Raumfahrtmissionen mit abbildenden Instrumenten

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1 Raumfahrtmissionen mit abbildenden Instrumenten Andreas Eckardt Tel.: , Fax: Institut für Robotik und Mechatronik Abt. Optische Sensoren und Elektronik TU Stuttgart, , Seite: 1

2 Gliederung Motivation Missionen und Projekte MOS HRS KompSat3 MERTIS Bodensegment Zusammenfassung TU Stuttgart, , Seite: 2

3 Motivation TU Stuttgart, , Seite: 3

4 Optics/SAR for UN Emergency Response Flooding in Bolivia, Feb 2008 TU Stuttgart, , Seite: 4

5 N Flooded Areas Flooded Village and Road TU Stuttgart, , Seite: 5

6 Optics/SAR Applications for emergency aid TU Stuttgart, , Seite: 6

7 MOS Modular Optoelectronic Scanner TU Stuttgart, , Seite: 7

8 Modular Optoelectronic Scanner MOS the first imaging spectrometer in orbit MOS consists of: Spectrometer MOS-A Spectrometer MOS-B Camera MOS-C Sun calibration unit TU Stuttgart, , Seite: 8

9 Spektrale Bänder des MOS Spektrometers No. of pixels Performance Spectral range [nm] No. of channels Wavelengths [nm] Spectral halfwidth [nm] FOV along track x [deg] FOV across track [deg] Swath width [km] Pixel Size x*y [km 2 ] Measuring range L min.. L max [µwcm -2 nm -1 sr -1 ] MOS-A ; 760.6; 763.5; O 2 A-band x MOS-B ; 443; 485; 520; 570; 615; 650; 685; 750; 870; ; 945 (H 2 O- vapor) x MOS-C SWIR x TU Stuttgart, , Seite: 9

10 Prinzip des abbildenden MOS Spektrometers Grating Imager λ 1... λ n Focalplane - CCD-Arrays Collim ator Field Stop Objective FOV IFOV Image cube TU Stuttgart, , Seite: 10

11 Datenprodukte des MOS Spektrometers TU Stuttgart, , Seite: 11

12 Datenprodukte des MOS Spektrometers TU Stuttgart, , Seite: 12

13 Datenprodukte des MOS Spektrometers TU Stuttgart, , Seite: 13

14 HSR Hot Spot Recognition System TU Stuttgart, , Seite: 14

15 Statusmeeting Projekt IR-Payload auf TET WAOSS-B MWIR TIR Wellenlänge nm μm μm nm Brennweite mm mm mm Detektor CCD CdHgTe CdHgTe Bodenpixelgröße m 370 m 370 m Bodenabtastweite m 185 m 185 m Schwadbreite km 190 km 190 km 1 bei 572 km Orbithöhe BIRD HSR System TU Stuttgart, , Seite: 15

16 Statusmeeting Projekt IR-Payload auf TET Totale Neuentwicklung und Fertigung der mechanischer Struktur, des Thermalkonzeptes und der Elektronik (analog und digital). TU Stuttgart, , Seite: 16

17 Statusmeeting Projekt IR-Payload auf TET Technologische Details: MFC- Adaption (1 RGB Zeile) 2 Infrarot- Kameras (identisch bis auf Spektralbereich) Wellenlänge RGB MIR: 3,4-4,2 µm; TIR: 8,5-9,3 µm Brennweite 74,2 mm 46,39 mm Gesichtsfeld 17,9 19 Blendenzahl Detektor 3,8 CCD- Zeile 2,0 CdHgTe Arrays BIRD FM Dual Band Optics Detektorkühlung Passiv, 20 C Stirling, K Pixelgröße 12 µm x 12 µm 30 µm x 30 µm Pixelzahl x 512 staggered Quantisierung 14 bit 14 bit Bodenpixelgröße 92,5 m** 370 m** Abtastweite 92,5 m** 185 m** Schwadbreite In-flight_Kalibration 197** km nein 190 km** Schwenkbare Schwarzkörperklappe FM Detector/Cooler Assembly Interface Dat/Comm LVDS SERDES/SpaceW SpaceWire/SpaceWire Datenrate Datenvolumen/min 1,1 MByte/s** 519 MBit/min** 168 KByte/s per Kanal (mit Hot Area) ** 80,5*2=161 MBit/min** IR Sensoren und Optiken bleiben unverändert Summe 670 MBit/min TU Stuttgart, , Seite: 17

