Sommer 2003 Satellitenmeteorologie - Sommer 2003 Satelliten Orbits Warum sind Orbits wichtig? Der Orbit kontrolliert die vom Satelliten aus sichtbare Fläche;

Satellitenmeteorologie - Sommer 2003Sommer 2003

Satelliten OrbitsSatelliten Orbits

Warum sind Orbits wichtig?

• Der Orbit kontrolliert die vom Satelliten aus sichtbare Fläche;

• Dadurch wird auch die Ausrichtung und Projektion des Satellitenbildes bestimmt, d.h. ohne den Orbit zu kennen ist es nicht möglich die Position der Bildelemente (Pixel) auf der Erdoberfläche zu bestimmen.

http://www-misr.jpl.nasa.gov/miview0.html

MISRMISR


Kreisförmige SatellitenbahnKreisförmige Satellitenbahn

Gravitationskraft: = Graviationskonstante = 6.673 x 10-11 Nm2/kg2

Fliehkraft:

Gleichsetzen der Kräfte liefert….

Winkelgeschwindigkeit:

Bahn- oder Tangentialgeschwindigeit:

Umlaufperiode:

2r

MmFg

r

mvmFc

22~

3

2~r

M

r

Mv

M

r

rT

3

22

Sind nur von der Höhe abhängig, nicht von der Masse des Satelliten

{


Orbital Parameter –Definitionen:

• Apogäum – erdfernster Punkt• Perigäum – erdnächster Punkt• Exzentrizität – Abweichung von einer Kreisbahn -> Geschwindigkeit

fast konst. (Link)• Abstand eines Satelliten vom Erdmittelpunkt:

Die Position des Satelliten auf seiner Bahn wird durch (, a, e) bestimmt;

Die Bahnebene wird bzgl. eines Inertialsystems durch drei weitere Parameter bestimmt:

• i: Inklination – Der Winkel den der Orbit mit dem Äquator hat, bestimmt auch die höchste erreichbare Breite;

: Rektaszension (right ascension), Winkel zwischen x-Achse (Verbindungslinie Erde-Sonne bei Tag und Nachtgleiche und dem Schnittpunkt des aufsteigenden Astes der Bahn mit der Äquatorebene;

: Winkel zwischen aufsteigendem Knoten und dem Perigäum. (Link)

Die Position eines Satelliten ist also durch 6 Parameter gegeben!

cos1

)1( 2

e

ear

Satellitenbahnen sind Ellipsen



Die meisten Orbits von Umweltsatelliten sind nahezu zirkulare Orbits. Störungen können verursacht werden durch:

• Asphärische Graviationspotentiale (Die Erde ist keine Kugel) -> sehr wichtig: hierdurch kommt es zur Präzession.

• Gravitation anderer Körper (Sonne, Mond, etc.)

• Strahlungsdruck (Die Vikingsonde zum Mars hätte ohne Strahlungsdruckkorrektur den Mars um 15000 km verfehlt).

• Bombardierung mit galaktischen Partikeln (Sonnenwind)

• Luftreibung, besonders wichtig unterhalb von 850 km

• Atmosphärischer Auftrieb

• Elektromagnetische Kräfte

Bis auf die erste werden hierdurch zufällige Störungen der Bahn verursacht, die durch die Beobachtung und durch Nachführung des Orbits korrigiert werden können.


(1) Sonnen-synchroner, Polarer Orbit

Die Orbitstörung durch das nicht-sphärische Gravitationsfeld kann vorteilhaft genutzt werden in dem die Inklination und die Orbithöhe so gewählt werden, dass der Orbit so präzessiert wie sich die Erde um die Sonne dreht.

Ein sonnensynchroner Orbit ist also ein Orbit, für den die Orbitebene immer gleich zur Sonne bleibt und der Satellit den Äquator jeden Tag zur selben lokalen Zeit überfliegt.

