Ganz weit oben
Ein Bild sagt mehr als tausend Worte. Ein hochauflösendes aus dem Weltall ganz besonders. Seit Ende 2006 ist Deutschland dafür nicht mehr auf fremde Hilfe angewiesen. Y. liefert den Überblick.
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Countdown. Die 108 Tonnen schwere Cosmos 3M-Trägerrakete des russischen Weltraumspediteurs Rosboronexport steigt unter Getöse vom russischen Weltraumbahnhof Plessezk aus ins All. An Bord: eine besondere Fracht, die unter strengen Sicherheitsvorkehrungen zum Startplatz eskortiert wurde: SAR-Lupe, der erste deutsche Aufklärungssatellit.
Schon kurze Zeit später kommen aus rund 500 Kilometern Höhe die ersten Signale — ein Erfolg. Am 19. Dezember 2006 startet gut 800 Kilometer nördlich von Moskau nicht nur ein Stück nationaler Hochtechnik, sondern auch der lang ersehnte erste Schritt, eine große Fähigkeitslücke der Bundeswehr zu schließen: eigene Bilder aus dem All zu bekommen.
Noch dazu mit abbildender Radartechnik. Denn die Bundeswehr hat sich mit diesem Raketenstart immerhin auf Platzdrei der Weltrangliste für militärische hochauflösende Radaraufklärung katapultiert. Bislang waren nur die USA und Russland fähig, aus dem All ausgesandte Radarsignale zu hochauflösenden Bildern zusammenzufügen und verzugslos für ihr Lagebild zu nutzen.
Aufklärung statt Spionage
„Spionage“ ist der erste Begriff, der bei militärischen Satelliten in den Sinn kommt. Das Wort „Aufklärung“ ist aber nicht nur feiner, sondern auch richtiger. Denn anders als ein James Bond, der mit seiner Minikamera hinter feindlichen Linien Bilder macht, verletzen die hochfliegenden Technikwunder im All keine Hoheitsgrenzen — das All ist für jeden nutzbar.
Für den chinesischen Militärtheoretiker Sun Tsu waren solche Mittel noch undenkbar. Aber die Grundsätze von Nachrichtengewinnung und Aufklärung hat er bereits um das Jahr 350 vor Christus in „Die Kunst des Krieges“ niedergeschrieben. Spione seien immer auch Agenten der Informationsbeschaffung: „Von ihnen hängt die Fähigkeit der Armee ab, sich zu bewegen.“
Jede Aufklärung vom Boden aus findet ihre Grenze am Horizont. Und so wurden schon die ersten Fluggeräte genutzt, um dieser Einschränkung zu entfliehen, auch bildlich den Überblick zu bekommen. Im amerikanischen Bürgerkrieg von 1861 bis 1865, im deutsch-französischen Krieg 1870/71 und schließlich im Ersten Weltkrieg stiegen erste Fesselballons zu Aufklärungsflügen auf.
Die Fotografie entwickelte sich weiter und fand mit der ebenfalls aufstrebenden Flugzeugtechnik eine passende Plattform. Bislang ging es, auch im Zweiten Weltkrieg, hauptsächlich um die Erfassung des näheren taktischen Umfelds. Mit Beginn des Kalten Krieges aber hatte der Westen mit der schieren Größe der Sowjetunion ein Problem: Flüge waren immer ein großes persönliches und politisches Risiko — und die wirklich interessanten Objekte lagen tief und unerreichbar im Hinterland, etwa Panzerfabriken hinter dem Ural oder die Liegeplätze von Atom-Ubooten im Kola-Fjord.
Die CORONA-Satelliten
Das technische Wettrüsten kam zurück auf den Boden der Tatsachen, als die sowjetische Luftabwehr am 1. Mai 1960 einen U-2-Höhenaufklärer der US Air Force über Sverdlowsk mit einer neuen Luftabwehrrakete abschießen konnte.
Pilot Gary Powers rettete sich zwar mit dem Fallschirm. Durch seinen Schauprozess in der Sowjetunion erfuhr aber erstmals die breite Öffentlichkeit von dem Spionagewettkampf in 20.000 Metern Höhe. Die Verantwortlichen erkannten, dass die Lösung nicht in noch größeren Flughöhen, sondern noch darüber: in Umlaufbahnen lag.
