Laserpräzision für Himmel und Erde

Was haben das Schwerefeld der Erde und die Flugbahnen von Satelliten und Weltraumschrott gemeinsam? Das Erdschwerefeld beeinflusst die Umlaufbahnen unserer Begleiter im Orbit, während die Veränderungen der Umlaufbahnen im Gegenzug Rückschlüsse auf Änderungen des Schwerefelds und damit vorhandener Wassermassen zulassen. Im Projekt COVER hat das Institut für Geodäsie der TU Graz nun Schwerefeldmessungen mittels Satelliten mit der Messmethode des Satellite Laser Ranging (SLR) zusammengeführt und dadurch sowohl die Schwerefeldberechnungen als auch die Beobachtung von Objekten im Orbit und deren Bahnvorhersagen nachhaltig verbessert. Die Ergebnisse sind in die Software Gravity Recovery Object Oriented Programming System (GROOPS) eingeflossen, die das Institut für Geodäsie kostenlos via GitHub zur Verfügung stellt.

„Die Satelliten-Missionen Grace, Grace Follow-on sowie vorher bereits GOCE haben wirklich wertvolle Daten zur Berechnung des Erdschwerefelds geliefert. Allerdings ließ sich damit der langwellige Bereich des Schwerefelds, der Massen von kontinentaler Größe abdeckt, nicht sehr gut auflösen“, sagt Sandro Krauss vom Institut für Geodäsie der TU Graz. Messungen mit SLR können diesen langwelligen Teil hingegen sehr präzise auflösen. Hierfür richtet ein Netzwerk an SLR-Stationen einen Laser auf einen Satelliten mit Reflektorflächen, die das Laserlicht zurückwerfen. Durch die Messung der Laufzeit lässt sich die Position der Satelliten auf Zentimeter genau bestimmen und durch mehrere Messungen auch Änderungen an der Umlaufbahn erkennen, die sich durch Masseänderungen auf der Erdoberfläche ergeben. „Wenn man SLR mit den anderen Satelliten-Messmethoden kombiniert, lässt sich das Schwerefeld wesentlich genauer berechnen, da man alle Wellenlängen des Schwerefelds präzise auflösen kann. Dadurch können wir die auf der Erde vorhandenen Wassermassen detaillierter bestimmen. Gleichzeitig können wir durch die aus den Messungen gewonnenen Daten die Position von Satelliten und Weltraumschrott viel besser vorausberechnen, sie finden, mit SLR kartografieren und deren zukünftige Bahnen sehr präzise vorhersagen, was zur Sicherheit im Orbit beiträgt.“

Derzeit umkreisen rund 40.000 Weltraumschrott-Teile mit einer Größe von mehr als zehn Zentimetern die Erde, Teile ab einem Zentimeter Größe gibt es rund eine Million. Diese sind mit etwa 30.000 Kilometern pro Stunde unterwegs und fliegen nicht alle in dieselbe Richtung. Eine Kollision hätte daher eine recht große Wucht und würde Satelliten zerstören und bei Raumstationen oder anderen bemannten Raumfahrzeugen Menschenleben gefährden. Umso wichtiger ist es, alles in der Umlaufbahn zu verorten und die zukünftige Bahnentwicklung so genau wie möglich zu berechnen.

Um sämtliche Weltraumschrottteile zu überwachen, kommen aktuell Radarmessungen zum Einsatz, die jedoch eine limitierte Genauigkeit bieten. Und auch die bisherigen Bahnvorhersagen litten darunter, dass sie nur im Kilometerbereich genau waren. Das erschwerte in weiterer Folge das Auffinden. Zusammen mit der Satellite Laser Ranging Station des Instituts für Weltraumforschung der Österreichischen Akademie der Wissenschaften am Observatorium Lustbühel gelang hier ein entscheidender Fortschritt. Das Institut für Geodäsie nutzte seine eigenen Kräftemodelle, die die Position eines Satelliten oder eines Schrotteilchens auf rund 100 Meter genau bestimmen können. Das machte es möglich, sie leichter aufzuspüren und mit dem Vermessungslaser präzise zu erfassen. Mit weiteren Messungen bei nachfolgenden Überflügen ergab sich ein noch genaueres Bild darüber, wie sich die Umlaufbahn verhält, wodurch die Forscher die Vorhersagen verbessern konnten.

„Für die Bahnvorhersage müssen wir sämtliche Kräfte auf den Satelliten modellieren“, sagt Torsten Mayer-Gürr vom Institut für Geodäsie der TU Graz. „Dazu zählt auch die Gravitationskraft der Erde, die durch das Vorhandensein von Massen wie Wasser beeinflusst wird. Die Kombination unserer Bahnmodellierung mit SLR-Messungen erlaubt nun wesentlich genauere Berechnungen in unserer Software GROOPS, die für alle frei zugänglich ist. Soweit wir wissen, sind wir die Einzigen, die ein derart umfangreiches Paket für Schwerefeldbestimmung, Bahnbestimmung und SLR-Prozessierung kostenlos anbieten. Dieser Open-Source-Zugang hat für uns den Vorteil, dass wir sehr schnell Feedback bekommen, wenn etwas nachgebessert werden muss.“

TU Graz / DE