Satellitenbodensystem – das „Nervenzentrum“ der Erdbeobachtungssatelliten

Das Bodensystem eines Fernerkundungssatelliten ist ein komplexes, groß angelegtes technisches System, das üblicherweise aus sieben Teilsystemen besteht: Betrieb und Management, Beobachtungsplanung, Datenempfang, Datenverarbeitung, Datenmanagement, Kalibrierung und Auswertung sowie Verteilungsdienste.

Subsystem für Betriebsmanagement

Das Betriebsmanagement-Subsystem ist die zentrale Steuerungseinheit des gesamten Bodensystems und für dessen Lebenszyklus verantwortlich. Es verbindet die verschiedenen Subsysteme auf Hardwareebene und überwacht und steuert den Betriebszustand und die Sicherheit der Hardware- und Software-Ressourcen. Darüber hinaus plant das Betriebsmanagement-Subsystem Aufgaben im Zusammenhang mit Datenempfang, -verarbeitung, -verwaltung und -verteilung innerhalb des Bodensystems.

Beobachtungsplanungs-Subsystem

Das Beobachtungsplanungssystem ist primär für die Missionsplanung von Satelliten zuständig. Zahlreiche Nutzer übermitteln Datenanfragen an das Bodensystem, die anschließend geprüft und gefiltert werden. Basierend auf den Beobachtungsfähigkeiten der Satellitennutzlast erstellt das System die Beobachtungs- und Empfangspläne für den Folgetag und sendet diese an das Satellitenverfolgungs- und Steuerungsnetzwerk. Die Pläne werden dann über die Verfolgungs- und Steuerungsantenne an den Satelliten übertragen und weisen ihn zur Durchführung seiner Beobachtungsaufgaben an. Die Empfangspläne werden anschließend über das Betriebsmanagementsystem an das Satellitenbodenstationsnetzwerk übermittelt.

Datenempfangssubsystem

So wie das visuelle Nervensystem des menschlichen Gehirns das Gesehene verarbeitet, benötigt der Empfang von Beobachtungsdaten, die von Fernerkundungssatelliten in ihren Umlaufbahnen erfasst werden, Bodenstationen, die die Satelliten gemäß dem Empfangsplan erfassen und verfolgen. Die Fernerkundungsdaten und Hilfsdaten werden empfangen, demoduliert und in Form von elektromagnetischen Wellensignalen aufgezeichnet. Anschließend werden die empfangenen Daten über das Datenmanagementsystem an das Datenverarbeitungssystem weitergeleitet.

Die Ausrüstung einer Bodenstation umfasst hauptsächlich Antennenspeisegeräte, Kanaltransceiver, Datenlogger und weitere Steuerungs- und Verwaltungsgeräte. Das Antennenspeisegerät, im Wesentlichen eine parallaktische Empfangsantenne, bündelt die Signale durch seine parallaktische Form und hat einen Durchmesser von 5 bis 20 Metern. Sobald ein Satellit überfliegt, richtet sich die Empfangsantenne automatisch auf ihn aus und verfolgt ihn. Währenddessen werden die Beobachtungsdaten des Satelliten kontinuierlich übertragen. Der Kanaltransceiver, ähnlich einer Set-Top-Box, demoduliert, verstärkt, wandelt und verarbeitet die empfangenen elektromagnetischen Signale. Der Datenlogger speichert die vom Demodulator ausgegebenen Daten auf Speichermedien wie Festplatten.

Aktuell nutzen Bodenstationen häufig Uplink- und Downlink-Signalmultiplexing, um Daten von Satelliten zu empfangen und zu senden. Sie können vom Boden erzeugte Satellitenmissionsbefehle und andere Daten modulieren und diese über Antennen an den Satelliten übertragen, um dessen Betrieb zu steuern. Fernerkundungssatelliten umkreisen die Erde typischerweise in sonnensynchronen Umlaufbahnen. Die Datenübertragung erfolgt nur, wenn sich der Satellit in Reichweite der Empfangsantenne befindet. Aufgrund der Größe meines Landes kann eine einzelne Bodenstation nicht das gesamte Gebiet abdecken; daher ist ein Netzwerk mehrerer Bodenstationen für einen umfassenden Empfang erforderlich. Derzeit befinden sich die am häufigsten genutzten Bodenstationen in meinem Land in Peking, Ürümqi, Guangzhou und Mudanjiang.

Datenverarbeitungssubsystem

Nach dem Empfang der Satellitendaten überträgt die Bodenstation diese über ein Glasfasernetz an das Datenverarbeitungszentrum. Dort werden die Rohdaten der Fernerkundung schnell und automatisiert verarbeitet, wobei die empfangenen digitalen Signale in nutzbare Daten umgewandelt werden. Zu diesen Prozessen gehören im Wesentlichen Signalkalibrierung, Dekomprimierung, Datenformatanalyse, Verarbeitung von Zusatzdaten, Datenkatalogisierung, Extraktion digitaler Informationen, radiometrische Korrektur, geometrische Korrektur und Orthorektifizierung. Je nach Nutzerbedarf werden unterschiedliche Arbeitsabläufe erstellt, die zu standardisierten Produkten verschiedener Qualitätsstufen führen. Insbesondere die radiometrische Korrektur beseitigt Verzerrungen im Originalbild und sorgt so für klarere und realistischere Darstellungen von Bodenmerkmalen.

