Quelle: Fraunhofer FHR 22. August 2024.

22. August 2024 – Durch Nutzung der Bewegung von Erde und Mond wurde mit der 34 Meter großen Antenne der TIRA-Anlage eine deutlich größere, virtuelle Antenne erzeugt und somit eine hohe Auflösung für die Abbildung erreicht. Mit diesem Verfahren zur Erzeugung einer synthetischen Antennenapertur (SAR, engl. Synthetic Aperture Radar) konnte eine zusammenhängende Abbildung der gesamten sichtbaren Mondoberfläche erzielt werden.

Ein neues Zielverfolgungsradar für die TIRA-Anlage
Die stetige Verbesserung der Fähigkeiten der Großradaranlage TIRA (Tracking and Imaging Radar) ist ein zentraler und wichtiger Anteil der Forschung beim Fraunhofer FHR. Bei der Weiterentwicklung der Signalverarbeitungssysteme des Zielverfolgungsradars wird konsequent das Konzept des Software-defined Radar verfolgt, um ein flexibles und zukunftsfähiges Forschungsinstrument zur Weltraumlageerfassung mit Radar zu schaffen.

Die Signalabtastung und die Signalerzeugung erfolgen dabei direkt im Mikrowellenbereich im L-Band bei 22 Zentimetern Wellenlänge, nahe am analogen Frontend der Antenne. Die weitergehende Verarbeitung der digitalisierten Signale findet in Echtzeit auf Grafikprozessoren mittels in Software definierter Verfahren statt. Dies ermöglicht eine flexible Implementierung innovativer Methoden und deren wissenschaftliche Nutzung.

In den letzten Wochen wurde mit der erfolgreichen Durchführung verschiedener Experimente ein wichtiger Meilenstein in der Entwicklung erreicht und ein Nachweis zur Eignung des vom Fraunhofer FHR entwickelten Gesamtsystemkonzepts erbracht.

Das erste Licht für das neue System
Beim ersten Experiment mit diesem neuen Instrument, dem sogenannten First Light oder ersten Licht, wurde zur Untersuchung der Systemstabilität eine Vermessung des Mondes durchgeführt. Dazu wurde der Mond durch den leistungsstarken Sender des TIRA mit der Antennenkeule der Cassegrain-Antenne beleuchtet und die von der Mondoberfläche reflektierten Echos wurden nach circa 2,6 Sekunden empfangen. Die Breite der Antennenkeule entspricht hierbei in etwa dem scheinbaren Durchmesser des Mondes.

Da der Mond für die Keule der Antenne wie ein einzelner Punkt erscheint und nicht aufgelöst von ihr wird, wurde insbesondere die Eigendrehung von Mond und Erde genutzt, um über einen Zeitraum von etwa 30 Minuten sozusagen virtuell eine viel größere Antenne, die sogenannte synthetische Apertur, aufzuspannen. In der Abbildung rechts ist diese synthetische Apertur (grün) mit der relativen Bewegung des TIRA (rot) zur Mondoberfläche dargestellt.

Zusammen mit der Entfernungsmessung des Radarsystems ergibt sich somit eine Abbildung der Mondoberfläche mit einer Auflösung im Bereich von 20 Metern. Die Reflexionen von der nördlichen und südlichen Oberfläche des Mondes überlagern sich dabei, da sie jeweils gleiche Entfernungen aufweisen. Diese beiden so entstehenden Bilder wurden mit dem Monopulssystem des Zielverfolgungsradars, das eine nachträgliche Formung der Antennenkeule ermöglicht, wieder getrennt. Bei dem Monopulssystem handelt es sich um eine Erregerantennengruppe in der Brennebene des Cassegrain-Reflektorsystems, die bei der Zielverfolgung zur präzisen Messung der Zielrichtung dient.

In den erzeugten SAR-Bildern der Mondhalbkugeln verläuft die synthetische Apertur horizontal, über die Vertikale von oben nach unten verläuft die Entfernung zum Radarsystem.

Aufgaben und Weiterentwicklung der Großradaranlage TIRA
Auf dem Wachtberg am Rhein südlich von Bonn betreibt das Fraunhofer-Institut für Hochfrequenzphysik und Radartechnik FHR für das Bundesministerium der Verteidigung (BMVg) und die Bundesrepublik Deutschland die europaweit einzigartige Großradaranlage TIRA (Tracking and Imaging Radar) als Experimentalsensor zur Weltraumbeobachtung.

Durch die zunehmende Nutzung des Weltraums für militärische und zivile Anwendungen mit hoher Dichte auch immer kleinerer Satelliten ergeben sich neue Forschungsthemen bei der Frage, wie die nationale Infrastruktur durch Bildung eines umfassenden Weltraumlagebildes mittels Radar geschützt werden kann.

