Aktive Satellitenbildaufnahmesysteme (Radar-Satelliten) II

Inhaltverzeichnis

1. Einleitung

2. European Remote Sensing Satellite 1 & 2
2.1 Instrumentelle Ausstattung
2.2 Radar Interferometrie - Tandem Mission ERS 1 & 2/SRTM

3. Environmental Satellite
3.1 Instrumentelle Ausstattung
3.2 Kommerzieller Datenvertrieb

4. Radarsat 1 & 2

5. TerraSAR-X
5.1 Instrumentelle Ausstattung
5.2 Finanzierung und Kommerzieller Datenvertrieb
5.3 Ausblick

6. Zusammenfassung und Fazit

Literaturverzeichnis

Anhang

Abkürzungsverzeichnis

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

1. Einleitung

Die Beobachtung der Erdoberfläche liefert wichtige Aufschlüsse für das Verstehen von Prozessen unterschiedlicher Geosysteme auf der Erde. Die Fernerkundung gilt als berührungslose und schnelle Methode zur Betrachtung der Erde aus dem Weltall und ist deshalb mittlerweile zu einem Standardverfahren in vielen geowissenschaftlichen Bereichen geworden. Die Fernerkundungsdaten liefern heutzutage einen wesentlichen Beitrag zur Erfassung von Veränderungen der Erdoberfläche und ermöglichen Lösungen von Umweltproblemen. Hierzu zeichnen Fernerkundungssensoren seit fast drei Jahrzehnten kontinuierlich Informationen der Erdoberfläche sowie der Atmosphäre in unterschiedlichen Bereichen des elektromagnetischen Spektrums auf. Die erhobenen Daten dienen in Kombination mit atmosphärischen Parametern als Grundlage für die Beschreibung von Zuständen sowie der Modellierung von komplexen Systemen in den verschiedensten naturwissenschaftlichen Disziplinen. Entscheidende Voraussetzung für den operationellen Einsatz von Fernerkundungsdaten in diversen Anwendungsbereichen sind eine globale Abdeckung und eine ständige Verfügbarkeit sowie eine den Anwendungszielen entsprechende Auflösung. Hierzu haben sich optische Fernerkundungssysteme im operationellen Einsatz aufgrund sich ergebender Wolkenbedeckung oder Tageszeiten in der Vergangenheit als teilweise unbrauchbar erwiesen. Im Gegensatz zur optischen Erderkundung haben sich aktive Radarerkundungssatelliten mittels des sich an Bord befindlichen Synthetic Aperture Radar den Vorteil verschafft, von Wetter und Tageszeit unabhängig zu sein. Das Hauptaugenmerk dieser Hausarbeit liegt auf eine Reihe von zivilen Allwetter- und Erdbeobachtungssatelliten, die als primäre Nutzlast ein hochauflösendes abbildendes Synthetic Aperture Radar an Bord haben. Diesbezüglich wird der erste europäischen Fernerkundungssatelliten ERS-1 aus dem Jahr 1991 und seinem Nachfolger ERS-2 aus dem Jahr 1995 teil dieser Arbeit sein. Mit ENVISAT folgt ein Umweltsatellit zur ständige Überwachung des Klimas, des Ozeans und des Ökosystems der Erde. Als Gegenspieler zu ENVISAT folgt der zur ausschließlichen Erdbeobachtung konzipierte kanadische Erdbeobachtungssatellit Radarsat. Mit TerraSAR-X und TanDEM-X werden die ersten im Rahmen einer Public Private Partnership realisierten deutschen Fernerkundungssatelliten mit brillierender Auflösung in den Augenschein genommen. Bezüglich der Public Private Partnership wird auf die Finanzierung dieses Raumfahrtsprojekt und dessen kommerziellen Verbreitung an Daten ein besonderes Augenmerk geworfen.