Datenverwaltungssubsystem

Mein Land verfügt derzeit über Dutzende von Fernerkundungssatelliten im Orbit, die jeweils mit mehreren Sensoren ausgestattet sind. Jeder Satellit kann täglich mehrere Bodenbeobachtungen durchführen. Für einen schnellen Datenabruf und die Datenextraktion ist ein effektives Management der Fernerkundungsdaten unerlässlich. Das Datenmanagementsystem ist vergleichbar mit dem neuronalen Speicher des Gehirns und dient primär der Langzeitarchivierung und Verwaltung von Standard-Fernerkundungsdaten und Metadaten. Es ermöglicht den Zugriff auf die Unternehmensdatenbank und stellt ein Informationssystem bereit, das Datenbankabfragen, das Hinzufügen und Löschen von Daten ermöglicht. Aktuell wird üblicherweise ein hierarchisches Speichermodell – online, nah und offline – verwendet. Dieses Modell spart Speicherkosten und gewährleistet gleichzeitig die Datensicherheit.

Kalibrierungs- und Auswertungssubsystem

Das Kalibrierungs- und Evaluierungssystem prüft und bewertet primär die Qualität von Satellitenbeobachtungsdaten. Vereinfacht gesagt, ist es vergleichbar mit einem Sehtest, der sicherstellt, dass der Satellit Daten unter optimalen Bedingungen erfasst. Es verfolgt Leistungsänderungen der Fernerkundungssensoren, korrigiert umgehend relevante Parameter für die Datenverarbeitung und bildet die Grundlage für die Anpassung der Satellitenparameter. Zudem stellt es Nutzern regelmäßig absolute Kalibrierungskoeffizienten im Orbit zur Verfügung, die die Quantifizierung von Fernerkundungsdaten erleichtern, und analysiert diese.

Verteilungsdienst-Subsystem

Die Datenverteilung stellt Nutzern die relevantesten Daten bereit und bietet primär Datenaustauschdienste, ähnlich dem Abruf präziser Erinnerungsinformationen aus dem Gehirn. Nachdem Nutzer die benötigten Daten im Datenverteilungsnetzwerk des Bodensystems gefunden haben, können sie diese bestellen, vergleichbar mit einer Bestellung auf Taobao. Das Bestellsystem erstellt einen Datenbestelldatensatz, und das Backend-System ruft die entsprechenden Daten basierend auf der Datenanfrage des Nutzers aus dem Datenverwaltungssystem ab und stellt sie dem Nutzer per CD-ROM, Festplattenkopie oder Online-Übertragung zur Verfügung. Das Satellitenbodensystem ist hochkomplex, wie in Abbildung 2 dargestellt. Sein Aufbau erfordert Wissen und Technologien aus verschiedenen Disziplinen. Nur wenn jedes Subsystem innerhalb des Bodensystems seine Aufgaben erfüllt und mit den anderen koordiniert, kann der Betrieb und die Verwaltung von Fernerkundungssatelliten erfolgreich abgeschlossen werden. Der tägliche Betrieb des Satelliten und des Bodensystems ähnelt dem menschlichen Körper: Die Satelliten beobachten die Außenwelt mit ihren „Augen“, gewinnen nützliche Informationen durch visuelle Wahrnehmung mit dem „Gehirn“ und bilden „Erinnerungen“. Werden diese „Erinnerungen“ benötigt, können sie schnell abgerufen werden, um die menschlichen Aktivitäten zu unterstützen.

Heutzutage bedienen Bodenstationen für Fernerkundungssatelliten zahlreiche Nutzer und verarbeiten täglich Hunderte oder sogar Tausende von Datenaufträgen. Dies erfordert leistungsstarke Rechenkapazitäten, Speicherkapazität, Netzwerkausrüstung und IT-Unterstützung im Hintergrund. Aktuell nutzen Bodenstationen in großem Umfang Big-Data-Analysen, um Nutzern automatisch und intelligent relevante Fernerkundungssatellitendatenprodukte basierend auf deren Identität, Standort und Auftragshistorie zu empfehlen. Nach dem Empfang der Datenprodukte interpretieren und analysieren die Nutzer die von den Satelliten erhaltenen Informationen und wandeln sie in die für spezifische Fachbereiche benötigten Bodenmerkmale um. Dadurch können Fernerkundungsinformationen in der praktischen Arbeit dieser Fachbereiche Anwendung finden.

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