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WAOSS - Teil III



Konzept und Arbeitsweise der Kamera

Ausgehend von den wissenschaftlichen Aufgabenstellungen für die Weitwinkel-Stereokamera WAOSS und den Randbedingungen für den Systementwurf werden die Wirkprinzipien und Leistungsparameter der wichtigsten Kamerakomponenten vorgestellt. Bei der Erläuterung der Arbeitsweise der Kamera zeigt sich, daß die Flexibilität und die Programmierbarkeit der Kamera notwendige Eigenschaften zur Erfüllung der unterschiedlichen wissenschaftlichen Aufgabenstellungen im hochelliptischen Marsorbit sind.

Allgemeines

Auf der russischen Tiefraum-Mission Mars- waren zwei sich gegenseitig ergänzende deutsche Kameras mit Unterschieden und Gemeinsamkeiten installiert.

Die Kamera WAOSS (Wide-Angle Optoelectronic Stereo Scanner) hatte die Aufgabe, den Mars global mit einer Bodenauflösung von einigen hundert Metern zu beobachten. Schwerpunkt war hier die großräumige Erfassung und nicht so sehr die hohe Auflösung, wie bei der anderen deutschen Kamera HRSC (High Resolution Stereo Camera).

Neben einer topografischen Kartierung besteht bei WAOSS die Möglichkeit, zeitliche Veränderungen in der Atmosphäre und an der Oberfläche zu verfolgen. Bei der erhofften Missionsdauer von einem Marsjahr (etwa zwei Erdjahre) hätten die Verhältnisse in allen Mars-Jahreszeiten beobachtet werden können. Die Weitwinkel-Stereokamera WAOSS wurde im Institut für Kosmosforschung (IKF) in Berlin-Adlershof bereits 1988 konzipiert [1]; sie wird derzeit im Institut für Weltraumsensorik der Deutschen Forschungsanstalt für Luft- und Raumfahrt (DLR) entwickelt und im Flugzeugeinsatz über geeigneten, gut vermessenen Geländen (das sind vor allem Braunkohle-Tagebaugebiete) erprobt [7] (Bild 1.1).

Die von WAOSS aus den Mars-Orbit aufgenommenen Daten sollten mehreren Wissenschaftsdisziplinen dienen, insbesondere:

  • Atmosphärenphysik und -dynamik,
  • Meteorologie,
  • Klimatologie,
  • Fotogrammetrie Kartografie
  • Mineralogie Geologie.

Entwurfsbedingungen

Bei dem Entwurf der Stereokamera WAOSS waren vor allem vier Anforderungsbereiche zu berücksichtigen:

  • die wissenschaftlichen Aufgabenstellungen,
  • Besonderheiten des Orbits,
  • Aspekte der Satellitenherstellung,
  • Beschränkung des Datenvolumens.

Für die optimale Auslegung der Kamera wurden (sich auch gegenseitig beeinflussende) Anforderungen berücksichtigt.

Wissenschaftliche Anforderungen

In [2] sind die wissenschaftlichen Anforderungen begründet. Es ergeben sich drei Aufgabenkomplexe.:

  • Synoptische „Wetterkamera“,
    die mit 1 km Bodenauflösung die 3D-Beobachtung der Dynamik in der Atmosphäre und an der Marsoberfläche gewährleisten sollte.
  • „Kartografiemodus“,
    in dem die globale topografische Kartierung der Marsoberfläche im Bereich der Bodenauflösungen < 200 m, d.h. mit Maßstabsfaktoren um 1 : 500 000 realisiert werden sollte. In diesem Modus könnte in dem 12-h-Orbit und Perizentrumshöhen von 200 km im Bereich ±3000 km um das Perizentrum gearbeitet werden (in [6] sind die Schwadbreite und die zugehörige Pixelauflösung als Funktion der Entfernung zum Perizentrum zusammengestellt).
  • Dienstleistungsaufgaben ,
    die eine Unterstützung der Dateninterpretation von anderen Experimenten (z.B. PFS, Thermoscan u.a.) auf dem Orbiter im Sinne der Orts-Zeit-Anbindung und der damit korrelierten optischen Information von WAOSS ermöglichen.

