Satellitenbeobachtung

Zweck und Grundprinzipien

Die Beobachtung künstlicher Erdsatelliten dient vor allem der genauen Bestimmung ihrer Umlaufbahnen um die Erde. Diese Bahnbestimmung ist eine Voraussetzung für Anwendungen wie Erdbeobachtung und Fernerkundung, Geografie und Biologie, Satellitennavigation, Satellitengeodäsie und Materialkunde. Die Messungen werden überwiegend von Stationen auf der Erde durchgeführt.

Manchmal bezeichnet Satellitenbeobachtung auch Messungen an Bord eines Satelliten, etwa zur Fernerkundung der Erdoberfläche oder zur astronomischen Untersuchung von Himmelskörpern.

Nach ihrem Prinzip lassen sich die Verfahren einteilen in:

• Winkelmessungen mit Teleskopen, Kameras oder Interferometrie;
• Entfernungsmessungen mit Laserstrahlen oder Funkwellen;
• Geschwindigkeitsmessungen, meist mithilfe des Dopplereffekts;
• die Untersuchung von Bahnstörungen, die aus anderen Messungen berechnet werden;
• Messungen von Schweregradienten und Beschleunigungen direkt im Satelliten.

Optische Beobachtung

Optische Verfahren arbeiten überwiegend mit sichtbarem Licht. Seltener werden das nahe Ultraviolett (UV) oder Infrarot verwendet; dafür können ebenfalls optische Satellitenteleskope eingesetzt werden.

Bei der optischen Richtungs- oder Winkelmessung richten lichtstarke, schnell schwenkbare Messfernrohre auf die vorausberechnete Himmelsposition eines Satelliten und verfolgen dessen Spur vor dem Sternhintergrund. Die Geräte ähneln einem Theodoliten und besitzen Teilkreise für Richtung und Höhenwinkel. Zwischen etwa 1955 und 1965 wurden dafür unter anderem Kinetheodolite und das Moonwatch-Teleskop entwickelt. Die Zeit muss auf mindestens 0,01 Sekunden genau bestimmt werden, entweder automatisch oder manuell mit präzisen Stoppuhren und Zeitsignalsendern. Verfahren für Beobachtungen am Tag befanden sich in Entwicklung.

Eine einfachere visuelle Beobachtung erfolgt vor dem Sternhintergrund. Dafür genügt ein Fernrohr mit großem Gesichtsfeld, beispielsweise ein Feldstecher mit elektronischer Stoppuhr und geeignetem Sternatlas.

Fotografische Verfahren verwenden spezielle Satellitenkameras. Eine ballistische Kamera bleibt während der Messung fest aufgestellt. Ein Astrograf wird den Sternen nachgeführt, während eine Kamera auf einer dreiachsigen Montierung dem Satelliten folgt. Für diese Verfahren wurden unter anderem die Baker-Nunn- und die Hewitt-Satellitenkamera entwickelt; bei der dritten Methode müssen aktuelle Bahnelemente in den Steuerungscomputer eingegeben werden.

Bei der aktiven Laserentfernungsmessung sendet ein Laserteleskop einen stark gebündelten, monochromatischen Strahl zum Satelliten. Der Satellit reflektiert ihn, und empfangene Fotonen lösen die Messung der Zeit zwischen Aussenden und Empfang aus. Aus dieser Laufzeit lässt sich nach Abzug von Korrekturgrößen grundsätzlich die momentane Entfernung bestimmen. Vereinzelt wird der reflektierte Laserstrahl auch vor dem Sternhimmel fotografiert.

Beobachtung mit Funkwellen

Die Funkpeilung ist das älteste Funkverfahren. Mit ihr wurden vor allem kurz nach dem Start die vorläufigen Bahnen der ersten Erdsatelliten bestimmt. Genauere Methoden sind die Richtungsbestimmung durch Funkwellen-Interferometrie, etwa mit dem inzwischen stillgelegten US-amerikanischen Minitrack-Netz, und die Richtungsmessung mit schnell drehbaren Radioteleskopen.

Radioteleskope besitzen meist Antennen in Form metallischer Parabolspiegel und dadurch eine nutzbare Richtcharakteristik. Ihre Messgenauigkeit ist deutlich geringer als bei optischen Verfahren. Sie eignen sich vor allem zur Einmessung höherer und damit langsamerer Flugkörper, sind aber für die Bahnbestimmung von Raumsonden zu anderen Planeten oder Kometen wichtig. Teilweise werden auch zylindrische Spiegel verwendet, die Radarantennen aus der Flugsicherung ähneln. Beide Arten von Radioteleskopen können im Allgemeinen nicht größer als etwa 50 Meter sein, weil sie sich bei Winkelgeschwindigkeiten der Satelliten von bis zu etwa 2° pro Sekunde schnell bewegen müssen.

Für Entfernungs- und Geschwindigkeitsmessungen gibt es mehrere Verfahren:

• Bei der Laufzeitmessung wird die Zeit bestimmt, die ein Funksignal benötigt. Bei einer Zweiwegmessung wird die doppelte Laufzeit des Signals gemessen, das von einem Transponder beantwortet wird. Beim Einwegverfahren müssen die Zeitsysteme am Boden und im Satelliten exakt synchronisiert sein.
• Beim Pseudoranging, das bei GPS und anderen GNSS-Systemen verwendet wird, tragen die Signale Codes und Zeitmarken. Synchronisierte Uhren ermöglichen dadurch eine hochpräzise Laufzeitmessung; der Artikel bricht die Beschreibung des verbleibenden kleinen Restfehlers ab.
• Mit dem Dopplereffekt wird die Geschwindigkeit bestimmt, beispielsweise beim früheren US-amerikanischen Transit-NNSS-System oder beim modernen weltweiten französischen DORIS-Netz.
• Durch die Integration der Dopplerverschiebung kann eine Entfernungsdifferenz ermittelt werden. Dies steht auch mit dem Hyperbelverfahren in Verbindung.

Weitere Messverfahren

Zu den zusätzlichen Verfahren gehören die Satelliten-Alimetrie, eine radarähnliche Höhenmessung des Meeresspiegels, und die Satellitengradiometrie. Bei der Gradiometrie werden Unregelmäßigkeiten des Erdschwerefeldes auf dem Niveau der Satellitenbahn bestimmt und analysiert.

Außerdem messen satellitengestützte Beschleunigungssensoren (Accelerometer) die Beschleunigung des Satelliten nach einem ähnlichen Prinzip wie die Inertialnavigation von Flugzeugen. Beim Satellite-to-Satellite Tracking werden Satelliten gegenseitig verfolgt.