Home

Raumfahrt

Sonstige Raumfahrt Aufsätze

Site Map

Die Applied Technology Satellites (ATS)

Die NASA entwickelte nicht nur Forschungssatelliten und Raumsonden, sondern erprobte auch neue Technologien. Es gab in den Sechziger bis Anfang der Siebziger Jahre eine kleine Serie von sechs Satelliten des Applied Technology Satellites (ATS) Programms. Die Applications Technology Satelliten wurden entwickelt, um verschiedene Techniken für Meteorologie, Kommunikation und Navigation in geostationären Umlaufbahnen zu erkunden. Intern wurden die Satelliten mit Buchstaben benannt also ATS-A bis ATS-F. ATS-6 (ATS-F) ist das Thema eines eigenen Artikels.

Ursprünglich war das Programm als Nachfolgeprogramm zum ersten geostationären Nachrichtensatelliten Syncom 1-3 gedacht. Die Syncom waren die ersten geostationären Satelliten. Sie wurden von der NASA entwickelt. Der Start von Syncom 1 scheiterte, Syncom 2 gelangte in eine 24-Stunden Umlaufbahn, aber noch 33 Grad zum Äquator geneigt, somit musste man bei ihm die Antennen nachführen. Erst Syncom 3 gelangte in eine geostationäre Umlaufbahn mit einer Bahnneigung von Null Grad. Da es nun dauernd ohne Antennennachführung Kontakt zu ihm gab, war er als dauerhaftes Funkrelais nutzbar, anders als die vorherigen Satelliten auf elliptischen Umlaufbahnen. Der Vorteil war so offensichtlich, das die internationale Organisation INTELSAT gegründet wurde um weitere Satelliten zu bauen, die zuerst Nachbauten von Syncom waren. Damit zog sich die NASA aus dem Projekt zurück.

Die NASA und der Satellitenhersteller Hughes (Hersteller von Syncom) hofften, den Erfolg des Syncom-Projekts mit einem Advanced Syncom fortsetzen zu können. Dabei stießen sie auf den Widerstand einiger Kongressabgeordneter, die befürchteten, dass die NASA Technologien zum Nutzen eines Privatunternehmens, nämlich Comsat, Hauptanteilseigner von INTELSAT entwickeln würde. Daher wurden die Ziele des Projekts erweitert und es wurde zu ATS. Das Verteidigungsministerium (DoD) beeinflusste die NASA dahingehend, dass die Technologie zur Stabilisierung des Schwerkraftgradienten (bei ATS-2, ATS-4 und ATS-5) einbezogen wurde. Alle fünf ATS-Satelliten der ersten Generation verfügten über einen C-Band-Transponder mit einer Bandbreite von 25 MHz, der 1200 Einweg-Sprachschaltungen oder ein analoges Farbfernsehsignal übertragen werden konnte.

ATS-1 (7.12.1966)

Der ATS-1-Satellit war ein direkter Nachfolger von Syncom, aber mit 351,5 kg (775 lb) im Orbit und einer Länge von 1,5 m (54 Zoll), größer und schwerer. Anstatt einer Thor-Delta benötigte er eine Atlas Agena für den Start. Hersteller des Satelliten war Hughes. ATS 1 (Applications Technology Satellite) wurde entwickelt um neue Konzepte in den Bereichen Design, Antrieb und Stabilisierung von Raumfahrzeugen zu testen, hochwertige Bilder der Wolkendecke zu gewinnen und verarbeitete meteorologische Daten über einen geosynchronen Satelliten weiterzuleiten. Dazu kamen In-situ-Messungen des Weltraums und das Testen verbesserter Kommunikationssysteme durch Hughes.

Der zylinderförmige, destabilisierte Satellit war 135 cm hoch und hatte einen Durchmesser von 142 cm. Die Hauptstruktur bestand aus Wabenbauweise und dazu kam der Apogäumsantrieb. Dieser war mit Stützstreben mit dem Mantel verbunden. Der Mantel wurde aus Solarkollektoren gebildet die mit 23.840 Solarzellen belegt waren. Die Solarzellen lieferten anfangs eine Leistung von 175 Watt.

