Satellittenorbit

Déi meescht Raumflich sinn an niddrege Bunnen (Héicht e puer 100 km, Ëmlafzäiten ëm 90 min) ëm d'Äerd (z. B. Space-Shuttle-Missiounen). A mëttlerer Héicht (23.000 km, 12 h Ëmlafzäit) läit den Orbit vu villen Navigatiounssatellitten. Vu besonnescher Bedeitung ass d'geostationär Bunn a 35.800 km Héicht (23h, 56min, 4,09s Ëmlafzäit) mat Bunneschréi 0°. Satellitten an deem Orbit stinn idealerweis bal iwwer engem Punkt vum Equator, wat besonnesch fir Kommunikatiouns- an Televisiounssatellitte vu Virdeel ass, well d'Antenne fest ausgeriicht kënne ginn an eng permanent Siichtverbindung zum Satellit besteet. Duerch d'Positioun iwwer dem Equator ass d'Ausnotzen an de Polarregiounen allerdéngs staark ageschränkt oder guer net méiglech.

Aner Fuerderunge ginn un Äerdobservatiounssatellitten oder Spionagesatellitte gestallt. Déi sollen no Méiglechkeet Plazen op der ganzer Äerduewerfläch observéiere kënnen. Dat geet am äerdnoe Raum nëmmen a polnoen Ëmlafbunnen, woubäi dobäi de sonnesynchronen Orbit (SSO) par Rapport zum direkte Pol-zu-Pol-Orbit méi gënschteg ass. Bei den SSO-Bunne mécht de konstante Sonnewénkel am Observatiounsberäich d'Auswäertung an d'Klassifikatioun vun de gewonnenen Äerdobservatiounsdonnéeën méi liicht. Déi relativ niddreg Ëmlafbunn vereinfacht och d'Ophuele vun detailräiche Biller.

D'Ofwäichunge vun der Äerd vun der Kugelgestalt féieren zu Bunnestéierunge vun de Satellittebunnen. Duerch gravitativ Aflëss kënnt et heiansdo och zu Dréiunge vum ganze Bunneplang.

Wärend et an deem Sënn fir jiddwer Satellittebunn en eegenen Orbit gëtt, gëtt de Begrëff Orbit am allgemenge Sënn fir deen een Orbit (net déi Orbitten) benotzt, deen am Ganzen deen äerdnoe Raum beschreift, an deem d'Satellitte kreesen, beispillsweis wann et ëm "Sécherheet am Orbit"^[1] oder "Konschtstécker am Orbit"^[2] geet.

Verleeft en Orbit net exakt iwwer dem Equator (wéi bei geosynchronen Orbitten, kuckt ënnen), formt hien am einfachste Fall e Krees, deem säi Mëttelpunkt mat dem Äerdmëttelpunkt zesummefält. (Déi follgend Iwwerleeung gëllt driwwer eraus och fir Ellipsebunnen, déi net z'exzentresch sinn.) Dëse Bunneplang steet un éischter Näherung (ouni relativistesch Effeten a Stéierunge vu baussen) fest am Raum, wärend sech d'Äerd mat hirer deeglecher Rotatioun dorënner ewechdréit. Op déi Aart a Weis verleeft d'„Buedemspuer“ vum Satellit an enger charakteristescher Wellebunn ëm d'Äerd, déi sech vun Ëmlaf zu Ëmlaf verréckelt. Bei uewerflächenno Ëmlafbunnen (och LEO, kuckt ënnen) ass d'Ëmlafzäit zirka 100 Minutten, soudatt sech d'Bunn (am beschten ofliesbar bei de béide Schnëttpunkte vun der Bunnellips mat dem Equatorplang) vun Ëmlaf zu Ëmlaf ëm ronn 25° a westlecher Richtung verréckelt (d'Äerd hat sech an där Zäit no Osten dorënner weidergedréit). Dat entstoend Wellemuster mat den parallelverréckelten Ëmlaf-Buedemspueren ass um Bild ënnen z'erkennen. Bei enger Kreesbunn ass dëst Muster ëmmer symmetresch zu der Equatorlinn.

Wat d'Bunn méi géi géint den Equator gebéit ass, ëmsou méi héich ginn d'Breeten zu de Polen hin.

Héicht: 150 bis 200 km, ënner Ëmstänn och elliptesch Bunnen, déi méi heich oder méi déif leien.

