Bildgewinnende Experimente der Planetenmission Mars 96
Auf der Plattform des optoelektronischen Aufnahmekomplexes ARGUS der russischen Missionen MARS-94 und -96 befanden sich unter anderem zwei deutsche Stereokameras: die hochauflösende Kamera HRSC und die Weitwinkel-Stereokamera WAOSS. Die wissenschaftlichen Aufgaben von ARGUS in dem hochelliptischen Marsorbit werden beschrieben. Insbesondere wird auf die wissenschaftlichen Aufgaben von WAOSS und die daraus abgeleiteten Anforderungen an die Kamera eingegangen.
Allgemeines
Die Fernerkundung von Erde und Planeten aus dem Satellitenorbit ist zu einem bewährten Instrument der Informationsaufnahme durch die Menschen geworden. Die Erde wird mit vielen satellitengestützten Sensoren routinemäßig und systematisch beobachtet. Täglich werden von fast allen Gebieten der Erde Bilder und Spektren in den Wellenlängenbereichen von Ultraviolett bis zur Mikrowelle registriert und ausgewertet.
Die Fernerkundung der Planeten unseres Sonnensystems ist noch nicht zur Routine geworden. trotzdem wird auch hier systematisch vorgegangen. Den ersten meist „vorbeifliegenden Spähern“ folgen im nächsten Schritt Raumsonden. die in einen Planetenorbit als künstlicher Satellit einschwenken. Nach den überaus erfolgreichen Spähern Voyager 1 und 2, die die äußeren Planeten unseres Sonnensystems auskundschaften, ist nun die Galileo-Sonde zum Jupiter unterwegs und wird in einen Orbit um den größten Planeten unseres Sonnensystems einschwenken. Die Galileo-Sonde ist neben vielen anderen Sensoren mit einem optoelektronischen bildgewinnenden System ausgerüstet, an dessen Datenauswertung Wissenschaftler der Deutschen Forschungsanstalt für Luft und Raumfahrt (DLR) beteiligt sind.
Vor fast einem Jahrzehnt hatten Wissenschaftler aus dem damaligen Institut für Kosmosforschung und anderen Einrichtungen der Akademie der Wissenschaften in Berlin-Adlershof erstmals die Möglichkeit, an der systematischen Erkundung der erdnahen Planeten mit selbstentwickelten Sensoren aktiv teilzunehmen. Das war der erfolgreiche Einsatz von lnfrarot-FOURIER-Spektrometern auf den Venussatelliten Venera 15 und 16. Diesen beiden sowjetischen Tiefraumsonden gelang 1983/84 die systematische Kartierung der Nordhemisphäre der Venusoberfläche mit Hilfe eines Seitensicht-Radar-Systems mit einer Auflösung von 1 km. Die Spektrometer aus Adlershof lieferten 2000 Absolutspektren der thermischen Eigenstrahlung der Venusatmosphäre. Sieben Jahre später folgte der nächste Schritt der systematischen Fernerkundung der Venusoberfläche die immer von dichten Wolken verdeckt ist: Die US-amerikanische Sonde Magellan kartiert (derzeit immer noch) die feste Venusoberfläche mit einer Bodenauflösung von 100 m. Das ist möglich mit sogenannten Synthetic-Apertur-Radar-Systemen (SAR), ebenfalls Mikrowellensensoren. Erst wurden diese SAR-Systeme zur Fernerkundung der Erde eingesetzt und dabei weiterentwickelt und dann in Tiefraummissionen angewendet. Das trifft übrigens auch zu auf die Satelliten-Infrarot-FOURIER-Spektrometer generell und für die aus Berlin-Adlershof im speziellen. Den erfolgreichen Einsätzen im Erdorbit folgten die Tiefraumeinsätze.