Im Innenring zwischen Antrieb und Solarpaneelen wurden die Subsysteme des Satelliten und die funktechnische Nutzlast und die Experimente montiert. Zwei wiederaufladbare Nickel-Cadmium-Batterien dienten als Sekundärenergieversorgung. Acht 150 cm lange VHF-Experiment-Peitschenantennen wurden um das hintere Ende des Raumfahrzeugs montiert, während acht Telemetrie- und Steuerantennen am vorderen Ende platziert wurden. Für Lagekorrekturen und Bahnmanöver gab es katalytisch betriebene Triebwerke die 2,3-kg Wasserstoffperoxid und Hydrazin als Treibstoff nutzten.

ATS-1 hatte 15 Experimente an Bord. Die meisten Experimente waren technologischer Art und erforderten nur eine geringe Zusatzhardware. So wurde die Signalabschwächung im VHF-Band bestimmt, um die Elektronendichte unterhalb des Orbits zu messen oder es wurde die Abnahme der Leistung der Solarzellen bestimmt. Zwei Experimente stammten von Hughes und betrafen die Kommunikationsnutzlast.

Echte Experimente waren das Magnetometer an einem 15 cm langen Ausleger, das Elektronenspektrometer das die Energie von Elektronen im GEO-Orbit bestimmte. Zwei weitere Detektoren bestimmten Protonen und Ionen. Das Hauptexperiment war die Spin-Scan Cloudcover Camera (SSCC). Licht wurde durch ein kleines Teleskop mit parabolischem Hauptspiegel von 13,7 cm Durchmesser und 25,4 mm Brennweite auf einen Sekundärspiegel umgelenkt, der es dann auf den Detektor warf. Dessen Gesichtsfeld war mit einer Maske auf 0,025 mm Größe beschränkt worden. Ein Filter sollte den Kontrast anheben. Der Detektor war eine Photomultiplierröhre, ein Restlichtverstärker. Er wurde um 7,5 bis + 7,5 Grad in der Höhe geschwenkt und deckte so die Nord-Südrichtung ab. Die Abtastung in West-Ost Richtung erfolgte durch die Rotation des Satelliten mit 100 U/min. Nach 20 Minuten war ein Bild fertig. Weitere 10 Minuten dauerte das Neupositionieren der Kamera. Die Kamera wog 7,3 kg und hatte einen Stromverbrauch von 24 Watt. Sie bildete die Erde zwischen den 52 Breitengraden mit einer Auflösung von etwa 3,2 km ab. Am 22. Dezember 1966 erfasste ATS-1 das erste Bild von Erde und Mond zusammen. Es war die erste Aufnahme der (Fast) Vollerde.

Das zweite meteorologische Experiment war Weather Facsimile (WEFAX), ein Instrument zur Datenübertragung und -weitergabe. Dieses Instrument übermittelte Daten von der zentralen ESSA-Datenverarbeitungsanlage an APT-Bodenstationen in der westlichen Hemisphäre. Damit konnten Bilder von Wettersatelliten oder Wetterkarten als Faksimile schnell verbreitet werden. Das Meteorologische Datenübertragungssystem empfing APT-Faksimile Signale bei 135,6 MHz und strahlte sie bei 149,8 MHz wieder ab. Dieses VHF-Experiment wurde auch für die Kommunikation mit Flugzeugen, Schiffen und meteorologischen Fernterminals sowie zur Evaluierung der VHF-Satellitennavigation genutzt. Das VHF-Band hat eine niedrige Frequenz was einfachere Empfangs- und Sendeantennen und -stationen ermöglicht, dafür aber eine geringere Datenrate. Es wurde eine phasengesteuerte Antennengruppe mit acht Elementen und einem 5-Watt-Sender für jedes Element verwendet. Die beiden Antennenanlagen waren entdrallt, sodass die auf 20 Grad aufweitende Antennenkeule ständig auf die Erde ausgerichtet war.

ATS-1 war der erste Satellit, der das Frequenzmultiplexverfahren (FDMA) nutzte, bei dem unabhängig voneinander empfangene Signale für den Downlink auf einen einzigen Träger aufmoduliert werden. Dadurch wird das Spektrum im Uplink geschont und eine effiziente Leistung des Frequenzbandes im Downlink ermöglicht.

