Projektziele

  • Entwicklung eines Teleskopsystems zur spektroskopischen Untersuchung von Weltraumschrott
  • Selbstlernendes Pointing-Modell
  • Verbesserte Teleskopnachführung durch Bahndatenmessung

Beschreibung

Im Jahr 2023 sind so viele Satelliten ins All gestartet wie noch niemals zuvor. 40% aller im Erdorbit detektierbaren Objekte stammen aus den letzten 4 Jahren. Damit einhergehend steigt auch die Menge an Weltraumschrott stetig an. Setzt sich die Entwicklung der letzten Jahre fort, wird Weltraumschrott zur immer größer werdenden Bedrohung für Satelliten. Bis es einen globalen Plan zur Prävention von künftigem, sowie zur Entfernung von bestehendem Weltraumschrott gibt, ist eine genauere Vorhersage ihrer Umlaufbahnen essenziell. Somit können unwahrscheinliche Kollisionen erkannt und die Lebensdauer von Satelliten verlängert werden.

Nachtaufnahme der SpecTrackular-Bodenstation mit geöffnetem geodätischem Dom, der das große Teleskop im Inneren auf einem Container zeigt.

Abb. 1: MPEI-OGS: Optische Bodenstation

SpecTrackular zielt darauf ab, ein Teleskopsystem zu entwickeln, welches die Umlaufbahn von Weltraumschrott automatisch vermessen und diesen anschließend spektroskopisch charakterisieren kann. Voraussetzung dafür sind eine hochpräzise Orientierung und Nachführung des Teleskopsystems, eine Aktualisierung der Umlaufbahn anhand gewonnener Daten sowie eine spektroskopische Analyse der Schrottobjekte. Reflexionsspektroskopie benötigt eine besonders genaue Nachführung des Teleskops, da sich die Ausrichtung von Lichtquelle, Blende und Detektor innerhalb weniger Bogensekunden befinden muss. Spektroskopische Analyse des einfallenden Sonnenlichts kann anschließend Informationen über Material, Pose und Rotation des Schrottobjekts geben, womit das Bahnmodell weiter verbessert werden kann.

Grafik eines Weltraumschrottobjekts über dem Nachthimmel, gesehen durch die Lochblende eines Spektrographen

Abb. 2: Die optischen Parameter des Spektrographen bestimmen das Error Budget

Pointing

Die Fehlerquellen, die zur Fehlausrichtung eines Teleskopsystems beitragen, haben je nach ihrer physikalischen Ursache unterschiedliche Zeitkonstanten. Derzeit wird ein selbstlernendes Pointing-Modell entwickelt, das sich unabhängig von der Tageszeit mit minimalen Ausfallzeiten an veränderte Bedingungen anpassen kann.

Das aktuelle Pointing-Modell hat die folgenden Eigenschaften:

  • Grundlegendes kinematisches Modell + Satz höherer Harmonischer
  • Tägliche Aktualisierung in weniger als 6 Minuten
  • Berechnung der atmosphärischen Refraktion auf Basis von Wetterdaten
  • Hysterese-Reduzierung entweder über pseudo-zufälliges Gitter (Abb. 3, links) oder semi-aktive Optik (Abb. 3, rechts)

Derzeit ist ein pseudozufälliger Pointing-Grid-Ansatz implementiert, der zu einem Pointing-Fehler von 2,8 Bogensekunden RMS führt. Ein semi-aktiver Optikansatz befindet sich derzeit in Entwicklung, um den angestrebten Pointing-Fehler von <2 Bogensekunden zu erreichen.

Polardiagramm von 150 verbundenen Punkten links, grafische Abbildung der semi-aktiven Optik eines Teleskopsystems rechts

Abb. 3: Hysteresereduktion über pseudozufällige Pointingmessungen (links) oder semi-aktive Optik (rechts)

Bahnvorhersage

Mit dem aktualisierten Teleskopsystem kann die Winkelposition eines Weltraumobjekts mit einer Genauigkeit von weniger als 2 Bogensekunden gemessen werden. Die daraus resultierenden hochpräzisen Tracking-Daten können zur Bahnbestimmung verwendet werden, um einen veralteten Bahnvektor zu korrigieren. Die Kombination dieser Projektziele wird hoffentlich zu einem Teleskopsystem führen, welches eine spektroskopische Charakterisierung ermöglicht.

Invertierte Bilder von zwei Satelliten auf weißem Grund mit Fadenkreuz

Abb. 4: Vergleich zwischen etablierter (SGP4) Bahnvorhersage and verbesserter Bahnbestimmung (OD)

Coudé-Pfad

Für hochwertige spektroskopische Messungen ist die Integration eines Coudé-Strahlengangs als Teil des Teleskopsystems vorgesehen. Ein Coudé-Strahlengang ermöglicht es, das gesammelte Licht über eine Reihe von Spiegeln an einen festen, mechanisch stabilen Ort umzulenken, an dem ein hochauflösender Spektrograf auf einem optischen Tisch installiert werden kann. Dieser Ansatz entkoppelt den Spektrografen von der beweglichen Teleskopstruktur und ermöglicht so eine verbesserte mechanische Stabilität sowie die Integration größerer und komplexerer Instrumente. Eine solche Konfiguration ist für die präzise Reflexionsspektroskopie von Weltraumschrott wichtig, da sie lange Integrationszeiten ermöglicht, Ausrichtungsfehler minimiert und den Einsatz ausgefeilterer Kalibrierungs- und Detektionssysteme unterstützt.

Anwendungen

  • Weltraumlageerfassung (SSA)
  • Kollisionsidentifikation- und vermeidung

Projektpartner

  • ASA Astrosysteme GmbH

Funding

  • FFG – Forschungsförderungsgesellschaft, Austrian Space Applications Programme (ASAP), ID: 911962