Inhaltsverzeichnis 2

Inhaltsverzeichnis   

1  Abk urzungsverzeichnis  6

2  Einleitung  7

3  Aufgabenstellung  8

4  Technik der Radio-Science  9

4.1  Allgemeines  9

4.2  Kommunikation zwischen Sonde und Bodenstation  9

4.3  Das Bodensegment  10

4.4  Das Kommunikationssystem des Satelliten  11

4.5  Verfahrensweise bei der Radio-Sondierung  11

4.6  Positions- und Geschwindigkeitsbestimmung  12

4.7  RS-Experimente  12

4.7.1  Gravity-Experimente  12

4.7.2  Bistatic-Radar-Experimente  13

4.7.3  Okkultations-Experimente  14

4.7.4  Solar-Corona-Experimente  15

5  Der Radio-Science-Simulator (RSS)  16

5.1  Zielsetzung  16

5.2  Konzept  17

5.3  Module  18

5.3.1  Ephemeriden-Modul  18

5.3.2  Orbit-Modul  18

5.3.3  Okkultations-Modul  19

5.3.4  Die Mars Climate Database (MCD)  19

5.3.5  Das Re-Entry-Modul  20

5.4  Erweiterungsm oglichkeiten  20

5.4.1  Ephemeridenmodul f ur Kometen und Asteroiden  20

6  Dokumentation des bisherigen Stands des Okkultations-Moduls  21

6.1  Allgemeines  21

6.2  Berechnung der Okkultation  21

6.3  Ausgabe des Okkulationsmoduls  22

7  Erweiterungen am Okkultationsmodul  24

7.1  Allgemeine Erweiterungen und Verbesserungen  24

7.2  Optimieren des Ephemeriden-Moduls  24

7.2.1  W ahlbarkeit der Geschwindigkeitsberechnung  25

7.2.2  Umschreiben in Simulink  26

7.2.3  Berechnen der Lichtlaufzeit  27

Inhaltsverzeichnis 3

7.3  Ber ucksichtigen der Lichtlaufzeit  28

7.3.1  Grundlagen  28

7.3.2  Realisierung in Matlab  28

7.4  Einbinden der Bodenstationen  30

7.4.1  Theoretische Grundlagen  30

7.4.2  Realisierung in Simulink  33

7.5  Feststellen der Sichtbarkeit zur Bodenstation und Ausgabe in eine Datei  35

7.5.1  Grundlagen  35

7.5.2  Realisierung in Simulink  36

7.6  Erstellen von Ausgabe-Dateien  37

7.6.1  Aufbereiten der Ausgabe-Dateien  37

7.6.1.1  Zusammenfassen von Okk output.mat und Visibi.mat  37

7.6.1.2  Aufbereiten der Rohdaten  39

7.6.2  Erstellen von VisEvent-Files  42

7.6.2.1  Grundlagen  42

7.6.2.2  Realisierung in Matlab  43

7.6.3  Erstellen von Request-Files  45

7.6.3.1  Grundlagen  45

7.6.3.2  Realisierung in Matlab  46

7.6.4  Erstellen von  

Ubersicht  -Files  48

7.6.4.1  Grundlagen  48

7.6.4.2  Realisierung in Matlab  49

7.6.5  Erstellen von Statistik-Files  50

7.6.5.1  Grundlagen  50

7.6.5.2  Realisierung in Matlab  50

7.7  Durchf uhren der Auswertung  51

7.8  Integration in den RSS mittels eines GUI  52

7.8.1  Grundlagen  52

7.8.2  Realisierung mit GUIDE  53

8  Analyse der Fehlergenauigkeit  55

8.1  Allgemeines  55

8.2   

Uberpr  ufung der Sichtbarkeits-Zeitr aume  55

8.3   

Uberpr  ufen der Okkultationszeitr aume  56

8.4  Positionsgenauigkeit des Aufpunkts  57

8.5  Zusammenfassung  59

9  Zusammenfassung und Ausblick  60

10  Literaturverzeichnis  61

11  Anhang  62

11.1  Groundstation Data  62

11.2  Struktur des Okkulationsmoduls unter Simulink  64

11.3  occ raw.m  65

11.4  occ raw work.m  68

11.5  occrequest.m  71

11.6  occorb.m  74

11.7  visevent.m  77

11.8  occ stat.m  79

11.9  auswertung m  80

Abbildungsverzeichnis   4

Abbildungsverzeichnis   

4.1  Ein-Wege-Verbindung P at01a  9

4.2  Zwei-Wege-Verbindung P at01a  10

