Weltraum

WELTRAUMÜBERWACHUNG MIT GESTRA

Die hohe Abhängigkeit der Gesellschaft von der raumgetragenen Infrastruktur erfordert eine lückenlose operationelle radargestützte Weltraumüberwachung. Als ersten Baustein zu der dazu notwendigen Sensorsuite beauftragte das Raumfahrtmanagement des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt das Fraunhofer FHR mit der Entwicklung, dem Aufbau und dem Test eines leistungsfähigen Phased Array-Radars hoher Reichweite. Dieser als wissenschaftlicher Demonstrator konzipierte Sensor bildet die Basis für zukünftige wissenschaftliche Untersuchungen im Rahmen der Kooperationen beteiligter Institutionen.

Rückseite des Antennenviertels mit übergroßer Backplane-Platine.
© Fraunhofer FHR

Rückseite des Antennenviertels mit übergroßer Backplane-Platine.

Hochleistungs-Sendemodul.
© Fraunhofer FHR

Hochleistungs-Sendemodul.

Engineering-Modell der Phased Array Antenne mit Positionierer und Interfacebox.
© Fraunhofer FHR

Engineering-Modell der Phased Array Antenne mit Positionierer und Interfacebox.

Forderungen an den Radarsensor

Die Überwachung des niedrigen Erdorbits bis zu 3.000 km Bahnhöhe mit dem Ziel der Detektion aller Objekte und Trümmerteile mit möglichst niedrigem Radarquerschnitt lässt sich nur mit einem Phased Array-basierten Radarsystem höchster Leistungsfähigkeit realisieren. Detektierte Objekte werden in einem Track-while-Scan-Mode mit speziellen Track-Beams verfolgt, um anhand der erzeugten sogenannten Tracklets Basisinformationen für die Beschreibung der jeweiligen Bahn zu generieren. Damit kein detektierbares Objekt im Beobachtungsvolumen unentdeckt bleibt, bedarf es einer fein optimierten Strategie aus Wahl der Wellen- und Keulenformen kombiniert mit der Ausrichtung der Sende- und Empfangskeulen in Abhängigkeit der zeitlichen Randbedingungen, die sich aus den hohen Geschwindigkeiten der Trümmerteile ergeben.

Der Radarsensor soll für einen experimentellen Betrieb von mindestens 12 Jahren ausgelegt werden und nach entsprechenden Produktsicherungsforderungen des Auftraggebers konzipiert, entwickelt und aufgebaut werden. Da der Aufstellungsort des Radars mit Hinblick auf zukünftige Systemerweiterungsmöglichkeiten flexibel sein soll, ist ein teilmobiler Aufbau des Sensors gefordert.

Realisierung des GESTRA-Systems am Fraunhofer FHR

Aus Gründen der hohen Sendeleistung wird das System quasi-monostatisch ausgelegt, d. h. das Sendesystem und das Empfangssystem werden jeweils in einen eigenen Container mit 18 x 4 x 4 m3 Größe integriert und in einem Abstand von ca. 100 m aufgestellt. Um über den elektronischen Keulen-Schwenkbereich hinaus für bestimmte Modi besondere Überwachungsbereiche auswählen zu können, werden beide planaren Phased Array-Antennen auf 3-Achsen-Positionierern mit großem Drehwinkelbereich montiert. Zu Wartungs- und Transportzwecken erlaubt ein Schwerlast-Scherenhubtisch das Verfahren der 24 Tonnen schweren Antennen/Positonierereinheit aus dem Inneren heraus in die operationelle Position oberhalb des Containers. Speziell angefertigte Radome mit niedrigster Einfügedämpfung bilden den Wetterschutz für diese Antennen.

Beide Antennenaperturen bestehen aus 256 aktiven Cavity-backed stacked-Patchantennen in kreisförmiger Anordnung, wobei die Sendeeinzelstrahler mit linearer Polarisation angeregt werden und die Empfangseinzelelemente mit doppelter Polarisation ausgeführt sind. Die Antennenplatten tragen auf der Rückseite die den Einzelelementen zugeordneten Sendemodule bzw. die Empfangsmodule, angeordnet auf sogenannten Planks. Diese Subeinheiten bestehend aus 3 bzw. 4 Modulen, den zugehörigen Steuereinheiten und den dezentralen Stromversorgungseinheiten erlauben eine vereinfachte Wartung des Antennenfrontends. Die Planks werden durch übergroße Backplane-Platinen mit elektrischer Energie und Steuersignalen gespeist.

