Bodensegmente und Raumsegmente für Space Situational Awareness

Das Institut für Technische Physik entwickelt neue Technologien und Methoden im Bereich der Ortung, Bahnbestimmung, Charakterisierung und Bahnmodifizierung von orbitalen Objekten mit einem Schwerpunkt im Low Earth Orbit (LEO). Methoden sind passiv oder aktiv optisch und beinhalten gegebenenfalls die externe Entwicklung nicht-kommerziell verfügbarer Laserquellen. Entwicklungen werden bis zu einem TRL Level durchgeführt, so dass ein Technologietransfer erfolgen kann.

Bodensegmente

Eine etablierte Methode der Bahnbestimmung von orbitalen Objekten ist das Satellite Laser Ranging (SLR) die auch am Institut für Physik Anwendung findet und durch den Betrieb verschiedener SLR-Stationen weiter erforscht wird. Seit den 70er Jahren wird SLR erfolgreich in der Satelliten-Geodäsie eingesetzt, unter anderem zur genauen Bestimmung des gravitativen Erdmittelpunktes und des Erdreferenzsystems. Neuere Anwendungen sind die Unterstützung von wissenschaftlichen Missionen, insbesondere zur Erdbeobachtung, und von Satelliten-Navigationssystemen wie Glonass, Galileo und GPS. Seit einigen Jahren wird ebenfalls die Überwachung von Weltraumschrottobjekten als mögliche Anwendung diskutiert und in ersten Experimenten erfolgreich erprobt. Das Prinzip des SLR basiert auf dem Aussenden kurzer Laserpulse von einer Bodenstation auf einen Satelliten und der Vermessung der entsprechenden Laufzeit der am Satelliten reflektierten bzw. gestreuten Photonen. Aus der Laufzeit des Lichts ergibt sich eine Abschätzung der Entfernung, die bei guten Systemen eine Genauigkeit von einem Zentimeter oder besser erreichen kann.

Johannes Kepler Observatorium

In Empfingen, südlich von Stuttgart im Nordschwarzwald gelegen, betreibt das Institut für Technische Physik ein großes Observatorium zur laserbasierten Detektion von Weltraumschrottobjekten. Aufgrund der großen Empfangsapertur von 1,75 Metern ermöglicht es die Detektion von Schrottobjekten im niedrigen Erdorbit mit Abmessungen im Dezimeterbereich.

In Ergänzung dazu werden Passiv-optische Verfahren zur Ermittlung der Winkelpositionen eines orbitalen Objektes beim Stationsüberflug in der Dämmerungsphase verwendet und basieren auf der Nutzung eines Teleskops oder eines Objektivs mit Kamera. Das Objekt wird von der Sonne beleuchtet, während der Sensor sich in der Dämmerung befindet. Das Objekt wird von der Kamera als Strichspur vor dem Sternenhimmel aufgezeichnet (siehe Abbildung 36). Wichtig ist hierbei die hochgenaue Synchronisation der Aufnahmen mit der UTC Zeit (Universal Time Coordinated) mit einen vorhandenen GPS-Signalempfänger. Die Positionsbestimmung der Satellitenspur erfolgt durch ein astrometrisches Verfahren, bei welchem durch Bildverarbeitungsmethoden die Strichspur automatisch segmentiert wird und die Position am Anfang und Ende der Strichspur durch die Verwendung von Fitverfahren auf Sub-Pixelgenauigkeit bestimmt wird. Diese Verfahren erlauben es, die Position senkrecht zur Flugrichtung des Objektes bis auf 10 µrad genau (dies entspricht einer Genauigkeit von 10 Metern in 1000 km Abstand) zu bestimmen und in Flugrichtung bis zu einer Genauigkeit von 25 µrad. Die Absolutposition der Objekte wird durch astrometrische Verfahren gewonnen, bei welchem die im Bild aufgezeichnete Sternverteilung mit den Sternen in einem Katalog korreliert wird.

Autonomous Passive Optical Staring Of LEO Flying Objects (Apparillo)

Der APPARILLO (Autonomous Passive Optical Staring Of LEO Flying Objects) ist ein integriertes System zur Überwachung des erdnahen Orbits. Mit APPARILLO können autonom Bilder von solar beleuchteten Objekten im erdnahen Orbit aufgenommen und verarbeitet werden.

Raumsegmente

Zu den laseroptischen Bodenstationen werden passende Optiken bzw. Sensoren zur Platzierung im Orbit entwickelt und erforscht, die zum einen eine präzise Ortung von Satelliten erlauben und zum anderen eine Messung der Laserstrahlungsverteilung im Orbit ermöglichen.

Smarte Retroreflektoren

Ein Smart-Retro besteht aus einem Retroreflektor und einer Polarisationsoptik, welche an Satelliten und CubeSats angebracht werden können und helfen, Objekte im Weltraum zu beobachten

beispielhafte Projekte

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Beteiligte Abteilungen / Gruppen

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Kontakt

Wolfgang Riede

Abteilungsleiter
Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt
Technische Physik
Aktive Optische Systeme
Pfaffenwaldring 38-40, 70569 Stuttgart