Envisat: Bodenkontakt im Datenstrom

Palle Sørensen ist Bodensegment-Manager für die Envisat Mission und sorgt dafür, dass die Empfangseinrichtungen am Boden - Computer, Antennen, Software, Kommunikationsnetze - und vor allem Kontrollteams einsatzbereit sind. Bis zu 50 Ingenieure und Wissenschaftler sitzen im Kontrollraum an langen Konsolen mit Dutzenden von Computerbildschirmen und einer riesigen Leinwand mit Bildern, Daten und Grafiken. Sie sollen vom "European Space Operations Centre" in Darmstadt den Umweltsatelliten Envisat steuern. Die Europäische Weltraumorganisation ESA wird Envisat Anfang 2002 in seine Umlaufbahn entsenden und über ein Jahrzehnt im Auge behalten.

Der neueste, grösste und teuerste je gebaute Satellit der Europäer ist zugleich ihr ganzer Stolz. Er soll die Erde 14 Mal am Tag umkreisen und flächendeckend nach Umweltsünden und Klimaveränderungen abtasten. Das kommt genau zur richtigen Zeit. Envisat wird die Treibhausgase in der Atmosphäre messen und analysieren, Umweltsünder lokalisieren, Meeresströmungen und das Algenwachstum erkennen und das Ozonloch genau im Auge behalten.

Seine zehn Instrumente zählen zum Feinsten moderner Sensortechnologie. Sie sind geeignet, kleinste Veränderungen der natürlichen und von Menschen verursachten Abläufe an Land, zu Wasser und in der Luft zu erkennen und zeitgleich zu melden. Daraus können Wissenschaftler belastbare Modelle für den Klimawandel ableiten und sogar die Vorhersage von Erdbeben, Vulkanausbrüchen und Hochwasserfluten verbessern.

Für solche Modelle ist eine hohe Genauigkeit notwendig. Überfliegt der Satellit nach wenigen Tagen ein und dieselbe Stelle über der Erde, so können Meßfehler nach und nach herausgerechnet werden. Envisat kann dann aus 800 Kilometern Höhe "sehen", wenn sich der Boden um wenige Millimeter absenkt - wie etwa in Venedig, das nach neuesten Satellitendaten ziemlich einseitig im Meer zu versinken droht - oder hebt, wie bei einem bevorstehenden Vulkanausbruch.

Solche Beobachtungen verlangen jedoch höchste Präzision vom Satelliten in seiner Umlaufbahn. "Die Lage von Envisat ist das genaueste, was wir kennen," sagt Sørensen. Seine Mitarbeiter sind rund um die Uhr damit beschäftigt, den Blick des Satelliten auf die Erde in präzise Bahnen zu lenken. "Wenn wir den Orbit von Envisat nicht richtig regeln, haben wir immense Probleme. Aber deshalb haben wir jeden möglichen Fall simuliert."

Ein Instrument verdeutlicht diesen Anspruch wie kein zweites: das Synthetische Aperturradar der zweiten Generation, kurz ASAR, das wie ein breites Brett am Bauch des Satelliten aussieht. Es sendet ein schwaches Radarsignal zur Erde und empfängt dessen Rückstrahlung von der Oberfläche. Daraus wird das Höhenprofil von Gletschern berechnet, die Abholzung der Regenwälder erkannt und selbst der kleinste Ölteppich auf hoher See entdeckt. Bei einer Fluggeschwindigkeit von fast Zwanzigtausend Stundenkilometern keine leichte Aufgabe. Würde der Satellit seinen exakten Blick-Winkel zur Erde verlieren, ginge die Spiegelung ins Leere.

"Es gibt verschiedene Gravitationsfelder, es herrscht noch eine minimale Rest-Atmosphäre, es gibt den Sonnenwind. Das alles macht einen erheblichen Unterschied, wie oft man korrigieren muß," sagt Sørensen und meint mit "man" die automatischen Abläufe an Bord: Envisat ist mit rund 50 voneinander unabhängigen Bordcomputern bestückt. Sie erkennen die Fluglage vollautomatisch und steuern pausenlos Kreiselinstrumente und Magnete, mit denen der Satellit seine genaue Ausrichtung beibehält. "Die Lage ist eine Frage des Überlebens", fügt Sørensen hinzu.