 

Für das Sendesystem wurden gepulste Sendemodule mit einer hohen Pulsleistung und einem an die Wellenformen angepassten Pulspausenverhältnis entwickelt. Die verfügbare Bandbreite übersteigt 100 MHz im L-Band unter Einhaltung der ITU-Forderungen bzgl. Außenbandabstrahlung. Die notwendige Flüssigkeitskühlung der Module erfolgt über ein Wasserverteilnetzwerk, welches sowohl in den einzelnen Plankplatten als auch in der Antennenplatte mit drei Meter Durchmesser integriert ist. Hochleistungskondensatoreinheiten auf den Sendeplanks ermöglichen die notwendige Energiespeicherung zur Abstrahlung der langen Sendepulse. Die resultierende hohe Gesamtkühlleistung im Container wird in einem auf Basis zweier leistungsfähiger Kompressoren entwickelten Kaltwassersatzes innerhalb des Primärkühlkreislaufes umgesetzt und mittels Lüftereinheiten an die Außenumgebung überführt. Ein zusätzlicher ölfreier Kompressor durchspült alle 32 dezentralen 8kW-DC/DC-Wandler von 700 V auf 51 V in der Antenne mit Kühlluft. Die Versorgung des Positionierer/Antennenfrontends mit den notwendigen ca. 92 Wasserschlauch-, Hochleistungskabel-, Druckluft-, Hochfrequenz- und Steuerleitungsverbindungen erfolgt über eine Energiekette, welche in den Positionierer integriert wird und die weitwinklige mechanische Azimut-, Elevations- und Polarisationsdrehung der Antenne erst ermöglicht.

Das Empfangssystem verfügt über eine identische Flüssigkeitskühlung, um eine niedrige Rauschzahl des Systems unabhängig von den Umgebungstemperaturen zu gewährleisten. Es beruht auf dem „Software Defined Radio“-Prinzip mit Abtastung des Empfangssignals an jedem Element auf der Trägerfrequenzebene. Das zugehörige Empfangsmodul enthält zwei identische analoge Mikrowellenvorverstärkungspfade mit einstellbarer Verstärkung und Filtermittenfrequenz. Der Doppelkanal-A/D-Wandler mit 12 Bit führt die digitalisierten Empfangssignale der beiden Polarisationen dem zentralen FPGA zu. Die hierin implementierte programmierbare Firmware erlaubt die digitale Abwärtsmischung, Basisbandfilterung und erste Beamforming-Bewertungsstufe. Auf diese Weise ist die Betriebsfrequenz des Radars flexibel programmierbar. Die optischen digitalen Ausgänge aller 256 Empfangssignale werden innerhalb einer Beamformerplatine zusammengefasst und ergeben die in Form und Richtung frei programmierbaren Empfangsdiagramme der Empfangsantenne. Nur durch diese digitale Mehrfachkeulenbildung in Kombination mit einer künstlichen Sendekeulenaufweitung lassen sich die zeitlichen Forderungen der Raumüberwachung in vorgegebenem Volumen erfüllen. Um die Detektionsleistung des Radarsystems über die mit Sendeleistung und Rauschzahl definierten Grundparameter hinaus zu erhöhen, erfolgt eine S/N-steigernde Signalverarbeitung mehrerer empfangener Radarpulse. Die hierzu notwendige aufwendige Signalalgorithmik wird in einem leistungsstarken Parallelrechnersystem, dem sogenannten Radarprozessor, mit 40 kW Verlustleistung implementiert.

Der zukünftige Betrieb des GESTRA-Systems mittels Fernbedienung aus dem Weltraumlagezentrum heraus erfordert eine ständige Überwachung aller systemrelevanten Subsysteme und Prozesse sowie aller Komponentenzustände. Mehr als 2.000 Sensoren überwachen Temperaturen, Luftfeuchtigkeit, Luft- und Wasserdruck, Kühlflüssigkeitsdurchflüsse und Ströme in beiden Containern, um jederzeit einen sicheren Radarbetrieb garantieren zu können, bzw. rechtzeitig abzuschalten. Einschließlich der gesamten Betriebsinfrastruktur belaufen sich die Gewichte der beiden Container auf jeweils ca. 90 Tonnen.

Die Absicht, das System langfristig einzusetzen, erklären die detaillierten Vorgaben des Auftraggebers DLR-RFM hinsichtlich Einhaltung dezidierter Standards bezüglich Produktsicherung und Qualitätsmanagement, Dokumentation und Verifikation, welche aus den ECSS-Standards der europäischen Raumfahrtagenturen abgeleitet wurden.

Ausblick

Im November 2016 absolvierte das Fraunhofer FHR erfolgreich das Critical Design Review des GESTRA-Systems. Folglich können nun alle beschriebenen Subsysteme realisiert werden und die zugehörigen Firmware-Fassungen und Algorithmen optimiert werden. Im März 2017 beginnt die Integration der Subsysteme in die beiden Container mit anschließender Verifikation aller Monitoring- und Steuerungsaufgaben. Die Übergabe des Radarsystems an das Weltraumlagezentrum in Uedem ist im Jahr 2018 vorgesehen.