Der Mars ist wieder das Ziel der großen Raumfahrtnationen. Die Planetenforscher vieler Nationen bemühten und bemühen sich um eine Beteiligung mit eigenen Experimenten an den Programmen.
Mit dem Einsatz von Infrarot-Fourier-Spektrometern auf den Sonden Venera 15 und Venera 16 (Missionen zum Planeten Venus) im Jahre 1983, mit der Bildverarbeitung in der Vega-Mission 1984/85 (Mission zum Kometen Halley nach einem Rendezvous mit dem Planeten Venus) und mit der Beteiligung an drei Experimenten der Phobos-Mission 1988/89 (Mission zum Marsmond Phobos) konnte die Akademie der Wissenschaften (AdW) der DDR auf eine erfolgreiche Teilnahme an sowjetischen Tiefraummissionen der 80er Jahre verweisen. Das war 1988 eine gute Grundlage für neue Vorschläge des Instituts für Kosmosforschung der AdW zur Beteiligung am sowjetischen Programm Mars. Einer dieser Vorschläge - er wurde in der wiedervereinigten Forschungslandschaft seit dem 1. Januar 1992 in dem neu gegründeten Institut für Weltraumsensorik der Deutschen Forschungsanstalt für Luft- und Raumfahrt (DLR) mit Hochdruck umgesetzt - betraf die Entwicklung und den Einsatz einer synoptischen Weitwinkel-Stereokamera auf den beiden Orbitalapparaten der Missionen Mars-94 und später Mars-96 mit der Bezeichnung Wide-Angle Optoelectronic Stereo Scanner (WAOSS).
Mit diesem Projekt wurde in Berlin-Adlershof konsequent der Weg von den 2D- zu den 3D-Systemen eingeschlagen und gleichzeitig ein erster Schritt in Richtung der Entwicklung „intelligenter“ Sensoren getan.
Das Projekt WAOSS umfaßte die Entwicklung, den Bau, die Kalibrierung, die Weltraumqualifizierung und den Test der elektronischen Weitwinkel-Stereokamera für den Einsatz in der russischen Mission Mars 96. In dieser Mission hatte die Kamera die Aufgabe, den Mars global mit einer Bodenauflösung von einigen hundert Metern zu beobachten. Schwerpunkt war die großräumige Erfassung von Bilddaten und nicht so sehr eine hohe Bodenauflösung (das war die Aufgabe einer weiteren deutschen Kamera – HRSC). Neben der Möglichkeit, zeitliche Veränderungen in der Atmosphäre und an der Marsoberfläche zu verfolgen, war auch eine globale topographische Kartierung im Maßstab 1:500 000 vorgesehen. Bei der erhofften Missionsdauer von einem Marsjahr, das sind etwa zwei Erdenjahre, hätten die Verhältnisse in allen Mars-Jahreszeiten beobachtet werden können. Mit Hilfe der Bilddaten sollten saisonale und wetterbedingte Veränderungen der Marsoberfläche (Eisbedeckung, Albedomuster) untersucht und die Entstehung und Ausbreitung von Wolken und Staubstürmen beobachtet und vermessen werden. Die von WAOSS aus dem Mars-Orbit zu gewinnenden Daten wären für eine Vielzahl von Wissenschaftsdisziplinen von Interesse gewesen, insbesondere
Wichtige Eigenschaften der Kamera sind:
Aus der vorgesehenen hochelliptischen Umlaufbahn des Satelliten um den Mars resultierte, daß die Bildteile aus unterschiedlichen Bahnhöhen mit unterschiedlichen Bahngeschwindigkeiten zu erzeugen waren. Das erforderte eine positionsabhängige Steuerung der Kameraparameter, z. B. der Aufnahmefrequenz. Die dafür benötigte Rechenleistung und „Intelligenz“ war durch ein leistungsfähiges Mehrprozessorsystem gewährleistet. Diese intelligente Steuerung stellte auch sicher, daß trotz des Einsatzes eines Objektivs mit fester Brennweite durch einen „elektronischen Zoom“ die Bodenauflösung im „Wettermodus“ in einem weiten Höhenbereich des Satelliten bei z. B. 1 km x 1 km konstant gehalten werden konnte. Die höchste Auflösung wäre im Perizentrum der Umlaufbahn, also dem Bereich mit geringstem Marsabstand erreicht worden und hätte dort 80 m betragen (Satellitenhöhe 250 km). Mit dieser Auflösung wäre im sogenannten „Kartographiemodus“ gearbeitet worden.
WAOSS wurde kompakt und modular aufgebaut. Durch den Einsatz hochintegrierter und hybrider Schaltungslösungen und unter Einbeziehung sogenannter „kalter“ und funktioneller Redundanzlösungen konnte WAOSS mit einer Masse von 8 kg und einem Energiebedarf von 18 W realisiert werden.
