Projekt:FE Beobachtung 1/Meteosat/Aufbau der Satelliten und Messsysteme

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Aufbau und Arbeitsweise eines Meteosat-Satelliten[Bearbeiten]

Entwicklung der Satelliten[Bearbeiten]

Die rasante Entwicklung im Bereich der geostationären Satellitensysteme bezieht sich in erster Linie auf die Entwicklung der Messgeräte und der Datenübertragung sowie Datenverarbeitung. Folgende Satelliten-Subsysteme sind für einen reibungslosen Satellitenbetrieb erforderlich:

  • Antriebssystem
  • Lage- und Orbit-Steuerung
  • Stromversorgung
  • Datenabwicklung und Onboard-Software


Die Technologie des Satelliten der Meteosat-Serie an sich ist in den ersten beiden Generationen Meteosat First Generation (MFG) und Meteosat Second Generation (MSG) unverändert geblieben. Die Satelliten sind in ihren Abmessungen relativ ähnlich. Durch die fortschreitende Entwicklung der installierten Mess- und Datenübertragungssysteme (siehe MFG und MSG ) wurden die Satelliten in der Form verändert und leichter. Dagegen werden die Satelliten der Meteosat Third Generation(MTG) schwerer sein. Doch beispielsweise das Verfahren zur Gewährleistung der Lagestabilität des Satelliten im Orbit beruht für MFG und MSG auf Spinstabilisierung. Hier dreht sich der Satellit ca. 100 mal pro Minute um seine eigene Achse. Im Gegensatz dazu wird bei MTG die Stabilität im Orbit durch eine sogenannte Dreiachsen-Stabilisierung erzeugt. Weiterhin wird nicht mehr ein operativer Satellit und ein Stand-by-Satellit betrieben. Für MTG werden 4 Meteosat-Satelliten parallel betrieben, wobei jeweils 2 Satelliten die identische Messkampange durchführen. Dabei dient ein Satellit als Backup-Satellit.

Aus diesem Grund wird in diesem Abschnitt nach den Generationen MFG/MSG und MTG unterschieden, während die installierten Messsysteme je Meteosat-Generation zugeordnet werden können.

[1] [2]

MFG und MSG[Bearbeiten]

Die erste Konstruktion des Meteosat-Satellitensystems ist in den frühen 1970er Jahren entstanden. Im Jahre 1977 wurde Meteosat-1 in Umlauf gebracht. Bis Ende 2005 (Meteosat 9) wurde an dieser Konstruktion keine wesentliche Veränderung vorgenommen. Lediglich nach Meteosat-3 gab es kleiskjonere konstruktive Eingriffe. Folgende Abbildung stellt beispielhaft Meteosat-1 dar.

METEOSAT-1: Vertreter der Meteosat First Generation

.

Die Komponenten sind in der Abbildung zu Meteosat-3 dargestellt und nachfolgend stellvetretend für MFG/MSG erklärt.

Der Durchmesser des Satelliten beträgt 2,1 m bei einer Gesamtlänge von 3,2 m. Die Masse im Orbit beläuft sich auf 282 kg. Bei Missionsbeginn müssen zusätzlich zur Trockenmasse ca. 40 kg Wikipedia Hydrazin als Treibstoff dazugerechnet werden. Dieser Treibstoff dient der Lagestabilisierung im Orbit. Im Orbit dreht sich der Satellit mit 100 Umdrehungen pro Minute um seine Achse, welche in etwa parallel zur Nord-Süd-Achse der Erde verläuft. Der Satellit besitzt einen Hauptzylinderkörper, an dessen Spitze sich ein Trommelabschnitt befindet. Zwei weitere Zylinder sind konzentrisch gestapelt. Der Hauptzylinderkörper stellt den Hauptteil des Satellitensubsystems dar. Dort ist das Radiometer verankert, dessen Oberfläche aus sechs Solarpanelen besteht. Hierdurch wird der Satellit mit elektrischer Energie versorgt. Die Panele verfügen Aussparungen für Sensoren, Schubdüsen und Nabelstecker. Die zylindrische Oberfläche des kleineren Trommelabschnittes, montiert an der Spitze der S/UHF Plattform, ist bedeckt mit einer Reihe von Dipolantennen-Elementen. Die Elektronik in der Trommel schaltet die einzelnen Elemente in umgekehrter Reihenfolge zum Drehsinn des Satelliten. Dieses Subsystem erfordert eine ausrichtbare Antenne, die sich kontinuierlich gegen die Satellitendrehung ausrichtet, sodass die Haupt-Transmission in der S-Bande immer zur Erde gerichtet ist. Die zwei weiteren Zylinder, installiert an der Spitze der Trommel, sind Ringmuster-Antennen für die S-Bande und das "low UHF". Hierbei ist die S-Bande eine Mikrowellen bereich von 2 bis 4 GHz, der technisch durch die Frequenzen UHF( Ultra high frequency ) und SHF (Super high frequency)begrenzt ist.

