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Zukunftskonzepte für Schwerefeldsatellitenmissionen

Zukunftskonzepte für Schwerefeldsatellitenmissionen

Leitung:  Prof. Dr.-Ing. habil. Jürgen Müller
E-Mail:  mueller@ife.uni-hannover.de
Team:  Dipl.-Ing. Phillip Brieden
Jahr:  2011
Förderung:  BMBF
Ist abgeschlossen:  ja

Aufbauend auf der sehr erfolgreichen und prominenten Beteiligung Deutschlands an den Satellitengravimetriemissionen  CHAMP, GRACE und GOCE wurde ein Forschungsprojekt ins Leben gerufen, das sich mit der Planung und Entwicklung von Konzepten für zukünftige Schwerefeldsatellitenmissionen beschäftigt. Dabei handelt es sich um ein Verbundprojekt im Rahmen des BMBF/DFG Forschungs- und Entwicklungsprogramms „“, bei dem neben unterschiedlichen Partnern aus dem Bereich der Forschung auch zahlreiche Partner aus der Industrie ihre Erfahrungen interdisziplinär austauschen. An dieser Stelle seien aus dem Industriebereich beispielhaft genannt EADS Astrium, TimeTech, SpaceTech oder MenloSystems, aus dem Forschungsbereich das Geodätische Institut (GIS) sowie das Institut für Flugmechanik und Flugregelung (IFR) der Uni Stuttgart, das Deutsche GeoForschungsZentrum GFZ oder auch das Institut für astronomische und physikalische Geodäsie (IAPG) der TU München. Seitens der Uni Hannover sind neben dem Institut für Erdmessung (IFE) auch Institute der Physik wie das Albert-Einstein-Institut (AEI) sowie das Institut für Quantenoptik (IQO) vertreten.

Das IFE nimmt mit dem Teilprojekt „“ eine zentrale Rolle ein. Sehr hilfreich ist der Austausch mit dem Exzellenzcluster QUEST (Centre for Quantum Engineering and Space-Time Research). Hier besteht ein enger Kontakt mit der QUEST-Arbeitsgruppe TaskGroup 7 (TG 7), „Next Generation Gravity Field Mission“, die von Prof. Dr. Jakob Flury (IfE) und PD Dr. Gerhard Heinzel vom Albert-Einstein-Institut (AEI) Hannover geleitet wird.

In der bisherigen Projektlaufzeit wurden verschiedene Missionskonzepte entwickelt und miteinander verglichen. Die Konzepte haben verschiedene Machbarkeitsstudien durchlaufen und wurden auf ihre technischen und finanziellen Rahmenbedingungen hin überprüft. Anhand der Ergebnisse wurden vier Konzepte ausgewählt, die alle jeweils zwei Satelliten beinhalten und sich im Wesentlichen in puncto Orbit, Konstellation und Instrumentierung unterscheiden.

 

Abb. 1: Links wird das OPTIMA Messkonzept skizziert. Dabei werden die drei wesentliche Messungen dargestellt: ll-SST (low-low satellite-to-satellite tracking) zwischen beiden Satelliten auf niedriger Umlaufbahn, hl‑SST (high-low SST) zwischen GNSS Satelliten auf hoher Umlaufbahn und beiden OPTIMA Satellitenkörpern sowie GNSS-Reflektometriesignale, die mit GNSS-Antennen an der Nadir-Seite der Satelliten erfasst werden und aus denen die Höhe der Meeresoberfläche bestimmt wird.Abb. 2: Rechts wird ein Einblick in denjenigen OPTIMA Satellitenkörper gegeben, der neben einer Laserinterferometer-komponente auch eine Anordnung von Beschleunigungsmessern enthält.

 

Erste Ideen zu einem dieser Konzepte ist in Hannover in der QUEST TaskGroup 7 entstanden: OPTIMA (OPTical interferometry for global MAss change detection). In OPTIMA werden zwei Sensor-Arten zur Schwerefeldbestimmung vereint (siehe Abbildung): Einerseits ein Laserinterferometer zur Messung der Entfernungsänderungen zwischen beiden Satelliten, aus denen langwellige Schwerefeldsignale abgeleitet werden sollen. Andererseits ein Gradiometer (Anordnung von 9 Beschleunigungsmessern) zur Bestimmung hochfrequenter Anteile des Schwerefeldes. Da es sich bei OPTIMA um eine Mission mit Langzeitperspektive handelt, sieht das Konzept außerdem die erstmalig gleichzeitige Beobachtung der Höhe über der Meeresoberfläche vor, die aus GNSS-Reflektometriesignalen abgeleitet werden soll.

Zukünftige Arbeiten werden eine Vielzahl von Studien umfassen, mit dem Ziel die Realisierbarkeit zu überprüfen, begrenzende Faktoren innerhalb der einzelnen Missionskonzepte zu identifizieren sowie das Potential zur Schwerefeldbestimmung zu belegen.