Die Weitwinkel-Stereokamera WAOSS wurde bereits im Jahre 1988 im Institut für Kosmosforschung (IKF) der Akademie der Wissenschaften der DDR konzipiert und teilweise entwickelt. Mit Hilfe von Fördermitteln von DARA und BMFT wurde WAOSS im Institut für Weltraumsensorik der Deutschen Forschungsanstalt für Luft- und Raumfahrt (DLR) weiterentwickelt, gefertigt und kalibriert. Die Qualifikation für den Weltraumeinsatz wurde auf Testanlagen des Institutes nachgewiesen. Während mehrerer Flugzeugeinsätze über geeigneten, gut vermessenen Geländen wurde WAOSS unter „realistischen Einsatzbedingungen“ erprobt.
Die Flugmuster der Stereokamera WAOSS waren planmäßig zum Start der Mission Mars-94 fertiggestellt. Leider wurde der für September 1994 vorgesehene Start verschoben. Das eröffnete allerdings die Möglichkeit, weitere technologische Verbesserungen an der Kamera vorzunehmen. Diese Möglichkeit wurde intensiv genutzt, so daß keine Verschnaufpause bis zur Ablieferung der Flugmuster für die Mission Mars-96 auftrat.
Leider mißglückte nach gelungenem Start in der Nacht vom 16. zum 17. November 1996 von Baikonur/ Kasachstan das Manöver zum Einschwenken des Raumflugkörpers Mars-96 in die Transfer-Trajektorie zum Mars, der Raumflugkörper stürzte in den Pazifik.Die wesentlichen Etappen von WAOSS sind in Tabelle 1.1 zusammengestellt.
Etappen
Finanzierung
AdW - Akademie der Wissenschaften der DDR
IKF -Institut für Kosmosforschung
KAI -Koordinierungs- und Abwicklungsstelle für die Institute und Einrichtungen der ehemaligen AdW der DDR
DARA -Deutsche Agentur für Raumfahrtangelegenheiten
DLR -Deutsche Forschungsanstalt für Luft- und Raumfahrt
WS -Institut für Weltraumsensorik
WIB -Weltrauminstitut Berlin (FU Berlin)
FM -Flugmuster
FS -Flugersatzmuster (Flight spare)
Aus Tabelle 1.1 wird auch deutlich, daß das Projekt WAOSS in einem sehr dynamischen gesellschaftlichen Umfeld durchgeführt wurde, das in Deutschland durch die Wiedervereinigung und in der Sowjetunion bzw. in Rußland durch die „Perestroika“ geprägt war. Dieses gesellschaftliche Umfeld nahm natürlich Einfluß auf den Projektverlauf, von der Konzeption der Weitwinkel-Stereokamera WAOSS, beginnend im Januar 1988, bis zum Absturz des Raumflugkörpers Mars 96 am Morgen des 17. November 1996 zwischen der Osterinsel und der Küste Chiles in den Pazifischen Ozean.
In Tabelle 1.2 sind einige Meilensteine der Mission Mars-96 zusammengestellt. Das vielversprechende sowjetische Programm Mars 2000 sollte mit der Doppelmission Mars-94 seinen Anfang nehmen. Diese Doppelmission wurde dann ständig modifiziert, die Starts verschoben; der schließlich am 16.11.96 erfolgte Start brachte nicht den erwünschten Erfolgt. Von dem ehrgeizigen Programm Mars 2000 ist nun keine Rede mehr.
Auf deutscher Seite wirkten sich die gesellschaftlichen Veränderungen vor allem auf die Finanzierung und die Organisationsstruktur, aber auch auf die wissenschaftlich-technologischen Anforderungen und Bedingungen aus.
Jahr
Ereignis
Sowjetisches Programm MARS-2000 beschlossen
1. Meilenstein ist Doppelmission MARS-94
Zur Strawman-Payload gehören u. a.
Doppelmission wird in 2 unterschiedliche Experiment-Komplexemodifiziert
WAOSS ist für beide Orbiter bestätigt als Bestandteil der PlattformARGUS
Tabelle 1.2 Historie der Mission Mars-96
Im Zuge der Wiedervereinigung Deutschlands erfolgte auch die Eingliederung des IKF in die DLR. Es war nur konsequent, auch die zunächst unabhängig vorgeschlagenen Stereokameras WAOSS vom ehemaligen IKF und HRSC (High Resolution Stereo Camera) vom Institut für Optoelektronik der DLR vorgeschlagen und entwickelt von der Firma DORNIER zu einem gemeinsamen Projekt mit nur einem für die Auswertung der Daten beider Kameras zuständigen PI (Principal Investigator) zusammenzufassen.