Eng Parkbunn stellt an der Reegel eng mat wéinegem Undriffsbedarf erreechbar Kreesbunn duer, déi déi meescht Drorakéiten wärend dem Start vun enger Raumsond fir d'éischt ustéieren. Vun där kann d'Rakéit dacks méi liicht an de Bunneplang vun der Fluchtbunn starten. No der Vermiessung där beim Opstiig an d'Parkbunn opgetrueden Ongenauegkeete gëtt d'Zündung a Richtung Zil berechent. Duerno verléisst d'Rakéit, um berechente Punkt, dacks schonn wärend dem éischten Ëmlaf nees déi instabil Parkbunn. En ettlech Rakéitentyppe gebrauchen d'Park- oder Tëschebunnen och beim Start vu Satellitten a méi heich Äerdëmlafbunnen.

 

(Niddreg Äerdëmlafbunn)

• Héicht: 200 bis 2000 km
  • Héichten tëscht 1200 an 3000 km Héicht sinn zwar theoreetesch denkbar, ginn awer wéinst der héijer Stralungsbelaaschtung duerch d'Van-Allen-Ceinture no Méiglechkeet net gebraucht.
  • LEO-Bunne sinn déi energieäermst Bunnen an domat am liichtsten z'erreechen. Raumgefierter beweege sech do mat ongeféier 7 km/s. Fir en Ëmlaf ëm d'Äerd brauch si zirka 100 Minutten. D'Visualitéit an domat de Funkkontakt zu enger Buedemstatioun ass héchstens 15 Minutten pro Ëmlaf.
• Gëtt gebraucht fir:
  • Bemannt Raumfaart (ausser den Apollo-Missiounen zum Äerdmound) a Raumstatiounen
  • Spionagesatellitten (beispillsweis amerikanesche Keyhole-Satellitten)
  • astronomesch Satellitten (beispillsweis den Hubble-Teleskop)
  • Äerdobservatiouns- a Wiedersatellitten
  • Amateurfunksatellitten
  • Global Kommunikatiounssatellittensystemer (z. B. : Iridium)
  • Fuerschungs- an Technologietestssatellitten (zum Beispill TUBSAT-N an TET (Satellit))

   Haaptartikel zu dësem Theema: Sonnesynchronen Orbit 

Am SSO-Orbit passéiert de Satellit e Punkt op der Äerduewerfläch ëmmer zu der selwechter Lokalzäit ±12 Stonnen (Lokalzäit vum eropklammende Knuet, engl. (Time of Ascending Node), LTAN). D'Observatioune vu verschiddenen Deeg loosse sech méi liicht vergläichen, well sech beim selwechten Afallswénkel vun de Sonnestralen de Schiet an d'Reflexiounsverhale vun Uewerflächen net verännert.

(Mëttel Äerdëmlafbunn)

• Héicht: tëscht 1.000 a 36.000 km
• Besonnesches: Bunnhéicht tëscht LEO a GEO
• Gëtt gebraucht fir:
  • Global Kommunikatiounssatellittesystemer wéi Globalstar
  • Navigatiounssatellitte wéi GPS, Galileo oder GLONASS

   Haaptartikel zu dësem Theema: Geostationär Transferbunn 

• Héicht: 200–800 km Perigeum, 36.000 km Apogeum
• Besonnesches: Iwwergangsorbit, fir e GEO z'erreechen (kuckt och Hohmann-Transfer). De Perigeum gëtt an de meeschte Fäll vum Satellit selwer ugehuewen, andeems am Apogeum e Rakéitemotor gezünnt gëtt. Verschidde Rakéiten wéi déi russesch Proton, déi amerikanesch Titan IIIC, Titan IV Centaur, Atlas V an d'Delta IV an déi europäesch Ariane 5 sinn an der Lag, Satellitten direkt am geostationären Orbit auszesetzen.

 

   Haaptartikel zu dësem Theema: Geosynchron Ëmlafbunn 

En Orbit mat enger Ëmlafzäit vun 23h56min04s, deem seng Bunn net onbedéngt kreesfërmeg oder um Equatorplang läit. Ass si verkippt, schwätzt ee vun engem Inclined geosynchronous orbit (IGSO), och Tundra-Orbit. Duerch Bunnestéierungen, provozéiert duerch ongläichméisseg Masseverdeelung vun der Äerd, gi geostationär Satellitten an en IGSO iwwer, wa keng Bunnkorrekture gemaach ginn.

