TanDEM-X Blog | 19. Oktober 2010 | 1 Kommentar

Feuertaufe für die Satellitenformation

Am letzten Donnerstag war es so weit: Die beiden Radarsatelliten der TanDEM-X-Formation wurden bis auf wenige hundert Meter zusammengeführt und bilden jetzt ein einmaliges Radarinterferometer im All. Schon am nächsten Tag konnten nach umfangreichen Sicherheitschecks beide Instrumente angeschaltet und die weltweit ersten DEM-Aufnahmen mit einer frei fliegenden bistatischen SAR-Satellitenformation gemacht werden. Noch am Freitagabend konnten die gemeinsamen Aufnahmen empfangen und in unserer operationellen Prozessorkette verarbeitet werden.

Bei der bistatischen Technik arbeiten beide Satelliten synchron zusammen, und ihre Datenströme müssen aufwendig in der Verarbeitungskette aufeinander abgestimmt werden, um interferometrisch zu Höhendaten prozessiert werden zu können. Das war für uns eine absolute Premiere. Die letzten Monate hatten unsere Prozessoren zwar tausende von einzelnen digitalen Höhenmodellen (Digital Elevation Models, DEMs) berechnet, diese jedoch aus „klassischen“ zeitversetzten Aufnahmen. Auch konnten wir mit ersten bistatischen Testaufnahmen der Kollegen (die dazu bereits gebloggt haben) Radarbilder erzeugen, allerdings ohne dass diese Daten aus 20 Kilometern Abstand die Phaseninformationen beinhalteten, die man für DEMs braucht.

Schon die allererste bistatische DEM-Aufnahme war eine wunderschöne Szene der Ostküste Siziliens mit dem Ätna im Mittelpunkt. Die Prozessierung der beiden Aufnahmen klappte auf Anhieb. Zunächst wurden die bistatischen Einzelbilder betrachtet und bejubelt. Bis Samstagmittag hatten wir bereits einige bistatische Datensätze in Neustrelitz empfangen und bei uns zu DEMs verarbeitet. Eine tolle Leistung des gesamten Bodensegments.

Das PGS-SAR-Team mit dem ersten bistatischen DEM-Aufnahmepaar.

TanDEM-X-Höhenmodell im Vergleich zum SRTM-Höhenmodell

Die bistatischen TanDEM-X-Daten sind von beeindruckender Qualität. Und das, obwohl wir noch in der "Commissioning"-Phase sind und in den kommenden Jahren mehrere Aufnahmen der Erde zu dem eigentlichen Endprodukt verschmolzen werden müssen, um überall auf der Erde die hohe Präzision von wenigen Metern Fehlertoleranz zu erreichen. Dennoch sind auch jetzt schon feinste Details zu erkennen. Dies gerade auch im Vergleich mit den besten bisher vorhandenen globalen Daten, die allerdings nicht überall in konstanter Qualität verfügbar sind (wie z.B. die DEMs der "Shuttle Radar Topography Mission"). Der Schritt von einem 30-bis-90-Meter-Raster zu unseren 12-Meter-Punktabstand klingt nicht nach viel, es ist aber in etwa ein Sprung wie von einer VGA-Webcam oder bestenfalls 2-Megapixel-Digital-Kamera zu einer Kamera mit 12,5 Megapixeln Auflösung.

Was ist an der bistatischen Radar-Interferometrie so besonderes?

Zum einen machen beide Satelliten zur exakt gleichen Zeit eine Momentaufnahme der Erde – nichts kann sich am Boden zwischen den beiden Aufnahmen verändern. Zum anderen braucht einer von beiden Satelliten nur zu "lauschen" und sieht, was der andere angestrahlt hat. Einer von beiden Satelliten kann sozusagen seine Batterie schonen und das Instrument kühl halten. So kann doppelt soviel aufgenommen werden, wie in der klassischen "monostatischen" Technik. Also eigentlich nur Vorteile – leider ist die Technik aber auch recht kompliziert.

