Projekt:FE Beobachtung 1/A-Train/Aufbau der Satelliten und Messsysteme/OCO

Teilprojekt A-Train

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Autor: achim

OCO (Orbiting Carbon Observatory) wird ab Dezember 2008 den A-Train anführen. Es ist eine Mission des Earth System Science Pathfinder Project (ESSP) der NASA und wurde enwickelt, um präzise, globale Messungen des Kohlenstoffdioxidgehaltes der Atmosphäre durchzuführen.

Start

Der Start des OCO ist für Dezember 2008 geplant. Dann wird er von der Air Force Basis Vandenberg in Kalifornien mit Hilfe einer Taurus XL Rakete starten.

Orbit

OCO wird zunächst auf einen Orbit mit 635 km Radius gebracht, um dann mit Hilfe eines bordeigenen Antriebes seine exakte Position innerhalb des A-Trains einzunehmen. Er wird dort auf einem 705km, polarumlaufendem, sonnensynchronem Orbit mit einem Neigungswinkel von 98,2° fliegen, was alle 16 Tage eine globale Abdeckung mit Messungen ermöglicht. OCO wird den Äquator auf jedem Orbit um 13:18 Uhr überqueren, was aufgrund des hohen Sonnenstandes eine ideale Zeit ist, um CO2 mit reflektiertem Sonnenlicht spektroskopisch zu messen, da das Signal maximal ist. Ausserdem werden dadurch Fehler durch tageszeitliche und saisonale Schwankungen des Co2 Gehaltes vermieden. ,

Technische Beschreibung

OCO ist eine Raumsonde welche ein, aus drei hoch auflösenden Raster -Spektrometern bestehendes, Messinstrument trägt. Sie hat ein Gesamtgewicht von ca. 530 kg (1170 Ib).

Aufbau OCO

Der Körper des OCO besitzt eine sechseckige Struktur und beinhaltet das Messinstrument sowie die bus - Komponenten der Raumsonde. Es sind Sonnensegel angebracht, welche ausgeklappt werden können, sobald der Satellit in der gewünschten Position ist. Diese können mit Hilfe einer Software genau zur Sonne ausgerichtet werden, um stets genug Energie für Instrument und bus - Komponenten liefern zu können. Diese wiederum werden von einem Bordcomputer gesteuert, dessen Software über eine S – Band Antenne Befehle von Stationen auf der Erde empfangen, und über einen X – Band Transmitter große Daten an jeweilige Stationen auf der Erde senden kann. Der Bordcomputer regelt außerdem die Ausrichtung des Satelliten und dessen Messinstrumentes. Mit Hilfe eines „Star Trackers“, der anhand der Position der Sterne und eines Sternkataloges die eigene Position relativ zu einer Referenzposition bestimmen kann, und vier Rädern, kann der Computer das Instrument genau auf den von der Bodenstation vorgegebenen Punkt richten. Des Weiteren ist der OCO mit einem GPS – Empfänger ausgerüstet, welcher Informationen über den „Fußabdruck“ des Instrumentes liefert. Um die exakte Position innerhalb des A – Train beibehalten zu können, verwendet OCO einen Hydrazin - basierten Antrieb sowie vier Düsen, welche unter dem kugelförmigen Tank angebracht sind.

Messeinrichtungen

Messinstrumente

Das Messinstrument des OCO besteht aus drei hoch auflösenden Spektrometern, welche die Strahlung in drei verschiedenen Banden der Wellenlängen im nahen Infrarot messen. Die Bande um 0,76 μm, welche vor allem Rückschlüsse auf Schwächung der Strahlung durch O2 zulässt, sowie 1,61 μm und 2,06 μm, welche vor allem für CO2 von Bedeutung sind. Jedes der Spektrometer besteht aus einem Eingangsteleskop und einem Kyrogenkühler, der die Temperatur des Lichtdetektoren bei ca. -150°C hält, um Messfehler durch äußere Energieeinflüsse zu eliminieren. Hinzu kommen ein optisches Schaltkreisaggregat, welches aus Faltspiegeln, dichroitischen Lichtteilern, Bandenisolationsfiltern und sog. „re-imaging“- Spiegeln besteht, sowie einem Kollimator mit zwei Linsen, um das einfallende Licht in parallele Strahlen um zu wandeln, einer Kamera mit zwei Linsen und einem Gitter zur Defragmentierung der Strahlen. Dieses besteht aus einer Reihe von Auskehlungen auf einem extrem flachen Untergrund (Bsp.: CD). Da das spektrale Muster von CO2 innerhalb eines kleinen Wellenlängenbereiches stark zwischen transparent und lichtundurchlässig variiert, muss das Messinstrument in der Lage sein, diese feinen Unterschiede in der Wellenlänge zu erkennen, was eine extrem feine Auflösung erforderlich macht. So unterteilt das Instrument den sichtbaren Wellenlängenbereich in 17.500 Farben. Um sich ein Bild von der ungeheuren Genauigkeit machen zu können, bedenke man, dass eine Digitalkamera den selben Bereich mit 3 Farben abdeckt.