Orbitanforderungen

Der Orbittyp wurde erst kurz vor dem Start präzisiert. Bis dahin waren mehrere Varianten in Diskussion. Für die nachfolgenden Betrachtungen wurden exemplarisch die folgenden Bahndaten zugrunde gelegt:

  • Apozentrumshöhe 26200 km,
  • Perizentrumshöhe 300 km,
  • Umlaufzeit 43 h.

Mit diesem hochelliptischen Orbit, innerhalb dessen die Meßzeit etwa 1 h beträgt und den Bereich ±90 o wahre Anomalie abdeckt, beträgt die Dynamik der Orbitparameter während der Meßphase (Bild1.2):

  • Höhenunterschied und damit Maßstabsfaktor: 1 : 15,
  • Verhältnis Geschwindigkeit zu Höhe und damit Zeilenaufnahmefrequenz: 1 : 25.

Diese Verhältnisse mußten mit den wissenschaftlichen Anforderungen in Einklang gebracht werden.

Umlaufzeit = 43 h
Meßzeit = 1h

Meßbeginn / -ende:
h = 3000 km
v = 7,6 km/h
HR = 47 kPixel/s

Perizentrum:
h = 300 km
v = 4,3 km/s
HR = 1 MPixel/s

Anforderungen vom Satelliten

Von der Satellitenseite gab es eine Reihe von Anforderungen, die wesentlich die Systemkonzeption beeinflußt haben:

  • Minimale Masse;
  • Minimaler Energiebedarf;
  • Hohe Zuverlässigkeit.

Diese Punkte hatten vor allem Einfluß auf die konstruktiven und schaltungstechnischen Maßnahmen im Kameraentwurf und wurden in [3, 4] vertieft. Die Redundanzstruktur ist so beschaffen, daß mit wenigen Ausnahmen alle Baugruppen redundant ausgeführt sind. Einige Baugruppen sind so in das Schaltungskonzept eingebunden, daß aus den funktionellen Parallelisierungen (z.B. bei den CCD-Zeilen und den Signalprozessorsystemen) im Fehlerfall Redundanzstrukturen generiert werden; allerdings dann mit eingeschränkten Leistungsparametern der Kamera. In diesen Punkten führen Einzeldefekte nicht zum totalen Systemausfall. Ausnahme bildet nur das optische System (Baffle, Objektiv, Filter und Fokalplatte).

Anforderungen an das Datenvolumen

Zwei Randbedingungen erzwangen, daß das Experiment WAOSS mit den Möglichkeiten hoher Datenkompression ausgestattet wurde:

  • Zur Zwischenspeicherung der WAOSS-Daten zwischen den Funkverbindungen zur Erde hätte nur ein kleiner Teil des 1 GBit-Massenspeichers für die Bildaufnahmeplattform ARGUS genutzt werden können.
  • Selbst wenn in Ausnahmefällen der ganze Massenspeicher für WAOSS zur Verfügung gestanden hätte, hätten die begrenzten Datenraten und Sendezeiten während des Funkkontaktes zur Erde das Aufnahme-Datenvolumen auf weniger als 1 GBit eingeschränkt.

Betriebsart Variante / Auflösung Datenvolumen (MByte) Kompressionsrate
Mono 1 Zeile / voll 285 23
1 Zeile / 1x1 km 16 1,3
Stereo 3 Zeilen / voll 855 68
3 Zeilen / 1x1 km 48 3,8
1 Zeile / voll 415 33
2 Zeilen / MPF 2x2

Tabelle 1.1

Datenmengen und Kompressionsfaktoren bei den verschiedenen Betriebsarten für Umlaufzeit 43 h, Perizentrumshöhe 300 km
(volle Auflösung bedeutet keine Makropixelbildung, MPF: Makropixelfaktor)

Tabelle 1.1 faßt die Datenmengen und zugehörigen Kompressionsfaktoren bei unterschiedlichen Arbeitsmoden zusammen. Es ist auch eine Betriebsart dargestellt, in der mit voller Bodenauflösung aber verminderter Stereoauflösung bei Reduzierung des Datenvolumens um den Faktor 2 gearbeitet wird. In dieser Tabelle wird davon ausgegangen, daß bei einem Umlauf maximal 100 Mbit im Pufferspeicher akkumuliert werden können. Wenn auch die Bezugsgrößen noch Unsicherheiten enthalten, wird doch deutlich, daß nur bei Anwendung gemischter Arbeitsmethoden Kompressionsverfahren mit vernünftigen Faktoren (< 20) erreicht werden können.

