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Interview | Jens Wickert: „Die Zukunft gehört den Kleinsatelliten“

Prof. Jens Wickert neben Modellen des Kleinsatelliten Nano-X, dem Ergebnis einer Machbarkeitsstudie vom GFZ und der Firma Berlin Space Technologies, und CHAMP, dem GFZ-Kleinsatelliten, der vor 20 Jahren gestartet wurde (Foto: Christina Arras, GFZ).

Jens Wickert ist Leiter des Forschungsbereichs GNSS-Fernerkundung im GFZ-Department Geodäsie, sein Forschungsschwerpunkt ist die GNSS-Radiookkultation. GNSS steht für ‚Global Navigation Satellite System‘ und ist der Oberbegriff für Navigationssysteme wie das europäische Galileo oder das amerikanische GPS. Den Start einer neuen Satellitenmission, COSMIC-2, nehmen wir zum Anlass, um mit ihm über seine Arbeit zu sprechen.

Womit beschäftigt sich die GNSS-Fernerkundung?

Wir nutzen Radiosignale von Navigationssatelliten, die ursprünglich zur Positionsbestimmung gedacht sind, um geophysikalische Eigenschaften der Atmosphäre und der Erdoberfläche zu bestimmen.

Die Radiosignale sind sehr genau und müssen nicht aufwändig kalibriert werden, wie es bei vielen anderen Messverfahren der Fall ist. Bei ihrem Weg durch die Atmosphäre werden die Signale verändert. Wir analysieren diese Veränderung und leiten daraus beispielsweise den Wasserdampfgehalt oder die Temperatur ab.

Was machen die einzelnen Arbeitsgruppen Ihres Forschungsbereichs: die GNSS-Meteorologie, -Radiookkultation und –Reflektometrie?

Unter der GNSS-Meteorologie fassen wir alle Messungen mit bodengestützten Empfängern zusammen. In Deutschland gibt es ein Netz mit circa 300 Stationen, das wir in Nahezu-Echtzeit nutzen, um den Wasserdampfgehalt in der Atmosphäre abzuleiten.

Dahinter steht der Satellitenpositionierungsdienst der deutschen Landesvermessungen ‚SAPOS‘. Die Daten werden eigentlich Vermessungsbüros zur Verfügung gestellt.

Wir nutzen diese parallel für die Wasserdampfbestimmung und stellen die Messwerte dem Deutschen Wetterdienst zur Verfügung.

Und die GNSS-Reflektometrie und -Radiookkultation?

In der GNSS-Reflektometrie werden die von Oberflächen – wie Erdboden, Vegetation, Wasser oder Eis - reflektierten Signale analysiert, um deren Eigenschaften abzuleiten. Über die Rauigkeit einer Wasseroberfläche lässt sich beispielsweise eine Aussage über die Windverhältnisse treffen.

Bei der GNSS-Radiookkultation werden die Messungen an Bord von Satelliten gemacht. Diese umkreisen die Erde in 400 bis 600 Kilometern und empfangen die Radiosignale der etwa 20.000 Kilometer höher fliegenden Navigationssatelliten.

In diesem Bereich liegt mein persönlicher wissenschaftlicher Hintergrund. Hierzu habe ich 1999 als Physiker am GFZ angefangen, mit meiner Doktorarbeit zur Datenauswertung der Satellitenmission ‚CHAMP‘, die von GFZ-Wissenschaftlern initiiert und geleitet wurde. Wir waren weltweit mit die ersten, die diese Methode genutzt haben.

Sind GNSS-Daten Bestandteil der Wettervorhersage?

Ja, Radiookkultationsdaten der deutschen Erdbeobachtungssatelliten TerraSAR-X und TanDEM-X, die gegenwärtig vom GFZ analysiert werden, gehen Tag für Tag in die globalen Vorhersagen von Wetterzentren ein. Sie zählen zu den wichtigsten und genauesten Beobachtungen. Auch die Daten der deutsch-amerikanische Satellitenmission GRACE-FO werden entsprechend verarbeitet.

Die Messungen des SAPOS-Stationsnetzes werden für regionale Vorhersagen, beispielsweise von Niederschlägen genutzt. Es gibt kein anderes Verfahren für die Wasserdampfbeobachtung, das die notwendigen Informationen in besserer räumlicher und zeitlicher Auflösung über Deutschland zur Verfügung stellen kann als GNSS mit den SAPOS-Bodenstationen.

