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\nIch möchte heute mal diskutieren, wie gut die Kartierung von Triton sein könnte und auch die Einflussfaktoren nennen.<\/p>\n
Einflussfaktor 1: Minimaldistanz<\/h3>\n
Die Minimaldistanz kann in gewissen Grenzen frei festgelegt werden. Bei Voyager 2<\/a> war Triton nur ein Ziel. Mit seiner Suite von 12 Instrumenten war Neptun der Hauptgegenstand der Untersuchungen. Bei Triton konnten von den 12 Instrumenten nur ein Teil eingesetzt werden. Wenige Daten würde es bei Triton von Instrumenten für Wellen, Magnetfelder und geladene Teilchen geben. Da aber die Neptunvorbeiflugdistanz bei Voyager den Abstand bei Triton festlegte, waren die Wissenschaftler die diese Instrumente betreuten dafür möglichst auf Abstand zu gehen, damit die Sonde weniger stark beschleunigt wird und sie so mehr Messzeit bei Neptun hätten. Die Teams, die sich Bilder und Spektren von Triton erhofften, waren dagegen für eine geringe Minimaldistanz. Hätte Voyager 2 Neptun in 1.000 bis 1.300 km Distanz passiert, so wäre sie in 8.000 bis 10.000 km Distanz an Triton vorbeigeflogen. Jeder Kilometer mehr vergrößerte die Distanz, da Triton nicht in der Äquatorebene Neptun umkreist, sondern 27 Grad zum Äquator geneigt und noch dazu retrograd, also gegen die Rotationsrichtung von Neptun. Neptun muss die Sonde also so umlenken, dass sie in Tritons Distanz (327.000 km) 27 Grad über oder unter dem Äquator ist. Das geht um so besser je näher man sich Neptun nähert. Voyager passierte schließlich Neptun in 4.850 km Distanz, daraus resultierte eine Distanz von 38.500 km von Triton.<\/p>\n Logischerweise bekommt man immer höher aufgelöste Aufnahmen, je näher man sich Triton nähert. Allerdings ist dann auch das Blickfeld der Kamera klein und sie bildet ein kleineres Areal ab. Da der Abstand laufend sinkt, bzw. nach dem Vorbeiflug wieder ansteigt, ist die Zahl der Bilder bei einer niedrigen Distanz klein und sie bilden nur eine kleine Fläche ab.<\/p>\n Als Voyager 2 Neptun passierte, war die Technik der Datenverarbeitung noch eine andere. Die Sonde hatte als Massenspeicher einen Bandrekorder. Der war schon nicht sehr schnell \u2013 der Bandrekorder der zwei Jahre zuvor gestarteten Viking Sonde hatte eine Schreibrate von 4,48 Mbit\/s, Voyagers Rekorder nur eine von 0,1152 Mbit\/s. Das Abspeichern eines Bildes dauerte 48 Sekunden, in der die Sonde (geschätzt) 624 km zurücklegte. Eine sehr niedrige Vorbeiflugdistanz macht daher auch nur bedingt Sinn, denn sie bedeutet nur wenige zusätzliche Bilder. Würde Voyager nur Bilder anfertigen und keine anderen Messdaten gewinnen, so bedeuten die 30.000 km Distanz zwischen minimal möglicher Passage in 8.000 Abstand und der Passage in 38.500 km Distanz nur rund 50 weitere Bilder.<\/p>\n Hier hat sich viel geändert. Raumsonden haben heute einen Massenspeicher aus Flashbausteinen wie in einer SSD. Solche Speicher erreichen Schreibraten von 500 MByte\/s. Die vorgeschlagene Jupitersonde IVO wird Daten mit 240 MByte\/s aufzeichnen. Begrenzend für das Aufnehmen von Bildern sind daher andere Faktoren.<\/p>\n Die Belichtungszeit ist ein wesentlicher Zeitfaktor. Neptun ist fast 30-mal weiter von der Sonne entfernt als die Erde. Er erhält nur 1\/900 des Lichts, das die Erde erhält. Daher wird die Belichtungszeit viel länger sein. New Horizons Kamera hatte beim etwas weiter entfernten Pluto eine Belichtungszeit von 1\/5 s. Dabei hatte sie für irdische Maßstäbe große Pixel: 13 \u00b5m im Quadrat (meine 18 MP Spiegelreflexkamera hat 4,5 \u00b5m große Pixel, Kameras in Smartphones typisch 1 \u00b5m große Pixel). Die Belichtungszeit wird ein wesentlicher Zeitfaktor sein, denn die Auslesezeit des Chips war bei New Horizons mit 13 ms viel kürzer. Da die Belichtungszeit für den ganzen Chip gilt, ist es sinnvoll möglichst viele Pixels auf dem Chip unterzubringen. Dann allerdings hat man, wenn die Größe jedes Pixels feststeht, da man die Belichtungszeit auch nicht zu hoch haben will, ein Problem mit der Größe des Chips. Ein Teleskop bildet im Fokus einen Kugelschnitt ab. Das heißt je weiter man sich von der optischen Achse entfernt um so verzerrter aber auch unschärfer wird die Abbildung. Wie stark hängt von der Konstruktion des Teleskops ab. Wenn man die Abmessungen eines 35-mm-Kleinbilds als Maßstab nimmt, das erreichen z. B. nicht mal alle Amateurteleskope, die in der Größenordnung wie ein Teleskop einer Raumsonde liegen, dann sind bei 10 bis 13 \u00b5m pro Pixel maximal 3.000 bis 4.000 Pixel in einer Line oder 9 bis 16 Mpixel bei einem quadratischen Chip möglich. Bei Zeilensensoren, die nur den mittleren Bereich nutzen, kann die Zeile noch etwas länger sein als bei einem quadratischen Chip, wo die Ecken weiter vom Zentrum entfernt sind. (genauer gesagt um den Faktor Wurzel(2) = 1,41 \u2026).