Die U-2 (Spitzname Dragon Lady) ist ein einstrahliges, für den Einsatz in großen Höhen ausgelegtes, strategisches Aufklärungsflugzeug des US-amerikanischen Herstellers Lockheed. Es wird von der United States Air Force (USAF) betrieben und zuvor von der Central Intelligence Agency (CIA). Auch die NASA nutzt die U-2 zu zivilen Einsatzzwecken. Die U-2 vermag zu jeder Tageszeit Informationen aus einer Höhe von bis zu 21.000 m zu liefern. Anfänglich galt die U-2 als nicht erfassbar für das sowjetische Radar und unerreichbar für bodengestützte Flugabwehr wie auch für Jagdflugzeuge.
Das Konstruktionsprinzip der U-2 beruhte durch die Verwendung von Tragflächen mit sehr großer Streckung auf einem Gleiter. Es bestand großenteils aus Aluminium und war sehr leicht. Seine Flügelspannweite betrug anfänglich 21 m bei einer Länge von nur 13,5 m. Als Treibstoff diente ein neuartiges Kerosin für geringen Luftdruck.
Das erste einsatzfähige Flugzeug startete am 20. Juni 1956 von der Bundesrepublik Deutschland aus. Gewöhnlich wurde die U-2 von den USA und Taiwan aus eingesetzt. Während des Kalten Krieges überflog die U-2 bei ihren Einsätzen vor allem die Sowjetunion, die VR China, Vietnam und Kuba. Später wurden U-2 auch in den Konflikten mit Afghanistan und Irak eingesetzt, und sie unterstützten mehrere multinationale NATO-Missionen. Die U-2 wurde auch zur Erforschung von elektronischen Sensoren eingesetzt, zur Satellitenkalibrierung, zu wissenschaftlichen Forschungen sowie für Kommunikationszwecke.
Die Aufklärungsausrüstung bestand ursprünglich aus zwei hochauflösenden Panoramakameras und wurde im Verlauf der Zeit um weitere Instrumente (elektronische Sensoren, GPS usw.) ergänzt. Die U-2 gehört wie die B-52 zu jener Handvoll Flugzeugen, die der USAF seit über 50 Jahren dienen, allerdings mit wiederholt modifizierter Größe und Ausstattung. Die neuesten Modelle (TR-1, U-2R, U-2S) wurden in den 1980er Jahren in Dienst gestellt, wobei die U-2S im Jahr 2012 ein weiteres technisches Upgrade erhielt.
Ursprünglich mit einer Betriebsdauer von nur zwei Jahren geplant, wurde die U-2 in jedem späteren amerikanischen Krieg eingesetzt, und gleichzeitig zeigte sie als nichtmilitärisches Flugzeug eine bemerkenswerte Vielseitigkeit. Ausgestattet mit einer Vielzahl von Sensoren hat sich die U-2 zu einer High-Tech-Plattform der NASA für die Durchführung von Physikexperimenten und zu einem Höhenflugzeug zur Verfolgung der Wanderung von zerstörerischen Fichtenborkenkäfern durch die Wälder Alaskas entwickelt.
Heute werden U-2s als Abhörgeräte aus der Luft eingesetzt; U-2s untersuchen Bodenmuster auf Anzeichen von behelfsmäßigen Minen und Sprengfallen im Irak und in Afghanistan und so sind diese dynamischen Höhenflugzeuge heute genauso effektiv wie vor fast 60 Jahren.
Im Januar 2018 hatte der Haushalt der U.S. Air Force für 2018 den Ruhestand der U-2 auf unbestimmte Zeit verschoben. Zudem sind größere Investitionen in die Aufklärungstechnik geplant. Lockheed Martin legte dazu im März 2018 ein Angebot vor, um die Maschinen zu überholen. Im Februar 2020 legte die U.S. Air Force Haushaltsdokumente vor, die darauf hindeuteten, dass sie 2025 mit der Außerdienststellung der U-2 beginnen könnte.
U2 "Dragon Lady"
Neuere Version von 2014
Die U-2 ist ein amerikanisches einstrahliges, ultrahoch fliegendes Aufklärungsflugzeug, das von der US-Luftwaffe (USAF) betrieben und zuvor von der CIA geflogen wurde.
Es ermöglicht Tag und Nacht sowie in großer Höhe (21.000 m), Allwetteraufklärung.
Das Programm erlitt über die Jahre einige Verluste, deren bekanntester der Abschuss der U-2 des Piloten Gary Powers durch eine Boden-Luft-Rakete SA-2 über Swerdlowsk war.
Engl. Akronym für Upper Atmosphere Research Satellite; gemeinsame, 1991 gestartete amerikanisch-kanadisch-britische Mission zur Erforschung der Chemie von Stratosphäre, Meso- und Thermosphäre sowie zur Erforschung der Atmosphärendynamik und der atmosphärischen Wasser- und Energiezyklen. Der Satellit bewegt sich auf einer nicht-sonnensynchronen Umlaufbahn in einer Höhe von 585 km bei einer Inklination von 57° und einer Umlaufzeit von 95,9 min.
UARS wurde offiziell am 14. Dezember 2005 außer Betrieb genommen. Die meisten von UARS durchgeführten Messungen zur Zusammensetzung der Atmosphäre werden mit EOS Aura fortgesetzt und die zur Sonneneinstrahlung vom SatellitenSORCE.
UARS trat am 24. September 2011 zwischen 5:23 und 7:09 CEST in die Erdatmosphäre ein. Daten weisen daraufhin, dass der 5,6 Tonnen schwere Satellit wahrscheinlich auseinanderbrach und in den Pazifik stürzte. Personen- oder Sachschäden wurden bisher nicht gemeldet. Als UARS entwickelt, gebaut und gestartet wurde, gab es bei der NASA noch keine Kriterien zur Einschätzung des Risikos von Personenschäden beim Wiedereintritt. Heute sind ESA und viele andere Mitglieder des Inter-Agency Debris Coordination Committee (IADC) bemüht, das Risiko eines Personenschadens beim Wiedereintritt auf unter 1:10.000 zu begrenzen.
Engl. supervised classification, franz. classification supervisée; in der Fernerkundung und der digitalen Bildverarbeitung die Bildung von Objektklassen mit ihren spektralen Merkmalen nach vorgegebenen Entscheidungsregeln. Bei der überwachten Klassifikation müssen vorab die Landbedeckungsklassen anhand von Signaturkurven bestimmt sein. Diese Definition bzw. Festlegung erfolgt "überwacht", d. h. die Identifikation der Bildelemente und ihre Zuordnung zu Objektklassen erfolgt nach der Ähnlichkeit zu Trainingsgebieten ( Referenzflächen), von denen bekannt ist, welcher Objektklasse sie angehören. Die Signaturkurven dieser Trainingsgebiete werden als charakteristisch für den betreffenden Oberflächentyp in der vorliegenden Szene angesehen. Sie definieren dann die gesuchten Musterklassen oder Reflexionsklassen.
Anhand von ‘ground truth’ Information und / oder aufgrund von Geländekenntnis werden diese Trainingsgebiete als homogene Vorkommen von Landnutzungs- oder Vegetationseinheiten bestimmt. Es ist wichtig, dass die im Bild vorhandenen Objekte durch diese Trainingsgebiete möglichst komplett erfasst werden, um Unterscheidungskriterien festzulegen.
Aus der statistischen Analyse dieser ‘Proben’ werden spektrale Signaturen abgeleitet und der Rest eines Bildes auf ‘Ähnlichkeiten’ gegenüber diesen Signaturen hin untersucht und klassifiziert. Dabei wird den Pixelvektoren mittels spezieller Algorithmen zur Mustererkennung eine thematische Bedeutung zugewiesen.
Im Anschluss an die Bestimmung von Trainingsgebieten bzw. von Landbedeckungen erfolgt im zweiten Schritt eine Zuordnung der Pixel der Gesamtszene zu den ermittelten Musterklassen oder Reflexionsklassen. Für diese Zuweisung bestehen mehrere Methoden:
Ungeachtet der eingesetzten Methode zur Mustererkennung (Klassifikationsalgorithmus) sind dabei die folgenden Arbeitsschritte zu beachten:
Festlegung von Anzahl und Art der thematischen Klassen. Dabei handelt es sich um Informationsklassen (z.B. Gewässer, Bebauung, Nutzpflanzen, Grünland, Wald ...)
Auswahl repräsentativer Pixel für jede der gewünschten Klassen mittels extern definierter Trainingsareale. Diese können über unterschiedliche Erhebungsverfahren festgelegt werden (Geländeerhebungen, Luftbildauswertung, Karten ...)
Schätzung von Parametern zur Beschreibung der Klassen (abhängig vom jeweiligen Algorithmus zur Mustererkennung)
Bestimmung der Klassenzugehörigkeit eines jeden Pixels mit Hilfe spezieller Verfahren zur Mustererkennung
Überprüfung der Klassifizierungsergebnisse
Überwachte Klassifizierungsverfahren gehören zu den am häufigsten eingesetzen Methoden zur thematischen Interpretation von Fernerkundungsdaten.
1. Umweltmonitoring: Kontinuierliche oder regelmäßige standardisierte Messung oder Beobachtung von Kenngrößen in der Umwelt, die der Warnung oder Kontrolle dienen. Wesentliches Ziel ist es, Schäden auf die Gesundheit des Menschen und Schädigungen der Tier- und Pflanzenwelt frühzeitig zu erkennen und abzuwehren.
3. Infrastrukturüberwachung: Überwachung von (kritischer) Infrastruktur u.a. in den Bereichen Energie- und Wasserversorgung, Kommunikation, Verkehr.
2. Militärisch-nachrichtendienstliche Überwachung: Engl./franz. surveillance; die ständige Kontrolle (Monitoring) eines Gebietes oder einer Aktivität. Da Spionagesatelliten und Satellitenkonstellationen, deren Umlaufbahnen und die damit verbundene Kommunikation immer ausgeklügelter werden, ist eine Überwachung von vielen geheimdienstlich interessanten Zielen rund um die Uhr möglich.
Engl. Akronym für UKDisaster Monitoring Constellation; Mission des BNSC mit einem bildgebenden Sensor mittlerer Auflösung zur Unterstützung von Katastrophenmanagement. Der Satellit fliegt in einer Höhe von 785 km bei einer Inklination von 98,2°. Die Mission dauerte von 2003 bis 2011.
Die Nachfolgemission UK-DMC2 startete 2009 und war auf 5 Betriebsjahre ausgelegt, ist aber Ende 2020 noch immer operationell. UK-DMC2 basiert auf der SSTL-100-Satellitenplattform. Der Satellit liefert hochaufgelöste (22 m) Bilder aus einer sonnensynchronen Umlaufbahn über sehr große Gebiete mit einem täglichen Überflug globaler Ziele. Der UK-DMC2-Satellit trägt ein multispektrales optisches Instrument mit einer räumlichen Auflösung von 22 m mit drei Spektralbändern (rot, grün, NIR) und einer breiten Schwadbreite von mehr als 600 km. UK-DMC2 arbeitet innerhalb der Disaster Monitoring Constellation, der ersten Erdbeobachtungskonstellation von kostengünstigen Kleinsatelliten, die täglich Bilder für Anwendungen wie die globale Katastrophenüberwachung liefern.
Engl. Akronym für UKSpace Agency; die seit 2010 als Ablösung des BNSC bestehende staatliche britische Raumfahrtagentur. Sie übernahm dessen Verantwortung für die Strategie im Weltraum und vertritt das Vereinigte Königreich in allen Bereichen für Weltraumfragen. Ebenfalls soll sie alle britischen, zivilen Weltraumaktivitäten unter der Aufsicht einer einzigen Behörde stellen.
Vor der Gründung der UK Space Agency besaß die Satelliten- und Weltraumindustrie einen Wert von 6 Milliarden Pfund und hatte 68.000 Arbeitsplätze. Das Ziel der Behörde ist es, dass diese Industrie im Jahr 2030 einen Wert von 40 Milliarden Pfund besitzt, 100.000 Arbeitsplätze liefert und mindestens 10 % der Weltraumprodukte auf der Erde produziert (aktuell 6 %). Diese Pläne stammen von der "Space Innovation and Growth Strategy" (Space-IGS).
Ein Teil der UK Space Agency wird das 40 Millionen Pfund teure "International Space Innovation Centre" (ISIC), welches in Harwell, Oxford, in der Nähe eines Forschungsinstitut der European Space Agency gebaut werden soll. Einige der Aufgaben ist es, den Klimawandel zu beobachten und die Sicherheit von Weltraumsystemen zu überprüfen. 24 Millionen der Baukosten übernimmt die Regierung, und den Rest übernimmt die Weltraumindustrie (16 Million Pfund). Es wird über 5 Jahre 700 Personen beschäftigen.
Die UK Space Agency übernimmt folgende Aufgaben anderer Behörden:
Die vollständige Verantwortung und das gesamte Personal des British National Space Centre wird übernommen.
Den Beitrag für die European Space Agency für Natural Environment Research Council, Science and Technology Facilities Council and Technology Strategy Board, inklusive Projektzuschüsse und Startvorbereitungen.
Die britischen Teil des Global Monitoring for Environment and Security und von Galileo
Die finanziellen Teil des European Union Satellite Centre
Finanzierung von Weltraumtechnologien und Besetzungen des Research Councils UK and Technology Strategy Board
Passive optische Fernerkundung entweder mit Hilfe von photographischen Aufnahmesystemen oder optischen Scannern mit Filtern im ultravioletten Bereich der Strahlung. Sie dient u.a. zur Aufdeckung von Ölverschmutzungen im Wasser oder bestimmten Aufgaben bei der Erkundung der Atmosphäre.
Engl. ultraviolet radiation; franz. rayonnementultraviolet; der Energiebereich direkt jenseits des violetten Endes des sichtbares Lichtes, Wellenbereich von ~0,01 µm - ~0,40 µm.
DIN 18716 definiert: "optische Strahlung, deren Wellenlänge kleiner als die der sichtbaren Strahlung ist".
Für die meisten Zwecke hat der ultraviolette oder UV-Anteil des Spektrums die kürzesten Wellenlängen, die für Fernerkundungsanwendungen geeeignet sind. Diese Strahlung ist gerade jenseits des violetten Anteils der Wellenlängen im sichtbaren Bereich, daher der Name.
