Sensor untersucht Ionosphäre Satelliten-Mission verbessert GPS und Kommunikationstechnik

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Auch wenn das Weltraumwetter weit entfernt ist, beeinflusst es doch elektronische Steuerungen, autonome Navigation und Anwendungen zur Fernkommunikation. Eine ungestörte Satellitennavigation ist für viele Branchen entscheidend, die allerdings durch Prozesse in der Ionosphäre beeinträchtigt werden können.

Der Einfluss der Vorgänge in der Ionosphäre auf das Alltagsgeschäft eines Entwicklers oder Automatisierungstechnikers klingt zunächst weit entfernt. Doch in Wahrheit hat das Wetter weit oberhalb der Erdatmosphäre unmittelbaren Einfluss auf eine ganze Reihe von kritischer Infrastrukturen. Doch in der erdnahen Ionosphäre können extreme Bedingungen entstehen, die unsere technische Infrastruktur empfindlich stören oder gar lahmlegen könnten.

GPS-Systeme, Kommunikationsnetze und sogar industrielle Automatisierungssysteme bauen immer öfter auf eine zuverlässige Satellitentechnik. Direkte Auswirkungen auf den Betrieb von Systemen auf der Erde entstehen dabei durch sogenanntes Space Weather. Das sind dynamische Veränderungen in der Ionosphäre, die über Leistungseinbrüche beim GPS-Signal bis hin zu Kommunikationsstörungen führen können. Gerade Entwickler und Automatisierungstechniker wissen, wie kritisch zuverlässige Positions- und Kommunikationssignale im Betrieb zunehmend autonomer Systeme sind.

Sensor misst die Elektronendichte in der Ionosphäre

Die britische Orpheus-Satellitenmission, die 2027 starten soll, widmet sich genau dieser Herausforderung. Zentraler Bestandteil ist der Sensor TOPCAT II der University of Bath: Ein miniaturisiertes Sensormodul, das mithilfe eines hochpräzisen, mehrkanaligen GPS-Empfängers die Elektronendichte der Ionosphäre messen kann. Ziel ist es, aus diesen Messungen neue, präzise 3D-Modelle der Ionosphärendynamik zu erstellen.

Vorläufer des aktuellen Moduls, das ursprüngliche TOPCAT, war bereits 2023 Teil der CIRCE- und Prometheus-2-Missionen. Durch einen Fehlstart gingen damals jedoch wertvolle Messungen verloren. Mit TOPCAT II gibt es nun eine zweite Chance: Sensordaten fließen diesmal in MIDAS, einen hochentwickelten Algorithmus der Universität Bath, der aus Einzelmessungen präzise realistische, räumlich-zeitliche Abbilder der Ionosphäre rekonstruiert.

Für Entwickler bedeuten präziserer Sensordaten ein besseres Verständnis der Bedingungen in der Ionosphäre und Fehlerquellen beim GPS-Empfang sowie bei Satelliten-gestützter Funkkommunikation lassen sich deutlich reduzieren. Verbesserte Modelle ermöglichen eine präzisere Positionierung und robustere Kommunikationskanäle. Das sind zwei wichtige Grundvoraussetzungen für Anwendungen in der Industrie 4.0, autonome Systeme, Robotik und IoT-gestützte Automatisierung. Langfristig gesehen führt das zu einer zuverlässigeren Planung und Betriebssicherheit bei kritischen Infrastruktur-Systemen.

Die technischen Details im Überblick

• TOPCAT II Sensor misst 9 cm x 7 cm und ist ein Multi-Frequenz-GPS-Empfänger.

• Messung des Gesamtelektronengehalts (Total Electron Content, TEC) der Ionosphäre.

• Integration der Daten in die Imaging-Data-Assimilation-Plattform MIDAS. Sie erstellt dreidimensionale Ionosphärenkarten mit hoher zeitlicher Genauigkeit.

• Orpheus-Mission wird von 2027 bis 2028 stattfinden, realisiert in Kooperation mit britischer und internationaler Expertise aus den USA und Kanada.

• Die Finanzierung erfolgte durch das Verteidigungswissenschaftliche Forschungsinstitut Dstl in Zusammenarbeit mit Industrie, Staat und Wissenschaft.

Laut Professorin Cathryn Mitchell, Mitentwicklerin des Systems, ermöglicht TOPCAT II neue Kenntnisse beim Space Weather und erhöht langfristig die Zuverlässigkeit satellitengestützter Anwendungen spürbar. Ein genaueres, tiefergehendes Verständnis dieser Phänomene wird also nicht nur für Satellitenbetreiber wichtig sein. Auch Industrieunternehmen, die autonome Fahrzeuge, robotische Systeme oder IoT-Systeme entwickeln und einsetzen, profitieren von besser vorhersagbaren und robusteren Systemen. (heh)

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