Lexikon der Fernerkundung

GRACE-FO

Engl. Akronym für Gravity Recovery and Climate Experiment-Follow-On; Folgemission eines Satellitentandems zur im Oktober 2017 beendeten GRACE Mission mit dem Ziel der Generierung hochauflösender Modelle des statischen und zeitvariablen Erdschwerefeldes. Der Start erfolgte am 22. Mai 2018 mit einer Falcon-9-Rakete der Firma SpaceX. An Bord waren außerdem fünf Satelliten für das Kommunikationsnetz Iridium. Die geplante Missionsdauer von GRACE-FO beträgt zunächst fünf Jahre.

GRACE-FO wird im Prinzip die gleiche Technik nutzen wie die GRACE Mission - sorgfältige Messung der Abstandes zwischen zwei im gleichen Orbit hintereinander fliegenden Zwillingssatelliten mittels Mikrowellen-Funkstrecke. Damit werden Auflösungen im μm-Bereich (millionstel Meter) erreicht. Zusätzlich trägt jeder Satellit einen geodätischen GNSS-Empfänger, einen Laser Retro-Reflektor (LRR) und ein hochgenaues Akzelerometer zur genauen Bahnbestimmung. Zusätzlich wird ein Laser zur Abstandsmessung eingesetzt.

Die beiden rund zwei mal drei Meter großen Satelliten fliegen in 490 km Höhe in einem Abstand von 220 km hintereinander her und umkreisen die Erde auf einer polaren Umlaufbahn innerhalb von 90 min. Überfliegt der vorausfliegende GRACE-Satellit eine Region mit erhöhter Schwerkraft, so wird er davon ein wenig stärker angezogen als der ihm nachfolgende Satellit. Dadurch ändert sich ihr nomineller Abstand minimal, eben aufgrund unterschiedlicher Massenverteilungen auf der Erde. Aus der fortlaufenden Messung ihres Abstandes lässt sich dann das lokale Schwerefeld berechnen. Die Unterschiede können durch Berge, Grundwasser, Gletscher u.v.m. verursacht werden. Durch die Messung von Änderungen dieser Masseverteilung über einen längeren Zeitraum können z.B. Aussagen über Klimaänderungen oder Änderungen der Grundwasservorräte gemacht werden. Außerdem erstellt jeder der beiden Satelliten täglich bis zu 200 Profile der Temperaturverteilung und des Wasserdampfgehalts in der Atmosphäre und der Ionosphäre zur Verbesserung der Wettervorhersage.

Ground Sampling Distance GRACE-FO

Ein vereinfachtes Beispiel dafür, wie sich der Abstand zwischen den GRACE-FO-Satelliten ändert, wenn sie von der Karibik über Kolumbien und Peru (die eine größere Masse als die Ozeane haben) zum Pazifik fliegen.

Tafel 1: Wenn sich beide Satelliten über dem Ozean befinden, ist der Abstand zwischen ihnen relativ konstant.

Tafel 2: Wenn die vordere Sonde auf Land trifft, wird sie durch die höhere Schwerkraft des Landes von der hinteren Sonde weggezogen, die sich noch über dem Wasser befindet.

Tafel 3: Sobald der zweite Satellit ebenfalls auf das Land trifft, wird auch er in Richtung der höheren Masse und damit in Richtung der führenden Sonde gezogen. Während sich die führende Sonde an der dichteren Landmasse vorbeibewegt, wird sie durch die höhere Schwerkraft des Landes leicht zurückgezogen.

Tafel 4: Wenn sich beide Raumfahrzeuge wieder über dem Wasser befinden, wird das nachfolgende Raumfahrzeug durch das Land abgebremst, bevor es wieder seinen ursprünglichen Abstand hinter dem führenden Raumfahrzeug einnimmt.

Quelle: NASA

Die wesentlichen Missionsziele sind:

  1. Die Weiterführung der Datenerfassung zur genauen Bestimmung des Erdschwerefeldes und dessen Veränderungen (Primärziel).
    Dementsprechend soll GRACE-FO, präzise globale und hochauflösende Modelle des statischen und zeitvariablen Erdschwerefeldes bestimmen. Wie in der GRACE-Mission, basiert dies auf hochgenauen Beobachtungen des Abstandes zwischen den beiden Zwillingssatelliten, die auf einem koplanaren, niedrigen und polaren Orbit fliegen, mit Hilfe eines K/Ka-Band Mikrowelleninstruments.
  2. Die erstmalige Erprobung eines Laser-Ranging-Instruments (LRI) zur laserbasierten Abstandsmessung zwischen zwei Satelliten im Weltall (Sekundärziel).
    Das Laser Ranging Interferometer wird wie das K/Ka-Band Instrument, allerdings wesentlich genauer, die Abstandsänderungen zwischen den beiden Satelliten vermessen und dient damit der Vorbereitung zukünftiger GRACE-ähnlicher Missionen. Die Messgenauigkeit erhöht sich weil die Wellenlänge des Laserlichts kleiner als die der Mikrowellenstrahlung ist. Die Genauigkeit der Lasermessung wird so 20-mal besser sein als die per Mikrowellen.
    Ein weiteres untergeordnetes Ziel ist die Fortsetzung der GRACE Radiookkultationsmessungen.

Die auf fünf Jahre angelegte und rund 440 Millionen Euro teure Mission wird unter der Leitung der NASA Earth Science Division (ESD) innerhalb des NASA Science Mission Directorate (SMD) und des Earth Systematic Missions Program Office am Goddard Space Flight Center (GSFC) durchgeführt. Dem Jet Propulsion Laboratory (JPL) wurde dabei die Verantwortung für die Realisierung des GRACE-FO Projekts übertragen.

Daneben besitzt die GRACE-FO Mission signifikante deutsche Beiträge, die vom Deutschen GeoForschungsZentrum (GFZ) geleitet werden. Diese werden gemeinsam finanziert durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF), das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi), die Helmholtz-Gemeinschaft (HGF), das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) (Beistellungen zum LRI) und das Deutsche GeoForschungsZentrum (GFZ). Deutschland trägt rund 78 Millionen Euro der Kosten.

Im Auftrag des Jet Propulsion Laboratory der NASA wurden die beiden je 655 Kilogramm schweren GRACE-FO-Satelliten erneut von Airbus D&S in Immenstaad am Bodensee gebaut. Der Missionsbetrieb erfolgt durch das Raumfahrtkontrollzentrum des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR/GSOC) im Auftrag des GFZ.

Weitere Informationen:

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