Sonnensynchroner Orbit

Sonnensynchroner Orbit (grün).

Als sonnensynchronen Orbit (SSO, auch Sonnensynchronorbit) bezeichnet man einen Orbit, dessen Orbitalebene die gleiche Rotationsänderung erfährt wie die des umkreisenden Planeten um die Sonne. Für die Erde bedeutet das, dass sich die Orbitalebene eines Satelliten in einem Jahr (Umlaufzeit der Erde um die Sonne) einmal um die Erde dreht. Dadurch besitzt die Orbitalebene einen festen Winkelwert zur Erde-Sonnen-Linie.

Eigenschaften

Ohne Störungen umkreist ein Satellit die Erde mit konstantem Drehimpuls auf einer Ebene, die ortsfest im Raum steht, siehe violette Kurve in der Abbildung oben. Die Erdabplattung übt ein Drehmoment aus und führt zu einer Verschiebung der Rektaszension des aufsteigenden Knotens. Bei Bahnen entgegen der Erdrotation wirkt die Präzession in die gleiche Richtung wie die Erdrotation. Die Störung ist umso größer, je kleiner die Inklination und geringer die Flughöhe sind. Bei geeigneter Wahl von Höhe und Inklination verschiebt sich die Bahn gerade so viel, dass sie pro Jahr die Erde einmal umläuft, siehe grüne Kurve in der Abbildung oben.

Als neues Satellitenbahnelement legt die Ortszeit des aufsteigenden Knotens (engl. Local Time of Ascending Node, LTAN) die Ortszeit des Überflugs fest.

Im SSO-Orbit passiert der Satellit einen Punkt auf der Oberfläche immer zur selben Ortszeit (±12 Stunden). Die Beobachtungen verschiedener Tage lassen sich leichter vergleichen, da sich bei gleichem Einfallswinkel der Sonnenstrahlen das Reflexionsverhalten von Oberflächen nicht verändert. Bewegt sich der Satellit entlang der Dämmerungszone (Morgen- bzw. Abendstunde, engl. Dusk-Dawn) um 9 h LTAN, lässt sich auf optischen Aufnahmen die Höhe von Objekten aus der Länge des Schattenwurfs ableiten. Wenn der Satellit zusätzlich die Erde so umkreist, dass er den Erdschatten nicht passiert (um 6 h LTAN), kann er ständig von Solarzellen mit Energie versorgt werden. Batterien an Bord sind nur für die Startphase oder bei Verlust der Lagekontrolle erforderlich.

Einsatzbeispiele:

• Wettersatelliten wie TIROS, Nimbus, DMSP, METOP
• Erderkundungssatelliten wie Landsat, ERS usw.
• Sonnenbeobachtungssatelliten wie ACRIMSat, TRACE
• Forschungssatelliten wie DLR-TUBSAT
• Einige Weltraumteleskope wie Infrared Astronomical Satellite, Wide-Field Infrared Survey Explorer

Berechnung

Höhe und Inklination des Sonnensynchron-Orbits.

Der Erdpotenzial-Entwicklungskoeffizient $J_2 \,$ beschreibt den Massewulst der Erde am Äquator. Er verursacht die Präzession und die Verschiebung der Rektaszension des aufsteigenden Knotens:

$\omega_p = \frac{3 a^2}{2 r^2} J_2 \omega \cos i$

mit:

$\omega_p \,$ Präzession in rad/s

$a \,$ Erdradius am Äquator (6378 km)

$r \,$ Radius des Satellitenorbits

$\omega \,$ Winkelgeschwindigkeit des Satelliten

$i \,$ Inklination

$J_2 \,$ Koeffizient des Erdentwicklungspotenzials (−1,82×10⁻³)

Berücksichtigt man die Abhängigkeit der Umlaufgeschwindigkeit von der Bahnhöhe, ergibt sich der im Diagramm dargestellte Zusammenhang. Bei einer Inklination von 96° ist das Drehmoment auf den Bahndrehimpuls sehr klein. Der Satellit müsste die Erde auf einem SSO niedriger als 100 km umkreisen. Erdbeobachtungssatelliten fliegen auf einer Inklination zwischen 98° und 99°. Die Höhe von 650 km bis 900 km ist ein guter Kompromiss zwischen Störungen durch die Erdatmosphäre und Abstand zu den Beobachtungsobjekten auf der Erde. SSO-Bahnen mit einer geringen Inklination und einer Höhe von bis zu 6000 km haben keine praktische Bedeutung.

Siehe auch

• Auswirkung der Bahnstörungen

Weblinks

• Hillhouse, James D. (1999): "Sun Synchronous Orbits for the Earth Solar Power Satellite System" (pdf, eng)
• Unbekannt (1999): "Orbital Mechanics with Numerit - Sun-synchronous Orbit Design" (pdf, eng)