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Die Satellitenbahnelemente legen die Parameter fur die Umlaufbahnen von Objekten fest die einen Himmelskorper gemass den keplerschen Gesetzen umkreisen Sie werden bei der Bahnbestimmung verwendet und umfassen die sechs Bahnelemente eines ungestorten Systems und zusatzlich Korrekturparameter die Bahnstorungen beispielsweise durch Reibung mit der Atmosphare inhomogenes Gravitationsfeld Sonnensturme oder Strahlungsdruck berucksichtigen SatellitenbahnelementeDie Bahnelemente fur die meisten Satelliten werden vom amerikanischen Air Force Space Command als sogenannte Two Line Elements TLE veroffentlicht 1 Die Daten einer berechneten Vorhersage werden mit der tatsachlichen Beobachtung durch Tracking Stationen auf der Erde abgeglichen und daraus abgeleitet aktualisierte Bahnelemente veroffentlicht Inhaltsverzeichnis 1 Die Satellitenbahnelemente 1 1 6 Bahnelemente 1 2 Bahnstorungen 2 TLE Definition der Satellitenelemente 3 Widerstandskoeffizient 3 1 Um andere Planeten 4 Das Two Line Elements Format TLE 4 1 Epoche 4 2 Anwendung 4 3 Beispiel 4 3 1 Two Line Elements der Internationalen Raumstation ISS 4 3 2 Erlauterung der Zahlengruppen 4 3 3 Erlauterung zur Darstellung der Epoche 5 Berechnungsbeispiel 5 1 Umlaufbahn und Position 5 2 Auswirkungen der Bahnstorungen 5 2 1 Gravitationseinflusse 5 2 2 Bremswirkung 6 Diagramme 6 1 Verlauf der mittleren Bewegung 6 2 Verlauf der grossen Halbachse 6 3 Verlauf der Inklination 6 4 Verlauf der numerischen Exzentrizitat 6 5 Verlauf der Bahnhohen 6 6 Verlauf der Rektaszension des aufsteigenden Knotens 6 7 Verlauf des Arguments des Perigaums 7 Siehe auch 8 Weblinks 9 EinzelnachweiseDie Satellitenbahnelemente Bearbeiten6 Bahnelemente Bearbeiten Der Orbit eines Satelliten im Weltraum in einem ungestorten Gravitationsfeld eines Planeten ist durch sechs Bahnelemente eindeutig bestimmt zwei fur die Form der Bahn drei fur die Lage im Raum eines fur den Zeitbezug Die sechs Bestimmungsgrossen lassen sich durch unterschiedliche Grossen festlegen weshalb es eine Vielzahl unterschiedlicher Bahnelement Tupel gibt Ein Beispiel Form der Bahn Grosse Halbachse a der Bahnellipse Numerische Exzentrizitat e der Bahnellipse Lage der Bahn im Raum Inklination i Rektaszension des aufsteigenden Knotens W Argument des Perigaums w Zeitbezug Epoche TBahnstorungen Bearbeiten Satelliten erfahren Bahnstorungen hervorgerufen unter anderem durch das unregelmassige Gravitationsfeld der Erde die Anziehungskraft des Mondes den Strahlungsdruck des Sonnenwindes und die Bremswirkung der oberen Erdatmosphare und des Magnetfeldes der Erde deren Ausdehnung wiederum durch die Aktivitat der Sonne beeinflusst wird Diese Storungen verursachen bei Satelliten Drehung der Bahnellipse um bis zu mehrere Grad pro Tag Drift geostationarer Satelliten Endliche Verweildauer von Satelliten auf niedrigen OrbitsEine ausgezeichnete Flugbahn ist der Sonnensynchronorbit Die Storung der Rektaszension des aufsteigenden Knotens ist gerade so gross dass ein Satellit die Erde immer zur gleichen Ortszeit uberfliegt Als neuer Bahnparameter wird die Ortszeit des aufsteigenden Knotens engl Local Time of Ascending Node LTAN definiert die die Ortszeit des Uberflugs festlegt Die Ortszeit des absteigenden Knotens engl Local Time of Descending Node LTDN ist um 12 Stunden zum LTAN versetzt Propagations Modelle 2 fugen Korrekturgrossen ein um die Genauigkeit der Bahnvorhersage zu verbessern TLE Definition der