Laserbasierte Ortung von Weltraumschrott
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- Adolf Glöckner
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1 Laserbasierte Ortung von Weltraumschrott Wolfgang Riede, Daniel Hampf, Paul Wagner, Adolf Giesen Institut für Technische Physik 4. Forum WELTRAUM September 2014 Stadthalle Bonn / Bad-Godesberg
2 Inhalt 1. Einleitung / Motivation ESA 2. Optische Detektionsverfahren 3. DLR Forschungsobservatorium Uhlandshöhe 4. Zusammenfassung Ausblick
3 Quellen für Weltraumschrott / katalogisierte Objekte US STRATCOM Katalog: ca Objekte (öffentlich) ca Objekte (tatsächlich) Fragmentationen / Kollisionen (64%) Ausgediente Satelliten (13%) Aktive Satelliten (6% ~1000) ESA ESA Oberstufen & freigesetzte Objekte(16%) DLR
4 Kollisionen zwischen Satelliten 10. Februar km über Taymyr, Sibirien Kollision zwischen Cosmos 2251 und Iridium 33 Iridium 33 Relativgeschwindigkeit: 11,7 km/s 560 kg Cosmos 2251 Video courtesy of Analytical Graphics, Inc. ( 950 kg
5 Kollisionen zwischen Satelliten 10. Februar km über Taymyr, Sibirien Kollision zwischen Cosmos 2251 und Iridium 33 Sprengkraft von 20 t Dynamit 469 Iridium-Trümmer 1301 Kosmos-Trümmer Abweichung laut Bahnprognose: 584 m kein(!) Ausweichmanöver Video courtesy of Analytical Graphics, Inc. (
6 Verteilung der (Weltraumschrott)-Objekte typ. Verweildauer [Jahre] Katalogisierte Objekte ab 10 cm Größe Eintretender Kaskadeneffekt NASA (Orbital Debris Quarterly News Vol 17-1, 2013)
7 Detektionsverfahren 1. Radarbasierte Ortung von Objekten în niedrigen Umlaufbahnen (LEO ) FhG/FHR Tracking- / Imaging- Radar TIRA (Wachtberg) Ø = 34 m Detektion von Objekten > 1 cm in Bahnhöhen von 1000 km 2. Passiv-optische Ortung von Objekten in hohen Umlaufbahnen (GEO..) ESA Optische Bodenstation (OGS) (Teneriffa) Ø = 1 m 3. Passiv-optische / laserbasierte Ortung von Objekten im niedrigen Orbit ESA Uhlandshöhe Forschungs- Observatorium (UFO) (Stuttgart) Ø = 0,4 m
8 Passiv-optische Ortung: Bestimmung der Winkeldaten Kontinuierliches Tracking Auslesen der Encoderwerte für Azimuth und Elevation Leap-Frog Tracking ursa major Nautische Dämmerungsphase (Sonne 6-12 unter Horizont) Referenz zu Fixsternen (astrometrisches Verfahren) Bestimmung von Azimut und Elevation der Endpunkte der Spur
9 Laserbasierte Ortung von Weltraumschrott Entfernung Elevation Laser Azimuth Teleskop
10 Laserbasierte Ortung von Weltraumschrott Laserlaufzeitverfahren Verwendung kurzer Pulse (~ Nanosekunden) Entfernung 3-dimensionale Positionbestimmung Genauigkeit wenige Meter Laser Elevation Azimuth Teleskop
11 Forschungsobservatorium Uhlandshöhe DLR Stuttgart Testbed für Technologieentwicklung Fasergekoppelter Lasertransmitter Einzelphotonensensorik / GPS synchronisierte Laserlaufzeitmessung Verschiedene Trackingverfahren Automatisierte Verfolgung von Katalogobjekten Leap-Frog Tracking Kontinuierliches Tracking Neudetektion ( Stare and Chase ) Remotebetrieb (Steuerraum) Luftraumüberwachung (All Sky Kamera) Laser-Betriebsgenehmigung vorhanden PlaneWave 17 Teleskop -> großes Gesichtsfeld: 0,7 ASTELCO DirectDrive Montierung 3,6 m Schalendom
12 Passiv-optisches Tracking 10 x 10 x 11 cm Cubesat AAUSAT3 (775 / 793 km) Belichtungszeit 2 s Kontinuierliches Tracking (Bahndaten: Two Line Elements) Detektierbare Objektgröße: < 10 cm TerraSAR-X & TanDEM-X (512 / 530 km) Belichtungszeit 0,2 s Leap-Frog Tracking
13 Präzises Tracking orbitaler Objekte QuikSCAT: Bahnhöhe: 808 km 2,2 m x 1,7 m x 1,4 m Nachführgenauigkeit: < 2 Bogensekunden
14 Neudetektion von orbitalen Objekten Beobachtungsdauer: 60 Sek Blickrichtung: Zenith Canon 135 mm / FLI Kamera Detektionseffizienz von Objekten > 1 m ist höher als 50% (ESA PROOF Software) Höhe: 2000 km 15 FoV Copyright Analytical Graphics, In.