Bestimmte Materialien an der Erdoberfläche, vor allem Gesteine und Mineralien, fluoreszieren oder senden sichtbares Licht aus, wenn sie durch UV-Strahlung angestrahlt werden.
Ultraviolette Strahlung
Für die meisten Zwecke hat der ultraviolette oder UV-Anteil des Spektrums die kürzesten Wellenlängen, die für Fernerkundungsanwendungen geeeignet sind.
Diese Strahlung ist gerade jenseits des violetten Anteils der Wellenlängen im sichtbaren Bereich, daher der Name.
Gemeinsame Mission von ESA und NASA zur Erforschung des Weltraums im Bereich unter und über den Polen der Sonne. Die Sonde wurde von Dornier/Astrium gebaut, die NASA brachte ihn 1990 ins All ( Space ShuttleDiscovery und Bahnfindungsmodul für die Nutzlast) und lieferte auch das Modul für die Energieversorgung, die Leitung der Mission obliegt der ESA in Kooperation mit dem JPL.
Ulysses fliegt nicht in der Ebene der Planeten, sondern in einer stark geneigten Bahn über den Südpol der Sonne. Dies wurde dadurch erreicht, dass die Sonde bei einem Jupitervorbeiflug geplant aus der Ekliptik geschleudert wurde. Im Jahr 2004 befand sich Ulysses auf ihrem dritten Sonnenumlauf. Die Mission endete am 30. Juni 2009 und hält damals den Rekord für die längste operative Weltraummission der ESA mit einer Dauer von 18 Jahren und 246 Tagen.
Ulysses nach dem Verlassen des Space Shuttle
Im Bild erkennbar ist in der linken Hälfte des Flugkörpers die eigentliche Nutzlast, rechts davon das Antriebsmodul. Im rechten unteren Bildeck schwebt das Space Shuttle Discovery mit geöffneter Ladeluke.
Ulysses (engl.) wurde nach dem Helden Odysseus aus der griechischen Mythologie benannt. Im 26. Gesang des Inferno, beschreibt Dante die letzte Reise von Odysseus. Auf dieser gefahrvollen Fahrt macht er seinen wankelmütigen getreuen Mut, indem er ihnen von einer Reise in die unbewohnte Welt hinter der Sonne erzählt, genau das Ziel der namensgleichen ESA-Mission.
Die Instrumente auf Ulysses vermögen Ionen und Elektronen in Sonnenwinden aufzuspüren und zu messen, ebenso Magnetfelder, Energieteilchen, natürliche Radio- und Plasmawellen, kosmischer Staub, interstellares Gas, solare Röntgenstrahlen und kosmische Gammastrahlenausbrüche. Diese Instrumentenkombination hilft Wissenschaftlern die Sonne und die Heliosphäre zu verstehen und vielleicht auch den Einfluss der Sonne auf die Erde und auf unser Klima. Die elektrische Energie für die Experimente stammt aus einem thermoelektrischen Generator, der aus einer radioaktiven Quelle gespeist wird.
Engl. lay over, franz. repliement; nach DIN 18716 die "Erscheinung, dass Geländeflächen im Bild zur [Radar-]Antenne hin umgeklappt wiedergegeben werden, wenn sie stärker geneigt sind als die Radarwellenfront".
Syn. Orbit, engl. orbit, franz. orbite; eine Umlaufbahn ist die gekrümmte Bahn, die ein Objekt im Weltraum (z. B. ein Stern, ein Planet, ein Mond, ein Asteroid oder ein Raumfahrzeug) aufgrund der Schwerkraft um ein anderes Objekt zieht.
Die Schwerkraft bewirkt, dass Objekte im Weltraum, die eine Masse haben, von anderen Objekten in der Nähe angezogen werden. Wenn diese Anziehung sie mit genügend Schwung zusammenbringt, können sie manchmal beginnen, sich gegenseitig zu umkreisen.
Objekte mit ähnlicher Masse umkreisen sich gegenseitig, wobei sich keines der beiden Objekte im Zentrum befindet, während kleine Objekte um größere Objekte kreisen. In unserem Sonnensystem umkreist der Mond die Erde und die Erde die Sonne, aber das bedeutet nicht, dass das größere Objekt völlig unbewegt bleibt. Aufgrund der Schwerkraft wird die Erde vom Mond leicht aus ihrem Zentrum herausgezogen (weshalb sich in unseren Ozeanen Gezeiten bilden) und unsere Sonne wird von der Erde und anderen Planeten leicht aus ihrem Zentrum herausgezogen.
Wenn Trägerraketen unsere menschengemachten Satelliten starten, bringen sie sie auf eine Umlaufbahn im Weltraum. Dort hält die Schwerkraft den Satelliten auf der gewünschten Bahn - so wie die Schwerkraft den Mond auf seiner Umlaufbahn um die Erde hält.
Einige Basics zu Satellitenumlaufbahnen
Die niedrigste praktikable Umlaufbahn für einen künstlichen Erdsatelliten liegt auf einer Höhe von ca. 160 km. Zum Vergleich: der natürliche Satellit der Erde, der Mond, umläuft die Erde mit einer mittleren Entfernung von 384.400 km.
Die Satellitenbahn lässt sich relativ zur Erde eindeutig festlegen. Die Bahnebene des Satelliten schneidet die Äquatorebene entlang einer Geraden durch den Erdmittelpunkt und den Knotenpunkt K. Der Neigungswinkel der Satellitenbahn gegenüber der Äquatorebene wird als Inklination i bezeichnet.
Die Geschwindigkeit eines Satelliten wird
durch die Umlaufbahn des Satelliten bestimmt.
Sie ist eng mit der Höhe des Satelliten verbunden.
Die Umlaufbahn eines Satelliten hängt nicht von seiner Masse ab
Alle Objekte mit der gleichen Geschwindigkeit (Geschwindigkeit und Richtung) an einem bestimmten Punkt im Weltraum folgen der gleichen Umlaufbahn.
Satelliten in Erdnähe bewegen sich schneller als solche in größeren Höhen
Die ISS bewegt sich von der Erde aus gesehen schneller als ein Navigationssatellit (z. B. Galileo)
Satelliten in niedrigen Erdumlaufbahnen (Hunderte von Kilometern über der Erde) bewegen sich schnell relativ zur Erde und vollenden eine Umlaufbahn in 1,5 bis 2 Stunden.
Satelliten in höheren Umlaufbahnen bewegen sich mit geringerer Geschwindigkeit als solche in niedrigeren Umlaufbahnen
Die Strecke, die sie in einer Umlaufbahn zurücklegen, ist länger.
Die Zeit, die ein Satellit für eine Umkreisung benötigt (die Umlaufzeit), nimmt mit der Höhe zu.
Nur in einer Höhe (36.000 km) können sich Satelliten mit der gleichen Geschwindigkeit wie die Erde drehen. Solche Satelliten werden als geosynchron bezeichnet.
Einmal in der Umlaufbahn, muss ein Satellit nicht wie ein Flugzeug ständig mit Energie versorgt werden, um in der Luft zu bleiben. Satelliten verwenden kleine Raketentriebwerke an Bord, um im Weltraum zu manövrieren.
Die Umlaufbahn eines Satelliten liegt immer in einer Ebene, die durch den Erdmittelpunkt verläuft.
Der Winkel zwischen dieser Ebene und der Äquatorebene wird als Neigung der Umlaufbahn bezeichnet.
Umlaufbahnhöhen
Ein perfekt ausgearbeitetes Diagramm mit den Umlaufbahnhöhen einiger wichtiger Satelliten. Alle dargestellten Distanzen sind maßstabsgetreu, die Höhendaten sind aus vielen Wikipediaartikeln und anderen Webseiten zusammengetragen.
Satelliten können in verschiedenen Arten von Umlaufbahnen um die Erde platziert werden. Die drei gebräuchlichen Klassen von Umlaufbahnen sind die erdnahe Umlaufbahn (ca. 160 bis 2.000 km über der Erde), die mittlere Umlaufbahn (ca. 2.000 bis 35.500 km über der Erde) und die hohe Umlaufbahn (über 35.500 km über der Erde). Satelliten, die in einer Höhe von 35.786 km kreisen, befinden sich in einer Höhe, in der ihre Umlaufgeschwindigkeit mit der Rotation der Erde übereinstimmt, und befinden sich in einer so genannten geosynchronen Umlaufbahn (GSO). Ein Satellit, der sich in der GSO-Bahn direkt über dem Äquator befindet, hat eine geostationäre Umlaufbahn. Eine geostationäre Umlaufbahn ermöglicht es einem Satelliten, seine Position direkt über derselben Stelle der Erdoberfläche beizubehalten. (NASA Catalog of Earth Satellite Orbits)
Die Höhe der Umlaufbahn bzw. der Abstand zwischen dem Satelliten und der Erdoberfläche bestimmt, wie schnell sich der Satellit um die Erde bewegt. Die Bewegung eines Satelliten in der Erdumlaufbahn wird hauptsächlich durch die Schwerkraft der Erde gesteuert. Je näher der Satellit der Erde kommt, desto stärker wird die Anziehungskraft, und der Satellit bewegt sich schneller. Der Aqua-Satellit der NASA benötigt beispielsweise etwa 99 Minuten, um die Erde in 705 Kilometern Höhe zu umkreisen, während ein Wettersatellit in 36.000 Kilometern Entfernung von der Erdoberfläche 23 Stunden, 56 Minuten und 4 Sekunden braucht, um eine Umlaufbahn zu vollenden. Der Mond, der 384.403 Kilometer vom Erdmittelpunkt entfernt ist, benötigt für eine Umrundung 28 Tage.
Die drei wichtigsten Erd-Orbits sowie der innere und äußere Van-Allen-Gürtel Quelle: Wikipedia (engl.)
Erdnahe Erdumlaufbahn (LEO)
Die erdnahe Umlaufbahn wird häufig genutzt, da Satelliten verschiedene Bahnen um den Planeten einschlagen können. Satelliten, die sich in einer polaren Umlaufbahn befinden, sind beispielsweise um fast 90 Grad zur Äquatorebene geneigt und bewegen sich von Pol zu Pol, während sich die Erde dreht.
In dieser stark geneigten Umlaufbahn umkreist der Satellit die Erde von Pol zu Pol und benötigt für eine Umrundung etwa 99 Minuten. Während der einen Hälfte der Umlaufbahn sieht der Satellit die Tagseite der Erde. Am Pol wechselt der Satellit auf die Nachtseite der Erde. Wenn der Satellit wieder ins Tageslicht zurückkehrt, befindet er sich über der Region, die an das Gebiet angrenzt, das er auf seiner letzten Umlaufbahn gesehen hat.
Die Sensoren an Bord von polarumlaufenden Satelliten können schnell Daten für den gesamten Globus erfassen, einschließlich der Polarregionen. Viele polumlaufende Satelliten gelten als sonnensynchron, was bedeutet, dass der Satellit in jedem Zyklus zur gleichen Sonnenzeit denselben Ort überfliegt. Die meisten Forschungssatelliten, einschließlich der NASA-Flotte für Erdbeobachtung, haben eine niedrige Erdumlaufbahn.
Die sonnensynchrone Umlaufbahn ist für die Wissenschaft notwendig, weil sie den Winkel des Sonnenlichts auf der Erdoberfläche so konstant wie möglich hält, obwohl sich der Winkel von Jahreszeit zu Jahreszeit ändert. Diese Konstanz bedeutet, dass Wissenschaftler Bilder derselben Jahreszeit über mehrere Jahre hinweg vergleichen können, ohne sich zu sehr über extreme Veränderungen bei Schatten und Licht zu sorgen, die den Eindruck von Veränderungen erwecken können. Ohne eine sonnensynchrone Umlaufbahn wäre es sehr schwierig, Veränderungen im Laufe der Zeit zu verfolgen. Es wäre unmöglich, die Art von konsistenten Informationen zu sammeln, die für die Untersuchung des Klimawandels erforderlich sind.
Die Bahn, die ein Satellit durchlaufen muss, um in einer sonnensynchronen Umlaufbahn zu bleiben, ist sehr eng. Wenn sich ein Satellit in der extrem geringen Höhe von 100 Kilometern befände, müsste er eine Bahnneigung von 96 Grad haben, um eine sonnensynchrone Umlaufbahn zu halten. Jede Abweichung in Höhe oder Neigung bringt den Satelliten aus der sonnensynchronen Umlaufbahn. Da der Luftwiderstand der Atmosphäre und die Schwerkraft von Sonne und Mond die Umlaufbahn eines Satelliten verändern, sind regelmäßige Anpassungen erforderlich, um einen Satelliten auf einer sonnensynchronen Umlaufbahn zu halten.
Ein Beispiel für einen polumlaufenden, sonnensynchronen Satelliten ist der Aqua-Satellit der NASA, der in einer Höhe von etwa 705 km über der Erdoberfläche kreist.
Nicht-polare Satelliten in einer niedrigen Erdumlaufbahn decken dagegen nicht die gesamte Erde ab, sondern nur einen Teil der Breitengrade. Das Global Precipitation Measurement (GPM) Core Observatory, das gemeinsam von der NASA und der japanischen Luft- und Raumfahrtbehörde betrieben wird, ist ein Beispiel für einen nicht sonnensynchronen Satelliten in einer niedrigen Erdumlaufbahn. Seine Umlaufbahn erfasst Daten zwischen 65 Grad nördlicher und südlicher Breite aus 407 km Höhe über der Erde.
Sonnensynchrone Umlaufbahn
Eine sonnensynchrone Umlaufbahn überquert den Äquator jeden Tag (und jede Nacht) ungefähr zur gleichen Ortszeit. Diese Umlaufbahn ermöglicht konsistente wissenschaftliche Beobachtungen, wobei der Winkel zwischen Sonne und Erdoberfläche relativ konstant bleibt. Diese Abbildungen zeigen 3 aufeinanderfolgende Bahnen eines sonnensynchronen Satelliten mit einer äquatorialen Überquerungszeit von 13:30 Uhr. Die jüngste Umlaufbahn des Satelliten wird durch die dunkelrote Linie angezeigt, während ältere Umlaufbahnen heller rot sind.
Zwei mittlere Erdumlaufbahnen sind erwähnenswert: die halbsynchrone Umlaufbahn und die Molniya-Umlaufbahn.