Für den Satellitenstart ist ein Anschwungmotor ( Apogee Boost Motor - ABM), betankt mit festen Treibstoff, an den Boden des Satelliten angebracht. Dieser wird benötigt, um ausreichend Schub vom stark elliptischen Startorbit zum geforderten äquatorialen, kreisrunden Orbit zu haben. Danach wird der ABM über Bord geworfen. Er hinterlässt eine ÖffnuYKPAYng, um ein klares Bildfeld für den Strahlungskühler zu ermöglichen.Dieser die kühlt die Infrarotdetektoren.

Durch die Entwicklung der Meteosat-Serien wurde der Satellitenkörper neu bemessen.

Meteosat First Generation Meteosat Second Generation
Durchmesser [m]
2.1
3.2
Länge [m]
3.2
3.7
Gewicht [kg]
282
235

Im Verlauf der Meteosat-Entwicklung war es also möglich, leichtere und gleichzeitig größere Satelliten zu bauen.

[3]

MTG[Bearbeiten]

Der Aufbau der zukünftigen Meteosat-Satelliten ist in sofern verändert, dass keine Drehbewegung zur Justierung der Lage im All genutzt wird. Mithilfe von zusätzlichen Sensoren wird die Lage gegenüber der Sonne und anderen Himmelskörpern festgestellt. Durch die Steuerdüsen und Reaktionsschwungräder kann der Satellit dreiachs-lagereguliert werden. Das genaue Regelungskonzept, d. h. welche Objekte ( Erde, Sonne, Sterne) als Sensoren eingesetzt werden, ist derzeit in der Entwicklungsphase. Aufgrund dieser Technologie kann der Satellit also "in Ruhe" verharren, hat eine feste Orientierung zur Erde und eine hoch-präzise Ausrichtung zur Bildaufnahme.

[2]

Aufbau und Arbeitsweise eines Radiometers[Bearbeiten]

Radiometer, Vertreter der passiven Aufnahmesysteme, messen die elektromagnetische Strahlung in spezifischen Banden (Kanälen). Dies wird technisch so umgesetzt, dass der jeweilige Sensor hier nur auf einen eingeschränkten Wellenlängenbereich reagiert oder Filter verwendet werden. Im letzteren Fall ist der Einsatz von Filterfunktionen (siehe Kapitel Theoretische Grundlagen) notwendig. Durch die eigentliche Aufnahmegeometrie des Radiometers ist es möglich, nur einen sehr kleinen Ausschnitt der Erdoberfläche zu erfassen. Um die elektromagnetische Strahlung weiträumiger Oberflächen zu betrachten, werden diese durch Abtastsysteme (Scanner) pixelweise registriert. Dabei wird die Strahlung je Flächenelement als numerischer Wert aufgefasst, welcher einer bestimmten Bildhelligkeit zuordenbar ist. Durch die die zeilenweise Erfassung der Pixel und deren Aneinanderreihung entsteht wieder eine Gesamtansicht der Beobachtungsfläche.

Als Abtastsystem für Satelliten finden optisch mechanische Abtaster ( Whiskbroom-System) Anwendung. Dieses besteht aus einer Anordnung von Abtastspiegel, Teleskopen, Strahlenteiler und Prismen zur Umleitung der einfallenden Strahlung zum Detektorsystem hin. Dort wird dann im entsprechenden Kanal die entsprechende Bande erfasst und weiterverarbeitet. Da sich der Spiegel genauso schnell wie der Satellit um seine eigene Achse dreht, ist der Aufnahmevorgang kompliziert.

