20. September 2019

Arktisexpedition MOSAiC – DLR-Messtechnik für Navigationssignale friert mit Forschungsschiff Polarstern im Nordpolarmeer ein

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Foto des Alfred-Wegener-Instituts: Forschungsschiff Polarstern bricht durch das Eis
FS Polarstern bricht durch das Eis
Bild 1/6, Quelle: Folke Mehrtens/Alfred-Wegener-Institut

FS Polarstern bricht durch das Eis

Am Freitagabend, 20. September 2019 sticht der Forschungseisbrecher Polarstern des Alfred-Wegener-Instituts (AWI) ins See Richtung Nordpolarmeer. Auf der größten Arktisexpedition aller Zeiten wird er ein Jahr lang eingefroren mit dem Meereis driften. Das Bild ist ein Archivbild des AWI aus 2012 und zeigt die Polarstern auf dem Weg zur Neumayer-Station III in die Antarktis.

Foto des Alfred-Wegener-Instituts: Forschungsschiff Polarstern bricht durch das Eis
AWI-Forschungseisbrecher Polarstern — Expeditionsvorbereitungen im norwegischen Tromsø
Bild 2/6, Quelle: DLR (CC-BY 3.0)

AWI-Forschungseisbrecher Polarstern — Expeditionsvorbereitungen im norwegischen Tromsø

Im Hafen Breivika von Tromsø in Nordnorwegen wurden die Experimente und Messinstrumente von Wissenschaftlerteams aus 19 Ländern an Bord des Forschungsschiffs Polarstern des Alfred-Wegener-Instituts (AWI) gebracht. Das DLR-Team des Instituts für Kommunikation und Navigation installierte seine Messanlage zur Detektion und Speicherung von Rohdaten der Navigationssatelliten Galileo und GPS.

DLR-Projektleiter Plass befestigt die Empfangsantenne auf Peildeck der Polarstern
DLR-Projektleiter Plass befestigt die Empfangsantenne auf Peildeck der Polarstern
Bild 3/6, Quelle: DLR

DLR-Projektleiter Plass befestigt die Empfangsantenne auf Peildeck der Polarstern

Das Forscherteam um Dr. Simon Plass, DLR-Projektleiter für MOSAiC vom Institut für Kommunikation und Navigation, installierte in den Tagen vor dem Start der Polarstern die Messanlage für Satellitennavigationsdaten. Die Antenne befestigten sie außen auf dem Peildeck, wo sie see-, wetter- und kältefest befestigt werden musste.

Herzstück der DLR-Messanlage an Bord der Polarstern
Herzstück der DLR-Messanlage an Bord der Polarstern
Bild 4/6, Quelle: DLR (CC-BY 3.0)

Herzstück der DLR-Messanlage an Bord der Polarstern

Unter Deck richtete das Team des DLR-Instituts für Kommunikation und Navigation die "Technikzentrale" des DLR-Instruments zum Empfang und zur lokalen Speicherung von Navigationssatelliten-Rohdaten ein. Sie wird ein Jahr lang autark laufen. Statusupdates schickt die Recheneinheit wöchentlich automatisiert an die Forschenden am DLR Oberpfaffenhofen.

TerraSAR-X-Aufnahme der Zielregion für MOSAiC vom 17. September 2019
TerraSAR-X-Aufnahme der Zielregion für MOSAiC vom 17. September 2019
Bild 5/6, Quelle: TerraSAR-X image — DLR, 2019

TerraSAR-X-Aufnahme der Zielregion für MOSAiC vom 17. September 2019

Das Bild wurde durch den Satelliten TerraSAR-X am Morgen des 17. September 2019 aufgenommen und zeigt die Eissituation im nordöstlichen Teil der Arktis, von wo aus die Polarstern das MOSAiC-Projekt starten wird. Die Aufnahme entstand im Aufnahmemodus ScanSAR und wurde in Nahe-Echtzeit an die Polarstern geliefert. Dies war ein letzter erfolgreicher Test der Datenverarbeitungs- und Auslieferungskette.

Grafische Darstellung der NASA: Weltraumwetter beeinflusst das Magnetfeld der Erde
Weltraumwetter beeinflusst das Magnetfeld der Erde
Bild 6/6, Quelle: NASA

Weltraumwetter beeinflusst das Magnetfeld der Erde

Sonnenwinde treffen die Ionosphäre der Erde und stören unter anderem Navigationssignale. Besonders stark sind diese Effekte an Nord- und Südpol. Die Störungen führen zu deutlichen, zeitweiligen Fehlern in der Positionsbestimmung – eine Gefahr für die maritime Sicherheit in den Polarregionen.

