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Raumfahrt Zwei deutsche Satelliten sollen Erdoberfläche vermessen

Zwei deutsche Satelliten sollen erstmals die ganze Erdoberfläche vermessen – und die Erdbeobachtung aus dem All auch kommerziell zum Erfolg machen.

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terrasar-x Quelle: DLR

Es ist Montagnachmittag, exakt zwei Minuten vor halb drei, als in Fengyi Maowen die Welt zusammenbricht. Getroffen von einem schweren Erdstoß, verwandelt sich der 10.000-Seelen-Ort in der zentralchinesischen Provinz Sichuan in Sekunden in ein Trümmerfeld. Das Beben der Stärke 7,9 lässt Häuser einstürzen, Dämme bersten und Brücken zusammenbrechen. Schlammlawinen reißen Häuser und Straßen mit sich, zerfetzen Strom- und Telefonleitungen. Die Katastrophe, die am 12. Mai über Zentralchina hereinbricht, stürzt auch die Behörden ins Chaos. Tagelang ist unklar, wo Menschen Hilfe brauchen und wie viel das Erdbeben von der Infrastruktur der Region übrig gelassen hat.

In dieser verzweifelten Lage verhelfen aktuelle Satellitenaufnahmen des Geodaten-Dienstleisters Infoterra aus dem oberschwäbischen Immen-staad den Chinesen zu einem ersten detailgenauen Lagebild. Knapp 8000 Kilometer Luftlinie sind die Deutschen vom Katastrophengebiet in China entfernt. Dennoch sind die digitalen Kartografen zu diesem Zeitpunkt so nah am Geschehen wie kein anderer Helfer.

Im Rahmen der „International Charter on Space and Major Di-sasters“, eines Verbunds internationaler Weltraumbehörden für die Katastrophennothilfe, hatte Infoterra den chinesischen Behörden kostenlos umfangreiche Kartensätze mit detaillierten Aufnahmen aus der Erdbebenregion zur Verfügung gestellt. Auch für Fengyi Maowen zeigt die Karte in einer Auflösung von 1 mal 1,5 Metern an, wo Häuser eingestürzt und Straßen zerstört sind, welche Brücken den Stößen widerstanden haben und welche Dämme die Häuser noch vor der Überflutung schützen.

Die Bilder stammen vom neuen deutschen Erdbeobachtungssatelliten TerraSAR-X (TSX), der in 514 Kilometer Höhe mit einer Geschwindigkeit von gut 27.000 Kilometern pro Stunde um die Erde kreist. Seine Radarsensoren zeichnen Tag für Tag ein neues Bild der Erde. „Kein ziviler Radarsatellit zuvor hat die Erdoberfläche so exakt und detailgenau vermessen wie unser TerraSAR-X“, sagt Uwe Minne stolz. Minne ist Direktor Erdbeobachtung & Wissenschaft und zugleich Chef der Satellitenfertigung bei Astrium in Friedrichshafen, der Raumfahrttochter des Airbus-Mutterkonzerns EADS.

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    Radarauge ist technologisch ein Meilenstein

    Das Radarauge im All ist nicht nur technologisch ein Meilenstein. Es markiert auch den Beginn der kommerziellen Nutzung von Erdbeobachtungsdaten. Denn an dem insgesamt 185 Millionen Euro teuren TSX-Projekt beteiligt sich mit Astrium erstmals ein Privatunternehmen an der Finanzierung. 40 Millionen Euro schießt das Unternehmen zu. Bisher wurden die primär für Forschungszwecke entwickelten Satelliten komplett aus den Etats des Bundesforschungs- oder Wirtschaftsministeriums finanziert. „Mit dem Public-Private-Partnership bei TSX gehen wir nun auch bei den Erdbeobachtungssatelliten erste Schritte zur Kommerzialisierung von Bau und Betrieb“, sagt Stefan Hess, Abteilungsleiter Raumfahrt beim Bundesverband der Deutschen Luft- und Raumfahrtindustrie (BDLI). Bei Kommunikationssatelliten wie Astra oder Eutelsat sei die privatwirtschaftliche Finanzierung schon seit Jahren üblich.

    Die Möglichkeiten der Anwendungen „erscheinen fast endlos“, sagt Stefan Buckreuß, Mission Manager für TerraSAR-X beim Satellitenbetreiber, dem Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR): „Dazu gehören Katastrophenkarten wie nach dem Beben in China oder der Flut in Myanmar, die Analyse der Höhe und der Bewegungsrichtung von Sturmwellen im Atlantik oder die Messung, ob die Maisfelder des amerikanischen Getreidegürtels eine gute Ernte versprechen.“ Und genauso, wie Wissenschaftler anhand der Satellitenaufnahmen das Abschmelzen der Gletscher analysieren, können Verkehrsforscher aus den Satellitendaten herauslesen, wie schnell sich Autobahnstaus auflösen.

