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Interview | „So viele Pässe gemessen wie noch nie“: Sven Bauer, Leiter der Satelliten-Radarstation am GFZ

Dr.-Ing Sven Bauer in der Satelliten-Laser-Radarstation (Foto: GFZ).
Dr.-Ing Sven Bauer vor dem Empfänger der Satelliten-Laser-Radarstation (Foto: GFZ).
Anzahl der gemessenen Pässe pro Jahr. LEO: Low Earth Orbiter (Tiefliegende Satelliten - in etwa bis 1500 km Höhe); MEO: Medium Earth Orbiter (Satelliten in mittlerer Höhe - in etwa 6000 km Höhe); GNSS: Global Navigation Satellite System (Navigationssatelliten in 19000 bis 35000 km Entfernung; Abbilung: Sven Bauer, GFZ).
Die Satelliten-Laser-Radarstation im Nachtbetrieb (Foto: Langzeitbelichtungsaufnahme, GFZ).
Sender (Vordergrund) und Empfänger der Satelliten-Laser-Radarstation (Foto: GFZ).

Sven Bauer ist Leiter der Satelliten-Laser-Radarstation (SLR) am GFZ. Das Observatorium misst die Entfernung zu Satelliten und bestimmt damit ihre Bahnen sowie Parameter wie die Erdrotation oder die Verformung der Erdoberfläche. Auch zu Weltraumschrott wurde schon gemessen. Im vergangenen Jahr erreichte die Station mit über 5300 Messungen einen „Stationsrekord“.

GFZ: Was messen Sie in der Satelliten-Laser-Radarstation?

Sven Bauer: Vor allem messen wir die Entfernung zu Satelliten, die unsere Station passieren und die wir mit unserem Laser anpeilen. Aus der Differenz zwischen Abschuss- und Empfangszeiten eines Laserpulses ergibt sich die Entfernung des Satelliten von der Station. Aus vielen dieser Entfernungsmessungen zusammen kann dann die Flugbahn eines Satelliten bestimmt werden.

GFZ: Wozu werden die Messungen weiter genutzt?

Bauer: Neben der Flugbahn werden sie für die Bestimmung weiterer Parameter benutzt wie etwa: der Lage des Zentrums der Erde, der Erdrotation und ihren Abweichungen oder auch der Erdbahn und der Verformung der Erdoberfläche.

GFZ: Fliegt denn ein Satellit so exakt auf seiner Bahn, dass sie für diese Berechnungen verwendet werden kann?

Bauer: Wenn ein Satellit um die Erde fliegt, wird dabei seine Umlaufbahn durch verschiedene Effekte beeinflusst wie etwa die Rotation, das Gravitationsfeld und auch die Atmosphäre. Das muss berücksichtigt werden, wenn die Flugbahn des Satelliten für die Berechnung der erdbezogenen Parameter genutzt werden soll.

Moderne Satelliten werden mit einem GPS zur Positionsbestimmung ausgestattet, das vereinfacht die Bestimmung ihrer Flugbahn. Wenn kein GPS-Empfänger installiert ist, muss die Position eines Satelliten aus Beobachtungen abgeleitet werden, was natürlich mehr Aufwand bedeutet.

GFZ: Wie läuft so eine Messung ab?

Bauer: Wenn der Satellit über die Station fliegt und einen eigens dafür entwickelten Spiegel an Bord hat, zielen wir mit unserem Laser auf ihn. Da die Bahnvorhersagen nicht perfekt sind, müssen wir ein bisschen suchen.

Die Spiegel reflektieren den Laserstrahl, wir empfangen den reflektierten Laserpuls und verfolgen die Bahn des Satelliten so lange, wie er sich im für uns erreichbaren Bereich des Himmels befindet.

Das GFZ hat so einen Spiegel, einen so genannten Laserreflektor, entwickelt, der sehr leistungsstark ist und den eine Reihe von Satelliten an Bord hatten und haben, zum Beispiel CHAMP, GRACE, Swarm oder GRACE-Follow on.

GFZ: Gibt es weltweit Stationen wie Ihre?

Bauer: Nein. Besonders gut abgedeckt sind Europa und Südostasien, die Nordhalbkugel besser als die Südhalbkugel.

GFZ: Sie haben im vergangenen Jahr mit der Station in Potsdam einen „Stationsrekord“ erzielt und über 5000 Objekte angepeilt. Was steckt hinter dieser Zahl?

Bauer: Am 4. Dezember 2017 haben wir die Marke von 5000 gemessenen Pässen erreicht, so viele wie noch nie innerhalb von einem Jahr. Bis zum Ende des Jahres waren es sogar etwa 5300. Ein Grund ist, dass die Anzahl der Satelliten die wir messen können in den letzten Jahren zugenommen hat. Wichtiger war allerdings, dass die Station im vergangen Jahr zwei Leiter hatte und damit besser besetzt war: Der ehemalige Leiter der Station Ludwig Grunwaldt hat mich, bevor er in den Ruhestand ging, in die Station eingearbeitet.