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Meteosat First Generation (MFG)-MVIRI-Instrument[Bearbeiten]

Dieses Wikipedia Radiometer befindet sich auf den Meteosat Satelliten 1 bis 7 der ersten Generation.

Das MVIRI (Meteosat Visible Infra-Red Imager) ist ein hochauflösendes Radiometer mit drei spektralen Bändern. Diese befinden sich im sichtbaren Bereich, im infraroten Bereich und im Wasserdampfbereich des Wikipedia elektromagnetischen Spektrums. Dabei sind die spektralen Bänder des sichtbaren Bereichs zur visuellen Betrachtung, die spektralen Bänder infraroten Bereiches zur Temperaturbestimmung von Wolken-, Meeres- und Landoberflächen und die spektralen Bänder des Wasserdampfbereiches zur Bestimmung des Wasserdampfgehaltes in der mittleren Atmosphäre.

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Arbeitsweise[Bearbeiten]

Die Strahlungsdaten der gesamten Erdoberfläche erhält man durch einen 25-minütigen Scann. Danach wird das Wikipedia Teleskop wieder in seine Ausgangslage gebracht und es erfolgt nebenbei eine Schwarzkörper- (black body) Kalibrierung (diese findet nur auf dem Meteosat 7 statt)[6] des infraroten Kanals und des Wasserdampfkanals. Dieser Arbeitsschritt nimmt 2,5 Minuten in Anspruch. Darauf folgt noch ein 2,5minütiges Stabilisierungsintervall, sodass aller 30 min ein komplettes Bild der Erdoberfläche zur Verfügung steht. Der Scannvorgang erfolgt von Ost nach West und wird durch das Rotieren des Satelliten erreicht. Das Scannen der Erdoberfläche von Süd nach Nord wird durch kleine Veränderungen der Lage des Radiometerteleskopes erreicht. Das bedeutet, dass nach jeder Rotation das Teleskop eine neue Linie scannt, die sich ca. 5 km nördlich der vorherigen Linie befindet. Eines der wichtigsten Bauteile ist das Ritchey-Chretien Teleskop. Viele weitere Spiegel werden verwendet um die einfallende sichtbare, infrarote und Wasserdampfstrahlung zu sammeln.

  • Masse: 65 kg
  • Leistung: 17 W
  • Datenübertragungsrate: 333 kbp/s
  • Auflösung: 5,0 km IR Kanäle - 2,5 km VIS Kanäle

[5] [7]

Eigenschaften[Bearbeiten]

Spektrale Bänder 0,5 – 0,9 μm sichtbarer Bereich 5,7 - 7,1 μm IR und Wasserdampfbereich 10,5 – 12,5 μm Terrestrisches IR
Detektor-Anzahl 2 1 1
Detektor-Typ Si HgCdTe HgCdTe
Sichtfeld 0,065 mrad 0,14 mrad 0,14 mrad
Auflösung am Nadir 2,5 km 5 km 5 km

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Meteosat Second Generation (MSG) - SEVIRI- und GERB-Instrument[Bearbeiten]

Messinstrument SEVIRI[Bearbeiten]

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

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Aufbau des SEVIRI[Bearbeiten]

Schematischer Aufbau des SEVIRI-Instruments

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.

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Bildkanäle[Bearbeiten]

Es gibt zwei Kanäle im sichtbaren Bereich bei 0,6 μm und 0,8 μm, welche Bilder der Wolken- und Landoberfläche während der Tageszeit zur Verfügung stellen. Diese Wellenlängen helfen die Oberflächen der Vegetation von denen der Wikipedia 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 liefert er Informationen über Aerosole. Kombiniert man den infraroten Kanal mit den beiden sichtbaren Kanälen verbessert sich zusätzlich noch die Beobachtung von Wikipedia Aerosolen, der Wikipedia Bodenfeuchtigkeit und von Vegetationsindizes. 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. Der Kanal 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. Die Wasserdampfkanäle, welche bei 6,2 μm und 7,2 µm liegen 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 3 km.

