Projekt:FE Beobachtung 1/Meteosat/Aufbau/MSG

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Messinstrument SEVIRI

SEVIRI ist eines der Messinstrumente der METEOSAT Second Generation und steht für „Spinning Enhanced Visible and InfraRed Imager“. Dieses Messinstrument ist auf den Satelliten der METEOSAT Second Generation befestigt. Durch die besonderen Eigenschaften der 12 Kanäle wird ein weiter spektraler Bereich von 0,5 μm im sichtbaren Bereich bis zu 14 μm im infraroten Bereich abgedeckt. Die erwarteten Leistungen dieses radiometrischen Messinstrumentes kann man folgendermaßen zusammenfassen: Eine Verbesserung der räumlichen, zeitlichen, spektralen und radiometrischen Auflösung erlaubt eine Nutzung der Bilddaten für die zukünftige Numerische Wettervorhersage. Es hilft den Meteorologen in der schnellen Erkennung und Vorhersage von gefährlichen Wetterphänomenen, zum Beispiel: Wirbelstürme, Starkregen und Nebel. Des Weiteren können mit Hilfe der Daten des SEVIRI Windfelddiagramme und Meeresoberflächentemperatur dargestellt, sowie Niederschlagsschätzungen und Analysen zur Wolkenbedeckung, -höhe und -temperatur vorgenommen werden.

Der grundlegende Zweck dieses Instrumentes ist die Aufnahme von Bildern der Erde in regelmäßigen Abständen in mehreren spektralen Bändern. Um ein Bild zu erhalten wird ein 2-dimensionaler Scann durchgeführt. Die schnelle Abtastung erfolgt in Ost-West-Richtung durch das Rotieren des Satelliten um die Drehachse, welche meist eine Nord-Süd-Orientierung besitzt. Die langsame Abtastung erfolgt dagegen in Nord-Süd-Richtung durch einen Abtastspiegel, welcher sich am Eingang des Messinstrumentes befindet.

• Masse: 133kg
• Leistung: 50W
• Datenübertragungsrate: 2,82 MB/s
• Abmessung: 1m Durchmesser x 2,1m Höhe

(Pasternak 1993)

Aufbau des SEVIRI

Die Bauweise des Instrumentes stützt sich auf drei Bauteile die physikalisch und funktionell unabhängig voneinander sind. Das so genannte Telescope and Scan Assembly TSA (Teleskop und Abtastbauteil), das Focal Plane und Cooler Assembly FPCA (Brennebene und Kühlerbauteil) und das Instrument Control & Data Handling ICDH.

Telescope and Scan Assembly (TSA) ist ein sehr wichtiges Bauteil des SEVIRI. Es unterstützt die Brennebene und die Elektronik, welche nicht auf der Plattform integriert sind. Folgendes schließt das TSA ein: Das Leitblech, den Scannspiegel welcher eine elliptische Form hat und silber gestrichen ist sowie das Ritchey-Chretien-Telescope mit einem primären und einem sekundären Spiegel. Auch diese haben beide einen silbrigen Überzug. Die Schnittstelle mit dem Raumfahrzeug besteht aus einer runden durchlöcherten Auflegeplatte. An ihrer Unterseite befindet sich die Scann-Einheit und an ihrer Oberseite sind die Teleskopstruktur und der sekundäre Spiegel befestigt. Die Scann-Einheit beinhaltet drei Bauteile, welche sehr wichtig für die Leistungen des SEVIRI sind: Scann-Spiegel, Scann-Mechanismus und Calibration Reference Source.

Focal Plane und Cooler Assembly (FPCA) beinhaltet die 12 Kanäle und beobachtet die Erde im sichtbaren und infraroten Bereich von 0,5 μm bis 14 μm.

Das Instrument Control & Data Handling (ICDH) beinhaltet 3 funktionelle Einheiten: Detection Electronics (DE), Scan Control Electronics (SCE) und Instrument Control Unit (ICU). Die Detection Electronics sind für die Datenverarbeitung sowie für die Datenübertragung verantwortlich. Sie liefern die verarbeiteten Daten dem Instrument Control Unit. Die Scan Control Electronics kontrollieren den Scann-Mechanismus. Das Instrument Control Unit ist für die Kontrolle der Schnittstellen zwischen dem SEVIRI und dem Raumfahrzeug und der Instrumente verantwortlich. (Pasternak 1993)