Bisher ist die Vorhersage noch recht ungenau, insbesondere was Starkregen oder lokal begrenzte Ereignisse angeht. Das merkt man als Nutzer von Wettervorhersage-Apps, bei denen die Temperaturvorhersage schon recht gut ist, die Regenvorhersage jedoch nicht.

Arbeiten Sie an einer Verbesserung?

In einem aktuellen Projekt, gefördert von der Deutschen Forschungsgemeinschaft, wollen wir die Niederschlagsvorhersage für Deutschland mit einer neuen GNSS-Beobachtungsart verbessern. Dabei schauen wir nicht nur senkrecht nach oben, sondern auch schräg in verschiedene Richtungen zu allen sichtbaren GNSS-Satelliten gleichzeitig. Wir bekommen dadurch deutlich mehr Informationen über die Atmosphäre und wollen sie noch schneller bereitstellen, als bisher.

Es gibt ja seit einigen Jahren Regenradar-Apps, da denkt man, dass die schon ganz gut sind?

Wenn Sie wissen wollen, ob es morgen Abend regnet, liefern diese Apps noch keine zuverlässigen Ergebnisse. Dahinter stehen Vorhersagemodelle, die nicht optimal sind und mit nicht ausreichend genauen Daten arbeiten. Unsere Forschungsergebnisse der GNSS-Meteorologie tragen zu besseren Beobachtungsdaten bei und werden damit auch speziell die Regenvorhersagen in Zukunft verbessern können.

Wie begann die Messung der GNSS-Signale von Navigationssatelliten mittels anderer Satelliten, also die GNSS-Radiookkultation?

Im Juni 2000 startete der CHAMP-Satellit. Er war zur Positionsbestimmung und für Schwerefeldmessungen ohnehin mit einem GNSS-Empfänger ausgestattet. Es wurde dann ein Empfänger verwendet, der auch für die Radiookkultation geeignet war, um die Methode zu testen.

In Deutschland gab es damals noch niemanden, der die Messungen auswerten konnte. Über eine Projektförderung der Helmholtz-Gemeinschaft für besonders aussichtsreiche neue Messverfahren wurde ich als Wissenschaftler am GFZ eingestellt, direkt nach einer Beschäftigung beim Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt im CHAMP-Projekt, wo wir mit der Entwicklung der Methode begonnen hatten. Ich war dann federführend für die Veröffentlichung der ersten Resultate von CHAMP verantwortlich.

Wir hatten hier damals ein sehr ehrgeiziges und fähiges Team und die Daten schneller ausgewertet als die Kollegen von der NASA, die ebenfalls an der Mission beteiligt waren und damit eigentlich mehr Erfahrung hatten. Wir hatten auch Glück, dass die Daten so gut waren. Satellitenmissionen sind extrem aufwändige Unterfangen, bei denen einiges schief gehen kann. An der Hardware lässt sich nicht nachbessern, wenn die Systeme erstmal im All sind.

Wie sieht die Auswertung aus?

Wir haben Softwarepakete entwickelt, die die Berechnungen durchführen. Auf der einen Seite kommen die Messungen der Radiosignale rein, auf der anderen Seite die Temperatur- und Wasserdampfwerte heraus. Wir haben die CHAMP-Daten beispielsweise mit Messungen von Wetterballons verglichen, um ihre Genauigkeit zu untersuchen.

Die Auswertung erfolgt automatisch, also nicht nur über Tag, wenn jemand vor dem Rechner sitzt, sondern permanent. Unser Softwaresystem ist so angelegt, dass es regelmäßig „nachschaut“, ob neue Satellitendaten da sind und sie dann automatisch prozessiert. Das war damals auch etwas Neues.

Wie ging es nach CHAMP weiter?

2006 startete die taiwanesisch-amerikanische Mission COSMIC mit sechs Kleinsatelliten. Es war die erste Satellitenmission, die speziell für GNSS-Radiookkultationsmessungen entwickelt wurde. Ich habe die Kollegen dort während der Planungsphase ab 2000 beraten, wofür unsere Erfahrungen aus der CHAMP-Mission sehr wichtig waren.

Andere Länder haben nachgezogen: Es gibt mittlerweile drei solcher Satelliten der europäischen Organisation EUMETSAT, aber auch Länder wie Brasilien, China, Japan, Indien und Südkorea haben ähnliche Missionen vorbereitet und gestartet. Ich habe viele dieser Missionen unterstützt.

Die CHAMP-Mission war als erste Mission dieser Art sehr wichtig und so eine echte Erfolgsstory.

In diesem Jahr ist dann die Mission COSMIC-2 gestartet.