4.3  Globale Verteilung der Bodenstationen P at02  10

4.4  Bistatisches Radar P at01a  13

4.5  Geometrie eines Bistatic-Radar-Experimentes P at01a  13

4.6  Ablauf eines Okkultations-Experimentes P at01b  14

4.7  Zeitlicher Verlauf eines Okkultations-Experimentes  15

5.1  Struktureller Aufbau des RSS  18

6.1  Geometrie einer Okkultation  21

6.2  Berechnung des Winkels Erde-Satellit und Planet-Satellit  22

7.1  neues Ephemeriden-Modul  24

7.2  Berechnung der Summe R0  26

7.3  Berechnung der Lichtlaufzeit unter Simulink  27

7.4  Prinzipskizze Lichtlaufzeit  28

7.5  Berechnung Vektor Earth-Sat  30

7.6  Berechnung des Vektors Earth-Station  30

7.7  Polarkoordinaten  31

7.8  Berechnung der geographischen L ange  32

7.9  Berechnungsblock Bodenstation  33

7.10  Berechnung innerhalb Bodenstations-Block  34

7.11  Sichtbarkeit und Unterbrechung der Sichtbarkeit  35

7.12  Grenzfall der Sichtbarkeit  35

7.13  Berechnung der Sichtbarkeit  36

7.14  VisEvent-Datei f ur Madrid  42

7.15  Auszug aus einem Request-File  45

7.16  Auszug aus einem  

Ubersichts  -File  48

7.17  Auszug aus einem Statistik-File  50

7.18  GUI des Okkultations-Moduls  52

8.1  Okkultations-Aufpunkte  58

11.1  Struktur des Okkulationsmoduls  64

Tabellenverzeichnis 5   

Tabellenverzeichnis   

8.1  Analyse Sichtbarkeitszeitr aume 10.2.2004  55

8.2  Analyse Sichtbarkeitszeitr aume 16.6.2004  55

8.3  Analyse Okkultationszeitr aume 31.3.2004  56

8.4  Vergleich Okkultationsdauer 31.3.2004  56

8.5  Analyse Okkulationszeitr aume 16.6.2004  56

8.6  Vergleich Okkulationsdauer 16.6.2004  57

8.7  Okkulationseintritts- und Austrittspunkte  57

1 Abk¨ urzungsverzeichnis 6

1 Abk ¨ urzungsverzeichnis

AE Astronomische Einheit (entspricht 149597870,691 km)

ESA European Space Agency

GUI Graphic User Interface

HGA High Gain Antenna

KSS Klein-Satelliten-Simulator

MCD Mars Climate Database

NASA North American Space Agency

RS Radio-Sondierung

RSS Radio-Sondierungs-Simulator

S/C Spacecraft

TEC Total Electron Content

USO Ultra Stable Oscillator

VSOP87 Planetentheorie

2 Einleitung 7

2 Einleitung

Die Erforschung des Weltraums mit Hilfe von unbemannten Missionen war schon immer ein wichtiges Instrument f¨ ur die Wissenschaftler, Informationen ¨ uber weit entfernte Planeten zu

erhalten. Diese Daten werden mit Hilfe von Radio-Sondierungs-Experimenten gewonnen, die teilweise sehr komplex und umfangreich sind. Deshalb ist eine genaue Planung dieser Missionen sehr wichtig, um ein Maximum an Informationen zu erhalten. Zur Planung dieser Missionen werden in immer zunehmenderem Maße Computersimulationen eingesetzt, anhand deren man die Missionen mit allen ihren Teilaspekten schon vor dem eigentlichen Start am Rechner simulieren, w¨ ahrend der Mission ¨ uberwachen und nach Abschluß der Mission die Ergebnisse auswer-

ten kann. Eines dieser Simulationprogramme wird zur Zeit am Institut f¨ ur Raumfahrttechnik an der Universit¨ at der Bundeswehr entwickelt. Mit dem RSS, dem Radio Science Simulator, soll es nach Fertigstellung m¨ oglich sein, sehr kosteng¨ unstig und unabh¨ angig von den großen Raumfahrtorganisationen ESA und NASA eigene Projekte zu planen und durchzuf¨ uhren.