  • Besonders in der Nähe zu Nord- und Südpol werden die Signale von Navigationssystemen durch Sonnenwinde gestört. Für die Entwicklung geeigneter Gegenmaßnahmen fehlen bislang Realdaten.
  • Das DLR schließt diese Lücke und erhebt auf der einjährigen Polarmission MOSAiC die benötigten Rohdaten der Systeme Galileo und GPS im Arktischen Ozean. Sie werden im Anschluss zur Entwicklung von Verarbeitungs- und Korrektur-Algorithmen genutzt.
  • In der harschen Umgebung des Nordpolarmeers ist es besonders wichtig, dass die Positionsbestimmung stets präzise ist und ein sicheres Navigieren garantiert werden kann.
  • Schwerpunkte: DLR-Sicherheitsforschung, maritime Sicherheit, Satellitennavigation, globaler Wandel

Die Polarstern, der Forschungseisbrecher des Alfred-Wegener-Instituts (AWI), bricht am Abend des 20. Septembers 2019 ins Nordpolarmeer auf, friert im Meereis fest und treibt mit ihm ein Jahr lang über die arktische See. Wissenschaftler aus 19 Ländern haben die einzigartige Möglichkeit, Experimente durchzuführen und Messdaten zu sammeln. Bevor der Eisbrecher in See sticht, installierte auch das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) am 17.und 18. September in Tromsø, Nordnorwegen, seine Messanlage zum Empfang und zur Speicherung der Rohsignale von Navigationssatelliten an Bord des Eisbrechers.

Die Forscher des DLR-Instituts für Kommunikation und Navigation messen auf der Mission MOSAiC (Multidisciplinary drifting Observatory for the Study of Arctic Climate) über einen langen Zeitraum die Störungen der Navigationssysteme Galileo und GPS in Polnähe. "Dazu bauen wir einen Hochraten-Empfänger für Navigationssatellitendaten, einen unserer 'hauseigenen' Prozessoren zur Messung der sogenannten Szintillationen und ein Aufzeichnungsgerät für die Rohdaten an Bord der Polarstern ein", sagte Dr. Simon Plass vom DLR-Institut für Kommunikation und Navigation. Szintillationen sind Schwankungen der Elektronendichte in der Ionosphäre der Erde. Sie beeinflussen elektromagnetische Strahlung, also auch die Signale von Navigationssatelliten.

Betreiben wird sein Team den Prozessor zusammen mit Kollegen am neu gegründeten DLR-Institut für Solar-Terrestrische Physik. "Wir werden erstmals derart umfangreiche Daten aus der Nordpolarregion gewinnen. Sie stellen eine einzigartige Möglichkeit dar, die Leistungsfähigkeit von verschiedenen Empfängern unter kontrollierten, gleichen Bedingungen zu vergleichen und neue Signalverarbeitungsalgorithmen zu entwickeln", betont Plass.

Sonnenwinde beeinflussen Funktion und Genauigkeit von Kommunikations- und Navigationssystemen – besonders in Polnähe

Die explosionsartigen Eruptionen geladener Teilchen aus der Sonnenoberfläche werden auch Sonnenwinde genannt. Sie sind eine Ausprägung des Weltraumwetters. Sie treffen regelmäßig das Magnetfeld der Erde und es kommt zur Wechselwirkung zwischen Sonne und Erde. Je weiter man sich den Polen nähert, desto stärker wird sie. Zu den bekanntesten Effekten gehören die Polarlichter, die als faszinierendes Naturschauspiel den Einfluss der Sonne an Nord- und Südpol für das menschliche Auge sichtbar machen.

Sonnenwinde treffen die Erdatmosphäre und führen zu Szintillationen in der Ionosphäre. Das stört Radiosignale auf dem Weg vom Satelliten zur Erde. Gerade Navigationssignale können so stark beeinflusst werden, dass eine präzise Positionierung zeitweise nicht mehr möglich ist. Um effektive Gegenmaßnahmen zu entwickeln, etwa Korrektur-Algorithmen für die Navigationssysteme, werden Satellitendaten aus den polnahen Gebieten benötigt. Daten, die derzeit noch fehlen.

Infografik: Sonnenwinde treffen die Erde
Infografik: Sonnenwinde treffen die Erde Sonneneruptionen treffen die Erdatmosphäre und führen zu Szintillationen in der Ionosphäre. Das stört Radiosignale auf dem Weg vom Satelliten zur Erde. Gerade Navigationssignale können so stark beeinflusst werden, dass eine präzise Positionierung zeitweise nicht mehr möglich ist. Um effektive Gegenmaßnahmen zu entwickeln, etwa Korrektur-Algorithmen für die Navigationssysteme, werden Satellitendaten aus den polnahen Gebieten benötigt. Daten, die derzeit noch fehlen.
DLR (CC-BY 3.0)

Die Bedeutung des Nordpolarmeers

Derzeit erwärmt sich die Arktis doppelt so schnell wie jede andere Region der Erde. Ab 2040 erwarten Klimaforscher während des Sommers einen größtenteils eisfreien Arktischen Ozean. Schon jetzt hat sich der Schiffsverkehr in dieser Region deutlich verstärkt. Das Polareis schmilzt weiter und es ist absehbar, dass neue Routen entstehen. Hinzukommen die raue Umgebung und harschen Wetterbedingungen, die eine genaue Navigation für eine sichere Schifffahrt umso wichtiger machen.

