Spionagesatelliten

Ich habe mich ja schon einmal in einem Artikel mit der Problematik von Spionagesatelliten beschäftigt. Heute will ich mein Hauptaugenmerk nicht auf die Optik richten, sondern den Problemen, mit denen zivile Satelliten konfrontiert sind, die hochauflösende Erderkundung betreiben und diese Bilder verkaufen.

Es gibt eine Reihe davon. For wenigen Tagen startete eine Dnepr gleich 5 Satelliten der deutschen Firma RapidEye, jeder nur 150 kg schwer. Ihre Auflösung beträgt nur 5 m, doch dies ist schon deutlich mehr als Erderkundungssatelliten liefern und man für kartographische oder Spektraluntersuchungen braucht. Andere Satelliten von Indien und Israel haben 1-2 m, Auflösung und Digiglobe startet ihren zweiten Satelliten mit 0.6 m Auflösung in einigen Wochen. Für einen Satelliten von 150 kg Gewicht sind 5 m Auflösung nicht so schlecht und die Firma hat ja davon gleich 5 auf einmal gestartet um die globale Abdeckung zu verbessern.

Optische Instrumente für diese Auflösung sind nicht das Problem: Die Kamera HiRISE an Bord von Mars Reconnaissance Orbiter wiegt 65 kg, benutzt ein 50 cm Teleskop und hat eine Auflösung von 1 µrad, das sind aus 500 km Höhe noch 50 cm/Pixel. Erst wenn die Kamera deutlich größer wird, wie man es für die oft postulierten 10 cm eines KH-11/12 benötigt, wird es schwierig – nicht wegen dem Gewicht, das in der Dritten Potenz zur Auflösung ansteigt, sondern vor allem wegen der Tubuslänge und dem begrenzten räumlichen Volumen in einer Nutzlastverkleidung. (Für 10 cm aus 300 km Höhe braucht man ein Teleskop von etwa 180-200 cm Durchmesser. Das wiegt zwar dann etwa 670-810 kg. Bei geschätzten 10-15 t Startgewicht ist das Gewicht eines solchen Teleskops also gar kein Problem).

Das Problem ist die Datengewinnung und Übertragung.

Bei den heutigen Satelliten setzt man TDI Sensoren ein. (TDI = Time Delayed Integration). Die Problematik eines hochauflösenden Satelliten ist die Belichtungszeit: Der Satellit bewegt sich mit 7000 m/s relativ zur Erdoberfläche und wenn Details von 1 m Größe abgebildet werden sollen, so muss die Belichtungszeit deutlich unter 1/7000 Sekunde sein. TDI Sensoren bestehen aus 16-128 Pixelzeilen. Die Information wird dabei von einer Zeile in die nächste kopiert und die letzte Zeile dann ausgelesen. Durch das, zur Bewegung synchrone Kopieren, bekommt jedes Pixel eine viel längere Belichtungszeit. Das ganze ist vergleichbar der mechanischen Bewegung der Zeile synchron zur Bewegung. Im Vergleich zu einem mechanischen Schwenk von Teleskop oder Sensor gibt es aber keinen Zeitverlust um nach dem Schwenk die Ursprungsposition zu erreichen und keinen mechanischen Verschleiß.

Das Limit setzen heute die Ausleseraten. Eines der modernsten TDI Sensoren, wie das CCD21241, hat 24000 Pixel von 8.75 µm Größe. Hier werden bis zu 300 MHz Ausleserate erreicht. Das entspricht etwa 12000 Zeilen pro Sekunde. Bei 7000 m/s ist die Auflösung so beschränkt auf 7000 m/s / 12000 Zeilen/s = 7/12 m also etwa 60 cm. Erfasst wird eine Zeilenbreite von 14.4 km.

