Geosynchrone Umlaufbahn - Geosynchronous orbit
Eine geosynchrone Umlaufbahn (manchmal abgekürzt GSO ) ist eine erdzentrierte Umlaufbahn mit einer Umlaufperiode , die der Erdrotation um ihre Achse entspricht, 23 Stunden, 56 Minuten und 4 Sekunden (ein Sterntag ). Die Synchronisation von Rotation und Umlaufperiode bedeutet für einen Beobachter auf der Erdoberfläche, dass ein Objekt in einer geosynchronen Umlaufbahn nach einem Sterntag an genau dieselbe Position am Himmel zurückkehrt. Im Laufe eines Tages kann die Position des Objekts am Himmel still bleiben oder einen Weg zeichnen, typischerweise in Form einer Acht , dessen genaue Eigenschaften von der Neigung und Exzentrizität der Umlaufbahn abhängen . Eine kreisförmige geosynchrone Umlaufbahn hat eine konstante Höhe von 35.786 km (22.236 Meilen), und alle geosynchronen Umlaufbahnen teilen sich diese Haupthalbachse.
Ein Sonderfall der geosynchronen Umlaufbahn ist die geostationäre Umlaufbahn , die eine kreisförmige geosynchrone Umlaufbahn in der Äquatorialebene der Erde ist . Ein Satellit in einer geostationären Umlaufbahn bleibt für Beobachter an der Oberfläche in derselben Position am Himmel.
Kommunikationssatelliten werden oft geostationär oder nahe an geostationären Umlaufbahnen gegeben, damit die mit ihnen kommunizierenden Satellitenantennen sich nicht bewegen müssen, sondern dauerhaft auf den festen Ort am Himmel gerichtet werden können, an dem der Satellit erscheint.
Geschichte
1929 beschrieb Herman Potočnik sowohl geosynchrone Umlaufbahnen im Allgemeinen als auch den Sonderfall der geostationären Erdumlaufbahn im Besonderen als nützliche Umlaufbahnen für Raumstationen . Das erste Erscheinen einer geosynchronen Umlaufbahn in der populären Literatur war im Oktober 1942 in der ersten Venus Equilateral Story von George O. Smith , aber Smith ging nicht auf Details ein. Der britische Science-Fiction- Autor Arthur C. Clarke verbreitete und erweiterte das Konzept 1945 in einem Papier mit dem Titel Extra-Terrestrial Relays – Can Rocket Stations Give Worldwide Radio Coverage? , veröffentlicht in der Zeitschrift Wireless World . Clarke erkannte die Verbindung in seiner Einführung zu The Complete Venus Equilateral an . Die Umlaufbahn, die Clarke zuerst als nützlich für Rundfunk- und Relaiskommunikationssatelliten beschrieb, wird manchmal als Clarke-Umlaufbahn bezeichnet. In ähnlicher Weise ist die Ansammlung künstlicher Satelliten in dieser Umlaufbahn als Clarke-Gürtel bekannt.
In der Fachsprache werden die geosynchronen Umlaufbahnen oft als geostationär bezeichnet, wenn sie sich ungefähr über dem Äquator befinden, die Begriffe werden jedoch etwas synonym verwendet. Insbesondere geosynchrone Erdumlaufbahn ( GEO ) kann ein Synonym für geosynchrone äquatoriale Umlaufbahn oder geostationäre Erdumlaufbahn sein .
Der erste geosynchrone Satellit wurde 1959 von Harold Rosen entworfen, während er bei Hughes Aircraft arbeitete . Inspiriert von Sputnik 1 wollte er einen geostationären (geosynchronen äquatorialen) Satelliten verwenden, um die Kommunikation zu globalisieren. Die Telekommunikation zwischen den USA und Europa war damals zwischen nur 136 Personen gleichzeitig möglich und war auf Hochfrequenzfunk und ein Seekabel angewiesen .
Konventionelle Weisheit zu der Zeit war , dass es zu viel verlangt Rakete Mach einen Satelliten in einer geostationären Umlaufbahn zu bringen , und es würde nicht lange genug überleben , um die Kosten zu rechtfertigen, so früh Anstrengungen wurden Konstellationen von Satelliten setzen auf niedriges oder mittleres Erdumlaufbahn. Die ersten davon waren die passiven Echo-Ballonsatelliten im Jahr 1960, gefolgt von Telstar 1 im Jahr 1962. Obwohl diese Projekte Schwierigkeiten mit der Signalstärke und -verfolgung hatten, die durch geosynchrone Satelliten gelöst werden konnten, wurde das Konzept als unpraktisch angesehen, so dass Hughes oft Gelder zurückhielt und Unterstützung.
