GOCE auf Berg- und Talfahrt im Erdorbit

GOCE erforscht das Schwerefeld der Erde
11 März 2009

Wenn am 16. März der ESA-Satellit GOCE mit einer Rockot-Trägerrakete vom russischen Kosmodrom Plessezk abhebt, beginnt für die Teams der Flugdynamik und Flugüberwachung am Europäischen Satellitenkontrollzentrum ESOC in Darmstadt Schwerstarbeit. GOCE verlangt außergewöhnliche Steuerungsaufgaben – über Wochen und Monate.

GOCE (Gravity field and steady-state Ocean Circulation Explorer) ist aus flugbahntechnischer Sicht eine höchst anspruchsvolle Mission: Der Satellit soll dass Schwerefeld der Erde mit bisher unerreichter Genauigkeit vermessen.
In der bewusst niedrigen Flughöhe, in der GOCE die Erde umrundet, ist seine Bahn alles andere als ruhig und weit von einer Ideallinie entfernt. Es ist eine regelrechte Berg- und Talfahrt. Mal wird er mehr, mal weniger von der Erde angezogen. Gleichzeitig werden Bahnabsenkungen, die durch die oberen dünnen Schichten der Erdatmosphäre verursacht werden, durch Zünden des elektrischen Ionenantriebes automatisch ausgeglichen.

Die Wissenschaftler erwarten extrem präzise Daten, die detaillierten Aufschluss über den inneren Aufbau unseres Planeten geben, zur Erforschung von Erdbebenmechanismen beitragen sowie klimatologischen und ozeanografischen Untersuchungen dienen. Im besonderen Focus sind die Meeresspiegelhöhen. Welchen Schwankungen unterliegen sie? Welche Aussagen lassen sich hinsichtlich des erwarteten Anstiegs der Weltmeere treffen?

Damit die Forscherwelt die gewünschten Daten bekommen kann, müssen die Darmstädter Spezialisten die Flugbahn von GOCE während der gesamten aktiven Missionszeit millimetergenau vermessen. Es geht um winzigste Bahnänderungen. Daraus leiten die Wissenschaftler dann die Gravitationsanomalien ab und können so Stück für Stück das Schwerefeld der Erde immer genauer bestimmen.

Die Flugbahn als Forschungsobjekt

ESA's Flight Dynamics team readies for GOCE launch at ESOC
Das GOCE-Flugdynamik-Team bei einer Simulation des Fluges

Die Flugbahn von GOCE wird also zum Forschungsobjekt. Sie ist der Indikator für das auf den Raumflugkörper wirkende Schwerefeld der Erde. Dieses unterliegt beträchtlichen örtlichen Schwankungen. Selbst bei Windstille wäre der Meeresspiegel nicht eben. An einigen Stellen ist er bis zu 85 Meter höher als die Norm „Normal Null“ angibt, an anderen Stellen dagegen 110 Meter tiefer. Ursache der „Beulen“ und „Dellen“ ist die ungleichmäßige Verteilung von Gesteinen unterschiedlicher Dichte im Erdinneren und die dadurch bewirkte veränderte Anziehung des Wassers. Wenig verwunderlich ist, dass in der Himalaya-Region erhöhte Gravitationswerte gemessen werden. Aber nicht allen Anomalien lassen sich heute eindeutig geologische Strukturen zuordnen. Es gibt für die Forscher also noch viel zu tun.

Und dabei sollen ihnen nun die Steuerungsexperten der ESA helfen. Normalerweise werden Satelliten auf eine vorbestimmte Umlaufbahn befördert, wo sie die Erde über Monate oder gar Jahre umkreisen, ohne dass diese häufig korrigiert wird. Für viele Missionen kommt es auf Abweichungen um einige Meter oder Kilometer gar nicht an. Gleichzeitig gilt: Je niedriger sich die Flugbahn über der Erdoberfläche befindet, umso schneller wird der Satellit durch die Erdatmosphäre gebremst um schließlich in ihr zu verglühen. Deshalb sind hier regelmäßige Bahnkorrekturen erforderlich.

Anders sieht die Aufgabe bei GOCE aus. Hier muss die Umlaufbahn ständig genauestens vermessen werden: „Das geschieht mit Hilfe eines sehr genauen GPS-Empfängers an Bord des Satelliten sowie durch Laserentfernungsmessungen von der Erde aus. Einflüsse der Restatmosphäre auf die Bahn werden von einem Gradiometer an Bord gemessen und über einen Regelkreis mittels eines elektrischen Ionentriebwerkes ausgeglichen. Gleichzeitig werden die Regelgrößen zur Erde übertragen und dienen den irdischen Forschern als Rohdaten zur Auswertung,“ erläutert Dr. Uwe Feucht, Leiter der Flugdynamik-Abteilung des ESOC, die komplizierte Aufgabe.

Professionell Fliegen am Rand des Abgrunds

Kiruna ground station
Die Antenne der Bodenstation Kiruna

Warum wurde nun eine so vermeintlich ungünstig niedrige Umlaufbahn in 250 bis 260 Kilometern Höhe gewählt?
„Die Antwort darauf ist eigentlich recht einfach“, so Feucht, „Da die Gravitation mit steigendem Abstand von der Erdoberfläche abnimmt, wurde GOCE für eine derart niedrige Umlaufbahn ausgelegt. Wünschenswert wäre eine noch geringere Höhe gewesen, aber wir hätten dann einen zu hohen Treibstoffbedarf für die Bahnkorrekturen gehabt.“

Die niedrige Bahn bringt jedoch neben dem planmäßigen Korrekturbedarf weitere Probleme mit sich. Die Teams in Darmstadt haben bei Problemen mit dem Ionentriebwerk nämlich nur maximal acht Tage Zeit, GOCE wieder auf eine sichere Bahnhöhe zu bringen, ansonsten verglüht der Satellit. Der Raumflugkörper befindet sich also „am Rand des Abgrunds“ und muss daher möglichst ständig im Auge behalten werden, was aufgrund der Bahnmechanik und den zur Verfügung stehenden Bodenstationen nur sechsmal am Tag möglich ist. Dazu dienen neben der Hauptbodenstation in Kiruna (Schweden) zwei weitere ESA-Bodenstationen als Backup-Lösung. Da GOCE aufgrund des niedrigen Orbits eine hohe Überfluggeschwindigkeit hat, müssen die Antennen am Boden sehr schnell und präzise nachgeführt werden, denn eine Passage über Kiruna dauert lediglich sechs bis acht Minuten. Danach verschwindet der Satellit am Horizont. Beim nächsten Überflug muss die Antenne dann genau auf den Bereich am Horizont ausgerichtet werden, wo laut Bahnberechnung GOCE wieder auftauchen soll. Das erfordert beim ESOC ständig eine präzise Ermittlung der Flugbahn unter Berücksichtigung aller Störfaktoren. Misslingt die Kontaktaufnahme, treten speziell dafür entwickelte Suchprozeduren und die beiden Ersatz-Bodenstationen in Aktion.

Um dem „Super-Gau“ – dem Verlust von GOCE – vorzubeugen, hat das dafür verantwortliche Team am ESOC seit Monaten in Simulationen alle Problemsituationen durchgespielt sowie Gegenmaßnahmen entwickelt. Das ESOC ist also für GOCE gut gerüstet.

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