Dieses System liefert eine Datenrate von nahezu 300 MByte/s, deckt aber nur einen Streifen von 14.4 km Breite ab. So ist es nicht verwunderlich, wenn Digiglobes neuer Vogel, Worldview 1 bei einer Auflösung von 0.41 m/Pixel pro Tag nur eine Fläche von 450.000 km² abbilden kann – Klein im Vergleich zur Erdoberfläche von 500 Millionen km². Trotzdem sollte man das "nur" in Anführungszeichen setzen, denn Monochrom, (8 Bit/Pixel) entspricht diese Fläche einer Datenmenge von 2.7 Terrabyte pro Tag.

Selbst bei der Rekordatenrate von 800 MBit/s braucht man 8 Stunden pro Tag um diese Datenmenge zu übertragen. Dies ist nur mit mehreren Bodenstationen möglich, da Funkkontakt nur über etwa 10 Minuten pro Station bestehen und nur nahe des Pols ein Kontakt pro Umlauf möglich.

Es ist logisch, dass so die Fläche in dieser Auflösung begrenzt ist. Das ist ein Problem für eine Firma, die natürlich nur ein begrenztes Gebiet ablichten kann. Doch eine Firma kann damit leben, sofern sie nicht zu viele Aufträge ablehnen muss. Anders sieht es bei einem militärischen System für die USA aus. Sie haben ein strategisches Interesse an Aufnahmen von der ganzen Welt. Sowohl zur Einschätzung von Konflikten wie auch zur Unterstützung ihrer vielen Truppen in Friedens und Kriegsmissionen rund um die Erde. Es ist leicht nachzuvollziehen, dass dann ein System mit 10 cm Auflösung das (extrapoliert von den Worldview 1 Daten) weniger als 30.000 km² pro Tag erfassen kann, nicht den strategischen Nutzen hat, das man sich von ihm erhofft.

• Doch die USA haben einen Vorteil: Sie können auf ein System von Satelliten zurückgreifen. Die Aufklärungssatelliten senden ihre Daten nicht über Bodenstationen zum Pentagon, sondern über ein System militärischer Aufklärungssatelliten. Dadurch gibt es Funkkontrakt über 100 % der Zeit und bei entsprechender Sendestärke auch mit hohen Datenübertragungsraten (das zivile TDRS System erreicht 600 MBit/s, doch die TDRS sind kleine Satelliten, verglichen mit den militärischen Kommunikationssatelliten die eine Titan 4B Centaur oder eine Delta IV Heavy als Träger benötigen). Das steigert die Datenmenge beträchtlich. Trotzdem wird es ein mehrstufiges System geben:
• Mit niedriger Auflösung werden ganze Länder zyklisch abgetastet alle paar Wochen, um gravierende Veränderungen festzustellen. Ziel dessen ist es neue Dinge festzustellen oder größere Veränderungen. Bei 100 MBit/s kann ein Satellit die ganze Erde in 14 Tagen mit 7 m Auflösung erfassen. Der größte Teil dieser Aufnahmen wird unwichtiges oder unbebautes Land zeigen, doch die Erfassung ist nötig um z.B. eine neue Abschussbasis in der russischen Taiga aufzuspüren, die es vorher in diesem unbebauten Gebiet nicht gab.
• Alle militärisch relevanten Gebiete wird man dann regelmäßig in höherer Auflösung erfassen. Nimmt man an, dass dies nur 1 % der gesamten Fläche ausmacht, so kann man dieses Gebiet dann schon mit 0.7 m Auflösung alle 14 Tagen neu erfassen – das ist besser als dies zivile Satelliten können.

Die Aufnahmen höchster Auflösung gibt es nur von kleinen Arealen, Flughafen, Testgeländen etc. Diese werden aus den Aufnahmen mittlerer Auflösung herausgesucht.

