Projekt:FE Auswerteverfahren 1/Wettersatelliten/Messsysteme

Teilprojekt Wettersatelliten

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Oberflächentemperaturen Vegetationsindizes Schnee Wolken Niederschlag

allgemeine Informationen zu Scannsystemen

Begriff

Ein Scanner ist ein Abtastsystem, welches elektromagnetische Strahlung in Bildelementen bzw. Zeilen erfasst, womit eine Aufnahme erzeugt wird. Dabei unterscheidet man optomechanische und optoelektronische Abstastsysteme. Die Zeilen werden in einer fortlaufenden Bildaufzeichnung durch eine Kombination von der Eigenbewegung der Plattform (hier: Satellit) mit einem zusätzlichen Abtastvorgang zu einem Gesamtbild zusammengefügt.

Aufnahmeprinzip

Die elektromagnetische Strahlung wird durch ein spiegeloptisches System auf einer kleinen Fläche gemessen. Dieser entstandene Messwert wird durch eine Optik auf Detektoren bzw. Zeilensensoren projiziert und schließlich in ein elektrisches Signal umgewandelt. Dies geschieht durch fotosensitive Elemente, wobei am Ende ein sogenannter "Fotostrom" als Resultat entsteht, welcher proportional zur empfangenen Energie definiert ist. Nachdem ganzzahlige Grauwerte erzeugt wurden, erfolgt eine Speicherung sowie Übertragung der Grauwerte an die Bodenstation (beim Überflug über dieser). Dort werden die Daten dann weiterverarbeitet. Die Komplexität des Aufnahmeprinzips, sowie die Schwierigkeit des Verstehens eben dieses Prinzips ist nachzuvollziehen. Denn wie wird ein analoger Messwert in ein digitales Bildelement umgewandelt? Die sogenannte A/D-Wandlung (oder auch Digitalisierung) erfolgt in zwei Schritten: 1.: Diskretisierung - Hierbei wird die Strahlungintensität kontinuierlich abgetastet. Dabei kann man die Periode frei wählen, durch den Öffnungswinkel des optischen Systems der bei der Eigenbewegung des Sensorträgers entsteht. Den Öffnungswinkel bezeichnet man als IFOV, instantaneous field of view. Die resultierenden Intensitätswerte werden schließlich in ein elektrisches Signal umgewandelt. 2.: Quantisierung - Zu jedem ermittelten Intensitätswert wird ein diskreter Grauwert zugewiesen. Die Angabe erfolgt über ganzzahlige Digitalwerte (DN für digital number).

Merkmale

Ein Scansystem ist immer ein passives Aufnahmesystem und überwiegend mehrkanalig. Die analoge Messung der reflektierten elektromagnetischen Strahlung erfolgt als Helligkeit (Watt) pro Wellenlänge (µm) pro Winkeleinheit (Steradian). Dabei ist von Vorteil, dass das Wellenlängenspektrum breiter als bei fotografischen Systemen ist und verschiedene Bereiche seperat erfasst werden können. Wenn jedoch große Gebeite abgebildet werden sollen, müssen viele Einzelbeobachtungen zu einem komplexen Bild nachträglich zusammengefügt werden. Des Weiteren können Verzerrungen der Bilder auftreten.

optomechanische Scanner

Begriffe

Die optomechanischen Scanner (whiskbroom scanner) tasten das Gelände mittels rotierender bzw. osszilierender Spiegel oder Prismen in Abhängigkeit von der Rotations- bzw. Osszilationsfrequenz ab. Die Abtastung erfolgt pixel- oder streifenweise in Abtastrichtung. Danach erfolgt die Zusammenfügung nacheinander folgender Bildelemente zu Zeilen. Die Abtastung der Scannzeilen erfolgt annähernd senkrecht zur Flugrichtung mit einer gewissen Zeilenschiefe, dem sogenannten across-tracking scanning.

Funktionsprinzip

Die Erfassung der EMR geschieht sequentiell durch ein optisches System mit schräg montiertem, schnell rotierendem Spiegel entsprechend dem IFOV. Danach erfolgt eine Umlenkung der erfassten Strahlung auf einem Strahlenteiler durch ein optisches System. Es erfolgt eine Zerlegung durch dichroitische Strahlenteilung in Spektralanteile des sichtbaren Lichts (VIS) sowie nahen, mittleren Infrarots (NIR, MIR) und am optischem Glas gespiegelten thermalen Infrarots (TIR). Danach kommt es zur Weiterleitung der zerlegten Spektralbereiche auf Fotodetektoren, wo eine Transformation in elektrische Signale und eine Verstärkung der Signale erfolgt. Im folgenden Schritt wird eine A / D-Wandlung in ein digitalisiertes Signal vorgenommen und die Ergebnisse werden gespeichert.