Bis 1961 hatten Rosen und sein Team einen zylindrischen Prototyp mit einem Durchmesser von 76 Zentimetern (30 Zoll), einer Höhe von 38 Zentimetern (15 Zoll) und einem Gewicht von 11,3 Kilogramm (25 Pfund) hergestellt; es war leicht und klein, genug, um mit damals verfügbaren Raketen in die Umlaufbahn gebracht zu werden, war spinstabilisiert und verwendete Dipolantennen, die eine pfannkuchenförmige Wellenform erzeugten. Im August 1961 wurden sie beauftragt, mit dem Bau des funktionierenden Satelliten zu beginnen. Sie verloren Syncom 1 durch einen Elektronikfehler, aber Syncom 2 wurde 1963 erfolgreich in eine geosynchrone Umlaufbahn gebracht. Obwohl seine geneigte Umlaufbahn immer noch bewegliche Antennen erforderte, war es in der Lage, Fernsehübertragungen weiterzuleiten, und ermöglichte dem US-Präsidenten John F. Kennedy , Nigeria anzurufen Premierminister Abubakar Tafawa Balewa am 23. August 1963 von einem Schiff aus.
Heute gibt es Hunderte von geosynchronen Satelliten, die Fernerkundung, Navigation und Kommunikation ermöglichen.
Obwohl die meisten besiedelten Landstandorte auf der Erde heute über terrestrische Kommunikationseinrichtungen ( Mikrowellen , Glasfaser ) verfügen, die oft Latenz- und Bandbreitenvorteile haben, und einen Telefonzugang, der 96% der Bevölkerung abdeckt, und einen Internetzugang von 90% (Stand 2018), einige ländliche und abgelegene Gebiete in entwickelten Ländern sind immer noch auf Satellitenkommunikation angewiesen.
Typen
Geostationäre Umlaufbahn
Eine geostationäre äquatoriale Umlaufbahn (GEO) ist eine kreisförmige geosynchrone Umlaufbahn in der Ebene des Erdäquators mit einem Radius von ungefähr 42.164 km (26.199 Meilen) (gemessen vom Erdmittelpunkt). Ein Satellit in einer solchen Umlaufbahn befindet sich in einer Höhe von etwa 35.786 km (22.236 Meilen) über dem mittleren Meeresspiegel. Es behält die gleiche Position relativ zur Erdoberfläche bei. Wenn man einen Satellit in einer geostationären Umlaufbahn sehen könnte, würde er scheinbar am gleichen Punkt am Himmel schweben, dh keine Tagesbewegung zeigen , während Sonne, Mond und Sterne den Himmel dahinter durchqueren würden. Solche Umlaufbahnen sind für Telekommunikationssatelliten nützlich .
Eine vollkommen stabile geostationäre Umlaufbahn ist ein Ideal, das nur angenähert werden kann. In der Praxis driftet der Satellit aufgrund von Störungen wie Sonnenwind , Strahlungsdruck , Variationen im Gravitationsfeld der Erde und der Gravitationswirkung von Mond und Sonne aus dieser Umlaufbahn , und Triebwerke werden verwendet, um die Umlaufbahn in einem bekannten Prozess aufrechtzuerhalten als Stationsführung .
Ohne den Einsatz von Triebwerken wird die Umlaufbahn schließlich geneigt, alle 55 Jahre zwischen 0° und 15° zu pendeln. Am Ende der Lebensdauer des Satelliten, wenn sich der Treibstoff dem Ende nähert, können Satellitenbetreiber beschließen, diese teuren Manöver auszulassen, um die Neigung zu korrigieren und nur die Exzentrizität zu kontrollieren. Dies verlängert die Lebensdauer des Satelliten, da er mit der Zeit weniger Treibstoff verbraucht, aber der Satellit kann dann nur von Bodenantennen verwendet werden, die der NS-Bewegung folgen können.
Geostationäre Satelliten werden auch dazu neigen, ohne Stationshaltung um einen von zwei stabilen Längengraden von 75° und 255° zu driften.
Elliptische und geneigte geosynchrone Umlaufbahnen
Viele Objekte in geosynchronen Umlaufbahnen haben exzentrische und/oder geneigte Umlaufbahnen. Die Exzentrizität lässt die Umlaufbahn elliptisch erscheinen und scheint aus der Sicht einer Bodenstation EW am Himmel zu oszillieren, während die Neigung die Umlaufbahn im Vergleich zum Äquator neigt und sie von einer Bodenstation aus nach NS oszillieren lässt. Diese Effekte verbinden sich zu einem Analemma (Abbildung 8).