Systementwurf

In der Fokalebene eines Weitwinkelobjektivs sind drei CCD-Zeilen angeordnet. Die Kamera generiert im sogenannten Pushbroom-Modus Stereotriplets [2]. Die Konvergenzwinkel betragen ±25 O (vorwärts- und rückwärtsgerichtet bezüglich der nadirgerichteten CCD-Zeile).

Dieses Prinzip gestattet eine nahezu gleichzeitige Aufnahme aller Bilder des Stereotriplets. Die Zeitdifferenz zur Erstellung der Bilder von den vorwärts-, nadir- und rückwärtsgerichteten CCD-Zeilen ist abhängig von der Position des Satelliten. In dem diskutierten Orbit ist im Perizentrum (dem Ort größter Planetenannäherung) die Basislänge, d.h. der Abstand der Bildstreifen der beiden äußeren CCD-Zeilen etwa 184 km. Bei einer Geschwindigkeit der Bodenspur des Satelliten von 4,3 km/s beträgt das Zeitintervall zur Überbrückung dieser Basislänge etwa 44 s. Mit der Brennweite von 21,7 mm des eingesetzten russischen Objektivs Russar-96 vom Institut für Feinmechanik und Optik in St. Petersburg transformiert sich bei einer Satellitenhöhe von 200 km die Kantenlänge eines Elements einer CCD-Zeile von 7 m m über den Maßstabsfaktor Brennweite/Satellitenhöhe im Perizentrum auf 65 m. Die Brennweite 21.7 mm wurde so gewählt, daß ein ganzzahliges Maßstabsverhältnis von 8 zur Bodenauflösung der HRSC die kombinierte Interpretation der Daten beider Kameras erleichtert. Will man die Bildstreifen der Bodenspur einer CCD-Zeile ohne Lücken und Überlappungen aneinanderreihen, muß im Perizentrumsbereich alle 15 ms eine Belichtung erfolgen, d.h.. die Auslesefrequenz für die CCD-Zeilen beträgt 67 Hz. Mit den 5184 Bildelementen der CCD-Zeilen vom Typ TH 7808 B (Thomson) und dem Abstand der Bildelemente von 7 m m ergibt sich über die Brennweite ein Blickwinkel (FOV) der CCD-Zeilen von 80 o und damit eine Schwadbreite (Ausdehnung der Bodenspur) von 336 km im Perizentrum. Die maximale Datenrate von allen drei CCD-Zeilen beträgt etwa 1 MPixel/s.

Für die Verarbeitungselektronik liegen damit im Perizentrumsbereich die höchsten Anforderungen vor. Durch Veränderung von Satellitengeschwindigkeit und -höhe verringern sich diese Anforderungen mit zunehmendem Abstand vom Perizentrum, die Auslesefrequenz für die Zeilen vergrößert sich ebenso wie die Schwadbreite der Bodenspur (Teile der CCD-Zeilen können sogar über den Planetenrand hinausblicken). Die Bodenauflösung beträgt im „Wettermodus“ 1000 m x 1000 m. Sie kann während der einstündigen Meßzeit innerhalb eines Orbits etwa konstant gehalten werden (siehe Bild 1.2: die größte Satellitenhöhe beträgt bei 90 o Perizentrumsabstand etwa 3000 km).

Die Verarbeitungselektronik muß allen Orbitsituationen gerecht werden. Das gilt für die Schaltungen zur additiven Fehlerkorrektur (CCD-Dunkelsignal, Offsetspannungen), für die Gewährleistung eines hohen Dynamikbereichs und zur elemente- bzw. ortsbezogenen multiplikativen Fehlerkorrektur (Helligkeitsabfall zum Rand der Fokalebene, Empfindlichkeitsunterschiede der CCD-Bildelemente, Kanalverstärkungsunterschiede), für die Gewährleistung eines hohen Signal/Rausch-Verhältnisses (SNR) und zur Entlastung der Datenkompression. Das gilt natürlich auch für das Signalprozessorsystem, das durch Normierung der CCD-Daten auf das jeweils aktuelle Zeilenmaximum für eine gleichbleibende radiometrische Auflösung von 8 bit innerhalb des die Helligkeitsunterschiede am Mars überdeckenden Dynamikbereichs des A/D-Wandlers von 11 bit sorgt. Auch der Kompressionsprozessor ist für alle Eingangsdatenraten ausgelegt.