Schon seit 1955 forschten die USA an Aufklärungssatelliten mit Fotokameras. Ihr Problem: Wie sollten die Bilder wieder zur Erde zurückkommen, 40 Jahre vor digitalen Breitbandverbindungen? Ihre Lösung von damals erscheint noch heute als gewagt: Die CORONA-Satelliten, so der inoffizielle Name der als Wettersatelliten getarnten Startreihe, sollten beim Überflug über Alaska die Filmkapseln in die Atmosphäre ausstoßen, so dass ein Spezialflugzeug sie in der Luft nahe von Hawaii auffangen konnte.
CORONA XIII lieferte 1960 erstmals brauchbare Aufnahmen sowjetischer Anlagen. Schon an den Satellitennummern ist zu erkennen, dass dieses Projekt eine ausgesprochen teure Sache mit kurzem Nutzen und langfristigen Folgen war. Denn die ersten Modelle hatten nur eine Lebensdauer von wenigen Tagen und waren — nach Verbrauch des Filmmaterials an Bord — nutzloser Weltraummüll, der bis heute die Planer von Weltraummissionen beschäftigt — Schrott ist eine Gefahr.
Die Technik verbessert sich
Das Modell KH-9 (für Key-Hole, also Schlüsselloch) der Folgeserie trug ab 1971 die beste und schwerste bis dahin je gebaute Kamera und drückte die Abbildungsauflösung von vorher 12 Metern auf etwa 60 Zentimeter — weiterhin mit Film. Dafür trugen diese Satelliten auch den Beinamen „Big Bird“, denn die Masse von 13,3 Tonnen war nicht nur für damalige Verhältnisse gigantisch.
Die Lebensdauer stieg und der 1984 gestartete letzte KH-9 blieb 275 Tage in Nutzung. Zum Vergleich: Das deutsche System SAR-Lupe ist für eine Lebensdauer von zehn Jahren ausgelegt und jeder Satellit wiegt 770 Kilogramm. Mit der KH-11 und KH-12-Serie starteten zwischen Ende 1976 und 1996 mit insgesamt zwölf Satelliten die ersten Digitalkameras ins All. Die Bildsensoren waren bereits CCDs, also Halbleiterbauelemente, die Licht direkt in Spannung umsetzen — wie auch heute in jeder Handykamera enthalten.
Die Linsen waren allerdings größer; bis zu zwei Metern Durchmesser. Genaue Daten? Fehlanzeige! Nur die allerersten Satellitengenerationen wurden schon aus der Geheimhaltung herausgenommen. Selbst veröffentlichte Bilder wurden vorher meist retuschiert. Das Material erlaubt aber den Rückschluss auf eine Abbildungsauflösung von etwa 30 Zentimetern.
Doch egal ob am Boden, aus der Luft oder aus dem All — optische Aufklärung scheitert immer dann, wenn es nichts zu sehen gibt. Also, wenn es dunkel ist, Wolken die Sicht versperren oder Nebel am Boden hängt. Mitte der 80er-Jahre entwickelten die Vereinigten Staaten für solche Fälle die LACROSSE-Satelliten. Ihre selbst ausgesandten Radarwellen durchdrangen auch die dickste Wolkendecke. Drei Stück starteten zwischen 1988 und 1997. Die US-Raumfahrtbehörde NASA nutzte sie auch zur Erforschung der von dichten Wolken umschlossenen Venusoberfläche.
Gefährlicher Weltraumschrott
Während die optischen Aufklärungssatelliten neben Treibstoff für Bahnkorrekturen nur wenig Energie für die Bilder brauchen und diese durch Solarflächen gewinnen, sieht das bei Radarsatelliten ganz anders aus. Sie strahlen Mengen von Radarenergie ab, die ihren Weg zurück zur Auswertung beim Sender finden mussten.
Während die USA dafür extrem große Solarflächen entwickelten, baute die Sowjetunion beim Wettrüsten im All auf kleine Atomreaktoren, die an Bord der Satelliten in die Umlaufbahn gingen. Das Entsorgungsproblem wollten die Sowjettechniker so lösen: Vor Absturz aus der Umlaufbahn zum Ende der Lebensdauer sprengte sich der Reaktor in mehrere Teile. Diese verglühten dann in der Atmosphäre oder wurden in die Weiten des Alls geschleudert – so der Plan. Das funktionierte aber nicht immer.