• Héicht: 35.786 km

D'Kreesbunn vun engem Geostationäre Satellit läit ëmmer iwwer dem Äerdequator. D'Bunneschréi zum Equator ass 0 Grad. Bei Bunneschréien déi méi grouss wéi Null sinn, géif de Satellit visuell vertikal zum Himmelsequator pendelen, soudatt en echte stationären Orbit nëmmen iwwer dem Equator méiglech ass.

• Gëtt benotzt fir:
  • Meteorologesch Satellitten
  • Kommunikatiounssatellitten
  • Satellitte fir TV-Iwwerdroung wéi Astra oder Eutelsat

D'Ofkierzung GEO leet sech vum engleschen: Geostationary Earth Orbit of.

• Héicht: > GEO-Orbit

E Satellit op engem supersynchronen Orbit kreest mat engem Apogeum méi héich wéi 35.786 km ëm d'Äerd méi lues, wéi si sech selwer dréit. Bei héijer Aschoss-Inklinatioun kann et méi gënschteg sinn, e geostationäre Satellit amplaz op e GTO-Orbit fir d'éischt op e supersynchronen Transferorbit (SSTO) ze placéieren.

 

Highly-Elliptical-Orbit-Satellitten (HEO, engl. „Satellit mat héichelliptescher Ëmlafbunn“) beweege sech op elliptesche Bunnen mat grousser Exzentrizitéit, dat heescht groussem Verhältnes vun Perigeum an Apogeum. Typesch Wäerter sinn 200 bis 15.000 km resp. 50.000 bis 400.000 km. Héichelliptesch Äerdorbitten eegne sech fir Fuerschung, Telekommunikatioun a militäresche Gebrauch. Beispiller sinn:

• Elliptesch Ëmlafbunne fir Weltraumteleskopen, déi sech ganz laang Zäit pro Ëmlaf iwwer der Van-Allen-Stralungsceinture ophale sollen (Integral, EXOSAT oder IBEX).
• Transferbunn fir Raumgefierter, déi zum Mound fléien.
• Transferbunn fir Raumgefierter, déi zum L1 oder L2 fléien.
• Molnija-Orbiter: Dëst sinn HEO mat enger Inklinatioun zirka 60° an ongeféier 12  Stonnen Ëmlafzäit. D'Inklinatioun, Ëmlafzäit, Perigeum an Apogeum fir Satellitte vun der russescher Molnija-Baurei heeschen: 63°, 718 Min, 450–600 km, 40.000 km (Apogeum iwwer der Nordhallefkugel). Bei dëser Schréi verschwënnt déi duerch den Equatorwulst vun der Äerd verursaacht Perigeumsdréiung vun der Bunn, soudatt déi gewënschte Lag vum Apogeum iwwer eng méi laang Zäit erhale bleift. Satellitten op Molnija-Bunnen eegne sech favoriséiert fir d'Versuergung vu Polargebidder. Geostationär Satellitte si wéinst der klenger Elevatioun an dëse Gebidder schlecht an uewerhalb vun 82° iwwerhaapt net méi z'empfänken. E Satellit mat enger Ëmlafzäit vu 24 Stonne steet fir 2 bis 4 Stonnen am Äerdschied, fir e ganzen Dag Ofdeckung brauch een 3 Satellitten.^[3]

   Haaptartikel zu dësem Theema: Kierfechtorbit 

Mat Kierfechtorbit ginn Ëmlafbunne bezeechent, op déi Satellitte kuerz virun hirem Enn manövréiert ginn.

• z. B. den Orbit zirka 300 km iwwer dem GEO-Orbit

Ganz rar gebrauche Satellitten och Ëmlafbunnen, déi sech an dësem Schema net anuerdne loossen. Zum Beispill liwweren d'Vela fir d'Opspiere vun uewerierdesche Kärwaffentester op nëmme liicht elliptesche ganz héijen Ëmlafbunnen tëscht ongeféier 101.000 an 112.000 km Héicht. Dëst ass ze héich fir eng MEO-Bunn an ze wéineg elliptesch fir eng HEO-Bunn.

Vun theoreeteschem Interessi ass déi sougenannt Schuler-Period vun 84,4 Minutten. Et ass déi klengstméiglech Ëmlafzäit vun engem Satellit, wann hien d'Äerd op enger Bunnhéicht vun null Meter ëmkreese géif.

