ASA im Dienst der Wissenschaft und Raumfahrtbehörden

Satellitenbeobachtungen der Universität Bern

In Zusammenarbeit mit der Firma ASA Astrosysteme entwickelt das Astronomische Institut der Universität Bern ein durch Verträge der Europäischen Raumfahrtbehörde ESA getragenes Projekt zur Beobachtung von Sateliten und erdnahen Objekten (NEOs).

Bei der Suche nach Satelliten - dazu gehört auch Weltraumschrott - werden alle 40 Sekunden Serien bestehend aus 5 Einzelaufnahmen mit einer Belichtungszeit von 5 Sekunden aufgenommen. Auf diesen Serien wird dann nach Objekten gesucht. Am 19.1.2010 wurde während 12 Stunden der Himmel nach Objekten im geostationären Ring abgesucht. In dieser Zeit wurden 4542 CCD Bilder aufgenommen. Auf diesen Aufnahmen wurden 714 Objekte gefunden, von denen 69 in keinem Katalog verzeichnet waren.

Das Observatorium Zimmerwald der Universität Bern ist eine von etwa 50 Beobachtungsstationen im Netzwerk der 1998 von der U.S. Raumfahrtbehörde NASA gegründeten „International Laser Ranging Service“ (ILRS). In Zimmerwald werden die Distanzvermessungen zu Satelliten mittels der „Satellite Laser Ranging“ – Methode (SLR) vorgenommen.

SLR ist eine der präzisesten Methoden, um die geozentrische Position eines erdunkreisenden Satelliten zu vermessen. Dadurch ist es beispielsweise möglich, die Radar Altimeter Instrumentierung in Satelliten exakt zu kalibrieren. Aus den mit SLR berechneten präzisen Bahnen tieffliegender Satelliten können Rückschlüsse über das Schwerefeld der Erde gezogen werden. Nicht zuletzt kann mittels SLR die Allgemeine Relativitätstheorie überprüft werden.

Die Firma ASA Astrosysteme in Oberösterreich konnte in Zusammenarbeit mit dem Astronomischen Institut der Universität Bern einen wesentlichen Beitrag zur Implementierung eines effizienten und kostengünstigen Systems für optische Beobachtungen beitragen. Dabei wurden von der Firma ASA eine in Serie produzierte DDM85 Montierung und ein 12 Zoll Astrograph eingesetzt. Eine eigens für das System entwickelte Software wurde über ASCOM mit der bestehenden Autoslew Kontroller Software verbunden. Das daraus resultierende ZimSMART system (Zimmerwald Small Aperture Robotic Telescope) wird zur Beobachten von künstlichen Objekten in großen Bahnhöhen eingesetzt und als Unterstützung der Erstellung und des Unterhalts eines Katalogs von Bahnelementen verwendet. Das Teleskop sowie die Montierung wurden von ASA entwickelt und werden vollautomatisch gesteuert. Das System wird auch für Nachfolgebeobachtungen von sogenannten Near-Earth Objects (NEOs) eingesetzt, d.h. von Objekten (z.B. Asteroiden), welche die Erde in geringer Entfernung passieren können.

Es folgt ein Bericht des technischen Leiters des SLR Projekts der Univerität Bern, Dr. Martin Ploner:

CCD Beobachtungen am Observatorium Zimmerwald

Am Observatorium Zimmerwald (erbaut 1956) werden Beobachtungen zum Zwecke der Erdvermessung und Astrodynamik durchgeführt. Ursprünglich wurde nur photographisch beobachtet, dann kamen weitere Beobachtungstechniken hinzu, insbesondere Laserdistanzmessungen zu Satelliten (1971). Der Schwerpunkt der photographischen Beobachtungen liegt auf astrometrischen und photometrischen Messungen von Weltraumschrott in grossen Bahnhöhen. Zum Weltraumschrott zählen nicht nur ausgediente künstliche Satelliten und Raketenoberstufen, sondern auch Teile von Satelliten, die durch Kollisionen oder Explosionen entstanden sind. Diese optischen Beobachtungen mit CCD Kameras als Bilddetektoren erfolgen vorwiegend in Kooperation mit der Europäischen Raumfahrtagentur (ESA). Das Ziel dieser Beobachtungen ist in erster Linie der Aufbau und Unterhalt eines Kataloges von Bahnelementen und Objekteigenschaften der künstlichen Erdsatelliten und des Raumschrotts.