Die halbsynchrone Umlaufbahn ist eine nahezu kreisförmige Bahn (niedrige Exzentrizität) in 26.560 Kilometern Entfernung vom Erdmittelpunkt (etwa 20.200 Kilometer über der Oberfläche). Ein Satellit in dieser Höhe benötigt 12 Stunden, um eine Umlaufbahn zu vollenden. Während sich der Satellit bewegt, dreht sich die Erde unter ihm. In 24 Stunden überquert der Satellit jeden Tag dieselben zwei Punkte auf dem Äquator. Diese Umlaufbahn ist beständig und sehr vorhersehbar. Daher wird diese Umlaufbahn von vielen Telekommunikations- und Navigationssatelliten genutzt oder auch von Spezialsatelliten, die für die Überwachung einer bestimmten Region bestimmt sind.
Ein Beispiel für eine Satellitenkonstellation in einer mittleren Erdumlaufbahn ist das globale Satellitennavigationssystem (GNSS) Galileo der Europäischen Weltraumorganisation, das in einer Höhe von 23.222 km über der Erde kreist oder auch das amerikanische Global Positioning System (GPS) in ca. 20.2000 km.
Die Molniya-Umlaufbahn ist die zweite gängige mittlere Erdumlaufbahn. Die von den Russen erfundene Molniya-Bahn eignet sich gut für die Beobachtung hoher Breitengrade. Eine geostationäre Umlaufbahn ist wertvoll, weil sie eine konstante Sicht bietet, aber Satelliten in einer geostationären Umlaufbahn sind über dem Äquator geparkt, so dass sie nicht gut für weit nördliche oder südliche Standorte geeignet sind, die für einen geostationären Satelliten immer am Rande der Sichtweite liegen. Die Molniya-Umlaufbahn bietet eine nützliche Alternative.
Die Molniya-Umlaufbahn ist stark exzentrisch: Der Satellit bewegt sich in einer extremen Ellipse, wobei sich die Erde in der Nähe eines Randes befindet. Da er durch die Schwerkraft unseres Planeten beschleunigt wird, bewegt sich der Satellit sehr schnell, wenn er sich in Erdnähe befindet. Wenn er sich von der Erde entfernt, verlangsamt sich seine Geschwindigkeit, so dass er mehr Zeit an der Spitze seiner Umlaufbahn verbringt, die am weitesten von der Erde entfernt ist. Ein Satellit in einer Molniya-Umlaufbahn benötigt 12 Stunden für seinen Umlauf, verbringt aber etwa zwei Drittel dieser Zeit über einer Hemisphäre. Wie eine halbsynchrone Umlaufbahn durchläuft ein Satellit auf der Molniya-Bahn alle 24 Stunden die gleiche Bahn. Diese Art von Umlaufbahn ist für die Kommunikation im hohen Norden oder Süden nützlich.
Molniya orbit
Die Molniya-Umlaufbahn kombiniert eine hohe Inklination (63,4°) mit einer hohen Exzentrizität (0,722), um die Beobachtungszeit über hohen Breitengraden zu maximieren. Jede Umkreisung dauert 12 Stunden, so dass der langsame, hoch gelegene Teil der Umlaufbahn jeden Tag und jede Nacht über demselben Ort wiederholt wird. Russische Kommunikationssatelliten und die Sirius-Radiosatelliten nutzen derzeit diese Art von Umlaufbahn. (Nachzulesen in Fundamentals of Space Systems von Vincent L. Pisacane, 2005).
Sowohl geosynchrone als auch geostationäre Satelliten kreisen in einer Höhe von 35.786 km über der Erde, aber geosynchrone Satelliten haben Umlaufbahnen, die über oder unter dem Äquator geneigt sein können. Geostationäre Satelliten hingegen umkreisen die Erde in der gleichen Ebene wie der Äquator. Diese Satelliten erfassen bei jeder Beobachtung identische Ansichten der Erde und bieten eine nahezu kontinuierliche Abdeckung eines Gebiets.
Viele Wetter- und einige Kommunikationssatelliten befinden sich auf einer hohen Erdumlaufbahn. Beispielsweise die Wettersatelliten der gemeinsamen NASA/NOAA-Reihe Geostationary Operational Environmental Satellite (GOES) oder der europäische Meteosat befinden sich in geostationären Umlaufbahnen über dem Äquator. Durch die Position über dem Äquator ist die Nutzung in den Polarregionen allerdings stark eingeschränkt oder gar nicht möglich.
Schließlich überwachen viele Satelliten in hoher Erdumlaufbahn die Sonnenaktivität. Beispielsweise tragen die GOES-Satelliten ein großes Kontingent an "Weltraumwetter"-Instrumenten, die Bilder von der Sonne aufnehmen und die magnetischen und Strahlungswerte im Weltraum um sie herum verfolgen.
Sonderfall 1: Transferorbit und geostationärer Transferorbit (GTO)
Transferorbits sind eine besondere Art von Umlaufbahnen, die dazu dienen, von einer Umlaufbahn auf eine andere zu gelangen. Wenn Satelliten von der Erde aus gestartet und mit Trägerraketen wie der Ariane 5 in den Weltraum befördert werden, werden die Satelliten nicht immer direkt auf ihre endgültige Umlaufbahn gebracht. Oft werden die Satelliten stattdessen auf eine Transferbahn gebracht: eine Bahn, auf der sich der Satellit oder das Raumfahrzeug mit relativ wenig Energie aus den eingebauten Motoren von einer Umlaufbahn zur anderen bewegen kann.
Auf diese Weise kann ein Satellit z. B. eine hoch gelegene Umlaufbahn wie GEO erreichen, ohne dass die Trägerrakete den ganzen Weg bis zu dieser Höhe zurücklegen muss, was einen höheren Aufwand bedeuten würde - dies ist eine Art Abkürzung. Das Erreichen von GEO auf diese Weise ist ein Beispiel für eine der häufigsten Transferbahnen, die geostationäre Transferbahn (GTO).
Umlaufbahnen haben unterschiedliche Exzentrizitäten - ein Maß dafür, wie kreisförmig (rund) oder elliptisch (gequetscht) eine Umlaufbahn ist. Bei einer perfekt runden Umlaufbahn ist der Satellit immer gleich weit von der Erdoberfläche entfernt - bei einer stark exzentrischen Umlaufbahn sieht die Bahn jedoch wie eine Ellipse aus.
Auf einer stark exzentrischen Umlaufbahn wie dieser kann der Satellit schnell von sehr weit weg zur Erdoberfläche gelangen, je nachdem, wo er sich auf der Umlaufbahn befindet. Bei Transferbahnen nutzt die Nutzlast Triebwerke, um von einer Umlaufbahn mit einer bestimmten Exzentrizität auf eine andere zu gelangen, die sie auf eine höhere oder niedrigere Umlaufbahn bringt.
Geostationärer Transferorbit
Nach dem Start folgt die Trägerrakete zunächst der gelben Linie (siehe Abbildung). Am Zielort setzt die Rakete die Nutzlast aus, die sich auf eine elliptische Umlaufbahn begibt, der blauen Linie folgt und die Nutzlast weiter von der Erde entfernt. Der am weitesten von der Erde entfernte Punkt auf der blauen elliptischen Umlaufbahn wird als Apogäum und der nächstgelegene Punkt als Perigäum bezeichnet.
Wenn die Nutzlast das Apogäum in der GEO-Höhe von 35 786 km erreicht, zündet sie ihre Triebwerke so, dass sie in die kreisförmige GEO-Umlaufbahn eintritt und dort verbleibt, dargestellt durch die rote Linie im Diagramm. Der GTO ist also der blaue Pfad von der gelben Umlaufbahn zur roten Umlaufbahn.
Nach dem Start folgt eine Trägerrakete auf ihrem Weg ins All der gelben Linie in der Abbildung. Am Zielort lässt die Rakete die Nutzlast los, die sich auf eine elliptische Umlaufbahn begibt, die der blauen Linie folgt und die Nutzlast immer weiter von der Erde entfernt. Der am weitesten von der Erde entfernte Punkt auf der blauen elliptischen Umlaufbahn wird als Apogäum bezeichnet, der nächstgelegene Punkt als Perigäum.
Wenn die Nutzlast das Apogäum in der GEO-Höhe von 35 786 km erreicht, zündet sie ihre Triebwerke so, dass sie in die kreisförmige GEO-Umlaufbahn eintritt und dort verbleibt, dargestellt durch die rote Linie im Diagramm. Der GTO ist also der blaue Pfad vom gelben Orbit zum roten Orbit.
Sonderfall 2: Lagrange-Punkte
An den Lagrange-Punkten hebt die Anziehungskraft der Erde die Anziehungskraft der Sonne auf. Alles, was sich an diesen Punkten befindet, fühlt sich gleichermaßen zur Erde und zur Sonne hingezogen und dreht sich mit der Erde um die Sonne.
Von den fünf Lagrange-Punkten im Sonne-Erde-System sind nur die beiden letzten, L4 und L5 genannt, stabil. Ein Satellit, der sich an den anderen drei Punkten befindet, ist wie ein Ball, der auf der Spitze eines steilen Hügels balanciert: Jede kleine Störung stößt den Satelliten aus dem Lagrange-Punkt heraus, so wie der Ball den Hügel hinunterrollt. Satelliten an diesen drei Punkten müssen ständig nachjustiert werden, um im Gleichgewicht und an ihrem Platz zu bleiben. Satelliten an den letzten beiden Lagrange-Punkten sind eher wie ein Ball in einer Schüssel: Selbst wenn sie gestört werden, kehren sie zum Lagrange-Punkt zurück.
Lagrange-Punkte
Lagrange-Punkte sind spezielle Orte, an denen ein Satellit relativ zur Erde stationär bleibt, während sich der Satellit und die Erde um die Sonne drehen.
L1 und L2 befinden sich über der Tag- bzw. Nachtseite der Erde.
L3 befindet sich auf der anderen Seite der Sonne, gegenüber der Erde.
L4 und L5 befinden sich auf der gleichen Umlaufbahn 60° vor und hinter der Erde.
Der erste Lagrange-Punkt befindet sich zwischen der Erde und der Sonne, so dass Satelliten an diesem Punkt einen ständigen Blick auf die Sonne haben. Das Solar and Heliospheric Observatory (SOHO), ein Satellit der NASA und der ESA, der die Sonne beobachten soll, umkreist den ersten Lagrange-Punkt in etwa 1,5 Millionen Kilometer Entfernung von der Erde.
Der zweite Lagrange-Punkt ist etwa gleich weit von der Erde entfernt, befindet sich aber hinter der Erde. Die Erde befindet sich immer zwischen dem zweiten Lagrange-Punkt und der Sonne. Da sich Sonne und Erde in einer Linie befinden, benötigen Satelliten an diesem Standort nur einen Hitzeschild, um Wärme und Licht von Sonne und Erde abzuschirmen. Es ist ein guter Standort für Weltraumteleskope, darunter das James Webb Space Telescope (der Nachfolger von Hubble) und die seit 2010 inaktive Raumsonde Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP), die zur Untersuchung der Natur des Universums durch Kartierung der Mikrowellenhintergrundstrahlung eingesetzt wird.
Lagrange-Punkte L1 und L2
Die Lagrange-Punkte, die der Erde am nächsten liegen, sind etwa fünfmal so weit von der Erde entfernt wie der Mond. L1 befindet sich zwischen der Sonne und der Erde und blickt immer auf die Tagesseite der Erde. L2 befindet sich gegenüber der Sonne, immer auf der Nachtseite. (NASA-Abbildung von Robert Simmon.)
Der dritte Lagrange-Punkt liegt gegenüber der Erde auf der anderen Seite der Sonne, so dass sich die Sonne immer zwischen ihm und der Erde befindet. Ein Satellit in dieser Position wäre nicht in der Lage, mit der Erde zu kommunizieren. Die äußerst stabilen vierten und fünften Lagrange-Punkte befinden sich auf der Umlaufbahn der Erde um die Sonne, 60 Grad vor und hinter der Erde. Die Zwillingssatelliten des Solar Terrestrial Relations Observatory (STEREO) umkreisen den vierten und fünften Lagrange-Punkt, um einen dreidimensionalen Blick auf die Sonne zu ermöglichen.
Die meistgenutzten L-Punkte sind L1 und L2. Beide sind viermal so weit von der Erde entfernt wie der Mond - 1,5 Millionen km im Vergleich zu 36 000 km im GEO - aber das ist immer noch nur etwa 1 % der Entfernung der Erde von der Sonne.
Viele ESA-Beobachtungs- und Wissenschaftsmissionen waren, sind oder werden in eine Umlaufbahn um die L-Punkte eintreten. So befinden sich beispielsweise das Sonnenteleskop SOHO und LISA Pathfinder am L1-Punkt der Sonne; Herschel, Planck, Gaia, Euclid, Plato, Ariel, JWST und das Athena-Teleskop sind oder werden sich am L2-Punkt der Sonne befinden.
Weitere Einflussfaktoren auf die Umlaufbahn
Neben der Höhe bestimmen auch Exzentrizität und Inklination die Bahn eines Satelliten. Die Exzentrizität bezieht sich auf die Form der Umlaufbahn. Ein Satellit mit einer Umlaufbahn mit geringer Exzentrizität bewegt sich nahezu kreisförmig um die Erde. Eine exzentrische Umlaufbahn ist elliptisch, wobei sich der Abstand des Satelliten von der Erde je nach Position auf der Umlaufbahn ändert.
Exzentrizität
Die Exzentrizität (e) einer Umlaufbahn gibt die Abweichung der Umlaufbahn von einem perfekten Kreis an. Eine kreisförmige Umlaufbahn hat eine Exzentrizität von 0, während eine stark exzentrische Umlaufbahn näher bei (aber immer kleiner als) 1 liegt. Ein Satellit auf einer exzentrischen Umlaufbahn bewegt sich um einen der Brennpunkte der Ellipse, nicht um das Zentrum. (NASA-Abbildung von Robert Simmon.)
Die Neigung ist der Winkel der Umlaufbahn im Verhältnis zum Äquator der Erde. Ein Satellit, der direkt über dem Äquator kreist, hat eine Neigung von Null. Wenn ein Satellit vom geographischen Nordpol zum Südpol kreist, beträgt seine Neigung 90 Grad.
