TerraSAR-X - das neue Radar-Auge für die Erdbeobachtung

Am 31. Oktober dieses Jahres wird vom russischen Weltraumbahnhof Baikonur der deutsche Erdbeobachtungssatellit TerraSAR-X ins All geschossen. In einer Höhe von etwa 514 Kilometern wird er die Erde umkreisen und unabhängig von Wetter und Wolken sowie Tag und Nacht die Oberfläche unseres Planeten mit einem Radarstrahl abtasten. Zuverlässig und schnell liefert er Daten für eine Fülle von Anwendungen. Damit eröffnen sich kommerziellen, öffentlichen und wissenschaftlichen Nutzern völlig neue Möglichkeiten. TerraSAR-X ist der erste nationale Fernerkundungssatellit, der in öffentlich-privater Partnerschaft (Public Private Partnership, PPP) entstanden ist: EADS hat ihn im Auftrag des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt, DLR, entwickelt und gebaut und selbst erhebliche Eigenmittel beigesteuert. Infoterra, ein Tochterunternehmen von EADS Astrium, wird die Daten und Produkte vermarkten. Fünf Jahre lang soll TerraSAR-X arbeiten. Sein Nachfolger TerraSAR-X2 ist bereits in Vorbereitung. Geplant ist außerdem der Bau eines Partnersatelliten, genannt TanDEM-X, der zusammen mit TerraSAR-X die Erde umrunden soll. Dieses Tandem soll ein räumliches Höhenmodell der gesamten Erde mit bislang unerreichter Auflösung erstellen.


Kommerzielle Nutzung erfordert Daten mit hoher Qualität
Der Bedarf an qualitativ hochwertigen Bildern von unserem Planeten hat in der jüngeren Vergangenheit stark zugenommen. Waren es anfänglich vor allem wissenschaftliche Fragestellungen, die hinter der Erdbeobachtung standen, so treten zunehmend auch kommerzielle Interessen in den Vordergrund.

Diese Entwicklung von rein wissenschaftlichen Fragestellungen hin zu kommerziellen und öffentlichen Anwendungen hat zu der Forderung geführt, die Erhebung von Erdbeobachtungsdaten in privatwirtschaftliche Hände zu überführen. Zukünftig soll ein nachhaltiges Geschäftsfeld entstehen, das allen Beteiligten zugute kommt. Eine kommerzielle Nutzung kann aber nur dann erfolgreich sein, wenn Daten mit sehr hoher Qualität zur Verfügung stehen: Sie müssen detailreich sein und sehr schnell und zuverlässig geliefert werden können.    

Der Startschuss für TerraSAR-X war die Unterzeichnung des Kooperationsvertrages am 25. März 2002. Darin vergab das DLR den Auftrag für Entwicklung, Bau und Start an EADS Astrium mit einem Finanzvolumen von 102 Millionen €. Das Raumfahrtunternehmen steuerte Eigenmittel in Höhe von 28 Millionen € bei und finanzierte darüber hinaus die Entwicklung der Geoinformationsprodukte und deren Vermarktung. Das DLR hat seitdem das Bodensegment für den Datenempfang und die Kommandierung des Satelliten aufgebaut. Es wird außerdem die Daten prozessieren, archivieren und verteilen. EADS hat den Satelliten gebaut und gestestet, und die Tochterfirma Infoterra hat bereits Unternehmen als Vertriebspartner für Datenprodukte gewonnen und erste Verträge mit zukünftigen Kunden abgeschlossen. Alles deutet also auf ein erfolgreiches Projekt hin.


Aktives Radar mit Zoom-Funktion
Nach dem Start mit einer russisch-ukrainischen Rakete vom Typ Dnepr-1 (ehemals Langstreckenrakete SS 18) wird TerraSAR-X in etwa 514 Kilometern Höhe die Erde in rund 95 Minuten einmal umkreisen. Während eines Umlaufs hat sich die Erde weiter gedreht, so dass das Radar innerhalb von maximal vier Tagen (in 95 Prozent der Fälle sogar innerhalb von zwei Tagen) auf jeden Punkt der Erde zugreifen kann.

Der Satellit wird die Erde mit Hilfe eines Verfahrens, genannt „Synthetic Aperture Radar“ (SAR), abtasten. Radar hat gegenüber Aufnahmen im Bereich des sichtbaren Lichts mehrere entscheidende Vorteile: Erstens schafft der Radar-Strahl seine eigene, stets genau definierte Beleuchtung. Das ist bei optischen Satellitenaufnahmen anders, auf denen der jeweilige Sonnenstand das Erscheinungsbild einer Landschaft stark beeinflusst. Zweitens arbeitet ein Radar Tag und Nacht, und drittens kann es auch durch Wolken hindurchschauen. „Das ist vor allem in äquatornahen Gebieten entscheidend, wo es sehr häufig bewölkt ist“, erklärt Wolfgang Pitz, Projektleiter von TerraSAR-X bei EADS Astrium in Friedrichshafen.