So etwa 1978, als eines der Modelle über der kanadischen Tundra abstürzte und am Boden zu radioaktiven Verseuchungen führte. Oder 1983, als COSMOS 1402 in den Indischen Ozean stürzte. Die UdSSR setzte anders als die USA schon früh auf Radarsatelliten. Sie legte darauf sogar einen Schwerpunkt ihrer Entwicklungsarbeit. Denn nur mit bestimmten Radarwellen lassen sich auch die obersten Wasserschichten durchdringen, um etwa getauchte Uboote zu entdecken oder um in den Boden zu blicken.
Radar durchdringt Dunkelheit, Wolken und Nebel und erfasst anders als eine Fotokamera auch Höhenschichtungen im Gelände — und das binnen einiger Stunden von praktisch jedem Ort der Erde. Richtig nützlich ist aber erst die Kombination beider Systeme: Radar und optisch.
Eigene Augen im All
Dann, mit Ende des Kalten Krieges, entstand auch in Europa der Wunsch nach eigenständigen Satellitenfähigkeiten. So startete Frankreich 1995 mit HELIOS 1 seinen ersten militärischen Aufklärer ins All. Auch der zivile Satellitenmarkt boomt. Was diese Systeme leisten, kann heute jeder mit einem Klick in Google Earth bewundern und bestaunen.
Trotz der nun eigenen Augen im All ist auch die Bundeswehr Kunde: „Wir nutzen seit Jahren auch Produkte von kommerziellen Satellitenbetreibern. Aber schnell, unabhängig und in dieser Qualität Material wie von SAR-Lupe zu bekommen, ist ein Quantensprung“, freut sich Oberst Reinhard Pfaff.
Als Abteilungsleiter Satellitengestützte Aufklärung (SGA) im Kommando Strategische Aufklärung der Bundeswehr kann er nun ernten, was er als Projektoffizier und Referent im Ministerium seit Jahren begleitete. Schon jetzt experimentieren seine rund 100 Soldaten und zivilen Mitarbeiter mit den Daten aus der Kalibrierungsphase von SAR-Lupe Nummer 1, dessen Betrieb am 8. Januar 2007 vom Hersteller an die Bundeswehr übergeben wurde.
Der zweite Start ist für Anfang Juli geplant und bis Ende 2008 soll mit fünf Satelliten das gesamte Raumsegment einsatzbereit sein. Gebaut werden die künstlichen Himmelskörper von der OHB System AG aus Bremen, einer im Vergleich zum damaligen Wettbewerber EADS kleinen und spezialisierten Firma. Ihr Konzept: die Firmen mit den besten Komponenten als Zulieferer zu gewinnen. „Das Beste, was in Europa zu finden war, haben wir bei OHB noch verbessert“, erklärt der Vorstandsvorsitzende, Professor Manfred Fuchs.
Das Auftragsvolumen: rund 345 Millionen Euro, inklusive der Bodenstation. Und in der liegt Pfaffs Arbeitsplatz, streng abgeschirmt in Gelsdorf südlich von Bonn auf dem Gelände des Zentrums für Nachrichtenwesen der Bundeswehr (ZNBw). Hier sitzen die anderen zwei Elemente des Gesamtsystems: das Satelliten- und das Nutzerbodensegment.
Vorhandene Informationen neu auswerten
„Das Satellitenbodensegment ist die Schnittstelle zwischen Himmel und Erde“, erklärt er, „dort wird der Kontakt zu den Satelliten gehalten, insbesondere werden der technische Zustand und die Bahn überwacht.“
Sozusagen der technische Betriebsdienst inklusive Datenübertragung und Kurskorrekturen. Im selben Gebäude sitzt mit dem Nutzerbodensegment des Kommandos Strategische Aufklärung die Schnittstelle der Bedarfsträger zum System SAR-Lupe. Nämlich die Auftragssteuerung, die alle Anforderungen entgegennimmt, auswertet, plant und bedient.
Hier läuft abseits der rein satellitentechnischen Verfahren im Schichtbetrieb das Kerngeschäft der Abteilung SGA: die Bereitstellung der gewünschten Produkte an die Bedarfsträger. Ein Bild einer Brücke für eine Übung der NATO Response Force? Aktuelles Material über den Bebauungsgrad um eine deutsche Botschaft in einem krisengeschüttelten Land? Pfaff: „Mit dem neuen System kein Problem. Zunächst steht aber das ZNBw als Zwischenstation und prüft, ob der Informationsbedarf des Kunden nicht bereits anders gedeckt werden kann.“
Gerade in Einsatzgebieten sind viele Infos schon vorhanden und in verwertbarer Form, etwa im Geoinformationssystem zusammen mit Kartendaten, gespeichert. SAR-Lupe ist dabei nur eines der Mittel, wenn auch eins mit großen Möglichkeiten. Die Erfahrungen bei der Einordnung (Referenzierung) von Aufklärungsmaterial in Kartensysteme macht man sich neuerdings auch bei den Videoaufnahmen der Luna-Drohnen zunutze. „Oft ist ein Film aus wenigen Metern Flughöhe vom letzten halben Jahr sinnvoller als ein Satellitenbild von heute“.