Durch die Makropixelbildung im „Wettermodus“, die im Perizentrumsbereich bis zur Zusammenfassung von K x K = 15 x 15 Bildelementen gehen kann, wird das die radiometrische Auflösung bestimmende SNR verbessert. Setzt man eine POISSON-Verteilung für die zu detektierenden Photonen voraus, verbessert sich das SNR näherungsweise um den Faktor K. Die radiometrische Auflösung erhöht sich dementsprechend etwa um maximal ld(K), d.h. etwa 4 bit.

Wenn auch diese 3-Zeilen-Kamera für die Stereoaufnahme ausgelegt ist, bietet sich durch spezielle, leicht unterschiedliche spektrale Auslegung der drei CCD-Kanäle die Möglichkeit, zwischen Kondensatwolken und Untergrund bzw. Staubwolken unterscheiden zu können. Durch entsprechende Filterkombinationen wurden die Bandbreiten für die Stereokanäle (400 ... 750 nm) und den Nadirkanal (600 ... 750 nm) so ausgelegt, daß außerdem unter Einbeziehung der durch das Objektiv bedingten Helligkeitsverteilung in der Fokalebene die Strahlung vom Marsboden in allen CCD-Zeilen etwa gleiche Signale verursacht [8].

Die vorgestellte Konzeption und die Bildaufnahmeverhältnisse weichen in einigen Punkten von der ursprünglichen Konzeption des IKF ab. Jene Konzeption sah vor, mit 5 CCD-Zeilen neben den Stereoinformationen auch Farbinformationen simultan aufzunehmen und damit das Anwendungsspektrum der Kamera durch zusätzliche Bereitstellung multispektraler Daten qualitativ zu erweitern. Außerdem sollte durch den Blickwinkel der CCD-Zeilen von FOV = 100 o eine größere Bodenüberdeckung während eines Orbits erzielt werden [1]. Erreicht werden sollten diese Zielstellungen mit CCD-Zeilen, die im Berliner Werk für Fernsehelektronik speziell für diese Kamera entwickelt wurden und auf einer, ebenfalls in diesem Betrieb entwickelten Fokalebene in Hybridtechnologie angeordnet werden sollten. Im Zuge der großen wirtschaftlichen Veränderungen in den neuen Bundesländern konnte diese Sonderfertigung jedoch nicht vollendet werden. Aus wirtschaftlichen Gründen wurde daher die für die Kamera HRSC entwickelte Fokalebene mit 3 CCD-Zeilen und FOV = 80 o (bei Einsatz des Russar-96) in das WAOSS-Konzept übernommen. Außer beim Bau der beiden Kameras ergeben sich aus diesem veränderten Bauelementeeinsatz auch Vorteile bei der Datenauswertung; für die Korrektur der CCD-Fehler können die gleichen Algorithmen zur Anwendung kommen.

Im Blockschaltbild WAOSS (Bild 1.3) und im mechanischen Aufbau (Bild 1.5) werden die dargestellten Systemkomponenten folgend kurz charakterisiert, wobei eine Grobeinteilung in optomechanisches System und Systemelektronik vorgenommen wird. Die aus diesem Systementwurf resultierenden wichtigsten technischen Daten von WAOSS sind in Tabelle 1.2 zusammengestellt.

Brennweite, f 21,7 mm
Schwadwinkel, FOV < 80 o
CCD-Zeilen 3
Zeilenabstand 10,1 mm
Konvergenzwinkel ±25 o
IFOV (quadratisch) 3,23 x 10 -4rad
Elemente je CCD-Zeile 5 184
Elementabstand 7 m m
Orbit-Daten 200 ... 300 km
Schwadweite 336/503 km
Min. Boden-Auflösung
· in Zeilenrichtung 65/97 m
· in Flugrichtung 65/97 m
Radiometrische Auflösung
· FOV<70 o 8 (12) Bit
· im vollen FOV 7 (11) Bit
Spektralbereiche
· Nadir 600...750nm
· Stereo( ± 25 o) 400...750nm
Kompression DCT-Basis
K-Faktor 2 ... 20
Betriebsarten (Variante/Auflösung)
· Wettermodus (BM) 3 Zeilen / 1 x 1 km
· Kartografiemodus (MRM) 3 Zeilen / voll
Prozessor, Verarbeitungskapazität 20 MIPS
Masse 8 kg
Leistungsaufnahme 18 W