Datei:Optomechanische Scanner.jpg

Funktionsprinzip optomechanische Scanner

Merkmale

• passives Aufnahmesystem: VIS, NIR, MIR, TIR
• mechanische Bewegungen der Spiegeloptik führen zu Abnutzungen
• pixelweise Datenerfassung bestimmt die geometrische Auflösung
• schlechtes Signal-Rausch-Verhältnis begrenzt die radiometrische Auflösung
• Multispektralscanner haben bessere radiometrische Auflösung

Beispiele

LANDSAT, GEOS, TIROS, SeaStar (Satelliten); Daedalus, DAIS7915, Hymap ( Flugzeug)

optoelektronische Scanner

Begriffe

Die optoelektronischen Scanner sind Abtastsysteme mit einer digitalen Zeilenkamera, welche aus einer Vielzahl kleinster Halbleiter-Bildsensoren (2 cm -> 1000 Sensoren) mit hochintegrierten Schaltungen auf Siliziumchips besteht. Dabei bestehen die Bildsensoren aus einem Fotosensor für jeden Bildpunkt und Leitungen zum Auslesen der Bildinformationen. Der wichtigste Sensortyp ist der CCD-Sensor (charge coupled device). Dies sind Kondensatorketten, in denen durch die Belichtung eine Ladung erzeugt wird. Eine gleichzeitige Abtastung von Geländestreifen quer zur Flugrichtung wird durch die Anordnung von 1 bzw. mehreren CCD-Sensorzeilen (linear detector array) in der Bildebene des Objektivs erreicht.

Funktionsprinzip

Die Erfassung der EMR erfolgt über ein optisches System mit schräggestelltem, zum Teil neigbarem Spiegel entsprechend dem IFOV zeilenweise quer zur Flugrichtung. Die erfasste Strahlung wird dann auf die CCD-Sensorzellen umgelenkt. Dabei kommt es auch zur gleichzeitigen Aufzeichnung des erfassten Geländestreifens als komplette Bildzeile. Es erfolgt ein Aufbau elektrischer Spannung proportional zur erfassten EMR. Das gleichzeitige Auslesen durch den gemeinsamen Auslass (transfer gate) erfolgt in parallel angeordnete Speicherchips (shift register). Probleme können durch die hochsensible Optik und die schwierige Kalibirerung auftreten.

Datei:Optoelektronische Scanner.jpg

Funktionsprinzip optoelektronische Scanner

Merkmale

• passives Aufnahmesystem: VIS, NIR, MIR, TIR
• keine mechanische Bewegung -> Kein Verschleiß, höhere Lebensdauer und Zuverlässigkeit
• kleine und stromsparende Bildsensoren haben hohe Lebensdauer
• variable geometrische Auflösung durch Spezialobjektive
• lineare Anordnung der Bildsensoren bewirkt längere Verweilzeiten auf der Geländeroberfläche -> stärkeres Strahlungssignal und größere Bandbreite -> größere geometrische und radiometrische Auflösung
• einheitliche, definierte Geometrie der Bildsensoren bedingt homogene Bildzeilen, dadurch direkte Zentralprojektion je Bildzeile

Beispiele

SPOT, IRS, Ikonos, MOMS, Quickbird (Satelliten); HRSC, CASI (Flugzeug)

Alle im Kapitel 1 enthaltenen Texte und Abbildungen entstanden auf Grundlage folgender Quelle: Asche, H. (2006): Skript zur Vorlesung Fernerkundung I, Kapitel 4 – Scannersysteme, Universität Potsdam

Messinstrumente LANDSAT

kurze Darstellung aller vorhandenen Instrumente/Sensoren auf LANDSAT

Return-Beam-Vidicon(RBV)

Das System wird aus drei Vidicon-Röhren-Kameras gebildet, die alle das gleiche Objekt im sichtbaren und nahen Infrarot aufnehmen sollen. Sie bestehen im Wesentlichen aus den Bauelementen Eingangsoptik, Vidikonröhre , Gehäuse, Batterie oder Akku zur Stromversorgung sowie dem Signalausgang.Die gemeinsame Aufnahmefläche der drei RBV-Kameras für LANDSAT 1 und 2 betrug 185 x 185 km und die räumliche Auflösung belief sich auf 79 x 79 m. LANDSAT 3 hingegen beeinhaltete nur zwei RBV-Kameras, die streifenförmige Aufnahmeflächen zu je 98 x 98 km mit geringfügiger Überlappung abdeckten. Zusammen schufen sie somit eine 183 km lange und 98 km breite Aufnahmefläche. Die räumliche Auflösung bei LANDSAT 3 betrug 40 m. Die Unterschiede in den Daten von LANDSAT 1 und 2 gegenüber LANDSAT 3 resultierten aus der Herabsetzung der Flughöhe von 915 km auf 705 km und der Verwendung unterschiedlicher Objektive. Mit diesen Kameras konnten allerdings keine Thermalbilder aufgenommen werden. Die ersten drei LANDSAT-Satelliten sind jedoch nicht mehr aktiv.