Satellitenelemente BearbeitenDie Two Line Elements TLE weichen vom klassischen Parametersatz ab Statt der grossen Halbachse a geben sie die mittlere Winkelgeschwindigkeit n an Sie legen die zeitabhangige Position eines Objekts durch die Uhrzeit und die Mittlere Anomalie fest Numerische Exzentrizitat e displaystyle varepsilon nbsp Eccentricity Mittlere Bewegung n displaystyle n nbsp Mean Motion Inklination i displaystyle i nbsp Inclination Rektaszension des aufsteigenden Knotens W displaystyle Omega nbsp Right Ascension of Ascending Node Argument der Periapsis w displaystyle omega nbsp Argument of Perigee Mittlere Anomalie M displaystyle mathrm M nbsp Mean Anomaly Epoche t displaystyle t nbsp Epoch mit Uhrzeitoptional Widerstandskoeffizient Drag und weitere StorungskoeffizientenWiderstandskoeffizient BearbeitenReibung bremst einen Satelliten ab Sie ist bei erdnahen Orbits niedriger als 800 km so gross dass ein Satellit innerhalb weniger Jahre oder Jahrzehnte in einer Spirale auf die Erde sturzt Daher ist zusatzlich zu den klassischen 6 Keplerelementen und der Epoche fur kleinskalig prazises Rechnen ein weiteres Bahnelement fur diesen speziellen astrophysischen Problemkomplex notwendig Die Propagationsmodelle 2 verfolgen unterschiedliche Ansatze Im einfachsten Fall dem SGP Modell Simplified General Perturbations ist der Widerstandskoeffizient entweder ein ballistischer Faktor oder die erste Ableitung der mittleren Bewegung nach der Zeit geteilt durch zwei Definition 1Der Widerstandskoeffizient ist ein Mass fur die Sink Rate mit der der Satellit auf die Erde zustrebt Ohne eigenes Formelzeichen wird er einfach n 2 displaystyle dot n 2 nbsp sprich n Punkt Halbe genannt und hat die Einheit Umlaufe pro Tag im Quadrat 1 d2 Das 1966 fur Satelliten im erdnahen Orbit entwickelte SGP Modell basiert allerdings auf einer stark vereinfachten analytischen Storungstheorie und wird deshalb nur fur angenaherte Berechnungen angewendet Am haufigsten wird fur erdnahe Satelliten das 1970 entwickelte SGP4 Modell verwendet Dessen Algorithmus wird auch von der NASA fur alle Satelliten mit einer Umlaufzeit von unter 225 Minuten entspricht einer Bahnhohe bis etwa 6 000 km benutzt Definition 2Der Widerstandskoeffizient im SGP4 Modell wird B displaystyle B nbsp sprich B Stern oder engl B Star genannt und ist wie folgt spezifiziert In der aerodynamischen Theorie hat jedes Objekt einen ballistischen Koeffizienten B displaystyle B nbsp der sich aus seiner Masse m displaystyle m nbsp geteilt durch das Produkt seines Luft Widerstandsbeiwertes c w displaystyle c w nbsp meist ein Wert zwischen 2 und 4 und seiner Querschnittsflache A displaystyle A nbsp berechnet s a Lebensdauer von Satellitenorbits B m c w A displaystyle B frac m c w A nbsp 10 dd Der ballistische Koeffizient sagt aus wie stark ein Objekt abgebremst wird Je hoher der Wert umso niedriger die Bremswirkung HINWEIS In der Veroffentlichung Models for Propagation of NORAD Element Sets 2 wird B displaystyle B nbsp anders definiert siehe dort Kapitel 12 B displaystyle B nbsp ist ein erweiterter Wert von B displaystyle B nbsp und verwendet als Referenzwert die Dichte r 0 displaystyle rho 0 nbsp der Atmosphare bei der Referenzhohe h 0 displaystyle h 0 nbsp B displaystyle B nbsp hat die Einheit Erdradien 1 B 1 2 B r 0 displaystyle B frac 1 2 cdot B cdot rho 0 nbsp 11 dd In B displaystyle B nbsp fliessen die Luftdichte der Atmosphare und der Widerstandsbeiwert des Satelliten mit ein Diese sind bedingt durch