Tabelle 1.2: Technische Daten von WAOSS

Optomechanisches System

Bild 1.5 zeigt WAOSS als Kompaktkamera, die auf der dreiachsenstabilisierten ARGUS-Plattform montiert wird. Das modulare Design hat folgende Bestandteile:

  • Kamerakopf mit Baffle, Abbildungseinheit (Optronik) und entsprechendem Gehäuse.
    Das optronische System (Bild 1.6) enthält Objektiv, justierbare optische Bank und das Sensormodul mit hybridisierter Fokalplatte und Treiberelektronik, Filteranordnung sowie Wärmetransferelementen;
  • Elektronikblock mit Einzelmodulen für sensornahe (Front-End-) Elektronik, Digitalelektronik einschließlich Datenkompression, Kommando- und Interfaceeinheiten sowie der Stromversorgung, verbunden über ein Bussystem;
  • Kamerastruktur mit Grundrahmen, Frontplatte und Rückwand ohne spezielle Gehäuseteile. Elektrische und thermische Verbindungen zum Satelliten werden über einen Steckerkasten hergestellt, die mechanische Befestigung auf der ARGUS-Plattform erfolgt thermisch weitgehend isoliert.

Die Kamera hat eine Masse von etwa 8 kg und die Abmessungen betragen 375 mm x 190 mm x 217 mm. Das Baffle schirmt das Blickfeld von 50 o x 80 o gegen Streulicht ab. Das Objektiv Russar-96 (Spitmo, St. Petersburg) hat folgende Kenngrößen:

Brennweite f = 21,65 mm,

Schnittweite S = 2,09 mm,

Öffnungsverhältnis D:f = 1:4,5,

gesamte Bildfeld-Verzeichnung < 3 m m,

Randabfall der Intensität < 65 %,

Transmission (Bereich 450 ... 800 nm) > 50 %.

Die Modulationsübertragungsfunktion (MTF) des Objektivs ist auf die CCD-Elementegröße von 7  m m x 7  m m abgestimmt. Es ist weltraumtauglich und in ein Gehäuse aus Titan integriert.

Die Filter erfüllen die folgenden Forderungen (siehe auch [9]):

  • Sperrung des IR-Bereichs zur Vermeidung lateraler Diffusionseffekte in den CCD-Zeilen,
  • für die Diskriminierung von Kondensatwolken und Planetenoberfläche bzw. Staubwolken unterschiedliche spektrale Auslegung von
    • Nadirzeile mit 600...750nm,
    • Stereozeilen mit 400...750nm;
  • Angleichung der Signalniveaus im Nadirkanal und in den Stereokanälen.

Realisierung:

Stereozeilen: 2 mm-IR-Sperrfilter C9971,

Nadirzeile: 1 mm-Rotfilter OA61,
1 mm-IR-Sperrfilter C 9971.

Das Fokalplattenmodul FPA (Lewicki microelectronics) mit den geringfügig für WAOSS modifizierten HRSC-Baugruppen Fokalplatte (mit den CCD-Zeilen) und CCD-Treiberplatte auf einer Beryllium-Trägerplatte ist in [3] beschrieben.

Auf eine aktive Temperaturregelung des FPA konnte verzichtet werden, weil das Thermoregulierungssystem der ARGUS-Plattform ausreichend stabile Bedingungen gewährleistet. Die von der aktuellen Temperatur abhängigen Dunkelsignale der CCD-Zeilen können von der Systemelektronik in Echtzeit erfaßt und zur additiven Echtzeitkorrektur der CCD-Signale aufbereitet werden.

Systemelektronik

Das FPA wird über die Frontend-Elektronik FEE hinsichtlich der Integrationszeit und der Auslese-Taktfrequenz der CCD-Zeilen gesteuert. Die drei CCD-Zeilen setzen die optischen in elektrische Signale um. Am Ausgang des FPA werden die verstärkten Signale der drei CCD-Zeilen jeweils getrennt nach geradzahligen und ungeradzahligen Elementen der CCD-Zeilen (Kanäle A und B) an die FEE übergeben [3].