Messmodi

Es existieren 3 verschiedene Messmodi: Betrieb, Aus und Standby. Der Bertriebsmodus kann in Wissenschafts- oder Kalibrierungsmodus laufen. Letzterer kann zwischen Dunkel, Randverdunkelung, Lampen- und Sonnenlicht unterscheiden. Die Art der Beobachtung kann wiederum in 3 verschiedene Modi unterteilt werden: Nadir- Glint- und Targetmodus.

Nadirmodus: Hierbei zeigt das Messinstrument stets genau nach unten auf den Nadir. Daten werden somit entlang einer Spur genau unter OCO gesammelt. Diser Modus hat die höchste räumliche Auflösung und es wird erwartet dass er auch in teilweise bewölktem Gebiet und Gebieten mit extremer Topographie nützliche Peilungen hervorbringt. Wahrscheinlich werden die Ergebnisse in diesem Modus über Ozeanen ein schlechtes Signal-zu-Rauschen-Verhältnis haben.

Glintmodus: In diesem Modus richtet der Satellit das Messinstrument auf das helle Flackern, an dem Einfalls- gleich Ausfallswinkel ist. Somit kann 100 mal mehr Signal empfangen werden als mit dem Nadirmodus. Dadurch wird das Signal-zu-Rauschen-Verhältnis über Ozeanen verbessert.

Targetmodus: Hierbei wird da Instrument auf ein festes Ziel gerichtet auf das es auch im Überfliegen fixiert. Somit kann bis zu 9 Minuten derselbe Punkt beobachtet werden. Auf diese Weise kann OCO 12960 Peilungen bei Zenitwinkeln zwischen 0° und 85° aufnehmen.

Daten

Die von Satelliten per Telemetrie heruntergeladenen Daten werden mit Hilfe des Ground Data System (GDS) in zwei Formen von Daten umgewandelt, welche an die Wissenschaft und die Öffentlichkeit in Form des Hierarchical Data Format (HDF) v 5 weitergegeben werden: Level 1B Daten sind kalibrierte und georeferenzierte Daten der Spektralstrahlung. Für jede Peilung wird ein Datensatz erstellt, welcher aus drei Spektren besteht, welcher wiederum den Kanälen der Spektrometer entsprechen. Bei kontinuierlicher Aufzeichnung von Daten werden so für die sonnenbeschienene Seite der Erde ca. 370.000 Peilungen vorgenommen. In den Level 1 B Daten sind auch fehlerbehaftete Messungen enthalten, sowie Indikatoren, welche die Qualität des jeweiligen Spektrums bewerten. Mit deren Hilfe werden die Daten für das weitere Vorgehen ausgewählt.
Die Level 2 Daten beinhalten mehrere atmosphärische und geophysikalische Messungen, die auf den Spektren basieren, welche im selben Orbit des OCO erhalten wurden. Diese Daten, welche durch die Anwesenheit von Wolken, Aerosolen und topgraphischen Inhomogenitäten negativ beeinflußt werden, sind z.B. vertikale Profile von Temperatur, Kohlenstoffdioxid, Wasserdampf und Aerosolgehalt. Die Daten beinhalten auch skalare Messungen von Albedo, Oberflächendruck und den gemittelten molekularen CO2-Anteil Xco2. Wiederum beinhalten diese Daten Fehlermessungen sowie Indikatoren, die die Qualität des Datenoutputs und die Eignung für weitere Bearbeitung bewerten.
Die Level 3 Daten werden von den Forschungsgruppen des OCO generiert. Hierbei wird der Xco2 der Erdoberfläche in Sektoren einer Größe von eines Längen- und Breitengrades mit einer Genauigkeit von 1 ppm dargestellt. Jedes Level 3 Datenset wird Daten eines 16-tägigen Orbits representieren.
Die Level 4 Daten werden die Quellen und Senken des CO2 auf der Erde, sowie dessen Flüsse in einer Auflösung von 5 Längen- und 4 Breitengraden aufzeigen.