Projekt:FE Beobachtung 1/Meteosat/Geschichtliche Entwicklung

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Als Meteosat bezeichnet man von der Europäischen Organisation für die Nutzung meteorologischer Satelliten ( EUMETSAT) und der Europäische Weltraumorganisation ( ESA) entwickelte und betriebene geostationäre Wettersatelliten. Vor mehr als 30 Jahren am 23. November 1977 startete in Cape Canaveral der erste Satellit der Serie METEOSAT – Meteosat 1. Seitdem erhält Europa Wetterinformationen für Regionen um den Nullmeridian der Erde in hoher Auflösung. Die Produkte und Dienste von EUMETSAT leisten einen bedeutenden Beitrag zur Wettervorhersage und Klimaüberwachung der Erde.

Die Geschichte der satellitengestützten Wettervorhersage begann mit den sieben Meteosat-Satelliten der ersten Generation von EUMETSAT (MFG=Meteosat First Generation). Es schließt sich mit dem Abschuss des MSG-1 im Jahr 2002 die zweite Generation (MSG=Meteosat Second Generation) an und wird frühestens 2015 von einer dritten Generation (MTG=Meteosat Third Generation) abgelöst werden.

Meteosat First Generation

Meteosat 1 - Meteosat 7

Datei:Positionen2.jpg

Das Bild zeigt die Positionen der aktuell arbeitenden Meteosat-Satelliten

Die Meteosat-Satelliten der ersten Generation (MFG) gehören zu einer Reihe von geostationären Satelliten. Ein viertel Jahrhundert lang stellten sie Bilder der Erdoberfläche sowie Daten für Wettervorhersagen in einer kontinuierlichen und verlässlichen Datenreihe bereit.

Es begann mit einem Forschungsprogramm für einen einzigen Satelliten, dem Meteosat-1. Dieser wurde am 23. November 1977 in Cape Canaveral gestartet. Bis November 1995 plante und beförderte man drei weitere Satelliten in den Orbit.

Die MFG sind über dem Äquator bei einer geographischen Länge von 0° stationiert und arbeiten hauptsächlich dort. Sie erheben dabei Rohdaten über ein breites Spektrum an meteorologischen Produkten. Derzeit sind zwei Meteosats der zweiten Generation (MSG) Nahe 0° positioniert, der eine als primärer Datenlieferant und der andere als Backup. Ein dritter Meteosat der ersten Generation verrichtet den Indian Ocean Data Coverage (IODC) Service, der operationelle Daten und Bilder über dem indischen Ozean bereitstellt. Ein vierter MFG befindet sich als Backup ebenfalls über dem indischen Ozean.

Die Meteosats der ersten Generation stellen 24 Stunden am Tag Daten von drei Spektralkanälen des Hauptinstrumentes und des Meteosat Visible and InfraRed Imager ( MVIRI ) aller 30 Minuten zur Verfügung. Die drei Kanäle befinden sich im Sichtbaren Bereich, im Wasserdampf-Absorptionsband und im Infrarot des elektromagnetischen Spektrums.

Kanal	Band	Spektralbereich	Anwendung
Kanal 1	sichtbarer Spektralbereich (VIS)	0,45 bis 1,0 µm	Verwendung von zwei Radiometern (VIS1, VIS2) zur visuellen Betrachtung
Kanal 2	Wasserdampfabsorptionsband (WV)	5,7 bis 7,1 µm	Bestimmung des Wasserdampfgehaltes in der mittleren Atmosphäre
Kanal 3	thermisches Infrarot (IR)	10,5 bis 12,5 µm	Temperaturbestimmung von Wolken-, Land- und Meeresoberflächen

Meteosat-4 war EUMETSATs erster operationeller Satellit, der im März 1985 abgeschossen wurde. In den nächsten viereinhalb Jahren folgten Meteosat-5 und Meteosat-6. Meteosat-6 stellte zwischen 2001 und 2007 EUMETSATs neuen Schnellscanservice und liefert somit in kurzen Abständen Daten von hoher räumlicher Auflösung, ums sich rasch entwickelnde Phänomene wie Gewitter, Schneestürme und Nebelbänke zu beobachten.

