ESOC haucht dem Satelliten GOCE Leben ein

GOCE
18 März 2009

Seit 17.3., 16h53, sind die Steuerungsexperten des Europäischen Satellitenkontrollzentrums ESOC im Dauereinsatz: GOCE hat sein erstes Lebenszeichen nach Darmstadt gesendet, und jetzt nehmen die Spezialisten am Boden die Bordsysteme und wissenschaftlichen Instrumente des Satelliten in Betrieb.

Wenn ein Satellit nach jahrelangen Planungs- und Vorbereitungsphasen endlich in den Weltraum gestartet ist, dann lehnen sich die für den Raketenstart Verantwortlichen entspannt zurück.
Doch für die Steuerungsexperten im ESOC beginnt genau jetzt die Arbeit. An Bord von GOCE müssen alle Systeme nach einem genau festgelegten Arbeitsplan in Betrieb genommen und der Raumflugkörper so ausgerichtet werden, dass die Energieversorgung über die Solarzellenflächen und die Durchführung der Forschungsaufgaben gewährleistet sind.
Dieser erste und zugleich sehr kritische Abschnitt der Inbetriebnahme heißt Launch and Early Orbit Phase (LEOP). Während dieser Stunden wird dem Satelliten gewissermaßen Leben „eingehaucht“. Die Phase dauert wenige Tage, vorausgesetzt, alles verläuft planmäßig.

An den LEOP schließt die sogenannte Commissioning-Phase (COP) an. Dabei werden die Forschungsinstrumente eingeschaltet, überprüft und – wenn nötig – kalibriert. Dieser Arbeitsabschnitt kann je nach Komplexität und Anzahl der Geräte mehrere Wochen bis zu einigen Monaten dauern. Die Arbeitsabläufe der beiden Inbetriebnahmephasen LEOP und COP sind also von der Aufgabenstellung und der Ausrüstung des jeweiligen Satelliten abhängig.

GOCE lernt widerstandsarm fliegen

Ein ESOC-Team bei der Simulation des GOCE-Fluges

Das trifft auch auf GOCE zu, der in den nächsten 20 Monaten, das Erdschwerefeld mit bisher nie erreichter Präzision kartieren wird. Im Gegensatz zu anderen Satelliten weist GOCE jedoch eine Besonderheit auf: Der Satellitenkörper als solcher ist zugleich Messinstrument. Vom variierenden Schwerefeld der Erde wird der 'GOCE-Körper' als Masse wargenommen und von ihm je nach Position im All verschieden stark angezogen. Dadurch verändert sich ständig die Höhe der Satellitenflugbahn.
Während der Mission wird die Flughöhe millimetergenau vermessen, um so das Schwerefeld der Erde zu kartieren. Da die Höhe der Flugbahn zusätzlich vom Luftwiderstand der dünnen oberen Atmosphärenschicht beeinflusst wird hat GOCE eine Pfeilform und bietet dadurch wenig Widerstand. Um seine wissenschaftliche Aufgabe zu erfüllen muß die Lage des Satelliten im Verhältnis zu Erde, Sonne und Flugbahn optimal eingestellt und danach ständig überwacht werden kann.

Genau damit sind zwei Experten-Teams im ESOC in den ersten drei Tagen während der LEOP-Phase beschäftigt. Die als A- und B-Team bezeichneten Gruppen arbeiten in 12-Stunden Schichten und wechseln einander ab bis der Satellit nach dem dritten Tag im Rahmen der COP für seine Forschungsarbeit vorbereitet werden kann. Unterstützt werden sie dabei von weiteren Spezialisten des Flugdynamik-Teams um den GOCE Flugdynamik Koordinator Marco Antonio Garcia Matatoros.

LEOP-Phase: Drei Tage Arbeit rund um die Uhr

Über solche GPS-Antennen empfängt GOCE die Signale von 12 Navigationssatelliten

Nach der Kontaktaufnahme zum Satelliten besteht die Arbeit der ersten Schicht vornehmlich in der Lagestabilisierung von GOCE und der Ausrichtung der mit den Solarzellen bestückten Seite zur Sonne, um die Energieversorgung sicherzustellen. Hierzu müssen einige Funktionen des Lageregelungssystems aktiviert werden, zu dem ein Magnetometer, drei Sternenkameras und ein Sonnensensor gehören.

Die nächsten Teams kümmern sich um die Kalibrierung des Magnetometers, damit der Satellit später weiß, wie seine Lage zum Magnetfeld der Erde ist. Dazu wird GOCE durch kleine Magnetspulen gezielt in definierte minimale Nickbewegungen versetzt und so die Änderung der gemessenen Magnetfeldstärke im Magnetometer erfasst. Im Umkehrschluss lassen sich später aus dem Vergleich der gespeicherten Kalibrierungswerte mit aktuellen Messwerten Rückschlüsse auf die Lage des Satellitenkörpers in Bezug zum Erdmagnetfeld ableiten.

Der erfolgreichen Kalibrierung schließt sich die Feinausrichtung zur Erde an, ohne dass die Seite mit den Solarzellen ihren „Blick“ zur Sonne verliert. Danach können die Signale des inzwischen aktivierten GPS-Empfängers SSTI – Satellite to Satellite Tracking Instrument – in die Berechnungen für die Lageregelung eingebunden werden. Das ist ein besonders wichtiger Schritt, denn von der Arbeit dieses Empfängers hängt nicht nur der Erfolg der Feinausrichtung sondern auch des späteren Messprogramms von GOCE ab. Der Empfänger erfasst und verarbeitet die Signale von 12 GPS-Navigationssatelliten gleichzeitig und kann so den Aufenthaltsort und die Fluggeschwindigkeit von GOCE sehr genau bestimmen.

Nach diesem Schritt muss noch die automatische Luftwiderstandskorrektur aktiviert und die Lageregelung des Satelliten mit maximaler Genauigkeit eingestellt werden. Die Korrektur erfolgt über einen Regelkreis, den die Fachleute bei GOCE als DFACS – Drag-Free and Attitude Control Subsystem – bezeichnen.
Ganz zum Schluss wird der Bordcomputer für die Routinearbeit nach der LEOP konfiguriert und die COP kann in Angriff genommen werden.

COP-Phase: „Aufwecken“ der Forschungsgeräte

Mittels GPS und Lasermessungen wird die Flugbahn bestimmt

Innerhalb eines geplanten Zeitraums von 45 Tagen wird dann auch das zweite Instrument, ein Gradiometer zur dreidimensionalen elektrostatischen Bestimmung von Änderungen des Erdschwerefeldes, in Betrieb genommen und mit dem SSTI abgestimmt.
Nach Abschluss dieser Arbeiten können, so Uwe Feucht, Leiter des Bereichs Flugdynamik der ESA, die Änderungen der Flugbahn sehr genau ermittelt werden: „Das geschieht mit Hilfe des GPS-Empfängers an Bord des Satelliten sowie durch Laserentfernungsmessungen von der Erde aus. Einflüsse der Restatmosphäre auf die Bahn werden vom Gradiometer an Bord gemessen und über einen Regelkreis mittels des elektrischen Ionentriebwerkes ausgeglichen. Gleichzeitig werden die Regelgrößen zur Erde übertragen und dienen den Forschern als Rohdaten zur Auswertung.“

Eines ist schon heute sicher: Langeweile wird es für die ESOC-Flugspezialisten auch in dem anschließenden Routinebetrieb nicht geben, denn sie müssen anhand der eingehenden Messdaten immer wieder neue Flugbahnprognosen erstellen. Diese hängen von der stark variierenden Sonnenaktivität ab.

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