Fraunhofer-Institut für Optronik, Systemtechnik und Bildauswertung IOSB

Satellitenbasierte Raketenfrühwarnung

Satellitenbasierte Raketenfrühwarnung

Die Detektion von ballistischen Raketen während des Starts oder nach dem Wolkendurchbruch mittels satellitengestützter, elektro-optischer Sensorik ist ein vielversprechendes Mittel, Feuerleitradare präzise voreinzuweisen und somit eine schnelle Initiierung der Gegenmaßnahme bewirken zu können.
Am Fraunhofer IOSB wurde gemeinsam mit der deutschen Verteidigungsindustrie ein Designkonzept für einen solchen Sensor entwickelt.

 

Eine von der NATO veröffentlichte Liste benennt 30 Länder, die innerhalb der nächsten Dekaden dazu fähig sind, ihre eigenen ballistischen Raketen zu produzieren. Die Mehrheit dieser Länder liegt im mittleren Osten – und die meisten europäischen Staaten befinden sich in Angriffsreichweite. Der Einsatz eines satellitenbasierten Frühwarnsystems würde die Vorwarnzeit für einen Angriff mit ballistischen Raketen erheblich erweitern, sodass wertvolle Zeit zur Initialisierung der Gegenmaßnahme gewonnen werden kann.
Um eine frühe Erkennung der Gefahr zu gewährleisten, werden elektro-optische (EO) Systeme eingesetzt, die das infrarote (IR) Signal des Raketenabgasstrahls detektieren können.

Eine belastbare Frühwarnung ist nur möglich, wenn das Verhältnis zwischen Raketensignal und Hintergrund eine bestimmte Schwelle überschreitet. Um einen ausreichend hohen Wert zu erzielen, ist die Wahl eines geeigneten Spektralbands zur Detektion von höchster Wichtigkeit, denn so kann der nachfolgende Rechenaufwand zur Anwendung von Zielverfolgungs-Algorithmen minimiert werden. Um die Leistungsfähigkeit dieser Algorithmen evaluieren zu können, werden realistische Testsequenzen erstellt.
Da sowohl Hintergrund- als auch Raketensignal durch Umweltbedingungen beeinflusst werden, ist eine detaillierte Kenntnis der Faktoren notwendig. Messkampagnen zur Charakterisierung dieser Einflüsse stellen zwar eine solide Basis dar, spiegeln aber nur die Bedingungen zum Aufnahmezeitpunkt wider. Um die gesamte Variation der Umweltbedingungen darzustellen, wird somit der Einsatz von Simulationsmodellen notwendig.

 

 Übersicht der atmosphärischen Effekte auf das vom Satelliten aus beobachtete Signal.

 

Strahlungstransfermodelle sind dazu geeignet, die Leistungsfähigkeit von Sensorkonzepten und Zielverfolgungs-Algorithmen zu testen. Zur Modellierung des Gesichtsfelds eines satellitenbasierten Sensors wird die von ONERA entwickelte Software MATISSE eingesetzt.
Aktuell arbeitet das Fraunhofer IOSB in Kooperation mit ONERA daran, MATISSE weiterzuentwickeln.
Vor dem Einsatz eines jeden Simulationsmodells ist es notwendig, dieses einem umfassenden Validierungsprozess zu unterziehen. Aufgrund der jahrelangen Erfahrung im Bereich Messung, Charakterisierung und Modellierung von atmosphärischen und meteorologischen Einflüssen hat das Fraunhofer IOSB MATISSE kritisch getestet und erfolgreich validiert.
Während des Prozesses wurden sowohl verschiedene Spektralbereiche betrachtet als auch die Modellierung von Atmosphäreneffekten auf das spektrale Hintergrundsignals analysiert. Auch die für die Modellierung der IR-Signatur einer ballistischen Rakete genutzten Simulationsmodelle müssen validiert werden. Aus diesem Grund führte das Fraunhofer IOSB bereits zahlreiche Messkampagnen durch. Die gemessenen Signaturdaten dienen dem Aufbau einer Datenbank, welche zur Evaluation derartiger Simulationsmodelle dient.

 

Vergleich eines Satellitenbilds des MODIS-Sensors
(Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer)

mit dem Simulationsergebnis von MATISSE im thermischen Infrarot.

 

Um die Leistungsfähigkeit eines bestimmten Sensorkonzepts für seinen Einsatz im Weltraum zu testen, werden realistische Bildfolgen erstellt und im Folgenden mit Bildverarbeitungsalgorithmen ausgewertet. In diesen Sequenzen wird nicht nur die gesamte Beobachtungsgeometrie mit Detektor und Sensor modelliert, sondern auch der Atmosphäreneinfluss auf die Detektionsreichweite eines solchen EO Systems. Die Präsenz von Wolken, unterschiedlichen Erdhintergründen und den vorherrschenden meteorologischen Bedingungen tragen zur Gesamtsignatur des beobachteten Hintergrunds bei. Zur Finalisierung der Bildfolgen wird die Signatur einer ballistischen Rakete entlang ihrer Trajektorie eingeblendet.

 

 

Simulation des Gesichtsfelds eines satellitenbasierten Frühwarnsensors.
Das rote Rechteck zeigt an, dass die ballistische
Rakete in der Testsequenz erfolgreich detektiert wurde.

 

 

Nur nach Berücksichtigung aller, durch die Umgebungsbedingungen hervorgerufener Einflüsse auf die Leistungsfähigkeit eines satellitenbasierten Raketenfrühwarnsystems, kann ein geeignetes Sensorkonzept entwickelt werden. Unter Führung der WTD 81 kooperiert das Fraunhofer IOSB mit der Verteidigungsindustrie, um einen Technologiedemonstrator für die zukünftige satellitenbasierte Raketenfrühwarnung zu entwickeln.

 

Video: MAXUS 9 Raketen Start (SSC) Esrange Space Center außerhalb von Kiruna.