Zur Beantwortung dieser Frage entwickelt der Bereich Radar zur Weltraumlageerfassung (RWL) am Fraunhofer FHR die Großradaranlage TIRA regelmäßig weiter. Nachdem in den vergangenen Jahren die Antriebssysteme der in Azimut und Elevation vollbeweglichen Cassegrain-Antenne, die Sendeanlage des Zielverfolgungsradars sowie das die Gesamtanlage schützende Radom vollständig erneuert wurden, sind die Radarinstrumente zur Zielverfolgung und Zielabbildung Gegenstand der aktuellen Entwicklungsarbeiten.

Das hier im Fokus stehende empfindliche Puls-Doppler-Zielverfolgungsradar des TIRA im L‑Band wird mit seinem Monopulssystem bei der Beantwortung von Forschungsfragen zur Detektion, Diskriminierung, präzisen Bahnverfolgung und Bahnbestimmung von Satelliten und Raumfahrtrückständen im erdnahen (LEO) bis zum geostationären Orbit (GEO) bei Objektdurchmessern von wenigen Zentimetern eingesetzt. Dabei ermöglicht die hochdynamische Antenne eine lückenlose Zielverfolgung sichtbarer Bahnabschnitte.

Die gewonnenen Daten und Erkenntnisse aus den Beobachtungen von TIRA sind u.a. Grundlage für Kollisionsvorhersagen, der Analyse von Fragmentationsereignissen und Wiedereintrittsprognosen. Ein aktuelles Beispiel ist die Bahnvermessung und Radarabbildung des ISS-Batteriepacks während seines Wiedereintritts im März 2024. Auch bei der Planung und Durchführung von Missionen zur In-Orbit-Verbringung von Satelliten und der aktiven Beseitigung von Raumfahrtrückständen finden die aus den erhobenen Daten gezogenen Schlüsse Anwendung. Damit entsteht ein wichtiger Beitrag für die Sicherheit unserer nationalen Infrastruktur im Weltraum, in Zusammenarbeit mit Partnern wie dem ressortgemeinsamen Weltraumlagezentrum der Bundeswehr (WRLageZ), dem Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) und der Europäischen Weltraumagentur (ESA).

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• Fraunhofer FHR

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Quelle: Fraunhofer FHR 26. Februar 2024.

26. Februar 2024 – Erstmalig konnten Änderungen der Struktur beim Wiedereintritt in Bildern festgehalten werden.

Nach einer äußerst erfolgreichen Mission und fast 30 Jahren im Orbit trat ESA’s ERS-2 am 21. Februar 2024 um etwa 18:17 Uhr CET (17:17 Uhr UTC) in die Atmosphäre ein. Zuvor hatten die Forschenden des Fraunhofer-Instituts für Hochfrequenzphysik und Radartechnik FHR etwa eine Woche lang den ESA-Satelliten mehrmals vermessen. Die letzten Bilder von ERS-2, wie er durch den Himmel taumelt, wurden durch das 34-m-Antennensystem von TIRA gegen 8:00 Uhr CET am 21. Februar, etwa 10 Umläufe vor dem Wiedereintritt, aufgezeichnet.

Interessanterweise scheinen die Solarmodule von ERS-2 zu dieser Zeit bereits abgeknickt zu sein und sich teilweise vom Rest des Satelliten gelöst zu haben. „In unseren Daten erkennen wir einerseits einen deutlichen Knick der Solarmodule und anderseits auch Artefakte, die durch ein schnelles unkontrolliertes ‚Flattern‘ verursacht werden könnten“, so Felix Rosebrock, Radar-Experte am Fraunhofer FHR. „Das ist besonders bemerkenswert, da hier zum ersten Mal bei einem Wiedereintritt Änderungen an der Struktur in Abbildungen festgehalten werden konnten.“

Bei der Vorhersage der Wiedereintritts-Flugbahn eines Satelliten behandeln Analysten ihn bis zum Ende als starres Objekt. Wenn das Solarmodul von ERS-2 bereits in einem früheren Stadium locker und beweglich war, könnte der Orbit des Satelliten auf unberechenbare Weise von der Atmosphärenreibung beeinflusst worden sein. Die Experten analysieren nun die während des Wiedereintritts von ERS-2 gesammelten Daten, um den frühzeitigen Schaden an den Solarmodulen zu bestätigen. Wenn dies mit der Tatsache zusammenhängt, dass der Wiedereintritt etwas später als vorhergesagt stattfand, könnte diese Forschung dazu beitragen, die Vorhersagen zukünftiger natürlicher Wiedereintritte zu verbessern.