Satelliten in elliptischen/exzentrischen Umlaufbahnen müssen von steuerbaren Bodenstationen verfolgt werden .
Tundra-Umlaufbahn
Die Tundra-Umlaufbahn ist eine exzentrische russische geosynchrone Umlaufbahn, die es dem Satellit ermöglicht, die meiste Zeit über einem Standort hoher Breiten zu verbringen. Es befindet sich in einer Neigung von 63,4°, was eine eingefrorene Umlaufbahn ist , die die Notwendigkeit einer Stationshaltung reduziert . Mindestens zwei Satelliten sind erforderlich, um eine kontinuierliche Abdeckung eines Gebiets bereitzustellen. Es wurde vom Sirius XM Satellite Radio verwendet , um die Signalstärke im Norden der USA und Kanadas zu verbessern.
Quasi-Zenit-Umlaufbahn
Das Quasi-Zenith-Satellitensystem (QZSS) ist ein Drei-Satelliten-System, das in einer geosynchronen Umlaufbahn mit einer Neigung von 42° und einer Exzentrizität von 0,075 arbeitet. Jeder Satellit verweilt über Japan , so dass Signale Empfänger in städtischen Schluchten erreichen und dann schnell über Australien gelangen.
Start
EchoStar XVII · Erde .
Geosynchrone Satelliten werden nach Osten in eine prograde Umlaufbahn gebracht, die der Rotationsgeschwindigkeit des Äquators entspricht. Die kleinste Neigung, in die ein Satellit gestartet werden kann, ist die des Breitengrads des Startplatzes, so dass ein Start des Satelliten in der Nähe des Äquators die später erforderliche Neigungsänderung begrenzt . Darüber hinaus ermöglicht ein Start aus der Nähe des Äquators der Geschwindigkeit der Erdrotation, dem Satelliten einen Schub zu verleihen. Ein Startplatz sollte im Osten Wasser oder Wüsten haben, damit fehlgeschlagene Raketen nicht auf ein besiedeltes Gebiet fallen.
Die meisten Trägerraketen platzieren geosynchrone Satelliten direkt in einer geosynchronen Transferbahn (GTO), einer elliptischen Bahn mit einem Apogäum auf GSO-Höhe und einem niedrigen Perigäum . Der Satellitenantrieb an Bord wird dann verwendet, um das Perigäum anzuheben, zu zirkularisieren und GSO zu erreichen.
Sobald sich Raumfahrzeuge in einer brauchbaren geostationären Umlaufbahn befinden, können sie ihre Längsposition ändern, indem sie ihre große Halbachse so einstellen, dass die neue Periode kürzer oder länger als ein Sterntag ist, um eine scheinbare "Drift" nach Osten bzw. nach Westen zu bewirken. Sobald der gewünschte Längengrad erreicht ist, wird die Periode des Raumfahrzeugs wieder geosynchron.
Vorgeschlagene Umlaufbahnen
Statite-Vorschlag
Ein Statite ist ein hypothetischer Satellit, der den Strahlungsdruck der Sonne gegen ein Sonnensegel nutzt , um seine Umlaufbahn zu verändern.
Es würde seine Position über der dunklen Seite der Erde auf einem Breitengrad von ungefähr 30 Grad halten. Es würde aus der Perspektive eines erdbasierten Betrachters alle 24 Stunden an dieselbe Stelle am Himmel zurückkehren, also einer geosynchronen Umlaufbahn funktional ähnlich sein.
Weltraumaufzug
Eine weitere Form der geosynchronen Umlaufbahn ist der theoretische Weltraumaufzug . Wenn ein Ende am Boden befestigt ist, behält das Höhenruder für Höhen unterhalb des geostationären Gürtels eine kürzere Umlaufperiode bei als allein durch die Schwerkraft.
Im Ruhestand befindliche Satelliten
Geosynchrone Satelliten benötigen eine gewisse Stationshaltung, um ihre Position zu halten, und sobald ihnen der Treibstoff für die Triebwerke ausgeht und sie nicht mehr nützlich sind, werden sie in eine höhere Friedhofsbahn bewegt . Es ist nicht möglich, geosynchrone Satelliten aus der Umlaufbahn zu entfernen, da dies viel mehr Treibstoff benötigen würde, als die Umlaufbahn leicht anzuheben, und der atmosphärische Widerstand ist vernachlässigbar, was GSOs Lebensdauern von Tausenden von Jahren verleiht.