3 Aufgabenstellung 8

3 Aufgabenstellung

Ziel dieser Arbeit soll es sein, Grundlagen der Radio Science und des RSS anschaulich darzustellen und zu vermitteln, sowie den RSS in seiner jetzigen Form zu verbessern und noch leistungsf¨ ahiger zu machen. Hierbei konzentriert sich diese Arbeit auf das Okkultationsmodul des RSS, welches durch ein vorherige Studienarbeit in den RSS integriert wurde und nun noch in einigen Teilbereichen optimiert werden soll. Im einzelnen sind dies folgende Aufgaben :

ˆ Einarbeiten der Bodenstation

Da das alte Okkultationsmodul die Bodenstation nicht ber¨ ucksichtigt, sollen diese nun in Zukunft bei den Berechnungen ber¨ ucksichtigt werden.

ˆ Auswerten der Ausgabe-Dateien und Erstellen von Request-Dateien Das Okkultationsmodul gibt seine Daten nur in Roh-Dateien aus. Diese sollen nun mit Hilfe von Matlab-Programmen ausgewertet werden und daraus dann Text-Dateien nach dem ESA-Standard erstellt werden, um einen besseren Ergebnis-Abgleich durchf¨ uhren zu k¨ onnen.

ˆ Erstellen einer grafischen Benutzeroberfl¨ ache

Die Bedienung des Okkulationsmoduls soll durch eine im Rahmen dieser Arbeit erstellte grafische Benutzeroberfl¨ ache komfortabler und einfacher gestaltet werden.

ˆ Sonstige Verbesserungen

Danach sollen die Ergebnisse anhand vom Langzeitrechnungen am Beispiel der Mars Express Mission verifiziert werden.

4 Technik der Radio-Science 9

4 Technik der Radio-Science

4.1 Allgemeines

Das Verfahren der Radio-Sondierung beruht auf der Untersuchung kleiner ¨ Anderungen in Fre-

quenz, Amplitude und Polarisation eines Radio-Signals. Der große Vorteil solcher Experimente ist, das zur Erzeugung des zu untersuchenden Signals auf die Telemetrieausstattung der Sonde zur¨ uckgegriffen werden kann. Da diese Ausstattung f¨ ur die Steuerung und Kommunikation mit der Sonde unerl¨ aßlich ist, befindet sie sich also auf jeden Fall an Bord. Somit ist es f¨ ur RS-Experimente nicht notwendig, zus¨ atzliche teuere und vorallem schwere Ger¨ ate zu installieren. Zum besseren Verst¨ andnis des Verfahrens und der einzelnen Experimente ist es n¨ otig, zun¨ achst auf einige Grundlagen einzugehen. Dies geschieht in den folgenden Kapiteln. [P¨ at01b]

4.2 Kommunikation zwischen Sonde und Bodenstation

Grunds¨ atzlich gibt es zwei M¨ oglichkeiten, eine Verbindung von Bodenstation und Sonde w¨ ahrend eines RS-Experimentes herzustellen, die Einwege- Verbindung (One-Way-Link) oder die Zweiwege-Verbindung (Two-Way-Link).

ˆ Die Einwege-Verbindung :

Der Downlink erfolgt auf dem X-Band, und es gibt keinen Uplink von der Bodenstation. Die f¨ ur die RS-Experimente notwendige Frequenz-Stabilit¨ at liefert hierbei ein Ultra Stable Osscillator (USO) (siehe auch n¨ achstes Kapitel).

ˆ Die Zwei-Wege-Verbindung:

Bei der Zwei-Wege-Verbindung erfolgt ein Uplink auf dem X-Band von der Bodenstation zur Sonde. Dieses Signal wird von der Sonde aufgenommen und phasenkoh¨ arent auf dem S- und dem X-Band (Dual-frequency-Downlink) zur Bodenstation zur¨ uckgesendet. Die Frequenzstabilit¨ at wird hierbei durch einen sehr genauen Wasserstoff-Maser bestimmt, der sich in in der Bodenstation befindet.