die wechselnde Sonnenaktivitat und die daraus resultierende wechselnde Zusammensetzung der Atmosphare stark variabel Die sinnvolle Nutzungsdauer von SGP4 wird dadurch fur LEO Satelliten auf wenige Tage bis einzelne Wochen beschrankt da B displaystyle B nbsp exakt nur fur die Atmosphare zur Epoche gilt Um andere Planeten Bearbeiten Je nach Dichte Zusammensetzung Temperatur und Stromung der Gasatmosphare des betreffenden Gesteins oder Gasplaneten oder anderer Himmelskorper gilt ein anderer Widerstandskoeffizient Das Two Line Elements Format TLE BearbeitenSatellitenbahnelemente konnen in ein Format kodiert werden das allgemein als das NASA NORAD Two Line Elements Format kurz TLE bekannt ist 3 Wie der allgemein ubliche englische Ausdruck schon sagt werden die Elemente als Ziffernblocke in zwei Zeilen dargestellt Die Darstellung ist historisch begrundet da diese ursprunglich fur 80 Spalten Lochkarten entwickelt und mit FORTRAN Programmen weiterverarbeitet wurde Die Parameter der Umlaufbahn und die Satelliten Position konnen dann mit einem der Propagations Modelle 2 fur einen gewunschten Zeitpunkt vorausberechnet werden Aus Grunden der Genauigkeit sollten die Bahnelemente insbesondere fur Satelliten mit niedrigem Orbit nicht alter als wenige Tage sein Ohne den grossen Aufwand der zum Teil sehr komplexen numerischen Verfahren lassen sich Lage und Form der Umlaufbahn sowie die Position des Satelliten zumindest zum Zeitpunkt der Epoche berechnen wie das Beispiel in Abschnitt 2 2 zeigt Epoche Bearbeiten Ein Datensatz von Bahnelementen ist ein Schnappschuss der Satellitenumlaufbahn zu einem bestimmten Zeitpunkt den man Epoche nennt Mit dieser Momentaufnahme werden die Zahlenwerte aller Satellitenbahnelemente festgehalten Definition Die Epoche t displaystyle t nbsp ist eine Zahl die den Zeitpunkt spezifiziert wann der Schnappschuss gemacht wurde Anwendung Bearbeiten nbsp Groundtrack Bodenpfad der Internationalen Raumstation nbsp Azimut und Elevation fur die ISS bei einem gegebenen BeobachtungsstandortMit so genannten Tracking Programmen 1 lasst sich ein Satellit in Echtzeit verfolgen Abb 3 oder der Zeitpunkt des Uberflugs uber einen bestimmten Punkt auf der Erde berechnen Denn unter bestimmten Voraussetzungen kann man die Uberfluge von der Erde aus selbst mit blossem Auge beobachten Das gilt besonders wegen ihrer Grosse fur die Internationale Raumstation Beispiel Bearbeiten Two Line Elements der Internationalen Raumstation ISS Bearbeiten Epoche 9 Feb 2006 20 26 00 0 h UTC MEZ 1 h NORAD Originalformat zwei Zeilen 69 Zeichen pro Zeile inklusive Leerstellen ISS ZARYA 1 25544U 98067A 06040 85138889 00012260 00000 0 86027 4 0 3194 2 25544 51 6448 122 3522 0008835 257 3473 251 7436 15 74622749413094 Aufbereitetes Format Zum besseren Verstandnis sind fehlende Leerzeichen Exponenten anfuhrende Nullen und Dezimalpunkte erganzt Anderungen rot markiert Ausserdem ersetzen Kommata die Dezimalpunkte So aufbereitet konnen die Elemente z B mit einer Tabellenkalkulation weiterverwendet werden sofern sie als Dezimaltrennzeichen ein Komma verwendet 1 25544 U 98067A 20 06 040 85138889 0 00012260 0 0000e 0 0 86027e 4 0 319 4 2 25544 51 6448 122 3522 0 0008835 257 3473 251 7436 15 74622749 41309 4 Erlauterung der Zahlengruppen Bearbeiten Im Folgenden sind die Zahlengruppen anhand des aufbereiteten Formats erklart 1 Zeile 1 Zeile Nr 125544 NORAD Katalog Nr U Klassifizierung U offentlich C vertraulich S geheim 98067A Internationale Bezeichnung d h Startjahr 