Es kommen 2 unterschiedliche Teleskope zum Einsatz, das 1m Teleskop ZIMLAT (ZIMmerwald Laser and Astrometric Telescope) und ZIMSMART (ZIMmerwald SMall Robotic Telescope). ZIMLAT wird vorwiegend für Nachfolgebeobachtungen von neu entdeckten Weltraumschrottteilchen und für die Charakterisierung dieser Teilchen mit Hilfe von Lichtkurven und photometrischen Beobachtungen eingesetzt. Die Hauptaufgabe von ZIMSMART ist die Suche nach hellen Objekten in hohen Umlaufbahnen (z.B. im geostationären Ring). ZIMSMART wurde aus kommerziell erhältlichen Komponenten zusammengebaut. Von 2006 bis 2009 kam eine Paramount ME Montierung von SoftwareBisque zum Einsatz, seit August 2009 wird die Montierung DDM85 der Firma Astro Systeme Austria (ASA) verwendet. Je nach Anwendung wird entweder ein ASA Astrograph mit 30cm Öffnung oder ein Takahashi Epsilon-180 mit 18cm Öffnung montiert. Als Bilddetektor wird ein CCD Kamera vom Typ Proline 16803 von Finger Lakes Instrumentation verwendet.

Wie der Name ZIMSMART schon andeutet (Robotic Telescope), wird das Teleskop fast ausschliesslich "vollautomatisch" betrieben. Ein am Institut entwickeltes Softwarepaket steuert nicht nur den Ablauf der Beobachtungen, sondern prozessiert auch diese und extrahiert die Positionen der gefundenen Objekte. Die Kommunikation mit dem Teleskop erfolgt über die in Autoslew integrierte ASCOM Schnittstelle. Der ASCOM Befehlssatz wurde in Zusammenarbeit mit Dipl. Phys. Philipp Keller (Fa. Astrooptik) um einige Befehle erweitert, die das exakte Nachführen von Satelliten ermöglichen. Ausserdem können Fehlermeldungen des Teleskops über die ASCOM Schnittstelle abgefragt werden. Die Teleskopzeit wird über einen GPS Empfänger synchronisiert. Auch bei fehlerhafter PC Uhr ist somit die exakte Ausrichtung des Teleskops gewährleistet. Dies ist insbesondere bei der Beobachtung von Satelliten in niedrigen Bahnhöhen von grosser Bedeutung. Die Montierung ist als Knicksäule ausgeführt, somit entfällt der Meridianflip. Vor allem bei der Suche nach geostationären Objekten wäre ein Lagewechsel des Teleskops im Süden sehr störend. Die hohe maximale Bewegungsgeschwindigkeit der Direktantriebe ermöglicht eine sehr effiziente Suche nach Weltraumschrott. Die Zeit für das Auslesen des CCD Bildes ist meist länger als die Neupositionierung des Teleskops für die nächste Aufnahme. Spezielle Sensoren auf dem Verschluss der CCD Kamera garantieren eine Erfassung des Belichtungszeitpunktes mit einer Genauigkeit von wenigen Millisekunden. Ein Vergleich der astrometrischen Positionen von GPS Satelliten mit Positionen aus Mikrowellenbeobachtungen zeigt, dass der RMS der astrometrischen Positionen besser als 0.5 Bogensekunden ist. Ein Wolkensensor startet bzw. stoppt die Beobachtungen ohne Interaktion eines Operators. Seit dem Wechsel von der Paramount ME auf die ASA DDM85 Montierung ist die Stabilität des Systems bezüglich Hardware- als auch Softwarekomponenten hervorragend. Meist laufen die Beobachtungen während einer ganzen Nacht ohne Probleme ab. Ohne die sehr gute Zusammenarbeit mit den Firmen ASA und Astrooptik wäre die Realisierung eines derart zuverlässigen Systems nicht möglich gewesen.

Bei der Suche nach Weltraumschrott werden alle 40 Sekunden Serien bestehend aus 5 Einzelaufnahmen mit einer Belichtungszeit von 5 Sekunden aufgenommen. Auf diesen Serien wird dann nach Objekten gesucht. Die Positionierung des Teleskops erfolgt so, dass eine lückenlose Suche in einem vorgewählten Himmelsausschnitt gewährleistet ist. Die Grenzhelligkeit liegt bei einer Magnitude von 16. Bessere Werte verhindert das starke Streulicht der umliegenden Städte Bern und Thun. Am 19.1.2010 wurde während 12 Stunden der Himmel nach Objekten im geostationären Ring abgesucht. In dieser Zeit wurden 4542 CCD Bilder aufgenommen. Dies entspricht einer Datenmenge von 36 GB. Auf diesen Aufnahmen wurden 714 Objekte gefunden, von denen 69 in keinem Katalog verzeichnet waren.

In den nächsten Wochen soll die Suche nach Weltraumschrott auch auf tiefer liegende Bahnen ausgedehnt werden. Erste Tests von Aufnahmen des Satelliten Lageos haben gezeigt, dass auch Satelliten mit höherer Bahngeschwindigkeit ohne Probleme mit Hilfe der ASA DDM85 Montierung getrackt werden können.

Dr. Martin Ploner

Lesen Sie mehr auf der ESA-Website

PERFECT IMAGING PERFORMANCE

ASA im Dienst der Wissenschaft und Raumfahrtbehörden