Raumfahrt: Kollisionen von Satelliten besser vorhersagen

Immer mehr Satelliten und Objekte fliegen im erdnahen Orbit. Das Risiko für Zusammenstöße kann sich erhöhen – eine neue Methode soll sie besser vorhersagen.

Artikel veröffentlicht am 1. August 2023, 16:33 Uhr, Patrick Klapetz

Eine künstlerische Darstellung von der Entstehung von Weltraumschrott nach einem Zusammenstoß (Bild: Esa, ID & Sense, ONiRiXEL)

Ein Forschungsteam der Technischen Universität Darmstadt hat eine verbesserte Methode zur Kollisionsvorhersage von Objekten im erdnahen Orbit erstellt. Die dafür notwendigen Algorithmen werden von der europäischen Raumfahrtbehörde Esa bereits getestet.

Bisher war es so, dass mögliche Zusammenstöße von Satelliten mit anderen Satelliten oder mit Weltraumschrott mit der All-on-all-Methode berechnet wurden.

Die Umlaufbahnen der einzelnen Objekte werden dabei einzeln miteinander verglichen. Dies führt zu einer quadratischen Anzahl an Satellitenpaaren und die Kollisionsrisiken können dann nacheinander bestimmt werden. Jedoch lassen sich so mögliche Zusammenstöße erst ein bis zwei Wochen vorher, manchmal sogar erst Stunden vorher prognostizieren. Die Betreiber der Satelliten werden dann gewarnt, damit sie ein Ausweichmanöver einleiten können.

Mit den neuen erprobten Methoden konnte das Forschungsteam eine Verbesserung erreichen. "Wir standen vor zwei Herausforderungen: Zum einen wollten wir die Positionen der Objekte für einen deutlich längeren Zeitraum simulieren, nicht nur ein bis zwei Wochen wie bisher. Zum anderen wollten wir eine größere Anzahl von Objekten berücksichtigen", erklärt der Leiter des Fachgebiets Felix Wolf in einer Pressemitteilung der TU Darmstadt. Mit einem neuen und effizienteren Algorithmus konnte das Forschungsteam den Arbeits- und Rechenaufwand minimieren.

Neue Methode bietet Verbesserung

Dafür nutzt das Forschungsteam räumliche Datenstrukturen und Parallelisierungsmethoden – auch gitterbasierte Variante genannt –, um mögliche Zusammenstöße zu identifizieren. Statt jeden Satelliten und jedes Objekt einzeln zu betrachten und damit ihr Kollisionsrisiko zu errechnen, haben sie den Orbit in rasterähnliche Abschnitte unterteilt.

Die vorhandenen Objekte werden dann nur in ihren Zellen und den direkt angrenzenden Nachbarzellen miteinander verglichen. Auch eine hybride Methode, bei der die Forscher ihre Variante mit der klassischen Variante kombinieren, haben sie erprobt.

Drohende Zusammenstöße konnten dadurch schneller vorhergesagt und die Bewegung von mehr als einer Million Objekte in der Erdumlaufbahn dadurch simuliert und überwacht werden. Da die Objekte im erdnahen Orbit immer weiter zunehmen, wird die Prognose von möglichen Zusammenstößen in Zukunft schwieriger sein – Abhilfe könnte eine höhere Rechenleistung schaffen, damit das Problem mit dem Speicherverbrauch bei den Berechnungen behoben wird. Nur erprobt die Esa diese Methode für die Überwachung der Objekte im erdnahen Orbit.

Zur Studie

Die Studie wurde am 18. Juli 2023 im Fachmagazin IEEE Xplore publiziert: Satellite Collision Detection using Spatial Data Structures (Satellitenkollisionserkennung mithilfe räumlicher Datenstrukturen).