Multi-Spectral-Scanner(MSS)

Eine weitere wichtige Sensorkonfiguration der LANDSAT-Serie bildet der Multi-Spektral-Scanner (MSS).Durch diesen wurde eine Verbesserung der räumlichen Auflösung sowie eine Erweiterung des spektralen Auflösungsvermögens durch Hinzunahme zweier Infrarotkanäle herbeigeführt. Der MSS wird daher auch in zukünftigen LANDSAT-Missionen zum Einsatz kommen. Ab LANDSAT 3 wurde ein weiterer thermischer Infrarotkanal eingesetzt. Beim MSS erfolgt die Strahlungsaufnahme mittels eines opto-mechanischen Scanners, der auch als Rotationsabtaster bezeichnet wird. Die Erdoberfläche wird hierbei während des Fluges mit Hilfe eines rotierenden Prismas zeilenweise quer zur Flugrichtung abgetastet. In je vier Spektralkanälen, davon jeweils zwei Känale im sichtbaren Bereich und zwei im nahen Infrarotbereich, werden gleichzeitig sechs Zeilen beobachtet. Demzufolge wird die Strahlung auf 24 Detektoren fokussiert. In einer Zeile müssen 3240 Bildpunkte mit 6 Bit digitalisiert werden, was für eine Streifenbreite von 185 km zu einer aktiven Abtastzeit von 32 ms führt. Jene so gewonnenen Daten werden entweder nach einer Zwischenspeicherung oder direkt zur Bodenstation übertragen. Die räumliche Auflösung beträgt beispielsweise bei LANDSAT 1-3 56 x 79m. Allerdings sendet, wie bereits oben erwähnt, keiner dieser drei Satelliten heute noch Signale.

Thematic-Mapper(TM)

Nach den ersten drei LANDSAT-Missionen wurde das Sensorpaket „Thematic Mapper“ entwickelt und bei darauf folgenden Missionen eingesetzt. In 705 km Flughöhe wird die Erdoberfläche in 233 Streifen von 185 km Breite, die sich seitlich überlappen, abgescannt. Um eine geographische Zuordnung der gescannten Daten zu ermöglichen, wurde ein weltweites Referenzsystem angelegt. In diesem werden die Flugstreifen (Path), in 248 Teilstücke (Rows) zerlegt. Die so entstehende Satellitenszene erstreckt sich von Ost nach West über eine Breite von 185 km. Die Nord-Süd-Ausdehnung wird mit einer Länge von 172 km angegeben. Die reale Abtastzeit beträgt 68 ms. Beim TM werden zur Aufnahme der reflektierten Strahlung 16 und für die thermale Infrarot-Strahlung vier Scanstreifen simultan für jeden Kanal nach gleichem Prinzip wie beim MSS aufgenommen. Die Abtastung erfolgt durch einen oszillierenden Abtastspiegel, der quer zur Flugrichtung die von der Erde reflektierte Strahlung sowie die emittierte Wärmestrahlung erfasst. Die spektrale Zerlegung der einfallenden Strahlung wird für jeden Kanal auf die elektronischen Detektoren verteilt, welche die Umsetzung der von den Kanälen empfangene Strahlung in elektrische Signale realisieren. Für die einzelnen Pixel wird vom Satelliten für jeden Spektralbereich die gemessene Intensität der Strahlung zur Erde übermittelt. Das so entstehende endgültige Bild wird als LANDSAT-Szene bezeichnet. Der TM nimmt in sieben Kanälen auf, was eine Anzahl von 100 Detektoren ergibt. Jeder Kanal verfügt über eine radiometrische Auflösung von 8 bit und eine räumliche Auflösung von 30 m. Die einzige Ausnahme hierbei bildet der thermische Kanal mit einer räumlichen Auflösung von 120 m. Für eine komplette LANDSAT-TM-Szene werden folglich aufgrund der höheren Anzahl an Pixeln(je Kanal 6100 Pixel) 250 MB Speicher benötigt. Da die Zwischenspeicherung der Daten an Bord des Satelliten deswegen nicht möglich ist, werden diese sofort an die Bodenstation übermittelt. Der Vorteil des TM ist eine verbesserte spektrale Auflösung mit sieben schmalbandigen Spektralbereichen mit Wellenlängen zwischen 0,45 und 12.5 Mikrometern, welche beispielsweise die Bestimmung von Gesteinsarten, Böden oder Vegetationsarten sowie die thermale Kartierung ermöglicht.