Währenddessen wurde im Mai 1995 das Meteosat Transition Progamme initiiert, welches die Konstruktion, den Start und die Betreibung des Meteosat-7 beinhaltet. Meteosat-7 ist der letzte Sattelit der ersten Generation von Meteosat-Satelliten und wurde im September 1997 in den Orbit geschossen.

Die erste Generation der sieben Meteosat-Satelliten verbesserte stark die Wettervorhersage. Aber der technische Fortschritt sowie der gestiegene Anspruch der Wettervorhersage schufen die Nachfrage an höher auflösende und genauere Raumbeobachtungsmethoden. Um diese Nachfrage zu befriedigen und um die Kontinuität zu sichern, startete EUMETSAT in Zusammenarbeit mit der ESA das Meteosat-Second-Generation-Programm.

Übersicht über die Laufzeit der Satelliten der First Generation:

• Meteosat-1 1977-1979 (Sendebetrieb wurde auf Grund eines Radiometer-Problems frühzeitig eingestellt)
• Meteosat-2 1981-1991
• Meteosat-3 1988-1995
• Meteosat-4 1989-1995
• Meteosat-5 1991-2007
• Meteosat-6 1993-2006
• Meteosat-7 1997-2013

Meteosat Second Generation

Im Anschluss an die erste Generation der Meteosat-Satelliten folgte eine zweite Generation (MSG=Meteosat Second Generation). Es sollten damit zeitlich und räumlich höher aufgelöste Daten erhoben werden, die sowohl der kurz- und mittelfristigen Wettervorhersage als auch Klimabeobachtungen dienen sollten.

Die MSG wurden in einer Kooperation zwischen ESA und EUMETSAT entwickelt. Dabei war die ESA für das Design und die Entwicklung der vier MSG-Satelliten zuständig. EUMETSAT übernahm die Gesamtverantwortung sowie die Entwicklung der Bodenstationen und Betriebssysteme.

Die Meteosats der zweiten Generation befinden sich auf einer geostationären Position von 36.000 km Höhe und stellen 24 Stunden am Tag Daten zur Verfügung. Das Herzstück dabei ist das Instrument SEVIRI (Spinning Enhanced Visible and Infra Red Imager) welches mit der doppelten Frequenz des Vorgängerinstrumentes arbeitet. Somit können nun Bilder alle 15 Minuten statt alle halbe Stunde geliefert werden. Im Gegensatz zur Vorgängergeneration werden statt drei Kanälen zwölf abgebildet. Diese befinden sich im Sichtbaren Bereich, im Wasserdampfabsorptionsband und im Infrarot des elektromagnetischen Spektrums. Zusätzlich gibt es einen Breitbandhochauflösungskanal.

