Verschiedenes

Aufnahme des CHAMP ASC-Startrackers (31. Jan. 2002)

Die beiden Sternkompass-Instrumente (ASC = "Advanced Star Compass") auf CHAMP ermöglichten die genaue Lagebestimmung des Satelliten und des Fluxgate-Magnetometers. Die hochpräzisen Bestimmungen basierten auf Bildern, die von dafür speziell entwickelten elektronischen Kameras gemacht wurden. Jede der ASC-Einheiten betrieb zwei sogenannte Camera Head Units (CHU). Die Camera Head Units fotografieren das All, während die angegliederte Datenverarbeitungseinheit alle leuchtenden Objekte mit Positionen des Hipparcos Sternkatalogs vergleicht. Dies ermöglichte die Bestimmung der genauen Lage bezüglich der identifizierten Sternenpositionen.

Einige Bilder wurden routinemäßig vom GFZ und der DTU Kopenhagen untersucht, um die CHU-Bildsensoren auf mögliche Schwächung, z.B. aufgrund von Strahlung, zu untersuchen. Die oben gezeigte Aufnahme wurde am 31. Januar 2002 erhoben. Das Gesichtsfeld beträgt 18,4° x 13,8° und zeigt einen Teil des Sternbildes Löwe. Man enkennt, dass der Mond hier eine Größe 0,5° hat und nur durch die ringförmigen Reflektionen des Linsensystems viel größer wirkt. Gleichwohl diese hellen Reflektionen einige Gebiete bedecken, vermochte die CHU immer noch, einige Sterne und Sonnen-Reflektionen von vorbeifliegenden Satelliten dazustellen. Um diese Einzelheiten zu erkennen, muss man das Bild stark vergrößern.

Erstes Profil der atmosphärischen Temperatur und Feuchtigkeit aus dem CHAMP GPS Okkultationsexperiment (22. Feb. 2001)

Diagramm mit CHAMP Temperaturprofil (magenta) über dem Südatlantik am 11. Februar 2001, verglichen mit Daten des European Centre for Medium-Range Weather Forecasts ECMWF (grün) und dem U.S. National Centers for Environmental Prediction NCEP (blau).
CHAMP Temperaturprofil über dem Südatlantik am 11. Februar 2001 (magenta), verglichen mit Daten des European Centre for Medium-Range Weather Forecasts ECMWF (grün) und dem U.S. National Centers for Environmental Prediction NCEP (blau).
Diagramm mit CHAMP dem Profil der spezifischen Feuchte (magenta) über dem Südatlantik am 11. Februar 2001, verglichen mit Daten des European Centre for Medium-Range Weather Forecasts ECMWF (grün) und dem U.S. National Centers for Environmental Prediction NCEP (blau).
CHAMP Profil der spezifischen Feuchte über dem Südatlantik am 11. Februar 2001 (magenta), verglichen mit Daten des European Centre for Medium-Range Weather Forecasts ECMWF (grün) und dem U.S. National Centers for Environmental Prediction NCEP (blau).

Das Temperaturprofil und die spezifische Feuchtigkeit, wie in diesen Diagrammen dargestellt, wurden am 11. Februar 2001, 19:44 UTC, über dem Südatlantik (53°S, 0.3°W), während der ersten Tests der On-Bord-Okkultations-Software des BlackJack GPS-Empfängers (JPL), gemessen. Daten aus meteorologichen Analysen des European Centre for Medium-Range Weather Forecasts (ECMWF) und des US National Centers for Environmental Prediction (NCEP) wurden für die Orte der Okkultationsmessungen interpoliert und sind hier zum Vergleich dargestellt.

Ähnlich dem ersten CHAMP-Temperatur-Profil, das über der Antarktis 11 Minuten früher aufgenommen wurde, reichten die Messungen der spezifischen Feuchte bis fast an den Erdboden und lieferten qualitativ hochwertige Daten in Höhen von 1 - 1,5 km, z.B. über der maritimen Grenzschicht. Ebenso erwähnenswert ist die gut aufgelöste Temperaturstruktur der Tropopause, ähnlich derer, die mit dem ersten CHAMP-Profil erzielt wurde.

Man beachte, dass dieses Temperaturprofil unter der Annahme einer trockenen Atmosphäre berechnet werden musste; es wurden die Abweichungen von den meteorologischen Analysen des ECMWF benutzt, um die Feuchte zu berechnen. Man erkennt auch, dass die GPS-Rohdaten, aufgrund der beschränkten vertikalen Auflösung der meteorologischen Analysen, leicht vertikal geglättet wurden.