Fast in Echtzeit
Für den Abteilungsleiter SGA hat die Zukunft erst begonnen. Vernetzung bringe die Chance, die isolierten Aufklärungsmittel zusammenzuführen zu einem echten Verbund von Nachrichtengewinnung und Aufklärung, der aber gleichzeitig sicher und einfach nutzbar sei, erklärt Oberst Pfaff. „Einem operativen Befehlshaber zu erlauben sein Einsatzgebiet virtuell zu durchschreiten, das ist nicht mehr nur eine Idee. Ich erwarte mir eine völlig neue Form der Unterstützung von Einsätzen.“
Ganz in Echtzeit funktioniert das künftige Satellitennetz allerdings nicht, obwohl die Himmelskörper miteinander in Verbindung stehen. Denn nur etwa alle drei Stunden wird einer das Bodensegment passieren — wenn alle fünf im Orbit sind. Dann werden neue Aufträge hochgeschickt und erfasstes Material heruntergeladen (im wahrsten Sinne des Wortes). Der Bordspeicher fasst mehr als 128 Gigabyte und erlaubt etwa 30 Bilder pro Tag — wobei auch Stromversorgung und Übertragungsbandbreite Grenzen setzen. „95 Prozent aller Aufträge sollten binnen 19 Stunden erledigt sein“, erklärt Pfaff.
Dann kommen riesige Datenmengen — über die technische Bildaufbereitung im Satellitenbodensegment — an die Auswerteplätze: Eine hochauflösende Aufnahme hat um die 17 Gigabyte Umfang, ein Streifenbild in hoher Qualität über 30 Gigabyte. Nun beginnt für die Auswerter die Arbeit.
Ihre Arbeitsplätze sehen auf den ersten Blick aus wie in einer ganz normalen Grafikagentur. Bildbearbeitungsprogramme holen das Letzte aus den Aufnahmen heraus. Filter und Perspektivkorrekturen erlauben ganz neue Einsichten. Die sind auch nötig, da für bessere Reflexionen die Aufnahmen in einem recht flachen Winkel gemacht werden. Dabei richtet sich der gesamte Satellit auf das Zielgebiet aus; ein Zugeständnis an die kostengünstige und einfache Bauweise.
Deutsch-französische Kooperation
„Das ist eine ungewohnte Sicht der Dinge, die eine Menge Übung fordert“, erklärt Hauptfeldwebel Hans Martin* an seinem Auswerteplatz. Dabei ist auch entscheidend, wie das beleuchtete Gebiet die Radarstrahlen reflektiert. „Eine Metallstruktur wie eine Brücke leuchtet richtig, aber auch feine Höhenunterschiede sind erkennbar.“ Auf die Frage nach der maximalen Auflösung hatte Oberst Pfaff schon gewartet: „Unter einem Meter, mehr sage ich nicht“, ist seine Antwort unter einem Lächeln.
Die Erfahrung der Auswerter mit optischen Quellen bleibt auch in Zukunft nicht ungenutzt. Denn SAR-Lupe bringt nicht nur eine neue Fähigkeit, sondern auch Deutschlands Eintrittskarte in eine besondere Kooperation mit Frankreich. Der westliche Nachbar hat Foto- und Infrarotaufklärungssatelliten im Orbit, die im Austausch direkt aus Gelsdorf beauftragt werden können. Und andersherum werden die Franzosen direkt von den deutschen Satelliten Radarbilder beziehen können.
