Weltraum

Weltraumüberwachung mit GESTRA

Mechanisches Modell der in den 3D-Positionierer integrierten Phased-Array-Antenne
© Foto Fraunhofer FHR

Mechanisches Modell der in den 3D-Positionierer integrierten Phased-Array-Antenne

Flüssigkeitsgekühltes Hochleistungs-Sendemodul zur Integration in ein λ/2-Raster
© Foto Fraunhofer FHR

Flüssigkeitsgekühltes Hochleistungs-Sendemodul zur Integration in ein λ/2-Raster

Kohärente Signalgenerierungseinheit zur globalen Systemsignal-Verteilung.
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Kohärente Signalgenerierungseinheit zur globalen Systemsignal-Verteilung.

Radargestützte Weltraumüberwachung ist aufgrund der zunehmenden Nutzung des erdnahen Weltraums ein Thema hoher Aktualität und Wichtigkeit – das Raumfahrtmanagement des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt hat das Fraunhofer FHR beauftragt, einen leistungsfähigen Sensor bereitzustellen.

Aktuelle Bedrohungssituation

Unsere Gesellschaft stützt sich zunehmend auf die Nutzung des erdnahen Weltraums – so befindet sich dort inzwischen eine Vielzahl von Satelliten mit Nutzlasten unter anderem für die Telekommunikation, Navigation und wissenschaftliche Erdbeobachtung. Inhärent verbunden mit dem stetigen Ausbau dieser Infrastruktur ist zurzeit aber auch ein dramatischer Zuwachs an funktionslosen Objekten, wie z. B. ausgedienten Satelliten, ausgebrannten Raketenstufen und Trümmerteilchen festzustellen. Die Gefährdungslage der Infrastruktur im erdnahen Weltraum ist in eine kritische Phase eingetreten, da die Wahrscheinlichkeit der Zerstörung operationeller Systeme aufgrund von Kollisionen mit diesen Weltraumtrümmern einen kritischen Wert erreicht hat.

Schätzungen gehen von inzwischen über 20.000 Objekten mit einer Größe von mehr als zehn Zentimetern und von über 700.000 Objekten mit einer Größe von mehr als einem Zentimeter aus. Aufgrund der hohen Geschwindigkeiten im Orbit von durchschnittlich 25.000 km/h sind dies allesamt äußerst gefährliche Geschosse, die aktive Satelliten bei Kollisionen erheblich beschädigen oder gar zerstören. Darüber hinaus kann sich die Population der Weltraumtrümmer durch Eigenkollisionen wie bei einem Schneeballeffekt rapide vergrößern und die Nutzung des erdnahen Weltraums damit auf sehr lange Zeit hin unmöglich machen.

Da einer aktiven Reduktion der Weltraumtrümmerpopulation aktuell noch erhebliche technologische und wirtschaftliche Herausforderungen entgegenstehen, verbleibt als außerordentlich wichtige Maßnahme zum Erhalt der Betriebsfähigkeit der Infrastruktur im erdnahen Weltraum der Aufbau eines Bahndatenkatalogs möglichst aller gefährdenden Objekte dort. Auf Basis einer hinreichend präzisen Kenntnis dieser Bahndaten können Satellitenbetreiber dann einzelfallweise mit Hilfe von Ausweichmanövern ihre Infrastruktur vor Kollisionen schützen.

Internationale Anstrengungen

Der Aufbau und die Pflege eines solchen Katalogs erfordert eine über den Globus verteilte und zeit-kontinuierliche Überwachung einer sich stetig verändernden Trümmerpopulation. Neben einer optischen Beobachtung insbesondere von Objekten im geostationären Orbit ist eine radarbasierte Sensorik die Methode der Wahl zur Überwachung von Objekten und Trümmerteilen in niederigeren Orbits, wie z. B. dem LEO-Bereich (low earth orbit).

Weltweit haben sich Staaten, Staatenverbünde und Organisationen in verschiedener Intensität bereits dieser Aufgabe angenommen. Beispielhaft erwähnt seien hier das französische bistatische System GRAVES, das noch einen relativ kleinen Katalog führt, das englische Phased-Array-System Fylingdales, das im Allied Space Surveillance Network eingebunden ist, und vor allem das US-amerikanische Space Surveillance Network. Dieses aus mehreren Sensoren bestehende und sehr leistungs-fähige Netzwerk umfasst unter anderem das AN/FPS-85 Phased-Array-Radar in Florida mit einer Antennenapertur von mehreren hundert Quadratmetern. Hinzukommen wird der so genannte Space Fence auf den Marshall-Inseln, der einmal deutlich über hunderttausend Objekte im Katalog führen soll.

Um in dieser weltumspannenden Aufgabe ebenfalls einen Beitrag zu leisten, hat im Jahr 2009 die europäische Weltraumagentur ESA im Rahmen eines Vorbereitungsprogramms den Bau eines Phased-Array-basierten Demonstrators zur Weltraumüberwachung in Auftrag gegeben. Dieser wurde durch die spanische Firma INDRA und das Fraunhofer FHR erfolgreich aufgebaut und 2012 der ESA übergeben. Der Auftragsanteil des FHR betrug 1,4 Mio Euro.

Nationaler Beitrag

Auch in Deutschland ist die Wichtigkeit des Themas erkannt: Gemäß der Raumfahrtstrategie der Bundesregierung ist der Aufbau einer nationalen Kompetenz zur Erfassung und Bewertung der Weltraumlage von großer Bedeutung. Dies findet unter anderem Ausdruck darin, dass seit einigen Jahren intensiv am Auf- und Ausbau des Weltraumlagezentrums in Uedem gearbeitet wird.