Die Hauptaufgaben der FEE sind nach [3]:

  • Ansteuerung und Auslesen der CCD-Zeilen,
  • kanalbezogene additive und elementebezogende multiplikative Korrektur der CCD-Signale (unter Einbeziehung der Eigenschaften der Verarbeitungselektronik und der ortsabhängigen Intensitätsverteilung auf der Fokalplatte).
  • A/D-Wandlung mit 11 bit zur Gewährleistung der radiometrischen Auflösung von 8 bit in einem Szenen-Dynamikbereich von 11 bit (Vermeidung der Verstärkungsumschaltung im Analogkanal).
  • Durchführung der Makropixelbildung in Zeilenrichtung und
  • Unterstützung der Inflight-Kalibrierung.

Die Digitaleinheit hat die folgenden Hauptaufgaben [4, 11]:

  • Selbsttest und Initialisierung aller in der aktuellen Redundanzkonfiguration eingesetzten Kamerabaugruppen;
  • Durchführung der Inflight-Kalibrierung einschließlich der Dunkel- und Hellsignalkalibrierung (nach Ausrichtung der Kamera in den Weltraum bzw. zur Abtastung eines diffusen Sonnenreflektors);
  • Berechnung der Tabellen zur autonomen unabhängigen Steuerung der CCD-Zeilen bezüglich positionsabhängiger Zeilenaufnahmefrequenz, Makropixelbildung und auszuwertendem Datenfenster;
  • Aufbau und Normierung der Makropixelzeilen;
  • Steuerung der Datenkompression in der Datenkompressionseinheit DCE entsprechend den unterschiedlich langen Makropixelblöcken. Über einen Gütefaktor wird szenenabhängig stets so stark komprimiert, daß unter Beachtung des verfügbaren Massenspeichervolumens mit minimalem Kompressionsrauschen gearbeitet wird [5];
  • Echtzeit-Wolkenanalyse von den Daten der vorwärtsblickenden CCD-Zeile;
  • Empfang und Ausführung der Kommandos von Satelliten (bzw. von der Erde);
  • Generierung der Datenrahmen aus den „Housekeeping“ und den CCD-Informationen und Übergabe an einen Massenspeicher über serielle Interfaces (MIL-1553-Standard oder spezielles Interface MORION).

Die Flexibilität der WAOSS-Kamera erlaubt es, daß bei von der Erde gestörter Kommandierbarkeit eine weitgehend autonome Arbeit abgesichert ist. So kann über das Ergebnis der Echtzeit-Wolkenanalyse entschieden werden, ob bei der aktuellen Bewölkungssituation die Umschaltung in den mit hohen Datenvolumen verbundenen Kartografiemodus gerechtfertigt ist. Natürlich können alle autonom einstellbaren Funktionen und Parameter von der Erde aus mit höchster Priorität kommandiert werden.

Zur Flexibilität von WAOSS gehört auch, daß während des Einsatzes am Mars die Möglichkeit besteht, sowohl Parameter oder Parametersätze zu modifizieren, als auch Programme umzuprogrammieren bzw. neu zu installieren. Diese Eigenschaft erlaubt es, die Kamerasteuerung auch an völlig neue Orbitsituationen anzupassen und Arbeitsmoden für neue, aus den erhaltenen Ergebnissen abgeleitete Aufgabenstellungen zu ermöglichen.

Arbeitsweise der Kamera

Die Möglichkeiten und Eigenschaften der Kamera lassen sich am besten an einem Beispielablauf demonstrieren, dessen Elemente nicht notwendigerweise in jeder Meß-Seance auftreten müssen.

A Einschaltphase

15 Minuten vor Beginn der Meß-Seance wird die Kamera eingeschaltet. Es werden der Selbsttest der einzelnen Kamerakomponenten und im Ergebnis des Tests die Konfiguration der aktuellen Redundanzstruktur durchgeführt. In dieser Phase werden auch die alterungs- oder strahlungsinduzierten Veränderungen in den analogen Verarbeitungseinheiten erfaßt und in die Korrekturwertmatrizen eingearbeitet. Die Ergebnisse dieser Phase werden in die Sendedaten eingefügt.