Kanal	Band	Spektralbereich	Anwendung
1	sichtbarer Spektralbereich (VIS)	0,56 bis 0,71 µm	Wolkenerkennung, Aerosol-Überwachung, Landoberflächen- und Vegetationsbeobachtung
2	sichtbarer Spektralbereich (VIS)	0,74 bis 0,88 µm	Wolkenerkennung, Aerosolüberwachung, Landoberflächen- und Vegetationsbeobachtung
3	nahes Infrarot (NIR)	1,50 bis 1,78 µm	Unterscheidung zwischen Schnee/Wolke, Eiswolken/Wasserwolken; Bereitstellung von Aerosolinformationen
4	Infrarot (IR)	3,48 bis 4,36 µm	Ermittlung von tiefen Wolken/Nebel; Land- und Meeresoberflächentemperatur in der Nacht
5	Wasserdampfabsorptionsband (WV)	5,35 bis 7,15 µm	Wasserdampf- und Windbeobachtungen; Verteilung von semitransparenten Wolken
6	Wasserdampfabsorptionsband (WV)	6,85 bis 7,85 µm	Wasserdampf- und Windbeobachtungen; Verteilung von semitransparenten Wolken
7	Infrarot (IR)	8,30 bis 9,10 µm	Informationen über dünne Cirruswolken ; Unterscheidung von Eis- und Wasserwolken
8	Infrarot (IR)	9,38 bis 9,94 µm	Windbewegungen in der unteren Stratosphäre ; Beobachtung des Ozons
9	Infrarot (IR)	9,80 bis 11,80 µm	Temperaturbestimmung von Wolken-, Land- und Meeresoberflächen; Ermittlung von Cirruswolken und Vulkanschenwolken
10	Infrarot (IR)	11,00 bis 13,00 µm	Temperaturbestimmung von Wolken-, Land- und Meeresoberflächen; Ermittlung von Cirruswolken und Vulkanschenwolken
11	Infrarot (IR)	12,40 bis 14,40 µm	Höhenverteilung von dünnen Cirruswolken; Temperaturbestimmung der unteren Troposhäre in wolkenfreien Gebieten
12	Breitband-Hochauflösungskanal (HRV)	0,40 bis 1,10 µm	Temperaturbestimmung von Wolken-, Land- und Meeresoberflächen

Ebenfalls an Bord befindet sich das Radiometer GERB (Global Earth Radiation Budget), welches äußerst wertvolle Daten über die Strahlungsbilanz der Erde liefert. Das Verhältnis zwischen der Menge der auf unseren Planeten einfallenden und der zurückgestrahlten Sonnenenergie spielt bei der Entwicklung des Klimas auf unserem Planeten eine entscheidende Rolle.

MSG 1

Datei:Meteosat-1-first.jpg

Das Bild zeigt die erste Aufnahme des MFG-1-Satelliten

Am 28. August 2002 wurde erfolgreich der erste Satellit der zweiten Generation - MSG-1 ins All befördert. Das ESA-Kontrollzentrum (ESOC=European Space Organisatoin Center) übernahm nach der Abkapselung von der Rakete Ariane-5 die Kontrolle über den Satelliten und manövrierte ihn auf einen quasi-stationären Orbit. EUMETSAT bekam die Kontrolle wie geplant am 25.09.2002 und startete Anfang Oktober 2002 die Inbetriebnahme des Satelliten. Unerwartet schaltete sich Mitte Oktober jedoch der Halbleiterverstärker ( SSPA=Solid State Power Amplifier) ab, als die operationellen Bedingungen nennenswert waren. Nach dem Ereignis konnte er nicht wieder angeschaltet werden. Dies führte zu Verspätungen in der Inbetriebnahme. Die ESA gründete daraufhin einen Untersuchungsausschuss, auf dessen Empfehlungen im November 2002 die Inbetriebnahme des Satelliten neu gestartet wurde, jedoch mit einem Minimum an Ausgangsleistung un einem Rohdaten-Downlink. Die onboard Reaktivierung war nicht reaktiviert, obwohl zahlreiche SSPA-Elemente verfügbar waren.

Die Ergebnisse des ESA-Untersuchungsausschusses wurden am 7. April 2003 präsentiert und führten dazu, dass es Modifizierungen im SSPA der folgenden MSG-Satelliten geben sollte. Parallel dazu suchte EUMETSAT nach alternativen Übetragungsmethoden und fand die Lösung in EUMETCast. Somit konnte am 21. Oktober 2003 die Weitergabe von meteorologischen Produkten erfolgen. Die EUMETCast-Übertragungen wurden durch zusätzliche andere Daten und Produkte, wie z.B. Meteosat-5-Bilder über dem indischen Ozean, aufgewertet.

Am 29. Januar 2004 startete der Routinebetrieb auf Basis des MSG-1-Satelliten und arbeitet nun als operationeller Satellit. Nachdem die Testphase erfolgreich abgeschlossen war, benannte man ihn in Meteosat-8 um und erhält nun Rohbilder von exzellenter Qualität.