Neigung
Die Bahnneigung ist der Winkel zwischen der Ebene einer Umlaufbahn und dem Äquator. Eine Bahnneigung von 0° befindet sich direkt über dem Äquator, 90° kreuzt genau über dem Pol, und 180° umkreist den Äquator in der entgegengesetzten Richtung der Erddrehung. (NASA-Abbildung von Robert Simmon.)
Satellitenbahnen mit Inklinationen nahe 0 werden als äquatoriale Umlaufbahnen bezeichnet, da die Satelliten etwa über dem Äquator bleiben. Orbits mit Inklinationen von etwa 90 Grad werden als polare Umlaufbahnen bezeichnet, da die Satelliten die Polargebiete überqueren. Satelliten mit diesem Orbit sind beispielsweise die amerikanischen NOAA/TIROS und die LANDSAT-Satelliten oder die europäischen MetOp, TanDEM-X, SPOT und die Sentinel-Familie.
Zusammengefasst: Die Höhe des Satelliten, die Exzentrizität und die Neigung bestimmen die Bahn des Satelliten und die Sicht, die er auf die Erde hat.
Erreichen und Beibehalten der Umlaufbahn
Start zur Umlaufbahn
Die Energiemenge, die benötigt wird, um einen Satelliten in die Umlaufbahn zu bringen, hängt von der Lage des Startplatzes sowie von der Höhe und Neigung der Umlaufbahn ab. Satelliten in einer hohen Erdumlaufbahn benötigen die meiste Energie, um ihr Ziel zu erreichen. Satelliten in einer stark geneigten Umlaufbahn, wie z. B. einer polaren Umlaufbahn, benötigen mehr Energie als ein Satellit, der die Erde über dem Äquator umkreist. Ein Satellit mit geringer Neigung kann die Erdrotation nutzen, um ihn in die Umlaufbahn zu bringen. Die Internationale Raumstation befindet sich in einer Umlaufbahn mit einer Neigung von 51,6397 Grad, damit Raumtransporter (früher das Space Shuttle) und die russischen Raketen sie leichter erreichen können. Ein Satellit, der sich in einer polaren Umlaufbahn befindet, erhält dagegen keine Unterstützung durch die Erdrotation und benötigt daher mehr Energie, um die gleiche Höhe zu erreichen.
Wenn das Raumfahrzeug auf eine polare Umlaufbahn gebracht werden soll, wird es in eine nördliche oder südliche Richtung gestartet. Obwohl der Nutzeffekt eines ostwärts gerichteten Starts entfällt, bieten sich dabei andere Vorteile. Während sich die Erde um ihre Achse dreht, überfliegt das Raumfahrzeug, gewöhnlich ein Satellit, alle paar Umdrehungen die gesamte Erdoberfläche. Polare Umlaufbahn werden z.B. von manchen Wettersatelliten, Satelliten zur Beobachtung der Umwelt und speziellen militärischen Aufklärungssatelliten benutzt.
Startet man in Richtung der Erdrotation (prograde oder direkte Umlaufbahn), wirkt sich dies günstig auf die Raketengleichung aus. Die Rotationsgeschwindigkeit unseres Planeten am Äquator (464,6 m/s) ist klein im Vergleich mit der Geschwindigkeit, um in den Weltraum zu gelangen (11,2 km/s). Aber ein Start in Richtung der Erdrotation bringt dennoch mehr Geschwindigkeit, weshalb die Nutzlast zusätzliches Gewicht haben darf und somit diese Methode oft gewählt wird.
Ein Raumfahrzeug, das auf eine äquatorparallele Erdumlaufbahn gebracht werden soll, nimmt nach dem Start eine östliche Richtung ein. Damit profitiert es von der Geschwindigkeit, die ihm von der ostwärtigen Erddrehung zusätzlich mitgegeben wird. Diese Rotationsgeschwindigkeit ist mit 1.670 km/h am Äquator am größten und beträgt auf der Breite von Cape Canaveral, Fla. (28° N) 1.470 km (410 m/s). Auf der noch höheren Breite von Russlands Weltraumbahnhof in Kasachstan (46° N) beträgt die Umdrehungsgeschwindigkeit an der Erdoberfläche 1.170 km/h (328 m/s). Der europäische Weltraumbahnhof Centre Spatial Guyanais (CSG) in Kourou liegt nur 500 km nördlich des Äquators (5,2° N) und verleiht einer ostwärts startenden Rakete eine Geschwindigkeit von 463 m/s.
Es ist auch möglich, ein Raumfahrzeug auf einen westwärts gerichteten Orbit (retrograde Umlaufbahn) zu schicken, aber dazu sind eine höhere Geschwindigkeit und damit zusätzliche Treibstoffausgaben nötig, um dann eine gleiche Orbithöhe zu erreichen.
Beibehalten der Bahn
Wenn ein Satellit einmal in der Umlaufbahn ist, ist normalerweise einiges an Arbeit nötig, um ihn dort zu halten. Da die Erde keine perfekte Kugel ist, ist ihre Schwerkraft an manchen Stellen stärker als an anderen. Diese Unebenheiten sowie die Anziehungskraft von Sonne, Mond und Jupiter (dem massivsten Planeten des Sonnensystems) verändern die Neigung der Satellitenbahn. Während ihrer Lebensdauer müssen die GOES-Satelliten drei- oder viermal bewegt werden, um sie auf ihrer Position zu halten. Die NASA-Satelliten mit niedriger Erdumlaufbahn passen ihre Neigung alle ein bis zwei Jahre an, um eine sonnensynchrone Umlaufbahn beizubehalten.
Satelliten in einer niedrigen Erdumlaufbahn werden auch durch den Luftwiderstand der Atmosphäre aus ihrer Umlaufbahn gezogen. Obwohl Satelliten in einer niedrigen Erdumlaufbahn durch die obersten (dünnsten) Schichten der Atmosphäre fliegen, ist der Luftwiderstand immer noch stark genug, um an ihnen zu zerren und sie näher an die Erde zu ziehen. Die Schwerkraft der Erde führt dann dazu, dass der Satellit schneller wird. Mit der Zeit verglüht der Satellit, während er immer tiefer und schneller in die Atmosphäre eindringt, oder er stürzt auf die Erde.
Der Einfluss der Schwerkraft verringert sich, je weiter man sich von der Erde entfernt, während die Zentrifugalkraft mit der Geschwindigkeit des Satelliten in der Umlaufbahn steigt. Daher wirkt auf einen Satelliten in erdnaher Umlaufbahn (LEO) eine äußerst hohe Anziehungskraft, die durch schnelle Bewegung entlang der Umlaufbahn zur Erzeugung der benötigten Zentrifugalkraft ausgeglichen werden muss. Es besteht also eine direkte Beziehung zwischen dem Abstand zur Erde und der Umlaufgeschwindigkeit eines Satelliten.
Mathematisch lässt sich der Zusammenhang zwischen der Kreisbahngeschwindigkeit und der Bahnhöhe wie folgt ausdrücken:
v
die Geschwindigkeit auf der Kreisbahn
R
der Erdradius = 6 370 km
g0
die Fallbeschleunigung auf der Erdoberfläche = 9,81 m/s2
r
der Radius der Satellitenbahn
r – R = h
die Höhe der Satellitenbahn über der Erdoberfläche sind
Der atmosphärische Luftwiderstand ist übrigens stärker, wenn die Sonne aktiv ist. So wie sich die Luft in einem Ballon ausdehnt und aufsteigt, wenn sie erwärmt wird, steigt die Atmosphäre auf und dehnt sich aus, wenn die Sonne ihr zusätzliche Energie zuführt. Die dünnste Atmosphärenschicht steigt auf, und die dickere Atmosphäre darunter hebt sich, um ihren Platz einzunehmen. Der Satellit bewegt sich nun durch diese dickere Atmosphärenschicht und nicht mehr durch die dünne Schicht, in der er sich befand, als die Sonne weniger aktiv war. Da sich der Satellit beim Sonnenmaximum durch dichtere Luft bewegt, stößt er auf mehr Widerstand. Wenn die Sonne nicht aktiv ist, müssen Satelliten in einer niedrigen Erdumlaufbahn ihre Umlaufbahn etwa viermal pro Jahr erhöhen, um den atmosphärischen Widerstand auszugleichen. Wenn die Sonnenaktivität am höchsten ist, muss ein Satellit möglicherweise alle 2-3 Wochen umpositioniert werden.
Ein weiterer Grund für die Verlagerung eines Satelliten ist die Vermeidung von Weltraumschrott, der sich in seiner Umlaufbahn befinden könnte. Die Ingenieure der Missionskontrolle verfolgen Weltraummüll und andere Satelliten im Orbit, die in die Umlaufbahn des Erdbeobachtungssystems geraten könnten, und planen bei Bedarf sorgfältig Ausweichmanöver. Gewöhnlich das gleiche Team plant und führt auch Manöver zur Anpassung der Neigung und Höhe des Satelliten durch.
Formen von Satellitenbahnen
Eine Umlaufbahn hat die Form eines Kegelschnittes, also einer Kurve, die beim Schnitt durch einen Kegel entsteht. Folglich kann die Bahn kreisförmig, elliptisch, parabolisch oder auch hyperbolisch um den Zentralkörper verlaufen. Dieser befindet sich dabei stets in einem der Brennpunkte der Kurve. Wenn sich ein Satellit um die Erde bewegt, so nennt man den erdfernsten Punkt der Bahn Apogäum und den erdnächsten Punkt Perigäum, wobei die Endung '-gäum' für "Erde" (griechisch gäa) steht.
Eine Kreisbahn ist eine geschlossene Bahn für ein Raumfahrzeug oder einen Satelliten, deren Mitte im Erdmittelpunkt liegt. Eine exakte Kreisbahn ist leicht instabil, weil die Erde und damit ihr Gravitationsfeld nicht ganz kugelförmig sind. Eine Kreisbahn einzuhalten würde beträchtliche Mengen an Treibstoff für Korrekturzündungen erfordern.
Jede nicht kreisförmige, geschlossene Bahn eines Raumfahrzeugs hat die Form einer Ellipse. Der Erdmittelpunkt bildet einen ihrer beiden Brennpunkte, der zweite befindet sich an einem leeren Ort im All. Der Abstand zwischen beiden Brennpunkten legt die Exzentrizität der elliptischen Umlaufbahn fest.
Eine exzentrische Umlaufbahn ist eine elliptische Bahn, deren Form stark länglich ist. Das heißt die große Achse ist viel größer als die kleine Achse.
(Satelliten-) Bahnelemente
Sechs Bahnelemente legen die Bahn eines Astronomischen Objekts eindeutig fest, das den Keplerschen Gesetzen im Schwerefeld eines Himmelskörpers (Zweikörperproblem) gehorcht.
Zwei Bahnelemente definieren die Gestalt der Bahn-Ellipse, drei Elemente bestimmen die Lage im Raum und ein Element legt den Zeitbezug fest.
Die Bahnelemente von Satelliten basieren ebenfalls auf den 6 Bahnelementen einer Keplerbahn. Sie enthalten üblicherweise weitere Parameter, um Bahnstörungen zu berücksichtigen, beispielsweise durch Reibung mit der Atmosphäre, inhomogenes Gravitationsfeld, Sonnenstürme oder Strahlungsdruck.
Die meisten Erdsatelliten bewegen sich auf Kreisbahnen. Bei Raumsonden in Umlaufbahnen um andere Planeten sind eher elliptische Bahnen üblich, da so Beobachtungen aus unterschiedlichen Höhen möglich sind.
Je nach Anwendung werden für Erdbeobachtungssatelliten passende Bahnen gewählt. Von der Bahn hängt es ab,
welche Wiederbesuchszeiten möglich sind,
welche Bodenauflösung erreicht werden kann,
welche Lichtverhältnisse herrschen und
welche Teile der Erdoberfläche überhaupt beobachtet werden können.
Entgegengesetzte Forderungen werden an Erdbeobachtungssatelliten oder Aufklärungssatelliten gestellt. Diese sollen nach Möglichkeit Orte auf der gesamten Erdoberfläche beobachten können, jeweils 10–15 min lang. Dies geht im erdnahen Raum nur in polnahen Umlaufbahnen, wobei hier der sonnensynchrone Orbit (SSO) gegenüber dem direkten Pol-zu-Pol-Orbit vorteilhafter ist. Bei den SSO-Bahnen erleichtert der konstante Sonnenwinkel im Beobachtungsbereich die Auswertung und Klassifikation der gewonnenen Erdbeobachtungsdaten. Die relativ niedrige Umlaufbahn vereinfacht auch das Aufnehmen detailreicher Bilder. Besonders in niedrigen Umlaufbahnen unterliegen die Satellitenbahnelemente raschen Änderungen durch die Erdabplattung.
LEO - Low Earth Orbit (Kreisbahn niedriger Bahnhöhe bis etwa 1.000 km)
MEO - Medium Earth Orbit (inklinierte Kreisbahn mittlerer Bahnhöhe von ca. 10.000 km)
PEO - Polar Earth Orbit (LEO-Bahn über die Polkappen)
Je niedriger die Orbithöhe desto:
kürzer die Periode
kleinräumiger die Abdeckung der Oberfläche
stärker das Signal
besser die räumliche Auflösung
größer die Reibung und kürzer die Lebenszeit
Einflüsse auf Raumfahrzeuge im Orbit
Satelliten, Raumsonden, Raumstationen und Raumfahrzeuge unterliegen einer Vielzahl von Umgebungseinflüssen. Diese Einflüsse können direkt oder indirekt auf den Orbit, auf Beschaffenheit und Zustand der verwendeten Werkstoffe, auf an Bord befindliche Besatzungsmitglieder oder auf Experimente und deren Betrieb einwirken.
Man unterteilt die Umwelteinflüsse im Allgemeinen in zwei Hauptgruppen:
Natürliche Weltraumumgebung: interplanetare Materie, kosmische Teilchen, Gravitations- und Strahlungsfelder.
Durch Raumfahrzeuge induzierte Umgebung: Wird durch die Präsenz von Raumfahrzeugen oder aktive Freisetzung von Materie und Energie verursacht (Steuermanöver, Ausgasen, Weltraummüll, Leckverluste). Von besonderer Bedeutung für permanente Raumstationen und -plattformen sind Einflüsse auf die μg-Umgebung (hier: Güte der Schwerelosigkeit im Raumfahrzeug) dieser Raumfahrzeuge, da davon im Wesentlichen die Durchführbarkeit vieler Experimente an Bord abhängt.