2 Ziffern Startnummer im Jahr 3 Ziffern Objekt des Starts max 3 Zeichen 2006 Epoche Jahr 2006040 85138889 Epoche Tag Nr 40 9 Februar Tagesbruchteil 0 85138889 20h 26min 00 0s0 00012260 Widerstandskoeffizient im SGP Modell n 2 displaystyle dot n 2 nbsp 0 00012260 d 20 0000e 0 vernachlassigbarer Widerstandskoeffizient im SGP Modell meist Null n 6 displaystyle ddot n 6 nbsp 0 10 0 d 30 86027e 4 Widerstandskoeffizient im SGP4 Modell B displaystyle B nbsp 8 6027 10 5 Erdradien 10 Ephemeridentyp 0 SGP4 Modell 319 laufende Datensatz Nummer4 Prufsumme Modulo 10 dd 2 Zeile 2 Zeile Nr 225544 NORAD Katalog Nr 51 6448 Inklination i displaystyle i nbsp 51 6448 122 3522 Rektaszension des aufsteigenden Knotens W displaystyle Omega nbsp 122 3522 0 0008835 numerische Exzentrizitat der Umlaufbahn e displaystyle varepsilon nbsp 0 0008835257 3473 Argument des Perigaums w displaystyle omega nbsp 257 3473 251 7436 Mittlere Anomalie M displaystyle mathrm M nbsp 251 7436 15 74622749 Mittlere Bewegung n displaystyle n nbsp 15 74622749 d 141309 Umlauf Nr 41309 seit dem Start4 Prufsumme Modulo 10 dd Erlauterung zur Darstellung der Epoche Bearbeiten Die Darstellung des Datums und der Uhrzeit im gewohnten Format Jahr Monat Tag sowie Stunden Minuten Sekunden ist fur Berechnungsprogramme zu unhandlich Deshalb wird fur Satellitenbahnelemente anstatt des gewohnten Formats ein Dezimalformat verwendet In oben stehendem Beispiel ist im TLE Format der Zeitpunkt der Epoche durch die Ziffernfolge 06040 85138889 dargestellt In der 5 stelligen Zifferngruppe vor dem Dezimalpunkt stehen die beiden ersten Ziffern 06 fur das Jahr der Epoche hier also 2006 Die nachsten drei Ziffern 040 stehen fur die laufende Tag Nummer im Jahr Fur den 1 Januar stehen die Ziffern 001 fur den 31 Dezember stehen die Ziffern 365 in einem Schaltjahr 366 Demnach stehen die Ziffern 040 fur den 9 Februar Die 8 stellige Zifferngruppe nach dem Dezimalpunkt steht fur den Bruchteil eines Tages hier also das 0 85138889 fache eines Tages Das wiederum lasst sich in eine Uhrzeit umrechnen und ergibt hier 20h 26min 00 0s koordinierte Weltzeit UTC 0 85138889 Tage 86 400 Sekunden Tag 73 560 Sekunden 20h 26min 0 0s dd dd Berechnungsbeispiel BearbeitenUmlaufbahn und Position Bearbeiten Aus den Bahndaten ergeben sich fur die Lage und Orientierung der Umlaufbahn die Position und die Widerstandskoeffizienten der Internationalen Raumstation ISS aus den NORAD Two Line Elements zum Zeitpunkt der Epoche folgende Werte Epoche t displaystyle t nbsp 9 Februar 2006 20 26 00 0h UTCInklination i displaystyle i nbsp 51 6448 Rektaszension des aufsteigenden Knotens W displaystyle Omega nbsp 122 3522 Argument des Perigaums w displaystyle omega nbsp 257 3473 mittlere Bewegung n displaystyle n nbsp 1 15 10 3 s 1Umlaufzeit T displaystyle T nbsp 5 487 029 sgrosse Halbachse a displaystyle a nbsp 6 723 842 235 mnumerische Exzentrizitat e displaystyle varepsilon nbsp 0 0008835kleine Halbachse b displaystyle b nbsp 6 723 839 610 mAbstand des Perigaums v Erdmittelpunkt r Peri displaystyle r text Peri nbsp 6 717 901 720 mAbstand des Apogaums v Erdmittelpunkt r Apo displaystyle r text Apo nbsp 6 729 782 750 mmittlere Anomalie M displaystyle mathrm M nbsp 251 7436 exzentrische Anomalie E displaystyle mathrm E nbsp 251 6955 wahre Anomalie n displaystyle nu nbsp 251 6475 Radiusvektor r n displaystyle r nu nbsp 6 725 707 950 mWiderstandskoeffizient im SGP Modell n 2 displaystyle dot n 2 nbsp 0 00012260 d 2Widerstandskoeffizient