Richtig. Auch wieder sechs Satelliten, die zunächst in 550 Kilometern Höhe fliegen. Man erwartet mehr als 4000 Messungen pro Tag, was enorm ist und viel mehr als bisher da gewesen.

Die Satelliten fliegen so, dass sie vor allem Daten am Äquator bis hin zu den mittleren Breiten liefern. Das wichtigste Ziel ist es, die Taifun-Vorhersage zu verbessern. Taiwan beispielsweise ist im Schnitt vier bis fünf schweren Taifunen pro Jahr ausgesetzt. Und auch für Untersuchungen zum Weltraumwetter ist der äquatornahe Bereich sehr wichtig.

Im Vergleich zu COSMIC-1 sind die Satelliten größer, die Empfänger sind deutlich besser und auch die Signalstärke der Daten, die die Satelliten zur Erde schicken, ist viel höher.

Inwiefern waren Sie involviert?

Ich war Teil von Gutachtergremien, speziell bei COSMIC-1. Es geht bei einer Satellitenmission um gewaltige Summen, manchmal von hunderten Millionen Dollar. Das Geld wird schrittweise bereitgestellt, wenn eine Phase der Planung oder Umsetzung erfolgreich durchgeführt wurde. Um das einzuschätzen, werden diese Gremien eingesetzt.

Im weiteren Verlauf der Mission nehme ich an Konferenzen teil, bei denen Ergebnisse vorgestellt werden oder bewerte Forschungsprojekte, bei denen die Daten von COSMIC-2 eine Rolle spielen. Natürlich werden wir auch am GFZ mit COSMIC-2 Daten arbeiten, in unserer GNSS-Radiookkultationsgruppe.

Für 2023 plant Taiwan den Start eines Satelliten für GNSS-Reflektometriemessungen, da sind wir vom GFZ wieder zur Beratung angefragt.

Warum ein Satellit für die GNSS-Reflektometrie?

Bei einer Mission wie CHAMP „schaut“ der Satellit ja nur nach oben oder zur Seite durch die Atmosphäre zwischen sich und dem Navigationssatelliten. Der Satellit für die Reflektometrie empfängt die Radiosignale, die von der Erdoberfläche reflektiert werden und kann so zur Untersuchung verschiedener Oberflächen, wie Wasser, Land oder Eis eingesetzt werden.

Mit solchen Satelliten ist man nicht auf Empfänger am Boden angewiesen und kann global Daten sammeln. Vor allem über den Ozeanen wäre es sonst sehr schwer, flächendeckende Daten zu Parametern wie Wind oder Regen zu bekommen.

Immer mehr Satelliten sind ja auch eine Gefahr, Stichwort ‚Weltraumschrott‘. Braucht es all die neuen Missionen?

Es gibt immer noch Beobachtungslücken. Und für Wetter- und Klimamodelle können die Daten noch genauer werden, um zu besseren Ergebnissen der Vorhersage zu kommen.

Speziell bei der COSMIC-1-Mission sind die Satelliten jetzt nach über zehn Jahren Laufzeit auch einfach „tot“ und senden nicht mehr, da brauchte es die Nachfolgemission. Das liegt an Faktoren wie dem Strahleneinfluss in großer Höhe, der die Systeme zerstört.

Und gerade für Klimaüberwachungen ist es wichtig, keine großen Lücken in der Aufzeichnung zu haben, sondern durchgehend zu messen.

Wohin geht die Reise in der GNSS-Fernerkundung?

Die Zukunft gehört den Klein- und Kleinstsatelliten. Sehr viele Satelliten werden gleichzeitig ins All gebracht und das sehr günstig. Wenn dann mal ein Satellit ausfällt ist das weitaus weniger tragisch, als bei einer Mission mit nur einem großen Satelliten, wo dann gleich die gesamte Mission scheitert.

Wir planen aktuell ein Kleinsatellitenprojekt mit der Europäischen Weltraumbehörde: ‚PRETTY‘. Der Satellit ist ein sogenannter ‚Cubesat‘. Er besteht aus drei Segmenten, die jeweils 10 mal 10 mal 10 Zentimeter klein sind und die Erde ab 2022 umkreisen. PRETTY wird Messungen zur GNSS-Reflektometrie und zum Weltraumwetter machen.

Die großen Wettersatelliten behalten aber trotzdem ihre Berechtigung. Sie liefern andere Daten, darunter solche, die wir mit GNSS nicht bekommen, wie zum Beispiel die Wolkenbilder.

Interview: Ariane Kujau

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