Was aber geschieht, wenn der acht Tonnen schwere Himmelskörper in Schieflage gerät? "So denken wir ja nicht," sagt Sørensen verständnisvoll, "eine schiefe Lage gibt es nicht. Wenn er aus der Bahn läuft, sehen wir das sofort an den Instrumenten oder am Sonnensegel, das nicht mehr genügend Strom liefert."

Für diesen Fall hat Sørensen zehn Jahre gearbeitet. Er hat die Infrastruktur geplant, Hardware angeschafft und zahllose Softwarelieferungen getestet. Nach vielen Testreihen und endlosen Simulationen sind die Früchte der Arbeit ganz nah: "Es ist nicht das erste mal, daß wir so etwas machen," verkündet er stolz.

Im Ernstfall haben die Ingenieure am Boden genau 400 Minuten Zeit. Vier Erdumkreisungen verkraftet der Satellit ohne Sonnenstrom. "Danach ist Schluß, der Satellit wäre verloren," grübelt Sørensen, fügt aber sofort hinzu: "wir haben alle Prozeduren vorausgedacht, es gibt für alles Regeln und genaue Szenarien, und wir haben jede Möglichkeit mehrfach simuliert." Besonders das Ausfahren des Sonnensegels kurz nach dem Start wurde hundertfach geübt. Alle möglichen Notfälle und Fehler sind in Computersystemen abgespeichert und jederzeit abrufbar.

Regelmäßig und planmäßig greifen die Darmstädter Ingenieure dann ein, wenn eine Korrektur der Umlaufbahn notwendig wird. Alle zehn Tage, so schätzt der Bodensegment-Manager, muß die Bahn des Satelliten berichtigt werden. "Darin haben wir viel Erfahrung", sagt Sørensen, und verweist auf den erfolgreichen Orbit-Lift des Telekommunikationssatelliten Artemis. Darüber freut sich das Envisat-Team besonders, denn ohne Artemis wäre der Datenverkehr von Envisat problematisch.

Envisat sammelt eine solche Fülle von Daten, daß selbst seine zwei Festspeicher mit 160 Gigabyte nach wenigen Stunden überlaufen würden. Deshalb sendet der Satellit seine Datenfracht nach jeder Erdumkreisung zur Erde, wenn er über der Bodenstation der ESA im nordschwedischen Kiruna hinwegrast. Genau zehn Minuten Zeit hat er, um die Bordspeicher zu entleeren, dann ist ENVISAT schon über dem Horizont verschwunden. Ist Kiruna außer Betrieb, steht eine zweite Station im ewigen Eis von Svalbard in Norwegen zur Verfügung.

Als Alternative zu diesen riesigen Empfangsschüsseln am Boden kommt Artemis ins Spiel. Der in großer Höhe über Europa geparkte Telekommunikationssatellit wird als Vermittlungsstation dienen. Weil Artemis 45 mal höher schwebt als Envisat, hat er bei jeder Umkreisung fast eine drei Viertel Stunde Sichtkontakt zum Umweltsatelliten und kann in Ruhe alle Daten einfangen, die Envisat loswerden möchte. Danach sendet Artemis diese Daten zur Bodenstation weiter, die immer in seinem Blickfeld liegt.

Von da aus fließt ein breiter, unablässiger Datenstrom direkt ins Daten-Bearbeitungszentrum der ESA - ESRIN - im italienischen Frascati, in der Nähe von Rom. Im Laufe seines Lebens wird Envisat ein Petabyte an Daten sammeln, das ist eine Eins mit 15 Nullen oder der Festplatteninhalt von einer Million Heim-PC. Softwareexperten haben Hunderte von Programmen entwickelt, um die wertvollen Informationen möglichst effektiv und möglichst schnell zur Verfügung zu stellen.

Dabei ist eine Vorzugsbehandlung einzelner Anwender von vornherein ausgeschlossen. Die in ESRIN bearbeiteten Daten werden direkt an sechs Bearbeitungs- und Archivierungs-Datenzentren in England, Deutschland, Italien, Frankreich, Schweden und Spanien weitergeleitet. Das sichert gleichen Informationsstand aller Beteiligten und eine langfristig sichere Archivierung.

