Erdsatellit

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Ein Erdsatellit ist ein Körper, der sich unter dem Einfluss der Erdanziehung in einer ellipsenähnlichen Bahn um die Erde bewegt. Als einziger natürlicher Erdsatellit gilt der Mond.

Mit „Erdsatellit“ bezeichnet man allgemein die künstlichen, also von Menschenhand hergestellten, Körper (als Summe von Subsystemen), die ohne ständigen Antrieb über einen längeren Zeitraum um die Erde kreisen. Erdgebundene Subsysteme heißen in diesem Zusammenhang Bodenstation.

Die wesentlichen Probleme beim Einsatz von Erdsatelliten liegen:

im Transport in den Weltraum mit Hilfe eines Trägers (Rakete)
in der Kommunikation zwischen Satelliten und Erde
in der Energieversorgung
in der Steuerung des Bahnverlaufs und an Bord befindlicher Instrumente.

Inhaltsverzeichnis

1 Transportschieße und Bahnverlauf
- 1.1 Satellitenbahnen
2 Satellitenkommunikation und -steuerung
3 Energieversorgung
4 Aufgaben der Erdsatelliten

[Bearbeiten] Transportschieße und Bahnverlauf

Einem Erdsatelliten muss beim Start eine so hohe Bahngeschwindigkeit mitgegeben werden, dass seine Radialkraft oder auch Zentripetalkraft mindestens gleich der Erdanziehungskraft ist.

Für die Radialkraft gilt:

$F_r = \frac{m_1 \cdot v^2}{r}$

m₁: Masse des Körpers auf der Umlaufbahn

v: Geschwindigkeit

r: Bahnradius

$N = \frac{ kg \cdot \frac{m^2}{s^2} }{m} = \frac{kg \cdot m^2}{s^2 \cdot m} = \frac{kg \cdot m}{s^2}$

N: Newton

kg: Kilogramm

m: Meter

s: Sekunde

Die Erdanziehungskraft ist

$F_G = \gamma \cdot \frac{m_1 \cdot m_2}{r^2}$

$γ$ : Gravitationskonstante = $6,673 \cdot 10^{-11}~ \frac{m^3}{kg \cdot s^2}$

m₁, m₂: Massen der Körper

r: Abstand der beiden Massenmittelpunkte

$N = \frac{m^3}{kg \cdot s^2} \cdot \frac{kg \cdot kg}{m^2} = \frac{kg \cdot m}{s^2}$

$F r = F G$

$\frac{m_1 \cdot v^2}{r} = \gamma \cdot \frac{m_1 \cdot m_2}{r^2}$

m₁: Masse des Körpers auf der Kreisbahn

m₂: Masse der Erde

Nun erkennt man, dass die Masse des Körpers auf der Kreisbahn keine Relevanz hat, da diese durch mathematisches Umformen wegfällt.

$v^2 = \frac{\gamma \cdot m_2}{r}$

$v = \sqrt[2]{\frac{\gamma \cdot m_2}{r}}$

1. kosmische Geschwindigkeit

Mit dieser Geschwindigkeit ist es einem Körper auf einer Kreisbahn um die Erde möglich, seine Bahn zuhalten.

$v_1 = \sqrt[2]{ \frac{\gamma \cdot m_2}{r} }$

$v_1 = \sqrt[2]{\frac{ 6,673 \cdot 10^{-11}~\mathrm{\frac{m^3}{kg\,s^2}} \cdot 5,976 \cdot 10^{24} kg}{6,378 \cdot 10^6 m }}$

$v_1 = 7907 \frac{m}{s} = 21960 \frac{km}{h} = 7,9 \frac{km}{s}$

Mit der 2. kosmischen Geschwindigkeit oder Fluchtgeschwindigkeit kann er das Schwerefeld der Erde verlassen. Sie liegt bei $v_2 = 11,2 \frac{km}{s}$ .

Der Transport in die Umlaufbahn erfolgt mit Hilfe von Raketen, die aus technisch-energetischen Gründen als Stufenraketen ausgeführt sind. Der Satellit ist auf die oberste (meist dritte) Raketenstufe aufgesetzt und aerodynamisch günstig verkleidet. Er wird entweder direkt in die Bahn geschossen oder durch ein anderes Raumfahrzeug "ausgesetzt". Solange die Rakete arbeitet, läuft er auf der so genannten "aktiven Bahn". Nach Brennschluss der Raketenmotoren folgt die "Freiflugbahn" (oder passive Bahn).

[Bearbeiten] Satellitenbahnen

Die antriebslose Bewegung eines Satelliten gehorcht genähert den Gesetzen des Zweikörperproblems der Himmelsmechanik; weitere Kräfte bewirken jedoch diverse Bahnstörungen. Wäre die Erde eine exakte Kugel ohne Atmosphäre und gäbe es keine anderen Himmelskörper, folgte die Satellitenbahn einer mehr oder weniger exzentrischen Ellipse um die Erde gemäß den Keplerschen Gesetzen. Die Bahnebenen der Erdsatelliten gehen durch den Erdmittelpunkt und sind näherungsweise "raumfest", also gegenüber den Fixsternen unverändert, während die Erde darunter rotiert.

