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Radarbeobachtung des Weltraums
Radarbeobachtung des Weltraums
Bedarf und Bedeutung für die europäische Raumfahrt
Prof. Dr. W. FluryESA/ESOC, Darmstadt
100 Jahre Radar FGAN / Wachtberg 30. April, 2004
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Radarbeobachtung des Weltraums
Einführung
• Seit dem Start von Sputnik 1 (4. Okt. 1957) ungefähr 4600 erfolgreiche Raketenstarts.
• Rückstände früherer Raumfahrtmissionen in erdnahen Umlaufbahnen stellen eine zunehmende Gefährdung dar für die bemannte und unbemannte Raumfahrt.
• Information über die Population der Raumfahrtrückstände wird im erdnahen Weltraum hauptsächlich durch Radarbeobachtungen gewonnen, in entfernten Bahnen mit optischen Teleskopen.
• Nur die USA und Russland verfügen über ein Weltraumüberwachungssystem: das US Space Surveillance Network (SSN), das russische Space Surveillance System (SSS). Frankreichentwickelt das experimentelle System GRAVES.
• Einige wenige leistungsfähige Einrichtungen in Europa vorhanden für punktuellen Einsatz.
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Radarbeobachtung des Weltraums
Zusammensetzung des Katalogs 2003
41%Fragmente
13%Missionsbezogene Objekte
17%Raketenoberstufen
22%ausgediente Satelliten
7%operationelle Satelliten
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Radarbeobachtung des Weltraums
Raumfahrtrückstände (Space Debris)
Ausgediente Satelliten und Raketenoberstufen
Missionsbezogene Objekte Trümmer von Explosionenund Kollisionen
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Radarbeobachtung des Weltraums
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Radarbeobachtung des Weltraums
Jährliche Raketenstarts
Seit 1957: ca. 4,600 Starts resultieren in ca. 27,000 katalogisierten Objekten (Ende 2002)
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Radarbeobachtung des Weltraums
HVI 12mm Alu Kugel (6.8 km/s) auf Alu Zylinder
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Radarbeobachtung des Weltraums
Space Surveillance Network (SSN)
NSSSCAPE COD
LSSCBEALE
KAENA PT.
FYLINGDALESCLEAR
SCC
THULE
CAVALIER
MAUI & MSSS
SOCORRO
ASCENSION
EGLIN
LSSC = Lincoln Space Surveillance CenterMillstone, Haystack, HAX
MSSS = Maui Space Surveillance System(former AMOS/MOTIF site)
NSSS = Naval Space Surveillance System
MOSS
Discovery RadarTracking RadarOptical Telescope
COBRA DANE
GLOBUS II
MSX / SBV
ALTAIRDIEGOGARCIA
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Radarbeobachtung des Weltraums
FGAN/TIRA Radar (Wachtberg/D):
•Betreiber: FGAN (Forschungsgesellschaft für Angewandte Naturwissenschaften e.V.)
•Antenne: 34 m parabolischer Reflektor in 49 m Radom
•Tracking Radar: L-Band (1.333 GHz), 1 MW max. Leistung, 0.45º 3 dB Keulenbreite, 1 ms Pulsdauer, 30 Hz Pulswiederholrate, ~2 cm Objekte in 1,000 km Abstand
•Bildgebendes Radar: Ku-Band (16.7 GHz), 13 kW max Leistung, 0.031º 3dB Keulenbreite, 256s Pulsdauer, 55 Hz Pulswiederholrate, ~15 cm Auflösung
•Space Debris Anwendung: Bahnbestimmung beim Wiedereintritt von Risikoobjekten (Skylab, Salyut-7, Mir); Kollisionsvermeidung
•Bildgebendes Radar: Notfälle (z.B. Adeos-1); Bestimmung der Fluglage und Form (z.B. Salyut-7, Mir)
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Radarbeobachtung des Weltraums
“Monge” und die ARMOR Radars:
•Betrieben von DGA/DCE
•Tests von ballistischen Flugkörpern
•Monge: 21,040 t, l x b = 230mx25m
•Ausrüstung: 2 Tracking & 3 Test Radars, 1 CCD Teleskop, 1 LIDAR, mehrere Telemetrieantennen
•ARMOR Radars: 2 x 10 m Antennen, C-Band ( ~ 5.5 GHz), 1 MW max. Leistung, 0.4º 3dB Keulenbreite; max. Reichweite ~ 4,000 km; gleichzeitige Bearbeitung von bis zu3 Zielen in der Hauptkeule ( 3 Kanäle)
•Space Debris Anwendung: Tracking von Wiedereintrittsobjekten und potentiellen Kollisionsobjekten
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Radarbeobachtung des Weltraums
Beam – park Experimente(Detektion und
Bahnbestimmung von cm-grossen Objekten)