Der Mars ist im Gegensatz zur Venus nur zeitweise und partiell in Wolken gehüllt. Das ermöglicht die Beobachtung seiner Oberfläche im sichtbaren bzw. optischen Spektralbereich. Die systematische Fernerkundung des Mars mit bildgewinnenden optoelektronischen Systemen hat 1971 mit Mariner 9 begonnen. In den letzten zwei Jahrzehnten haben sich bei der bildgewinnenden optoelektronischen Fernerkundung der Erde neue Sensorgenerationen behauptet: Optomechanische Abtaster (wie z.B. Thematic Mapper, MOMS oder MSU-SU) und vollelektronische CCD-Zeilen-Abtaster (sogenannte Pushbroom-Systeme wie z.B. SPOT oder MSU-E). Diese Pushbroom-Sensoren lassen sich bei nach wie vor sehr kompakter Konstruktion zu Systemen ausbauen, die in einem Meßschwad dreidimensionale Bilddaten gewinnen können (Stereokameras auf optoelektronischer Basis). Auf der Erde wurde das erprobt. Nun wurden solche Systeme für die systematische Fernerkundung des Mars durch deutsche Wissenschaftler und Techniker entwickelt. Das geschah in Zusammenarbeit der DLR mit DASA/Dornier u.a. Einrichtungen aus Forschung und Industrie unter der nationalen programmatischen Leitung der Deutschen Agentur für Raumfahrtangelegenheiten (DARA) im Rahmen des Mars-Programms, das seit 1987 in der früheren Sowjetunion eine besondere Förderung als wissenschaftliches Langfristprogramm erfuhr. Wie vom Minister für Wissenschaft und Technische Politik Rußlands im Institut für Kosmosforschung in Moskau vor Planetenforschern aus dem In- und Ausland mitgeteilt wurde, hatte dieses Programm, dessen erster Schritt die Mission Mars-94 sein sollte, eine großzügige Förderung der Regierung Rußlands erfahren. Ein wesentlicher Grund dafür lag in der Größe der Aufgabe.
Die Erforschung des Planeten Mars ist eine langfristige Zielstellung aller führenden Raumfahrtnationen. Für die USA und für Rußland bzw. die Gemeinschaft Unabhängiger Staaten (GUS) stehen neue Flüge zum Mars in Kontinuität zu den früheren Mariner-, Viking-, Mars- und Phobos-Missionen.
Neben der Perspektive bemannter Flüge zum Mars, die nicht vor 2010 realistisch sind, gibt es Planungen und konkrete Vorbereitungen von unbemannten Mars-Missionen, insbesondere für die 90er Jahre. Die USA bereiteten die Mars Observer-Mission für 1992/1994 vor. Die Sowjetunion, respektive Rußland, betrieb in enger Kooperation mit einer ganzen Reihe (insbesondere europäischer) Länder sehr aktiv die Vorbereitung der Missionen Mars-94, die in zwei Etappen erfolgen sollten [1]:
Für die systematische Fernerkundung des Planeten Mars aus einem Mars-Satelliten-Orbit spielen abbildende optoelektronische Sensoren eine wesentliche und sehr entscheidende Rolle. Entsprechend dem neuesten Entwicklungsstand der Fernerkundungs-Sensor-Technologie sind zwei Typen für diese Aufgabe besonders favorisiert:
Mit Blick auf die vorangegangenen fernerkundenden Missionen des Mars aus dem Satellitenorbit sollte mit diesen Systemen nicht nur quantitativ das Bilddatenmaterial vom roten Planeten erweitert werden, sondern es sollten auch qualitativ neue Daten erhalten werden.
Aus der Mariner-9 Mission liegen etwa 6000 Marsbilder in guter Qualität und mit einer Bodenauflösung zwischen 100 und 1000 m/Pixel vor.
Die Viking 1- und 2-Orbiter-Kameras lieferten ca. 50 000 Bilder mit unterschiedlicher Bodenauflösung, wobei in Einzelfällen Spitzenwerte von 6 m/Pixel erreicht wurden.
Die teilweise mißglückte Phobos-Mission ergab auf dem Gebiet der optoelektronischen Fernerkundung einen kleinen interessanten Zusatz: Es wurden erstmals Thermalbilder des Mars aus dem Orbit in guter Qualität erhalten.
Das ist der Bilddatenfundus, über den die Menschheit Mars-94 und vor dem Mars Observer-Experiment verfügte. Die Bilder wurden in wenigen (max. 3) Spektralbereichen aufgenommen. Keines der bisherigen Aufnahmesysteme war in der Lage, in einem Meßschwad, d.h. bei einem Überflug des Gebietes innerhalb von 2 bis 3 Minuten bei quasi gleichbleibenden Beleuchtungsverhältnissen, dreidimensionale Bilddaten zu gewinnen, aus denen digitale Geländemodelle rekonstruierbar sind.