ATS-1 wurde am 7. Dezember 1966 mit der SLV 3 Atlas Agena D (5101/6152) in eine Bahn von 35764 x 35791 km x 2.01 Grad am Äquator über Ecuador gebracht. Die Umlaufdauer von 1435,659 Minuten war etwas kürzer als ein Tag, weshalb ATS-1 langsam nach Westen driftete. Der Satellit erreichte schließlich 151 Grad West (östlich der Weihnachtsinsel).

Die Daten von ATS-1 wurden bis 1970 regelmäßig abgerufen, danach wurden sie nur noch sporadisch von der NOAA bis zum Start von SMS 1 im Mai 1974 abgerufen. Der Satellit konnte Daten nicht zwischenspeichern. Danach übernahm die NASA ihn um Vergleichsstudien von ATS 1 bis 6 durchzuführen. Am 1.12.1978 wurde er zuerst abgeschaltet. Es war geplant, den Betrieb auf seinem endgültigen Längengrad von 164° Ost bis September 1983 fortzusetzen und das Raumschiff dann aus der geostationären Umlaufbahn zu bringen. Er reagierte dann aber nicht mehr auf Steuerkommandos. Von der 12-jährigen Lebensdauer des Satelliten wurden in den ersten 6 Jahren (1966-1972) nützliche Daten empfangen. Die Kommunikationshardware funktionierte noch fast 20 Jahre später, aber ATS-1 reagierte 1985 nicht wie vorgesehen auf Befehle.

Die ATS-Satelliten ebneten den Weg für geostationäre Wettersatelliten, die ab 1974 gestartet wurden. Zu diesem Zeitpunkt gab es schon seit über einem Jahrzehnt Wettersatelliten in sonnensynchronen Umlaufbahnen. Die ersten wurden schon kurz nach Beginn der Raumfahrt gestartet, da der Blick auf Wolken und damit auch Stürme aus dem All die Wettervorhersage und Sturmwarnung erheblich verbesserte. Diese sonnensynchronen Satelliten fertigten mit Weitwinkelkameras Aufnahmen mit deutlich höherer Auflösung als ATS-1 an, passierten ein Gebiet aber erst nach 12 Stunden erneut. Geostationäre Satelliten erlaubten eine viel kleinere Zeitauflösung und hatten immer eine ganze Hemisphäre im Blick. Das die NOAA trotz den erfolgreichen Experimenten an Bord von ATS 1 bis 5 relativ spät geostationäre Satelliten einsetzte, hatte andere Gründe. Die Wettersatelliten bis dahin hatten die Aufgabe die Wettervorhersage für die USA zu verbessern, ebenso profitierte Europa von diesen Satelliten, da die APT-Empfangsgeräte für die Bilder sehr einfach ausgelegt waren und so erschwinglich waren. So konnten auch europäische APT-Stationen Bilder von US-Wettersatelliten empfangen, zumal die ATS empfangene Bilder der US-Stelle erneut ausstrahlten. Geostationäre Satelliten bilden die Erde ausgehend vom Fusspunkt über dem Äquator aber zunehmend verzerrt ab. Das APT-System wurde später sogar von den russischen Meteor-Wettersatelliten genutzt.

Für die nördlich gelegenen USA war die geostationäre Position der ATS von Nachteil. Denn sie wurden nur klein und verzerrt abgebildet.

Zu den geostationären Satelliten kam es erst als die Vereinten Nationen ein internationales Programm für Meteorologie ins Leben rufen im Rahmen dieses Programms starteten auch Japan und Europa ihre ersten geostationären Satelliten. Sie sollten ein Netz über dem Äquator bilden, dass die ganze Welt abbildet. Mit leistungsfähigen Computern war nun auch ihre höhere Bildfrequenz von Vorteil, denn diese konnten aus mehreren Bildern die Wolkenbewegung und damit die Wege von Stürmen aber auch Hochs und Tiefs bestimmen und so die Wettervorhersage verbessern.

Die Kombination von Kommunikationsnutzlast und meteorologischen Experimenten von ATS-1 blieb lange ohne Nachahmer, erst nach 2020 begannen die Raumfahrtagenturen an Bord von Kommunikationssatelliten kommerzieller Betreiber Experimente als „Hosted Payloads“ zu installieren.