Bildkanäle

Es gibt zwei Kanäle im sichtbaren Bereich bei 0,6 μm und 0,8 μm, welche Bilder der Wolken- und Landoberfläche während Tageszeit zur Verfügung stellen. Diese Wellenlängen helfen die Oberflächen der Vegetation von denen der Wolken im Verlaufe eines Jahres zu unterscheiden. Der Infrarote Kanal bei 1,6 μm wird zur Unterscheidung der Wolken von Schnee sowie der Eiswolken von Wasserwolken genutzt.Des Weiteren leifert er Informationen über Aerosole. Kombiniert man den Infraroten Kanal mit den beiden sichtbaren Kanälen verbessert sich zusätzlich noch die Beobachtung von Aerosolen, der Bodenfeuchtigkeit und des Vegetationsindex. Die vier Kanäle des spektralen Fensters, welche bei 3,8 μm, 8,7 μm, 10,8 μm und 12,0 μm liegen, stellen die Wolkenbedeckung sowie eine Schätzung der Wolken-, Land- und Meeroberflächentemperatur zur Verfügung. IR 3,8 μm wird häufig während der Nacht zur Entdeckung von Nebel und sehr tiefen Wolken genutzt. Während des Tages ist dieser Kanal aufgrund der Sonneneinstrahlung weniger nützlich. Der Wasserdampfkanal, welcher bei 6,2 μm liegt wird zur Bestimmung der Wasserdampfverteilung in der Atmosphäre genutzt. In Kombination mit den anderen langwelligen infraroten Kanälen des spektralen Fensters können die Temperatur sehr dünner Wolken und der Wind in wolkenfreien Gebieten bestimmt werden. Die Auflösung bei diesen Kanälen beträgt 3km. (Pasternak 1993)

Pseudo-sounding Kanäle

Es gibt noch zusätzliche Kanäle die einige Ziele des MSG verbessern. IR 13,4 μm welches sich im Kohlenstoffdioxidabsorptionsband befindet, wird zur Unterscheidung von Zirruswolken und zur Schätzung des Wolkendruckes genutzt. IR 9,7 μm befindet sich im Ozonabsorptionsband und wird zur Überwachung der oberen Atmosphäre, besonders der Eigenschaften der Tropopause und der stratosphärischen Winde, genutzt. Außerdem wird auch noch der Ozongehalt kontrolliert. Der Wasserdampfkanal bei 7,3 μm wird zusammen mit dem Wasserdampfkanal bei einer Wellenlänge von 6,2 μm zur Bestimmung des Wasserdampfgehaltes in verschiedenen atmosphärischen Schichten verwendet. (Pasternak 1993)

Hochauflösender Sichtbarer Kanal(HRV Channel)

Dieser Kanal ist eine Verlängerung des gegenwärtigen MOP sichtbaren Kanals und besitz eine räumliche Auflösung von 1,67km. Die Aufnahmeentfernung beträgt 1km vom Nadir aus. (Pasternak 1993)

Bildparameter

Weitere Vorraussetzungen sind die Bildparameter. Dazu zählen das Bildformat, die Entfernung von der Erde während der Messungen und der Wiederholungszyklus. Das Bildformat ist eine quadratische Fläche der Erde die durch den Satelliten gesehen und eingegrenzt wird. Dabei sollte die Fläche welche beobachtet wird immer größer sein als das Bild, um eine Navigation und die Darstellung der Bahnneigung zu ermöglichen. Wird die Betrachtung mit Hilfe der HRV Kanals durchgeführt, verkleinert sich die Beobachtungsfläche um die Hälfte und das nun dargestellte Bild besitzt ein rechteckiges Format. Die Entfernung während einer Stichprobenerhebung liegt in Nord-Süd- und West-Ost – Richtung bei 3km SSP (Sub-Satellite-Point). Weiterhin sind ein kurzer Wiederholungszyklus sowie eine schnelle Übertragung der Bilder zum Nutzer sehr wichtig. Der Wiederholungszyklus hat sich im vergleich zur Ersten Generation um die Hälfte auf 15 min verkürzt und kann an das Bildformat angepasst werden. (Pasternak 1993)

Messinstrument GERB

GERB steht für Geostationary Earth Radiation Budget.

Dieses Messgerät macht sehr genaue Messungen des Strahlenbudgets der Erde und ist das erste ERB Experiment von einer geostationären Bahn aus. Dadurch können mehrere Messungen während eines Tages durchgeführt und die Strahlungsbilanzen zwischen emittierter und reflektierter Strahlung der Erde und der Atmosphäre für das betrachtete Gebiet ermittelt werden. GERB ergänzt die Daten anderer Instrumente, welche in einem niedrigerem Orbit arbeiten und deckt den gesamten betrachteten Bereich mit einer etwas schlechteren zeitlichen Auflösung ab. Dieses Messinstrument misst die infrarote Strahlung in zwei Wellenlängenbändern: das solare Wellenband bei 0,32-4,0 μm und das totale Wellenband bei 0,32-30 μm mit einer Pixelgröße von 44km am Subsatellitenpunkt.

Das Messgerät GERB wurde im Jahre 2002 etwas später als ursprünglich geplant auf dem MSG installiert. In Verbindung mit dem Messinstrument SEVIRI liefert GERB Echtzeitdaten für meteorologische Anwendungen (Klimaforschung).

