Fraunhofer-Institut für Hochfrequenzphysik und Radartechnik FHRAussagekräftigere Bilder von Weltraumobjekten und verbesserte Schätzungen des Zustandes der herumschwebenden Trümmer: das ist das Ziel einer Forschungsstudie am Fraunhofer FHR. Das Weltraumbeobachtungsradar TIRA (Tracking und Imaging Radar) wird darin von einem monostatischen System zu einem experimentellen multistatischen Netzwerk erweitert.
Als Partner von Raumfahrtagenturen, Satellitenbetreibern und Sicherheits- und Verteidigungsbehörden mit Weltraumbezug liefert TIRA unter anderem hochaufgelöste Radaraufnahmen und Analysen von Weltraumobjekten. Durch die Erweiterung zu einem multistatischen Netzwerk mit räumlich getrennten Empfangsstandorten, sollen diese Daten noch präziser werden. Die Forschenden erwarten durch die damit entstehenden langen Basislinien unterschiedliche Bildprojektionen. So können bisher verdeckte oder mehrdeutige Strukturen der Objekte sichtbar werden. Neue, linienbasierte Auswerteverfahren ermöglichen eine verbesserte Schätzung von 3D-Form, Spin und Lage nicht-kooperativer Objekte wie Weltraumschrott.
Räumlich getrennte Empfangsstandorte verbessern ISAR-Bildgebung
Im Rahmen der von der WTD 81 geförderten Forschungsstudie „TIRA Multistatic“ untersuchen und demonstrieren die Forschenden des Fraunhofer FHR multistatische Radarbildgebung im Inverse Synthetic Aperture Radar (ISAR) Verfahren mit großen Basislinien. Die Studie erfolgt in Kooperation mit dem französischen Forschungsunternehmen ONERA.
Konkret sendet TIRA Hochbandbreiten-Signale im Ku‑Band (sowie L‑Band für Tracking) in den Orbit, während entfernte Stationen im Radarverbund die Echos empfangen. Die erste Station ist PRISME von ONERA, weitere Empfangsantennen könnten folgen.
Die auf diese Weise entstehenden langen Basislinien führen zu unterschiedlichen Sichtlinien und damit zu verschiedenen Projektionsflächen der ISAR-Bilder. Dies bietet die folgenden Vorteile:
- Erhöhung der Beobachtungsdiversität
- Verbesserung der geometrischen Aussagekraft und
- Steigerung der Interpretierbarkeit der bistatischen Bilder
Neue Mess- und Auswerteketten für multistatisches Radar-Imaging-Netzwerk
Die räumliche Diversität über große Entfernungen in multistatischen Radarnetzwerken stellt hohe Anforderungen an Synchronisation, Bahnverfolgung, Geolokalisierung der Empfangsstationen, Kalibrierung und Datenfusion. Die Studienpartner entwickeln darauf zugeschnittene Mess- und Auswerteketten. Diese umfassen gemeinsame Kampagnen hinsichtlich Zielauswahl, Beleuchtungsgeometrien und Zeitplanung. Ebenso steht die hardwareseitige Integration der Empfänger in das TIRA‑System auf dem Programm. Auch neue signalverarbeitende Verfahren werden für die konsistente Rekonstruktion mono‑ und bistatischer ISAR-Bilder entwickelt.
Linienbasierte Schätzmethode analysiert Weltraumobjekten detaillierter
Für die Schätzung von Abmessung, Spin und Lage nicht-kooperativer Ziele wie Weltraumschrott wird eine linienbasierte Methode entwickelt. Diese wird auf realistische Szenarien angewendet: In mono- und bistatischen ISAR-Bildern identifizierte Strukturlinien wie Kanten von Solarpanels oder Antennenmasten dienen als Grundlage. Mittels Least-Squares-Optimierung werden dann Spinachse, Winkelgeschwindigkeit sowie die 3D-Koordinaten markanter Objektmerkmale bestimmt. Die Methode nutzt die Range- und Cross-Range-Projektionen zu mehreren Zeitpunkten und überprüft die Konsistenz der berechneten Projektionen mit den gemessenen ISAR-Bildern. So kann aus einer Folge von mono- und bistatischen Bildern eine kohärente 3D-Form- und Bewegungsbeschreibung abgeleitet werden.
Multistatische Messungen reduzieren Bewegungsmehrdeutigkeiten
Simulationen und Messdaten belegen, dass multistatische Messungen Bewegungsmehrdeutigkeiten erheblich reduzieren. Szenarien, in denen monostatische Daten mehrere plausible Rotationslösungen zulassen, werden durch die zusätzliche bistatische Geometrie deutlich robuster und häufig eindeutig lösbar. Zudem ermöglicht die multistatische Bildgebung eine verbesserte Validierung von Simulationsmodellen, da Rotationszustände gleichzeitig mit mehreren Blickwinkeln abgeglichen werden können. Damit liefert multistatisches ISAR einen wesentlichen Beitrag zum Aufbau zukünftiger Radar-Imaging-Netzwerke, die Akteuren im Weltraumsektor umfassendere Informationen für Missionsunterstützung, Schadensanalyse, Fragmentationsbewertung, Reentry-Monitoring oder Aufklärung unbekannter Objekte liefern. TIRA‑Multistatic demonstriert die technische Machbarkeit und den analytischen Mehrwert und schafft damit die Grundlage für eine weitergehende Nutzung multistatischer Radarverbünde im zivilen und sicherheitsrelevanten Weltraumlagekontext.