im SGP4 Modell B displaystyle B nbsp 8 6027 10 5 Erdradien 1 dd Die oben aufgefuhrten Zahlenwerte konnen nun in einem der Propagations Modelle 2 fur Vorhersage Berechnungen verwendet werden Wegen der erdnahen Umlaufbahn der Internationalen Raumstation kommt entweder das SGP oder das SGP4 Modell in Frage die sich hauptsachlich durch die verwendeten Storungstheorien und damit den Rechenaufwand unterscheiden Prazise Vorhersagen lassen sich nur mit dem SGP4 Modell machen Anmerkungen zu den Ergebnissen Zur Berechnung der grossen Halbachse a displaystyle a nbsp mit Gleichung 2 wurde fur das Produkt aus Gravitationskonstante G displaystyle G nbsp und Masse der Erde M displaystyle M nbsp m G M displaystyle mu G cdot M nbsp der Wert aus dem Geodatischen Referenzsystem 1980 ubernommen 4 m 3 986 005 10 14 m 3 s 2 displaystyle mu 3 986005 cdot 10 14 mathrm m 3 mathrm s 2 nbsp Man sieht dass die Umlaufbahn durch den kleinen Wert der numerischen Exzentrizitat e 0 09 displaystyle varepsilon sim 0 09 nbsp nur um a b 2 625 m displaystyle a b leq 2 625 mathrm m nbsp vom Radius der idealen Kreisbahn abweicht Fur Naherungsrechnungen kann deshalb in einem solchen Fall von einer Kreisbahn mit Radius r a displaystyle r a nbsp ausgegangen werden In vielen Tracking Programmen wird anstatt des Abstandes vom Erdmittelpunkt jeweils die Hohe uber der Erdoberflache im Perigaum Apogaum oder der aktuellen Position ermittelt wobei nicht immer ganz klar ist welche Referenz die Programme zur Berechnung benutzen Meist ist dies der Erdradius am Aquator Da die Erde keine Kugel sondern ein Ellipsoid ist siehe WGS84 stimmt das aber nur wenn die entsprechenden Punkte genau uber dem Aquator liegen Genau genommen musste man fur die entsprechende Satellitenposition den Fusspunkt Nadir auf der Erdoberflache bestimmen und von dort aus die momentane tatsachliche Hohe uber Grund berechnen Manche Programme verwenden zur Bahnhohenbestimmung auch einen mittleren Radius des Rotationsellipsoids der Erde Aus der Kepler Gleichung ist mit Hilfe des Newton Raphson Verfahrens zur iterativen Berechnung von Nullstellen die exzentrische Anomalie E displaystyle mathrm E nbsp bestimmt worden und aus ihr schliesslich die wahre Anomalie n displaystyle nu nbsp Da die Umlaufbahn fast einer Kreisbahn entspricht betragt die Differenz zwischen mittlerer und wahrer Anomalie gerade einmal 0 096 Auch hier gilt Ist die numerische Exzentrizitat e displaystyle varepsilon nbsp sehr klein kann fur Naherungsrechnungen die wahre Anomalie n displaystyle nu nbsp gleich der mittleren Anomalie M displaystyle mathrm M nbsp gesetzt werden Auswirkungen der Bahnstorungen Bearbeiten Hauptartikel Bahnstorung Fur einfache Berechnungen genugt es lediglich die Bahnstorungen durch die abgeplattete Form der Erde und den Bremseffekt durch die hohe Atmosphare zu berucksichtigen Gravitationseinflusse Bearbeiten Auf die Bahnebene der Umlaufbahn eines erdnahen Satelliten ubt das unregelmassige Gravitationsfeld der Erde ein Kippmoment aus dem die Bahnebene durch eine Prazessionsbewegung nach den Kreiselgesetzen ausweicht Diese Ausweichbewegung fuhrt dazu dass der aufsteigende Knoten bzw die Knotenlinie nicht feststeht sondern langsam in der Aquatorebene rotiert und sich damit die Rektaszension des aufsteigenden Knotens W displaystyle Omega nbsp standig andert Die Bahnebene dreht sich quasi um die z Achse des astronomischen Koordinatensystems Abb 1 Diese zeitliche Anderung in Grad pro Tag d kann mit folgender Beziehung