2. European Remote Sensing Satellite 1 & 2

Die Epoche der radargestützten Erdbeobachtung begann mit dem Satellitenstart des ERS-1 der europäischen Weltraumorganisation ESA am 17. Juli 1991. Zugleich war der mit 900 Mio. Euro teure ERS-1 der erste europäische Radarsatellite zur wissenschaftlichen Fernerkundung der Erde. Die Betriebsdauer des Satelliten war ursprünglich auf drei Jahre ausgelegt, jedoch übertraf diese um mehr als das Doppelte bis Juni 2000, als ERS-1 wegen eines technischen Defekts abgeschaltet werden musste. ERS-1 gilt nunmehr als Wegbereiter der Erd- und Umweltforschung aus dem Weltall. Sein nahezu baugleicher Nachfolger, der im Jahre 1995 gestartete ERS-2, setzt seitdem diese Arbeit bis heute hin fort und soll bis voraussichtlich 2008/09 in Betrieb sein.¹

Nach den erfolgreichen Starts von ERS 1 & 2 wurden beide Radarsatelliten auf polarnahen sonnensynchrone Umlaufbahn in unterschiedlichen Höhen gebracht. Hierbei überfliegt ERS-1 die Erdoberfläche in 785 km Höhe und ERS-2 in 780 km Höhe mit jeweils einer Inklination von 98,52°. Die Satelliten benötigen für den Umlauf eines Orbits knapp 100 Minuten und überfliegen bereits nach 35 Tagen denselben Ort auf der Erde erneut. Zu dem Zeitpunkt als ERS-1 außer Betrieb genommen wurde, lieferte dieser nach rund 45.000 Erdumrundungen mehr als 1,5 Mio. SAR-Aufnahmen. Sein 550 Mio. Euro teurer Nachfolger funkte bereits bis 2001 mehr als 800.000 Aufnahmen an die Bodenstationen. Dank der hohen Verfügbarkeit von ERS-Radaraufnahmen ist es Wissenschaftlern möglich, beliebige Ausschnitte der Erdoberfläche mit unterschiedlichen Aufnahmezeitpunkten jederzeit anzufordern. Zu den Nutzern gehören Wissenschaftler und Forschungseinrichtungen, die ihre Daten im Zwecke der Wissenschaft kostenlos erhalten. Doch auch die Anzahl der Nutzer von kleinen Firmen bis hin zu Großunternehmen wachsen stetig pro Jahr an. Des Weiteren nutzen Wetterämter die Daten für Anwendung in ihren numerischen Modellen zur kundenspezifischen Wettervorhersage. Bislang wurden die Erwartungen der ERS- Daten mit einer jährlichen Steigerungsrate von bis zu 20 % weit übertroffen. ERS-Daten sind Eigentum der ESA und könne nur über deren Vertriebsorganisation EURIMAGE erworben werden. Mit dem Start von ERS-2 wurde es zudem möglich, dass beide Satelliten eine Weile als Tandem operieren konnten (siehe dazu Kapitel 2.2: Tandem Mission ERS 1 & 2). Die zeitweise parallele Nutzung der ERS-Satelliten ermöglichte zu dieser Zeit ein vollkommen neuartiges revolutionäres Verfahren zur dreidimensionalen Geländedarstellung.²

2.1 Instrumentelle Ausstattung

An Bord der nahezu baugleichen Satelliten sind eine Vielzahl an Sensoren installiert worden, um eine Allwetterfernerkundung der Erde möglich machen zu können (siehe Abbildung 1. im Anhang). Das Besondere der an Bord von ERS 1 & 2 befindliche Radartechnik ist, dass unabhängig von Wolkenbedeckung und Tageszeit die Erdoberfläche abgelichtet werden kann. Den Zuschlag bekam im Auftrag der ESA das in mehreren europäischen Ländern operierende Raumfahrtunternehmen EADS SPACE, welches für die Entwicklung und Bau der sich an Bord von ERS 1 & 2 befindlichen Sensoren zuständig war. Auf den ersten Blick erscheint ERS-2 als eine Kopie seines Vorgängers. Allerdings ist dieser mit einem zusätzlichen Gerät ausgestattet, mit denen der Ozongehalt der Atmosphäre gemessen und das Wachstum der Vegetation besser verfolgt werden kann.³ Die Aufgaben und Funktionalitäten der sich an Bord befindlichen Messgeräte werden nun im Folgenden erläutert.