Als weitere Besonderheit gilt die technische Variante eines aktiven Radars. Aktiv bedeutet hier, dass der Strahl in einem Schwenkbereich von 20 bis 60 Grad ausgerichtet werden kann. Dies geschieht nicht durch ein mechanisches Bewegen der Antenne oder des gesamten Satelliten, sondern durch gezieltes Überlagern vieler einzelner Radarstrahlen. Dadurch erweitert sich der Bereich, den das Instrument erfassen kann. „Während wir mit einem passiven Radar bei einem Überflug von München nach Berlin maximal zwei Aufnahmen machen können, sind nun bis zu zwanzig möglich“, so Wolfgang Pitz.  

Für ein breit gefächertes Anwendungspotenzial sorgt auch die Möglichkeit, Auflösung und Bildgröße in drei Stufen zu wählen. Mit dieser „Zoom-Funktion“ lassen sich im ScanSAR-Mode bei 100 km Bildbreite noch Details bis herunter zu 16 m Auflösung wahrnehmen. Im Stripmap-Mode (30 km Bildbreite) beträgt die Auflösung 3 Meter und im Spotlight-Mode (5 km mal 10 km) sogar 1 Meter.

Diese extrem hohe Bildauflösung wurde nur möglich, weil die Ingenieure und Techniker von EADS Astrium das Radar im so genannten X-Band betreiben. Die hierin ausgesandten Radiosignale haben eine Frequenz von 9,65 Gigahertz, entsprechend einer Wellenlänge von etwa 3 Zentimetern. Viele der bisherigen Satelliten arbeiteten dagegen im C- oder L-Band bei größeren Wellenlängen von 5,7 beziehungsweise 24 Zentimeter, weswegen sie Bilder mit geringerer Auflösung lieferten.

Die X-Band-Technik stellt jedoch erheblich größere Anforderungen an die Eigenschaften der verwendeten Werkstoffe und die Bearbeitungsgenauigkeit. Hier kann EADS Astrium auf eine langjährige Erfahrung zurückblicken, die sie bei wissenschaftlichen Vorläuferprojekten, wie der Mission SIR-C/X-SAR im Jahr 1994 und der Shuttle Radar Topography Mission (SRTM) im Jahr 2000, unter Beweis gestellt hat. „Die X-Band-Technik ist seit jeher eine deutsche Spezialität“, stellt Pitz fest. „Hier stehen wir weltweit an vorderster Front“.

Aus den genannten Eigenschaften erklärt sich der Name des Satelliten: Erdbeobachtung (Terra) mit Synthetic Apertur Radar (SAR) im X-Band (X).


Eine Vielfalt von Anwendungen
Radar-Daten enthalten eine Fülle von Informationen, die sich für jeden potenziellen Anwender spezifisch aufbereiten lassen. Von TerraSAR-X werden kommerzielle Bereiche ebenso profitieren wie Behörden und wissenschaftliche Einrichtungen. Die Vermarktung der kommerziellen Daten übernimmt die Infoterra GmbH, ein hundertprozentiges Tochterunternehmen von EADS Astrium. Das DLR bleibt als Vertreter des Bundes Eigentümer der Daten und koordiniert deren wissenschaftliche Nutzung.   

Künftige Anwender können unter zwei Varianten wählen: Direct Access Partner (DAP) und Direct Access Customer (DAC). Sie schließen mit Infoterra einen Vertrag ab, der es ihnen erlaubt, die Daten mit einer eigenen Station zu empfangen. Andere kommerzielle Nutzer kaufen bei Infoterra über ein sicheres Internetportal oder per Telefonl die aufbereiteten Daten. Wissenschaftler können für ausgewählte Forschungsprojekte vom DLR kostenlos Datensätze erhalten.

TerraSAR-X eröffnet ein weites Anwendungsfeld. So ermöglicht der wolkenunabhängige Betrieb die rasche, aktuelle Kartografierung großer Flächen, insbesondere ausgedehnter Wald- und Bergregionen. Nachfrage besteht in vielen Ländern auch bei der Ermittlung von Waldbeständen beziehungsweise der forstwirtschaftlichen Biomasse. Überdies können die Daten des TerraSAR-X als nationaler Beitrag zum „Global Monitoring for Environment and Security“ (GMES) eingebracht werden. Das ist ein europäischer Aktionsplan, der die Daten terrestrischer, maritimer und weltraumgestützter Messsysteme kombiniert.  

Die Aufklärung ist eines der Anwendungsfelder für TerraSAR-X-Daten: Nachrichtendienste, Aufklärer und Hilfsorganisationen profitieren von Systemen, die nicht nur eine sehr hohe Auflösung bieten, sondern auch eine zeitgerechte Datenerfassung erlauben. Heute greifen diese Organisationen üblicherweise auf Daten optischer Sensoren zurück. Dies kann gegebenenfalls eine längere Wartezeit erfordern. Die Datenerfassung in beinahe Echtzeit, die mit TerraSAR-X möglich wird, bietet diesen Organisationen nie da gewesene Möglichkeiten zur Nutzung von Satellitendaten in zeitkritischen Situationen.

