2. Juli 2021

Di­gi­ta­le Seh­hil­fe für Sen­ti­nel-1-Sa­tel­li­ten

Höhere Genauigkeiten der Sentinel-1A Radaraufnahme über Alaska
Hö­he­re Ge­nau­ig­kei­ten der Ra­dar­auf­nah­me – Alas­ka

Bild 1/2, Credit: DLR (CC BY-NC-ND 3.0)

Höhere Genauigkeiten der Radaraufnahme – Alaska

Vi­sua­li­sie­rung der im ETAD Pro­dukt be­reit­ge­stell­ten Kor­rek­tu­ren für ei­ne Sen­ti­nel-1A Ra­dar­auf­nah­me über Alas­ka, USA. Die Kor­rek­tu­ren be­tref­fen ent­we­der die Ko­or­di­na­ten in Ent­fer­nung (Ran­ge) oder in Flug­rich­tung (Azi­muth) der Ra­dar­auf­nah­me.
Sentinel-1-Satellit
Sen­ti­nel-1-Sa­tel­lit
Bild 2/2, Credit: DLR (CC BY-NC-ND 3.0)

Sentinel-1-Satellit

Sen­ti­nel-1-Sa­tel­lit der Eu­ro­päi­schen Raum­fahrt­be­hör­de (ESA): Hoch­prä­zi­se DLR-Trans­pon­der west­lich vom Stand­ort Ober­pfaf­fen­ho­fen wer­den im Auf­trag der eu­ro­päi­schen Raum­fahr­t­agen­tur für die Ka­li­brie­rung des Ra­dar­in­stru­ments der Missio­nen Sen­ti­nel-1A und -B ein­ge­setzt, die 2014 und 2016 ge­star­tet wur­den.
  • Korrekturverfahren verbessert Genauigkeit der Bildpunkte auf wenige Zentimeter.
  • EOC entwickelte das Verfahren erstmals für die TerraSAR-X Mission.
  • Der Korrektur-Prozessor für Sentinel-1 ist nun bei der ESA im Testbetrieb.
  • Schwerpunkte: Raumfahrt, Erdbeobachtung, Sentinel-1

Forschende des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) haben ein Korrekturverfahren für die Radarsatelliten der europäischen Sentinel-1-Mission entwickelt. Mit dem Verfahren kann die geografische Lage der Satellitenmessungen erheblich genauer bestimmt werden. Jeder Bildpunkt kann präzise am Boden verortet werden: statt mit einer Genauigkeit von einigen Metern, im Bereich von wenigen Zentimetern.

Satellitengestütztes SAR (Synthetic Aperture Radar) nutzt zur Erdoberfläche gesendete Radar-Impulse, um zu jeder Tageszeit und Wetterlage Aufnahmen zu liefern. Das SAR-Prinzip wertet dabei die Laufzeiten der Signale aus und liefert neben den Aufnahmen hochgenaue Messungen der Distanz vom Satelliten zur Erdoberfläche. Die Positionsmessung funktioniert für jedes Objekt, das als Bildpixel im Radarbild sichtbar ist. Werden alle störenden Einflüsse auf die Messung herausgerechnet, lässt sich eine Lagegenauigkeit von bis zu einem Hundertstel der Bildauflösung erreichen. Die Lage eines Bildpixels mit einer Bodenauflösung von einem Meter kann so auf einen Zentimeter genau bestimmt werden.

Wissenstransfer bei der Radargestützten Erdbeobachtung

Am Earth Observation Center des DLR (EOC) wurden die aufwendigen Korrekturverfahren erstmals im Zuge der deutschen Radarmission TerraSAR-X entwickelt. Nun soll auch die Nutzergemeinschaft von Sentinel-1 von der DLR-Expertise profitieren. So hat die Europäische Weltraumorganisation ESA das EOC beauftragt, die geometrische Messgenauigkeit der Bilddaten von Sentinel-1 von aktuell einigen Metern auf mindestens 20 Zentimeter zu verbessern.

Nach mehr als zwei Jahren Entwicklung und Testen wurden im Mai 2021 der Korrektur-Prozessor an die ESA geliefert und im Juni auf der FRINGE 2021 Konferenz vorgestellt. Aktuell befinden sich der Prozessor und das Produkt bei der ESA im Testbetrieb. Erste Anwendertests im Bereich der Eiskartierung und der Interferometrie zeigen bereits vielsprechende Ergebnisse. Bis Ende 2021 sind seitens der ESA weitere Nutzerstudien vorgesehen.

Mit der europäischen Copernicus Mission Sentinel-1 kann das Korrekturverfahren S-1 ETAD (Sentinel-1 Extended Timing Annotation Dataset) erstmals operationell für das globale Mapping der Erde und zur Verbesserung einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt werden, beispielsweise in der Vermessung von großflächigen Eisbewegungen oder der Kartierung von Bodenbewegungen. Seit dem Start des ersten Sentinel-1-Satelliten im Jahr 2014 und des zweiten Satelliten im Jahr 2016 hat die Sentinel-1-Mission die radargestützte Erdbeobachtung revolutioniert. Jeden Tag liefern die beiden Satelliten Sentinel-1A und Sentinel-1B mehr als 100 Radaraufnahmen der Erdoberfläche, die für alle Nutzer frei zugänglich sind.

Ergebnis innerhalb von Minuten

Aufgrund der großen Datenmenge muss der vom EOC entwickelte Prozessor sehr schnell sein. In nur wenigen Minuten sind die aufwendigen Korrekturen für eine typische Sentinel-1-Aufnahme berechnet. Dabei berücksichtigt die Software für jede einzelne Aufnahme die Verzögerungen in der Signallaufzeit durch die neutrale Troposphäre und die dispersive Ionosphäre, die Verformung der festen Erde durch die Gezeiten, sowie die SAR-spezifischen Bildfehler, die bei der operationellen Prozessierung der Sentinel-1-Aufnahmen entstehen. Die aufwendige Auswertung erfolgt mit Hilfe der exakten Parameter der jeweiligen SAR-Aufnahme, der auf fünf Zentimeter genau bestimmten Satellitenbahn und eines globalen Geländemodels mit 90 Meter Auflösung. Hinzu kommen die Parameter des numerischen Wettermodels des European Centre for Medium-Range Weather Forecasts (ECMWF) und Messdaten von Galileo und anderen globalen Navigationssatellitensysteme zum Elektronengehalt der Ionosphäre.

Diese Datensätze werden von den Sentinel-1 Empfangsstationen kontinuierlich heruntergeladen und für den Zeitraum der Aufnahme bereitgestellt. Die berechneten Effekte summieren sich auf bis zu fünf Meter für die Range-Richtung (Bildkoordinate quer zur Flugrichtung des Satelliten) und bis zu sechs Meter für die Azimut-Richtung (Bildkoordinate in Flugrichtung des Satelliten). Die Ergebnisse werden als maßgeschneiderte Korrekturen für jede Sentinel-1 Radaraufnahme bereitgestellt. Die finale, operationelle Generierung durch das Sentinel-1-Bodensegment und die Auslieferung der ETAD-Produkte ist für 2022 geplant.

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  • Christoph Gisinger
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