 

D'Ëmlafzäit U an -vitesse v an engem Orbit ëm een Zentralkierper gëtt duerch d'Kepler Gesetzer bestëmmt a kënne follgendermoosse berechent ginn:

(1) ${\displaystyle U={\sqrt {\frac {4\pi ^{2}a^{3}}{G\left(M_{1}+M_{2}\right)}}}}$ 

(2) ${\displaystyle v={\frac {2\pi a}{U}}\,}$ 

mat

• U = d'Ëmlafzäit,
• v = d'Ëmlafvitess
• a = d'Grouss Hallefachs,
• M₁ an M₂ = d'Masse vum Zentralkierper a vum Satellit,
• G = d'Gravitatiounskonstant.

Mat engem ugehollenen Äerdradius vu 6.371  km, enger Äerdmass vu 5,974 • 10²⁴ kg an der Gravitatiounskonstant 6,6742 • 10⁻¹¹  m³kg⁻¹s⁻², souwéi enger géintiwwer der Äerdmass vernoléissegter Satellittemass kann d'Ëmlafzäit aus der Bunnhéicht h iwwer der Äerduewerfläch wéi follegt berechent ginn:

(1a) ${\displaystyle U=166\cdot 10^{-6}\ {\text{min}}\cdot {\sqrt {\left({\frac {h}{1\ {\text{km}}}}+6371\right)^{3}}}}$ 

Ze beuechten ass, datt d'Ëmlafzäit onofhängeg vun der Exzentrizitéit an domat vun der klenger Hallefachs vun der Bunn ass. All ellipsefërmeg Ëmlafbunne mat der gläich grousser Hallefachs brauchen déi gläich Ëmlafzäit.

Bei Vernoléissegung vun der Satellittemass vereinfacht sech d'Berechnung vun der Ëmlafvitess (Rechegank kuckt bei uewerflächenno Ëmlafbunnen):

(2a) ${\displaystyle v={\sqrt {GM/a}}}$ 

mit

• ${\displaystyle G\cdot M=3,987\cdot 10^{14}\ {\text{m}}^{3}/{\text{s}}^{2}}$ 

 

Niddregfléiend Satellitte sinn nëmme kuerz op hirer Ëmlafbunn ëm d'Äerd. D'Reiwung mat der Atmosphär bremst si of a léisst si op d'Äerd stierzen. Bei enger Fluchhéicht vun 200 km bleiwe si nëmmem e puer Deeg op der Ëmlafbunn. Niddregfléiend Spionagesatellitte fléien aus dësem Grond op staark elliptesche Bunnen. Si verglousen eréischt, wa sech den Apogeum op zirka 200 km verklengert huet.

D'International Raumstatioun ISS kreest ëm d'Äerd op engem Ofstand vun zirka 400 km a verléiert pro Dag 50 bis 150 m Héicht. Ouni Bunnunhiewunge (engl. Reboost) géif si an e puer Joer verglousen. Ab enger Héicht vun 800 km verbleiwen d'Satellitte méi wéi 10 Joer am Raum, héichfléiend Satellitten praktesch fir ëmmer. Ausser Déngscht gestallt droe si bedeitend zum Weltraumschrott bäi. Den Diagramm weist d'Liewenszäiten. Jee méi Sonnenaktivitéit, ëmsou méi grouss deent sech d'Atmosphär aus, ëmsou gréisser ass hiren Afloss op méi héich Bunnen. De Knécks an der Kurv weist déi verklengert Sonnenaktivitéit all 11 Joer.

Och d'Satellittengeometrie beaflosst d'Reiwung. Wat méi kleng d'Mass a wat méi grouss de Stréimungsquerschnëtt an d'Vitess relativ zu der Atmosphär (ballistesche Koeffizient), ëmsou méi grouss ass d'Reiwung, domat d'Verklengerung vun der Vitess an domat och d'Ofhuele vun der Bunnhéicht. Bei der Internationaler Raumstatioun kann déi mëttel Reiwung eleng duerch optiméiert Stellung vum Solarpanéil op der Nuetsäit ëm 30 % reduzéiert ginn (sog. Night Glider mode).

 

Eng Virausso iwwer d'Ofstuerzplaz vun engem Satellit op d'Äerd ass praktesch net méiglech. D'Bild weist als Beispill de Satellit ROSAT, deen am Oktober 2011 ofgestierzt war. Wärend enger 5-stënneger Observatioun hat de Satellit déi als rout markéiert Buedemspur zeréckgeluecht. D'Opschlagzon fir déi verschidde Wrackdeeler formen ëmmer eng laanggestreckten Ellips a Bunnrichtung. Fir d'Opschlagsplaz op engem Äerddeel anzegrenzen, misst d'Prognos fir e Satellittenofstuerz op 15 Minutte genee sinn. Selwer bei wéinegen Deeg virum Verglouse si Bunnestéierungen an d'Wiesselwierkungen mat der Atmosphär ze grouss, fir den Aschlagszäitpunkt anzegrenzen. D'Inklinatioun vun der Satellittebunn bestëmmt, wéi eng Breeten net iwwerflunn ginn an aus der Risikozon eraus sinn. Bei engem polare Satellit mat bal 90° Inklinatioun ass et déi ganz Äerduewerfläch, bei ROSAT mat 53° Inklinatioun de Beräich tëscht 53° Nord an 53° Süd.