berechnet werden r A displaystyle r A nbsp Erdradius W 9 964 1 r A a 7 2 cos i 1 e 2 2 displaystyle dot Omega 9 9641 cdot left frac r A a right frac 7 2 cdot frac cos i left 1 varepsilon 2 right 2 nbsp 12 dd Gleichzeitig dreht sich die Apsidenlinie in der Bahnebene ebenfalls durch Schwerkrafteinflusse um den Erdmittelpunkt Damit erfahrt auch das Argument des Perigaums w displaystyle omega nbsp eine zeitliche Anderung die in Grad pro Tag d berechnet werden kann w 4 98 r A a 7 2 5 cos 2 i 1 1 e 2 2 displaystyle dot omega 4 98 cdot left frac r A a right frac 7 2 cdot frac 5 cos 2 i 1 left 1 varepsilon 2 right 2 nbsp 13 dd Setzt man in beide Gleichungen die entsprechenden Werte aus dem TLE Beispiel ein ergibt sich dass die Rektaszension des aufsteigenden Knotens um 5 1401 d abnimmt und das Argument des Perigaums um 3 8308 d zunimmt Bei dieser Rechnung wird allerdings unterstellt dass die Werte der grossen Halbachse a displaystyle a nbsp der Inklination i displaystyle i nbsp und der numerischen Exzentrizitat e displaystyle varepsilon nbsp konstant bleiben was in der Realitat aber nicht der Fall ist siehe Abschnitt 4 Anderungen uber einen langeren Zeitraum Fur eine sehr kurzfristige Vorhersageberechung ist dies trotzdem hinreichend genau Die Auswirkung dieser Bahnstorung kann auch positiv genutzt werden Es kann durch entsprechende Auswahl der Inklination ein sonnensynchroner Orbit generiert oder das Perigaum uber einen festen Erdpunkt gehalten werden was fur Molnija Orbits verwendet wird Dies kann wie folgt berechnet werden 5 W 360 365 Tage displaystyle dot Omega frac 360 circ 365 text Tage nbsp i 96 99 displaystyle quad Rightarrow i 96 circ 99 circ nbsp w 0 displaystyle dot omega 0 nbsp i 63 43 displaystyle quad Rightarrow i 63 43 circ nbsp dd Bremswirkung Bearbeiten Im einfachsten Fall ist der Widerstandskoeffizient die erste Ableitung der mittleren Bewegung nach der Zeit und in den TLE des obigen Beispiels fur die ISS mit n 2 0 000 12260 d 2 displaystyle dot n 2 0 00012260d 2 nbsp also n 0 000 24520 d 2 displaystyle dot n 0 00024520d 2 nbsp gegeben Basierend auf der mittleren Bewegung aus den TLE erhoht sich damit jeden Tag die Anzahl der Umlaufe pro Tag auf n 15 746 47269 d 1 displaystyle n 15 74647269d 1 nbsp Eingesetzt in die Gleichungen 1 und 2 ergibt das eine Abnahme der grossen Halbachse a displaystyle a nbsp um 67 177 Meter pro Tag Diagramme BearbeitenWie sich die Satellitenbahnelemente tatsachlich im Lauf der Zeit andern zeigt eine Aufzeichnung uber einen langeren Zeitraum Im Folgenden ist fur die Internationale Raumstation ISS der Verlauf der Two Line Elements 244 Datensatze und der daraus abgeleiteten Grossen fur den Zeitraum vom 11 Juni 2005 bis 11 Februar 2006 graphisch aufbereitet In den Diagrammen stellt die x Achse jeweils die Zeitachse die y Achse die zugehorigen Werte dar Im dunkel markierten Zeitraum 27 Juli 6 August 2005 war das Space Shuttle Discovery wahrend der STS 114 Mission angedockt Verlauf der mittleren Bewegung Bearbeiten nbsp Diagramm 1 Verlauf der mittleren BewegungDie mittlere Bewegung n displaystyle n nbsp ist das Satellitenbahnelement bei dem die Anderung durch den Bremseffekt mit am auffalligsten ist Je naher ein Satellit der Erde kommt desto hoher wird seine Umlaufgeschwindigkeit und damit die Anzahl der Umlaufe pro Tag Diagramm 1 Damit die ISS nicht irgendwann in der Atmosphare vergluht wird die Umlaufbahn von Zeit zu Zeit angehoben Diese Orbit Reboost genannten Bahn Korrekturmanover