Dass man dazu eine enorme Manpower braucht dürfte klar sein. Bei einer 600 MBit Leitung kann ein Satellit pro Sekunde 75 Millionen Bildpunkte liefern. Wenn ein Auswerter in 10 Sekunden die Bilder auf einem 1920 x 1280 Pixel Monitor durchsieht, dann braucht man 300 Personen um die Bilder durchzusehen. Sinnvoll ist ein solches System auch nur mit mehreren Satelliten. Ein Satellit kann aus den niedrigen Perigäumshöhen von 300 km nur einen kleinen Streifen auf der Erde verzerrungsfrei erfassen. Nach einem Umlauf ist er aber schon bis zu 2500 km weiter westlich. Für eine zweite Aufnahme kurz danach platziert man ab besten einen weiteren Satelliten so im Orbit, dass er das gleiche Gebiet einen oder zwei Tage später überquert. Weiterhin braucht man für einen vollständigen Funkkontakt mindestens 3 Satelliten im geostationären Orbit, die dann auch bei einem Übertragungskanal pro Satellit ohne Probleme mindestens 3 Satelliten versorgen können. Anders ausgedrückt: Wenn man ein so aufwendiges System betreibt, dann lohnt es sich nur wenn man auch viele Satelliten im Orbit hat. Es gilt allerdings inzwischen als gesichert, dass das DoD Bilder von Digiglobe und anderen Privatfirmen kauft. Dies geht auch einher mit einer rapide gesunkenen Startrate von Aufklärungssatelliten der KH-12 Serie. Für kleinere Staaten oder Länder mit einer geringen globalen Beteiligung an verschiedensten zivilen und militärischen Konflikten ,ist dieser Aufwand zu groß und auch unnötig.

Völlig anders sieht es aus, wenn ein Land nur die eigenen Grenzen schützen will. Für Iran würde es bei der derzeitigen politischen Situation ausreichen, die 437.000 km² des Iraks regelmäßig zu fotografieren. Das schafft schon ein kleiner Satellit in 1 m Auflösung und bei wenigen Funkkontakten pro Tag. Begnügt man sich mit etwa 1 m Auflösung, so kann man aus heute verfügbaren Standardbauteilen und einem kleinen Teleskop arbeiten. Ein Satellit von 200 kg Gewicht wäre ausreichend und diese Satellitengröße ist mit einer Mittelstreckenrakete und ein oder zwei Feststoffoberstufen startbar. Eine Technologie die sich auch kleinere Staaten kaufen können. Die Sensoren sind heute im Handel erhältlich. Die TDI Sensoren haben auch zivile Anwendungen, so überprüfen sie Fertigungsstraßen bei denen Produkte in rasender Geschwindigkeit an den Sensoren vorbeirasen. Selbst wenn der Kauf scheitern sollte – Ein Gang in den nächsten Fotoladen löst auch das Problem: Eine Canon EOS 1Ds Mark III hat auch einen 21 MPixel Sensor mit 14 Bit Farbtiefe und kann über einen Adapter an Teleskope angeschlossen werden. Gekoppelt an ein 10 Zoll Teleskop mit 3200 mm Brennweite gibt dies beugungsbegrenzte Bilder von 2 µrad Auflösung, also 1 m aus 500 km Entfernung. Von Alter gibt es z.B. Maksutov Teleskope mit 258 oder 304 mm Öffnung und 3000 bzw. 3800 mm Brennweite. Das entspricht aus 500 km Entfernung einer Bodenauflösung von 1.07 bzw. 0.85 m.  Beides sind Standardprodukte die man im Internet bestellen kann. Was man braucht ist nur noch ein Standard-T Adapter an das Teleskop und einen Gleichschrittmotor. wie er auch z.B. in Teleskopmontierungen eingesetzt wird.

Einen Satelliten zu bauen ist heute auch kein Problem mehr. Im neuesten ESA Journal kommt ein Artikel über europäische Kleinsatelliten die von Studenten gebaut werden. Darunter ist sogar das Projekt eines Mondorbiters. Die Lösung mag schwerer oder umständlicher als ein Exemplar von Astrium sein, doch das dürfte für ein Drittweltland nicht das Problem darstellen. Unter diesem Aspekt ist es ein Wunder, dass nicht viel mehr Aufklärungssatelliten die Erde umkreisen.