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• ERS-2 kehrt zurück

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Quelle: ESA 5. September 2023.

5. September 2023 – Um die Menge an Raumfahrtrückständen einzuschränken, wird in internationalen Vorschriften festgelegt, wie lange ein Satellit nach Beendigung seiner Mission in der Umlaufbahn verbleiben darf – nicht länger als 25 Jahre.

Bei Missionen im niedrigen Erdorbit erfolgt die Rückkehr schneller, da sie von der dünnen Erdatmosphäre erfasst und so zügiger zurückgebracht werden können.

Im Rahmen des unterstützten Wiedereintritts von Aeolus im Juli 2023 – dem ersten seiner Art – wurde das ohnehin bereits geringe Risiko durch herabfallende Trümmerteile um den Faktor 150 reduziert. Gleichzeitig wurde auch die Zeitspanne, in der Aeolus unkontrolliert in der Umlaufbahn verblieb, um einige Wochen verkürzt, wodurch das Risiko von Kollisionen mit anderen Satelliten auf dieser wichtigen Weltraumautobahn begrenzt wurde.

Bewegende Momente
Aeolus wurde somit kurzzeitig zu Weltraummüll, nachdem am 28. Juli 2023 um 17:43 MESZ der letzte Befehl an den Satelliten gesendet wurde und das Flugkontrollteam in der Folge nicht mehr mit der Mission kommunizieren oder sie beeinflussen konnte. Nach monatelangen Vorbereitungen und einer Woche intensiver und kritischer Operationen hatte das Team alles im Rahmen des Möglichen getan. Der Satellit wurde passiviert – abgeschaltet – und dem ESA-Büro für Raumfahrtrückstände übergeben, das den endgültigen Sinkflug verfolgte.

Beim Blick auf die wahrscheinliche Flugroute war klar, dass man mithilfe des Weltraumbeobachtungsradars TIRA (Tracking and Imaging Radar) des Fraunhofer-Instituts für Hochfrequenzphysik und Radartechnik in Deutschland (Eifel) eine „gute Sicht“ haben würde. Die 34-Meter-TIRA-Antenne konnte Aeolus gegen 18:20 Uhr MESZ etwa vier Minuten lang verfolgen.

„Betreiber*innen von Raumsonden sind es gewohnt, mit ihren Missionen in Dialog zu treten, aber Raumfahrtrückstände können leider nicht kommunizieren. Diese letzten Beobachtungen bestätigten, dass der finale Wiedereintritt von Aeolus gut verlaufen war und dass der nun ‚dahingeschiedene‘ Satellit in die erwartete elliptische Umlaufbahn mit einer Mindesthöhe von 120 Kilometer gelangt war“, erklärt Benjamin Bastida Virgili, Experte im ESA-Büro für Raumfahrtrückstände.

„Wenn man sich den Weg von Aeolus eher als einen leicht gequetschten Kreis und nicht als eine Linie vorstellt, wurde dieser bei seiner Rückkehr kleiner und kreisförmiger, seine Höhe stieg und fiel jedoch nach wie vor. Anhand dieser Informationen zur Bahn von Aeolus haben wir eine neue Schätzung der Wiedereintrittszeit berechnet, die etwas mehr als zwei Stunden später auf unserer geplanten Bodenspur erfolgte.“

Dies war das letzte Mal, dass die Missionsteams Aeolus sahen. Er war immer noch komplett und nur zwei Stunden davon entfernt, in der Erdatmosphäre über der Antarktis, weit entfernt von bewohnten Gebieten, zu zerfallen. Gegen 20:40 Uhr MESZ wurde Aeolus dann für etwa zwei Minuten zu einer vorübergehenden Feuerkugel in der Atmosphäre.

„Normalerweise gehen wir davon aus, dass wir eine Mission zum letzten Mal sehen, wenn sie auf die Spitze einer Trägerrakete gesetzt wird und sich die Verkleidung um sie herum schließt“, sagt Aeolus-Missionsmanager Tommaso Parrinello.

„Aeolus ist ein bemerkenswertes Beispiel für nachhaltige Raumfahrt und verantwortungsvollen Betrieb. Wir haben die Mission so lange wie möglich begleitet und ihre Rückkehr so weit wie möglich unterstützt. Diese Bilder sind unser letzter Abschied von der Mission, die wir alle vermissen, deren Vermächtnis aber weiterleben wird.“

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• ADM-Aeolus (Atmospheric Dynamics Mission – ESA Earth Explorer) auf VEGA

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