Was ist Weltraumlageerfassung?

Weltraumlageerfassung (Space Situational Awareness, SSA) ist die Praxis der Charakterisierung, Verfolgung und Voraussage der zukünftigen Position von Objekten im erdnahen Weltraum. Regierungen, Unternehmen und Einrichtungen beschäftigen sich mit Weltraumlageerfassung, um die wachsende Zahl von Weltraumressourcen in der Erdumlaufbahn und in dem Teil des Weltraums zu verstehen, der von der Schwerkraft des Mondes wie der Erde beeinflusst wird.

Der erste Schritt bei der Etablierung von Weltraumlageerfassung besteht darin, bodengestützte Beobachtungen zu nutzen, um erdnahe Objekte zu identifizieren und zu verfolgen. Diese Weltraumüberwachungsdaten werden dann verwendet, um eine digitale Darstellung jedes Weltraumobjekts zu erstellen. Schließlich werden Orbitalmechanik und andere Bereiche der Physik herangezogen, um vorauszusagen, wie Schwerkraft und andere Kräfte die Umlaufbahn jedes Objekts im Laufe der Zeit bestimmen. 

Das primäre Ziel von Weltraumlageerfassung ist es, Kollisionen zwischen Raumfahrzeugen und Weltraumschrottzu verhindern. Sekundäre Ziele sind die Planung des Wiedereintritts außer Dienst gestellter oder stillgelegter Raumfahrzeuge und die Analyse der Fragmente, die durch Kollisionen, Explosionen in der Umlaufbahn oder feindselige Handlungen entstehen.

Weltraumlageerfassung liefert auch die grundlegenden Daten und Werkzeuge für Weltraumverkehrsmanagementsysteme. Sie verhindert nicht nur unerwünschte Interaktionen, sondern hilft auch bei der proaktiven Verwaltung der Umlaufbahnen kontrollierbarer Objekte.

Raumfahrtbehörden, Armeen und Satellitenbetreiber entwickeln Fähigkeiten zur Weltraumlageerfassung, um ihre weltraumgestützte Hardware zu schützen, die Funktionalität so lange wie möglich zu erhalten und zu verhindern, dass beim Wiedereintritt andere Raumfahrzeuge oder auch Menschen und Infrastrukturen am Boden beschädigt werden. Diese Unternehmen wollen nicht nur ihre bedeutenden Investitionen schützen, sondern auch die Wissenschafts-, Kommunikations- und Erdbeobachtungsfähigkeiten erhalten, die diese Ressourcen bieten, und die für alltäglichen Handel und die nationale Sicherheit von entscheidender Bedeutung sind.

Wie die Europäische Weltraumorganisation (ESA) berechnet hat, haben Regierungen und Unternehmen mehr als 21.600 Satelliten in die Erdumlaufbahn gebracht, seit die Sowjetunion 1957 Sputnik gestartet hat, von denen 2025 mehr als 14.200 noch in Betrieb sind. Zur Umlaufbahn gehören 54.000 Objekte, darunter Startausrüstung und Schrott von mehr als 650 Kollisionen, die länger als zehn Zentimeter sind, sowie Millionen kleinerer Fragmente. 

Anzahl der Schrottteile mit einer niedrigen Erdumlaufbahn nach Größe angeordnet

Obwohl der erdnahe Weltraum riesig ist, ist die Wahrscheinlichkeit einer Kollision statistisch signifikant, da sich Objekte in der Umlaufbahn mit sehr hoher Geschwindigkeit auf unterschiedlichen Bahnen bewegen und viele Satelliten dieselben Bereiche über der Erdoberfläche passieren oder überqueren müssen. Die Bedeutung von Weltraumlageerfassung für Vorgänge im Weltraum, die Wirtschaft und die Politik ist aufgrund der fast exponentiellen Zunahme von verfolgbaren Objekten, der wachsenden Abhängigkeit von weltraumgestützter Kommunikation und Beobachtung, ihrer strategischen Rolle für nationale Sicherheiten und des verbesserten Zugangs zum Weltraum durch nicht verbündete Regierungen gewachsen. 

Grundlage der Weltraumlageerfassung ist die computergestützte Orbitalmechanik, die sowohl klassische als auch Relativitätsphysik nutzt, um die Auswirkungen der Schwerkraft auf Umlaufbahnen vorauszusagen. Gravitationskräfte von Sonne, Erde und Mond spielen bei diesen Berechnungen die wichtigste Rolle.