Ein wichtiger Punkt ist, dass die beiden Radarinstrumente immer mit Pulsen arbeiten. Dafür brauchen sie einen ganz genauen Taktgeber: den Oszillator. Nun arbeiten die beiden Taktgeber von TerraSAR-X und TanDEM-X aber völlig unabhängig voneinander, und die Radar-"Uhren" sind somit auch mal gegeneinander "verstimmt". Beide Instrumente arbeiten zeitgleich zusammen - aber leider nicht im exakt gleichen Takt. Was für ein Orchester wohl eine Katastrophe wäre, ist hier gar nicht so schlimm, solange man bei der  Prozessierung am Boden den Takt nur ganz genau kennt und ausgleichen kann. Dafür gibt es die Synchronisationspulse, mit denen der Partner jeweils den Takt des anderen Instruments aufzeichnet.

Die Genauigkeit, die hier gefordert ist, ist enorm: Zeitunterschiede von Mikrosekunden verschieben die Bilder schon um hunderte von Metern gegeneinander. Noch schlimmer ist, dass die Frequenz- und Phaseninformation, die ja in Höhendaten umgerechnet wird, verfälscht wäre, ohne eine Synchronisationskorrektur. Kleinste Fehler würden zu Kilometerhohen Rampen verrechnet. So kann man vielleicht unsere Begeisterung beim Anblick der makellosen DEMs auch als Beleg verstehen für die reibungslose Funktion der Technik, die von vielen Ingenieuren des Projekts vorbereitet wurde.

Wozu bistatische DEMs?

Neben den genannten Vorzügen gibt es noch einen sehr wichtigen Aspekt: Schon in den letzen Monaten haben wir ja viele DEMs erzeugen können, jedoch funktioniert die zeitversetzte, monostatische Aufnahmetechnik eigentlich dort am besten, wo praktisch keine Vegetations- oder Wasserflächen mit ihren mikroskopischen Bewegungen die Aufnahmen stören. Auch die neuen bistatischen DEMs dieser Eis- und Sandwüsten sind beeindruckend wie z.B. die neuen Aufnahmen von der Oktober-Revolutions-Insel im Nordpolarmeer und des Death-Valleys in Kalifornien zeigen… aber Menschen leben dort nun mal nicht.

DEM der Oktober-Revolutionsinsel

Bistatisches DEM der Oktober-Revolutionsinsel: Felsformationen zwischen den Eiskappen (Radarhelligkeit mit DEM-Höhe als Farbe)

DEM des Death Valley 
 
Bistatisches DEM des Death Valley

Um neben all den wichtigen geodynamisch und klimarelevanten Gegenden der Erde z.B. auch kritische Vulkan- und Erdbebenaktivitätszonen im Lebensraum des Menschen zu erfassen, braucht man eine robustere Technik - und die bietet die bistatische Interferometrie. Zwar sind Wälder, Wiesen und Wasserläufe auch weiterhin nicht immer komplett "phasentreu" (also "kohärent"), aber sie lassen sich nun besser zu DEMs verarbeiten.

Nicht aus Zufall haben wir für die ersten bistatischen Test-DEMs auch viele Vulkane aufgenommen; die Beobachtung von geologisch aktiven Zonen ist eine der vielen Aufgaben der TanDEM-X- und TerraSAR-X-Mission. Nun sind z.B. auch hochgenaue DEMs des aktiven Vulkans Merapi auf Java mit seiner üppigen Vegetation möglich, an dessen Hängen Tausende von Menschen leben. 

Bistatisches DEM des Merapi auf Java/Indonesien. Die vielen hellen Flecken an den Flanken des aktiven Vulkans sind Städte und Dörfer. (Bilder: DLR.) 

Ein ereignisreiches Wochenende liegt hinter uns, und wir können sagen, dass die Systeme der Mission ihre Feuertaufe für die kommenden Monate und Jahre gut überstanden haben.

TrackbackURL

Keine Kommentare

RSS-Feed Kommentare