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Pseudo-sounding Kanäle[Bearbeiten]

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.

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Hochauflösender Sichtbarer Kanal(HRV Channel)[Bearbeiten]

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.

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Bildparameter[Bearbeiten]

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.

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Messinstrument GERB[Bearbeiten]

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)

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Entwicklung von GERB[Bearbeiten]

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).

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Aufbau des GERB[Bearbeiten]

Schematischer Aufbau des GERB-Instruments

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.

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Datenverarbeitung[Bearbeiten]

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 Archiv 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.

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Meteosat Third Generation (MTG)[Bearbeiten]

Erst die enorme Verbesserung der Leistung der neuen Meteosat-Generation ermöglichte durch die Dreiachsen-Stabilisierung ist ein schnellerer Arbeitszyklus für die Erdbeobachtung möglich. Um ein flexibles Arbeiten zu ermöglichen und Risiken zu vermeiden, werden für die Bildaufnahme (imagery mission) und die Sondierungs-/Peilungssysteme (sounding mission) jeweils 2 Satelliten eingesetzt. Bei einer Lebenszeit des MTG-Systems von 15 Jahren werden also 8 Satelliten im Twin-Setup in den Orbit gebracht. Dabei hat jeder der 4 nominalen und 4 Backup-Satelliten eine Lebenszeit von 7,5 Jahren. (Quelle Bezy, Stuhl)

Die benötigten Instrumente sind zur Zeit in der Entwicklung.

Bildaufnahme-Missionen[Bearbeiten]

HRFI - High-Resolution Fast Imagery[Bearbeiten]

Diese Mission ist eine Erweiterung der High Resolution Visual Mission (HRV) der Meteosat Second Generation. Neben der Vergrößerung des spektralen Bereiches wurden die zeitliche (5 min) und räumliche (0.5 – 1.0 km) Auflösung für 5 Spektralkanäle verbessert. Das Hauptziel dieser Mission ist die Optimierung kurzfristiger Wettervorhersagen (NWC und VSRF) von Konvektionsereignissen und die mit diesem Phänomen in Verbindung stehenden Größen des hydrologischen Kreislaufs. Diese Aufgabe soll mit der Beobachtung von Wolkenmustern, der horizontalen Bewegung von Wolken und Wolkenfeldern, deren vertikale Entwicklung und den mikro-physikalische Eigenschaften im oberen Wolkenbereich bewältigt werden. Daneben verfolgt die HRFI-Mission noch ein weiteres Ziel, die Lieferung detaillierter Beobachtungen aus gezielt ausgesuchten Regionen. Hier sollen gezielt Gebiete beobachtet werden, in denen sich aktive Wolkenmuster bilden. Diese Daten werden ergänzend von der FDHSI- und der IRS-Mission genutzt. Die Aufnahmen der HRFI-Mission werden eine Fläche von 18° x 6° (jeweils in Nord/Süd oder Ost/West Richtung) abdecken und können variabel platziert werden. Der Intervall in denen neue Aufnahmen gemacht werden, beträgt 5 min oder weniger. Das Instrument soll aber so entwickelt werden, dass es sehr schnelle Scans mit noch kürzeren Wiederholungsintervallen über einer fläche von 6° x 6° durchführen kann. Auch diese Funktion kann dann variabel positioniert werden um alle Bereiche der Erdoberflächen, die von der Position des Satelliten aus sichtbar sind, zu erfassen. Dadurch wird die Erfassung von Phänomenen mit sehr schnellen Entwicklungsprozessen möglich. [1] [10]

FDHSI - Full-Disk High-Spectral-resolution Imagery[Bearbeiten]