18 Illustratives Beispiel für die bi-spektrale Methode Torffeuer in Kalimantan/ Borneo, Indonesien, BIRD, 24. August 2002 NIR (0,9 μm) MIR (4 μm) TIR (9 μm) Schätzung der Strahlungsleistung TU Stuttgart, , Seite: 18

19 Internationale Zusammenarbeit Echtzeitalarm über die GFMC-Webseite Fragment of the BIRD image of 4 August 2003 Hotspots with their fire radiative energy release projected on NIR image ( μm) Projekt FUEGO MW TU Stuttgart, , Seite: 19

20 KompSat3 Korean Multi Purpose Satellite 3 TU Stuttgart, , Seite: 20

21 DLR-Fokalebenen-Entwicklungen vor KompSat3 MOS-FPA WAOSS-FPA FilmReader-FPA MFC-FPA Airborne-FPA ADS40-FPA RapidEye-FPA TU Stuttgart, , Seite: 21

22 KompSat3 - Fokalebenen-Entwicklung FPA Detector stack FPA Flatness 21 cm x 9 cm / < +/- 5 µm Aktive/passive Temperierung 0,5 ALN Keramik Genauigkeit besser 1 µm Heatpipe-Struktur (140 W) Pan 24000/MS pixel Pitch 8.75 µm/17.5 µm PAN Zeilen/s frei programmierbar MS Zeilen/s frei programmierbar 14 bit ADC Control electronics Power box TU Stuttgart, , Seite: 22

23 Active Focus Control Focal Plane Stack TDI-CCD & Electronics on the same ALN Ceramics Camera Controller Analog Housekeeping TC/TM MIL1553 or SWire Power main 28V Power redundant 28 V 24,000 Pixel CCD TU Stuttgart, , Seite: 23

24 TDI CCD-Technologie Pixel Schieberegister hat Pixel 8 x = Pixel Zeilenfrequenz Hz TDI Stufen 1, 8, 32, 64 Pixel 8,75 µm PRNU für alle TDI-Stufen jedes Register ist unabhängig Pixel Schieberegister hat Pixel 2 x = Pixel Zeilenfrequenz Hz TDI Stufen 1, 8, 32, 64 Pixel 17,5 µm PRNU für alle TDI-Stufen jedes Register ist unabhängig TU Stuttgart, , Seite: 24

25 Panchromatisches Fokalebenenmodul TU Stuttgart, , Seite: 25

26 KompSat3 Instrument Performances Masse: Energie: Panchromatischer Kanal: 190 kg 110 W 0,7 m GSD 450nm 900nm Multispektrale Kanäle: 2,8 m GSD , , , nm Scannbreite > 12 km MTF: > 13 % SNR: > 200* Dynamikbereich: > 1:5000 (14 bit ADC) Selektierbare TDI-Stufen: 1, 8, 32, 64 * Sonnenwinkel 30, Beobachtungswinkel 30, Albedo 20%, 10:30 Seoul TU Stuttgart, , Seite: 26

27 CHAD Refugees Leaving Chad for Cameroon Cameroon Chad TU Stuttgart, , Seite: 27

28 Entdeckung Erkennung eine Vorteil eines optischer SAR Satelliten 50 cm Auflösung Gutes Dichter Wetter Nebel Schornstein Brücke und Deck Rohrleitung Sichtwinkel 1 Meter Auflösung TU Stuttgart, , Seite: 28

29 San Diego USS Midway TU Stuttgart, , Seite: 29

30 MERTIS MErcury Radiometer and Thermal Infrared Spectrometer TU Stuttgart, , Seite: 30

31 MERTIS? MErcury Radiometer and Thermal Infrared Spectrometer für ESA-BepiColombo-Mission eines von zehn wissenschaftlichen Instrumenten auf dem Mercury Planetary Orbiter (MPO) Spektrale Messdaten von Merkuroberfläche im Wellenlängenbereich von 7-40 µm Entwicklungs-Phase B: Entwicklung-Phase C/D: Start: Juli 2014 Missionsphase am Merkur: TU Stuttgart, , Seite: 31