Bezüglich der wissenschaftlich-technologischen Anpassungen seien hier einige wesentliche Punkte herausgestellt:
Kamerakonzept bis zur Wiedervereinigung
Im Januar 1988 wurde von Prof. Oertel ein Stereokonzept mit der 3-Zeilen-Geometrie vorgeschlagen, das auf der Verwendung von 2 Objektiven zur Abdeckung des geforderten Bildwinkels (Field of View, FOV) von FOV = 100° basierte. Bis April wurde von Dr. Sandau ein auf nur einem Objektiv basierendes Konzept entwickelt, das auch das detaillierte Instrumentenkonzept bis zur Satelliten-Schnittstelle einschloß. Das optische Konzept beruhte auf einem modifizierten Objektiv Flektogon 4/20 von Carl Zeiß Jena (CZJ). Die CCD-Zeilen und eine hybride Fokalebene waren vom Werk für Fernsehelektronik (WF) derart zu entwickeln, daß die 100° Sichtwinkel gewährleistet wurden. Mit den entwickelten optischen und elektronischen Labormusterkomponenten erfolgten erste Flugerprobungen, von denen die Anforderungen an eine 5-Zeilen-Fokalebene zur simultanen Stereo- und Multispektralerkundung abgeleitet wurden.
Evolution nach der Wiedervereinigung
Im Zuge der Wiedervereinigung Deutschlands konnte sich das WF nicht behaupten. Auch die Objektiventwicklung bei CZJ wurde zum Risiko. Die Entwicklung des Objektivs erfolgte nun beim zu dem Zeitpunkt stabil erscheinenden sowjetischen Partner LITMO in Leningrad auf der Basis des RUSSAR 92-20. Die Brennweite wurde mit f = 21,7 mm so an die HRSC-Verhältnisse angepaßt, daß die Bodenpixelabmessungen sich um den Faktor 8 unterschieden. Die Fokalplatte konnte glücklicherweise von der HRSC-Entwicklung übernommen werden; die Anpassungen an die WAOSS-Erfordernisse konnten kostengünstig eingearbeitet werden. Allerdings erfolgte eine Beschränkung auf 3 CCD-Zeilen.
Die Spektralkanäle der WAOSS-Kamera wurden derartig modifiziert, daß auch derPhotogrammetrie-Modus der HRSC mit den beiden zusätzlichen Winkeln von WAOSS unterstützt werden konnte.
Nicht zuletzt war das Projekt WAOSS in den fast 9 Jahren für viele der Beteiligten auch eine wissenschaftlich-technische Heimat, die mit viel Kreativität gestaltet wurde und die - über die Hardware-Realisierungen hinaus - auch viele theoretische Überlegungen erforderte und für die Welt um und nach WAOSS zur Verfügung stellte.
Im Zusammenhang mit WAOSS entstanden
Darüber hinaus wurden in den Jahren 1989/90 insgesamt 5 Kolloquien zur Festigung der konzeptionellen Lösungen und der Detaillösungen im Kameradesign durchgeführt.
So war WAOSS immer ein interessantes und nicht nur in technischer Hinsicht einzigartiges Projekt,
Natürlich waren die Bestürzung und die Enttäuschung über den mißlungenen Einschuß in die Trajektorie zum Mars groß. Der Trost, der uns von vielen Seiten zuteil wurde, und der zeitliche Abstand lassen nun die verbleibenden positiven Ergebnisse wieder in den Vordergrund treten.
Der bei der Entwicklung, dem Bau, der Kalibrierung und den Tests einschließlich der gemeinsamen Auswertung der Kameradaten und der Flugzeuglage- und -positionsdaten gewonnene Erfahrungsschatz ist eine gute Grundlage, auf die bei künftigen Fernerkundungsvorhaben auf Satelliten und Flugzeugen im wissenschaftlichen und im kommerziellen Bereich zurückgegriffen werden kann. Darüber hinaus stehen natürlich noch die Kameramodelle FM 2 (Flight Model 2) und FS (Flight Spare) für den kurzfristigen Einsatz in anderen Missionen zur Verfügung. Eventuell müssen entsprechend den veränderten wissenschaftlichen Aufgabenstellungen, den neuen Satelliten-Plattformen und den entsprechenden Orbitbedingungen Veränderungen an den Kameras (Hardware, Software) vorgenommen werden. Zur Diskussion für entsprechende WAOSS-Einsätze stehen gegenwärtig der DLR-Kleinsatellit BIRD und das ESA-Projekt FOCUS zur frühen Nutzung der Internationalen Space Station Alpha (ISSA).