    Seit dem Start des Regelbetriebs zum Jahresbeginn scannt der künstliche Erdtrabant die Erde in bis zu 300 Kilometer breiten Bahnen – dank der Radartechnik unabhängig von Wolken oder Nebel. Die Sensoren arbeiten mit kaum vorstellbarer Genauigkeit. Sie ist so groß, als würde ein Mensch vom Schlossplatz in Karlsruhe aus erkennen, welche Zeit die Kirchturmuhr auf dem Hamburger Michel anzeigt. Für deutlich kleinere Objekte wie etwa Menschen reicht die Auflösung allerdings noch nicht. Sie sind bestenfalls als Bildpunkte, Gesichter gar nicht zu identifizieren.

    Im Rohzustand sind die Radarbilder sogar gänzlich nichtssagend. Denn mit herkömmlichen Fotos haben die TSX-Aufnahmen nichts gemein. Bestenfalls erinnern die aufgezeichneten Daten an Aufnahmen von Schneefall in dichtem Nebel. Erst eine spezielle Software macht daraus fürs menschliche Auge sichtbare Bilder.

    Große Nachfrage nach Geodaten

    Denn tatsächlich stecken in dem grauen Rauschen jede Menge Informationen. So reflektiert beispielsweise dichtes, feuchtes Blattwerk die Radarimpulse anders als trockener Waldboden. Eine vom Wind gekräuselte Wasseroberfläche erzeugt ein anderes Radarecho als sturmgepeitschte Wellen. Je nach Kundenwunsch rechnen die Geoinformatiker die Satellitendaten mal in Karten zur Analyse des Bodenbewuchses, mal zur Interpretation der Windrichtung auf dem Meer um. Dabei sind die Aufnahmen zunächst grundsätzlich schwarz-weiß. Details wie Wasserflächen oder Äcker können die Experten bei Infoterra oder dem zur DLR gehörenden Deutschen Fernerkundungsdatenzentrum (DFD) in Oberpfaffenhofen per Software nachkolorieren.

    Im Alltag ist der Radartrabant Diener zweier Herren. Die DLR ist für die wissenschaftliche Nutzung der Satellitendaten verantwortlich und gibt die Bilder an Forscher oder Katastrophenschützer weiter. Die Astrium-Tochter Infoterra hingegen wickelt das Geschäft mit kommerziellen Kunden ab. „Ziel ist, die Satellitenkapazität etwa hälftig aufzuteilen“, erläutert Infoterra-Chef Jörg Herrmann. Die Nachfrage nach den Geodaten sei immens, heißt es aus dem Bundeswirtschaftsministerium, das den Großteil der TSX-Mission finanziert. Bereits zum Start des Regelbetriebs lagen fast 2500 Bestellungen von Nutzern aus dem Bereich der öffentlichen Hand sowie von Unternehmen aus mehr als 40 Ländern vor. Pro Standardbild zahlen kommerzielle Kunden zwischen 2800 und 6800 Euro – abhängig von Größe, Aktualität und Bearbeitungsaufwand. Das jährliche Umsatzpotenzial mit dem Satelliten kalkulieren die Beamten im Wirtschaftsministerium auf rund 40 Millionen Euro.

    Überlagerung mehrerer Bilder. Unbewegte Objekte (Brücke) erscheinen weiß, die nur zu einem Aufnahmezeitpunkt vorhandenen Schiffe farbig Quelle: DLR

    Versicherungsunternehmen beispielsweise können die Schadensberechnung nach Sturmschäden per Satelliten-Scan beschleunigen. Händler an den nordamerikanischen Warenterminbörsen wiederum bewerten lange vor der Ernte anhand der Satelliten-Aufnahmen den wahrscheinlichen Ertrag, den die Weizen- und Maisanbauregionen des Landes abwerfen werden, um so die Preisentwicklung der Produkte zu prognostizieren. „Und die Brüsseler Agrarkontrolleure können per Argusauge aus dem All ohne viel Aufwand kontrollieren, ob die Äcker, für deren Nicht-Nutzung europäische Bauern Stilllegungsprämien kassieren, tatsächlich brachliegen“, so ein Experte aus dem Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie.

    Um derart exakte Erdaufnahmen zu erhalten, bedienen sich die Satellitenbauer eines technischen Kniffs. In den frühen Fünfzigerjahren des vergangenen Jahrhunderts hatten Wissenschaftler entdeckt, dass sich mehrere von bewegten Antennen abgestrahlte und empfangene Radarimpulse zusammenfügen lassen. So lässt sich eine räumliche Auflösung der Radaraufnahmen erzeugen, die sonst nur mit deutlich größeren Antennen möglich wäre.

    „Bei der Verfeinerung und beim Einsatz dieser ,Synthetic Aperture Radar‘ (SAR) genannten Technologie sind deutsche Wissenschaftler und Raumfahrtunternehmen Weltspitze“, betont BDLI-Abteilungsleiter Hess. Diese Technologie ermöglicht es auch dem deutschen TerraSAR-X mit seiner nur gut 3,8 Quadratmeter großen Radarantenne, im Vorbeiflug Land- oder Wasserflächen von 100 Kilometer Breite und bis zu 1500 Kilometern aufzuzeichnen, im sensibelsten Spotlight-Modus mit einer Auflösung von bis zu einem Meter. In nur 96 Minuten hat der Satellit einmal die Erde umkreist; in elf Tagen entsteht so ein komplettes Abbild der Oberfläche.