Auf den beiden Bildern rechts kann man gut sehen, wie stark sich die beiden Generationen in der Aufnahmequalität unterscheiden. Während die Graustufen bei Meteosat-1 noch recht gering waren, so sind sie bei MSG-1 stärker abgestuft.

MSG 2

Parallel zur MSG-1-Inbetriebnahme wurden MSG-2 und MSG-3 getestet. Im März 2004 beschloss EUMETSAT, den 2. MSG-Satelliten aus dem Lager zu holen und die letzten Tests und Arbeiten für den Start durchzuführen, der zwischen Februar und April 2005 stattfinden sollte. Die anvisierten Tests konnten erfolgreich ausgeführt werden. Im Sommer 2004 schloß sich der System-Validierungs-Test (SVT) an, der ebenfalls erfolgreich verlief. Der SVT ist das Schlüsselereignis, um die operationellen Abläufe und Datenbanken für gültig zu erklären.

Am 21. Dezember 2005 brachte eine Ariane-5-Rakete den MSG-2-Sateliten (nun Meteosat-9) von Französisch-Guayana ins All und erhebt nun Daten für sämtliche meteorologische Dienste.

Vom technischen Aufbau her sind alle MSG-Satelliten identisch. Sie unterscheiden sich nur im SSPA. In dem neuen MSG-2 gibt es nun vier statt zwei SSPAs, über die Rohdatenkanäle und langsame Informationsübertragungskanäle ausgewählt werden können.

MSG 3

Seit dem Start des Meteosat-8 im Jahr 2005 arbeitet man am Nachfolger MSG-3. Ziel ist dabei die Sicherstellung der Konfigurationen. Der geplante Start sollte in der Periode 2008/09 stattfinden, wurde aber auf 2011 verschoben.

MSG 4

Nach der positiven Entscheidung des 52. EUMETSAT Special Concil Meetings im März 2003 begann im April die industrielle Bereitstellung des MSG-4-Satelliten. Mehr als 50 Firmen von 13 ESA-Mitgliedsstatten sind in den Prozess einbezogen.

Am 11. April konnte der System Baseline Status Review erfolgreich abgeschlossen werden, wobei der Fokus auf dem technischen Status und der Programmplanung lag. Der Start dieses Satelliten ist für 2013 vorgesehen.

Das Bild veranschaulicht die Laufzeit der MSG-Satelliten

Verbesserungen von MFG zu MSG

Durch die zweite Generation der Metosat-Satelliten wurden viele Verbesserungen (siehe Tabelle) im meteorologischen Service, in der Klimabeaobachtung und in anderen Nachbardisziplinen erreicht.

	MFG	MSG
Kanäle	3	12
Zeitliche Auflösung	30 min	15 min
Räumliche Auflösung	5km x 5km bzw. 2,5km x 2,5km	2,5km x 2,5 km bzw. 1km x 1km
Lebensdauer	5 Jahre	7 Jahre
Komprimierung pro Pixel	8 bits	10 bits

Das gesamte MSG-Progamm der ESA und EUMETSAT endet im erfolgreichen Abschuss, der Inbetriebnahme und dem Start der Routinearbeiten des ersten Satelliten der zweiten Generation. Trotz des Versagens des SSPA ist der Satellit vollkommen einsatzbereit. Auch der zweite Satellit liefert ausgezeichnete Ergebnisse.

Zusammen mit den folgenden Satelliten MSG-3 und MSG-4 wird das MSG-Programm fortgeführt, um den Beitrag zur Raumkomponente des World Weather Watch der World Meteorological Organization (WMO) zu verbessern. Dies soll bis mindestens 2019 andauern.

