Weltraum

Neue Ansätze zur Erfassung der Weltraummüllumgebung

Stichprobengröße relativ zum BPE mit fest stehender, nach Osten ausgerichteter Antenne.
© Foto Fraunhofer FHR

Stichprobengröße relativ zum BPE mit fest stehender, nach Osten ausgerichteter Antenne.

Vergleich zwischen gemessenen (TIRA) und simulierten (PROVE) Beobachtungsdaten.
© Foto Fraunhofer FHR

Vergleich zwischen gemessenen (TIRA) und simulierten (PROVE) Beobachtungsdaten.

Aktuelle Schätzungen gehen davon aus, dass mehr als 200.000 Objekte größer 2 cm die Erde umkreisen. Bei einer typischen Messkampagne zur Erfassung und Charakterisierung von kleinteiligen Weltraumtrümmern, wie sie regelmäßig mit TIRA des Fraunhofer FHR durchgeführt wird, können etwa 2% dieser Objekte detektiert werden. Das Fraunhofer FHR untersucht neue Ansätze, um den Informationsgehalt und die Effizienz solcher Messungen zu erhöhen.

Radare werden seit Anbeginn der Raumfahrt eingesetzt, um die Umlaufbahnen von Objekten um die Erde zu bestimmen. Doch sensorielle Messwerte weichen aufgrund statistischer und systematischer Fehler stets von der Realität ab. Dies führt zu einer Begrenzung der erzielbaren Genauigkeit bei der Bahnbestimmung. Am Fraunhofer FHR wurde im vergangenen Jahr das Software-Tool PROVE (Program for Radar Observation Vector Estimation) zum Simulieren von Beobachtungsvektoren für monostatische Pulsradare mit Parabol- oder Gruppenantenne entwickelt. PROVE soll hauptsächlich bei der Entwicklung neuer Radarsysteme zum Einsatz kommen. Daher wurden zunächst nur die wesentlichen Fehlergrößen modelliert, welche bei vorgegebenen Systemparametern die Beobachtungsvektoren beeinflussen. Zur Verifikation des gewählten Ansatzes wurden in einem ersten Schritt Messungen mit dem TIRA-Zielverfolgungsradar mittels PROVE nachsimuliert. Um objektabhängige Fluktuationen der Messwerte auszuschließen, wurde der Radarkalibrationssatellit LCS-4 mit TIRA vermessen. LCS-4 weist aufgrund seiner Kugelform und Beschaffenheit einen vom Apsektwinkel nahezu unabhängigen Radarrückstreuquerschnitt auf. Abbildung 2 zeigt dabei sowohl für Entfernung und Dopplerfrequenz als auch für die Ablage der Beobachtungsvektoren von der Antennenachse bereits eine gute Übereinstimmung zwischen Messung und Simulation, was die prinzipielle Korrektheit des gewählten Modellierungsansatzes bestätigt. PROVE kann unter anderem auch dazu verwendet werden, um die Effektivität neuer Betriebsmodi zur Detektion von Weltraummüll mittels TIRA zu untersuchen.

Lücken schließen

Zur Charakterisierung der Weltraummüllsituation in Bahnhöhen zwischen 200 km und 2000 km sind leistungsstarke Radare erforderlich. Seit 1993 werden daher solche Messungen mit TIRA als Beampark-Experimente (BPE) im Auftrag der ESA durchgeführt. Regelmäßige Messungen dieser Art (i. d. R. jährlich) sind ferner für die Überprüfung und Kalibrierung der statistischen Verteilungsmodelle notwendig.

Die Antenne wird für die BPE nach Osten und mit hoher Elevation ausgerichtet. Dann werden 24 Stunden lang alle Objekte ab einer bestimmten Größe erfasst, welche in einem vorab festgelegten Entfernungsbereich durch die Antennenkeule fliegen. Da bei der Ausrichtung der Antenne in östlicher Richtung nur Bahnen mit einer Inklination (Neigung der Bahn- gegenüber der Äquatorebene) von über 50° beobachtet werden können, wurde im Dezember 2015 erstmalig ein BPE mit nach Süden ausgerichteter Antenne bei niedriger Elevation durchgeführt, was dann die Beobachtung von Objekten auf Bahnen mit einer Inklination unter 50° ermöglichte. Die hierbei aufgenommenen Daten werden derzeit ausgewertet.

Effizienz steigern

Weitere Modifikationen für BPEs werden derzeit untersucht, um bei unveränderter Beobachtungsdauer eine Vergrößerung der erzielbaren Stichprobe oder eine Verbesserung der aus den Beobachtungen ableitbaren Bahnparameter zu erreichen. Zum Vergrößern der Stichprobe wurde eine Betriebsart analysiert, bei der die Antennenachse nicht statisch auf eine vorgegebene Blickrichtung ausgerichtet ist, sondern um diese mit konstanter Winkelgeschwindigkeit rotiert. Die bereits erwähnte PROVE-Software wurde erstmalig eingesetzt, um die Abhängigkeit zwischen der Rotationsgeschwindigkeit der Antenne und der Stichprobengröße (Anzahl der erfassbaren Objekte) zu untersuchen. Es konnte gezeigt werden, dass im Vergleich zum statischen BPE bei einer Scan-/Rotationsrate der Antenne von mehr als 2 Hz die Stichprobengröße nahezu verdoppelt werden kann (siehe Abbildung 1). Berücksichtigt man zusätzlich die mechanischen Belastungsgrenzen des TIRA-Antennensystems, welche die Scanrate auf unter 0,4 Hz beschränken, so ist eine Stichprobenerhöhung um den Faktor 1,7 erreichbar (Abbildung 1, Mitte). Im Vergleich zu einem statischen BPE mit nach Süden ausgerichteter Antenne sogar um den Faktor 1,8.

Ausblick

Durch die stetig wachsende Population an Weltraummüll steigen auch die Anforderungen an die Qualität der Messungen. Die aktuellen Arbeiten tragen dazu bei, dass sich das Fraunhofer FHR auch in Zukunft weiterhin zu den weltweit führenden Einrichtungen im Bereich Charakterisierung der Weltraummüllumgebung zählen kann.

Autor: Dr.-Ing. Sven K. Flegel