4 Technik der Radio-Science 10

Der Vorteil der Zwei-Wege-Verbindung ist, das es nicht n¨ otig ist, einen USO einzubauen, denn man kann auf die noch h¨ ohere Genauigkeit des Masers der Bodenstation zur¨ uckgreifen. Außerdem k¨ onnen auf dem Uplink zus¨ atzliche Befehle an die Sonde ¨ ubermittelt werden. Ein

sehr großer Nachteil ist allerdings, das Uplink und Downlink nicht den selben Weg durch den Raum zur¨ ucklegen. Dies ist vor allem bei Okkultationsexperimenten von Nachteil, da die Aufl¨ osung durch diesen Effekt stark verringert wird. Somit gehen wichtige Daten verloren, deswegen ist eine Ein-Wege-Verbindung vorzuziehen.[P¨ at01a]

4.3 Das Bodensegment

Als Bodensegment versteht man alle Einrichtungen und Anlagen auf der Erde, die zur Aufrechterhaltung der Kommunikation und zum Empfang der wissenschaftlichen Daten n¨ otig sind. Auch hier ist sind f¨ ur Radio-Sondierungs-Experimente keine zus¨ atzlichen Anlagen n¨ otig, es k¨ onnen die bereits vorhandenen genutzt werden.

Um eine l¨ uckenlose Kommunikation, das heißt also die st¨ andige Sichtbarkeit der Sonde von Erde aus zu gew¨ ahrleisten, ist eine Verteilung von mehreren Empfangsstationen ¨ uber den gesamten Globus n¨ otig. Da die ESA zur Zeit nur auf eine Station in Weilheim zur¨ uckgreifen kann, ist sie zur Durchf¨ uhrung ihrer Missionen auf das Deep Space Network der amerikanischen Raumfahrtbeh¨ orde NASA angewiesen. Ab 2003 geht jedoch eine weitere Bodenstation f¨ ur die ESA in Perth(35m-Spiegel) in Betrieb. Die globale Verteilung der Empfangsstationen zeigt die folgende Abbildung [P¨ at02]

4 Technik der Radio-Science 11

Mittels eines Wasserstoff-Masers werden in den Bodenstationen die Tr¨ agersignale erzeugt. Ein Maser arbeitet ebenso wie ein Laser nach dem Prinzip der erzwungenen Emissionen. Elektronen werden durch zugef¨ uhrte Energie auf einen energetisch h¨ oheren Zustand gebracht. Beim Zur¨ uckfallen geben die Elektronen die zugef¨ uhrte Energie in Form koh¨ arenter elektromagnetischer Strahlung im Mikrowellenbereich ab.

Auf das Tr¨ agersignal werden die Kommunkationsdaten im X- (8,4 GHz), S- (2,3 GHz) und bald auch im Ka-Band (32GHz) aufmoduliert. Durch Benutzung des Masers hat das Signal eine extrem geringe Frequenzabweichung (5 · 10 ⁻⁹ Hz) und kann dadurch auch als Referenzquelle bei RS-Experimenten genutzt werden. [GKV86] Das Absetzen des Signals erfolgt schließlich ¨ uber eine große Antenne mit m¨ oglichst hohem Antennengewinn.

4.4 Das Kommunikationssystem des Satelliten

Kernst¨ uck der Kommunikationsausr¨ ustung eines Satelliten ist ein redundanter Transponder. Dieser kann, wie schon oben angesprochen, im Ein-Wege- oder Zwei-Wege-Modus betrieben werden. Die vom Transponder erzeugten Signale werden dann ¨ uber eine Antenne mit sehr

hohem Antennengewinnen, eine sogenannte High-Gain-Antenna (HGA) abgestrahlt. Um die Genauigkeit bei Messungen im Ein-Wege-Modus zu erh¨ ohen, ist eine stabile Signalquelle als Referenz an Bord notwendig. Hier bietet sich der Einsatz eines USO an, der mit einer Stabilit¨ at von 10 ⁻¹³ herk¨ ommlichen Oszillatoren (mit einer Stabilit¨ at von 10 ⁻¹⁰ bei weitem ¨ uberlegen ist.

Allerdings muß manchmal aus Gewichts- oder Kostengr¨ unden auf einen USO verzichtet werden. Dann muß allerdings bei RS-Exerimenten auf eine Zwei-Wege-Verbindung zur¨ uckgegriffen werden. [P¨ at01a]

4.5 Verfahrensweise bei der Radio-Sondierung

Dieses Radiosignal wird, im Falle der Radio-Sondierung bei Weltraum-Missionen, von der Raumsonde ausgesandt, breitet sich im interplanetaren Raum aus und wird schließlich auf der Erde empfangen. Im Verlauf der Ausbreitung durch den Raum wird das Signal nun verschiedenen St¨ oreinfl¨ ussen ausgesetzt. Dies k¨ onnen zum Beispiel sein :