Die FDHSI-Mission ist die Weiterentwicklung des MSG Messgerätes SEVIRI. Die Verbesserung dieses Gerätes ist notwendig, um auch weiterhin den hohen Ansprüchen der Benutzer auf den Gebieten des Nowcasting, Very Short Range Forecast, der regionalen und globalen Numerischen Wettervorhersage und des Klima-Monitoring gerecht zu werden. Deshalb soll dieses Instrument mit einer hohen Anzahl an Spektralkanälen vom sichtbaren Bereich bis zum Thermalinfrarot ausgestattet werden. Wichtig ist dabei deren hohe radiometrische Leistungsfähigkeit und die, im Vergleich zur MSG SEVIRI Mission, noch höhere zeitliche (10 min) und räumliche (1-3 km) Auflösung. Die FDHSI-Mission wird zusammengesetzt aus einem Set von 15 verschiedenen Kanälen und 3 frei wählbaren Kanalgruppen. Diese Kanalgruppen sind einerseits im sichtbaren Spektralbereich (FD-OPT 1 und FD-OPT 3) und anderseits im infraroten Bereich des Spektrums (FD-OPT 2) angeordnet und können je nach Bedarf ein- und ausgeschaltet werden. Im Aufnahmemodus kann das FDHSI-Instrument die gesamte Erdscheibe in einem Intervall von 10 min ablichten. Es gibt zusätzlich einen Scan-Modus, der 18° in OST/West Richtung und 6° in Nord/Süd Richtung abdecken kann. Das entspricht einem Drittel einer Aufnahme im normalen Modus. Diese Aufnahmen kleinerer Flächen werden als Local Area Coverage (LAC) bezeichnet, können variabel platziert werden und haben einen kürzeren Wiederholungszyklus. Das Prinzip dieser Aufnahmen basiert auf einer schnellen WEST-OST /OST-WEST Abtastung und einem stufenartigen Scan in Nord-Süd Richtung. Dieses System funktioniert nur durch einen einzelnen Spiegel, der an 2 Achsen kardanisch (frei drehbar und unabhängig von Lage und Bewegung) aufgehängt ist. Mit Hilfe der FD-OPT 1 Kanäle können, über verschiedene Absorptionen im Saustoffband A, Wolkenhöhen bestimmt werden. Die FD-OPT 2 Mission dient ebenfalls der Bestimmung der Wolkenhöhe, aber über das Prinzip der CO2-Scheiben. Damit baut dieses System auf der Infrarotsondierung auf. Die Aerosol-Bestimmung über große Landflächen mit Echtfarbenaufnahmen wird mit der Kanalgruppe FD-OPT 3 erfolgen. [1] [10]

LI - Lightning Imagery[Bearbeiten]

Die LI-Mission gab es in den vorherigen Meteosat-Programmen noch nicht. Sie soll in Echtzeit Blitze erkennen und lokalisieren (Wolken- zu Wolkenblitze und Wolken- zu Bodenblitze) können. Damit kann diese Mission einen Beitrag zur kurzfristigen Wettervorhersage (NWC und VSRF) von starken Gewittern und Stürmen leisten und frühzeitige Blitzschlagwarnungen ermöglichen. Diese Mission ist deshalb so wichtig, weil Blitze sehr stark von anderen Gewitterphänomenen abhängig sind oder mit ihnen zusammenhängen, wie Windböen, Hagel oder starke Niederschläge. Aus diesem Grund lassen sich mit Hilfe der LI-Mission stellvertretend Aussagen über intensive Konvektion in Verbindung mit Eis-Flüssen, starken Aufwinden und konvektivem Niederschlag treffen. Außerdem sind Blitze Anzeichen für latente und adiabatische Wärme und können in globale und mesoskalige NWP-Modelle eingebaut werden. Neben den genannten Aspekten, spielen Blitze auch eine wichtige Rolle in der atmosphärischen Chemie. Sie sind mit an der Bildung von Stickoxiden beteiligt. Längere Beobachtungen können dabei behilflich sein den natürlichen Stickstoffhaushalt zu verstehen. [1] [10]

Mess-Missionen[Bearbeiten]

IRS - Infrared Sounding zum Einsatz in der operativen Meteorologie und evtl. für Atmosphärenchemie[Bearbeiten]