B Inflight-Test

Diese Phase dient der Erfassung der alterungs- oder strahlungsinduzierten Veränderungen im optischen Teil der Kamera (Objektiv, Filter, CCD-Zeilen). Die dreiachsenstabilisierte ARGUS-Plattform wird zunächst in den Weltraum gerichtet. In dieser Ausrichtung erfolgt die Dunkelsignal-Kalibrierung der CCD-Zeilen, wobei die gültigen Ergebnisse aus einer Serie von Meßzyklen ermittelt werden. Anschließend erfolgt die Ausrichtung der Plattform auf einen Schirm, der die Sonnenstrahlung diffus reflektiert. Weil die Abmessungen des Schirms klein im Vergleich zum Blickfeld von WAOSS sind, wird über eine definierte Plattformsteuerung die Kamera so bewegt, daß der Schirm nacheinander von allen CCD-Elementen erfaßt werden kann. Die Ergebnisse der Inflight-Kalibrierung werden zusammen mit der Temperatur der Fokalplatte in die Sendedaten eingefügt. Außerdem werden diese Ergebnisse in die Korrekturmatrizen für die vom CCD-Kanal abhängigen additiven Korrekturterme und die orts- und elementeabhängigen multiplikativen Korrekturmatrizen eingearbeitet. Hier können zusätzliche, von der Erde übertragene Korrekturen eingehen, weil erst aus dem Kreuzvergleich der Kalibrationsdaten mehrerer ARGUS-Experimente auf den Ort und den Charakter der Veränderungen geschlossen werden kann. Dieser Kreuzvergleich und die Ermittlung eventuell notwendiger Zusatzkorrekturen wird mit erdgebundener Technik und entsprechend qualifiziertem Personal erfolgen.

C Berechnung der Steuertabellen

Kurz vor Beginn der einstündigen Meß-Seance erhält WAOSS die aktuellen Orbitparameter und berechnet daraus die positions- bzw. zeitabhängigen Tabellen für die drei unabhängig zu steuernden CCD-Zeilen bezüglich der

  • Auswahl des abzuspeichernden Zeilenausschnitts,
  • Auswahl der Zeitpunkte für die Zeilenbelichtung (Integrationszeitbeginn) und
  • Auswahl der Makropixelfaktoren.

Beim Aufbau der Tabellen wird die kommandierte Meßaufgabe mit berücksichtigt.

D Meß-Seance

D1 Wettermodus

Zu Beginn der Meß-Seance schauen die Randelemente der CCD-Zeilen über den Planetenrand hinweg. Um den Datenstrom nicht mit diesen Informationen zu belasten, können diese Datenteile wahlweise herausgefiltert werden. Der Makropixelfaktor beträgt zunächst K = 1 und erhöht sich sukzessive mit zunehmender Annäherung an das Perizentrum, während die Intervalle für die Integrationszeitauslösung (für die drei CCD-Zeilen unterschiedlich) immer kürzer werden.

D2 Kartografiemodus

In Abhängigkeit von den aktuellen Orbitparametern unterschreitet die Satellitenhöhe im Perizentrumsbereich den Wert, der eine Bodenauflösung von z.B. < 200 m und damit die Einschaltung des Kartografiemodus ermöglicht. In der Regel wird diese Umschaltung und der Zeitpunkt der Zu- und Abschaltung kommandiert werden. Ist aber die autonome Steuerung des Kartografiemodus eingeschaltet, ermittelt der Kameraprozessor zunächst, ob denn die noch freie Kapazität des Massenspeichers für WAOSS-Daten diesen Modus überhaupt zuläßt. Ist das der Fall, wird über die Echtzeit-Wolkenanalyse der Daten der vortwärtsschauenden CCD-Zeile ermittelt, ob bei dem aktuellen Bewölkungszustand die Umschaltung in den mit hohem Datenvolumen verbundenen Kartografiemodus „zweckmäßig" erscheint. Wenn alles für die Umschaltung spricht, wird der Kartografiemodus eingeschaltet. Ansonsten wird mit dem Wettermodus fortgesetzt und diese Prozedur wird im nächsten Umlauf, der über andere Marsgebiete führt, wiederholt (es müssen die Daten von vier Umläufen in das vorgesehene Massenspeicher-Volumen hineinpassen).