<\/p>\n Der letzte Faktor ist die Schwenkzeit zwischen zwei Aufnahmen. Sie ergibt sich, sobald ein Himmelskörper das Blickfeld ausfüllt. Nun muss man beginnen, Mosaike herzustellen. Zwischen jedem Bild muss sich die Kamera bewegen \u2013 z.B. zuerst in der Horizontalen für eine Zeile und dann in der vertikalen für die nächste Zeile. Diese mechanische Bewegung dauert. Voyager verwandte eine in zwei Achsen drehbare Instrumentenplattform, während sich die Ausrichtung der Raumsonde nicht veränderte. Eine solche Plattform muss relativ wenig Gewicht bewegen und man kann dafür Elektromotoren mit Schrittsteuerung nehmen, wie sie auch Teleskope haben. Sie haben keine Start\/Stoppzeiten. Die Instrumentenplattform von Voyager hatte eine Spitzendrehrate von 1 Grad\/s. Allerdings war die Übertragungsrate der Bilder so langsam, dass diese Geschwindigkeit kein Limit war. Zudem näherte sich Voyager nur wenigen Körpern richtig nah. Für zwei sich überlappende Bilder der Telekamera musste sich die Plattform um 0,3 Grad bewegen, was selbst bei langsamster Rate in 4 s erledigt war, das Auslesen des Bildes dauerte aber 12-mal so lange. Bei einer heutigen Sonde wären die bei 1 Grad\/s anfallenden 0,3 s für die Neupositionierung dagegen länger als die Belichtungszeit und viel länger als die Auslesezeit. Demgegenüber erreichen Teleskopsteuerungen bis zu 12 Grad\/s. Daher würde man eine schnellere Drehrate bevorzugen.<\/p>\n Heute ist es allerdings gängiger die Instrumente fest an der Raumsonde anzubringen und stattdessen die ganze Raumsonde zu drehen, das geht meist mit Drallrädern die ein Drehmoment induzieren. Gängige Busse für Kleinsatelliten haben eine maximale Drehrate von 1 Grad\/s. Anders als bei einer Schrittsteuerung kann man aber die Bewegung des ganzen Satelliten nicht sofort stoppen. Zuerst muss die Drehrate in horizontaler Richtung wieder genullt werden, dann kann man die Sonde kippen (vertikale Drehung), auch das muss man wieder nullen und dann kann man in Gegenrichtung wieder horizontal drehen. Kurz: am Ende jeder Zeile fällt mindestens die vierfache Zeit einer Instrumentenplattform an. Zudem rotiert der Satellit die ganze Zeit, eine Instrumentenplattform bewegt sich nur nach dem Aufnahmen einer Belichtung. Ab einer bestimmten Distanz macht alleine das Drehen während der Belichtung eine Unschärfe, die das Bild unscharf macht.<\/p>\n Doch die Bewegung der ganzen Sonde kann man auch ausnutzen: Wenn der Sensor nur aus wenigen Scanzeilen besteht, dann kann man die Bewegung ausnutzen, um ein Bild aus vielen Spalten aufzubauen. Derartige Sensoren setzt man vor allem in Erdbeobachtungssatelliten oder einen Körper orbitierende Raumsonde ein. In diesem Falle sorgt die Orbitalgeschwindigkeit dafür, dass sich die Szene unter der Kamera bewegt. Bei einer Vorbeiflugsonde ist die Situation komplizierter. In großer Entfernung bewegt sich die Szene kaum. Dann muss die Sonde selbst rotieren. Allerdings muss sie erst die Bewegung stoppen und neu starten, wenn sie einen Streifen quer über die Oberfläche von Triton aufgenommen hat. Das Starten und Stoppen erfolgt bei einem Flächensensor bei jedem Bild. Je breiter der Streifen wird desto größer also dieser Vorteil. Auf der anderen Seite nimmt durch den sinkenden Abstand die Bewegung Tritons relativ zur Kamera immer mehr zu und man kann für eine gegebene Belichtungszeit und Auflösung einen Abstand errechnen, ab dem alleine diese Bewegung zu groß ist, um durch die Drehung der Kamera kompensiert zu werden. Ein weiterer Nachteil ist das derartige Sensoren durch TDI-Sensoren zwar viel kleinere Belichtungszeiten haben als Flächensensoren, aber in der Zeit eben nur eine Spalte oder Zeile belichtet wird und ein flächiger Chip mehrere Tausend Spalten bzw. Zeilen hat. Zudem verändert sich der Abbildungsmaßstab mit der Entfernung.<\/p>\n Für eine Neptunsonde würde ich daher eine Instrumentenplattform wählen. Sie erlaubt mehr Bilder, jedes Bild hat einheitliche Belichtungsbedingungen und ist nicht durch die Bewegung des Satelliten während der Belichtung verschmiert (eine Bewegung der Plattform zur Kompensation der Bewegung der Raumsonde relativ zu Triton kann trotzdem nötig sein).<\/p>\n Hier ein Vergleich der beiden Technologien. Ich habe in beiden Fällen die gleiche Fokusgröße (40 mm) und dieselbe Größe der Detektoren angesetzt und als praktische Beispiele die Detektoren von RCAM (IVO) <\/a>und LORRI (New Horizons) genommen.<\/p>\nEinflussfaktor 2: Datenrate<\/h2>\n
Einflussfaktor 3: Belichtungszeit, Auslesezeit und Schwenkzeit<\/h3>\n