15 Photonenbilanz Laser Transmitter: Strahlqualität, Strahlrichtungsstabilität Pulsenergie Wellenlänge Repetitionsrate Transmission Sendeoptik, Sendeapertur Atmosphäre: Turbulenz spektrale Transmission Weltraumschrott Objekt: Albedo Abmessungen (RCS) Abstand Empfänger Detektorempfindlichkeit Transmission der Empfangsoptik Empfangsapertur, Transmission der Empfangsoptik I ~ r 2 LEO (1000 km) I ~ r 2
16 Photonenbilanz Fall 1: Observatorium Uhlandshöhe Laserleistung: 0,3 W 1 khz, 0,3 mj, 1064 nm 20 Elevationswinkel Objektabstand: 1400 km Apertur: 0,43 m Grenzgröße Objekt: 20 m 2 Fall 2: Lustbühel Observatorium Graz Laserleistung: 25 W 1 khz, 25 mj, 532 nm 20 Elevationswinkel Objektabstand: 1400 km Apertur 0,75 m Grenzgröße Objekt: 1 m 2 Fall 3: Geplante Station Laserleistung:1 kw 1 khz, 1 J, 1064 nm 20 Elevationswinkel Objektabstand: 1400 km Apertur: 1 m Grenzgröße Objekt: 0,01 m 2
17 Nachweis Laserlaufzeitmessung 30 0 Rel. Abstand [m] 356 Bsp: Ariane 1D Mittlerer Abstand: 1650 km Elevation Returns RCS: 5,5 m 2 Chart: Georg Kirchner, Graz 16,4 52,9 19,4 Elevationswinkel [ ] Lustbühel Observatorium Graz (2012) Laserparameter: 25 mj, 1 khz, 10 ns, 532 nm 85 Überflüge von 43 Objekten 600 km r 2500 km RCS: 15 m 2-0,3 m 2 RMS Genauigkeit: 0,3 m Abweichung von TLE-Bahnprognose: bis 5 km entlang der Bahn
18 3-dimensionale Positionsbestimmung beim Überflug Kooperationspartner Uhlandshöhe Forschungsobservatorium 0,43 m Teleskop Lustbühel Observatorium 0,50 m Teleskop Wettzell Laser Ranging System 0,75 m Teleskop DLR IWF BKG DLR Institut für Technische Physik Stuttgart Institut für Weltraumforschung Graz Geodätisches Observatorium BKG / TU München
19 Zusammenfassung Technologiestatus Uhlandshöhe Präzises Tracking auf < 2 Bogensekunden genau erreicht Voraussetzung für Laser Laufzeitverfahren Passiv-optische Ortung von katalogisierten Objekten < 10 cm möglich: Voreinweisung für Lasertransmitter Laserbasierte Ortung von Objekten mit Abmessungen von 1 m nachgewiesen Bestätigung Photonenbilanz Implementierung fasergekoppelter Lasertransmitter Modulare Erweiterung an bestehende Teleskope möglich Systemauslegung einer Ortungsstation für Objekte mit Abmessungen ~10 cm
20 Ausblick Teilnahme an Multistatik Kampagnen Analyse der Bahnprognosegüte von 3D Positionsdaten (Bahnkatalog BACARDI (GSOC DLR))
21 Herzlichen Dank fürs Zuhören! Mit freundlicher Förderung durch BAAINBw U5.3
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2 3 4 5 6 7 8 9 10 12,999,976 km 9,136,765 km 1,276,765 km 499,892 km 245,066 km 112,907 km 36,765 km 24,159 km 7899 km 2408 km 76 km 12 14 16 1 12 7 3 1 6 2 5 4 3 11 9 10 8 18 20 21 22 23 24 25 26 28
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