ATS 2 (6.4.1967)

ATS-2 wie ATS-5 hatten dieselbe Form wie ATS-1. ATS-2 war anders als sein Vorgänger ein schwerkraftgradientstabilisierter Satellit, ein Experiment des DoD. Zudem sollte er in einen mittelhohen Orbit gelangen. ATS-2 wurde entwickelt um neue Konzepte im Design, Antrieb und der Stabilisierung von Raumfahrzeugen zu testen und qualitativ hochwertige Bilder der Wolkendecke aufzunehmen. Dazu kamen wie beim Vorgänger situ-Messungen Umgebung und Tests verbesserter Kommunikationssysteme. ATS-2 hatte einen Durchmesser von 142 cm und eine Höhe von 183 cm. Der Aufbau entsprach dem von ATS-1. Die elektrische Energie wurde von zwei Solarkollektoren geliefert, die an beiden Enden der Außenhülle des Raumfahrzeugs angebracht waren, und von zwei wiederaufladbaren Nickel-Cadmium-Batterien gespeichert. Von der Seite des Raumfahrzeugs erstreckten sich radial nach außen vier 28,2 m lange, einstellbare Gravitationsgradientenausleger. Sie wurden auch als Empfänger für Experimente genutzt. Das Telemetriesystem des Raumfahrzeugs bestand aus vier weiteren 2,1-W-Sendern (zwei bei 136,47 MHz und zwei bei 137,35 MHz) zusätzlich zu dem Mikrowellenkommunikationsexperiment.

Die Gravitationsgradientenstabilisierung basiert darauf, dass die Gravitationskraft auch im Orbit abnimmt, also ein Teil des Raumschiffs stärker angezogen wird als der andere. Diese Kraft sollte ATS so drehen das die Experimente und Antennen immer zur Erdoberfläche schauen. Dazu hatte ATS-2 sehr lange Ausleger, die auch als Proben für das Feldexperiment und Magnetometer dienten. Dazu kamen weitere Experimente zur Detektion von Elektronen und Ionen die denen von ATS-1 entsprachen. Neu war ein Radioastronomieexperiment, welche die Ausleger von 76 m Gesamtlänge als Dipolantenne nutzte, um Radiowellen zwischen 0,45 und 3 MHz Wellenlänge zu empfangen.

Das Hauptexperiment war die Advanced Vidicon Camera System (AVCS). Sie bestand aus zwei Vidicon Kameras mit einem Blickwinkel von 50 und 3 Grad. Beide setzten ein 800 x 800 Pixel Vidicon ein. Für die Helligkeitskalibrierung wurde ein Balken mit 16 Graustufen an der Seite angefügt. Aus dem operationellen Orbit hätte die erste Kamera die ganze Erde mit einer Auflösung von 18 km am Fußpunkt erfasst. Die zweite Kamera hatte eine Auflösung von nur 1 km. Die Abtastung dauerte 6,25 Sekunden.

Regulär sollte die Weitwinkelkamera alle 10 Minuten ein Bild machen, die Telekamera eines alle 5 Minuten. Sie wurden zuerst auf ein 4-Spur Magnetband aufgezeichnet und dann langsam übertragen. Das Magnetband fasste 56 Bilder. Nur 33 Bilder der Weitwinkel und 19 der Telekamera wurden bis zum 19.7.1967 erhalten.

ATS 2 sollte in einen 6.000 nm (~ 11.100 km] hohen Kreisorbit gebracht werden. Damit sollte getestet werden, ob diese niedrigere Höhe Vorteile gegenüber dem geostationären Orbit bietet. Der Start erfolgte am 6. April 1967, erneut mit einer Atlas SLV-3 Agena D. Die Agena zündete bei der Zirkularisierung nicht, was zu einer ungeplanten elliptischen Umlaufbahn (186 x 11.000 km) führte. Spannungen in den Auslegern, die durch diese Umlaufbahn resultierten, führten schließlich dazu, dass das Raumfahrzeug taumelte. Trotz dieser Bedingungen wurden von einigen der Experimente nützliche Daten erhalten, insbesondere aus den Experimenten mit kosmischer Strahlung und Teilchen sowie den Feldexperimenten. Nach 6 Monaten wurde er deaktiviert. Der Satellit trat am 2. September 1969 wieder in die Atmosphäre ein.

