Weltraumkameras: Die „Augen“ der Satelliten im Weltraum

 Grundlegende Komponenten einer Weltraumkamera

▲Haiyang-1 4-Band-CCD-Bildsensor

Eine Weltraumkamera besteht im Allgemeinen aus folgenden Teilen:

1. Objektiv: Besteht aus optischen Systemen und Strukturen. Verschiedene Arten von optischen Systemen entsprechen unterschiedlichen Strukturen, z. B. Brechungs-, Refraktions- und Reflexionssystemen. Ein optisches System besteht im Allgemeinen aus mehreren optischen Komponenten, wie z. B. einem Kamerafenster, einer Linse, einem Spiegel, einem Filter und einem Prisma.

2. Detektions- und Empfangsschaltungssystem: Der Fotodetektor führt eine fotoelektrische Umwandlung durch, verstärkt, verarbeitet, zeigt an, speichert und kommentiert das Signal und besteht im Allgemeinen aus Fotodetektoren, Schaltungen und mechanischen Klemmkomponenten.

3. Mechanische Struktur: einschließlich Gehäuse, Brennebenenkomponenten, mechanische Übertragung, Blende, Lichtschutz usw.

4. Thermische Regelungsvorrichtung: Besteht im Allgemeinen aus einer thermischen Regelungsbeschichtung, einer Wärmedämmfolie, einem Phasenwechselmaterial, einem Wärmerohr, einem Wärmeleitungskabel, einem Kühlkörper, einem Heizelement, einem Temperaturregler usw. Umfasst aktive und passive thermische Regelung.

5. Steuerungs- und Informationsprozessor: Steuert die Bilddatenerfassung, -speicherung, -verarbeitung oder -kodierung; steuert verschiedene Servosysteme wie Filmtransport, Fokussierung, Kalibrierung, Belichtungseinstellung und Bildverschiebungskompensation; gibt Daten an das Annotationsgerät ein; überwacht den Betriebszustand jeder Komponente; und übermittelt Fehlerinformationen an die Bodenkontrollstelle.

 Klassifizierung von Weltraumkameras

▲FY-3 Infrarotspektrometer

Es gibt viele Arten von Weltraumkameras, darunter Aufklärungskameras, Vermessungskameras (auch Kartierungskameras genannt) und Multispektralkameras, die Film als Informationsträger verwenden; CCD-Kameras, Multispektralscanner und abbildende Spektrometer, die fotoelektrische Detektoren als Empfänger nutzen. Diese Weltraumfernerkundungssensoren werden zusammenfassend als Weltraumkameras bezeichnet.

• Klassifiziert nach Spektralsegment

Kameras lassen sich in ultraviolette, sichtbare, infrarote, laseraktive und aktive Kameras sowie in panchromatische und multispektrale Kameras und abbildende Spektrometer unterteilen. Letztere können anhand ihrer spektralen Auflösung weiter in hyperspektrale und superspektrale Typen klassifiziert werden.

Derzeit sind dispersive und interferometrische Spektrometer die gebräuchlichsten bildgebenden Spektrometer, während Filter- und Rechenspektrometer zu den aktuellen Forschungsschwerpunkten gehören.

▲FY-3 Bildgebendes Spektrometer mit mittlerer Auflösung

• Gemäß dem Bildgebungsziel 

Je nach Bildgebungsziel lassen sich Weltraumkameras in zwei Kategorien einteilen: Kameras, die Flächen abbilden, und Kameras, die Punkte abbilden. Beispielsweise fotografieren Kameras zur Erfassung von Bodenmerkmalen (zusammenfassend als Aufklärungs-, Kartierungs- und Ressourcenkameras bezeichnet) sowie Kameras zur Beobachtung von Mond, Planeten und Sonne Flächen, während Sternkameras oder Sternsensoren Sterne (punktförmige Lichtquellen) am Himmel außer der Sonne fotografieren.

• Gemäß der Quelle des Detektionssignals  

Je nach Quelle des erfassten Signals werden Weltraumkameras in zwei Kategorien unterteilt: aktive und passive. Die aktive Fernerkundung nutzt eine speziell erzeugte elektromagnetische Strahlungsquelle, um das Zielobjekt zu beleuchten und es anschließend anhand der Eigenschaften der vom Zielobjekt reflektierten elektromagnetischen Wellen zu identifizieren. Die passive Fernerkundung hingegen benötigt keine künstliche Strahlung zur Beleuchtung des Zielobjekts, sondern nutzt natürliche Quellen (wie Sonnenlicht, kosmische Strahlung und Infrarotstrahlung, die von Objekten aufgrund der Absorption von Sonnenenergie abgegeben wird), um die vom Zielobjekt reflektierten oder abgestrahlten elektromagnetischen Wellen zu messen und so die Fernerkundung zu ermöglichen.

• Durch die Verwendung 

Weltraumkameras lassen sich ihrem Zweck nach in zwei Typen unterteilen. Der eine Typ umfasst Kameras zur Erdbeobachtung, auch bekannt als Bodenobjektkameras, beispielsweise zur Untersuchung von Bodenobjekten, Geologie und Landformen, für militärische Aufklärung, Kartierung und Positionsbestimmung sowie meteorologische und ozeanografische Beobachtungen. Der andere Typ dient der Suche, Erfassung, Verfolgung und Überwachung von Weltraumzielen von einer Weltraumplattform aus, etwa zur Himmelsbeobachtung im Weltraum sowie zur Messung und Zielerfassung von Abfangsatelliten (oder kinetischen Waffen).

