Experimentelle Untersuchungen zur Auswirkung des Satellitenjitter auf die Bildqualität von hochauflösenden optischen Sensoren

Abstract

Seit dem Beginn der Erderkundung durch Satelliten in den 60er Jahren ist es möglich, großflächig Vorgänge in der Luft, auf dem Meer und auf dem Boden zu beobachten oder vorherzusagen. Ursprünglich entwickelt zur Spionage für das Militär sind die Wächter der Erde mittlerweile unverzichtbar für Wettervorhersagen, Umweltbeobachtung, Naturschutz sowie der Kartierung der Erde. Hohe Erwartungen werden dadurch an die erfassenden Sensoren gestellt. In einer Höhe zwischen 500 und 1200 km müssen detaillierte Aufnahmen erfasst und verarbeitet werden können. Hinzu kommt, dass die Geschwindigkeit solcher Satelliten mit ca. 7 km/s extrem hoch ist und dadurch nur kurze Belichtungszeiten möglich sind. Beispielsweise für die Aufnahme eines Bodenpixels von einem Meter Bodenauflösung beträgt die Belichtungszeit ca. 0,14 msec. Dies macht eine Verwendung von spezialisierten Sensoren erforderlich, um detailreiche Aufnahmen zu realisieren. Um die Licht-Ausbeute zu verbessern, werden seit den 90er Jahren sogenannte Time-Delay Integration (TDI)-Zeilensensoren verwendet. Sie ermöglichen durch Mehrfachbelichtung und Aufintegration der Lichtsignale eine Verlängerung der Belichtungszeit und dadurch eine wesentliche Verbesserung des Signal-Rausch-Verhältnisses. Doch kam mit der Verbesserung der Sensoren zu hochauflösenden optischen Systemen auch ein neues Problem, welches die Bildqualität entscheidend beeinflusst, der Jitter-Effekt hinzu. Jitter werden in der Raumfahrt als ungewollte, stochastische Bewegungen definiert. Diese Störungen sind immer vorhanden und werden zum Beispiel durch den aktiven Einsatz von Instrumenten zur Lageänderung im Raum, für die Energiegewinnung, zur Kühlung des Systems, Aufrechterhaltung der Kommunikation mit dem Satellit und durch die aktive Justage der optischen Bauteile zur Erdbeobachtung verursacht. Spezifisch sind solche Bauelemente anzuführen wie: Reaktionsräder, Getriebekomponenten, Solarpaneele, Antennenmechanismen und Spiegelsysteme. Dabei besitzt jedes Bauteil seine eigene typische Jittercharakteristik. Durch das Zusammenwirken dieser Vielzahl an unterschiedlichen Baugruppen erfolgen in Frequenz, Amplitude und Periode gegenseitige Überlagerungen. So entsteht ein großes Spektrum von Jitter. Heutzutage ist es ohne weiteres möglich, diese Jittereffekte durch Einsatz von Lageregelungs- und Stabilisierungssystemen zu minimieren und durch Bildverarbeitungsalgorithmen den Jitter zu korrigieren. Offen bleibt jedoch, wie im Detail die Bildqualität durch Jitter in Form und Größe beeinträchtigt wird.