Enhanced Thematic Mapper Plus(ETM+)

ETM+ bedeutet "Enhanced Thematic Mapper Plus" und ist ein multispektral-scannendes Radiometer, welches sich an Bord des Landsat 7 Satelliten befindet und gehört zur Klasse der Whiskbroom-Scannern. Es ist also ein optomechanischer Scanner. In einem 16-tägigen Zyklus stellt der Sensor seit Juli 1999 (fast) ununterbrochen Bilddaten zur Verfügung. Das ETM+ Instrument verfügt über 8 Spektralkanäle mit einer räumlichen Auflösung von 30 m (sichtbare und nah-infrarote Kanäle 1-5 und 7), 15 m (im panchromatischen Kanal 8) und 60 m (thermisch-infraroter Kanal 6). Die Bildaufzeichnung erfolgt in 16 Zeilen zeitgleich in den 8 Kanälen bei einer radiometrischen Auflösung von 16-bit. Der ungefähre Bildausschnitt beträgt 170 x 183 km.

Kanal	Wellenlänge [µm]	Auflösung [m]
Kanal 1	0.45-0.52	30
Kanal 2	0.53-0.61	30
Kanal 3	0.63-0.69	30
Kanal 4	0.78-0.90	30
Kanal 5	1.55-1.75	30
Kanal 6	10.40-12.50	60
Kanal 7	2.09-2.35	30
Kanal 8	0.52-0.90	15

Das Instrument ist 196 x 114 x 66 cm groß und hat eine Masse von 425 kg. Der Stromverbrauch liegt im Standby-Modus bei 175 W, während das Instrument im Betriebs-Modus 590 W verbraucht. Die ersten Daten wurden am 18. April 1999 empfangen. Seit dem 29. Juni desselben Jahres stehen wissenschaftliche Daten zur Verfügung. Die Besonderheiten im ETM+ liegen in einer verbesserten On-Board Kalibrierung, einer absoluten Messgenauigkeit (+/- 5% Strahldichte), einer verbesserten Bodenauflösung im PAN und TIR.

Messinstrumente NOAA, TIROS

kurze Darstellung aller vorhandenen Instrumente/Sensoren auf NOAA Die Flughöhe beträgt 833 km für NOAA und 850 km für TIROS, die Abtastbreite 3000 km. Die beiden Satelliten sind phasenverschoben, was bedeutet, dass jeweils ein gleiches Gebiet bei einer Umlaufzeit von 102 min mindestens vier Mal per Tag mit einem Abstand von etwa 6 Stunden überflogen wird. Durch satelliten-gestützte Radiometer kann die von der Erde emittierte Infrarotstrahlung durch zeilenweises Scannen erfasst werden. Jede dieser Zeilen besteht aus individuellen Bildpunkten, für die das Radiometer die Strahlungsenergie der verschiedenen spektralen Bänder ermittelt. So gewonnene Messdaten dienen der Erzeugung von Infrarotbildern, die beispielsweise die Verteilung der Meeresoberflächentemperaturen und die Bewölkung darstellen können.

Advanced Very High Resolution Radiometer (AVHRR)

Bei diesem vier-oder fünfkanaligen Breitband-Radiometer kann im sichtbaren, nahen infrarot, infrarot und thermalem infrarot Bereich gescannt werden. AVHRR ist ein Radiometer, das zu einer sehr hohen Auflösung fähig ist. Sie kann bei 10 bit angenommen werden. Bei Wellenlängen von 0,58 bis 3,91 Mikrometern beträgt die Pixelgröße 1,1 km, im Bereich von 10,5 bis 12,5 Mikrometern allerdings 3,0 km. Mit dem fünften Kanal, mit dem neuere Modelle ausgestattet sind, wird die Messung der Meeresoberflächentemperatur verbessert da Korrekturen für die verzerrende Wirkung des atmosphärischen Wasserdampfes erfolgen. Es können mit AVHRR multispektrale Bilder der Erde bei Tag und Nacht aufgenommen, Temperatur- und Feuchtemessungen vorgenommen und Informationen über Atmosphäre, Schnee, Eis und Wolken gewonnen werden. Weiterhin lassen sich Aussagen zu Land-und Wasserübergängen sowie zur Meeres-Oberflächentemperatur treffen. Ebenso lässt sich mit AVHRR-Daten ein Vegetationsindex in einem Raster von 1 x1 km erstellen.

Zusatzkomponenten für NOAA und TIROS:

High Resolution Infrared Radiation Sounder (HIRS/2)

HIRS/2 ist ein Infrarot-Radiometer mit 20 spektralen Kanälen zum Messen der atmosphärischen Temperatur, des Wasserdampfes, der Bewölkung und der Ozonprofile.

Stratospheric Sounding Unit(SSU)

Mit diesem System kann das Temperaturprofil der oberen Atmosphäre durch Beobachtung der spektralen Eigenschaften von CO2-Absorptionslinien im infraroten Bereich ermittelt werden. Hierbei findet ein spezielles Infrarot-Radiometer Verwendung, welches eine Zelle mit einem CO2-Referenzgas enthält.