Außerdem konnten wir gegen Ende des letzten Jahres die Leistung der Station steigern, was uns natürlich besonders freut.

Wir sind zwar nicht so gut wie der Spitzenreiter unter den SLR-Stationen: Yarragedee in Australien, aber für unsere Wetterverhältnisse sind wir schon sehr gut.

GFZ: Warum sind die Australier so viel besser?

Bauer: Yarragedee liegt in der Wüste, was den Vorteil hat, dass die Station dort im Jahr ungefähr 275 Tage klaren Himmel hat. Wir in Potsdam hingegen haben nur an etwa 110 Tagen wolkenfreie Sicht und durch eine nur etwas dichtere Wolkendecke kommen wir mit dem Laser einfach nicht durch.

Außerdem haben wir noch keinen vollständig automatisierten Betrieb, was die Leistung zusätzlich mindert. Das bedeutet aber auch, dass wir in Zukunft vermutlich sogar noch bessere Ergebnisse erzielen können, wenn wir die Station weiter verbessern und modernisieren.

GFZ: Worin bestehen die Verbesserungen an der Station?

Bauer: Wir haben im letzten Jahr die Grundlagen für eine Automatisierung geschaffen. Automatisierung ist heute der Stand der Zeit und bei einigen anderen Stationen schon Standard. Wenn sie einmal eingerichtet ist, erlaubt sie einen effektiveren Betrieb. Dafür müssen wir noch einige Sicherheitsfeatures einrichten, damit es keine Probleme bei Ausfällen gibt, aber der Anfang ist gemacht.

Das Highlight aus dem letzten Jahr ist aber eine Verbesserung des Lasers, der nun leistungsstärker ist, also mit mehr Energie strahlt und so sogar am Tag zuverlässig auch hoch fliegende Satelliten beobachten kann. Messungen am Tag sind mit unserem Laser generell schwieriger, da es am Tag viel mehr Licht gibt als in der Nacht und so das „Hintergrundrauschen“ größer ist.

GFZ: Sie messen mit einem grünen Laser. Könnte man auch mit einem andersfarbigen Laser messen?

Bauer: Ja, am besten wäre Infrarot. Allerdings sind die Detektoren für Infrarot technisch noch nicht so ausgereift wie im grünen Bereich. Außerdem würde man den Laserstrahl dann mit bloßem Auge nicht mehr sehen und das wäre gefährlich für die Arbeit am Laser.

GFZ: Wie werden die Messungen aktuell organisiert?

Bauer: Um messen zu können, muss die Station im Moment noch besetzt sein. Der persönliche Einsatz aller Beobachter unserer Station hat den Erfolg im letzten Jahr ermöglicht. Insbesondere mein Vorgänger Ludwig Grunwaldt, der im vergangenen Jahr in den Ruhestand gegangen ist, ist weit über den „beruflich erforderlichen“ Einsatz hinausgegangen.

Während der Zeit der Übergabe der Station an mich war diese doppelt besetzt, weshalb wir mehr Messungen durchführen konnten als zuvor. Oft hat Herr Gunwaldt von vier Uhr morgens bis um neun gemessen und ich dann anschließend bis 18 Uhr, danach kam die Nachtschicht. Insgesamt sind wir, ohne Herrn Grunwaldt und mit einem Studenten, im Moment sieben Leute.

Es gehen jedoch weitere Messende demnächst in den Ruhestand, weshalb es umso wichtiger ist, dass die Station weiter automatisiert wird.

GFZ: Gibt es eine zentrale Sammelstelle für die Daten?

Bauer: Ja. Alle Messungen werden in den Datenzentren des International Laser Ranging Service (ILRS) gesammelt und für Berechnungen der Umlaufbahnen und der Erdparameter verfügbar gemacht.

GFZ: Sie haben zusammen mit Jens Steinborm von der auch auf dem Telegrafenberg ansässigen DiGOS GmbH eine Software zur „Time bias“-Vorhersage entwickelt. Was macht diese Software?

Bauer: Bahnvorhersagen sind nicht immer genau. Besonders tief fliegende Satelliten sind ein Problem, weil die Erdatmosphäre den Satelliten bremst, was schwer zu berechnen ist. Wir sprechen vom „Time bias“: die Satelliten treffen früher oder später am Beobachtungsstandort ein als vorhergesagt. Wird diese Abweichung zu groß, wird es manchmal schwierig, die Satelliten überhaupt zu finden.

Mit unserem Programm kann man diese Abweichung aus den zuletzt zu einem Satelliten aufgenommenen Daten berechnen. Das funktioniert gut und hat die Produktivität der Station deutlich erhöht, weil wir die Satelliten schneller finden und so bei der Suche weniger Zeit verlieren.

Wir haben die Software im vergangenen Jahr auf einem ILRS-Workshop in Riga vorgestellt. Sie wird seitdem nun auch von vielen anderen Stationen genutzt und geschätzt. Das bedeutet, dass am Ende mehr Daten für die Berechnung der Flugbahnen und der Erdparameter zur Verfügung stehen, die dann umso genauer sind.

12.01.2018, Interview: Ariane Kujau

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