Eigentlich hätten die Soldaten und Zivilisten vom Kommando Strategische Aufklärung allen Grund, sich voll und ganz mit dem Kommenden zu beschäftigen, bis alle ihre Satelliten die drei polarnahen Umlaufbahnen erreicht haben. Aber der Blick von Oberst Pfaff und seinem Team ist schon in die noch fernere Zukunft gerichtet — auf ein Nachfolgesystem. „Das All ist ein hartes Einsatzgebiet. Die halten das nun einmal nicht ewig aus, und wir müssen heute anfangen, wenn das Thema Bundeswehr und Satellitenaufklärung nicht nur eine kurzweilige Episode bleiben soll.“
* Gekennzeichnete Namen zum Schutz der Kameraden geändert
| Theorie |
| Das erste Keplersche Gesetz stellt fest, dass es keinen Unterschied zwischen einem künstlichen Himmelskörper wie einem Satelliten oder etwa dem Mond gibt. Demnach ist die Bahn immer elliptisch. Nach dem zweiten Gesetz ist die Geschwindigkeit in Erdnähe geringer als im Scheitel der Umlaufbahn. |
| Umlaufbahn |
| Egal, welchen Zweck ein Satellit erfüllt — die Keplerschen Gesetze und die Newtonsche Mechanik gelten für ihn. Von der Wahl der Umlaufbahn hängt seine Nutzung , aber auch die Lebensdauer des künstlichen Himmelskörpers ab. |
| Niedrig |
| Die Zone zwischen 500 und 1.000 Kilometern über Grund heißt „Low Earth Orbit“ (LEO). Hier finden sich Foto- und Radarsatelliten, bemannte Raumstationen, Raumlabors und Wettersatelliten. In erdnäheren Phasen wirkt sich bereits die Atmosphäre bremsend aus, was auch die Lebensdauer mindert. |
| Mittel |
| Zwischen 5.000 und 12.000 Kilometern Höhe fliegen die Satelliten des GPS-Navigationssystems, russischer Fernsehsender und die Vermittlungsstellen für globale Telefonnetze. Der Fachbegriff für diese Zone lautet „Medium Earth Orbit“ (MEO). |
| Hoch |
| Exakt 42.241 Kilometer vom Erdmittelpunkt entfernt, also etwa 36.000 Kilometer über der Oberfläche, tritt das dritte Keplersche Gesetz ein: Hier ist die Bahn erreicht, in der sich ein Satellit synchron mit der Rotation der Erde bewegt, also für den auf dem Boden stehenden Beobachter stillzustehen scheint. Dies wird geostationäre Umlaufbahn genannt (Geostationary Earth Orbit, GEO). Hier kreisen Fernsehsatelliten, zivile und militärische Kommunikationsträger, globale Überwachungssatelliten etwa von Frühwarnsystemen und Wettersatelliten. Dank der Synchronität können auch die privaten Fernseh-Satellitenschüsseln fest ausgerichtet werden. |
| Funktionsprinzip |
| Für Radaraufklärung gilt: Je mehr Sendeenergie und je größer die Antenne, desto besser. Allerdings ist Energie in der Umlaufbahn Mangelware, und eine Radarantenne von zig Metern Durchmesser ins All zu bringen ist schwierig. Das Radarprinzip steht fest: Funkwellen werden ausgesendet, von einem Objekt reflektiert und wieder empfangen. Aus der verstrichenen Zeit und mit Wissen um die Antennenposition lassen sich Entfernung und Richtung ermitteln. So entsteht ein Bild des erfassten Bereichs, auf den ersten Blick ähnlich wie ein Ultraschallbild beim Arzt. | <>
| SAR |
| Für hochauflösendes Radar wird eigentlich eine mehrere hundert Meter große Antenne benötigt. Synthetic Aperture Radar (SAR) umgeht dies durch hohe Mathematik: Entlang der Flugbahn wird eine Serie schneller Einzelbilder geschossen, auf denen jedes Objekt mehrfach aus leicht unterschiedlichen Winkeln von den Radarstrahlen erfasst wird. Das wirkt, vereinfacht gesagt, als wäre die Antenne so lang wie die während der Aufnahmedauer zurückgelegte Flugstrecke. Die gewonnenen Daten werden zusammengerechnet, bis ein Bild herauskommt. | <>
| Spotlight |
| Hier wird maximale Abbildungsleistung auf eine sehr kleine Fläche konzentriert. Indem der Satellit seine Antenne während der Aufnahmephase der eigenen Bewegung entgegendreht, wird die Geschwindigkeit des Radarstrahls über dem Boden für einen Moment reduziert. Das erhöht in Flugrichtung die Auflösung der Aufnahmen. Das so aufgenommene Quadrat hat eine Kantenlänge von 5,5 Kilometern. |