Weitere Informationen, u.a. Satellitenumlaufbahnen interaktiv:
Umweltgerechtigkeit wird in der Regel als die gerechte Verteilung von Umweltrisiken und -nutzen definiert. Andere Theoretiker haben versucht, über diese Definition hinauszugehen und die Prozesse zu identifizieren, die zu einer ungerechten Verteilung von Risiken und Vorteilen führen. Diese erweiterten Definitionen nennen als weitere Kriterien für eine gerechte Gesellschaft eine faire und sinnvolle Beteiligung an der Entscheidungsfindung, die Anerkennung von Unterdrückung und Unterschieden in den betroffenen Gemeinschaften sowie die Fähigkeit der Menschen, soziale Güter in eine florierende Gemeinschaft umzuwandeln.
Die Klimagerechtigkeit, die mit der Umweltgerechtigkeit zusammenhängt, ist eine Anerkennung der Tatsache, dass der Klimawandel dazu führen kann, dass arme und ausgegrenzte Gemeinschaften unverhältnismäßig stark von den Umweltauswirkungen betroffen und verwundbar sind, insbesondere in Entwicklungsländern.
Gemeinden auf der ganzen Welt sind mit Umweltproblemen konfrontiert, darunter schlechte Luft- und Wasserqualität, der Anstieg des Meeresspiegels, extreme Hitze und vieles mehr. Marginalisierte Gemeinschaften, insbesondere in den ärmsten und anfälligsten Gebieten, tragen die Last dieser Herausforderungen.
Schaffung von Umweltgerechtigkeit - die Rolle der NASA
Durch die Bereitstellung eines vollständigen und offenen Zugangs zu den Daten, der Software und den Tools, die über das Earth Observing System Data and Information System (EOSDIS) der NASA verfügbar sind, stellt die Behörde sicher, dass jeder diese Ressourcen nutzen kann. Darüber hinaus dient das Sozioökonomische Daten- und Anwendungszentrum (SEDAC) der NASA als "Informations-Gateway" zwischen den sozioökonomischen und geowissenschaftlichen Daten- und Informationsbereichen und stellt leicht zu verwendende Daten in tabellarischer und räumlicher Form bereit, die aus NASA-Erdbeobachtungsdaten, Volkszählungsdaten und anderen staatlichen Datenquellen stammen. Diese integrierten Datensätze können genutzt werden, um ein besseres Verständnis von Umweltfragen zu ermöglichen und umweltpolitische Entscheidungen zu unterstützen, um eine faire und gleichberechtigte Behandlung von Gemeinschaften zu gewährleisten.
Neben bodengestützten Beobachtungen und Feldkampagnen setzt die NASA Sensoren an Bord von Satelliten und Flugzeugen ein, um Messungen über die Atmosphäre, die Ozeane, das Land und das Leben auf der Erde durchzuführen. In Verbindung mit sozioökonomischen Daten über Rasse, ethnische Zugehörigkeit, Armut und Gesundheit können diese Beobachtungen dazu beitragen, Umweltprobleme zu erkennen, die bestimmte Gemeinschaften unverhältnismäßig stark betreffen. Durch das NASA-Programm für angewandte Wissenschaften werden viele dieser Beobachtungen in Bemühungen zur Verbesserung der Umweltqualität in Gemeinden auf der ganzen Welt einbezogen. Die folgenden Anwendungsfälle zeigen, wie Erdbeobachtungen genutzt werden, um ungerechte Umweltbedingungen zu erkennen und Entscheidungsträgern bei deren Bewältigung zu helfen.
Tropische Wirbelstürme
Im September 2017 traf der HurrikanMaria auf Puerto Rico und verwüstete die Insel. Maria war der drittteuerste Hurrikan in der Geschichte der USA, und die Insel spürt noch immer seine Auswirkungen. Starker Wind in Verbindung mit einer Sturmflut von 1,83 bis 2,75 m Höhe zerstörte Häuser und Geschäfte und überschwemmte viele Städte. Diese Zerstörung verursachte einen der längsten Stromausfälle in der Geschichte der USA. Ein unverhältnismäßig hoher Anteil der lang andauernden Stromausfälle trat in ländlichen Gemeinden auf.
Die NASA-Forscher nutzten Tag/Nacht-Band-Daten (DNB) der Visible Infrared Imaging Radiometer Suite (VIIRS) an Bord des gemeinsamen NASA/NOAA-Satelliten Suomi National Polar-orbiting Partnership (Suomi NPP), Daten der NASA/USGS-Satellitenreihe Landsat und OpenStreetMap-Daten, um die Wiederherstellung der Stromversorgung auf der Insel zu überwachen. Außerdem wurden sozioökonomische Daten der von den Stromausfällen betroffenen Stadtteile mit den Satellitendaten verknüpft. Eine Analyse des Wissenschaftlers der Universities Space Research Association, Dr. Miguel Román, und seiner Kollegen ergab, dass in 41 % der ländlichen Gemeinden Puerto Ricos längere Stromausfälle zu verzeichnen waren, in den städtischen Gebieten dagegen nur in 29 %. In den sechs Monaten nach dem Hurrikan Maria waren die Einwohner Puerto Ricos schätzungsweise 3,9 Milliarden Stunden lang ohne Strom, wobei 61 % dieses Verlustes auf ländliche Gemeinden entfielen. Im bergigen Inselinneren waren einige Bewohner mehr als vier Monate lang ohne Strom. Erkunden Sie interaktiv die damalige Situation über diesen Link und vergleichen Sie VIIRS DNB-Bilder mit Hilfe des Portals NASA Worldview.
Meeresspiegelanstieg
Am Beispiel von Norfolk (Virginia) zeigt sich, dass ein unverhältnismäßig hoher Anteil der vom Meerespiegelanstieg betroffenen Gemeinden eine Bevölkerung aufweist, die hauptsächlich schwarz, einkommensschwach oder beides zugleich ist.
Der globale mittlere Meeresspiegel (global mean sea level, GMSL) steigt jährlich um etwa 3,4 Millimeter, eine Rate, die im letzten Jahrhundert in den meisten Regionen um 1-2 Millimeter pro Jahr zugenommen hat. Aufgrund von Wellen und Gezeiten ist es nicht möglich, den Anstieg des Meeresspiegels um einige Millimeter pro Jahr zu "sehen", wenn man nur auf den Ozean schaut. Die Küstengemeinden bekommen die Auswirkungen jedoch zu spüren, unter anderem durch Überschwemmungen, Erosion und Versalzung. Norfolk, VA, ist eine dieser Küstengemeinden. Norfolk, das den größten Marinestützpunkt der Welt beherbergt, ist eine von mehreren Gemeinden in der Region Hampton Roads in Virginia, die mehr als 1,8 Millionen Einwohner zählt. Nach Angaben der NOAA steigt der Meeresspiegel in der Region Hampton Roads um 4-5 mm pro Jahr, was zum Teil darauf zurückzuführen ist, dass das Land in dieser Region sinkt.
Die Verknüpfung von Satellitendaten, wie z. B. Daten zur Höhe der Meeresoberfläche, die von den Satelliten TOPEX/Poseidon, Jason-1, Ocean Surface Topography Mission (OSTM)/Jason-2, Jason-3 und Sentinel-6 Michael Freilich erfasst wurden, mit sozioökonomischen Daten, wie z. B. Daten des U.S. Census Bureau, EPA und SEDAC (einschließlich Bevölkerungs- und U.S. Census-Statistiken zu Rasse und Armutsniveau), kann die Ungleichheit zwischen den betroffenen Gemeinden aufzeigen. Diese Daten aus verschiedenen Quellen können integriert werden, um Wissenschaftlern und Stadtmanagern die Möglichkeit zu geben, bei der Entscheidungsfindung über Schadensbegrenzungsstrategien sowohl die sozialen als auch die wissenschaftlichen Auswirkungen zu berücksichtigen.
Worldview mit Kombination sozioökonomischer Daten und Daten zu Anomalien der Meeresspiegelhöhe
In der nebenstehenden (interaktiven) Worldview-Abbildung werden sozioökonomische Daten, die über SEDAC verfügbar sind, mit Daten zur Anomalie der Meeresspiegelhöhe kombiniert, um die hohe Bevölkerungsdichte der Region Hampton Roads und die anomal hohe Meeresspiegelhöhe aufzuzeigen.
Die im Bild dargestellte Höhe der Meeresoberfläche wurde aus einer Kombination von Satellitenaltimetriedaten und historischen Messungen des Meeresspiegels durch Gezeitenpegel abgeleitet, um einen Datensatz für die Anomalie der Meeresoberfläche von 1950 bis 2009 zu erstellen. Zur Interaktivität auf Still-Grafik klicken. Dabei verlassen Sie das Lexikon und agieren auf der NASA-Seite.
Verfügbarkeit von Wasser - Das Beispiel 'Navajo Nation'
Ein abgelegenes Gebiet, in dem die Bewirtschaftung der Wasserressourcen schwierig ist, ist die Navajo Nation, die sich über mehr als 70.000 Quadratkilometer (27.000 Quadratmeilen) im Norden Arizonas, im Süden Utahs und im Norden New Mexicos erstreckt (ein Gebiet, das in etwa so groß ist wie der US-Bundesstaat West Virginia). Das Reservat mit einer Bevölkerung von 173.667 Einwohnern (Volkszählung 2010) hat mit schweren Dürreperioden zu kämpfen, verbunden mit einem Mangel an heimischer Wasserinfrastruktur und wirtschaftlichen Ressourcen. Laut der Volkszählung von 2010 haben mindestens 70 000 Bewohner der Navajo Nation keinen Zugang zu Trinkwasser in ihren Häusern.
In Zusammenarbeit mit der Navajo Nation unterstützte NASA DEVELOP (Teil des NASA-Programms für angewandte Wissenschaften) die Entwicklung einer Computeranwendung namens Drought Severity Assessment Tool (DSAT). DSAT integriert Niederschlagsdaten der Tropical Rainfall Measuring Mission (TRMM) der NASA und des gemeinsamen Global Precipitation Measurement (GPM) Core Observatory der NASA und der japanischen Luft- und Raumfahrtbehörde mit anderen Quellen, um den Verwaltern der Wasserressourcen der Navajo Nation reservatsweite historische Daten und Daten in nahezu Echtzeit über ihre Wasserressourcen zur Verfügung zu stellen. Das Tool berechnet den Standardniederschlagsindex (SPI), der auf der Grundlage eines 30-Jahres-Durchschnitts der Niederschläge berechnet wird und einen Hinweis darauf gibt, wie stark die Niederschläge in einem Gebiet von der Norm abweichen. Der SPI wird von den Wasserressourcenmanagern der Navajo Nation verwendet, um Gebiete im Reservat zu identifizieren, in denen eine Dürre herrscht, und um den Schweregrad dieser Dürre zu ermitteln. Diese Berichte bestimmen, wie die finanziellen Ressourcen der Navajo Nation zur Abschwächung der Dürre zugewiesen werden.
Drought Severity Assessment Tool (DSAT) mit dem Standard Precipitation Index (SPI) für die Navajo Nation
DSAT-Karte mit sechsmonatigem SPI in der Navajo Nation für den Zeitraum vom 30. September 2019 bis zum 1. April 2020. Rote Bereiche zeigen Niederschläge unter dem langfristigen Durchschnitt an, blaue Bereiche zeigen Niederschläge über dem langfristigen Durchschnitt an.
Extreme Hitze in New York City - Die meisten hitzebedingten Todesfälle in New York City ereignen sich in Stadtvierteln mit hoher Armut und in historischen Stadtvierteln mit farbiger Bevölkerung.
Hitzewellen sind Perioden mit ungewöhnlich heißem (und möglicherweise feuchtem) Wetter, die jeweils einige Tage bis Wochen andauern. Nach Angaben des United States Global Change Research Program treten Hitzewellen in den Großstädten des Landes immer häufiger auf. Tatsächlich hat sich die Zahl der Hitzewellen pro Jahr in Großstädten zwischen 1960 und 2010 verdreifacht. Städtische Wärmeinseln spielen bei diesen extremen Hitzeereignissen eine Rolle. Städtische Wärmeinseln entstehen in Gebieten, die mehr undurchlässige Oberflächen (wie Gebäude und gepflasterte Flächen) und weniger natürliche Umgebungen (wie Parks und Freiflächen) enthalten. In städtischen Wärmeinseln sind die Oberflächentemperaturen am Tag und in der Nacht höher als in den umliegenden Gebieten, da diese undurchlässigen Oberflächen Wärme absorbieren und zurückhalten. Bei Hitzewellen kann dies zu einer größeren Zahl von hitzebedingten Erkrankungen und Todesfällen führen. Daten zur Oberflächentemperatur und zur Veränderung der Vegetation werden von einer Reihe satellitengestützter Sensoren erfasst, darunter MODIS, VIIRS und Instrumente an Bord der Landsat-Satelliten. Diese Daten können den Städten helfen, die Hitzebelastung für die Bewohner zu verringern, insbesondere in einem sich erwärmenden Klima.
New York City Temperature and Vegetation
Temperatur- und Vegetationsbilder der fünf Stadtbezirke von New York City, die zeigen, wie Gebiete mit hoher Vegetation dazu beitragen können, die Auswirkungen der städtischen Wärmeinsel abzuschwächen.
Linkes Bild: Karte mit einer Überlagerung von Temperaturen, die von warm (dunklere Farben) bis heiß (hellere Farben) reichen.
Rechtes Bild: Karte mit einer Überlagerung der Vegetationsbedeckung, die von spärlich (hellere Farben) bis dicht (dunklere Farben) reicht.
Beachten Sie, dass Gebiete mit dichterer Vegetation (wie das Rechteck, das Manhattans Central Park direkt über der Mitte beider Bilder anzeigt) kühler sind als die umliegenden bebauten Gebiete.