Abhängig von ihrer Flughöhe lassen sich die Satelliten in verschiedene Typen aufteilen:

GEO (Geostationary Orbit): geostationäre Satelliten mit einer Flughöhe von etwa 35.790 km. Hier beträgt die Umlaufzeit genau einen Tag. Im Bezug auf die Erdoberfläche sind diese Satelliten ortsfest. Beispiele: Astra, Eutelsat, Inmarsat etc.
MEO (Medium Earth Orbit): Satelliten mit einer Flughöhe von 6.000 - 12.000 km und einer Umlaufdauer von 4 - 12 Stunden. Beispiele: ICO
LEO (Low Earth Orbit): Satelliten mit einer Flughöhe von 500 - 1.500 km und einer Umlaufdauer von 1,5 - 2 Stunden. Beispiele: Iridium, Globalstar

Durch die Abplattung der Erde sowie die Inhomogenität der Erdoberfläche und des Erdschwerefeldes weichen die Satellitenbahnen von der idealen Ellipsenform um einige Kilometer ab, bzw. ändern sich Bahnlage und Perigäum um einige Grad pro Tag. Daraus bestimmt die Satellitengeodäsie die genaue Erdform - das Geoid weicht vom fiktiven Erdellipsoid bis zu 100 m ab. Für diese Abweichungen (auf 6.357 - 6.378 km Erdradius nur 0,001 %) wurden die etwas unglücklichen Begriffe Kartoffel- bzw. Birnenform geprägt.

Zusätzlich bewirkt die Erdatmosphäre eine ständige leichte Bremsung der Satelliten, sodass sich Bahnen unter etwa 1.000 km spiralförmig der Erde nähern. Die Lebensdauer hängt auch vom Verhältnis Oberfläche/Masse ab und reicht von einigen Wochen oder Jahren (LEOs) bis zu Jahrtausenden (MEOs). Weitere Bahnstörungen werden von der Gravitation des Mondes verursacht, vom Strahlungsdruck der Sonne und von Effekten in der Ionosphäre. Die Satellitenbahn muss deshalb ständig kontrolliert und gegebenenfalls nachgeregelt werden. Hierzu dient unter anderem die Kommunikation mit der Bodenstation.

[Bearbeiten] Satellitenkommunikation und -steuerung

Kommunikation und Steuerung erfolgen durch Radiowellen mit Frequenzen zwischen etwa 100 MHz und einigen Gigahertz. Die Übermittlung der Signale und Informationen erfolgt durch Modulation bzw. Codierung der Funkwellen.

Auch wenn die Radiofrequenzen durch Atom- oder Quarzuhren stabilisiert werden, ändern sie sich durch mehrere Einflüsse - vor allem:

Dopplereffekt (wegen der Bewegung des Satelliten und der Erdrotation)
Funkstörungen in der Atmosphäre (Wetterlage, Sonnenaktivität) und Magnetosphäre.

Abhängig von der Flughöhe haben Signale für die Kommunikation zwischen Erdoberfläche und Satellit eine Laufzeit, die durch die Geschwindigkeit der elektromagnischen Wellen bestimmt wird. Wichtig ist eine niedrige Laufzeit insbesondere bei Echtzeitanwendungen, z.B. bei der Übertragung von Telefongesprächen. Bei geostationären Satelliten (GEO) beträgt die Verzögerung mehr als 300 ms, beim Typ MEO 150 ms und beim Typ LEO weniger als 50 ms.

[Bearbeiten] Energieversorgung

Batterien
Solarenergie (Sonnensegel)
Steuerraketen (Brennstoff)
kleiner Atomreaktor.

[Bearbeiten] Aufgaben der Erdsatelliten

[Bearbeiten] Wissenschaftliche Aufgaben

Erdsatelliten, die wissenschaftlichen Aufgaben dienen, zählt man zum Allgemeinbegriff der Forschungssatelliten. Sie tragen ein oder mehrere präzise Geräte, die zu Messungen oder Beobachtungen von Erde bzw. Weltraum programmiert sind. Diese Rohdaten werden in (manchmal langwierigen) Analysen zu Nutzdaten aufbereitet, die dann der Forschung oder Anwendung zur Verfügung stehen.

Die meisten Forschungssatelliten sind den Wissensgebieten der Geowissenschaften, Physik, Astronomie und Biologie zuzuordnen. Sie sind aber nicht immer von kommerziellen oder militärisch genutzten Erdsatelliten abzugrenzen.

[Bearbeiten] Kommerzielle Aufgaben

Kommerziell genutzte Erdsatelliten werden hauptsächlich in den Bereichen

Telekommunikation als Relaisstation
Positionsbestimmung und Navigation
Rundfunk und Fernsehen ("Fernsehsatellit")
Fernerkundung, Landwirtschaft und Kartografie

eingesetzt.

[Bearbeiten] Militärische Aufgaben

Militärische Nutzung von Erdsatelliten liegt insbesondere in der Positionsbestimmung eigener oder gegnerischer/fremder Kräfte und in der Sicherstellung der Kommunikation zwischen den eigenen Einheiten sowie der Störung der Kommunikation fremder Einheiten.

Darüber hinaus kommen Spionagesatelliten zum Einsatz, die den Funk- und Telefonverkehr abhören können, und für die Aufklärung militärischer Anlagen.

Von „http://de.wikipedia.org../../../e/r/d/Erdsatellit.html“

Kategorie: Künstlicher Satellit