Microwave Sounding Unit(MSU)

Dieses Vier-Kanal-Mikrowellenradiometer ermittelt durch Beobachtung der thermischen Mikrowellen-Emission aus der Atmosphäre atmosphärische Temperaturprofile unter Wolkenbedeckung.

MSU, SSU und HIRS/2 bilden das Sensorpaket TOVS.

Microwave Humidity Sounder (MHS)

Das MHS-Instrument ist ein 5-Kanal-Mikrowellensensor zur Messung des Flüssigwassergehalts von atmosphärischen Feuchtigkeitsprofilen, Wolken- und Niederschlagsparametern. Neben der Luftfeuchtigkeit misst er auch Wasser im flüssigen Aggregatzustand, welches in Wolken enthalten ist sowie Niederschläge. Dieses System wurde ursprünglich für Eumetsat entwickelt, befindet sich aber seit 2005 erfolgreich an Bord von NOAA-N.

Messinstrumente GOES

GOES Imager

Dieses Radiometer erstellt mittels seiner 5 Kanäle im Bereich von 0,55 bis 12,5 µm und einer Auflösung von 1 km bis 8 km kontinuierlich Bilder von der Erdoberfläche. Dabei wird die Entwicklung großer Stürme beobachtet, die Wolkenbedeckung, -temperatur und –höhe und der Wasserdampf ermittelt. Messungen werden für Nordamerika alle 15 Minuten, für die gesamte zu beobachtende Erdfläche alle 30 Minuten vorgenommen, können aber bei Bedarf (z.B. zur Unterstützung von NOAA) innerhalb einer Minute vorgenommen werden.

GOES Sounder

Dieser Echolot beobachtet eine runde Fläche bis 60° nördlich und südlich des Äquators und ermöglicht damit eine detaillierte Beschreibung der Zustände in der Atmosphäre. Dazu gehören Temperatur- und Feuchteprofile der Atmosphäre, und Oberflächen- und Wolkenobergrenzetemperaturen. Die Ozonverteilung kann mit Daten vom Imager ermittelt werden.

Space Environment Monitor (SEM)

Dieses System besteht aus einem Sensor für geladene Partikel (EPS), zwei Magnetometer und einen solaren Röntgenstrahlensensor (XRS). Das EPS erfasst Protonen, Elektronen und Alpha-Teilchen. Die Magnetometer messen Stärke und Richtung des Erdmagnetfeldes, erfassen dessen Variationen nahe dem Satelliten, warnen vor dem Auftreten von Sonnenwinden und schätzen die Magnetaktivität der Erde. Das XRS überwacht solare Röntgenemissionen um geophysische Reaktionen wie Wechsel in der Ionosphere vorauszusagen, welche z.B. Signale des Global Positioning System stören.

Quellen:

• http://de.allmetsat.com/satellit-goes.php
• http://www.oso.noaa.gov/goes/index.htm
• http://www.nasa.gov/mission_pages/goes-n/spacecraft/index.html

Messinstrumente METEOSAT 1. Generation

VISSR(Visible/Infrared Spin Scan-Radiometer)

VISSR wird im sichtbaren und infraroten Bereich des Spektrums eingesetzt. Im Ergebnis entstehen Tages- und Nachtbilder. Die Wiederholungsrate der Messungen in einer Flughöhe von 35.800 km liegt im sichtbaren Bereich tagsüber bei 30 Minuten, im Infrarotbereich erfolgen diese ebenfalls halbstündig, allerdings auch nachts. Im sichtbaren Kanal wird die Menge der sichtbaren Strahlung, die zum Satelliten zurück gestrahlt wird, gemessen. Der Infrarotkanal misst neben dieser noch zusätzlich die Strahlung, die von der Wolkenoberseite emittiert wird. Aus diesen Informationen können Aussagen zur Höhenbestimmung der Wolkenoberseiten getroffen werden. Eine Klassifikation der Wolkenbilder wird möglich, wenn man Bilder aus dem sichtbaren mit denen aus dem infraroten Bereich kombiniert. Für die Reflektion beträgt die Wellenlänge 0,4 bis 0,9, für die Emission(Wasserdampf) 5,7 bis 7,1 und für das thermale Infrarot 10,5 bis 12,5 Mikrometer. Die Pixelgröße wird für die Reflektion bei 2,5 x 2,5 km sowie für Emission und thermales Infrarot bei 5 x 5 km angegeben. In allen drei Fällen beträgt die radiometrische Auflösung 0,5-1,5 K.