    Ab 2006 wird erstmals die Erde als Ganzes vermessen

    Noch genauere Aufnahmen als TSX liefert nach Expertenschätzung gegenwärtig wohl nur der auf gleicher Technologie basierende Militärsatellit SAR-Lupe der Bundeswehr. Dessen Details allerdings halten die Militärs strikt unter Verschluss.

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      Bis zu sechs Gigabyte groß sind die Datenpakete, die TerraSAR-X in einem Schwung aufzeichnet. Sie werden vom Satelliten über eine spezielle Hochleistungsantenne zur Erde gesendet. Auch das ist ein technologisches Meisterstück: Denn während der Satellit mit mehr als der 22-fachen Schallgeschwindigkeit um die Erde rast, werden die Bilder mit bis zu 300 Megabit pro Sekunde zum Boden überspielt. Das ist gut 18-mal schneller, als eine 16.000er Turbo-DSL-Internet-Verbindung.

      Bald bekommt TerraSAR-X Unterstützung. In der großen Fertigungshalle von Astrium in Immenstaad – nur einen Steinwurf von den Infoterra-Büros entfernt – wird eine fast identische Kopie des Radar-trabanten gebaut: TanDEM-X. Dieser ausführlich „TerraSAR-X add-on for Digital Elevation Measurements“ genannte Zwilling soll seinem Bruder im kommenden Jahr in den Orbit folgen und einen weiteren Markstein in der Erderkundung setzen.

      Auf zwei nur um wenige Hundert Meter verschobenen Flugbahnen werden die beiden Satelliten von 2009 an um die Erde jagen und erstmals unseren Planeten als Ganzes vermessen. Während einer der beiden Flugkörper Radarimpulse zur Erde schickt und empfängt, nimmt der zweite die reflektierten Signale auf seiner Flugbahn leicht versetzt stereoskopisch auf. Das so erzeugte Bild der Erde wird so exakt und detailgetreu sein wie keines zuvor. Das gegenwärtige Höhenmodell entstand im Jahr 2000. Damals umkreiste die Raumfähre Endeavour die Erde zwischen den 60. Breitengraden und lieferte alle 30 Meter einen auf sechs Meter genauen Höhenpunkt. Nicht nur, dass die deutschen Satelliten erstmals auch die Pole digitalisieren und so etwa die Entwicklung des Polareises verfolgen können. Vor allem liefern die Adleraugen im All alle zwölf Meter einen auf zwei Meter exakten Höhenpunkt – ein Qualitätssprung der Geodaten fast um den Faktor 20!

      Das neue Höhenmodell soll zum Beispiel in ein Forschungsprojekt des DLR einfließen, bei dem die Wissenschaftler daran arbeiten, Flugzeugpiloten eine künstliche Außensicht ins Cockpit zu spielen. Gestützt auf Geländedaten der Satelliten, würden die Piloten dann auch bei Nacht oder schlechter Sicht jedes Detail der überflogenen Landschaft angezeigt bekommen. Bisher sind die notwendigen exakten Höheninformationen nicht flächendeckend verfügbar.

      Magere Qualität bisheriger Daten

      Auch anderen professionellen Anwendern bereitet die teils magere Qualität der bisherigen Daten handfeste Probleme. So stellen beispielsweise Mobilfunkbetreiber beim Bau ihrer Sendernetze immer wieder fest, dass die reale Netzabdeckung von den zuvor am Computer mithilfe digitaler Höhenmodelle berechneten Plänen abweicht. Nicht minder ungenau sind derzeit auch noch vielerorts Gefahrenkarten, mit denen Katastrophenschützer die Überflutungsrisiken bei Hochwasser oder Sturmfluten vorausberechnen. Und auch die Hersteller von Navigationssoftware, die die 3-D-Optik ihrer Programme in Zukunft um die Darstellung von Bergen und Tälern ergänzen wollen, warten sehnlichst auf die Höhendaten des deutschen Radarduos.

      „Egal, ob im kommerziellen Einsatz oder bei staatlichen Aufgaben – die neuen globalen Höhendaten von TerraSAR-X und TanDEM-X werden eine ganz neue Qualität weltweiter Geländeinformationen liefern“, verspricht Infoterra-Chef Herrmann. Und es soll noch besser kommen. Die Bundesregierung und Astrium haben sich im Grundsatz darauf geeinigt, dass den aktuellen Radarspähern in fünf bis sieben Jahren noch leistungsstärkere Satelliten folgen sollen – dann größtenteils privatwirtschaftlich finanziert. Die Kommerzialisierung der Erdbeobachtung wäre damit geschafft.

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