Airbus Defence and Space

TanDEM-X: Die neue Vermessung der Welt in 3D

Dem Ziel der Vermessung der Welt in 3D sind Airbus Defence and Space und das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt, kurz DLR, einen entscheidenden Schritt näher gekommen: Der Radarsatellit TanDEM-X ist am 14. Oktober 2010 mit dem nahezu baugleichen TerraSAR-X in den Formationsflug übergegangen. Mit diesem Übergang in die enge Formation ist die letzte Vorbereitungsstufe der TanDEM-X-Mission erreicht. Zum Jahreswechsel soll der Routinebetrieb beginnen. Ziel dieser Mission ist die Erstellung eines hochgenauen, dreidimensionalen Höhenmodells der gesamten Erdoberfläche.

Satelliten im Formationsflug

Beide Satelliten wurden im Vorfeld mit speziellen Tests auf den nun erfolgten Übergang zur Helixflugbahn, in der sich die Satelliten mit einem Abstand von weniger als 400 Meter umkreisen, vorbereitet. Die Annäherung der Satelliten erfolgte im Rahmen einer dreitägigen Driftphase: Vor der Flugbahnänderung flogen TerraSAR-X und TanDEM-X in einem Abstand von 20 Kilometern hintereinander her, dies entsprach einem Unterschied von knapp drei Sekunden Flugdauer. Jetzt fliegen die beiden Satelliten gemeinsam auf `Augenhöhe´.

Um die geplante Helixstruktur für den Formationsflug zu erreichen, musste zuerst - mit Hilfe eines Bahnmanövers - die Umlaufdauer von TanDEM-X verkürzt werden, so dass der Satellit den 20 Kilometer weiten Vorsprung von TerraSAR-X einholen konnte. Mittels zweier weiterer Manöver wurde dann der Abstand der Satelliten zueinander sukzessive verringert und beträgt nun aktuell nur noch 350 Meter. Während dieser Annäherungsphase konnte zudem erstmals die Kommunikation zwischen den Satelliten beobachtet und getestet werden.

Auf Kartierungsflug: Die Satelliten TerraSAR-X und TanDEM-X sind im Formationsflug unterwegs und sollen Daten für ein Höhenmodell der Erdoberfläche in 3D liefern.

 

Das Testprogramm für TanDEM-X wird voraussichtlich noch bis zum Jahresende laufen. Dann beginnen die Aufnahmen für das globale Höhenmodell - die exakt nach einer im Voraus festgelegten Strategie erfolgen. Da hierzu ein dreijähriger Parallelbetrieb der Satelliten zwingend notwendig ist, müssen die Wissenschaftler im Vorfeld sicherstellen, dass der enge Formationsflug genauestens optimiert ist, so dass die Aufnahmen korrekt ausgeführt werden können.

Das Satelliten-Tandem sieht stereo

Der geringe Abstand der Satelliten zueinander ermöglicht erstmals die Synchronisierung der beiden Radarsysteme: Die beiden Satelliten arbeiten nun nicht mehr unabhängig voneinander, sondern gleichlaufend. Im Fachjargon nennt man dies den `bi-statischen Betrieb´. Dabei sendet ein Satellit Radarimpulse für die Aufnahme und anschließend empfangen beide das am Boden reflektierte Signal.

 

Eine der ersten bi-statischen Aufnahmen zeigt den Vulkan Ätna an der Ostküste Siziliens. (© DLR)

So wie der Mensch mit zwei Augen räumlich sehen kann, ermöglichen die parallelen Messungen von zwei Satelliten die Herstellung stereoskopischer Karten der Erdoberfläche. Auf Basis der von dem Satelliten-Tandem gesammelten Daten wird das Höhenmodell der gesamten Erde - also einer Fläche von sage und schreibe 150 Millionen Quadratkilometern - erstellt.

Im Gegensatz zu den bisher generierten interferometrischen Aufnahmen aus verschiedenen zeitlich auseinander liegenden Überflügen, generiert das Satellitenpaar - als erstes frei fliegendes Radarinterferometer - parallele, bi-statische Aufnahmen der Erdoberfläche, die zeitgleich entstehen.