32 Wissenschaftliche Ziele Untersuchung der Merkuroberfläche Identifikation von Gesteinsmineralien Spektrales Mapping der Oberfläche Untersuchung von Oberflächentemperatur und thermischer Leitfähigkeit (Nachtseite) Emissivity Emissivity CF CF RB RB Anorthite Anorthite Albite Albite Orthoclase Orthoclase TF CF - Christiansen feature CF - Christiansen feature RB - Reststrahlen bands RB - Reststrahlen bands (Si-O absorptions) (Si-O absorptions) Feldspars <25 µm TF - Transparency feature Feldspars <25 µm TF - Transparency feature Wavelength 10 (microns) Wavelength (microns) TU Stuttgart, , Seite: 32

33 Funktion Operation/Kalibrationszyklus TU Stuttgart, , Seite: 33

34 Design Space Baffle Sensor Head (Optics, Sensors, Shutter) Planet Baffle Radiometer Radiometer Electronics Electronics (MREL) Bolometer Bolometer Electronics Electronics (MBEL) Bolometer Bolometer Detector Detector (MBOL) Optics Optics Structure Structure (MOST) Entrance Entrance Optics Optics (MEOP) Radiometer Radiometer Detector Detector (MRAD) Short Term Short Term Shutter Shutter (MSTS) Spectrometer Spectrometer Optics Optics (MSOP) Harness/ HK Harness Board Board (MHAR) Pointing Unit Power Supply Instrument Controller Electronics Black Body Body Black 300 K 300 K (MBB3) Pointing Pointing Unit Unit (MPOI) TU Stuttgart, , Seite: 34

35 Performance Spectrometer Bolometer matrix array 160 x 35 μm (100 spatial, 80 spectral) 7 14 μm 90 nm/pixel NEP < 15pW Focal length (F): 50 mm F number (F#): 2.0 Detector technology Spectral range (λ) Spectral channel width (λδ) Detectivity Radiometer Optical efficiency (ηopt): 0.54 Thermopile line array Number of pixels/size (illuminated pixels) 2 x 250 μm 7 40 μm Line array 1: 7-14 μm Line array 2: 7-40 μm Spectral resolution (λ/λδ) Spectral sampling distance (SSD) - D*=7*10 8 cmhz 1/2 W -1 Spectrometer FOV (field of view)/instantaneous FOV 4 /0.7 mrad Ground sample distance (GSD)/Dwell time (τ) m/109msec 1050 m/784 Periherm 400 Apoherm 1500 km Swath width: 28 km Instrument dimensions: 180 x 180 x 130 mm³ External baffles: 200 x ø75 & 90 x ø75 mm³ Mass: 3.3 kg Radiometer 4 /5 mrad 2000 m/775 msec 7500 m/5597 msec Power consumption (cold case heating) 9 13W (<19W) Instrument telemetry data rate: KBit/s TU Stuttgart, , Seite: 35

36 Herausforderungen neue Technologie in der Raumfahrt (ungekühltes Bolometer) hohe radiometrische/spektrale Empfindlichkeit Theorie/Kalibration extrem geringer Ressourcenverbrauch nur 3,3 kg, 8 13 W (im Vergleich Rosetta/VEX VIRTIS: 23 kg/>50 W) nur ca. 35 % der Entwicklungskosten vergleichbarer Spektrometer (VIRTIS) extreme Umweltbedingungen (Temperatur, kosmische Strahlung) Miniaturisierung: Radiometer, Shutter, Kalibrationsdevices, Singleon-chip Instrument Controller/Power Supply, Instrument Design verschiedene neue Fertigungstechnologien 130mm TU Stuttgart, , Seite: 36

37 End to End: Raum-/Bodensegment-Applikationen Von der Entwicklung zum Betrieb Tasking Datenempfang Users Verteilung Archivierung Erzeugung Datenprodukten Rekalibration TU Stuttgart, , Seite: 37

38 Zusammenfassung Raumfahrttechnologie dient dem Technologieaufbau hilft bei Natur-/Humanitärkatatstrophen dient der Erzeugung von Informationen für Entscheidungsträger ist End-to-End GIS-fähig Optimierung der Raumfahrtinstrumente setzt ein Verständnis der Physik/Chemie voraus deren Simulation dient der Entwicklungsoptimierung werden HITL-entwickelt und -verifiziert Ziele der Sensorentwicklungen Finden neuer Naturgesetzmäßigkeiten Bestätigung bestehender Hypothesen Schutz und Überwachung Führungsanspruch in Wissenschaft und Technologie TU Stuttgart, , Seite: 38