungsradar Tira des Fraunhofer FHR.

    Bild: Fraunhofer FHR

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