Meteosat Third Generation

Die Inbetriebnahme des ersten Satelliten der MSG-Serie Anfang des Jahres 2004, als Meteosat-8, kennzeichnet in Europa den Beginn eines neuen Zeitalters meteorologischer Beobachtungen aus dem geostationären Orbit. Das neue Satellitensystem stellt die Grundlage für einen funktionsfähigen, europäischen meteorologischen Dienst dar. Es liefert aber auch einen wichtigen Beitrag zum Globalen Satelliten System der World Meteorological Organisation. Die derzeitig aktiven MSG-Satelliten sind mindestens bis zum Jahr 2018 funktionsfähig. Trotzdem haben EUMETSAT und die ESA schon 2004 mit den Planungen eines nachfolgenden Systems begonnen, dem Meteosat Third Generation (MTG) Programm. Der frühe Planungsbeginn kann eine Inbetriebnahme der MTG-Satelliten noch vor Ablauf der oben genannten Laufzeit der MSG-Satelliten möglich machen und somit einen reibungslosen Wechsel zwischen beiden Systemen garantieren.

Planungsphasen

Das Entwerfen und Konstruieren von hochkomplexen Satellitensystemen benötigt eine jahrelange Planungs-, Forschungs- und Entwicklungsarbeit. Dabei gibt es nicht nur technische Probleme zu bewältigen. Das Wichtigste einer jeden Planung ist die Beschaffung und Sicherstellung von Finanzmittel. Zu Beginn einer jeden Mission steht der User Consulting Prozess, der einen Überblick darüber verschafft, was die Benutzer des Satellitensystems erwarten und benötigen. Aus den Ergebnissen dieser Befragung wird ein Missionskonzept erstellt. Anschließend werden wissenschaftliche Studien angefertigt um die Benutzerwünsche und die technischen Anforderungen des zukünftigen Systems genau zu prüfen und abzuwägen. Daraus ergibt sich die Grundausstattung des Satellitensystems, welche als Grundlage für die Entwicklungsphase dient. Ein weiterer entscheidender Punkt ist die Bewilligung des Projektes. Sie ist abhängig von der Finanzierbarkeit und der Umsetzbarkeit und mit Hilfe von Machbarkeitstudien wird über die Zulassung des Projektes entschieden. Sobald die Benutzerwünsche und die Anforderungen an das System festgelegt wurden und die Mission genehmigt wurde, können die Beschaffung von Satelliten und die Einrichtung von Bodenstationen beginnen.

Zeitraum	Phase	Aktivitäten
2001 - 2005	Phase 0 (User Consulting Prozess)	Definition der Benutzerwünsche; Anfertigung von Studien über relevante Messtechniken, Instrumenten und das System; Definition, Abstimmung und Auswahl der möglichen Missionskonzepte; Vorbereitung der Phase A; Genehmigungsprozess für das EUMETSAT-MTG-Programm (bis zu Phase B)
2005 - 2007	Phase A	ausführliche Studien über die ausgewählten Missionskonzepte
2007 - 2009	Phase B	koordinierte Aktivitäten im MTG-Vorbereitungsprogramm; Genehmigungsprozess für das MTG-Entwicklungsprogramm
2009 - 2014	Phase C/ Phase D	Entwicklung und Bodentestung des MTG-Systems
2015 -	Phase E	geplante Einsatzfähigkeit

User Consulting Process

EUMETSAT begann mit der Unterstützung der ESA im Jahr 2000 mit den Vorbereitungen für das MTG-Projekt – dem Post-MSG-User Consulting Prozess. Später wurde dieser Vorgang in MTG-User Consulting Prozess umbenannt. Das Ziel der Befragung war, herauszufinden welche Ansprüche und Wünsche die Kunden und Benutzer von Meteosat an ein neues geostationäres, meteorologisches Satellitensystem stellten. Dabei wurde ganz gezielt nach dem Nutzungszeitraum von 2015 bis 2025 gefragt, um vor allem zukünftige Anwendungsmöglichkeiten und –wünsche zu berücksichtigen. Gleichzeitig erhielten drei Expertengruppen (Application Expert Groups – AEGs) die Aufgabe sich mit Mess- und Beobachtungstechniken der folgenden Anwendungen zu beschäftigen:

• Nowcasting (NWC)
• Kurzfristige Wettervorhersagen (Very Short Range Forecasting – VSRF)
• Kurzfristige globale und regionale numerische Wettervorhersage (Numerical Weather Prediction – NWP)
• Klima-Monitoring
• Monitoring der Luftzusammensetzung.