Die „Mars Observer Camera“ (MOC) ist zwar sowohl im langbrennweitigen hochauflösenden Teil (1,5 m/Pixel) und im kurzbrennweitigen Weitwinkelteil (300 bis 3000 m/Pixel) als Pushbroom-CCD-Zeilen-Scanner ausgelegt, in dem wenige Filter zur spektralen Selektion vorgesehen sind, über die o.g. ,,im-Schwad-Stereo-Potenz" verfügt MOC jedoch nicht. So wie bei Mariner-9 und Viking wäre es aus den MOC-Bildern nur dann möglich gewesen, Stereobilder des Mars abzuleiten, wenn das betroffene Gebiet aus unterschiedlichen Blickwinkeln (und natürlich zeitlich auseinanderliegend und meist bei verschiedenen Sonneneinstrahlungswinkeln) mehrmals aufgenommen worden wäre.
Die beiden (deutschen) Pushbroom-Kameras für Mars-94/96 wurden, obwohl von unterschiedlichen Instituten 1988 vorgeschlagen, von Beginn an mit „im-Schwad-Stereo-Potenz“ konzipiert. Diese Kameras waren Bestandteil des vieräugigen Aufnahmekomplexes ARGUS. Zum besseren Verständnis sei anhand von Bild 1.3 das Prinzip kurz erläutert [2, 3].
In der Fokalebene eines Objektivs sind z.B. bei WAOSS drei CCD-Zeilen angeordnet, die senkrecht nach unten (Nadir), vorwärts und rückwärts blicken. Durch die Fortbewegung des Satelliten und damit der Kamera werden drei Bildstreifen generiert. Mit diesen drei Bildstreifen, einem sogenannten Stereotriplet, wird ein Gebiet mit geringer Zeitverschiebung aus unterschiedlichen Blickrichtungen aufgenommen. Der Zeitversatz ist jedoch so gering, daß mit etwa konstanten Beleuchtungsbedingungen gerechnet werden kann. Aus den Triplets ist dann am Boden eine Stereorekonstruktion möglich, wobei auch Bewegungsstörungen teilweise ausgeglichen werden können.
Zwischen den amerikanischen und russischen Wissenschaftlern war vereinbart worden, die Datenformate der wissenschaftlichen Experimente dem des PDS (Planetary Data System) der NASA anzupassen. Damit wäre die Interpretation der Daten von der amerikanischen Mission und den russischen Missionen MARS-94 und MARS-96 im wechselseitigen Zugriff möglich gewesen. Während die Sonde Mars Observer bereits am 25. September 1992 in Cape Canaveral (Florida) gestartet wurde und den Mars im August 1993 erreicht hätte, war der Start der Sonde MARS-94 für den Oktober 1994 geplant.
ARGUS für Mars-94/96
Durch den Internationalen Wissenschaftlichen Rat zu Mars 94/96 im November 1991 wurde festgelegt, daß der bildaufnehmende Teil der wissenschaftlichen Orbiter-Nutzlast der 94er Mission auch 1996 auf dem Orbiter eingesetzt wird.
Es handelt sich hierbei um den plattformgestützten optoelektronischen Aufnahmekomplex ARGUS, der mit seinen vier ,,Augen", nämlich
für die spektrometrisch- und topografisch-abbildende Fernerkundung des Mars aus einer elliptischen Umlaufbahn vorgesehen ist. Bild 1.4 zeigt die Anordnung der Experimente auf der ARGUS-Plattform und Tabelle 1.3 einige Leistungsparameter von WAOSS, HRSC und OMEGA. Auf die Navigationsaufgaben erfüllende Kamera NC (sie blickt in den Weltraum) wird hier nicht näher eingegangen.