Das NASA-Programm für Applied Sciences Health and Air Quality arbeitete mit Beamten und Wissenschaftlern des Staates New York zusammen, um festzustellen, ab wann hohe Temperaturen die menschliche Gesundheit im Staat New York beeinträchtigen. Die Ergebnisse zeigten, dass der Schwellenwert des Staates für die Warnung der Öffentlichkeit vor extremen Hitzeereignissen aktualisiert werden muss. "Unsere Untersuchungen ergaben, dass die mit der Temperatur verbundenen gesundheitlichen Auswirkungen in unserer Region bereits bei niedrigeren Temperaturen auftreten als die Kriterien des Nationalen Wetterdienstes, die auf Studien in heißeren Gebieten der USA beruhen", erklärte Dr. Tabassum Insaf, Forschungsleiter im Büro für Umwelt- und Arbeitsepidemiologie des New York State Department of Health.
Dr. Christian Braneon, ein Fernerkundungsspezialist am Goddard Institute for Space Studies der NASA und Co-Direktor des Environmental Justice and Climate Just Cities Network am Earth Institute der Columbia University, hat dieses Problem in New York City untersucht und eine deutliche Überschneidung zwischen farbigen Stadtvierteln und höheren Oberflächentemperaturen festgestellt. Dr. Braneon unterstreicht die Notwendigkeit, die Verteilung der Hitze in einem sozioökonomischen Zusammenhang zu sehen.
"Es ist kein Zufall, dass einige Stadtteile bei extremer Hitze unverhältnismäßig stark belastet sind", sagt Braneon. "Dies ist zumindest teilweise auf rassistische Maßnahmen in der Vergangenheit zurückzuführen, wie Segregation und Redlining, und so haben wir die großartige Möglichkeit, alle uns zur Verfügung stehenden Datensätze zu nutzen, um einige dieser Ungerechtigkeiten zu beseitigen und Gerechtigkeit zu schaffen." Braneon arbeitet mit Beamten der Stadt New York zusammen, um Strategien für die Bodenbedeckung zur Eindämmung der Hitze zu entwickeln.
Gesundheit und Luftqualität - Das Beispiel 'Washington D.C.'
Nach Angaben der Vereinten Nationen sterben jedes Jahr schätzungsweise sieben Millionen Menschen an Luftverschmutzung, was sie zu einem der größten umweltbedingten Gesundheitsrisiken unserer Zeit macht. Obwohl die Vorschriften in den USA die Luftqualität verbessert haben, gibt es in vielen Städten immer noch gesundheitliche Probleme aufgrund der Luftverschmutzung. Schwebstoffe mit einem Durchmesser von 2,5 Mikrometern oder weniger (als PM2,5 bezeichnet) können tief in die Lunge eindringen und Atemprobleme und andere gesundheitliche Probleme verursachen (zum Vergleich: ein menschliches Haar hat einen Durchmesser von 50 bis 70 Mikrometern). Die PM2,5-Werte in Washington, D.C., sind seit dem Jahr 2000 um etwa 50 % gesunken, doch die gesundheitlichen Vorteile sind nicht überall in der Stadt gleich.
In einer aktuellen Studie haben Forscher der George Washington University, der Regierung von Washington D.C., der Boston University, der Washington University in St. Louis und der Dalhousie University in Nova Scotia, Kanada, Gesundheitsdaten mit Daten zur Luftqualität verglichen, die von Instrumenten an Bord von NASA-Satelliten und Bodenstationen des Energie- und Umweltministeriums von Washington D.C. erfasst wurden. Das Forschungsteam fand heraus, dass die PM2,5-Belastung in Stadtteilen mit einem höheren Anteil farbiger Menschen sowie Bewohnern mit geringerem Haushaltseinkommen und niedrigerem Bildungsstand höher war.
Eine zusätzliche Belastung durch Luftverschmutzung
Karte von Washington, D.C., mit Gebieten, die im Allgemeinen höhere PM2,5-bedingte Sterblichkeitsraten aufweisen.
Erhöhte PM2,5-bedingte Sterblichkeitsraten korrelieren mit Gebieten mit einem höheren Anteil an schwarzen Einwohnern, wie z. B. dem südöstlichen Quadranten der Stadt (rechte Seite der Karte).
Der PM2.5-Satellitendatensatz wurde unter Verwendung von Beobachtungen des Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS) an Bord der Satelliten Terra und Aqua, des Multi-angle Imaging Spectroradiometer (MISR) an Bord von Terra und des Sea-viewing Wide Field-of-view Sensor (SeaWIFS) an Bord des Satelliten OrbView-2 (SeaStar) entwickelt. Sie bezogen auch Informationen aus dem Goddard Earth Observing System (GEOS)-Chem-Modell der NASA ein, einem globalen 3-D-Modell der Atmosphärenchemie. Die Forscher fanden heraus, dass die Raten für Lungenkrankheiten und Schlaganfälle im ärmeren südöstlichen Quadranten von D.C. fünfmal höher waren als im wohlhabenderen nordwestlichen Quadranten. Darüber hinaus waren die Raten für ischämische Herzkrankheiten, bei denen das Herz nicht genügend Blut und Sauerstoff erhält, neunmal höher und die Zahl der asthmabedingten Notaufnahmenbesuche war im südöstlichen Quadranten der Stadt 30-mal höher.
Eine spezifische Teilaufgabe des Monitoring, die der kontinuierlichen und meist automatisierten Überwachung, Kontrolle und Beobachtung der qualitativen und quantitativen Veränderungen der verschiedenen Umweltkompartimente durch natürliche und anthropogene Einflüsse in lokalem, regionalem und globalem Maßstab dient. Aufgrund der Synopsis und der regelmäßigen Verfügbarkeit eignen sich Verfahren der Fernerkundung dazu hervorragend. Dies ist besonders wichtig in sensiblen oder schwer zugänglichen Räumen (Naturschutzgebiete, tropischer Regenwald).
Umweltmonitoring erfährt im internationalen, wie auch im nationalen Maßstab eine zunehmende Bedeutung, nicht zuletzt aufgrund des Globalen Wandels. Öffentliche Aufgaben und Verpflichtungen bzgl. des Umweltmonitorings, insbesondere durch neue Entwicklungen im Umweltrecht wie zum Beispiel dem Kyoto-Protokoll, der Wasserrahmenrichtlinie und der Flora-Fauna-Habitat-Richtlinie (FFH-Richtlinie) der EU sowie im Erdbeobachtungsprogramm (GEOSS) beträchtlich an Aktualität gewonnen.
Als Ergänzung konventioneller Beobachtungsmethoden werden bodengestützte, wie auch flugzeug- und satellitenbasierte Fernerkundungsverfahren verstärkt eingesetzt. Gerade satellitengestützte Fernerkundungsdaten (SFE-Daten) bieten in den Bereichen Umweltbeobachtung sowie Umweltanalyse wertvolle Informationen, sie stehen zeitnah zur Verfügung und decken auch solche Gebiete ab, die mit herkömmlichen Methoden bisher nur unvollständig erfasst werden konnten. Sie können sowohl zur Risikovorsorge als auch zum Katastrophenmanagement genutzt werden. Aus langfristigen Beobachtungsreihen lassen sich Veränderungen ablesen und Prognosen erstellen.
SFE-Daten können zur Unterstützung zahlreicher Politikfelder eingesetzt werden. Im Bereich Klimaschutz und Schutz der Erdatmosphäre, beim Meeresschutz ebenso wie bei der Hochwasserprognose, bei der Analyse von Veränderungen der Landbedeckung und Landnutzung lassen sich aus SFE-Daten wesentliche Erkenntnisse ableiten. Auch das Monitoring internationaler Konventionen wie zum Beispiel CO2-Senken im Rahmen des Kyoto-Protokolls kann durch SFE-Daten effizient unterstützt werden.
Historische Entwicklung
Bei historischer Betrachtung dieses Anwendungsbereiches der Fernerkundung ist festzuhalten, dass die Beobachtung von Veränderungen der Landoberfläche, vor allem aber der Vegetation und ihrer land- und forstwirtschaftlichen Nutzung seit Anfang der 1970er Jahre im Fokus stand. Lieferten die bis dahin aktiven Wettersatelliten Bilder mit einer täglichen Abdeckung gesamter Kontinente in grober geometrischer Auflösung, begann mit dem Start des Earth Resources Technology Satellite (später umbenannt in Landsat-1) im Jahre 1972 die Ära der Kartierung der Umwelt und ihrer Ressourcen. Der Multispectral Scanner (MSS) auf der frühen Serie der Landsat-Satelliten lieferte eine Bodenauflösung von 80 m in vier Spektralkanälen. Zehn Jahre später wurde dieser auf Landsat-4, danach auch auf Landsat-5 durch den Thematic MapperTM mit einer Bodenauflösung von 30 m in 6 Spektralkanälen (plus einem Thermalkanal mit 120 m Auflösung) ergänzt. Ab 1999 folgte die verbesserte Version Enhanced Thematic Mapper Plus (ETM+) auf Landsat-7. Landsat-8 (ab 2013) erhielt neuartige Instrumente (OLI und TIRS). Der im September 2021 gestartete Landsat 9 führt leicht verbesserte Instrumente gegenüber der Vorversion mit. Aber die Daten der verschieden alten Systeme sind kompatibel, was der Erfassung von Veränderungen zugute kommt.
Russische Systeme und später vor allem das französische SPOT-Programm ergänzten die Möglichkeit, in hoher geometrischer und multispektraler Auflösung regelmäßig große Teile der Erdoberfläche aus dem Weltraum zu betrachten. Ende der 1990er Jahre kamen indische, chinesische und zunehmend auch auf kommerzieller Basis betriebene Satellitensystem zu dieser Beobachtungsflotte. Zu letzteren gehört das deutsch-kanadische RapidEye-System mit fünf Satelliten, welches mit einer geometrischen Auflösung von 6,5 m seit 2008 aktiv ist. In der Nachfolge sorgen die Landsat Data Continuity Mission (Landsat-8) und die europäischen Sentinel-2-Satelliten für eine regelmäßige Abdeckung der Erdoberfläche.
Lake George (Uganda) - ein Zentrum biologischer Vielfalt
Das folgende Bild des Sentinel-2 aus 2018 zeigt den Georgsee im Westen Ugandas. 1988 wurde der Georgsee aufgrund seiner Bedeutung als Zentrum für die biologische Vielfalt als erstes Ramsar-Gebiet in Uganda ausgewiesen. Der See bedeckt eine Fläche von etwa 250 km² und hat eine durchschnittliche Tiefe von etwa 2,4 m. Er wird von einem komplexen System von Flüssen und Bächen gespeist, die aus dem Ruwenzori-Gebirge entspringen und ein System permanenter Sümpfe um den See herum bilden.
In der Bildmitte ist ein hellgrüner Saum aus Feuchtgebietsgras am Rand des Sees zu erkennen. Die Feuchtgebiete bieten einen natürlichen Lebensraum für eine Reihe von Groß-Säugern, außerdem für über 150 Vogelarten.
Von oben betrachtet erscheint das Wasser des Georgsees aufgrund der dichten Konzentration von Blaualgen grün. Die Verschmutzung des Sees durch Metalle, das Ausfließen von Bergwerkswasser und der Abfluss von Agrarflächen haben das Wasser des Sees stark verschmutzt und beeinträchtigen seine Gesundheit erheblich.
Der Georgsee besitzt im Kazinga-Kanal in der Mitte des Bildes einen natürlichen Abfluss. Der breite, 32 km lange Kanal verbindet ihn mit dem Edwardsee, der an der Grenze zwischen Uganda und der DR Kongo liegt. Der Kazinga-Kanal fließt durch den fast 2000 km² großen Queen-Elizabeth-Nationalpark, für seine Tierwelt bekannt ist. Der Park ist auch für seine vulkanischen Besonderheiten bekannt, einschließlich der Vulkankegel und tiefen Krater, die auf dem Bild gestrichelt zu sehen sind. Viele enthalten Kraterseen, darunter der Katwe-Kratersee, dessen Salzablagerungen seit Jahrhunderten abgebaut werden.
Die hohe Wiederholrate des Sentinel-2 über demselben Gebiet und die hohe räumliche Auflösung ermöglichen eine genaue Beobachtung der Veränderungen in den Binnengewässern.
Monitoring von Pinguinkolonien in der Antarktis mit Hilfe der Fernerkundung
Pinguine sind ein zentrales Element im Ökosystem der Antarktis und des Südozeans. Sowohl als Prädator als auch als Nahrungsquelle für andere Tiere werden sie direkt von Umweltveränderungen beeinflusst. Die in einer Vielzahl von Kolonien beobachteten Bestandsveränderungen werden gegenwärtig dem Klimawandel und der marinen Fischerei zugeschrieben. Gleichzeitig sind Pinguine die einzige Organismengruppe der Antarktis, die mit Hilfe von Satelliten sicher beobachtbar ist.
In einer Studie des Umweltbundesamtes wurde untersucht, welche neuen Technologien sich für die Detektion antarktischer Pinguine eignen. Dies betrifft insbesondere neue Satellitenplattformen (z.B. Sentinel-2, SkySat), aber auch Drohnen (Multikopter, Starrflügler). Neue Verfahren der Klassifizierung von Fernerkundungsdaten werden entwickelt und getestet (GEOBIA, MPRM, Deep Learning), um eine höhere Ergebnisqualität und einen höheren Automatisierungs- und Operationalisierungsgrad zu erreichen. Ein Verfahren zur Bestimmung von Pinguinbrutpaarzahlen aus Drohnenaufnahmen konnte entwickelt werden, während die sichere Unterscheidung der Arten der Gattung Pygoscelis in Satellitenbildern noch immer nicht möglich ist.
Biomasse-Abschätzungen
Seit Beginn der Verfügbarkeit der Landsats gehören Abschätzungen der Biomasse zu den Anwendungen, sowohl der natürlichen Vegetation als auch im landwirtschaftlichen Bereich. Die Artenvielfalt der Vegetation, offenliegende Boden- und Gesteinsarten sowie die Landnahme durch den Menschen sind weitere Zielobjekte der Fernerkundung. Untersuchungen von Landnutzungsänderungen bilden heute unter anderm das Rückgrat für den Nachweis globaler Veränderungen.
Da diese Daten seit Anfang der 1970er Jahre zur Verfügung stehen - zumeist sehr kostengünstig oder sogar gratis (Landsat Data Access) - bilden diese mittlerweile die Grundlage vieler nationaler und internationaler Umweltkartierungsprogramme. Beispielsweise nutzt die Europäische Kommission in ihrem Programm CORINE solche Daten zur regelmäßigen Erfassung der Landnutzung in Europa, derzeit im 5-Jahres-Turnus.