Messinstrumente METEOSAT 2.Generation

Spinning Enhanced Visible and InfraRed Imager (SEVIRI)

Der Meteosat-8 besitzt das Spinning Enhanced Visible and InfraRed Imager (SEVIRI) – System, welches nunmehr statt drei wie bei vorhergehen Satelliten der Ersten Generation mit zwölf Spektralkanälen aufnimmt. Es erstellt alle 15 Minuten ein komplettes Bild, wobei die Auflösung 3 km pro Pixel bei 3712x3712 Pixeln Bildgröße beträgt. Mit dem hochauflösenden sichtbaren Kanal (HVR) kann das Bild auf 11136x11136 Pixel mit einer Auflösung bis zu 1 km vergrößert werden. Da der Satellit geostationär ist, nimmt die Auflösung zum Rand des Bildes ab, also wird von einem Pixel mehr Fläche abgebildet. Von den Kanälen nehmen vier das sichtbare Licht und acht den Infrarotbereich auf. Zwei dieser Infrarotbereiche werden von Wasserdampf in der Atmosphäre gut absorbiert, womit sich der Wasserdampfgehalt abschätzen lässt und damit eine Aussage über das Wettergeschehen möglich ist. Der Vergleich aufeinanderfolgender Aufnahmen ermöglicht darüber hinaus Rückschlüsse zur Windrichtung und –geschwindigkeit. Die Wolkenarten oder Schnee- und Eisflächen können durch Kombination verschiedener Kanäle bestimmt werden

Details:

• Umdrehungsgeschwindigkeit des Satelliten: 100 UpM
• Auflösung:
• 3 Linien (9 Linien Hochauflösung) pro Scan (Umdrehung)
• 1250 Scans (Umdrehungen) pro Bild, entsprechend 12 Minuten/Bild + 3 Minuten/Bild für Kalibrierung
• Kontrastumfang: 10 Bit
• Hochauflösung: 5568 x 11136 Pixel (1 km Auflösung)
• Normalauflösung: 3712 x 3712 Pixel (3 km Auflösung)
• 12 Bildkanäle Kanäle:
• 2 Kanäle selektiv im sichtbaren Bereich von 0,5-0,8µm
• 1 Kanal im nahen Infrarot-Bereich 1,5-1,8µm
• 1 Breitband-Hochauflösungskanal 0,4-1,1µm
• 8 Infrarot-Kanäle 3,4-14µm
• Optische Aperatur: 50x80 cm²
• Datenmenge: 3,26 Mbps

Geostationary Earth Radiation Budget (GERB)

Dieses zusätzliche Instrument erstellt Daten zu von Erde und Atmosphäre reflektierter Sonnenstrahlung und thermischer Strahlung. Es wird gemessen in den Wellenlängen 0,32 µm bis 30 µm. Die Pixelgröße ist 44.6 x 39.3 km, ein komplettes Bild des Beobachtungsraumes wird in 5 Minuten erstellt.

Quellen:

• MSG-Seite von EUMETSAT
• Wikipedia-Seite über Meteosat
• http://www.sstd.rl.ac.uk/gerb/inst_chr.htm

Messinstrumente MetOp

MetOp ist eine Serie von drei Satelliten, die im Rahmen des EUMETSAT Polar System (EPS) - Programms gestartet werden. Diese Satelliten sind die ersten von Europa betriebenen polarumlaufenden Satelleiten. Das Programm ist Teil des Initial Joint Polar-Orbiting Operational Satellite System (IJPS), in dem die polarumlaufenden Satelliten und deren Daten von Amerika und Europa gemeinsam genutzt werden. Darum sind eine Fülle von Instrumenten sowohl von EUMETSAT als auch von NOAA in diesem Satelliten installiert.

Advanced Scatterometer (ASCAT)

Dieses Radargerät misst Windgeschwindigkeit und –richtung über dem Meer und es überwacht die Verteilung von Schnee- und Eismassen an Land und auf dem Meer. Die Messungen sind tagesform- und wolkenunabhängig, was besonders in den Polarregionen von Bedeutung ist. Drei Antennenpaare tasten zwei je 500 km breite Korridore ab. Einmal in 2-3 Tagen wird die Erdoberfläche komplett gescannt. Der Sendebereich liegt im C-Band, genauer bei 5,255 GHz.

GNSS Reciever for Atmospheric Sounding (GRAS)

Der Global Navigation Satellite System Reciever empfängt Signale des Global Positioning Systems (GPS). Die empfangenen Signale werden von der Atmosphäre moduliert, woraus auf die Temperatur- und Wasserdampfprofile in der unteren Troposphäre Rückschlüsse gezogen werden können. Pro Tag werden etwa 500 dieser Profile erstellt. Darüber hinaus gewährt GRAS Aufschluss über den Luftdruck in der oberen Troposphäre und der unteren Stratosphäre. Zusätzlich hilft das Instrument, die genaue Position des Satelliten zu bestimmen.