Das Weltraumlagezentrum wird gemeinsam durch die Luftwaffe und das Raumfahrtmanagement des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR-RFM) betrieben und hat in der bodengestützten Überwachung des erdnahen Weltraums mittels Radarsensorik noch keinen proprietären Sensor im Zugriff. Der Aufbau und die Weiterentwicklung eigener operationeller Fähigkeiten auf zur Verfügung gestellten Beobachtungsdaten von Dritten macht indes wenig Sinn, so dass die Entwicklung und Realisierung eines nationalen Radar-Sensor-Assets nur folgerichtig scheint.

Aufgrund der hervorragenden Expertise des Fraunhofer FHR in den Bereichen Phased-Array-Radare und bodengestützter Luft- bzw. Weltraumüberwachungssensorik hat das Raumfahrtmanagement des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt Ende 2014 das Institut beauftragt, einen leistungsfähigen experimentellen Sensor zur Überwachung des erdnahen Weltraums aufzubauen.

Der Sensor GESTRA (German Experimental Surveillance and Tracking Radar) soll bis Mitte 2018 fertiggestellt werden und dann durch das Weltraumlagezentrum im Remote-Betrieb auf einem Bundeswehr-Standort eingesetzt werden. Das Projektvolumen für das Fraunhofer FHR umfasst einen Betrag von 24,9 Mio Euro.

Realisierung von GESTRA am Fraunhofer FHR

Der Experimentalsensor GESTRA wird quasi-monostatisch aufgebaut, also eine Sendeeinheit und eine örtlich gering davon abgesetzte Empfangseinheit aufweisen. Diese Einheiten werden in zwei je 18 x 4 x 4 Kubikmeter großen Containern teilortsfest integriert, so dass GESTRA bei sich verändernden operationellen Randbedingungen einen relativ einfachen Standortwechsel zulässt.

Der Sensor arbeitet im sogenannten gepulsten Betrieb im L-Band und wird Weltraumobjekte in Bahnhöhen zwischen 300 km und 3000 km überwachen. Hierbei können verschiedene flexible und innovative Überwachungs- und Bahnverfolgungsmodi verwendet werden.

Diese Modi können sich in einzigartiger Weise auf einer sowohl mechanischen als auch elektronischen Strahlschwenkung abstützen. Daher werden in der Sende- und in der Empfangseinheit Phased-Array-Antennen eingesetzt, die auf 3D-Positionierern montiert sind. Mit Hilfe der 3D-Positionierer kann z. B. das aktuell zu untersuchende Himmelsareal ausgewählt werden. Mit Hilfe der Phased-Array-Antennen lassen sich dann die Antennenkeulen elektronisch und damit trägheitslos im Millisekundenbereich in beliebige Richtungen im vorgewählten Areal schwenken. Simultane Mischungen beider Aspekte, beispielsweise bei so genannten Track-while-Scan-Modi, sind ebenfalls denkbar.

Die Realisierung von GESTRA beruht in großen Teilen auf der Methodik des software defined radar. So lassen sich wesentliche Eigenschaften des Radars auf Software-Ebene an geänderte Betriebsbedingungen anpassen und damit die Flexibilität nachhaltig erhöhen. In diesem Zusammenhang besonders erwähnenswert ist die Tatsache, dass die 256 Antennenelemente in der Empfangsapertur je eigenständig direkt am Einzelelement abgetastet werden. Aus diesem hochratigen digitalen Datenstrom können dann mit Hilfe ausgeklügelter Algorithmen und leistungsstarker Prozessoreinheiten in Echtzeit mehrere Antennenkeulen gleichzeitig synthetisiert werden, so dass das Radar sogar simultan in verschiedene Himmelsrichtungen blicken kann – man nennt diese Methode auch Digitale Mehrfachkeulenbildung.

Dass GESTRA als Experimentalsensor bezeichnet wird, deutet auf seinen späteren Einsatz in einem Umfeld mit noch anzuwachsender Expertise in operationeller Sicht hin.

Der Sensor selbst wird die hohen Anforderungen hinsichtlich Qualitätsmanagement, Qualitäts- und Produktsicherung und Systemverifikation erfüllen, die das DLR-RFM als Auftraggeber zahlreicher professioneller Raumfahrt-bezogener Programme und Missionen auch für dieses Projekt stellt. Dazu berücksichtigt das Fraunhofer FHR bei der Projektbearbeitung eine Vielzahl normativer Randbedingungen, die sich aus DLR-internen Regularien und den ECSS-Standards der europäischen Raumfahrtagenturen ableiten.

Ausblick

Nach der erfolgreichen Abnahme des Preliminary Design Review (PDR) Mitte 2015 fokussieren sich die Arbeiten nun auf das Critical Design Review (CDR). Das Projekt ist aktuell zeitlich und budgetär im Plan, so dass mit der vorgesehenen Übergabe des Sensors in 2018 nicht nur das Weltraumlagezentrum einen leistungsstarken Radarsensor zur Weltraumüberwachung im Zugriff hat, sondern auch weitere Forschungseinrichtungen in Deutschland Daten zur wissenschaftlichen Bearbeitung zur Verfügung gestellt bekommen werden. Für die wissenschaftliche Community ergibt sich hierdurch ein großes Potential intensiver Kooperation und Vernetzung.

Im Blick auf die weitere Entwicklung der nationalen und internationalen Weltraumüberwachung lässt sich abschließend feststellen, dass das Konzept von GESTRA, die Überwachungsleistung betreffend, inhärent skalierbar ist und sich in weitere Ausbaustufen eines Radarsensor-Netzwerks hervorragend integrieren lässt.