ERS 2 widersteht Sonnensturm

ERS 2 - Ein zuverlässiger Veteran
9 November 2001

Seit dem 21. Oktober wurden die oberen Schichten der Erdatmosphäre für vier Tage von starken Sonnenwinden bombardiert. Die dadurch erhöhte Atmosphärendichte drohte den Europäischen Fernerkundungssatelliten ERS 2 aus seiner Orientierung im Raum zu bringen und so die Qualität der gelieferten Nutzlastdaten zu gefährden. Mit Hilfe ausgeklügelter Software konnten die Störungen jedoch weitgehend ausgeglichen werden, und das, obwohl seit Januar alle Gyroskope zur Lageregelung an Bord kaputt sind. Das neuartige Navigationskonzept, welches ohne die Kreiselgeräte auskommt, hat damit seine bisher härteste Bewährungsprobe bestanden.

Am 25. Oktober atmeten die Techniker im Kontrollzentrum der ESA (ESOC) in Darmstadt auf. Der Sonnenwind hatte nachgelassen und ERS 2 arbeitete wieder normal. Die Nutzer der Fernerkundungs-Daten mussten für die Zeit von 21. bis 25. Oktober nur geringe Einschränkungen hinnehmen. Beispielsweise waren die Möglichkeiten der Interferometrie in diesem Zeitraum begrenzt. Normalerweise konnte die erhöhte Sonnenaktivität das Personal des ESOC nicht aus der Ruhe bringen. Da ERS 2 aber ohne Kreisel auskommen muss und mit einer neuartigen Lösung im Raum orientiert wird, war die Spannung in Darmstadt besonders gross. Es bestanden schliesslich keine Erfahrungen über die Robustheit des neuen Stabilisierungsverfahrens.

Gyroskope orientieren Satelliten

Fernerkundungssysteme im Weltraum sollen genaue Daten und - bei bilderzeugenden Sensoren - gestochen scharfe Bilder liefern. Deshalb werden an Raumflugkörper mit derartigen Aufgabenstellungen hohe Anforderungen an die Lageregelung gestellt. Ein Grund, warum sie in allen drei Körperachsen aktiv stabilisiert werden. Als Messgeber dienen dazu je Achse zwei Kreiselgeräte, auch als Gyroskope bezeichnet. In ihnen rotiert mit hoher Geschwindigkeit eine Masse, die nach dem Massenträgheitsgesetz das Bestreben hat, ihre Lage im Raum nicht zu verändern. Einmal zu Beginn der Mission auf eine definierte Lage eingestellt dient sie deshalb als Referenzlagegeber. Das funktioniert genauso wie die kleinen bunten Holzkreisel, mit denen die Kinder früher auf der Strasse spielten. Wenn sich der Satellit nun im Vergleich zum Referenzlagegeber in den Kreiseln bewegt, wird diese Veränderung gemessen und durch Regelsysteme ein Ausgleich geschaffen. Das kann durch kleine Triebwerke, Schwungräder oder Magnetspulen geschehen. Ein Schwungrad arbeitet im Prinzip wie ein Kreisel und erzeugt durch Rotation einer Masse ein Gegenmoment zur Achsenbewegung des Satelliten. Bei Spulen tritt das elektrisch erzeugte Magnetfeld in Wechselwirkung mit dem Magnetfeld der Erde, wobei die magnetische Energie in mechanische Bewegungskräfte umgesetzt wird.

Begrenzte Lebensdauer für Kreiselgeräte

Nun sind die Kreiselsysteme mechanische Präzisionsgeräte, die während ihrer Arbeit hohen Beanspruchungen ausgesetzt werden und deshalb nicht ewig einwandfrei funktionieren. Und in der Tat wird die aktive Lebensdauer der Mehrzahl dreiachsenstabilisierter Satelliten durch den Ausfall von Kreiseln begrenzt. Nur bei wenigen - besonders wertvollen - Raumflugkörpern, wie dem amerikanischen Weltraumteleskop Hubble, werden bei aufwendigen bemannten Missionen die Kreisel erneuert. Das wäre für andere Satelliten jedoch viel zu teuer oder technisch nicht realisierbar.