erfolgen durch Zundung der bordeigenen oder der Triebwerke des angedockten Space Shuttles oder Progress Raumschiffes Die roten Punkte in den nebenstehenden Diagrammen markieren jeweils den Zeitpunkt eines Reboost Je nach Brenndauer der Triebwerke wird die Bahn mehr oder weniger stark angehoben und damit die Anzahl der Umlaufe wieder reduziert Weitere Auswirkungen sind in den folgenden Abschnitten erklart Verlauf der grossen Halbachse Bearbeiten nbsp Diagramm 2 Verlauf der grossen HalbachseDie Anderung der grossen Halbachse a displaystyle a nbsp ist umgekehrt proportional zur Anderung der mittleren Bewegung n displaystyle n nbsp siehe Gleichungen 1 und 2 An ihr ist das Absinken und Anheben der Umlaufbahn am besten nachvollziehbar Diagramm 2 Man sieht dass wahrend der STS 114 Mission durch Zundung der Shuttle Triebwerke die Umlaufbahn insgesamt sechsmal korrigiert wurde Neben weiteren kleineren erfolgte eine signifikante Anderung am 11 November 2005 als die grosse Halbachse um 7 731 5 m zunahm Man sieht auch dass die Abnahme nicht gleichmassig erfolgt Ursache hierfur sind Anderungen in der Dichte der hohen Atmosphare die durch die unregelmassige Aktivitat der Sonne verursacht werden Um eine langerfristige Tendenz zu ermitteln kann man trotzdem einen linearen Trend berechnen Im Diagramm ist dies ab dem letzten Orbit Reboost dargestellt Die Steigung bzw Sinkrate der Regressionsgeraden y m x b betragt im Durchschnitt 81 7 Meter pro Tag Verlauf der Inklination Bearbeiten nbsp Diagramm 3 Verlauf der InklinationDie Neigung der Bahnebene schwankt leicht um einen Mittelwert von i 51 643 3 displaystyle i 51 6433 circ nbsp Ursache hierfur sind in erster Linie Gravitationseinflusse des Mondes Signifikante Sprunge resultieren meist aus den Bahn Korrekturmanovern Diagramm 3 Verlauf der numerischen Exzentrizitat Bearbeiten nbsp Diagramm 4 Verlauf der numerischen ExzentrizitatDie numerische Exzentrizitat e displaystyle varepsilon nbsp wird vor allem durch den Strahlungsdruck der Sonne und durch die Sonnenwinde beeinflusst die eine Beschleunigung von der Sonne weg verursachen Abhangig ist dies neben der Sonnenaktivitat auch vom Reflexionsfaktor und von der Grosse der Solar Panels eines Satelliten die bei der ISS mit 74 Meter Breite Ausbaustufe 2005 relativ gross sind Obwohl die Werte der numerischen Exzentrizitat sehr klein sind Abweichung von der idealen Kreisbahn zwischen 0 0685 und 1 1033 ist bei entsprechender Skalierung ein deutlicher Sprung zum Zeitpunkt des letzten Orbit Reboost zu sehen Diagramm 4 Das liegt daran dass die Beschleunigung beim Anheben der Umlaufbahn hauptsachlich in Richtung des Apogaums gewirkt hat und die Bahnellipse dadurch etwas gestreckt wurde was wiederum eine Zunahme der Exzentrizitat mit sich bringt siehe auch nachster Abschnitt Bahnhohen Diagramm Sind solche Bahn Korrekturmanover geplant gibt das die NASA in ihren Bulletins bekannt 6 denen man die Richtungs und Geschwindigkeitsanderung in Vektordarstellung entnehmen kann Achtung Die Angaben dort erfolgen in feet per seconds und nautical miles Verlauf der Bahnhohen Bearbeiten nbsp Diagramm 5 Verlauf der BahnhohenIn den meisten Tracking Programmen wird fur das Perigaum und Apogaum anstatt des Abstandes vom Erdmittelpunkt die Hohe in Kilometer uber der Erdoberflache angegeben Haufig fehlt aber eine Angabe zum verwendeten Radius der Erde Referenz hier ist der Aquatorradius des WGS84 Ellipsoids mit 6 378 137 km Dieser Wert wird von den aus den Gleichungen 4 