Weitere DLR-Beteiligten auf der Arktisexpedition MOSAiC

Neben dem Institut für Kommunikation und Navigation sind zwei weitere DLR-Einrichtungen auf der MOSAiC-Mission aktiv. Das Deutsche Fernerkundungsdatenzentrum, kurz DFD, wird während der Expedition Aufnahmen der deutschen Radarmission TerraSAR-X nahezu in Echtzeit zur Unterstützung der aufwändigen Expeditionslogistik im Meereis bereitstellen. Für den Empfang der Satellitendaten wird neben den eigenen Empfangsstationen des DFD in Neustrelitz und im kanadischen Inuvik auch die Kongsberg Satellite Services Station (KSAT) bei Longyearbyen auf Spitzbergen eingesetzt. Dieses Stationsnetz eignet sich, um die über dem arktischen Eismeer erhobenen Satellitendaten möglichst schnell nach der Aufnahme für die verantwortlichen Wissenschaftler an Bord der Polarstern nutzbar zu machen. Die Daten werden von den Empfangsstationen zunächst zur Verarbeitung nach Neustrelitz übertragen und von dort ausgeliefert.

Neben den TerraSAR-X-Aufnahmen werden weitere Radarsatelliten für MOSAiC genutzt; etwa die kanadische RADARSAT-2 Mission oder auch die japanische Mission ALOS-2. Verantwortlich für die Koordinierung all dieser Satellitenaufnahmen und die zeitliche Abstimmungen mit weiteren Experimenten oder Flugzeugmessungen ist die DLR-Forschungsstelle für Maritime Sicherheit in Bremen. Gemeinsam mit der Universität Bremen wird sie das MOSAiC-Projekt auch nutzen, um die im DLR entwickelte Methodik zur Unterscheidung von Eistypen zu verbessern und weitere Eigenschaften von Schnee und Eisbedeckung aus Satellitendaten im Mikrowellenbereich abzuleiten. Diese Forschung wird in einem eigenen Projekt MOSAiCMicrowaveRS der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) gefördert. Sie nutzt neben den Satellitendaten die umfangreiche Infrastruktur der Messeinrichtungen auf der Polarstern.

Das Multi-Nationen-Projekt MOSAiC

Während der MOSAiC-Expedition werden Forscher aus 19 Ländern ein ganzes Jahr lang die Arktis erkunden. Zu diesem Zweck wird der deutsche Eisbrecher Polarstern von Herbst 2019 bis Herbst 2020 eingeschlossen im Eis Nordpolarmeer driften. MOSAiC wird vom Alfred-Wegener-Institut, Helmholtz-Zentrum für Polar- und Meeresforschung (AWI), geleitet. Damit dieses einzigartige Projekt ein Erfolg wird und so viele wertvolle Daten wie möglich gesammelt werden können, werden mehr als 70 Institutionen ihre Ressourcen in einem Forschungskonsortium bündeln. Das Expeditionsbudget beträgt rund 140 Millionen Euro. MOSAiC wird die größte Arktisexpedition aller Zeiten.

Aktuelle Nachrichten direkt aus der Arktis werden auf den MOSAiC-Kanälen auf Twitter und Instagram unter den Hashtags #MOSAiCexpedition, #Arctic und #icedrift veröffentlicht. Weitere Informationen zur Expedition sind auf www.mosaic-expedition.org und follow.mosaic-expedition.org zu finden.

Sicherheitsforschung im DLR

In der Sicherheitsforschung im DLR werden die Forschungs- und Entwicklungsaktivitäten mit verteidigungs- und sicherheitsrelevantem Bezug in Abstimmung mit den Partnern in Staat, Wissenschaft, Industrie und internationalen Organisationen geplant und gesteuert. Der Querschnittsbereich Sicherheitsforschung verknüpft dabei die Kernkompetenzen aus den etablierten DLR-Programmen der Luftfahrt, Raumfahrt, Energie und des Verkehrs. Insgesamt mehr als zwanzig DLR-Institute und -Einrichtungen liefern im Rahmen ihrer sicherheitsrelevanten Arbeiten Beiträge zur Entwicklung, Erprobung und Bewertung von Technologien, Systemen und Konzepten sowie zur Analyse- und Bewertungsfähigkeit hinsichtlich sicherheitsrelevanter Anwendungen.

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  • Dr. Stephan Brusch
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    Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR)

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  • Suman Singha
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