Microwave Humidity Sounder (MHS)

Dieser von der NOAA entwickelte Mikrowellensensor wird auch erfolgreich auf NOAA-N betrieben. Er dient, wie oben einzusehen, der Ermittlung atmosphärischer Feuchtigkeitsprofile, Wolken- und Niederschlagsparameter aus Messungen der von der Erdoberfläche abgestrahlten Mikrowellen. Neben der Luftfeuchtigkeit wird das flüssige Wasser in Wolken sowie Niederschlag ermittelt. Es ist selbstkalibirerend. Die fünf Kanäle messen im Frequenzbereich zwischen 89 und 190 GHz

Advanced TIROS Operational Sounder (ATOVS) kombiniert mit Advanced Very High Resolution Radiometer (AVHRR)

Diese Systeme messen im Bereich des sichtbaren und des infraroten Spektralbereich und im Mikrowellenspektrum (von 0,6 bis 12 µm). Dadurch ermöglicht es eine große Anzahl an Einsatzmöglichkeiten, von Wolken- und Niederschlagsüberwachung über Erkundung von Eis- und Schneebedeckung auf den Meeren und Oberflächentemperaturmessung bis hin zur Erstellung vertikaler Temperatur- und Feuchtigkeitsprofile. Das AVHRR hat im Gegensatz zum bei der TIROS-Reihe verwendeten Gerät sechs Kanäle.

Infrared Atmospheric Sounding Interferometer (IASI)

Das IASI liefert hochdetaillierte globale Messdaten für die Temperatur und Feuchte der Atmosphäre. Die erstellten Profile sind auf 1 km Höhe genau aufgelöst, bei 1°C plus/minus 10% Messgenauigkeit und einer horizontalen Ausdehnung von 20 km. Es ist in der Lage, akkurate Messungen der Mengen und Konvektionsströme von z.B. Ozon und Kohlendioxid zu vollziehen. Diese sind wichtig für die Globale Überwachung des Klimas.

Global Ozone Monitoring Experiment-2 (GOME-2)

Dieses Instrument misst diffuse Lichtstrahlung aus der Atmosphäre oder durch die Atmosphäre gelaufene Sonnestrahlen. Durch Zerlegung in Spektren werden Profile von Ozon-, aber auch Stickstoffdioxid- und Wasserdampfgehalt in der Stratosphäre und die Ozonproduktion und der Troposphäre und durch natürliche und anthropogene Verschmutzung ermittelt. Dadurch kann der Einfluss anthropogener Verschmutzung auf das Klima und die Luftqualität besser abgeschätzt werden, sowie durch bessere Energiebilanz die Qualität von Vorhersagemodellen verbessert werden. Der Spektralbereich liegt im Ultraviolett- und sichtbaren Bereich bei 240-790 nm, mit einer spektralen Auflösung von 0,2-0,4 nm und 3500 Spektralkanälen. Die räumliche Auflösung beträgt 80x40 km².

High resolution Infrared Radiation Sounder/4 (HIRS/4)

HIRS/4 ist eine Weiterentwicklung des auf den NOAA-Satelliten verwendeten Systems. Dieses Echolot dient zur Ermittlung von Temperatur- und Feuchtigkeitsprofilen (siehe AMSU), Oberflächentemperaturen, Wolkeneigenschaften sowie den totalen Ozongehalt. Es besitzt 19 Kanäle im Infrarotbereich und einen im sichtbaren Bereich. (von 0,69 bis 15 µm).

Advanced Microwave Sounding Unit A1 and A2 (AMSU-A)

Dieses System ist ein Mikrowellen-Echolot im 50 GHz-Bereich für Temperaruterkundung bei klaren und bedeckten Wetterkonditionen, zur Niedeschlagsmessung und Schneebedeckungserkennung, Meereis- und Bodenfeuchtebestimmung. Die 15 Kanäle liegen im Frequenzbereich zwischen 23 und 90 GHz. Zusammen mit den HIRS-Daten werden vertikale Temperatur-, Luftdruck- und Feuchteprofile bis zu einer Höhe von 40 km erstellt.

Advanced Data Collection System/2 (A- DCS) oder Argos

Ein Empfänger in Ultrahochfrequenzbereich (401.65 MHz) und Signalverarbeiter. Dient dem weltweiten Empfang meteorologischer Daten und der Lokalisierung von verschiedensten immobilen und mobilen meteorologischen Plattformen, die für das Studium und den Schutz der Umwelt arbeiten. Weiterleitung zur Erdoberflächeerfolgt später per X-Band und HRPT. Die Lokalisierung basiert auf dem Doppler-Prinzip

Search And Rescue (SAR oder S&R)

Das SAR-Paket besteht aus zwei Komponenten. Der Search And Rescue Processor (SARP-3) empfängt und verarbeitet Notsignale von Flugzeugen oder Schiffen. Der Search And Rescue Repeater (SARR) leitet vom SARP-3 empfangene Signale zu Bodenstationen weiter.

Space Environment Monitor (SEM-2)

Dieses Spektrometer dient der Abschätzung der Größe terrestrischer Strahlungsgürtel und dem Fluss solarer Protonen und Elektronen auf Höhe des Satelliten. Eine weitere Aufgabe ist die Vorwarnung vor Sonnenwinden. Es ist eine Weiterentwicklung des auf den NOAA-GOES installierten SEM-Sensoren.