Der Orbit ist nicht fest, sondern er muss sich mit 1° pro Tag bewegen, um die Erddrehung um die Sonne auszugleichen.

für 12.00 LT

für z ~ 1000 km, i ~ 98 degrees (90 degrees = North Pole)


Local Time:

wobei: UT= Weltzeit, universal time, GMT (Greenwich Meridian Time) = Länge (Grad)

Äquatorüberflugszeit (equator crossing time):

wobei: N= Länge des aufsteigenden oder absteigenden Überflugs

Länge der Sonne: mit

folgt:

= const. für sonnensynchrone Orbits, d.h. man kannn jedem Satelliten eine ETCzuordnen (Morgen-, Mittag-, Abendsatellit)

15

UTLT

15

NUTECT

)12(15 UTSonne SonneN

15

12ECT


Komposit


Meteorologische Satelliten Orbits:

(2) geostationärer Orbit – Der Subsatellitenpunkt ist konstant über dem Äquator, d.h. der Satellit muss genau so schnell sein, wie die Erde sich dreht.

Kepler's 3tes Gesetz:

T2 = 42/M(r + z)3

T = Periode = GravitationskonstanteM = Masse der Erder = Radius der Erdez = Höhe des Satelliten

Lösung für z bei gegebenen T = 24 hrs

z = 35,800 km


Die Welt im GriffNeuestes Komposit

Eine kleine Weltreise…Eine kleine Weltreise…



http://www.mmm.ucar.edu/pm/satellite/coverage.html#geostationary

Zusammenfassung:LEO = Low Earth Orbit 300-1500

kmMEO= Medium Earth Orbit 8000-

20000 kmGEO = Geostationary Orbit

~36000 km

Polare Orbits, je niedriger die Orbithöhe desto:

• Kürzer die Periode• Geringer die Abdeckung der

Oberfläche• Stärker das Signal• Besser die räumliche

Auflösung• Größer die Reibung und

kürzer die Lebenszeit

Satellitenmeteorologie - Sommer 2003Sommer 2003 Spezielle OrbitsSpezielle Orbits

Beispiel: TOPEX/POSEIDON (USA, Frankreich, 1992)• Oberflächenhöhe (Änderungen z.B. durch Tide) mit 13 cm

Genauigkeit;• Weil die Sonne dies antreibt macht ein sonnensynchroner Orbit

keinen Sinn. Man würde immer dasselbe messen;• Ziel war ein equidistantes Gitter von Überflügen zu haben;• Die Überflüge sollten sich mit einem Winkel von 45° schneiden,

so dass man die Neigung der Oberfläche in Ost-West und Nord- Süd Richtung messen kann (polare und tropische Orbits kommen nicht in Frage);

• Hohe Breiten sollen auch betrachtet werden;Ergebnis: Orbit in 1334km Höhe, Inklination=66°, das sorgt für 45° Schneidewinkel in 30° Breite


Beispiel: Satellit der das Schwerefeld der Erde vermisst, GRACE

Das Schwerefeld hängt nur von der internen Struktur ab, so dass ein sonnensynchroner Orbit nicht notwendig ist;

Der Satellit sollte der Erde so nah wie möglich sein, um auch kleine Änderungen des Schwerefeldes detektieren zu können;

Ein optimaler Orbit ist in ~160 km Höhe mit einer Inklination von 90° (noch tiefer und er würde verglühen).


Geo + Tropical Orbit


Ein paar reale Orbits


Observational GeometryObservational Geometry

Satellite

Flight direction

x

y

z

Earth

Scanline

Groundtrack

Subsatellite point

simple nadir viewing:• no scanning• looks vertical downwards• limited coverage• good horizontal resolution

Cross Track Scanning:• simple scanning, achieved

by changing the roll (x-axis) or scanning mirror

• rotate through pixels

circular scanning:• achieved by changing the

yaw (z-axis) or using scanning mirror

• sweeps out an arc

along track scanning (or line imaging)

• achieved by changing the pitch (y-axis)

• or using a 2-D detector array, with the forwardmotion of the satellite giving the second dimension

side scanning:• achieved by changing the roll

about a non-zero angle or using the scanning mirror

• used in radar observations with an antenna on satellite

• loses horizontal resolution

limb scanning:• used in atmospheric

sounding• worst horizontal resolution,

but good vertical resolution

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