Das Temperatur- und Feuchteprofil wurde von der Radio-Okkultations-Gruppe im GFZ berechnet. In die Berechnung war eine Reihe von Daten einbezogen: hochaufgelöste CHAMP GPS-Okkultationsdaten, präzise Orbitdaten von CHAMP und der GPS-Satelliten und hochaufgelöste Daten in nahezu Echtzeit vom Netzwerk der CHAMP GPS-Bodenstationen, das vom GFZ und JPL gemeinsam betrieben wurde. ECMWF-Daten wurden vom Deutschen Wetterdienst DWD über die Stratosphären-Forschergruppe der Freien Universität Berlin zur Verfügung gestellt. Die NCEP-Daten kamen vom Climate Prediction Center CPC, Camp Springs.

Aberrationskorrektur der Sternkamera

Nach einem Update der Kamerasoftware konnten mit dem Instrument astronomische Aberrationskorrekturen während des Satellitenflugs durchgeführt werden.

Der relativistische Effekt rührt von der Bewegung des Betrachters (Sternkamera am Ausleger) zur scheinbaren Position eines Sterns am Firmament. Die Geschwindigkeit der Erde von etwa 29,8km/s muss beachtet werden, um die jährliche Aberration zu korrigieren. Indem man die Satellitengeschwindigkeit aus GPS-Informationen berechnet, ist es möglich, auch die orbitale Aberration zu korrigieren.

Die beiden oberen Plots stellen den Winkel (IBA = inter-boresight angle) zwischen den beiden Kamera-Köpfen dar, einmal aufgetragen über die Breite der Satelliten-Position (links) und über die fortlaufende Zeit (rechts). Die fehlende Aberrations-Korrektur verursacht die scheinbare Ablenkung der Kamera-Köpfe bis zu ±40 Bogensekunden. Als Folge davon variieren die Winkel elliptisch über dem Orbit.

Die beiden unteren Plots zeigen die gleichen Winkelmessungen, jedoch mit eingeschalteter Abberations-Korrektur. Nun bleibt der IBA konstant über den Orbit. Die Flachheit des IBA in Bezug auf die Satellitenposition zeigt, dass es keine Deformation der Sternkameras infolge thermischen Stresses gibt, der vom Sonnenlicht und Verdunkelungen verursacht wird.

Das rechte untere Diagramm zeigt eine Reihe von vier aufeinanderfolgenden Orbits. Die Reproduzierbarkeit ist bemerkenswert. Merkmale erscheinen wieder an gleicher Position entlang des Orbits. Die Rohdaten streuen innerhalb eines Bands von lediglich 15 Bogensekunden von Peak zu Peak. Eine Nachbearbeitung mit der Zusammenführung der Messreihen beider Sternenkameras ermöglichte eine weitere Reduzierung der Streuung bis zu wenigen Bogensekunden.

Erstes Bild vom CHAMP ASC-Modul

Das erste empfangene Bild vom ASC Modul (Sternkompass).
Das erste empfangene Bild vom ASC Modul (Sternkompass).
Ergebnis von Analysten die vom ASC-Modul durchgeführt wurden.
Ergebnis von Analysen die vom ASC-Modul durchgeführt wurden.

Das erste Bild des ASC-Moduls (Advanced Stellar Compass = Sternkompas) zeigt die Sterne der Pegasus-Konstallation mit dem hellen Stern Mirfak unterhalb des Zentrums. Auf diesem Bild sieht man auch einen anderen Satelliten, der mit einer sehr hohen Relativgeschwindigkeit vorbei fliegt, erkennbar an der feinen Leuchtspur, rechts von Mirfak.

Das rechte Bild zeigt das Resultat der ASC-Analyse. Rechts unten ist das Sternenbild mit den Sternen, die korrekt erkannt wurden (grüne Kreise) und leuchtende nichtstellare Objekte (rote Kreise). Protonen, die auf den Kamerasensor auftreffen, verursachen diese nichtstellaren Objekte. Eigentlich wurden nur wenige dieser Protonenregistrierungen erwartet, aber aufgrund eines extremen geomagnetischen Sturms während des CHAMP-Starts, erhöhte sich deren Zahl erheblich.

Links oben (rechtes Bild) zeigt die Verknüpfung des Sternenbildes mit dem Sternenkatalog. Die grünen Linien markieren deren Fehlrichtung und Größe (vergrößert).

Das Ergebnis, z.B. die Satellitenlage, wird auf der rechten Bildhälfte, zusammen mit weiteren Informationen aufgelistet. Es wurden 143 leuchtende Objekte erkannt, von denen 71 Sterne sind und 5 von anderen Satelliten verusacht wurden. 

 

FGAN Radar Techniken zur Ortung von CHAMP während der frühen Orbitphase

FGAN GIF-Animation
FGAN Animation.
  • Beobachtungsdatum: Jahr 00, Tag 198, Stunde 14, Minute 29, Sekunde 17 (16. Juli 2000, 14:29:17)
  • Zeitintervall zwischen den einzelnen Bildern: 40,91 Sekunden
  • Pulsfrequenz: 110,0Hz

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Mit freundlicher Genehmigung der FGAN FHR/RWA Radar Techniques for Space Reconnaissance.

Kontakt

Herr Prof. Dr. Hermann Lühr
Geomagnetismus

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