Darüber hinaus können TerraSAR-X und TanDEM-X über einen sogenannten Inter-Satellite-Link ihre Radarinstrumente synchronisieren. TanDEM-X kann zusätzlich auch den `Gesundheitszustand´ des TerraSAR-X-Satelliten überwachen.

Ralf Zimmermann, Head of German Programmes & Applications, resümiert den bisherigen Verlauf des Projekts sehr zufrieden: "Beide Radarsatelliten fliegen in einem nahezu identischen sonnensynchronen Orbit - mit einem Tempo von 28.000 Stundenkilometern - in teilweise nur 200 Metern Abstand. Diese Konstellation ermöglicht uns die erhoffte `Welturaufführung´ der modernen Radartechnik: Erstmals ein bi-statisches Radarinstrument auf zwei Satelliten zu betreiben, das die Daten für ein weltumspannendes, dreidimensionales Modell in bisher unerreichter Genauigkeit liefern wird."

Datenveredelung: Fantastische Zukunftsaussichten für die Anwendung

Um möglichst detaillierte Höheninformationen aus Radarsatellitendaten ableiten zu können, benötigen die Experten stets zwei Aufnahmen des betrachteten Gebiets. Je mehr die beiden zugrunde liegenden Aufnahmen sich gleichen (Aufnahmezeitpunkt / Aufnahmewinkel / Orbit des Satelliten) desto genauer sind die Auswertungsergebnisse.

Aktuelles Höhenmodell des Aracar Vulkans an der chilenisch-argentinischen Grenze. (© DLR)

Im Rahmen einer `Datenveredelung´ wird Infoterra die von den Satelliten gelieferten Rohdaten zudem entsprechend den Anforderungen der jeweiligen Kunden nachbearbeiten. Andreas Kern, Head of Business Development & Sales, wagt einen Blick in die Zukunft: "Mit der Verfügbarkeit des globalen und homogenen Höhenmodells im Jahr 2014 werden wir ein absolutes Alleinstellungsmerkmal innehaben. Kein anderer Anbieter auf der Welt kann mit unseren Daten konkurrieren. So erwarten wir uns durchaus ein vielversprechendes Wachstumspotenzial." Bislang liefert Infoterra wetterunabhängig hochauflösende Radardaten von neuer Qualität und ermöglicht den Kunden stets einen zuverlässigen Direktzugang zu den TerraSAR-X-Daten.

Die künftigen Anwendungsbereiche des TanDEM-X Höhenmodells sind vielseitig und reichen von der Unterstützung des Managements bei Öl- und Gasfeldern über eine verbesserte Kriseneinsatzplanung und Vorhersage der Auswirkungen in Katastrophenfällen bis hin zu einer gezielten Vorbereitung von Verteidigungs- und Sicherheitseinsätzen.

Public-Private-Partnership: Was ist das?

TanDEM-X wird im Auftrag des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) mit Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Technologie in Form einer öffentlich-privaten Partnerschaft (Public-Private-Partnership PPP) mit der Airbus Defence and Space GmbH durchgeführt. Das heißt: Airbus Defence and Space hat den Satelliten gebaut und ist darüber hinaus an den Kosten für die Entwicklung und die Nutzung beteiligt. Das DLR wiederum ist verantwortlich für die wissenschaftliche Nutzung der TanDEM-X-Daten, die Planung und Durchführung der Mission, sowie die Steuerung der beiden Satelliten und die Erzeugung des digitalen Höhenmodells. Wie auch bei TerraSAR-X zeichnet die Infoterra GmbH, ein 100-prozentige Tochter von Airbus Defence and Space, für die kommerzielle Vermarktung der TanDEM-X-Daten verantwortlich.

 

Fakten

- Vertikale Genauigkeit: 2m (relativ) 10 m (absolut)

- Horizontales Raster: 12 x 12 m

- Erstmals weltweite homogene Abdeckung, ohne Brüche an regionalen oder nationalen Grenzen

- Absolut zuverlässige Datenerfassung

- 2014: Flächendeckendes, digitales 3D-Modell der Erde

ErdbeobachtungInfoterraTanDEM-X