 Anwendungen und Einsatzmöglichkeiten von Weltraumkameras

▲ Weltraumkameras werden im Bereich der Fernerkundung häufig eingesetzt.

Die erste Weltraumkamera meines Landes wurde ab 1967 von der Chinesischen Akademie für Weltraumtechnologie entwickelt. Sie wurde am 26. November 1975 an Bord von Chinas erstem wiederverwendbaren Satelliten „Jianbing-1“ ins All befördert und kehrte drei Tage später zur Erde zurück. Damit war China nach der Sowjetunion und den Vereinigten Staaten das dritte Land, das über eine Erdbeobachtungskamera verfügte.

Die optische Nutzlast „Jianbing-1“ ist eine Kamera für sichtbares Licht, die für Vermessungszwecke eingesetzt wird. Sie hat eine Brennweite von 850 mm, speichert Informationen auf 2000 m langem Film, hat eine Filmbreite von 225 mm und eine Bildgröße von 198 mm × 1780 mm. Die bodennahe Pixelauflösung der Kamera kann 10 bis 5 Meter erreichen.

• Weltraumkamera eines meteorologischen Beobachtungssatelliten 

Der chinesische Wettersatellit FY-1 trägt ein Mehrkanal-Scanning-Radiometer, das unter anderem die Ozeanfarbe mit einer Auflösung von 1,1 km misst. Das VISSR-System des geostationären Wettersatelliten verfügt ebenfalls über einen 45°-Spiegel auf der Hauptachse des optischen Systems. Die Ost-West-Abtastung erfolgt durch die Rotation des Satelliten, die Nord-Süd-Abtastung durch die schrittweise Bewegung des Nord-Süd-Abtastspiegels.

Der Bildgeber des chinesischen Wettersatelliten FY-2, der sowohl sichtbares als auch infrarotes Licht erfasst, ermöglicht die Nord-Süd-Abtastung mittels eines Teleskop-Schrittmechanismus. Die Auflösung im sichtbaren und nahinfraroten Bereich beträgt 1,25 km, die im thermischen Infrarot und im Wasserdampfbereich 5 km.

• Weltraumkamera für Ressourcenbeobachtungssatelliten

1999 wurde der chinesisch-brasilianische Erdbeobachtungssatellit (CBERS) erfolgreich gestartet. Er war mit einer 5-Band-CCD-Kamera (Pushbroom-Technologie), einem 4-Band-Infrarotscanner und einem 2-Band-Weitfeld-Bildsensor ausgestattet. Der Satellit Ziyuan-1 01 war über drei Jahre im Orbit und erfasste eine Scanbreite von 113 Kilometern. Dank seiner Fähigkeit zur schnellen Echtzeit-Datenübertragung lieferte er jährlich Daten von über einer Million Quadratkilometern.

Nach über 20 Jahren Entwicklungszeit begrüßte die ZY-1-Familie am 26. Dezember 2021 ihr neuntes Mitglied – ZY-1 06. Der Satellit ist mit Kameras für sichtbares und nahinfrarotes Licht sowie einer Hyperspektralkamera ausgestattet. Neu hinzugekommen ist eine langwellige Infrarotkamera, die Erdbeobachtungen bei jedem Wetter ermöglicht. Die Kamera für sichtbares und nahinfrarotes Licht bietet eine panchromatische Auflösung von 2,5 Metern und eine multispektrale Auflösung von 10 Metern. Sie kann nahinfrarote Wellenlängen zwischen sichtbarem und infrarotem Licht identifizieren und Form, Größe und einige Farben der beobachteten Objekte unterscheiden.

• Ozeanfarben-Satelliten-Weltraumkamera 

Der Ozeanfarbenscanner an Bord des chinesischen Satelliten HY-1 ist eine 45°-Spiegelkamera mit zehn Kanälen, darunter zwei thermische Infrarotkanäle, und einer Auflösung von 1,1 km. Eine weitere Kamera an Bord ist eine Vierband-CCD-Kamera mit linearer CCD-Pushbroom-Technologie und einer Auflösung von 250 m.

Dank kontinuierlicher technologischer Fortschritte verbessern sich die zeitliche und räumliche Auflösung von Weltraumkameras stetig. Ihre optische Detektionsleistung entwickelt sich hin zu hoher räumlicher, spektraler und zeitlicher Auflösung. Die anvisierbaren Ziele erweitern sich von einzelnen zu mehreren, von einfachen zu komplexen, und die Kameras werden zunehmend integrierter, leichter, intelligenter und multifunktionaler. Ihre Rolle in der Weltraumaufklärung und -ortung gewinnt immer mehr an Bedeutung und dient als grundlegende Plattform und Garantie für integrierte Luftraumoperationen. Es wird erwartet, dass sich mit dem kontinuierlichen Aufkommen neuer Technologien und der ständigen Aktualisierung der Detektionsmethoden die Anwendungsmöglichkeiten von Weltraumkameras noch weiter ausdehnen und sie zu einem wichtigen und zentralen Bereich der Hightech-Entwicklung in verschiedenen Ländern machen werden.

(Referenzen: Chinesische Akademie für Weltraumtechnologie: Entwicklungstrends optischer Nutzlasten für das 21. Jahrhundert; Wang Jintang und Chen Shiping: Einführung in die Konstruktion und Erprobung von Weltraumkameras)