Die von Airbus Defence and Space konstruierten Zwillingssatelliten der GRACE-FO-Mission übermitteln erstmals regelmäßig weltweite Daten zu Bodenfeuchte und Grundwasserstand. Die exakte Wegmessung zwischen den Satelliten ermöglicht ein Wirbelstromsensor, denn durch die aktive Steuerung der Spiegelpositionen lenkt er die Laserstrahlen nanometergenau.

Das ursprüngliche GRACE (Gravity Recovery and Climate Experiment) war ein gemeinsames Projekt zwischen der US-Raumfahrtbehörde (NASA) und dem Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR). Die beiden baugleichen Satelliten, die einander in geringem Abstand von etwa 200 km auf gleicher Bahn verfolgten, wurden am 17. März 2002 aus dem russischen Plesetsk in die Erdumlaufbahn gebracht.
Sie maßen mit Hilfe von Mikrowellen kontinuierlich die gegenseitige Distanz. Die Massenanziehung beeinflusste die Bahn der Satelliten und ihre Geschwindigkeit. Durch die sich ergebenden minimale Abstandsänderungen ließen sich genaue Rückschlüsse über die Massenverteilung auf der Erde und ihre Veränderungen ziehen. So konnten unter anderem wichtige Informationen über das Ausmaß der Polkappen-Schmelze, den Rückgang von Grundwasser-Reservoirs sowie zur Abschätzung des Meeresspiegel-Anstiegs gewonnen werden.
Nach gut 15 Jahren hatten die beiden Satelliten das Ende ihrer Lebensdauer erreicht – Batterieprobleme und zur Neige gehender Treibstoff führten zur Einstellung der Mission. Doch aufgrund der hohen Relevanz für die Erdsystemforschung starteten das Deutsche GeoForschungszentrum Potsdam (GFZ) und die NASA im Mai 2018 die Nachfolgemission GRACE-FO (Gravity Recovery and Climate Experiment Follow-On), die die Ziele des ursprünglichen Projektes weiterverfolgen sollen.

Hochpräzise Wegmessung zwischen zwei Satelliten

Gebaut wurden die GRACE-Zwillinge sowie deren Nachfolger von Airbus. Für die Lagekontrolle und die Bestimmung von nicht-gravitativen Störkräften haben beide Satelliten Sternsensoren und Beschleunigungsmesser an Bord. Die Position und die Geschwindigkeit der Satelliten werden durch GPS-Empfänger und durch Satellite-Laser-Ranging-Retroreflektoren bestimmt. Zusätzlich sind die beiden Satelliten mit einem Mikrowellensystem im K-Band ausgestattet, das erlaubt, den Abstand und insbesondere dessen Änderung mit einer Genauigkeit von besser als 0,1 µm/s zu bestimmen. Zudem hat GRACE-FO ein Laser-Ranging-Interferometer (LRI) zum Zweck einer Technologie-Demonstration an Bord.
Das von Althen gelieferte Wegmesssystem KD-5100 ist Teil des Laser-Ranging-Interferometers (LRI). Die bisherige Aufgabe des KD-5100 war die Messung der Ausrichtung der Laserspiegel innerhalb von Laser-Communication-Terminals (LCT). Herzstück sowohl beim LCT als auch beim LRI sind die servo-angetriebenen Lenkspiegel (Fast Steering Mirror − FSM). Bei den GRACE-FO-Satelliten wird der Laserstrahl jedoch nicht zur Übertragung von Informationen verwendet, sondern dient der hochpräzisen Wegmessung zwischen den zwei Satelliten.

Nanometergenaue Lenkung der Laserstrahlen

Damit die Satelliten per Laser miteinander kommunizieren können, werden vier Wirbelstromsensoren (2 x 2 Sensorpärchen) auf der Rückseite der jeweiligen servo-angetriebenen Lenkspiegel (FSM) in zwei Koordinatenachsen positioniert. Die Auswertung geschieht über die Messelektronik KD-5100. Bewegt sich einer der Spiegel, wird der andere entsprechend nachgeführt. Die zwei Ausgangssignale des KD-5100 werden zur aktiven Steuerung der Spiegelposition verwendet. Das hochpräzise Messsystem arbeitet mit einer Auflösung bis in den Nanometerbereich. Neben dem Einsatz in Satelliten kommt der KD-5100 auch in Bodenstationen sowie in Bildstabilisierungssystemen zum Einsatz.
Jeder der beiden aktuellen Satelliten liefert täglich bis zu 200 Profile der Temperaturverteilung und des Wasserdampfgehalts in der Atmosphäre und der Ionosphäre. Diese werden unter anderem zur Verbesserung der Wettervorhersagen eingesetzt. Durch GRACE-FO gibt es seit 2020 erstmals regelmäßig weltweite Daten zur Bodenfeuchte und zum Zustand des Grundwassers.