Auch Behörden werden zukünftig von TerraSAR-X-Daten profitieren. Vermessungsämter beispielsweise können in ihren Kommunen regelmäßig bauliche und sonstige Veränderungen aufzeichnen oder Windwurfflächen nach Orkanen rasch und kostengünstig erfassen. Überdies lassen sich an jedem Punkt der Erde humanitäre Hilfsprojekte nach Naturkatastrophen und nachfolgende Aufbaumaßnahmen mit genauen und aktuellen Karten leichter koordinieren. Schließlich können Radar-Karten auch für die strategische Aufklärung und den Einsatz von Soldaten in Krisengebieten genutzt werden. „Wir werden im ersten Betriebsjahr viel Erfahrung sammeln und dabei sicher auf Anwendungen stoßen, an die wir im Moment noch gar nicht denken“, sagt Jörg Herrmann, Geschäftsführer der Infoterra GmbH. Neue kommerzielle Anwendungen werden sich voraussichtlich aus wissenschaftlichen Projekten heraus entwickeln, die das DLR betreut.

Ganz neuartige Anwendungen ermöglicht eine weitere Spezialität von TerraSAR-X: der „Dual Receive Antenna Mode.“ Hierbei werden zwei Teile der Antenne wie zwei Augen betrieben. Das ermöglicht es, Bewegungen am Boden zu erkennen. Hiermit wird man versuchen, die Geschwindigkeiten von Autos auf Autobahnen zu messen. Fernziel einer solchen Technik könnte ein weltraumgestütztes System von mehreren Satelliten zur Überwachung und Lenkung von Verkehrsströmen sein.


Die Zukunft hat schon begonnen: TerraSAR-X-2 und TanDEM-X
Erklärtes Ziel des Projektes TerraSAR-X ist die Nachhaltigkeit. Nicht die einmalige Erkundung der Erde liegt ihm zugrunde, sondern die dauerhafte Überwachung. Das Radar im Weltraum soll zu einem regulären, operationellen System werden, so wie es seit langem schon Wettersatelliten sind. Daher sind bereits die Weichen für den Nachfolger TerraSAR-X2 gestellt. Er soll aus dem Gewinn finanziert werden, den Infoterra aus den Bildern von TerraSAR-X erzielt. Sein Start ist für 2011 geplant.

Doch die Entwicklung bleibt nicht stehen, und die TerraSAR-X-Technologie lässt sich noch weitergehend nutzen. Deshalb wird EADS Astrium im Auftrag von DLR das Projekt TanDEM-X (TerraSAR-X add-on for Digital Elevation Measurement) realisieren. Es besteht aus einem weiteren Satelliten, etwa baugleich mit TerraSAR-X, der in einem Abstand zwischen 500 Metern und zwei Kilometern zu TerraSAR-X fliegen soll. Ähnlich wie der Mensch mit seinen beiden Augen räumlich sehen kann, könnte TanDEM-X ein dreidimensionales Höhenmodell der gesamten Erde aufnehmen. Auch Bewegungsformen, wie Meeresströmungen, ließen sich damit verfolgen. TanDEM-X wird ebenfalls im PPP-Modell finanziert. Sein Start könnte im März 2009 erfolgen.
Über Astrium
EADS Astrium ist der führende Satellitenspezialist in Europa. Die Aktivitäten reichen von kompletten Systemen für zivile und militärische Telekommunikations- und Erdbeobachtungssatelliten über wissenschaftliche Raumfahrtprogramme bis hin zur Satellitennavigation sowie die dazugehörige Avionik und Ausrüstung. EADS Astrium ist eine Tochtergesellschaft der EADS SPACE, einer der weltweit führenden Anbieter von zivilen und verteidigungstechnischen Raumfahrtsystemen. Im Jahr 2005 erreichte EADS SPACE einen Umsatz von 2,7 Milliarden EURO und beschäftigte rund 11.000 Mitarbeiter in Frankreich, Deutschland, Großbritannien und Spanien.
Der EADS-Konzern ist ein global führender Anbieter in der Luft- und Raumfahrt, im Verteidigungsgeschäft und den dazugehörigen Dienstleistungen. Im Jahr 2005 lag der Umsatz bei rund 34,2 Milliarden EURO, die Zahl der Mitarbeiter bei mehr als 113.000.
Über Infoterra

Die Infoterra GmbH wurde im Jahr 2001 eigens zum Zweck der kommerziellen Vermarktung von TerraSAR-X-Daten und daraus entwickelter Geo-Informationsprodukte und -dienstleistungen gegründet. Die Infoterra GmbH hat 30 Mitarbeiter am Standort Friedrichshafen und ist Teil der europäischen Infoterra-Gruppe mit insgesamt 300 Mitarbeitern in Deutschland, Großbritannien und Frankreich.

Höhe: 5,0 m

Durchmesser: 2,4 m

Gewicht b. Start: 1300 kg

davon Nutzlast: ca. 400 kg

Auflösung: 1 m, 3 m, 16 m (abh. von Bildgröße)

Trägerrakete: Dnepr-1 (ehemals SS18)

Höhe der Umlaufbahn: 514 km am Äquator

Neigungswinkel gegen Äquator: 97,4° (sonnensynchron)

Lebensdauer: 5,5 Jahre

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