D3 Wettermodus

Mit zunehmender Entfernung vom Perizentrum nimmt auch die Bodenauflösung wieder ab und es wird ab einem kommandierten oder autonom berechneten Zeitpunkt wieder der Wettermodus eingeschaltet. Die schon oben im Wettermodus D1 beschriebenen Operationen laufen dann in umgekehrter Reihenfolge ab.

E Abschaltphase

Vor der Abschaltung der Kamera kann nach Beendigung der Meß-Seance noch einmal eine Dunkelsignal-Kalibrierung durchgeführt werden. Auch diese Werte werden, zusammen mit der Temperatur der Fokalplatte, in die Sendedaten eingefügt. Mit den beiden Dunkelsignal-Kalibrierungen am Anfang und am Ende einer Meß-Seance kann auf das Temperatur-Zeit-Verhalten der CCD-Zeilen und die eventuelle Notwendigkeit weiterer Korrektur-Terme geschlossen werden.

Auch wenn die Komponenten der autonomen Steuerung durch kommandierte Steuerung ersetzt werden können, zeigen die beschriebenen Möglichkeiten und Notwendigkeiten, daß die im Abschnitt 2 genannten Randbedingungen eine weitgehende Programmierbarkeit und Flexibilität der Kamera bedingen. Mit diesem WAOSS-Konzept wurde ein Schritt zum Entwurf und Einsatz von intelligenten Sensoren bewältigt.

Literatur

[1] Oertel, D.; Sandau, R.; Jahn, H. u.a.: Investigations of the atmosphere and the surface of Mars from the orbiter by means of Wide-Angle-Optoelectronic Stereo Scanner, Proposal for the Mars-94-Mission,
Space Research Institute of Acad. of Scien. of the GDR, Berlin, 1988

[2] Oertel, D. : Sandau, R. : Bildgewinnende Experimente der Planetenmission Mars-94, Bild und Ton 45 (1992) H. 9/10, S. 219 - 223

[3] Brieß, K.; Hilbert, S.; Kirchner, B.: Analoge Echtzeitvorverarbeitung von WAOSS-Sensorsignalen, Bild und Ton 45(1992) H.9/10, S. 231 - 239

[4] Bärwald, W.; Eckardt, A.; Venus, H.: Digitale Kamera-Elektronik - Konzeption für WAOSS, Bild und Ton 45 (1992) H 9/10, S. 240 - 247

[5] Schlotzhauer, G.: Datenkompression für WAOSS auf den Missionen Mars-94 und
-96, Bild und Ton 45 (1992) H. 9/10, S. 255 - 260

[6] Scheele, M.; Terzibaschian, T.: Bildaufnahmebedingungen von WAOSS im Orbit der Mission Mars-94, Bild und Ton 45 (1992) H. 9/10, S. 282 - 284

[7] Reulke, R.; Scheele, M.; Terzibaschian, T.: Optoelektronischer Weitwinkelscanner von MARS-94/96 in der Flugerprobung,
Bild und Ton 45 (1992) H. 9/10, S. 293 - 301

[8] Sandau, R.; Oertel, D.; Jahn, H.; Walter, I. u. a.: Phase B Study, WAOSS Technical Part, Institut für Kosmosforschung, Berlin, März 1991

[9] Brieß, K.; Jahn, H.; Schuster, R.; Skrbek, W.: Spektrale Auslegung der WAOSS-Kamera - Experimentelle Ergebnisse, Bild und Ton 45 (1992) H. 9/10, S. 285 - 292

[10] Brieß, K.; Driescher, H.; Paul, E.; Schuster, R.; Skrbek, W: Justage und Kalibrierung der WAOSS-Kamera, Bild und Ton 45 (1992) H. 9/10, S. 261 - 270 [11] Uhlig, M.; Venus, H.: Konzeption der Bordsoftware für die WAOSS-Kamera,
Bild und Ton 45 (1992) H. 9/10, S. 248 - 252


Contact
Dipl.- Ing. Wolfgang Bärwald
scientific staff

German Aerospace Center

Optical Information Systems
, Optical sensorics and electronics
Berlin-Adlershof

Tel.: +49 30 67055-535

Fax: +49 30 67055-532

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