ˆ die relative Bewegung zwischen Raumsonde und Bodenstation (Dopplereffekt)

ˆ Ausbreitung durch neutrale (z.B. Atmosph¨ are) oder ionisierte Medien (z.B. Ionosph¨ are, Korona)

ˆ Reflexion an Planetenoberfl¨ achen

ˆ Schwerewirkung von Planeten auf die Raumsonde

ˆ Einfluß durch andere Instrumente an Bord der Raumsonde

Da die Gr¨ oßen des gesendeten Signals bekannt sind, kann dieses nun mit dem empfangenen verglichen werden. Bekannte St¨ orgroßen (z.B. der klassische Dopplereffekt) werden herausubrig bleiben schließlich ¨ gerechnet, ¨ Anderung in Frequenz, Amplitude und Polarisation des

Signals, aus denen dann zum Beispiel auf die Zusammensetzung der durchquerten Ionosph¨ are oder der bestrahlten Planetenoberfl¨ ache geschlossen werden kann. Somit ergeben sich mehrere M¨ oglichkeiten, RS-Experimente durchzuf¨ uhren. Diese sind im einzelnen :

ˆ Gravity-Experimente

4 Technik der Radio-Science 12

ˆ Bistatic-Radar-Experimente

ˆ Okkultations-Experimente

ˆ Solar-Corona-Experimente

Auf diese vier RS-Experimente werden im Verlauf dieses Kapitels noch detailliert eingegangen.

4.6 Positions- und Geschwindigkeitsbestimmung

F¨ ur alle RS-Experimente ist eine sehr genaue Orts- und Geschwindigkeitsbestimmung der Sonde notwendig. Die Position der Sonde wird mit einer Laufzeitberechnung bestimmt, wobei aus der Laufzeit des Radio-Signals, welches sich mit Lichtgeschwindigkeit durch den Raum bewegt, die genauen Ortskoordinaten berechnet werden k¨ onnen. Bei der Bestimmung der Geschwindigkeit wird auf den Doppler-Effekt zur¨ uckgegriffen. Mit der daraus resultierenden Beziehung

f =

wobei ∆f die resultierende Frequenzverschiebung und f 0 die eigentliche Sendefrequenz ist, kann man die Geschwindigkeit der Sonde bestimmen. Allerdings darf die Geschwindigkeit der Sonde zwischen zwei Signalen nicht variieren, und die emittierte Frequenz muß sehr stabil sein. Hier zeigt sich auch, wieso zu einer sehr genauen Positions- und Geschwindigkeitsbestimmung auf sehr genaue Referenquellen wie den USO oder den MASER der Bodenstation zugr¨ uckgegriffen werden muß.[Th¨ o02]

4.7 RS-Experimente

4.7.1 Gravity-Experimente

Ein Himmelsk¨ orper erzeugt ein Gravitationspotential, das von seiner Gesamtmasse sowie der r¨ aumlichen Verteilung der Masse abh¨ angt. Weicht der Planet zum Beispiel durch Abplattung an den Polen von der idealen Kugelform ab, erf¨ ahrt so ein Satellit, der sich auf einer hoch inklinierten Bahn um dieses Planeten befindet, an den Polen eine h¨ ohere Beschleunigung als an der ¨ Aquatorebene. Die inhomogene Massenverteilung l¨ asst den Satelliten also ¨ uber die

Zeit immer mehr von der klassischen ungest¨ orten Keplerbahn abweichen. Kennt man nun die genauen Abweichungen von der ungest¨ orten Bahn, kann also auf die Massenverteilung, auf das Gravitationspotential und damit auch auf den inneren Aufbau (z.B. Zusammensetzung, Dichte) des zu untersuchenden Planeten geschlossen werden. Die Methode der Radiosondierung liefert hierbei die ben¨ otigten sehr genauen Positions- und Geschwindigkeitsdaten der Raumsonde (siehe auch 3.1.6), die mit denen einer ungest¨ orten Bahn verglichen werden. Somit k¨ onnen die St¨ oreinfl¨ usse der Gravitationswirkung errechnet werden. Hierbei ist es allerdings wichtig, das alle sonstigen nicht-gravitativen St¨ orgr¨ oßen bekannt sind, um diese vorher herauszurechnen und somit den Fehler bei der Bestimmung des Gravitationspotentials m¨ oglichst gering zu halten. Zur Messung ist ein ruhiger und stabiler Orbit n¨ otig. Niedrige Umlaufbahnen sind zu bevorzugen, da so innerhalb kurzer Zeit viele unterschiedliche Regionen ¨ uberstrichen werden

und somit die Effekte der Gravitationsanomalien die Umlaufbahn st¨ arker st¨ oren.[Tyl]

4 Technik der Radio-Science 13

4.7.2 Bistatic-Radar-Experimente

Im Gegensatz zum monostatischen Radar, das Sender und Empf¨ anger an einem Ort vereinigt, erh¨ alt man durch die r¨ aumliche Trennung von Sender und Empf¨ anger eine Konfiguration, die man bistatisches Radar nennt.