Um Weltraumobjekte korrekt zu verfolgen und vorauszusagen, müssen Weltraumlageerfassungssysteme drei Komponenten in ihre Berechnungen aufnehmen.

1. Charakterisierung von Weltraumobjekten

Die erste Komponente von Weltraumlageerfassung ist die Charakterisierung von Objekten in der Umlaufbahn. Weltraumlageerfassungssysteme verwenden bodengestützte Radare und optische Teleskope, die zusammen als Weltraumüberwachung und -bahnverfolgung bezeichnet werden, um diese Daten zu sammeln. Verfolgungssysteme verwenden die Lage und Geschwindigkeit eines Objekts, um seine Masse zu bestimmen. Sie verwenden auch interne und externe Quellen, um das Objekt zu identifizieren und verfügbare geometrische oder operative Komponenten zu katalogisieren.

Die Verfolgung von Weltraumobjekten ist keine einmalige Aufgabe. Viele Objekte können ihre Flugbahn ändern, und kleine Kräfte wie Widerstand und Druck durch Weltraumwetter können unvoraussehbar die Umlaufbahn verändern. Neben künstlichen Objekten verfolgen Weltraumlageerfassungssysteme auch erdnahe Asteroiden.

2. Verfolgung oder Voraussage von Weltraumschrott

Das Verständnis von Weltraumschrott ist die zweite Komponente von Weltraumlageerfassung. Explosionen, mechanische Fehler an Raumfahrzeugen sowie Kollisionen zwischen Objekten können Schrott erzeugen. Da die durch diese Ereignisse verursachte Fragmentierung kleine Teile erzeugt, die sich in verschiedene Richtungen bewegen, erfassen fortschrittliche Weltraumlageerfassungssysteme die Eigenschaften von Weltraumschrott und prognostizieren, wie Trümmerfelder bei tatsächlichen oder potenziellen Kollisionen aussehen. 

3. Die Auswirkungen von Weltraumwetter

Die dritte Komponente von Weltraumlageerfassung ist die Berücksichtigung des Weltraumwetters. Sonnenstürme erzeugen Strahlung, die Störungen verursachen und Satellitenbahnen stören kann. Während eines solchen Ereignisses können geladene Partikel die Dichte der oberen Erdatmosphäre auf eine Weise beeinflussen, die einen Widerstand auf Satelliten ausüben, der sich auf die Umlaufbahnen auswirken kann. Weltraumlageerfassung-Implementierungen müssen ständig Sonnenstrahlung berücksichtigen und die Auswirkungen von Weltraumwetter in ihren Berechnungen vorhersagen.

Andere Faktoren, die Einfluss auf Weltraumlageerfassung haben

Ein weiterer Faktor, der Verfolgung und Voraussagen im Rahmen der Weltraumlageerfassung beeinflusst, ist der Widerstand der Erdatmosphäre (auch wenn sie in den Umlaufbahnen sehr dünn ist) auf Raumfahrzeuge im erdnahen Weltraum, insbesondere in niedriger Erdumlaufbahn. Widerstand ist auch ein wichtiger Faktor bei der Berechnung von Wiedereintritten.

Ähnlich wie die durch Sonnenstrahlung wirkenden Kräfte verursachen auch rückgestrahlte Wärme und sichtbares Licht von der Erde (Albedo) Störungen der Bewegung von Raumfahrzeugen, die sich ändern, wenn das Objekt seine Position relativ zu Sonne und Erde ändert.

Ein weiterer Aspekt ist das Versagen der Ausrichtungssysteme von Satelliten, die normalerweise eine Reihe von Gyroskopen enthalten. Die Ausrichtung eines Raumfahrzeugs relativ zu Sonne und Erde ist wichtig, da sie beeinflussen kann, wie viel Strahlungsdruck und Widerstand auf das Objekt wirken. 

Die Einrichtung und Erhaltung eines Weltraumlageerfassungssystems ist ein bedeutendes Unterfangen. Bisher haben Regierungsbehörden die meisten Weltraumlageerfassungssysteme implementiert. Die Vereinigten Staaten unterhalten mehrere Weltraumlageerfassungssysteme über das US-Verteidigungsministerium, die US Space Force, die US Air Force und die National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) für kommerzielle Bestrebungen, wobei das Space Surveillance Network (SSN) als primäres System dient.