Die Agenturen der Vereinten Nationen setzen solche Daten ein, um gezielt Maßnahmen zur Entwicklungshilfe sowie zur globalen Steuerung der Landnahme durch den Menschen zu beobachten. Der Schwund der Wälder, aber auch deren Wiederaufforstung, steht dabei im Blickpunkt der Diskussion um das Management des globalen Kohlendioxid-Haushalts.
Neue Entwicklungen
Die Anforderungen an die Kartierung der Landoberfläche sind seit der Verfügbarkeit von Satellitendaten gestiegen. Für die detaillierte Erfassung kleinräumiger Veränderungen in landwirtschaftlichen Gebieten oder bei der Ausbreitung urbaner Räume ist eine höhere geometrische Auflösung nötig. Um allerdings noch genauer die Arten der Vegetation und ihren Zustand sowie geologische Strukturen erfassen zu können, bedarf es einer besseren spektralen Auflösung. Neben den multispektralen Messinstrumenten mit bis zu 12 Kanälen werden deshalb in Zukunft hyperspektrale Sensoren mit über 200 Spektralkanälen erforderlich. Der deutsche Satellit EnMAP wird ab 2020 diesen Bedarf abdecken. EnMAP trägt abbildende Spektrometer, welche die Erdoberfläche in kontinuierlichen Spektren aus 250 schmalen Kanälen abbilden. Damit können quantitative, diagnostische Informationen über Vegetation, Landnutzung, Gesteinsoberflächen und Gewässer gewonnen werden. Die Daten geben Auskunft über die mineralogische Zusammensetzung der Gesteine, die Schädigung von Pflanzen durch Luftschadstoffe oder den Grad der Bodenverschmutzung.
Bezeichnung für Satelliten, die vorrangig zur Beobachtung und Überprüfung des Zustandes der Erde eingesetzt werden. Insbesondere dienen sie zur Erforschung der Erdatmosphäre (Zusammensetzung, Spurengaskonzentrationen, Isotopenhäufigkeiten, Temperaturbestimmung, Druckmessung etc.), der Landflächen (Vegetation, Bodenbeschaffenheit, Katastrophenmonitoring etc.), der Meeresoberfläche (Meeresoberflächentemperatur, Salinität, Algenwachstum, Verschmutzung etc.) und der Polkappen (Veränderungen der Eisbedeckung etc.).
Für Umweltsatelliten werden häufig polare Umlaufbahnen in ca. 400 bis 800 km Höhe gewählt. Ziel der Beobachtungen ist es, ein genaues Bild der Umweltveränderungen zu erhalten, um mit diesen Daten Vorhersagen für die zukünftige Entwicklung der Erde zu machen. Diese Beobachtungen erfolgen sowohl mittels Sensoren, die im sichtbaren und infraroten Bereich arbeiten, wie auch mit solchen die für Radarwellen und Magnetfelder empfindlich sind. Umweltsatelliten tragen häufig eine Vielzahl von Messinstrumenten. Der frühere europäische Umweltsatellit ENVISAT trug zum Beispiel zehn Fernerkundungsinstrumente zur Umweltbeobachtung. Weitere Umweltsatelliten-Missionen sind bzw. waren unter anderem Aura, SMOS, Sentinel-5P und die seit 2000 bzw. 2011 inaktiven ERS-1/-2. Auch die modernen Versionen der von der amerikanischen NOAA betriebenen Wettersatelliten werden wegen ihrer vielfältigen Funktionen als 'environmental satellites' bezeichnet.
Engl. Akronym für United Nations Platform forSPace-based Information for Disaster Management and Emergency Response; Plattform der Vereinten Nationen für raumfahrtgestützte Informationen bezüglich Katastrophenmanagement und Notfallmaßnahmen, die die Anwendung von raumfahrtgestützten Technologien für Katastrophenmanagement und Notfallmaßnahmen vermittelt. Sie wurde 2006 als ein Programm des Büros für Weltraumfragen (UNOOSA) gegründet.
SPIDER wird von der UNOOSA in Wien getragen und unterhält weitere Büros in Peking und Bonn. Das vom DLR unterstützte Bonner Büro gilt als entscheidende Schnittstelle zwischen Katastrophenschutzeinrichtungen und Raumfahrtbehörden. Aufgabe des Bonner Büros ist es, Informationen und Daten eigenständig und fachgerecht im Rahmen des vollständigen Katastrophenmanagement-Zyklus aufzuarbeiten und weiterzugeben. Dazu dient ein webgestütztes Zugangsportal. Das DLR unterstützt SPIDER durch die Bereitstellung von Services des DLR ZKI, wie beispielsweise die satellitengestützte Schnellkartierung oder Trainings- und Schulungsveranstaltungen.
Durch die Auswirkungen von Klimawandel und Landdegradation in Kombination mit einem weltweiten Bevölkerungswachstum nimmt die globale Verwundbarkeit gegenüber Naturkatastrophen stetig zu. Erdbeben, Überflutungen, Wirbelstürme und andere Katastrophenereignisse führen jedes Jahr zu verheerenden menschlichen, gesellschaftlichen und ökologischen Folgeschäden. Solche Schäden können jedoch mithilfe besserer Informationen über die Eintrittswahrscheinlichkeit von Katastrophen sowie durch adäquate Beobachtungs- und Frühwarnsysteme vermieden werden. Aus diesem Grund wurde am 14. Dezember 2006 die Resolution 61/110 durch die Generalversammlung der Vereinten Nationen angenommen, die die Bedeutung der Raumfahrttechnologie für das Katastrophenmanagement hervorhebt. Erdbeobachtungs- sowie Wetter-, Kommunikations- und Navigationstechnologien sind für das Katastrophenmanagement von immenser Bedeutung, da sie zuverlässige und zeitnahe Informationen liefern. Ein zentraler Bestandteil der Tätigkeiten von UN-SPIDER besteht in der systematischen Beschaffung, Aufarbeitung und Vermittlung von Wissen. Das UN-SPIDER-Wissensportal bietet den Anwendern die Möglichkeit, relevante Informationen zu finden.
Das Herzstück des Wissensportals ist die Space Application Matrix, eine umfassende Suchmaschine, die den Zugang zu Forschungsarbeiten und Fallstudien zur Anwendung unterschiedlicher raumfahrtgestützter Ressourcen in Bezug auf den gesamten Katastrophenmanagementzyklus ermöglicht. Das Portal beinhaltet außerdem Berichte über aktuelle Ereignisse aus den Bereichen Katastrophenmanagement und Raumfahrt, Informationen über Workshops, Weiterbildungsmaßnahmen sowie nähere Angaben über die Partnerorganisationen von UN-SPIDER.
Neben dem Wissensmanagement steht auch Öffentlichkeitsarbeit bei UN-SPIDER im Vordergrund. Um die Nutzung von raumfahrtgestützten Informationen im Katastrophenmanagement zu stärken, muss viel Überzeugungsarbeit geleistet werden, um Veränderungen von Einstellungen und Verhalten hervorzurufen. Über seine Webseite, aber auch über Veranstaltungen, Publikationen und Social Media spricht UN-SPIDER neue und bestehende Nutzergemeinschaften an, schließt neue Partnerschaften und kann den Weg für innovative technische Lösungen ebnen.
Ein weiterer wesentlicher Bestandteil der Arbeit von UN-SPIDER sind technische Beratungsaktivitäten. Um das Katastrophenmanagement zu verbessern, unterstützt UN-SPIDER Mitgliedsstaaten dabei, vorhandene Kapazitäten in Bezug auf die Anwendung raumfahrgestützter Informationen zu identifizieren, die institutionellen Strukturen zu analysieren und eventuelle Hürden aufzuzeigen, welche die Verwendung von raumfahrtgestützten Informationen erschweren. Diese technische Beratung dient dazu, Mitgliedsländern zu helfen, Einschränkungen zu überwinden, beispielsweise durch internationale Kooperation, Netzwerken mit regionalen Institutionen und das Erstellen von Katastrophenmanagementplänen. Die Beratung umfasst regional Aspekte, wie beispielsweise grenzübergreifende Probleme, Notfallmaßnahmen, GIS-gestützte Katastrophenmanagement-Systeme sowie Maßnahmen, um die Wahrscheinlichkeit von Katastrophen zu reduzieren. Solche Beratungsmaßnahmen können in Form von einfachen Telefongesprächen oder aber in Form von technischer Unterstützung, Vor-Ort-Beratung, Trainingsmaßnahmen und Workshops erfolgen. Die technischen Beratungsaktivitäten stützen sich auf drei Aspekte: Technische Beratungsmissionen, Kompetenzbildung und technische Beratung im Krisenfall.
Die UNESCO tritt für eine möglichst globale Nutzung der Fernerkundung in den Geowissenschaften ein, einerseits für die globale Beobachtung der Erdoberfläche und der Atmosphäre mit guter räumlicher Auflösung und andererseits für die fortlaufende Überwachung (Monitoring) eines Gebiets und auch der Atmosphäre. Dazu geht sie Partnerschaften mit nationalen und regionalen Raumfahrtbehörden wie der ESA ein, in denen diese Daten frei an wissenschaftliche Institute und die lokale Verwaltung in Entwicklungsländern abgeben. Einerseits werden damit globale Kooperationen und Forschungsprojekte in den Geowissenschaften möglich (Programm GARS), andererseits gelingt die Überwachung von Stätten des UNESCO-Welterbes und von UNESCO-Biosphärenreservaten (Open Initiative).
UNESCO-Welterbestätten und UNESCO-Biosphärenreservate dienen dem Schutz einzigartiger kultureller Schätze und repräsentativer Ökosysteme. Dieser Schutz gelingt nur bei verlässlicher Beobachtung, für die Industriestaaten Gesetze erlassen haben und Personal abstellen. In Entwicklungsländern überfordert eine wirksame Beobachtung häufig die technischen, finanziellen und personellen Ressourcen. Bei Bedarf springt die UNESCO im Rahmen der "Open Initiative" mit den Möglichkeiten der Fernerkundung aus dem Weltraum ein.
Alle UNESCO-Projekte der Fernerkundung beruhen auf konkreten Anfragen der Mitgliedstaaten. Zum Beispiel trat Peru an die UNESCO heran, um aus dem Weltraum kleine, aber auf Dauer zerstörerische Bewegungen der Berge unter der Welterbestätte Machu Picchu zu messen. Der Irak benötigte Hilfe bei der Beobachtung von archäologischen Stätten und deren Schutz vor Plünderung. Zentralasiatische Staaten wollten die im Altaï-Gebirge vom Auftauen des Permafrostbodens bedrohten archäologischen Stätten rechtzeitig aufspüren und retten. Brasilien und Argentinien wollten langfristig den Siedlungsdruck auf den Nationalpark Iguaçu messen.
Jedes Projekt der Fernerkundung stellt neue, andere Anforderungen und braucht andere Partner. Die UNESCO greift dabei auf fest etablierte Kooperationsbeziehungen mit großen regionalen und nationalen Fernerkundungsorganisationen zurück. Dazu gehören etwa die Europäische Raumfahrtbehörde ESA oder das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt DLR. Sie verfügt über bewährte Partnerinstitute an vielen Universitäten weltweit, in Deutschland zum Beispiel in Freiburg oder München.
In Absprache mit dem Staat, der ein bestimmtes Fernerkundungsproblem artikuliert, realisiert die UNESCO ein Projekt auf der Basis der geeigneten technischen Mittel wie Radarfernerkundung oder optischer Überwachung. Sie tritt an die Raumfahrtorganisation heran, die geeignete technische Möglichkeiten bietet, und sucht die Forschungseinrichtung oder Universität, welche die von den Fernerkundungsorganisationen bereit gestellten Daten am besten aufbereiten kann. Zur Weiterverarbeitung der von Organisationen wie der ESA bereit gestellten Daten wird eine IT-Lösung für die jeweilige Welterbestätte oder das jeweilige Biosphärenreservat maßgeschneidert. Die von den Fernerkundungsorganisationen zur Verfügung gestellte Datenqualität wird so optimiert.
Begleitend werden vor Ort Referenzmessungen durchgeführt, GPS-Daten erhoben und die Mitarbeiter der lokalen Verwaltung im Umgang mit den IT-Lösungen geschult. Die IT-Lösungen werden von Einrichtungen wie dem jeweiligen meteorologischen Dienst gehostet. So wird sichergestellt, dass die IT-Lösung auch Jahre später noch funktioniert und verlässliche Daten an die Welterbestätte oder das Biosphärenreservat liefert.
An den Projekten sind oft mehrere Länder beteiligt: Die Welterbestätte im jeweiligen UNESCO-Mitgliedstaat, die Fernerkundungsorganisation in einem anderen Staat und die mit der Datenaufbereitung befasste Universität in einem dritten Land. Die UNESCO steht als neutraler Mittler dafür ein, dass die erhobenen Daten nur zu dem vorgesehen Zweck verarbeitet werden. Sie führt die am besten füreinander geeigneten Partner zusammen, unterstützt die Projektdefinition, sichert die Projektbeendigung und hilft dabei, finanzielle Mittel aufzutreiben. Mit dieser Methodik hat die UNESCO in den vergangenen Jahren zum Erfolg von mehreren Dutzend Projekten beigetragen. Seit Oktober 2007 ist dies ein gemeinschaftliches Projekt des UNESCO-Welterbezentrums und des naturwissenschaftlichen Sektors der UNESCO.
Neben den genannten Fernerkundungsprojekten im Altaï-Gebirge, im Irak, in Machu Picchu und entlang der Iguaçu-Wasserfälle betreut die UNESCO derzeit Projekte im Kongo, in Guatemala und entlang des mittelamerikanischen "Biologischen Korridors".
