Aufklärungssatelliten – es kommt nicht nur auf die Optik an….
Ich habe vor ein paar Monaten mich ja schon mal mit dem Thema Aufklärungssatelliten und den Gerüchten (mehr ist es nicht), das diese Auflösungen von einigen Zentimetern haben sollten, beschäftigt. Heute soll es nicht um die Optik gehen, sondern ein anderes Problem: Die Belichtungszeit und Bewegungskompensation.
Zuerst einmal: Was ist die Problematik?
Nehmen wir an, Sie bauen einen Satelliten der in einer kreisförmigen Bahn von 300 km Höhe die Erde umrundet und hochauflösende Bilder machen soll. 300 km ist eine Höhe, bei der sie der Erde nah sind, aber nicht so nah, dass die Atmosphäre den Satelliten rasch abbremst. Ein 300 km Orbit hat eine Lebensdauer von einigen Monaten bis zu einem Jahr, wenn er nicht angehoben wird. In dieser Höhe hat ihr Satellit eine Geschwindigkeit von 7731.4 m/s. Er umkreist also die Erde in 1 h, 30 Minuten und 21 Sekunden. Dividiert man den mittleren Erdumfang (40030 km) durch diese Zeit (5421 Sekunden), so legt der Satellit jede Sekunde auf der Erde 7384 m zurück. Deutschland, mit einer Nord-Süd Ausdehnung von rund 800 km, hätte er also in nicht ganz 2 Minuten überflogen.
Nehmen wir an sie haben eine CCD Kamera eingebaut, und um optimal belichtete Bilder zu machen, müssen sie 1/1000 Sekunde belichten. Wenn ihre Kamera 20 m/Pixel auflöst, so ist das kein Problem. Es tritt nun das auf, dass sie eventuell kennen wenn sie aus einem fahrenden Auto die Landschaft fotografieren wollen: Durch die Bewegung des Autos erhalten sie eine Unschärfe, die Bewegungsunschärfe. In der Tausendstel Sekunde, während der das Bild belichtet wird, hat sich der Satellit am Boden um rund 7.4 m weiter bewegt. Wenn nun die Kamera viel gröber auflöst, (hier 20 m) so sehen sie dies nicht auf dem Foto. Doch für einen Aufklärungssatelliten sind 20 m Auflösung wenig. Was passiert, wenn ich 1 m oder noch weniger auflösen möchte?
Möglichkeit 1: Kürzer belichten. Die Belichtungszeit hängt von dem Licht ab, welches auf ein Sensorelement fällt. Je größer meine Optik ist, desto mehr Licht fällt auf ein Pixel bei gleicher Größe. Fotographen kennen den Begriff der Blende – Sie ist das Verhältnis zwischen Brennweite und Objektivgröße. Je größer ein Objektiv bei einer gegebenen Brennweite ist, desto lichtstärker ist es, desto kürzer ist die Belichtungszeit. Ein Grund warum Aufklärungssatelliten daher immer größere Spiegel haben, könnte sein, diese Bewegungsunschärfe zu reduzieren und so bei gleicher Brennweite und gleichen Sensoren bessere Aufnahmen zu erhalten. Das zweite ist es jedes Pixel zu vergrößern, um mehr Licht aufzufangen. Das reduziert jedoch dann die Auflösung. Zu einem dritten Trick komme ich noch.
Möglichkeit 2: Ich kompensiere die Bewegung. Wenn, wie hier, die Umlaufbahn kreisförmig ist und der Satellit direkt nach unten sieht, dann bewegt sich die Oberfläche gleichförmig unter der Optik hinweg. Die Optik kann dann in der gleichen Richtung gedreht werden, mit einer Geschwindigkeit von 1 Umdrehung alle 90 Minuten. Dieses Prinzip ist abwandelbar, z.B. indem nur der Sensor bewegt wird und die Optik fest ausgerichtet bleibt. Es gibt nur zwei Einschränkungen: Durch die Bewegung der Optik muss diese, nachdem sie einem Gebiet eine Weile gefolgt hat und ein Bild gewonnen wurde in die Ausgangsstellung zurückgedreht werden. Eine kontinuierliche Abtastung ist so nicht möglich. Die zweite: Die Bewegung ist nur konstant wenn der Satellit sich auf einer kreisförmigen Umlaufbahn befindet und nicht zur Seite sieht. Die Seite sieht man unter einem anderen Blickwinkel, der sich durch die Bewegung noch dazu ändert – Fixieren sie einmal einen Baum beim Fahren mit dem Zug. Wenn er weit entfernt ist sehen sie ihn aus einem flachen Winkel, wenn er direkt vor ihnen steht ist er im Bruchteil einer Sekunde an ihnen vorbei geflogen. Wenn sie den Kameraschwenk auf die frontale Position justieren, dann wird das Bild von der Entfernung (Schräge) verwischt.