Die grunds¨ atzliche Geometrie eines Bistatic-Radar-Experimentes zeigt folgende Grafik.

Das Signal der Sonde wird von dem zu untersuchenden Gebiet reflektiert, dadurch ver¨ andert und von der Bodenstation auf der Erde aufgefangen. Durch Vergleich des gesendeten und empfangenem Signals ist es m¨ oglich, die Oberfl¨ achenbeschaffenheit (z.B. Rauhigkeiten oder Neigungen), elektrische Kostanten und Dichte des bestrahlten Gebiets zu ermitteln. Hierbei kann in Tiefen bis zu 20 Metern vorgedrungen werden, was zum Beispiel die Entdeckung von Wasser unter der Oberfl¨ ache von Planeten erm¨ oglicht. Der Orbit f¨ ur diese Messungen muß nat¨ urlich an die geographische Lage des zu untersuchenden Gebietes angepaßt werden. Eine niedrige Umlaufbahn erm¨ oglich die Erfassung von vielen unterschiedlichen Gebieten, w¨ ahrend

4 Technik der Radio-Science 14

ein sich mit einem h¨ oheren Orbit ein gr¨ oßeres Gebiet abdecken bzw. sich ein einzelnes Gebiet l¨ anger bestrahlen l¨ aßt. Bei l¨ angerer Bestrahlung eines speziellen Gebiets ist somit auch eine sehr genaue Ausrichtung der Sonde n¨ otig, so daß eine genaue Lageregelung des Satelliten wichtig ist, was sich dann aber durch viele Korrekturman¨ over negativ auf den Treibstoff-Vorrat der Sonde auswirken kann.Außerdem muß selbstverst¨ andlich eine freie Sichtlinie (Visibility) von der Bodenstation zur Sonde und zum Zielgebiet existieren.[P¨ at02]

4.7.3 Okkultations-Experimente

Okkultation bedeutet im allgemeinen die vollst¨ andige Verdeckung eines K¨ orpers durch einen anderen. Im Falle der Radio-Sondierung bedeutet es, das die Sonde von der Erde aus hinter dem zu untersuchenden Planeten verschwindet. Bevor der Satellit vollst¨ andig von der planetaren Scheibe verdeckt wird, durchleuchten die zur Erde gerichteten Radiowellen f¨ ur eine gewisse Zeit die Atmosph¨ are des Planeten. Die prinzipielle Geometrie eines Okkultationsexperimentes zeigt folgende Abbildung :

Beim Durchqueren der Atmosph¨ are bzw. Ionosph¨ are wird das Signal durch elektromagnetische Wechselwirkung beeinflußt und in Frequenz und Amplitude ver¨ andert. Aufgrund dieser Ver¨ anderungen kann dann, wie schon beschrieben, atmosph¨ arische und ionosph¨ arische Verteilung von Temperatur, Druck und Dichte ermittelt werden. Außerdem kann man den TEC (Total Electron Content) der planetaren Ionosph¨ are berechnen. Den zeitlichen Ablauf eines Okkultationsexperimentes wird durch folgende Abbildung veranschaulicht :

4 Technik der Radio-Science 15

Bei der Wahl des Orbits f¨ ur Okkultationsexperimente ist zu beachten, das diese nur bei bestimmten Konstellationen von Planet, Sonde und Erde durchgef¨ uhrt werden k¨ onnen. Außerdem ist die Zeit hier ein kritischer Faktor, da der Zeitraum von Eintreten in die Atmosph¨ are bis zum Abbruch des Signal durch Verdeckung von der planetarschen Scheibe nur sehr kurz ist. Hier bieten sich h¨ ohere Orbits an, den die Geschwindigkeit der Sonde ist dort geringer und somit steht mehr Meßzeit zur Verf¨ ugung. Niedrige Orbits haben den Vorteil, das es ¨ ofters zu Okkultationen kommt. Ein sehr wichtiger Faktor bei diesen Experimenten ist auch der Sonnenstand, denn die Sonneneinstrahlung beeinflußt die Atmosph¨ are sehr stark. [Atr86]