Das Radar Altimeter ist ein aktiver Mikrowellensensor, welcher im Ku-Band bei 13,8 GHz in Nadirrichtung operiert. Das RA misst die Laufzeit der zum Meer und zu Glazialflächen ausgesandten und reflektierten Signale. Aus der Zeitdifferenz zwischen Sendung und Empfang der extrem kurzen Radarimpulse kann der Abstand zur Wasseroberfläche und Erdoberfläche mit einer Genauigkeit von bis zu 50 cm gemessen werden. Das RA kann in zwei alternierenden Beobachtungsmodi, entweder über Ozean oder Eis, Informationen über Wellenhöhe, Windgeschwindigkeit über Wasser, Meeresspiegelhöhe, Oberflächengeoid sowie verschiedenen Parameter über Meereis und Inlandeis liefern. Aus den gewonnen Informationen und Daten lassen sich globale Karten erstellen.⁴

Das passiv operierende Along-Track Scanning Radiometer besteht aus zwei Instrumenten, einem abbildenden Infrarot Radiometer und einem Microwave Sounder. Das IRR an Bord von ERS-1 arbeitet in vier Kanälen und misst die Temperaturen der Meeresoberfläche, der Wolkenoberseite und der Landoberfläche mit einer Genauigkeit von bis zu 0,3 °C. Beim IRR bei ERS-2 wurden zusätzliche Kanäle im sichtbaren Bereich zum Vegetationsmonitoring integriert. Daher ist es möglich im sichtbaren und kürzer welligen Infrarotbereich die Vegetation mit einer Raumauflösung von bis zu 1 km global zu erfassen. Das MWS misst in zwei Kanälen bei 23,8 GHz und 36,5 GHz in Nadirrichtung den Gesamtwasserhaushalt der Atmosphäre über einer Breite von 20 km.⁵ Das Precise Range and Range-Rate Equipment wurde unter der Projektleitung und mit Förderung der Deutschen Agentur für Raumfahrtangelegenheiten in Deutschland entwickelt. Hierbei handelt es sich primär um ein Bahnvermessungssystem zur exakten Positionsbestimmung des Satelliten, wobei es zugleich auch genauere Bestimmungen des Erdschwerefeldes ermöglicht. Des Weiteren können geophysikalische Prozesse, wie Kontinentaldriften oder Deformationen der Erdoberfläche im Bereich von Vulkanen kontinuierlich beobachtet werden. PRARE misst mittels eines Mikrowellensystems im S- und X-Band die Entfernungen und Dopplerverschiebungen zu Bodenstationen und erlaubt in einem globalen Messnetz die Positionsbestimmungen mit einer Genauigkeit im Zentimeterbereich. Auf eine weitere zukünftige Anwendung bestehen geringe Aussichten, da die jeweiligen Aufgaben mit anderen Mitteln einfacher zu lösen sind. Des Weiteren fiel bei der ersten ERS-Mission das PRARE kurze Zeit nach dem Start aus.⁶

Der Laser Retro Reflector operiert im Infrarot Bereich als passives optisches Instrument, welches lediglich als Reflektor für von den Bodenstationen ausgesandte Laserstrahlen dient. Der LRR nützt zur Bestimmung der präzisen Höhe des Satelliten im Orbit.⁷

Waren in der Vergangenheit alle Satelliteninstrumente zur Erforschung atmosphärischer Spurenstoffe lediglich auf die Stratosphäre beschränkt, so ist es nun mittels des Global Ozone Monitoring Experiment möglich auch die bodennahen Luftschichten zu untersuchen. Mittels des am Bord von ERS-2 befindlichen GOME können von nun an die atmosphärischen Spurenstoffe der Troposphäre von Ozon (O3), Stickstoffdioxid (NO2), Bromoxid (BrO), Chlordioxid (OClO), Formaldehyd (HCHO), Schwefeldioxid (SO2), Wasserdampf (H2O) sowie Sauerstoff (O2) gemessen werden (siehe Abbildung 2. im Anhang). Die zu erforschenden Spurenstoffe werden mittels eines passiven Spektrometers im ultravioletten und im sichtbaren Spektralbereich in Nadirrichtung kenntlich gemacht. Hierbei operiert das GOME im vierkanaligen Wellenlängenbereich von 240 bis 790 nm bei einer hohen spektralen Auflösung von 0,2 bis 0,4 nm. Die hohe spektrale Auflösung ermöglicht es, die vielen schon zuvor genannten Spurenstoffe in der Atmosphäre nachzuweisen. Insbesondere können erstmals durch das neuartige Spektrometer alle drei relevanten Absorptionsbanden von Ozon abgedeckt werden. In einem Abstand von allen drei Tagen kann mittels GOME eine komplette Ozonwetterkarte erstellt werden, die aneinandergereiht im Zeitrafferfilm das dramatische Ausmaß des jährlichen Ozonlochs visualisiert. Hierzu werden täglich etwa 80.000 Einzelspektren aufgenommen, die jeweils 320 x 40 km2 große Bereiche der Erdoberfläche überdecken.⁸