und 5 gewonnenen Resultaten subtrahiert und man erhalt die Bahnhohen im Perigaum und Apogaum uber der Erde Erst hier zeigt sich der tatsachliche Bahnverlauf da die Schwankungen der numerischen Exzentrizitat e displaystyle varepsilon nbsp direkt einfliessen Deshalb ist in Diagramm 5 zusatzlich noch einmal der Verlauf der numerischen Exzentrizitat e displaystyle varepsilon nbsp dargestellt um den Einfluss deutlich zu machen Weiterhin wird hier der im vorhergehenden Abschnitt angesprochene Effekt deutlich namlich dass sich der letzte Orbit Reboost mehr in Richtung des Apogaums ausgewirkt hat Die Bahnhohenzunahme im Apogaum betragt 12 172 km im Gegensatz zu 3 292 km im Perigaum Verlauf der Rektaszension des aufsteigenden Knotens Bearbeiten nbsp Diagramm 6a Verlauf der RektaszensionNach den Kreiselgesetzen rotiert der aufsteigende Knoten um die z Achse des astronomischen Koordinatensystems Dargestellt als Funktion des Sinus Diagramm 6a ergibt sich fur die Rektaszension des aufsteigenden Knotens W displaystyle Omega nbsp ein fast harmonischer Verlauf d h die zeitliche Anderung ist fast linear nbsp Diagramm 6b Verlauf der mittleren Rotation der RektaszensionErst wenn man die Werte der mittleren Rotation pro Tag bestimmt Diagramm 6b sieht man diese leicht von einem Mittelwert abweichen Ausserdem lasst sich eine Tendenz erkennen dass zwischen zwei Orbit Reboosts der zeitliche Abstand muss nur gross genug sein die Rotationsrate um etwa 0 00025 pro Tag zunimmt Nach Gleichung 12 muss das auch so sein da dort die grosse Halbachse a displaystyle a nbsp mit der Zeit als abnehmende Grosse eingeht Die kleinen Schwankungen der Rotation um die Regressionsgerade resultieren aus den Schwankungen der Inklination i displaystyle i nbsp und der numerischen Exzentrizitat e displaystyle varepsilon nbsp Verlauf des Arguments des Perigaums Bearbeiten nbsp Diagramm 7 Verlauf des Arguments des PerigaumsDie Rotation der Apsidenlinie und damit des Perigaums erfolgt alles andere als stabil Vergleicht man den Verlauf in Diagramm 7 mit dem der numerischen Exzentrizitat e displaystyle varepsilon nbsp in Diagramm 4 fallt auf dass erst mit einer deutlichen Zunahme der Exzentrizitat die Rotation harmonischer verlauft Berechnet man fur diesen Bereich ab dem 11 November 2005 mit einer Regressionsanalyse die durchschnittliche Anderung so nimmt das Argument des Perigaums um 3 7669 pro Tag zu Siehe auch BearbeitenBahnbestimmung Storungstheorie Klassische Physik Weblinks Bearbeiten nbsp Commons Satellitenbahnelement Sammlung von Bildern Videos und Audiodateien AMSAT Software fur die Satellitenbeobachtung englisch ARRL TLEs fur AmateurfunksatellitenEinzelnachweise Bearbeiten a b Trackingprogramme und TLE Quellen englisch a b c d e Models for Propagation of NORAD Element Sets PDF Datei englisch 485 kB NASA Definition of Two line Element Set Coordinate System Memento vom 11 November 2020 im Internet Archive englisch Gravitationskonstante In Das Lexikon der Erde geodz com 9 Februar 2011 abgerufen am 30 Juli 2015 Ronald J Boain A B Cs of Sun Synchronous Orbit Mission Design PDF Nicht mehr online verfugbar 9 Februar 2004 S 4 5 archiviert vom Original am 25 Oktober 2007 abgerufen am 30 Juli 2015 englisch NASA Human Space Flight Real Time Data ISS Trajectory Data englisch nbsp Dieser Artikel wurde am 1 Mai 2006 in dieser Version in die Liste der lesenswerten Artikel aufgenommen Abgerufen von https de wikipedia org w index php title Satellitenbahnelement amp oldid 238598078