Die Europäische Weltraumorganisation (ESA) ist der Hauptverwalter des europäischen Programms für Weltraumsicherheit. Andere Länder verfügen über ähnliche Systeme, um ihre Weltraumaktivitäten zu unterstützen, oder kooperieren mit einem der größeren Systeme. Mit dem Wachstum der kommerziellen Raumfahrt sind derzeit mehrere kommerzielle Weltraumlageerfassungs-Lösungen verfügbar oder in Entwicklung.

Hier sind einige der häufigsten Herausforderungen, denen sich diese Teams bei der Aufrechterhaltung der Weltraumlageerfassung gegenübersehen.

Mehr und kleinere Raumfahrzeuge

Die Revolution der Kleinsatelliten in Verbindung mit den geringeren Startkosten hat zu einem massiven Anstieg der Zahl von Raumfahrzeugen geführt. Diese kleineren Objekte sind aufgrund ihrer Größe und ihrer schieren Anzahl schwieriger zu verfolgen.

Wettbewerb um die beste Umlaufbahn

Satelliten sind nicht gleichmäßig um die Erde verteilt. Um an einem relativ zur Erdoberfläche festen Ort zu bleiben, müssen Satelliten im Erdsynchronorbit dieselbe Höhe teilen. Darüber hinaus möchten viele Betreiber ihre Raumfahrzeuge über denselben Regionen positionieren. Aus diesem Grund ist der Erdsynchronorbit ein zunehmend überfüllter Ort. Satelliten in einer niedrigen Erdumlaufbahn haben das gleiche Problem, da viele Missionen versuchen, Signale von denselben Orten zu beobachten oder zu empfangen.

Kostengünstige und genaue Beobachtung

Der Bau und die Wartung von Weltraumüberwachungsnetzwerken sind teuer, da sie die neueste optische und Radarsensorik erfordern. Mit zunehmender Komplexität der Situation in der Erdumlaufbahn steigen auch die Kosten für diese Systeme.

Datenverwaltung und -speicherung

Die Menge an Daten, die für jedes Objekt im Weltraum erfasst wird, ist erheblich. Dies liegt nicht nur an der Zunahme der Raumfahrzeuge und der Menge an Schrott, sondern auch daran, dass die Daten aus der Weltraumlageerfassung viele Jahre der Beobachtung umfassen.

Visualisierung

Eine wachsende Herausforderung besteht darin, Daten aus der Weltraumlageerfassung auf informative und umsetzbare Weise darzustellen. Der Weltraum, der zur Weltraumlageerfassung überwacht wird, ist riesig, erstreckt sich in alle Dimensionen und deckt eine wachsende Anzahl von Objekten ab.

Voraussage

Weltraumlageerfassungssysteme müssen zukünftige Umlaufbahnen voraussagen, potenzielle Bedrohungen erkennen und Weltraumschrott modellieren, wenn ein Kollisionsereignis eintritt. Techniker*innen nutzen Weltraumlageerfassungssysteme auch, um den Wiedereintritt in die Erdatmosphäre zu planen oder stillgelegte Raumfahrzeuge in stabile Umlaufbahnen zu verlagern. 

Organisationen, die an Weltraumlageerfassung beteiligt sind, verfügen über mehrere Tools, um die Herausforderungen zu bewältigen, denen sie gegenüberstehen.

Politik und Strategie

Menschliche Lösungen für Weltraumlageerfassung drehen sich um Politik und Strategie. Es gibt viele internationale Normen, denen die meisten weltraumfähigen Nationen grundsätzlich zustimmen. Dazu gehören der Weltraumvertrag von 1967, das Haftungsübereinkommen von 1972 und das Weltraumregistrierungsübereinkommen von 1976.

In jüngerer Zeit haben Gruppen Leitlinien und Strategien gefördert, die die Mitgliedstaaten zur Zusammenarbeit und zu verantwortungsbewusstem Handeln auffordern. Diese Vereinbarungen fördern:

• Begrenzung von Schrott
• Minimierung der Zersplitterung in der Umlaufbahn
• Raumfahrzeuge am Ende ihrer Mission aus der Umlaufbahn zu bewegen
• Implementierung von Kollisionsvermeidungstechnologie
• Vermeidung der absichtlichen Zerstörung von Objekten im Weltraum

Software und Hardware

Die technischen Lösungen bestehen aus robusten Software- und Hardwaresystemen, die Informationen sammeln, Werkzeuge für das Weltraumverkehrsmanagement implementieren und Lösungen für die Lage in der Dimension Weltraum (Space Domain Awareness, SDA) zur Unterstützung nationaler Sicherheitsfragen einsetzen.