Auch die IRS-Mission besitzt keinen direkten Vorläufer im MSG Programm, aber es gibt Ähnlichkeiten mit dem European Polar System (EPS) und dessen Infrared Atmospheric Sounding Interferometer (IASI). Das vorrangige Ziel dieser Mission ist die Verbesserung der Numerischen Wettervorhersage-Modelle auf regionaler und globaler Ebene. Mit Hilfe der Infrarot Sondierung können durch die Verfolgung von drei-dimensionalen Wasserdampfmustern atmosphärische Bewegungsvektoren (Atmospheric Motion Vectors – AMV) mit einer hohen vertikalen Auflösung erfasst werden. Außerdem liefert die Mission zusätzliche Frequenzinformationen von Temperatur- und Wasserdampfprofilen. Die AMV-Fähigkeit spielt eine besondere Rolle für globale NWP, da geostationäre Beobachtungstechniken einzigartig in der Erfassung von drei-dimensionalen Windfeldern sind. Im Gegensatz dazu dienen die Verbesserungen in der Bestimmung der Temperatur und Luftfeuchte (höhere horizontale, vertikale und zeitliche Auflösung) den regionalen NWP Modellen, vor allem um die Modelle realitätsnaher zu gestalten. Die hohe zeitliche Frequenz von Infrarot Sondierungen aus dem geostationären Orbit kann die Wahrscheinlichkeit einer Sondierung bei klaren Luftverhältnissen stark erhöhen. Das ist zum Beispiel in dynamisch wichtigen Regionen im Nordatlantik von großer Bedeutung. Die IRS Mission ermöglicht so den regionalen und globalen NWP Modellen eine bessere Identifizierung von Gebieten, in denen sich sehr schnell atmosphärische Instabilitäten entwickeln. Diese Instabilitäten sind für vertikale Bewegungen in der Atmosphäre, Konvektion und Niederschlagsentwicklung verantwortlich. Ein weiteres Ziel der IRS Mission ist, in Zusammenarbeit mit der UV/VIS Mission, die Weiterentwicklung von Anwendungen in Bezug auf chemisches Wetter und die Luftqualität. Die Mission liefert FDC-Daten (Full Disk Coverage) im 30 Minutentakt und variabel platzierbare LAC-Daten (Local Area Coverage) im 10 Minutentakt. Die Entwicklung dieser Mission ist sehr anspruchsvoll und birgt starke Einschränkungen in Bezug auf das optische Design, die Anordnung der Detektoren und die Erfassung von Daten. Dabei werden sehr genaue Abstimmungen zwischen 2 Instrumenten benötigt: dem dispersive Spectrometer (DS) und dem Fourier Transform Spectrometer (FTS). Das optische System des DS ist sehr komplex und ziemlich kompliziert, aber notwendig um die benötigte Auflösung im spektralen Bereich zu erreichen. Das FTS System ist weniger komplex, aber die zu bearbeitende Datenmenge ist extrem hoch. Das hat Auswirkungen auf die Durchführung der Messungen, die Betriebsfähigkeit und somit auf den elektronischen Haushalt des Detektors. [1] [10]

UVS - UV/ Visible Sounding zur Beobachtung der Atmosphärenchemie[Bearbeiten]

Sondierungen aus dem geostationären Orbit im ultravioletten und sichtbaren Bereich werden zur Bestimmung der Konzentrationen atmosphärischer Gase genutzt. Gase in der Atmosphäre weisen ein regional und (tages-)zeitlich differenziertes Verhalten auf. Die Gründe dafür liegen in der unregelmäßigen Verteilung von biologischen, geologischen und photochemischen Verursachern von Gasen. Deshalb ist eine hochfrequente und kontinuierliche Beobachtung erforderlich und vom Erdboden relativ ungünstig. Die Erfassung von troposphärischen Gasen ist für kurzfristige Wettervorhersagen und Vorhersagen, die das chemische Wetter betreffen, von Bedeutung, weil sie die menschliche Sicherheit und Gesundheit gefährden können oder zumindest beeinflussen. Die wichtigsten Gase, die von der UV/VIS Sondierungsmission gemessen werden sollen sind: O3, N2O, SO2 und H2CO. Eine Kombination der MTG Missionen FDHSI, IRS, LI und UVS kann die Beobachtung des täglichen atmosphärischen Kreislaufs der Spurengase, einschließlich ihrer räumlichen Variabilität, ihres horizontalen Transportes und dem potentiellen vertikalen Austausch, in Verbindung mit Wetter- und Klimaprozessen ermöglichen. Die Mission hat eine LAC im 30-Minutentakt, die je nach den optimalen Sonnenbeleuchtungsbedingungen variable platziert werden kann. [1] [10]