4.7.4 Solar-Corona-Experimente

Die Korona ist die ¨ außerste Schicht der Sonnenatmosph¨ are. Ihre Ausdehnung schwankt stark, in Zeiten geringer Sonnenaktivit¨ at ist sie mehr als doppelt so groß wie der Sonnendurchmesser. Die Helligkeit der Korona ist nicht sehr hoch, am Sonnenrand betr¨ agt sie nur ungef¨ ahr ein Millionstel der photosph¨ arischen Helligkeit, außerdem nimmt sie mit zunehmender Entfernung von der Sonne noch weiter ab. Somit ist es sehr schwierig, Beobachtungen von der Erde aus durchzuf¨ uhren, Beobachtungen von Satelliten oder Raumstationen aus sind sehr wertvoll. Befindet sich die Sonde von der Erde aus gesehen innerhalb 10 Grad Elongation (entspricht ca. 40 Sonnenradien) im Bezug auf die Sonnenscheibe, wirken die dispersiven Effekte (Laufzeitver¨ anderung, Dopplerverschiebung und -rauschen) auf die Radiosignale der Sonde und werden dadurch in Frequenz und Amplitude ver¨ andert. Aufgrund dieser Ver¨ anderungen k¨ onnen, wie schon beschrieben, Daten ¨ uber das Magnetfeld, den Sonnenwind und ¨ uber sonnen-koronale Massenausbr¨ uche erlangt werden. Außerdem kann durch Solar-Corona-Experimente der TEC (Total Electron Content), also der gesamte Elektroneninhalt der Sonnenkorona, bestimmt werden. Die so gewonnenen Erkenntnisse sind vor allem f¨ ur die Klimaforschung von großem Interesse, da die Sonnenaktivit¨ at einer der wesentlichen klimabeeinflussenden Faktoren ist.[P¨ at01b]

5 Der Radio-Science-Simulator (RSS) 16

5 Der Radio-Science-Simulator (RSS)

5.1 Zielsetzung

Der Radio-Sondierungs-Simulator (RSS) wird am Institut f¨ ur Raumfahrttechnik der Universit¨ at der Bundeswehr in M¨ unchen entwickelt. Er baut auf dem bereits genutzten Klein-Satelliten-Simulator (KSS) auf und soll es zuk¨ unftig erm¨ oglichen, schnell und einfach Untersuchungen und Berechnungen im Rahmen von Radio-Sondierungs-Experimenten durchzuf¨ uhren. Mit dem RSS steht dem Institut somit ein von anderen Institutionen und Einrichtungen unabh¨ angiges Werkzeug zur Verf¨ ugung, mit dem Aufgabenstellungen in Studien- und Entwicklungsphasen von Raumfahrtmissionen bearbeitet werden k¨ onnen.

Kennzeichnend f¨ ur den RSS ist sein modularer Aufbau. Durch diese Struktur ist es m¨ oglich, Erweiterungen, Weiterentwicklungen, neue Missionen oder ¨ ahnliches auf einfache Weise hinzuzuf¨ ugen, ohne den bestehenden Aufbau des Programms ver¨ andern zu m¨ ussen. Den Schwerpunkt der Anwendung dieser Simulations-Software stellt die Planung und Durchf¨ uhrung sowie Auswertung von Radio-Sondierungs-Experimenten dar. Dabei k¨ onnen grundlegende Berechnungen von Daten durchgef¨ uhrt werden. Dies sind u. a.: 1. Berechnung der Bahnelemente von Weltraumsonden

2. Berechnen von Planeten-Ephemeriden

3. Berechnen der Zeitpunkte von Okkultationen

4. Berechnen der Lageregelungsdaten von Bistatic-Radar-Experimenten Dabei ist der RSS gekennzeichnet durch: 1. Geringe Anschaffungskosten durch institutsinterne Entwicklung

2. Hohe Flexibilit¨ at in Nutzung und Weiterentwicklung durch modularen Aufbau

3. Benutzerfreundliche Bedienung durch Benutzerober߬ achen (GUIs)

4. Einfaches Einbinden von bereits existierenden Programmen

5. Hohes Entwicklungspotential