Hardwarelösungen nutzen fortschrittliche Rechenleistung, einschließlich Hochgeschwindigkeitsspeicher, GPUs und Cloud-Computing, um die enormen Mengen an Daten und Berechnungen zu bewältigen. Hardware unterstützt auch die Sensoren, die in Tracking-Systemen verwendet werden. Fortschritte bei optischen Sensoren und Radarsystemen in der Umlaufbahn und am Boden machen Fortschritte bei der Bereitstellung genauerer und zeitnaher Informationen. Techniker*innen verwenden Tools wie die Software Ansys HFSS, um effektivere Antennen zu entwickeln, und die Software Ansys Zemax OpticStudio, um die Kameraleistung zu verbessern.

Auf der Softwareseite des Toolsets liegt der Schlüssel zur Bewältigung der Herausforderungen der Weltraumlageerfassung darin, eine robuste und flexible Plattform zu haben, auf der Software für Weltraumlageerfassungssysteme entwickelt werden kann. Lösungen wie die Software Ansys Systems Tool Kit (STK) bieten eine physikalische Grundlage, die das Verhalten von Objekten und Schrott im Weltraum präzise modelliert und effizient voraussagt. Alternativ kann eine Plattform wie die Software Ansys Orbit Determination Tool Kit (ODTK) helfen, das zukünftige Verhalten von Raumfahrzeugen anhand von Verfolgungsdaten vorauszusagen. Mit einer flexiblen und leistungsstarken Plattform, auf der alle mit Weltraumlageerfassung befassten Teams aufbauen können, kann eine Softwarelösung entwickelt werden, die auf die spezifischen Anforderungen des jeweiligen Teams zugeschnitten ist. 

Die Anzahl der Gegenstände in der Erdumlaufbahn – von Startobjekten und Schrott – wird weiter zunehmen, wenn sich Menschen über die Erde hinaus in den cis-lunaren Raum und darüber hinaus ausbreiten. Jahrzehntelange Erfahrung mit Weltraumlageerfassung hat der Luft- und Raumfahrtindustrie Lehren und bewährte Verfahren an die Hand gegeben, um unsere zukünftige Weltraumumgebung sicherer zu machen.

1. Befolgen Sie die Regeln

Der erste Schritt bei der Weltraumlageerfassung besteht darin, dass die Entwickler und Betreiber von Raumfahrzeugen etablierte Richtlinien und Vorgaben für die Koexistenz in der Umlaufbahn befolgen.

2. Investieren Sie in Verfolgungstechnologie und teilen Sie Daten

Da qualitativ hochwertige Ergebnisse von qualitativ hochwertigen Eingaben bestimmt werden, hängt die Aufrechterhaltung der Weltraumlageerfassung stark von der Genauigkeit und Aktualität der Verfolgungsdaten ab. Das Teilen von Daten erhöht auch die Fähigkeiten von Weltraumlageerfassungssystemen.

3. Nutzen Sie Verbesserungen bei den Rechenfunktionen

Die Verwaltung der erheblichen Datenmenge, die durch die Weltraumüberwachung erzeugt wird, erfordert höhere Geschwindigkeiten und Fähigkeiten der Computerhardware sowie algorithmische Verbesserungen. Die statistischen Fähigkeiten von Quanteninformatik haben das Potenzial, Weltraumlageerfassung zu revolutionieren.

4. Setzen Sie Fortschritte bei Daten und prädiktiver Analyse um

Letztendlich konzentriert sich die Weltraumlageerfassung auf prädiktive Datenanalysen, die auf physikalischer Modellierung beruhen. Betreiber können die Weltraumlageerfassung durch Fortschritte in der Standard-Datenanalyse sowie im maschinellen Lernen (ML) und in der künstlichen Intelligenz (KI) verbessern.

5. Erstellen Sie hochgenaue digitale Darstellungen auf Grundlage von Physik

Die eigentliche Stärke der Weltraumlageerfassung bei der Voraussage und Vermeidung potenzieller Bedrohungen liegt in der Nutzung von Digital Mission Engineering (DME), das auf hochgenauen digitalen Darstellungen der Umgebung der Erde basiert. Dazu gehören die Schlüsselkomponenten von Raumfahrzeugen, Schrott und Weltraumwetter sowie alle anderen Faktoren, die die Position eines Objekts im Orbit im Zeitverlauf beeinflussen. 

Zugehörige Ressourcen