ATS-3 (5.11.1967)

ATS 3 war eine evolutionäre Weiterentwicklung von ATS-1 bis 2 mit demselben Aufbau. Von den 11 Experimenten an Bord waren 8 technologische Experimente, die sich mit Navigation, Kommunikation und Betrieb und Ausrüstung von Satelliten befassten. Zwei weitere Experimente machten Aufnahmen der Erde in Echtzeit. Das verbleibende Experiment war die Demonstration von Navy's Omega Navigation System, mit dem bewegliche Sender wie Ballone, Flugzeuge oder Schiffe auf 2 km (tagsüber) bzw. 4 km (nachts) genau geortet werden konnten.

Die Image Dissector Camera (IDC) war ein weiterer Kameratyp, der erprobt wurde. Der Detektor war nun eine Photokathode die in 1.300 Zeilen abgetastet wurde. Wie bei ATS-1 lieferte die Drehung des Satelliten die zweite Dimension in West-Ost Richtung. Die Kameradaten wurden auf ein 28 kHz Signal aufmoduliert und in Echtzeit übertragen. Die Bilder hatten eine Auflösung von 7 km und wurden in 25 Minuten Intervallen übermittelt.

Die zweite Kamera, die Multicolor Spin-Scan Cloudcover Camera (MSSCC) war eine bedeutende Weiterentwicklung der Kamera von ATS-1. Sie funktionierte nach demselben Prinzip. Eine PMT-Röhre maß nur einen Bildpunkt, das Bild setzte sich aus Bewegungen des Detektors nach oben und unten und der Drehung von ATS-3 zusammen. Gegenüber ATS-1 gab es drei Detektoren mit Filtern die nur jeweils eine Grundfarbe (Rot, Grün, Blau) durchließen und wesentlich schärfere Bilder als die Kamera von ATS-1 lieferten. Anders als die Kamera von ATS-1 erfasste die Kamera auch die ganze Erde. Dei Signale wurden auf einen 60 kHz Carrier aufmoduliert. Es dauerte 24 Minuten um ein Bild aus 2.400 Zeilen mit 4 km Auflösung am Fußpunkt anzufertigen und zu übertragen. Danach benötigte die Kamera weitere 2,4 Minuten um sich neu zu positionieren.

ATS-3 wog 365 kg und hatte eine Höhe von 180 cm bei einem Durchmesser von 142 cm. Acht 150-cm-VHF-Experiment-Peitschenantennen wurden um das hintere Ende von ATS-2 platziert, während acht Telemetrie- und Kommando-Peitschenantennen am vorderen Ende platziert wurden. Ursprünglich auf 48° W Länge über dem Atlantik in einer geosynchronen Umlaufbahn platziert, variierte die Satellitenposition später zwischen 45 und 95° W Länge zur Unterstützung mehrerer meteorologischer Operationen. Drei Monate nach dem Start fielen bei der MSSCC Kamera zwei der drei Kanäle aus und es gab nur noch Schwarz-Weiß-Bilder. Bis 11.12.1974 wurde die MSSCC Kamera betrieben, dann gab es mit SMS-1 einen leistungsfähigeren Nachfolger. Danach wurden nur noch 30 Bilder pro Woche angefertigt bevor die MSSCC Kamera 30.10.1975 deaktiviert wurde.

Der C-Band Transponder wurde genutzt, um Fernsehübertragungen der olympischen Spiele in Mexiko zu übertragen. Im Dezember 1978 wurde zeitgleich mit ATS-1 der Betrieb der meisten Experimente beendet, aktiv blieb das Übertragungssystem für Wetterdaten das bis 2001 betrieben wurde.