In diesen Zentren bedienen sich weltweit mehrere Tausend Wissenschaftler, um ihr Rohmaterial für Klimaforschung, Katastrophenvorsorge, Wettervorhersage und Umweltbeobachtung zu erhalten. Dank der schnellen Übertragungswege sind die Daten oft schon nach drei Stunden verfügbar, etwa die Analysen des Ozon-Meßinstrumentes GOMOS, mit denen das Ozonloch fast aktueller gezeigt werden kann, als das heutige Wetter.

Geprüfte Daten brauchen etwas länger. Kein Forscher würde eine Zahl ernst nehmen, wenn er nicht zugleich ihre Meßfehlerwerte vor Augen hätte. In der Wissenschaft macht das durchaus Sinn. Solange man das Ergebnis nicht von vornherein kennt, kann man nicht abschätzen, wie stark sich Meßfehler addieren und schließlich das Ergebnis verfälschen. Die Fachleute in Frascati haben deshalb vier Qualitätsstufen für die Datensicherheit entwickelt, um alle Wünsche der Anwender zu befriedigen.

In Fällen, in denen es wirklich um äußerste Genauigkeit geht, kann mitunter ein Monat vergehen, bis ESRIN die Daten freigibt. So lange dauert es, bis Envisat in die exakt selbe Umlaufbahn über genau derselben Stelle der Erde zurückkehrt und seine Meßgenauigkeit bestätigt.

Die an der Mission beteiligten wissenschaftlichen Institute erhalten diese Daten zum Selbstkostenpreis, etwa zu den Kopierkosten, vorausgesetzt sie werden für wissenschaftliche Zwecke eingesetzt und vollständig veröffentlicht. Zu diesem Kreis zählen all jene Forscher, die einem Wissenschaftsausschuss ihre Ideen vorgeschlagen haben, und deren Projekte ausgesucht wurden. Über die vielen Jahre der Vorbereitung entstand eine stattliche Erdbeobachtungsgemeinschaft mit mehreren Tausend Beteiligten in Europa und weltweit. Für sie alle wird die europäische Datenzentrale ESRIN der Koordinator der Datenverteilung sein.

Envisat ist aber auch für die Wirtschaft interessant. Analysten meinen, die Umweltbeobachtung könne eines Tages ein Wirtschaftszweig in der Größenordnung der Satellitennavigation werden. Vieles spricht dafür, denn wie auch beim GPS wird erst das Angebot die Phantasie der Anwender beflügeln.

Um den Markt von verkaufbaren Daten auszuloten, erhalten zwei Konsortien ausgesuchte Datensätze der Envisat-Mission: EMMA unter Federführung der italienischen Eurimage und SARCOM unter der Leitung der französischen SPOT. Interessant ist das etwa für die Hochseeschiffahrt. Envisat-Daten werden helfen, besonders stürmische Gewässer und extremen Wind zu umfahren und die gefürchtete Packeisgrenze genau zu umschiffen. Angaben über stark planktonhaltiges Wasser werden vermeiden helfen, daß die Frachter ihre Ballasttanks an der falschen Stelle auffüllen und von den Hafenbehörden zur Umkehr gezwungen werden.

Geplant ist auch, die Daten dreier Instrumente - ASAR, MERIS und AATSR - für jedermann im Internet und auf CD-Rom zur Verfügung zu stellen. Regionale Vorhersagen zu extremer UV-Strahlung oder Warnungen vor giftigen Algenteppichen an bestimmten Strandabschnitten können dann von jedem in seine Urlaubsplanung einbezogen werden. Und Freizeitkapitäne könnten sich schon bald auf einer Spezialkarte ansehen, wo Wind und Wellen gut stehen.

Zehn turbulente Jahre warten auf die Datenmanager in Frascati ebenso, wie auf die Weltraum-Steuermänner in Darmstadt. "Wir müssen alles steuern und managen," sagt Sørensen, aber sonst, sagt er zufrieden, ist die Aufgabe "everyday's work." Und er verrät: "Inzwischen arbeiten wir schon an der übernächsten Generation von Umweltsatelliten - und die werden sehr viel kleiner." Die Erleichterung in der Stimme ist nicht zu überhören.

Notiz an die Redakteure: Alle Bilder in Zusammenhang mit dem Thema sind unter http://www.esa.int/ zu finden. Dieser Bericht ist Teil einer Serie von Artikeln über das ENVISAT Programm und dessen Anwendungen.