ERS 2 hat jetzt neue Lageregelungstechnik

Lissabon am 16.09.2001 von ERS 2 mit neuer Softwareregelung aufgenommen

Das Schicksal des Totalausfalls aller Kreisel ereilte am 13. Januar 2001 auch den Europäischen Fernerkundungssatelliten ERS 2. Der Raumflugkörper taumelte ab durch den Weltraum und die von ihm gelieferten Radardaten waren nur noch bedingt brauchbar. Was könnte man tun? ERS 2 war und ist noch heute der einzige Geofernerkundungssatellit der ESA im Weltraum. Envisat startet ja erst 2002.

Da kam die Idee einiger Techniker der ESA und des europäischen Raumfahrtunternehmens Astrium gerade recht. Mit Hilfe einer neuen Software und dem Erdhorizontsensor DES (Digital Earth Sensor) an Bord von ERS konnten sie die geforderte Genauigkeit von kleiner +/- 1 Grad pro Achse wieder gewährleisten.
DES ist eigentlich nur kurz nach dem Start von Nutzen, um über die Suche des Erdhorizonts den Satelliten in die richtige Anfangsposition zu bringen. Die Ingenieure der ESA haben die Daten von DES aber über die gesamte Betriebszeit von ERS 2 weiter verfolgt und festgestellt, dass diese für wesentlich präzisere Aufgaben genutzt werden können: "Wir filterten das Rauschen aus dem DES-Signal und konnten es so für die Bestimmung der Lage in der Gier- und der Rollachse nutzen," erläutere Miguel Canela, einer der beteiligten ESA-Techniker.
Die Achsenbegriffe stammen eigentlich aus der Schiffahrt. Das "Gieren" bedeutet ein Abdriften aus der Fahrt- bzw. Flugrichtung. Das "Rollen" ist die Bewegung um die Längsachse eines Flugkörpers.

Blieb noch die Regelung der dritten, der Kippachse. Dazu war das Signal des SAR-Radars, dem Hauptinstrument von ERS 2, von Nutzen. Durch Dopplermessungen konnte die zentimetergenaue Entfernung zwischen der Radarantenne und der Bodenstation bzw. deren Veränderung ermittelt werden. Damit war die Lage des Satelliten auch in dieser Achse bestimmt. Mittels einer speziell dafür geschriebenen Software können die beschriebenen Verfahren umgesetzt werden.

Neue Software bewährt sich

Korsika - Aufgenommen von ERS 2 mit neuer Softwarelageregelung

Der Upload dieser Software war ebenfalls eine spannende Geschichte.

"Es war sehr riskant," sagte Miguel Canela. " Wir mussten zunächst im Bordspeicher Platz schaffen. Ausserdem hatten wir die Software in einem 15 Jahre alten Code zu schreiben, um mit den Bordsystemen kompatibel zu sein. Ein einziger Fehler im Code, und der Satellit wäre für immer verloren."

Im Juni war es dann soweit. Die Software wurde nach langen Simulationen am Boden überspielt und das Attitude and Orbit Control System (AOCS) vom Extra Backup Mode (EBM) in den neuen Zero Gyro Mode (ZGM) umgestellt. Ende Juli konnten die Schwankungen von +/- 10 Grad im EBM auf +/- 1,5 Grad im ZGM minimiert werden. Weitere Softwareoptimierungen ermöglichten im September dann +/- 1 Grad maximale Drift je Achse. Damit können alle Anwenderprodukte den Nutzern in der gewohnten Qualität geliefert werden.

Die Verantwortlichen der ESA hoffen, dass ERS 2 nun bis zu den Starts von Envisat (2002) und METOP (2003) arbeitsfähig bleibt, um einen nahtlosen Übergang in der Datengewinnung gewährleisten zu können. Und die gefundene Ersatzlösung bei Totalausfall der Kreisel könnte in Zukunft auch für andere Satelliten mit Dreiachsenstabilisierung von lebensverlängernder Bedeutung sein.

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