ATS-4 (10.8.1968)

ATS war weitestgehend baugleich zu ATS-3. Er hatte zusätzlich die Ausleger von ATS-2 für die Gravitationsgradientenstabilisierung montiert. Die technologischen Experimente verschwanden dafür. Übrig blieb nur der C-Band Transponder, ein Ionenantrieb, die Gravitationstabilisierung. Erprobt wurde eine neue Kamera, die Image Orthicon (Day/Night) Camera. Sie sollte fähig sein, sowohl von der Tagseite wie auch Nachtseite Aufnahmen zu machen. Das Prinzip war wie bei den vorherigen Kameras, das das Bild punktweise zusammengesetzt wurde. Für die Empfindlichkeit bei Aufnahmen der Nachtseite gab es zwei Filter auf einem Filterrad. Ein Filter lies bei der Tagseite weniger Licht durch. Diese Kamera bildete nicht die ganze Erde ab, sondern ein Gebiet von 1.700 x 1.700 km am Fusspunkt mit einer Auflösung von 4 km. Das Gesichtsfeld der Kamera von 3 Grad konnte mit Schritten von 0,1 Grad über 11,2 Grad in Ost-West und Nord-Südrichtung verschoben werden.

Nach dem Start mit einer Atlas Centaur am 10. August 1968 in einen elliptischen 219 x 726 km Parkorbit zündete nach 61 Minuten die Centaur nicht, weil Wasserstoffperoxid in den Leitungen ausfror. In dem Orbit war ATS-4 weitestgehend nutzlos und verglühte am 17.10.1968 wieder.

ATS-5 (12.8.1969)

Ein Jahr nach ATS-4 folgte sein Nachbau ATS-5, auch er hatte wieder das Gravitationsgradienten-Experiment. Diesmal wurde auf eine Kamera verzichtet, dafür gab es wieder Experimente für die Teilchen- und Wellenumgebung, Gemessen wurde das umgebende Magnetfeld, das elektrische Feld, Ionen niedriger Energie, astronomische Radioemissionen zwischen 0,5 und 4 MHz mit den Auslegern, Protonen, Elektronen und Ionen mittlerer Energie.

Primär erprobte ATS-5 aber neue Sender und Empfänger in Frequenzbändern die bisher nicht genutzt wurden. Neben VHF/UHF und C-Band Sendern (137 MHz, 412 MHz und 4-6 GHz) der vorherigen Genrationen gab es auch Sender/Empfänger für das Mikrowellenband bei 15,3 und 31,65 GHz. Hier interessierte, wie die Signale sich beim Passieren der Erdatmosphäre verändern, da bei Mikrowellen die Dämpfung deutlich höher und variabler ist. Ein weiterer Sender erprobte das L-Band, das für den Nachfolger ATS-6 als Sendefrequenz ausgewählt wurde.

Die Atlas Centaur brachte den 826 kg schweren Satelliten in eine geostationäre Umlaufbahn mit einer Bahnneigung von 2,7 Grad. Dort versagte aber das Ausfahren der Ausleger für die Gradientenstabilisierung. Daraufhin wurde der Satellit mit Lageregelungstreibstoff in eine Rotation um die eigene Achse versetzt, das ging, weil er immer noch die trommel-förmige Gestalt seiner Vorgänger hatte. Er rotierte dann mit 71 U/min. Das Ionentriebwerk, eines der Experimente, konnte wie bei ATS-4 nicht erprobt werden. Die meisten Experimente lieferten aber auswertbare Daten. ATS-5 wurde bei 105 Grad West über dem Pazifik stationiert.

Der letzte Satellit der Reihe, ATS-6 hat einen völlig anderen Aufbau und wog doppelt so viel wie ATS-5 sodass er in einem eigenen Artikel besprochen wird. Es wurde zeitweise erwogen das Zweitexemplar von ATS-1 das in einem Museum ausgestellt wurde zu starten, doch es blieb bei den Plänen.

Links / Quellen

NSSDC Archiv über ATS 1

NSSDC Archiv über ATS 2

NSSDC Archiv über ATS 3

NSSDC Archiv über ATS 4

NSSDC Archiv über ATS 5

NASA Seite über die ATS

NASA Science über ATS

Artikel erstellt: 3.5.2023

© des Textes: Bernd Leitenberger. Jede Veröffentlichung dieses Textes im Ganzen oder in Auszügen darf nur mit Zustimmung des Urhebers erfolgen.

Sitemap

Kontakt

Neues

Impressum / Datenschutz

Hier werben / advert here

Buchshop

Bücher vom Autor