Gerade dies ist aber gegeben. Die KH-11/12 Satelliten befinden sich auf einer elliptischen Umlaufbahn von typischerweise etwa 300 km minimaler und 900 km maximaler Entfernung von der Oberfläche. (Um die Abbremsung durch die Restatmosphäre zu reduzieren). Und sie sollen auch Bilder schräg aufnehmen, weil so ein Gebiet nach kürzerer Zeit erneut abgelichtet werden kann. Das erschwert die Ausführung einer Nachführung. Sie muss nun variable Geschwindigkeiten bieten.
Je höher die Auflösung, desto größer werden die Anforderungen. Nehmen wir die 300 x 900 km Bahn. Die Geschwindigkeit beträgt dann in 300 km Entfernung 7890 m/s und in 900 km Entfernung 7240 m/s. Die Bewegung relativ zur Erdoberfläche beträgt 6344 m/s im Apogäum und 7.535 m/s im Perigäum. Nehmen wir an. Die Bewegungskompensation ist auf die Distanz von 300 km Entfernung justiert bei einer Belichtungszeit von 1/1000 Sekunde. Die Bewegungskompensation entspricht im Perigäum einer Drehung von 0.067 Grad pro Sekunde. Im erdfernsten Punkt sind es dagegen 0.57 Grad/Sekunde. Bei 0.67 Grad pro Sekunde bewegt sich die Optik zu schnell und es resultiert eine Bewegungsunschärfe von 1.2 m/s im erdfernsten Punkt.
Das bedeutet, die Bewegungskompensation muss sehr ausgeklügelt sein, wenn sie verschiedene Geschwindigkeiten und Winkel bedienen muss.
Nun habe ich noch von einer dritten Möglichkeit gesprochen. Sie wird heute bei hochauflösenden "semi-zivilen" Satelliten eingesetzt, z.B. Ikonos oder Worldview. Es sind spezielle Sensoren, die TDI Sensoren. (TDI = Time Delayed Integration). Diese Sensoren werden auch bei Produktionsstraßen eingesetzt, z.B. um farbigen Müll auszusortieren oder vorbeirauschende Flaschen auf Beschädigungen zu überprüfen. Die Anforderungen sind die gleichen wie bei Aufklärungssatelliten: Das zu untersuchende Objekt bewegt sich mit enormer Geschwindigkeit vor der Optik. Die Lösung ist es mehrere Scanzeilen zu verwenden, aber nur die oberste auszulesen. Eine Flasche wird z.B. von der untersten Scanzeile erfasst, nun bewegt sie sich weiter, streicht nacheinander über die Scanzeilen und passiert schließlich die letzte Scanzeile. Der Trick besteht nun darin, die elektrische Ladung, die durch die Belichtung in jedem CCD Element resultiert synchron zu dieser Bewegung zu verschieben und dabei zu der schon vorhandenen zu addieren. Ein Element mit 16 Scanzeilen kann also im Idealfall die 16 fache Belichtungszeit eines einzelnen Elements aufweisen – oder umgekehrt die Belichtungszeit auf ein sechszehntel reduzieren. Dabei reicht die Belichtungszeit eines einzelnen CCD Elemente nicht aus für ein kontrastreiches Bild, aber die von 16 Elementen.
Die derzeit modernsten haben bis zu 128 Zeilen. Ohne Bewegungskompensation erreichen damit heute Satelliten wie Worldview schon unter 50 cm Auflösung. Der begrenzende Faktor ist dabei dann nicht mehr die Belichtungszeit, sondern die Datenrate. Für höhere Auflösungen müssten die Scanzeilen erheblich schneller ausgelesen werden als heute möglich. Das CCD 21241 von Fairchild, eingesetzt bei Worldview 1, ist z.b. limitiert auf max. 18 KHz Ausleserate, also bei etwa 7 km/s Bewegung über den Boden maximal 7000 m /18000 = .0.39 m/Pixel. Die erreichte Auflösung des Satelliten (0.45 m) liegt nahe an der Grenze.
Das zeigt die Problematik die es gibt, wenn sehr hohe Auflösungen erreicht werden sollen. Da die Anforderungen quadratisch mit der Auflösung steigen, stellt sich auch bei Aufklärungssatelliten die Frage nach der Umsetzung. Worldview unterscheidet sich von Ikonos nicht so sehr durch das größere Teleskop – das hätte man schon vor 10 Jahren in Ikonos einbauen können – sondern der Verfügbarkeit von leistungsfähigeren TDI Sensoren. Da das Militär vielleicht eher die neueste Technologie im Einsatz hat, sich aber nicht von der technischen Entwicklung loslösen kann (anders ausgedrückt: Das Militär kann sich heute zwar die schnellsten Supercomputer leisten, aber diese bestehen aus den gleichen Speicherchips und Prozessoren wie andere Computer auch).