• Masse: 25kg
• Leistung: 35W
• Datenübertragungsrate: 50,6kbits/s
• Pixelgröße: 44,6 x 39,3km² (NS x EW)

(Sandford 2003)

Entwicklung von GERB

Als die ESA und EUMETSAT aussetzten den MSG Satelliten weiter zu entwickeln, wurden Studien zu möglichen zusätzlichen Instrumenten begonnen. Eines davon war ein Instrument zur Messung des Strahlenbudgets der Erde. Das Ergebnis der Forschung der BAe Space System Gruppe in Filton war das Geostationäre Erdstrahlenbudget Instrument (Geostationary Earth Radiation Budget GERB). (Sandford 2003)

Aufbau des GERB

Design des Instrumentes:

Die prinzipiellen Merkmale des GERB sind folgende:

• three-mirror anastigmatic telescope (dreispiegeliges unverzerrendes Teleskop)
• polarisation compensating fold mirror (Polarisation ausgleichender gefalteter Spiegel)
• wide band linear detector array (Linearer Breitbanddetektor)
• rotating scan mechanism (Rotierender Scanmechanismus)
• channel separation via quartz filter (Kanaltrennung mit Quartzfiltern)
• black body for thermal calibration (Schwarzer Körper für thermale Kalibrierung)
• solar diffusing integrating sphere für short-wave monitoring
• passive thermal design

GERB ist in zwei Einheiten unterteilt: die optische Einheit (instrument optics unit IOU) und die elektronische Einheit (instrument electronics unit IEU) des Instrumentes. Die IOU besitz eine Größe von ca. 450mm x 200mm x 200mm und enthält z.B.den Quarztfilter und den Kurzwellen Kalibrierungsmonitor. Die IEU nimmt die Daten des Detektors auf, formatiert sie und schickt sie zum Datenverarbeitungssystem. Außerdem liefert es regulierte Power zu den Subsystemen des Instrumentes (z.B. Wärmekontrolle des IOU und Datenschnittstellen). Das IOU liefert Messungen über die Erdausstrahlung in einem Kurzwellenband von 0,32-4 μm und in einem Totalwellenband von 0,32-30 μm. Das Langwellenband erhält man durch die Subtraktion der soeben genannten Wellenbänder. Ein Quartzfilter welcher innerhalb und außerhalb des Trägers an der Front des Teleskopes platziert ist ermöglicht das umschalten zwischen den Bändern. Das Teleskop ist so entwickelt, dass es ein lineares Sichtfeld von 18 ° in Nord-Süd-Richtung besitzt und somit die gesamte Erde von Pol zu Pol abdecken kann. Die gesamte Abdeckung der Erde in West-Ost-Richtung wird durch die Anpassung der Phasen des despin mirrors erhalten. Dabei wird die Erde in West-Ost-Richtung in 250 Schritten betrachtet. Jedes Gesamtbild der Erde besteht dann aus einer Serie von 250 aufeinanderfolgenden Streifen in Nord-Süd-Richtung. (Sandford 2003)

Datentverarbeitung

Die Ausgangsdaten des GERB werden zu EUMETSAT geleitet und mit Hilfe einer gemieteten Computerleitung zum GERB ground segment processing system (GGSPS), welches sich im Rutherford Appleton Laboratory (RAL) in Oxfordshire in England befindet, gesendet. Das GGSPS empfängt die Ausgangsdaten des GERB als telemetrische Pakete. Es validiert (bereinigt) diese Pakete und extrahiert die Bilddaten, Kalibrierungsdaten und die Beobachtungsdaten. Später werden dann mit diesen Daten die Positionen der Pixel errechnet welche punktgenau kalibrierte Strahlungswerte für die gescannten Bilder der Erde liefern. Um die Geolocation ausführen zu können sind Informationen über SEVIRI Daten erforderlich. Diese Daten kann man vom Royal Belgian Meteorological Institute (RMIB) erhalten. Die Datenausgabe erfolgt dann in zwei sogenannten Sets: das erste Set beinhaltet einfache Erdbilder mit geographischen Informationen zu jedem Pixel. Diese Daten werden für die weitere Verarbeitung zu RMIB geleitet. Die Absicht dabei ist, die Daten vom GERB und von SEVIRI zu kombinieren und daraus Breitbandflüsse mit einer höheren räumlichen Auflösung, als es die von SEVIRI ist, zu berechnen. Die Ergebnisse ausgewählter Regionen werden dann im Internet zur Verfügung gestellt. Im RAL werden alle Daten archiviert. Das Archiev besteht aus den Ausgangsdaten von GERB und den Strahlen- und Flussergebnissen.

Eins der wichtigsten Zwecke des GERB ist es, ein Archiv aufzubauen, welches viele verschiedene Jahre der Beobachtungen abdeckt. Dabei ist es entscheident, dass die Daten so genau wie möglich sind. Es ist zu erwarten, dass der Quartzfilter seine Eigenschaften im Laufe der Zeit verändert. Außerdem ist es ziemlich wahrscheinlich, dass das Bearbeitungsteam immer vetrauter mit den Details des Instrumentes wird und somit Verbesserungen im Prozess vornehmen kann. Dafür ist es aber notwendig, dass der GGSPS die Möglichkeit hat, die Daten des GERB zu bearbeiten. (Sandford 2003)