Weltraum

Überwachung des erdnahen Weltraums durch ein Radarnetzwerk

Verkleinerung des Radarrückstreuquerschnitts (in dB), ab dem Objekte detektierbar werden, durch die zusätzliche Verwendung von bistatischen Signalpfaden in dem dargestellten Netzwerk.
© Fraunhofer FHR

Verkleinerung des Radarrückstreuquerschnitts (in dB), ab dem Objekte detektierbar werden, durch die zusätzliche Verwendung von bistatischen Signalpfaden in dem dargestellten Netzwerk.

Sende-Sichtfelder, Orbits und Detektionspunkte für drei beispielhaft gewählte Objekte.
© Fraunhofer FHR

Sende-Sichtfelder, Orbits und Detektionspunkte für drei beispielhaft gewählte Objekte.

Mit Unterstützung des DLR Raumfahrtmanagements erarbeitet das Fraunhofer FHR Konzepte für die Überwachung des erdnahen Weltraums durch ein Netzwerk von Radarsystemen. Dabei analysieren die Wissenschaftler die Leistungsfähigkeit verschiedener Konzepte und suchen Lösungsansätze für erwartete technische Herausforderungen.

Unsere moderne Gesellschaft verlässt sich immer mehr auf die Nutzung des erdnahen Weltraums, beispielsweise für satellitenbasierte Kommunikationsdienste und Erdbeobachtung. Unter anderem als Folge dieser intensiven Nutzung steigt die Anzahl von sogenannten Weltraumtrümmern - auch als space debris bezeichnet - immer weiter an. Zu Weltraumtrümmern gehören ausgediente Oberstufen von Trägerraketen, mittlerweile nicht mehr funktionsfähige Satelliten, Rückstände von Raketentreibstoffen und kleine Teile, die sich von Satelliten gelöst haben. Insbesondere die Kollision zwischen den zwei Satelliten Iridium 33 und Cosmos-2251 im Jahr 2009 und die absichtliche Zerstörung eines Satelliten im Jahr 2007 haben stark zur Population der Weltraumtrümmer beigetragen.

Weltraumtrümmer stellen für die Nutzung des erdnahen Weltraums ein Risiko dar, denn: Eine Kollision eines Trümmerteils mit einem Satelliten kann - aufgrund der hohen Geschwindigkeiten selbst bei relativ kleinen Trümmerteilen - zur Zerstörung des Satelliten führen. Unter anderem wegen dieser Problematik ist in den letzten Jahren klar geworden, wie wichtig Kenntnisse über die Population von Satelliten und Trümmern sind. Dieses Wissen kann genutzt werden, um Ausweichmanöver von Satelliten zu planen, wodurch das Risiko einer Kollision gesenkt wird.

Vor diesem Hintergrund hat das DLR Raumfahrtmanagement (DLR-RFM) das Fraunhofer FHR damit beauftragt, das System GESTRA zu entwickeln. Durch GESTRA soll in Deutschland erstmals die Fähigkeit geschaffen werden, radarbasiert in großem Maßstab den erdnahen Weltraum (erdnahe Umlaufbahnen) nach Trümmerteilen und Satelliten sowohl abzusuchen als auch die Bahnen entdeckter Objekte zu bestimmen.

Am Fraunhofer FHR denken die Wissenschaftler über das System GESTRA hinaus an eine Zukunft, in der ein Netzwerk von Radarsystemen gemeinsam den erdnahen Weltraum nach Trümmerteilen und Satelliten absucht und die Bahnen dieser Objekte bestimmt. Dies geschieht in dem vom DLR-RFM geförderten und bis in das Jahr 2019 laufenden Vorhaben »Ein Netzwerk von Radaren mit Gruppenantenne für die Weltraumüberwachung«.

Dabei untersuchen die Wissenschaftler verschiedene, übergeordnete Fragestellungen: Ist es sinnvoll, die Radarsysteme des Netzwerks in unmittelbarer Nähe anzuordnen, also in einem Abstand in der Größenordnung von einigen 100 Metern? Solch ein Netzwerk bezeichnen wir als ein »lokales Radarnetzwerk«. Oder ist es vorteilhafter, die Radarsysteme über mehrere 100 km oder gar 1.000 km zu verteilen? Darunter verstehen die Forscher ein »Netzwerk mittlerer Ausdehnung«. Beide Ansätze weisen ihre eigenen Vorteile auf: In einem lokalen Netzwerk können aufgrund der räumlichen Nähe die Daten der Empfänger besonders elegant miteinander kombi-niert werden, um so auch in Hinblick auf die Rückstreuung von Radarsignalen besonders kleine Objekte entdecken zu können. Ein Netzwerk mittlerer Ausdehnung wird den Vorteil bieten, Daten aus verschiedenen Blickrichtungen zu erlangen. Durch die Kombination dieser Daten ist zu erwarten, dass Positionen und Geschwindigkeiten genauer vermessen werden können.

Um diese unterschiedlichen Stärken miteinander zu vergleichen, führen die Forscher Performanz-Untersuchungen durch. Dabei modellieren sie zum einen die radartypischen Kenngrößen eines Radarnetzwerks, wie Entdeckungswahrscheinlichkeiten und Schätzgenauigkeiten. Letztendlich entscheidend ist aber die Fähigkeit zur Bahnbestimmung. Deswegen ist es Teil des Vorhabens, simulativ für verschiedene Konzepte von Radarnetzwerken die resultierende Genauigkeit der Bahnbestimmung zu ermitteln, um so die vielversprechendsten Ansätze zu identifizieren.

Abbildung 1 zeigt ein Ergebnis dieser Performanz-Untersuchungen. Dargestellt wird, wie viel besser ein Objekt in einer Höhe von 700 km - unter bestimmten Annahmen - durch ein beispielhaftes Radarnetzwerk entdeckt wird, wenn zusätzlich zu den drei monostatischen Signalpfaden auch bistatische Signalpfade ausgewertet werden. Die Standorte der einzelnen Radarsysteme im Netzwerk sind durch schwarze Punkte markiert. Abbildung 2 stellt den Abdeckungsbereich desselben Netzwerks dar und simulierte Zielentdeckungen, die als Eingangsgrößen für eine Bahnbestimmung dienen.

Über die Performanz-Untersuchung hinaus, führen die Wissenschaftler auch erste Untersuchungen bezüglich einer technischen Umsetzung und möglicher dabei auftretenden technischen Herausforderungen durch. Insbesondere betrachten sie die Synchronisation der Teilsysteme, die Gestaltung der Datenverarbeitung im lokalen Netzwerk und die Umsetzung der Auswertung von bistatischen Signalpfaden in einem Netzwerk mittlerer Ausdehnung.