Zusammenfassende Darstellung der Missionen[Bearbeiten]

Mission Anzahl der Kanäle/Bänder Full Disk Coverage Local Area Coverage Anwendung
FDHSI 15 Kanäle

(3 optionale Kanalgruppen)

10 min 10/3 min Bestimmung von Wolkenhöhen,

Aerosolbestimmung

HRFI 5 Kanäle - 5 min Beobachtung von Wolkenmustern,

Beobachtung von horizontalen Bewegung und vertikalen Entwicklung von Wolken und Wolkenfeldern,

Beobachtung der mikro-physikalischen Eigenschaften im oberen Wolkenbereich,

Erfassung von Phänomenen mit sehr schnellen Entwicklungsprozessen

LI 1 Band - Tag und Nacht durchgängig Echtzeit Blitz-Erkennung
IRS 10 Spektralbänder 30 min 10 min Bestimmung der Temperatur und Luftfeuchte mit hoher horizontaler, vertikaler und zeitlicher Auflösung,

Erfassung atmosphärischer Bewegungsvektoren (AMV),

Identifizierung von Gebietenmit sich sehr schnell entwickelnden atmosphärischen Instabilitäten

UVS 10 Spektralbänder - 30 min Bestimmung der Konzentrationen atmosphärischer Gase

[1]

Quellenangabe[Bearbeiten]

  1. 1,0 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6 P. Bensi, D. Aminou, J.-L. Bézy, R. Stuhlmann, A. Rodriguez, S. Tjemkes: Overview of Meteosat Third Generation (MTG) Activities, 2004, Proceedings of the Second MSG RAO Workshop (ESA SP-582).
  2. 2,0 2,1 J. Asmus 2008: METEOSAT seit 30 Jahren Europas Blick zur Erde, Exponate des Deutschen Wetterdienst,Referat Fernerkundung.
  3. http://www.eumetsat.int/Home/Main/What_We_Do/Satellites/Meteosat_First_Generation/index.htm?l=en
  4. M. Sommer 2005: Grundlagen der Fernerkundung, Institut für Hydrologie und Meteorologie, Technische Universität Dresden
  5. 5,0 5,1 http://www.wmo.ch/pages/prog/sat/CGMS/Directoryofapplications/en/ap10-02.htm
  6. 6,0 6,1 http://imk-msa.fzk.de/Satellites/METEOSAT/MVIRI.htm
  7. http://www.wmo.ch/pages/prog/sat/Instruments_and_missions/MVIRI.html
  8. 8,0 8,1 8,2 8,3 8,4 8,5 F. Pasternak, P. Hollier, J. Jouan, SEVIRI, the new imager for Meteosat second generation. Geoscience and Remote Sensing Symposium. IGARSS '93. Better Understanding of Earth Environment. Vol. 3. 1993, pp. 1094-1099.
  9. 9,0 9,1 9,2 9,3 Sandford, M. C. W., P. M. Allan, M. E. Caldwell, J. Delderfield, M. B. Oliver, E. Sawyer, J. E. Harries, J. Ashmall, H. Brindley, S. Kellock, R. Mossavati, R. Wrigley, D. Llewellyn-Jones, O. Blake, G. Butcher, R. Cole, N. Nelms, S. DeWitte, P. Gloesener, F. Fabbrizzi 2003: The geostationary Earth radiation budget (GERB) instrument on EUMETSAT's MSG satellite, Acta Astronautica Volume 53, Issue 11, December 2003, Pages 909-915
  10. 10,0 10,1 10,2 10,3 10,4 R. Stuhlmann, A. Rodriguez, S. Tjemkes, J. Grandell, A. Arriaga, J.-L. Bézy, D. Aminou, P. Bensi 2005: Plans for EUMETSAT's Third Generation Meteosat geostationary satellite programme, Advances in Space Research, 36, (2005), 975–981.