Parameter
WAOSS
HRSC
OMEGA
Tabelle 1.3: Leistungsparameter der Stereokameras WAOSS, HRSC und des abbildenden Spektrometers OMEGA/VlMS
Bezogen auf die feste Oberfläche des Mars sollte ARGUS folgende wesentlichen Aufgaben erfüllen:
Mit Blick auf die Atmosphäre und Meteorologie des Mars hatte ARGUS die Aufgaben:
Nach den Bahnberechnungen für die Mars-94-Mission wäre 1996 zweimal eine Konstellation eintreten, die es gestattet hätte, den Marsmond Phobos aus einer Entfernung von einigen hundert Kilometern mit ARGUS gut fernerkundlich zu erfassen.
Orbit und Plattform
Sowohl für die 94er Mission, als auch für den Flug 1996 wäre nach dem Überflug Erde-Mars von etwa 300 Tagen Dauer und mehreren Übergangsorbits eine elliptische Bahn mit einer Umlaufzeit von etwa 43 h und einer Perizentrumshöhe (marsnächster Bahnpunkt) von 300 km eingestellt worden. Der Orbitalapparat wäre auf dieser Umlaufbahn in seiner Lage dreiachsenstabilisiert gewesen. Mit Hilfe einer speziell für ARGUS entwickelten kreiselstabilisierten Plattform (Bild 1.5), auf der HRSC, OMEGA, WAOSS und die Navigationskamera montiert waren, wäre es möglich gewesen, in einem weiten Bereich der marsnahen Bahnabschnitte optimale Aufnahmeblickwinkel der vier genannten Instrumente einzustellen. Das kinematische Schema der sogenannten „Three-axis stabilized pointing Platform“ (TSP), im Bild 2.4 angedeutet, hätte u.a. eine programmierte Nadir-Ausrichtung der Instrumente und ihre Stabilisierung auf Bogensekundengenauigkeit während der Aufnahmephasen im Bereich ± 90 O wahre Anomalie, d.h. um das Perizentrum (der Mars befindet sich in einem Brennpunkt der Ellipse) gestattet.
In Tabelle 1.4 sind die wesentlichen Orbitparameter zusammengestellt und Bild 1.6 zeigt den qualitativen Verlauf der Bodenspur der Kameras.
Tabelle 1.4: Orbitparameter der Mission Mars-96
WAOSS sollte in der gesamten Aufnahmephase von ± 90 O wahre Anomalie arbeiten, die 1 h der 43 h Orbitzeit in Anspruch genommen hätte.
Die hauptsächliche Ziele des WAOSS-Experiments in der Mars-94/96 Mission waren [4]:
Von besonderem Interesse wäre die kombinierte Auswertung der von WAOSS gewonnenen bildhaften und 3D-fähigen Meßdaten mit solchen, die gleichzeitig mit OMEGA, HRSC oder mit dem abtastenden Planeten-FOURIER-Spektrometer (PFS) an Bord von Mars-94 erhalten worden wären, gewesen.
Zur Erfüllung der sehr unterschiedlichen wissenschaftlichen Aufgabenstellungen mußte die technische Konfiguration den folgenden Anforderungen genügen:
Die Realisierung der sehr unterschiedlichen Aufgabenstellungen mit unterschiedlichen Bodenauflösungen sowie die Arbeit in dem hochelliptischen Orbit unter starken Beschränkungen für das Datenvolumen bedingen eine Kamera mit flexibler Hardware und Software, die sowohl autonom arbeiten können muß, als auch über Telekommandos für bestimmte Aufgabenstellungen einstellbar sein muß.
Literatur:
[1] Kremnev, R. S.; Alofanov, O. M.: Soviet System Design for Mars Program,AF-91-042, 42nd Congr. of IAF, Montreal, 1991
[2] Hofmann, O.: Bildvermessung und dynamische Fotogrammetrie, Luftbildwesen,S. 105ff., 1986
[3] Konecny, C.; Wu, J.: Analytische Streifen/Aero-Triangulation für Stereo-3-Linienabtaster, Bildvermessung und Luftbildwesen, S.179 ff, 1986
[4] Oertel, D.; Sandau, R.; u.a.: WAOSS Report on Phase B, Scientific Part, Institut für Kosmosforschung, Berlin, March 1991
[5] Scheele, M.; Terzibaschian, T.: Bildaufnahmebedingungen von WAOSS im Orbit der Mission Mars-94, Bild & Ton Bd. 45 (1992) Heft 9/10, S. 282-284