Warum Simulationen für die Mission "Mass Change and Geosciences International Constellation" (MAGIC) wichtig sind

Seit mehr als zwei Jahrzehnten erfassen Satelliten, wie sich Wasser auf der Erde bewegt - ob das Eis schmilzt, der Grundwasserspiegel sich verändert oder der Meeresspiegel steigt. Die Satellitenmission Gravity Recovery and Climate Experiment (GRACE) (2002-2017) und ihr Nachfolger GRACE Follow-On (GRACE-FO, seit 2018) haben eine nahezu kontinuierliche Zeitreihe dieser Massenänderungen geliefert. Um diese wichtigen Daten auch weiterhin fortzusetzen, entwickeln die US-amerikanische und die deutsche Raumfahrtbehörde (NASA und DLR) eine weitere Mission, GRACE-C (Continuation), die Ende 2028 starten soll. Darüber hinaus bereitet die Europäische Weltraumorganisation (ESA) die Next Generation Gravity Mission (NGGM) vor, deren Start für 2032 geplant ist.

Das Ziel der geplanten Mass-Change and Geoscience International Constellation (MAGIC) ist es, diese beiden Missionen gemeinsam zu betreiben und so ein leistungsstarkes Erdbeobachtungssystem der nächsten Generation zu schaffen. Durch den Einsatz von zwei Satellitenpaaren (NGGM und GRACE-C) anstelle von nur einem wird MAGIC räumlich und zeitlich besser aufgelöste, zeitlich veränderliche Schwerefeldmodelle mit geringerer Unsicherheit und Latenzzeit liefern. Damit versucht man den von IUGG (International Union of Geodesy and Geophysics) und GCOS (Global Climate Observing System) formulierten internationalen Nutzeranforderungen gerecht zu werden und die für das Copernicus Erdbeobachtungsprogramm relevanten operativen Fähigkeiten zu demonstrieren. Aber woher wissen wir, dass MAGIC wie erwartet funktionieren wird? An dieser Stelle kommen Simulationen ins Spiel.

Dr. Josefine Wilms, GFZ Helmholtz-Zentrum für Geoforschung

Vor dem Start von Satelliten nutzen Wissenschaftler:innen Computersimulationen, um vorherzusagen, wie gut verschiedene Missionskonzepte das Schwerefeld der ErdeDas Schwerefeld der Erde setzt sich aus der Erdanziehung (Gravitation) und der durch die Erdrotation verursachten, breitenabhängigen Zentrifugalbeschleunigung zusammen. Die Materie in und auf der Erde ist nicht gleichmäßig verteilt. Wasser, locker... erfassen können. Bereits Ende der 1960er Jahre wurde die Idee untersucht, hoch-niedriges Satelliten-zu-Satelliten-Tracking (SST) zwischen erdnahen Satelliten (LEO) und einem GNSS-Satelliten mit niedrig-niedrigem SST zwischen zwei LEOs in derselben Umlaufbahn zu kombinieren, um zeitliche Veränderungen des Schwerefeldes zu beobachten. Dieses Konzept wurde 1969 auf der Williamstown-Konferenz vorgestellt. Die Umsetzung zu einer GRACE-Mission wurde jedoch erst 33 Jahre später möglich – mit der Entwicklung weltraumtauglicher GPS-Empfänger, hochpräziser Beschleunigungsmesser zur Erfassung nicht-gravitativer Kräfte, mikrometergenauer Mikrowellen-SST sowie mechanisch und thermisch ultrastabiler Satelliten.

Am GFZ Helmholtz-Zentrum für Geoforschung führen die Forscher:innen realistische Simulationen mit einer selbst entwickelten Spezialsoftware namens EPOS (Earth Parameter and Orbit System) durch. Diese Simulationen helfen zu bewerten, wie sich verschiedene Missionskonfigurationen - wie die Anzahl der Satellitenpaare, Änderungen der Bahnparameter wie Höhe oder Neigung oder verbesserte Instrumente - auf die räumliche und zeitliche Auflösung, Qualität und Latenzzeit zukünftiger Erdschwerefeldmodelle auswirken würden.

Der Prozess der Analyse von MAGIC-Szenarien umfasst - wie bei allen anderen Schwerefeldmissionen auch - drei wichtige Schritte:

1. Vorwärtssimulation - Die Wissenschaftler:innen erstellen zunächst eine virtuelle Version der MAGIC-Mission. In diesem Schritt simulieren sie, wie die beiden Satellitenpaare die Erde umkreisen werden (z. B. durch Festlegung der Bahnhöhe, der Bahnneigung oder der entsprechenden Wiederholungszyklen) und wie die Instrumente an Bord (z. B. SST, Beschleunigungsmesser oder GNSS-Empfänger) die durch die Verschiebung von Wasser, Eis und Landmassen verursachten Schwerkraftänderungen messen werden. Diese "realen" Beobachtungen beruhen auf gut etablierten Modellen der Gravitations- und Nichtgravitationskräfte der Erde.
2. Erhöhte Realitätsnähe – Im Weltraum ist keine Messung perfekt. Daher fügen wir kleine Störungen hinzu, um die Simulation realistischer zu gestalten. Diese ahmen reale Fehlerquellen wie z.B. Messrauschen nach. Dieser Schritt stellt sicher, dass die simulierten Daten die Herausforderungen realer Beobachtungen möglichst realistisch widerspiegeln.
3. Rückwärtssimulation – Diese simulierten Beobachtungen werden dann so verarbeitet, als handele es sich um echte Daten, so dass die Wissenschaftler:innen testen können, wie genau die MAGIC-Satelliten Massenveränderungen erkennen würden. In diesem Schritt werden jedoch nicht dieselben Hintergrundmodelle aus Schritt 1 benutzt, sondern durch alternative Modelle ersetzt, was die Unsicherheit für die Modellierung der verschiedenen auf die Satelliten einwirkenden Störkräfte reflektieren soll. Durch den Vergleich der resultierenden Ergebnisse mit den ursprünglichen Annahmen für das Schwerefeld der Erde im Schritt 1 können wir dann die Fähigkeit der Mission beurteilen, wie Wasserbewegungen und klimabedingte Veränderungen im Erdsystem. 

Realistische Simulationen sind unerlässlich, um den Erfolg der MAGIC-Mission zu gewährleisten. Durch das Testen verschiedener Missionsdesigns und Datenverarbeitungsstrategien in einer kontrollierten, virtuellen Umgebung können die Forscher beurteilen, wie gut MAGIC funktionieren wird, bevor es gebaut und gestartet wird. Auf diese Weise können potenzielle Schwachstellen erkannt und beseitigt werden, um sicherzustellen, dass die Mission Daten von höchstmöglicher Qualität liefert.

Ein wichtiges Ergebnis dieser Simulationen ist die Möglichkeit, die erwartete Leistung von MAGIC mit früheren Missionen zu vergleichen. Abbildung 1 veranschaulicht diese deutliche Verbesserung: Das Bild links oben zeigt simulierte Daten der aktuellen GRACE-FO-Mission, deren räumliche und zeitliche Auflösung aufgrund ihres Missionsdesigns – ein einzelnes Satellitenpaar auf einer polaren Umlaufbahn – begrenzt ist. Das Bild rechts oben zeigt, wie die Kombination einer GRACE-ähnlichen Mission (z.B. GRACE-C) kombiniert mit einer geneigten NGGM, ausgestattet mit verbesserten Instrumenten (z.B. etwa zehnmal genauere Beschleunigungsmesser), sowie optimierten Verarbeitungsstrategien die Detailgenauigkeit der aus MAGIC gewonnenen Massensignale erheblich verbessert wird - und das ohne eine Nachbereitung wie sie bei GRACE-ähnlichen Missionen immer notwendig ist, um die streifenförmigen Artefakte zu beseitigen. Das untere Bild stellt die bei der Simulation verwendete „Wahrheit“ dar, das als Referenz zur Bewertung der Genauigkeit der beiden Missionskonzepte dient. Diese Ergebnisse unterstreichen die deutlichen Fortschritte, die MAGIC für die Überwachung hydrologischer und klimabezogener Prozesse bieten wird.

Mithilfe ausgeklügelter Simulationsstudien können Forscher:innen das finale Design der MAGIC-Mission weiter verfeinern, um ihre Fähigkeit zu optimieren, die sich verändernden Wasser- und Eismassenverteilungen auf der Erde mit beispielloser Präzision zu verfolgen. Diese vorbereitenden Arbeiten sind entscheidend, um sicherzustellen, dass die Mission zuverlässige, hochauflösende Daten liefert, die langfristige KlimaIm Unterschied zum Wetter, das sich auf tagesaktuelle oder sehr kurzfristige Ereignisse bezieht, meint Klima einen mittleren Zustand in der Atmosphäre über einen längeren Zeitraum von 30 bis 40 Jahren hinweg. Beobachtet werden dabei alle Vorgänge...studien, Bewertungen von Naturgefahren und das Management von Wasserressourcen unterstützen. Durch die proaktive frühzeitige Untersuchung potenzieller Schwachstellen mit Hilfe von Simulationen kann damit der wissenschaftliche Nutzen von MAGIC maximiert damit entscheidende Erkenntnisse für die wissenschaftliche Forschung und die politische Entscheidungsfindung angesichts des globalen KlimaIm Unterschied zum Wetter, das sich auf tagesaktuelle oder sehr kurzfristige Ereignisse bezieht, meint Klima einen mittleren Zustand in der Atmosphäre über einen längeren Zeitraum von 30 bis 40 Jahren hinweg. Beobachtet werden dabei alle Vorgänge...wandels gewonnen werden können.

• Flechtner, F. et al. (2016). Was kann vom GRACE-FO Laser Ranging Interferometer für erdwissenschaftliche Anwendungen erwartet werden? In: Cazenave, A., Champollion, N., Benveniste, J., Chen, J. (eds) Remote Sensing and Water Resources. Space Sciences Series des ISSI, Band 55. Springer, Cham. https://doi.org/10.1007/978-3-319-32449-4_11
• Wilms, J. et al. (2025): Optimized gravity field retrieval for the MAGIC mission concept using background model uncertainty information. Journal of Geodesy, 99, 21. https://doi.org/10.1007/s00190-024-01931-5