Kann heute jeder einen Spionagesatelliten bauen?

Beim letzten Start des ersten Satelliten des Plejades Systems flog auch als Sekundärnutzlast SSOT (Sistema Satelital para la Observación de la Tierra) mit. Dies ist der erste chilenische Erdbeobachtungs- / Spionagesatellit. Bei 110 kg Gewicht erreicht er eine Auflösung von 1,45 m am Boden. Wer sich ein bisschen in der Geschichte auskennt, dem fallen die ersten Erderkundungssatelliten des Landsat Systems ein, bei dem man mit 40-80 m Bodenauflösung auskommen musste oder die zweite Spionagesatellitengeneration Gambit. Diese hatte in etwa dieselbe Auflösung: und das waren über 2 t schwere Ungetüme.

So fragt man sich, wie ist das heute mit einem nur 100 kg schweren Satelliten möglich?

Nun ein weitverbreiteter Irrtum ist, dass man riesige Optiken braucht und diese die Hauptkonstruktionsherausforderung bei dem Bau sind.  Dem ist nicht so. Verwendet man ein beugungsbegrenztes Instrument, so reicht bei der angegebenen Orbithöhe von 620 ein Teleskop mit einem Durchmesser von 25 cm. Eine Standardoptik dieser Größe, z.B. ein Meade ACF-10 wiegt 13 kg. Natürlich wird es bei größeren Optiken schwerer. (Wer mal selbst nachrechnen möchte, ohne Beweis, für diesen bei Raleight Kriterium und Dawes Kriterium nachsehen: es gilt: Eine Optik von 1 mm Durchmesser hat eine Auflösung von 1 mm in 1700 mm Entfernung. Mittels Dreisatz kommt man so auf die Auflösung/Durchmesser in jeder beliebigen Entfernung). Bei erdgebundenen Teleskopen gilt die Faustregel: doppelter Durchmesser = sechsfaches Gewicht. Doch selbst die 10 cm Auflösung, die manche Autoren für das Keyhole System propagieren, würde ein 120 cm Teleskop in 200 km Distanz erreichen – und das wiegt dann vielleicht 1 t – nicht so viel bei Satelliten mit über 15 t Gewicht.

Nein das Problem liegt auf drei Ebenen: den Sensoren, der Datenspeicherung und der Datenübertragung.

Fangen wir mal mit den Sensoren an. Als die USA mit ihren Aufklärungssatelliten begannen, konnten hochauflösende Aufnahmen nur mit fotografischem Film anfertigen. Videocons, also Videokameras, waren sehr kontrastarm, lichtunempfindlich und vor allem die Größe einer Röhre war begrenzt. Mehr als einige (Hundert Bildpunkte)² waren aus dem nicht so stark gewölbten Teil nicht auslesbar. Als man es beim Landsatsystem mit sehr großen Videoröhren von 5 cm Durchmesser versuchte, waren die Resultate nicht so überzeugend und man schmiss die Kameras nach drei Satelliten wieder von der Instrumentierung. Doch dies war schon 1972 und zehn Jahre früher waren die Möglichkeiten noch beschränkter.

Hinsichtlich Fläche und Auflösung (Feinkörnigkeit) konnte man in der Frühzeit der Raumfahrt nur Film einsetzen. 70 mm Film war ungefähr 6-7 mal größer als Videoconröhren und die Auflösung war sogar doppelt so groß. Das Problem war es nur, den Film wieder zur Erde zurückzubringen. Die Alternative: Das Entwickeln an Bord und das Abtasten mit einer Photodiode wurde im militärischen Programm nie probiert. Wahrscheinlich, weil man befürchtete Kontraste zu verlieren, während man auf der Erde natürlich die Entwicklung genau steuern konnte, musste ja alles automatisch geschehen und durch das Digitalisieren gibt es weitere Verluste. Das wurde nur bei den Lunar Orbitern durchgeführt. Die konnten schließlich ihren Film nicht zur Erde zurückbringen. Das Umladen in eine Kapsel und deren Absprengen funktionierte recht gut. In Russland wurde gleich die ganze Wostok-Kapsel mit dem Kamerasystem geborgen – die war immerhin über 2 m groß.