Mit dem aktiven Mikrowellensensor, dem Wind Scatterometer, ist es innerhalb von drei Stunden nach Erfassungszeitpunkt möglich Windgeschwindigkeiten und Windrichtungen zu messen. Hierbei erfasst das Scatterometer durch drei Antennen den Rückstreukoeffizienten in einem Raster von 25 x 25 km entlang eines 500 km breiten Streifens in einem nach vorne und hinten gedrehten Azimutwinkel von 45°. Neuerdings wird das ESR-Scatterometer vermehrt zur Extraktion von Informationen über die Bodenfeuchte in den obersten Bodenschichten herangezogen. Die erhaltenen Bodenfeuchtigkeitswerte sind ein relatives Maß des Wassergehaltes in den obersten 0,5 bis 2 cm des Bodens.⁹

Die Hauptnutzlast bei der ERS-Mission trägt insbesondere das sich an Bord befindlichen im C-Band bei 5,3 GHz arbeitende Active Microwave Instrument, welches in zwei Modi betrieben werden kann. Mittels des Wind Scatterometer erhält man Informationen über Windfelder und Meereswellen. Das Synthetic Aperture Radar liefert hingegen hoch auflösende Oberflächenaufnahmen. Das SAR sendet kurze Radarimpulse auf die Erde, die von der Erdoberfläche als reflektierender Impuls von der Antenne wieder empfangen werden. Hierbei werden Bodenaufnahmen über Land und Wasser mit einer Bodenauflösung von bis zu 30 m erstellt. Die Aufnahmen der Erdoberfläche erfolgen in einem 100 km breiten Streifen rechst zur Flugbahn in einem Abstand zum Nadir des Satelliten von 250 km mit einer Schrägansicht von 23° zur Senkrechten (siehe Abbildung 3. im Anhang).¹⁰ SAR-Aufnahmen können wegen des hohen Energiebedarfs nur für maximal zwölf Minuten pro Orbit aufgezeichnet werden. Des Weiteren muss sich der Satellit zur Datenübertragung im Empfangsbereich einer Bodenstation befinden. Zur Erdbeobachtung kann das SAR in zwei Modi betrieben werden. Im ImageMode sendet das SAR mit Radarimpulse aus, die in vertikaler Polarisation gesendet und empfangen werden. Die Auflösung beträgt hierbei 30 m bei einer Streifenbreite bis zu 100 km. Beim Image Mode handelt es sich lediglich um das Standartprodukt der ESA. Die Aufnahmen können jedoch während der Prozessierung mehrere Bearbeitungsschritte durchlaufen und somit qualitativ aufgewertet werden. Bildausschnitte können als Rohprodukt, als Single-Look-Complex Daten, welche erste Kalibrierungsschritte durchlaufen haben, als Precision-Image-Daten, die bereits entzerrt sind, oder als Geocoded-Image, die zusätzlich geokodiert sind, bestellt werden. Im zweiten Modi, dem Wave Mode, werden die identischen Streifen und dieselbe Polarisation wie beim Image Mode verwendet. Allerdings wird nicht der komplette Streifen aufgezeichnet, sondern nur kleine Teile dieses Ausschnittes in 5 x 5 km Größe. Der Vorteil dieser Aufnahmemethode liegt in den kleinen produzierten Datenmengen, die satellitenintern gespeichert werden können und somit den Datentransfer zwischen Satellit und Empfangsstation entlasten.¹¹ Der Zugriff an ERS-Radaraufnahmen wird in drei Benutzerkategorien unterschieden. Die erste Kategorie umfasst die der Wissenschaftler, denen der Datenzugriff kostenlos für Forschungszwecke zur Verfügung gestellt wird. In der zweiten Kategorie wird der Zugriff auf Informationen mit eingeschränkten Nutzungsrechten gewährt. Zu den Benutzern dieser Kategorie gehören vor allem öffentliche Einrichtungen. Alle anderen Nutzer fallen in die dritte Kategorie. Diese erhalten nur über den kommerziellen Betreiber Zugriff auf Informationen und müssen dafür den Marktpreis zahlen. Eine Archivaufnahme von ERS im Image Mode kostet zwischen 150 und 400 Euro. Für eine aktuelle Aufnahme wird für das identische Produkt bereits bis zu 600 Euro verlangt. Je nach Wunsch und Dringlichkeit werden bei Datenbearbeitungen innerhalb zwölf Stunden Aufpreise von bis zu 1.000 Euro verlangt. Wenn der Satellit zudem noch zur Datenaufnahme extra programmiert werden muss, fallen je nach Vorlaufzeit noch einmal zwischen 100 und 800 Euro an.¹²