Der Stilllegungsprozess wird zunehmend reguliert und Satelliten müssen eine 90%-ige Chance haben, sich am Ende ihrer Lebensdauer über 200 km über dem geostationären Gürtel zu bewegen.
Weltraummüll
Weltraumschrott in geosynchronen Umlaufbahnen hat typischerweise eine geringere Kollisionsgeschwindigkeit als bei LEO, da die meisten GSO-Satelliten in derselben Ebene, Höhe und Geschwindigkeit umkreisen; die Anwesenheit von Satelliten in exzentrischen Umlaufbahnen ermöglicht jedoch Kollisionen mit bis zu 4 km/s. Obwohl eine Kollision vergleichsweise unwahrscheinlich ist, haben GSO-Satelliten eine begrenzte Fähigkeit, Trümmer zu vermeiden.
Trümmer mit einem Durchmesser von weniger als 10 cm sind von der Erde aus nicht zu sehen, was es schwierig macht, ihre Prävalenz einzuschätzen.
Trotz der Bemühungen, das Risiko zu verringern, kam es zu Kollisionen von Raumfahrzeugen. Die Europäische Raumfahrtagentur Telekommunikationssatellit Olympus-1 wurde von einem geschlagen meteoroid am 11. August 1993 , und schließlich zu einer bewegte Friedhofsbahn , und im Jahr 2006 die russischen Express-AM11 Kommunikationssatelliten wurden von einem unbekannten Gegenstand getroffen und unbrauchbar gemacht, obwohl seine Ingenieure hatte genug Kontaktzeit mit dem Satelliten, um ihn in eine Friedhofsbahn zu schicken. Im Jahr 2017 trennten sich sowohl AMC-9 als auch Telekom-1 aus einer unbekannten Ursache.
Eigenschaften
Eine geosynchrone Umlaufbahn hat die folgenden Eigenschaften:
- Zeitraum: 1436 Minuten (ein Sterntag )
- Hauptachse : 42.164 km
Zeitraum
Alle geosynchronen Umlaufbahnen haben eine Umlaufzeit von genau einem Sterntag. Dies bedeutet, dass der Satellit jeden (siderischen) Tag unabhängig von anderen Bahneigenschaften zum selben Punkt über der Erdoberfläche zurückkehrt. Diese Umlaufperiode T steht in direktem Zusammenhang mit der großen Halbachse der Umlaufbahn durch die Formel:
wo:
- a ist die Länge der großen Halbachse der Umlaufbahn
- ist der Standardgravitationsparameter des Zentralkörpers
Neigung
Eine geosynchrone Umlaufbahn kann jede beliebige Neigung haben.
Satelliten haben normalerweise eine Neigung von Null, wodurch sichergestellt wird, dass die Umlaufbahn jederzeit über dem Äquator bleibt, was sie aus der Sicht eines Bodenbeobachters (und im ECEF- Referenzrahmen) in Bezug auf den Breitengrad stationär macht .
Eine weitere beliebte Neigung ist 63,4° für eine Tundra-Umlaufbahn, die sicherstellt, dass sich das Perigäum - Argument der Umlaufbahn im Laufe der Zeit nicht ändert.
Bodenspur
Im Sonderfall einer geostationären Umlaufbahn ist die Bodenspur eines Satelliten ein einzelner Punkt auf dem Äquator . Im allgemeinen Fall einer geosynchronen Umlaufbahn mit einer Neigung oder Exzentrizität ungleich Null ist die Bodenspur eine mehr oder weniger verzerrte Acht, die einmal pro Sterntag an die gleichen Stellen zurückkehrt.
Siehe auch
- Supersynchroner Orbit
- Subsynchrone Umlaufbahn
- Synchroner Orbit
- Geostationäre Umlaufbahn
- Geosynchroner Satellit
- Friedhofsbahn
- Hohe Erdumlaufbahn
- Liste der Umlaufbahnen
- Liste der Satelliten in geosynchroner Umlaufbahn
- Niedrige Erdumlaufbahn
- Mittlere Erdumlaufbahn
- Molniya-Umlaufbahn
Verweise
Externe Links
- Satelliten derzeit im geosynchronen Orbit, täglich aktualisierte Liste
- Science@NASA – Geosynchrone Umlaufbahn
- NASA – Planetenbahnen
- Science Presse-Daten zu geosynchronen Umlaufbahnen (einschließlich historischer Daten und Startstatistiken)
- Orbitalmechanik (Raketen- und Raumfahrttechnologie)
- NASA Astronomy Picture of the Day: Zeitraffer geostationärer Satelliten jenseits der Alpen (11. April 2012)