Erdsatellit

Ein Erdsatellit ist ein Körper, der sich unter dem Einfluss der Erdanziehung 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

1. im Transport in den Weltraum mit Hilfe eines Trägers
2. in der Kommunikation zwischen Satelliten und Erde
3. in der Energieversorgung
4. in der Steuerung des Bahnverlaufs und an Bord befindlicher Instrumente

.

Transport und Bahnverlauf

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

Für die Zentrifugalkraft gilt

$F_{z}=m\times v_{1}^{2}/R$,

wobei R der Bahnradius und m die Masse des Erdsatelliten ist.

Die Erdanziehungskraft ist

$F_{g}=m\times g$.

Mit F_z = F_g ergibt sich

$v_{1}={\sqrt {R_{g}}}={\sqrt {6,370\times 10^{6}\times 9,31m*m/s^{2}}}=7.910m/s$

Mit dieser Geschwindigkeit erreicht der Satellit die Erdumlaufbahn (6.370 km), diese wird 1. kosmische Geschwindigkeit genannt.

Mit der 2. kosmischen Geschwindigkeit kann er das Schwerefeld der Erde verlassen. Sie liegt bei v₂ = 11.200 m/s².

Der Transport in die Umlaufbahn erfolgt mit Hilfe von Raketen,. Die Satelliten werden entweder direkt in die Bahn geschossen oder durch andere Raumfahrzeuge "ausgesetzt". Solange sich der Satellit an Bord befindet, läuft er auf der so genannten "aktiven Bahn". Nach Brennschluss der Raketenmotoren folgt die "Freiflugbahn" (oder passive Bahn). Die meiste Zeit gehorchen die Erdsatelliten dann den Gesetzen des Zweikörperproblems der Himmelsmechanik. Sie bewegen sich antriebslos auf einer mehr oder weniger exzentrischen Bahn um die Erde, für die die Keplerschen Gesetze gilt. Die Bahnebenen der Erdsatelliten gehen durch den Erdmittelpunkt und sind näherungsweise "raumfest", also gegenüber den Fixsternen unverändert.

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 1 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 - 12h. Beispiele: ICO
• LEO (Low Earth Orbit): Satelliten mit einer Flughöhe von 500 - 1.500 km und einer Umlaufdauer von 1,5 - 2h. Beispiele: Iridium, Globalstar

Durch die Abplattung der Erde sowie die Inhomogenität der Erdoberfläche (wie eine Birne geformt) entsteht eine Exzentrizität der Satellitenbahn. Diese wird verstärkt durch den Strahlungsdruck der Sonne sowie die Restatmosphäre, die bis in eine Höhe von 500 km reicht. Die Satellitenbahn muss deshalb ständig kontrolliert und gegebenenfalls nachgeregelt werden. Hierzu dient unter anderem die Kommunikation mit der Bodenstation.

Satellitenkommunikation und -steuerung

• Dopplereffekt
• Funkstörungen

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 Satelliten vom Typ GEO beträgt die Verzögerung mehr als 300 ms, beim Typ MEO 150 ms und beim Typ LEO weniger als 50 ms.

Energieversorgung

• Batterien
• Solarenergie (Sonnensegel)
• Steuerraketen (Brennstoff)

Aufgaben der Erdsatelliten

Wissenschaftliche Aufgaben

Erdsatelliten, die wissenschaftlichen Aufgaben dienen, bezeichnet man allgemein als Raumsonden. Sie tragen ein oder mehrere wissenschaftliche Geräte, die zur Beobachtung von Meßgrößen dienen. Diese Rohdaten werden in manchmal mühevoller Analyse zu Nutzdaten aufbereitet, die dann der Forschung oder Anwendung zur Verfügung stehen.

Raumsonden sind nicht immer von kommerziellen oder militärisch genutzten Erdsatelliten abzugrenzen.

Kommerzielle Aufgaben

Kommerziell genutzte Erdsatelliten werden hauptsächlich in den Bereichen

• Telekommunikation als Relaisstation
• Positionsbestimmung
• Rundfunk und Fernsehen ("Fernsehsatellit")

eingesetzt.

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.