Das löste auch die beiden folgenden Probleme: Datenspeicherung und -übertragung. Russland setzte noch bis weit in die neunziger Jahre Film als Medium ein. Vielleicht auch weil ihre Zenit Satelliten seit 30 Jahren praktisch unverändert produziert wurden und einfach eine unbemannte Wostokkapseln waren.

Kleine Satelliten mit hohen Auflösungen waren erst mit der Erfindung des CCD möglich. CCD sind sogar lichtempfindlicher als Film, anders als die Videocons. Die Größe war allerdings lange beschränkt, weshalb z.B. die Spot Satelliten eine CCD-Zeile aus vielen Sensoren hatte. Heute ist das kein Problem mehr. CCD-Zeilen mit bis zu 24000 Pixeln Breite und Arrays mit bix zu 28 MPixeln sind verfügbar. Damit verbinden sie hohe Auflösung mit großer Fläche. (Die größten sind immerhin 17 cm breit). Von den Sensoren in einer Digitalkamera unterscheidet sie sich durch die Pixelgröße. Die liegt bei 5 – 24 µm. Zum Vergleich: Ein 14 MP Sensor in Digitalkameras im 1/1.8 Zoll Format hat Pixels von nur 1,6 µm Größe – entsprechend lichtunempfindlicher und verrauschter sind die Aufnahmen.

Eingesetzt werden heute vor allem Zeilen-CCD, dann muss man das Teleskop nicht bewegen, sondern die Ausleserate wird mit der Bewegung des Satelliten über die Erdoberfläche synchronisiert.

Das zweite ist die Datenspeicherung. Nehmen wir nur mal einen 150 km breiten Streifen mit 1,5 m Auflösung – dann sind das 100.000 Pixel in der Breite. Bei rund 7 km relativ zum Boden gibt es 5000 Zeilen pro Sekunde. Mithin produziert ein solches System rund 50 Millionen Pixel pro Sekunde, bei 8 Bit pro Pixel also rund 400 MBit/s. Diese Datenmenge wäre vor 30 Jahren nicht speicherbar gewesen. Es gab damals nur Magnetbandgeräte deren Kapazität und Datenrate beschränkt war. Erst Ende der neunziger Jahre kamen Halbleiterspeicher auf. Die ersten waren reine RAM-Rekorder, bestanden also aus normalem DRAM. Heute hat wie in Digitalkameras das Flash-RAM die Funktion eines Datenspeichers.

Diese Datenmenge muss dann noch zum Erdboden übertragen werden. Für kleinere Länder die kein Satellitensystem dafür aufbauen können, ist der wesentliche Fortschritt eigentlich der dass man in den Frequenzen sich nach oben gehangelt hat. In den sechziger und siebziger Jahren benutzte man noch das UHF- und teilweise S-Band, heute wird im X-Band gesendet. Bei gleicher Sendeleistung und Größe der Sendeantenne ist dabei die Datenrate erheblich höher. Die USA nutzen wahrscheinlich ihre militärischen Kommunikationssatelliten auch zur Datenübertragung der Aufklärungssatelliten, die im Weltraum auch das noch höherfrequente Ka-Band nutzen können. Tests mit noch höheren Frequenzen werden derzeit unternommen und selbst Deutschland experimentiert mit optischer Datenübertragung die noch höhere Datenraten zulässt und viel abhörsicherer ist.

Kleine Nationen positionieren besser eine oder bessere mehrere Satellitenempfangsstationen nahe des Pols, da dieser bei den sonnensynchronen (fast polaren) Bahnen bei jedem Umlauf passiert wird. Somit gibt es bei jedem Umlauf die Gelegenheit Daten zu übertragen. Deutschland betreibt z.B. in Norwegen und bei einer Insel zwischen Chile und der Antarktis zwei Empfangsstationen für TerraSAR und Tandem-X. Würde Deutschland nur eine Station auf eigenem Gebiet betreiben, so würde es nur alle paar Umläufe einen Kontakt geben.

Alle Möglichkeiten zusammen führen dazu dass man heute mit einem 110 kg schweren Satelliten eine Bodenauflösung von 1,45 m erreicht – gut genug für viele militärische Zwecke. Viel besser sind die Plejades Satelliten oder SarLupe auch nicht. Hexagon/Kennan ist noch eine Klasse besser, aber diese Generation scheint nun auszusterben, es gab seit Jahren keinen neuen Start.