Satellitten an aner Objeten an niddregen Ëmlafbunne sinn typescherweis aus Metall hiergestallt, soudatt si d'Liicht gutt reflektéieren. Gi si vun der Sonn ugestraalt, gëtt genuch Liicht reflektéiert, soudatt si och mat bloussem A z'erkenne sinn. Dozou mussen allerdéngs en ettlech Bedingungen erfëllt sinn: Op dem Buedem muss et schonn donkel genuch sinn, fir datt sech de Liichtreflex vum Himmelshannergrond ofhiewe kann; de Satellit muss awer nach voll vun der Sonn ugestraalt sinn. Dës béid Bedingunge sinn nëmme gläich no Sonnenënnergank oder direkt viru Sonnenopgank ginn, wann et um Buedem Nuecht ass, awer d'Sonn an der Héicht vum Satellit vun him aus gesinn nach iwwer dem Horizont steet. Déi drëtt Bedingung ass, datt de Satellit zu dësem Zäitpunkt och d'Siichtfeld vum Observateur duerchschneide muss, dat, wéi weider uewen ausgefouert, net allze grouss ass. Somat erreecht e Satellit eng bestëmmt Regioun ofsäits vum Equator nëmmen a gréisseren Zäitofstänn zu de genannte passenden Zäiten, kuckt als Beispill d'ISS. Déi véiert Bedingung ass einfach, datt d'Wolleken d'Siicht net verspären.

Fir den Observateur entsteet d'Problem, sou Satellittereflexer vu Fliger z'ënnerscheeden. Satellitten erschéngen dobäi méi séier a méi reegelméisseg an hirer Beweegung, si sinn typescherweis nëmme wéineg Minutten am Siichtfeld. Ausserdeem hu se keng Blénkliichter wéi normal Fligeren.

Fir d'ISS gëtt et Websäite mat Termindonnéeë^[4],[5],[6] fir déi kommend Siichtungsméiglechkeeten.

Eppes Spezielles stellen déi sougenannt Iridium-Flaren duer, déi entstinn, wann d'Satellitte vum Iridium-Satellittentelefonsystemer fir een Ament d'Sonn genee zum Observateur reflektéieren. Den Effet ass sou aussergewéinlech staark, well dës Satellitten eng ganz grouss, flaach, reflektéierend Fläch opweisen.

• Oliver Montenbruck u.a.: Satellite orbits - models, methods, and applications. Springer, Berlin 2001. ISBN 3-540-67280-X
• Byron D. Tapley u.a.: Statistical orbit determination. Elsevier Acad. Press, London 2004. ISBN 0-12-683630-2
• Guochang Xu: Orbits. Springer, Berlin 2008. ISBN 3-540-78521-3
• F. O. Vonbun u.a.: Orbit determination accuracies using satellite-to-satellite tracking. in: IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems. Bd AES-14, Ausg. Nov. New York 1978, S. 834-842. ISSN 0018-9251 (abstract)

  Portal Astronomie

• Bernd Leitenberger: Ëmlafbunnen
• (en) AMSAT: Software fir d'Satellittenobservatioun

1. ↑ Munich Aerospace: Sicherheit im Orbit. (ofgeruff den 3. November 2012)
2. ↑ Spiegel online: Raumtransporter ATV-3 dockt an ISS an, 31. Mäerz 2012 (ofgeruff den 3. November 2012)
3. ↑ Hans-Martin Fischer: Europäische Nachrichten-Satellitten Von Intelsat bis TV-Sat. Stedinger Verlag, Lemwerder 2006. ISBN 3-927697-44-3
4. ↑ Heavens-Above – Iwwersiicht iwwer Ëmlafbunn an Observatiounsméiglechkeete vun der ISS (en)
5. ↑ Calsky – Ëmfangräich Säit zu der Bunnberechnung vu Satellitten (Mat Stärekaart)
6. ↑ Satellite Sighting Information – Zäiten a Plaze vun der ISS a Shuttles um Nuetshimmel