Die Ergebnisse der Expertengruppen wurden zusammengefasst und am 13. November 2001 in einem MTG-User Consulting Workshop präsentiert und mit den Benutzern diskutiert. Dazu kamen zwei weitere Workshops, in denen sich intensiver mit der Chemie der Atmosphäre und dem Klima-Monitoring beschäftigt wurde. Im Anschluss an die Workshops wurden fünf Beobachtungstechniken ausgewiesen, die von AEGs und externen Fernerkundungsexperten (Remote Sensing Experts – RSE) erarbeitet wurden. Das Resultat dieser Zusammenarbeit diente 2003 der ESA als Grundlage für zwei Studien:

• Post-MSG Beobachtungstechniken Studie
• Instrumenten-Konzept Studie.

Die Studien der ESA sollten EUMETSAT dabei unterstützen den Benutzerbedarf und die Tragfähigkeit der Konzepte zu überprüfen und zu vereinen. Das MRD (Mission Requirement Document) ist das Ergebnis dieser ESA-Studien und fasst den Bedarf des MTG-Projektes an Technik und Benutzerdiensten zusammen. Es bildet die Basis für alle weiteren Planungen und zukünftigen Aktivitäten. Im Oktober 2004 starteten dann Studien über die gesamte Systemarchitektur. Im April 2005 wurde dann ein weiterer User Consulting Workshop einberufen um die angefertigten Studien mit den Benutzern zu diskutieren und die Bedürfnisse und Voraussetzungen endgültig im Programmatic Assumption and Requirements Document (PARD) festzulegen. Dieses Dokument gibt die technischen und programmatischen Grenzen wieder und spezifiziert die Gesamtvoraussetzungen des Programms. Die ESA und EUMETSAT nutzten das PARD anschließend in der Phase A, um Machbarkeitsstudien anzufertigen.

Zeitstrahl

geplante Ausstattung

Die geplante MTG-Ausstattung stellt das gesamte Projekt vor sehr vielfältige Aufgabenbereiche. Dabei bestimmen die Ergebnisse des User Consulting Prozesses, in Form des MRD und PARD, die weitere Planung und Vorgehensweise. Die Mission kann in zwei Kategorien untergliedert werden: Aufgaben in Verbindung mit Messungen (observation mission) und solche, die sich mit der Aufbereitung und Verbreitung von Daten beschäftigen (nonobservational mission).

Die Observation Mission wird ihrerseits noch mal in zwei Bereiche unterteilt, die Art der Bildaufnahme (imagery mission) und die Sondierungs-/Peilungssysteme (sounding mission). Bei der Imagery Mission steht die operative Meteorologie, im Speziellen das Nowcasting und kurzfristige Wettervorhersagen (VSRF), im Mittelpunkt. Bei der Sounding Mission ist der Fokus vor allem auf die Chemie der Atmosphäre und das Klima-Monitoring gerichtet.

Das Ziel der Nonobservational Mission besteht in der Verbesserung der internen und externen Datenerfassungssysteme (Data Collection System – DCS) und dem Problem der Bereitstellung der Daten für den Endbenutzer. Neben diversen Online-Diensten sollen dem Benutzer die erfassten Daten fast in Echtzeit angeboten werden können. Außerdem soll ein zusammenhängender globaler Datensatz entstehen, der sich aus den Produkten und Daten der Satellitensysteme GEOS (Vereinigte Staaten), GOMS (Russische Föderation), GMS (Japan) und MTG (Europa) zusammensetzt.