FGAN/TIRA ⇒ Effelsberg/MPI-RA:• Sender und Empfänger: TIRA/Wachtberg
34 Meter Antenne; Empfänger: Effelsberg Radioteleskop (100 Meter steuerbare Antenne)
• 21 km Horizontaldistanz; erdfeste Keulenrichtung: FGAN (MPI-RA) Elevation/ Azimuth = 76.1º/93º (75º/90º); gemeinsamer Beobachtungsbereich 750km ≤ H ≤ 980km
• Detektionsgrenze: ~ 0.9 cm in 1,000 km• 80% der detektierten Objekte nicht
katalogisiert
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Radarbeobachtung des Weltraums
Fylingdales Phased Array Radar (Fylingdales/UK):
•Betrieben von Grossbritannien (bilaterales Abkommen mit US Space Surveillance Network)
•3-seitiger Phased Array, 120ºSeparation der Flächennormalen, 20ºFlächenneigung, 22m Durchmesser aktive Fläche, Überdeckung 360ºAzimuth, 3º - 85º Elevation, UHF-Band; Aufgaben: Weltraum-überwachung und Detektion von ballistischen Flugkörpern
•3 Parabolantennen von 25.6 m Durchmesser; Aufgabe: Tracking
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Radarbeobachtung des Weltraums
GRAVES: “Grand Réseau Adapté à la Veille Spatial”; (franz. Luftwaffe)
•Zielsetzung: Weltraumüberwachung in LEO (Höhe kleiner als 2000 km) für Objekte kleiner als 1 Meter); Katalog mit ca. 3000 Objekten.
•bistatisches CW Radar (VHF); zwei 15 m x 6 m, geneigte phased-array Transmitter in Dijon (SW und SE Ausrichtung); Empfänger Installation von 60 m in Apt (380 km südlich des Senders); simultane Beobachtung von mehreren Objekten.
•Messdaten: Azimut & Elevation, Doppler & Doppleränderungen → vollständige Bahnbestimmung
• Genauigkeit: ~ 1 m für H < 1, 000 km (mehr als 80% der katalogisierten Objekte in diesem Bereich erfassbar)
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Radarbeobachtung des Weltraums
Space Debris – Kollisions- vermeidung
• Operationelle Kollisions-vermeidung in LEO
• Beispiele: ESA‘sErdbeobachtungssatelliten ERS-2 and ENVISAT
• ERS-2 Vorbeiflug bei 1.4t Cosmos-3M Oberstufe innerhalb von 170m am 2004/03/18 um 11:48 UTC. Kollisionsgeschwindigkeit 14.8 km/s.
• Ausweichmanöver durchgeführt (4 x 6.5 cm/s Delta v); Minimalabstand: >600m
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Radarbeobachtung des Weltraums
Risiko auf der Erdoberfläche
• Seit Sputnik mehr als 28000 katalogisierte Objekte
• Ungefähr 18000 Objekte in Atmospähre verglüht ohne Schaden zu verursachen
• Wiedereintritte mit Trümmer auf Erdoberfläche:
– Kosmos-954 (1978)
– Skylab (July 11, 1979)
– Kosmos-1402 (1984)
– Salyut-7 – Kosmos-1686 (Feb. 7, 1991)
• Kontrollierter Eintritt der MIR Raumstation (140 Tonnen, 23. März, 2001)
• Risiko am Boden kann kleingehalten werden durch kontrolliertenWiedereintritt
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Radarbeobachtung des Weltraums
Kontrollierter Wiedereintritt der MIRRaumstation (23. März 2001)
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Radarbeobachtung des Weltraums
Treibstofftank Delta II (Start von GPS Satelliten)Texas, 1997
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Radarbeobachtung des Weltraums
ZUSAMMENFASSUNG (I)
• Radarbeobachtungen des Weltraums werden benötigt für
• Weltraumüberwachung (Space Surveillance)
• Gewährleistung der operationellen Sicherheit von Raumflügen (Vermeiden von Kollisionen)
• Information über ‘kleine’ Orbitalobjekte. Validierung von mathematischen Modellen zur Verteilung von Raumfahrtrückständen (Beam Park Experimente)
• Voraussagen über den Wiedereintritt von Risikoobjekten (Salyut-7, Mir)
• Diagnose bei Satellitennotfällen (bildgebendes Radar)
• Verifizierung von internationalen Regelungen
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Radarbeobachtung des Weltraums
ZUSAMMENFASSUNG (II)
• Radarbeobachtungen des Weltraums sind von fundamentaler Bedeutung für Betrieb und Sicherheit in der Raumfahrt
• Dank TIRA/FGAN und Monge kann Europa wichtige Information zu punktuellen Fragen selbst gewinnen.
• Im Bereich der Weltraumüberwachung ist Europa weitgehend von den USA und Russland abhängig.