Quellen:

• http://www.astrium.eads.net/press-center/archives/2006/metop-a-vor-seiner-reise-nach-baikonur
• http://www.eumetsat.int/Home/Main/What_We_Do/Satellites/EUMETSAT_Polar_System/Space_Segment/index.htm?l=en
• http://www.esa.int/esaLP/SEMV68L8IOE_LPmetop_0.html

Messinstrumente AQUA

Der Erdbeobachtungssatellit AQUA ist mit sechs Instrumenten, welche in Kombination eine leistungsfähige Erdbeobachtung möglich machen, ausgerüstet: AIRS (Atmospheric Infrared Sounder), AMSU (Advanced Microwave Sounding Unit), HSB (Humidity Sounder for Brazil), CERES (Clouds and the Earth’s Radiant Energy System), MODIS (Moderate-Resolution Imaging Spectroradiometer) und AMSR-E (Advanced Microwave Scanning Radiometer – EOS). Im folgenden soll das Instrument MODIS näher beleuchtet werden.

MODIS

MODIS bedeutet "Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer" und ist ein Instrument, welches auf zwei verschiedenen Satelliten zum Einsatz kommt: TERRA und AQUA. Das erste MODIS Instrument (genannt ProtoFlight Model) ist in TERRA integriert und startete mit ihm am 18.12.1999 in den Orbit. Das zweite Instrument (Flight Model 1) ist im AQUA-Satelliten integriert und seit dem 4.5.2002 im Weltall. Die MODIS Instrumente sind für ein 5-jähriges "Leben" im All geplant und entwickelt wurden. Ziel ist es mit weiteren folgenden Instrumenten ähnlichen Aufbaus einen Datensatz, basierend auf einer Dekade, zur Erforschung der globalen Klimaveränderung.

Aufgrund der relativ hohen Anzahl an Spektralkanälen und der damit verbundenen Breite an Wellenlängen spielt MODIS eine wichtige Rolle in der Entwicklung von globalen Modellen mit denen man die Veränderungen in der Erdatmosphäre beobachten und studieren kann. Die gewonnenen Daten können unser Verständnis für die globalen Prozesse auf dem Land, über den Ozeanen und in der Atmosphäre verbessern.

Mit einer radiometrischen Auflösung von 12-Bit und unglaublichen 36 Spektralkanälen kann MODIS eine spektrale Auflösung zwischen 0,4 und 14,4 µm abdecken. Die geometrische Auflösung variiert in verschiedenen Spektralkanälen: 2 Kanäle haben eine Auflösung von 250 m, fünf weitere Kanäle haben eine Auflösung von 500 m und die verbleibenden 29 Kanäle haben allesamt eine Auflösung von 1000 m. Die globale Abdeckung liegt aufgrund der Höhe von 705 km und einem +/- 55° Scan-Winkel bei nur 1 bis 2 Tagen, so dass die abgebildete Fläche eine Breite von 2330 km hat. An Bord des Systems befinden sich vier Kalibrierungssysteme und sogar eine Sicht in den Weltraum.

Eigenschaft	Wert
Orbit	705 km, sonnensynchron, fast-polar
Bildausschnitt	2330 x 10 km
Größe	1,0 x 1,6 x 1,0 m
Gewicht	250 kg
Stromverbrauch	225 W
Datenverbindung	11 Mbps
geometrische Auflösung	12-Bit
räumliche Auflösung	250 m (Kanäle 1-2), 500 m (Kanäle 3-7), 1000m (Kanäle 8-36)
geplante Lebensdauer	5 Jahre

vorwiegende Nutzung	Kanäle
Land/Wolken Grenzbestimmung	1-2
Land/Wolken Eigenschaften	3-7
Ozeanfarbe/Phytoplankton/Biochemie	8-16
atmosphärischer Wasserdampf	17-19
Oberflächen/Wolken Temperatur	20-23
Atmosphärentemperatur	24-25
Cirrus Wolken	26
Wasser Dampf	27-29
Ozon	30
Oberflächen/Wolken Temperatur	31-32
Wolkenobergrenze	33-36

Auf MODIS basierende Daten stellen am Ende 44 verschiedene Produkte für eine weltweite Community zur Verfügung. Hier einige Beispiele für die Endprodukte: Konzentration von Aerosolen, Wolkeneigenschaften, Atmosphärentemperaturen, Wasserdampfprofile, Vegetationsbedeckung, Landbedeckung, Feuer und andere thermische Anomalien, Schnee und Eis-Bedeckung, biologische Eigenschaften der Ozeane (Chlorophyll Konzentration, Phytoplankton...).

MODIS wird betrieben von der NASA im Goddard Spce Flight Center, Greenbelt, Maryland. Entwickelt und gebaut wurde es von Raytheon/Santa Barbara Remote Sensing, Goleta, California.