Engl. für "Unbemanntes Luftfahrzeug", laut ICAO veralteter Begriff, abgelöst durch Unmanned Aircraft System (UAS), dennoch teilweise noch gebräuchlich; s. Drohne
Engl. für "Unbemanntes Flugsystem"; Luftfahrzeug, das ohne eine an Bord befindliche Besatzung autark durch einen Computer oder vom Boden über eine Fernsteuerung betrieben und navigiert werden kann. Mit Unmanned Aircraft System (UAS) erfolgte gemäß ICAO eine neuere allgemeine Bezeichnung und löste die Bezeichnung UAV ab. Der Begriff UAS bezieht neben dem Fluggerät (UAV) aber alle Teile des Gesamt-Systems (z. B. Steuerelemente, Bodenstationen etc.) mit ein. Eine Klassifizierung und Kennzeichnung von unbemannten Luftfahrtsystemen in Deutschland liegt noch nicht vor. Das Deutsche Institut für Normung e. V. plant hierzu ein Projekt zur Neuentwicklung einer Taxonomie für Unmanned Aerial Systems (UAS).
Ein typisches UAS-System für die Fernerkundung besteht aus einem mit Treibstoff oder Strom angetriebenen Flugkörper, einem Navigationssystem, einem oder mehreren bildgebenden Sensoren und dem Kommunikationssystem. In der Praxis werden sowohl UAS mit starren Flügeln als auch mit Rotoren eingesetzt. Starrflügler erreichen bei gleicher Nutzlast generell längerer Flugzeiten. Rotorlösungen, wie z.B. Quadkopter, Hexakopter und Oktokopter werden von der Forschung bevorzugt, da sie einen bessere Manövrierbarkeit erreichen und daher nahezu überall eingesetzt werden können.
Flugdauer und Flughöhe eines UAS werden im Wesentlichen durch die verfügbare Bordenergie vorgegeben und zudem durch die gesetzlichen Regelungen für unbemannte Flugsysteme in dem betreffenden Gebiet bestimmt. Die meisten gesetzlichen Regelungen weltweit erlauben lediglich eine Flughöhe von etwa 150 m und einen Betrieb auf Sichtweite.
Der besondere und einzigartige Vorteil UAS-gestützter Fernerkundung ist die hohe zeitliche Auflösung mit der die hochaufgelösten fernerkundlichen Daten erhoben werden können. Da unterhalb der Wolken geflogen werden kann, ist es möglich nahezu an jedem Tag zu fliegen. Man ist also nicht mehr unbedingt auf wolkenlosen Himmel angewiesen, sondern kann auch bei bedecktem Himmel fliegen, was insbesondere die spektrale Kalibrierung stark vereinfachen kann, da die bidirektionalen Reflektionseigenschaften (engl. Bidirectional Reflectance Distribution Function, BRDF) des direkt einfallenden Sonnenlichts nicht berücksichtigt und modelliert werden müssen.
Engl. Akronym für United Nations Office for Outer Space Affairs, dt. Büro der Vereinten Nationen für Weltraumfragen mit Sitz in Wien; das Büro ist für die Förderung internationaler Zusammenarbeit in der friedlichen Nutzung des Weltraums verantwortlich. Diese Zusammenarbeit soll genutzt werden, um wirtschaftliche und soziale Entwicklung voranzutreiben, besonders zugunsten von Entwicklungsländern. Das Büro ist zuständig für die Umsetzung des Programms der Vereinten Nationen für angewandte Weltraumtechnik. Dieses Programm soll den Mitgliedstaaten, vor allem aber Entwicklungsländern, Zugang zu Weltraumtechnologie und wissenschaftlichen Erkentnissen sowie deren Anwendungen ermöglichen. Mit Hilfe dieser Erkentnisse soll die soziale und wirtschaftliche Entwicklung in diesen Ländern beschleunigt werden.
Im Rahmen dieses Programmes organisiert das Büro für Weltraumfragen Lehrgänge, Tagungen, Seminare und andere Veranstaltungen. Ziel dieser Veranstaltungen ist es, in Entwicklungsländern ein Bewusstsein für die Möglichkeiten der Anwendungen von Weltraumwissenschaft und -technik zu schaffen und die Kapazitäten in diesen Ländern in Bereichen wie Fernerkundung, Satellitenkommunikation, Satellitenmeteorologie, Grundlagen der Weltraumwissenschaften, Satellitennavigation, sowie Weltraumrecht zu stärken.
Da das Büro nur mit der zivilen Nutzung des Weltraums betraut ist, werden militärische Weltraumangelegenheiten von der UN-Konferenz für Abrüstung (UNCD) in Genf behandelt.
Das Büro setzt die Entscheidungen der Generalversammlung um, als auch die Entscheidungen des Ausschusses für die friedliche Nutzung des Weltraums, und dessen zwei Unterausschüsse Recht, und Wissenschaft und Technik.
Engl. Akronym für UNITAR’S Operational Satellite Applications Programme; Satellitenbeobachtungsprogramm des Ausbildungs- und Forschungsinstitut der Vereinten Nationen (UNITAR, United Nations Institute for Training and Research) in Zusammenarbeit mit dem Entwicklungsprogramm der Vereinten Nationen (UNOPS) und der Europäischen Organisation für Kernforschung (CERN) in Genf. Es dient zur Versorgung der internationalen Gemeinschaft und insbesondere von Entwicklungsländern mit freien Satellitenbildern und GIS-Diensten. Diese Angebote betreffen vor allem humanitäre Hilfsaktionen, Katastrophenvorsorge und Wiederaufbauphasen nach Katastrophenereignissen. Der Auftrag basiert auf einem Mandat der UN-Vollversammlung von 1963. Das Motto der UN-Institution lautet: "UNOSAT solutions for all".
UNO-Flüchtlingslager im Norden von Jordanien
Diese Karte zeigt mit Satelliten aufgespürte Schutzbauten und andere Gebäude im Flüchtlingslager Al Zaatari im jordanischen Mafraq Governorate.
Bis zum 15. April 2013 wurden auf dem 531,44 ha großen Lagergelände insgesamt 25.378 Schutzbauten registriert, sowie 1.451 Gebäude für die Infrastruktur, Verwaltung u.ä. Das Bild zeigt auch Bereiche, in denen Erweiterungen für neue Flüchtlinge vorbereitet werden.
Diese konkrete Aufnahme war zur Zeit der Übernahme in das Lexikon noch nicht vor Ort validiert. Nutzer vor Ort waren aufgerufen, entsprechende Rückmeldungen an UNITAR/UNOSAT zu schicken.
Die Karte entstand auf der Grundlage von Satellitenaufnahmen von Pleiades (15.4.2013) und World View-1 (31.3.2013) unter Verwendung von ArcGIS 10.1
Syn. automatische Klassifizierung, ISODATA-Klusterung; engl. unsupervised classification, franz. classification non dirigée,classification non supervisée; statistisches Verfahren, das bei digitaler Bildbearbeitung Klassenbildungen ohne Referenzdaten, d.h. ohne Vorgaben aus Trainingsgebieten ermöglicht. Ziel dieser Verfahren ist, Bildelemente, die im Merkmalsraum durch Merkmalsvektoren dargestellt werden, so in Cluster zusammenzufassen, dass jede dieser Ballungen einer homogenen Bildregion entspricht. Die Cluster werden aufgrund der Ähnlichkeit der Pixel gebildet, wobei Ähnlichkeit durch Nachbarschaft im Merkmalsraum operationalisiert wird. Hierbei werden vorab keine Informationen über die zu ermittelnden Cluster benötigt. Der Bearbeiter bestimmt lediglich die Clusterzahl.
Sämtliche Bildelemente werden also lediglich aufgrund statistischer Parameter verschiedenen Klassen zugeordnet. Der Bearbeiter hat die Aufgabe, die aufgefundenen Klassen nachträglich thematisch zu definieren, wobei üblicherweise verschiedene Referenzinformationen (Geländeerhebungen, Spektralmessungen, Karten usw.) genutzt werden.
Dem Rechner wird unter Vorgabe bestimmter Parameter überlassen, die Zuordnung der Rasterpixel zu verschiedenen Spektralklassen durchzuführen. Im ersten Schritt wird mit einer Clusterbildung (Wertegruppierung basierend auf ähnlichen statistischen Eigenschaften) in einer Satellitenbildszene untersucht, wieviele ähnliche Rasterzellenwerte (sie entsprechen den Farben im Bild) vorliegen und zu einem Wert zusammengefasst werden können. Vergleichbar ist das mit der Erstellung einer Legende bei einer Karte, bei der zunächst untersucht wird, wie viele Kartensignaturen es überhaupt gibt. Die Zuordnung zu den räumlichen Einheiten erfolgt später im zweiten Schritt. Der iterativ Clusteralgorithmus berechnet zunächst also Clustermittelwerte und Kovarianzmatrizen. Dafür wird eine Auswertung der Häufigkeitsverteilung der einzelnen Rasterwerte in den einzelnen Kanälen (zwei- bis mehrdimensional) durchgeführt.
Als Ergebnis bilden sich abgegrenzte "Punktwolken", also die Abgrenzung von Häufigkeitskonzentrationen (vgl. Abb.). Jede "Wolke" charakterisiert eine bestimmte Objektreflexion und wird als eine Klasse (Cluster) zusammengefasst. Sie steht in direktem Zusammenhang mit den kanal- und pixelweise ermittelten Objektreflexionen. Aus diesem Grunde werden auch mindestens zwei Bilddatensätze benötigt, um eine Clusterung durchzuführen. Mit diesen gewonnenen statistischen Werten erfolgt dann die räumliche Zuordnung der einzelnen Pixel nach der größten Wahrscheinlichkeit ihrer Klassenzugehörigkeit (Maximum Likelihood Diskriminant-Analyse).
Die Verfahren unterscheiden sich u.a. in den Eingangsparametern, teilweise werden Angaben wie z.B. Klassenanzahl oder Festlegung der Keimpunkte, d.h. jener Punkte, die als Ursprung einer Klasse dienen, benötigt.
Im Gegensatz zur überwachten Klassifizierung liegen Informationen zu thematischen Inhalten bzw. Zugehörigkeiten zu tatsächlichen Objektklassen zunächst nicht vor. Sie werden in der Nachbearbeitung zugewiesen, sofern dies überhaupt möglich ist.
Clusterverfahren haben einen besonderen Nutzen, wenn man nur wenig Wissen über das Gebiet hat oder keine falschen Wissensaspekte in den Klassifikationsprozess mit einfließen lassen möchte. Sie können auch als Vorprozessierungsschritt zur überwachten Klassifikation genutzt werden.
Häufigkeitsverteilung der Pixelwerte zweier Satellitenbildkanäle im zweidimensionalen Merkmalsraum (Beisp.: LANDSAT-TM)
Unüberwachte Klassifizierung
Die unüberwachte Klassifizierung ist die Zuordnung der Rasterpixel zu verschiedenen Spektralklassen auf automatisiertem Wege. Dabei wird dem Rechner unter Vorgabe bestimmter Parameter überlassen, diese Zuordnung durchzuführen.
Als Ergebnis bilden sich abgegrenzte "Punktwolken" (vgl. Abb.). Jede "Wolke" charakterisiert eine bestimmte Objektreflexion und wird als eine Klasse (cluster) zusammengefasst.
Mit diesen gewonnenen statistischen Werten erfolgt dann die räumliche Zuordnung der einzelnen Pixel nach der größten Wahrscheinlichkeit ihrer Klassenzugehörigkeit (Maximum Likelihood Diskriminant-Analyse).
In der Raumfahrt wird zwischen „Upstream“- und „Downstream“-Sektoren unterschieden. Upstream umfasst alle Aktivitäten, die zu einer Entwicklung von Infrastruktur für die Raumfahrt führen wie Forschung und Entwicklung, Satellitenproduktion, Trägersysteme und den gesamten Betrieb dieser Infrastruktur. Der Downstream-Bereich basiert im Wesentlichen auf der kommerziellen Nutzung von Daten und Services für Endkunden auf der Grundlage von Kommunikation, Navigation und Erdbeobachtung (European Space Policy, European Parliament, Januar 2017).
Engl. Akronym für United States Geological Survey; dem US-amerikanischen Innenministerium unterstehende Behörde zur Ermittlung und Verbreitung von erdbezogenen Informationen für Entscheidungsträger und für die Öffentlichkeit auf wissenschaftlicher Grundlage.
Der U.S. Geological Survey wurde 1879 durch einen Erlass des Kongresses gegründet und hat sich im Laufe der Jahrzehnte weiterentwickelt, indem er seine Expertise und sein Wissen an den Fortschritt von Wissenschaft und Technologie angepasst hat.
Die Arbeit der Organisation erstreckt sich auf die Disziplinen Biologie, Geographie, Geologie und Hydrologie. Der USGS ist eine Forschungsorganisation, die Fakten sammelt und nicht für Regulierungsaufgaben zuständig ist. Für seine Arbeit stehen dem USGS ca. 1,3 Mrd. $ für das Fiskaljahr 2023 zur Verfügung. Der USGS beschäftigt etwa 8.670 Mitarbeiter und hat seinen Hauptsitz in Reston, Virginia. Der USGS hat auch größere Büros in der Nähe von Lakewood, Colorado, im Denver Federal Center und in Menlo Park, Kalifornien.
Tausende von Partnern und Kunden schätzen sein naturwissenschaftliches Fachwissen und seinen umfangreichen Bestand an geologischen und biologischen Daten.
Die Aufgaben des USGS gliedern sich in vier Hauptbereiche
Bereich
Aktivitäten
Naturrisiken
Forschung, Information und Warnung bzgl. Erdbeben, Vulkanausbrüche, Bergrutsche, geomagnetische Stürme, Hochwasser, Dürren, Sturmfluten, Waldbrände, Fisch- und Wildkrankheiten, Ausbreitung fremder Organismen
Verständnis für die physikalischen, chemischen und biologischen Prozesse in der Natur und deren Interaktion mit dem menschlichen Handeln; Verständnis für Prozesse der Umweltbelastung; Kohlenstoffkreislauf; wissenschaftlich fundiertes Verständnis für gefährdete Ökosysteme wie die Everglades, Chesapeake Bay, San Francisco Bay; Biodiversität
Information und Datenmanagement
Information als Schlüssel zum Verständnis der Erde; umfassendes Angebot für alle Adressatengruppen; Portal zu reichhaltigen Datenbanken, manipulierbaren Karten, Satellitenbildern, Echtzeit-Informationen; verfügbar auch über Internet und CD-ROM
Der USGS stützt sich bei seiner Arbeit sehr stark auf Methoden der Fernerkundung, insbesondere mit Hilfe von Landsat-Daten.