2.2 Radar Interferometrie - Tandem Mission ERS 1 & 2/SRTM

Der parallele Einsatz von ESR 1 & 2 in den Jahren 1995/1996 ermöglichte eine neue Form der Radar-Interferometrie auszutesten. Innerhalb von nur 24 Stunden konnte über der gleichen Region in leicht unterschiedlichen Positionen und zu unterschiedlichen Zeiten das ein und dasselbe Gebiet zweimal aufgenommen werden. Mittels der Interferometrischen Daten konnten Bewegungen der Erdoberfläche und von Objekten gemessen werden. Insbesondere wurde diese Technik dazu genutzt, Erbeben und regionale Verformungen zu untersuchen, vulkanische Aktivitäten und Bewegungen von Eis und Eisschollen zu beobachten, sowie Umweltveränderungen durch Hangrutschungen und Absenkungen zu überwachen. Des Weiteren wurde es erstmals möglich, das Fließverhalten von unzugänglichen Gletschern zu ermitteln oder durch Untertagebau verursachte Erdabsenkungen zu messen (siehe Abbildung 4. im Anhang).¹³

Bereits 1994 hatte die Endeavour die Vielseitigkeit von Radaraufnahmen unter Beweis gestellt. Mit den amerikanischen Radarsystemen SIR-C und dem deutsch-italienischen Gemeinschaftsprojekt des X-SAR ausgestartet, startete die Endeavour im Frühling und Herbst für jeweils elf Tage in den Orbit. Um anschließend ein dreidimensionales Bild erstellen zu können, kombinierten die Wissenschaftler deshalb einfach die zwei unterschiedlichen Radarbilder desselben Gebietes miteinander. Bei der im Jahre 2000 folgenden elftägigen Shuttle Radar Topography Mission war es erstmals möglich eine einheitliche dreidimensionale Darstellung der Erdoberfläche zu erzeugen. Ziel der Mission war die nahezu gesamte Landmasse der Erde zwischen dem 60° nördlicher und dem 56° südlicher Breite zu vermessen. Das SIR tastete die Erde in einem 225 km breiten Streifen ab und erreichte somit das zuvor angestrebte Ziel. Das SAR nahm hingegen nur in 50 km breiten Streifen die Erdoberfläche auf. Hierbei wurden lediglich 40 % der überflogenen Landmassen erfasst.

[...]

¹ European Aeronautic Defence and Space Company (2006): 15 Jahre ERS-1 - Umweltforschung mit EADS SPACE.

² vgl. Bernd Leitenberger (o. J.): Zivile Radar Erderkundungssatelliten.

³ vgl. Ebd..

⁴ vgl. Lexikon der Fernerkundung (o. J.): Radar Altimeter.

⁵ vgl. European Space Agency (2006): MWS: Microwave Sounder.

⁶ vgl. Informationsdienst Wissenschaft (1995): PRARE auf dem europäischen Fernerkundungssatelliten ERS-2.

⁷ European Space Agency (2002): The ERS Mission.

⁸ vgl. Ruprecht Karls Universität Heidelberg (2001): GOME - Unbestechliches Auge im All.

⁹ vgl. Lexikon der Fernerkundung (o. J.): Scatterometer.

¹⁰ vgl. Rheinische Friedrich-Wilhelms-Universität Bonn (o. J.): Fernerkundung mit Radarinterferometrie.

¹¹ vgl. Ludwig-Maximilians-Universität München (2006): Nutzung satellitengestützter SAR-Daten und des CMOD4-Modells zur Untersuchung des lokalen Windfeldes in der Umgebung von Offshore-Windparks.

¹² vgl. Geoserve (2004): ERS-SAR Preise.

¹³ European Aeronautic Defence and Space Company (2006): 15 Jahre ERS-1 - Umweltforschung mit EADS SPACE.