geostationär (GEO)

Engl. geostationary (earth orbit, GEO); Eigenschaft einer Umlaufbahn, bei der ein Satellit immer dieselbe Position in Bezug zur sich drehenden Erde behält, und von der aus stets das gleiche Gebiet der Erdoberfläche zu sehen ist. Diese Bahn wird auch Clarke-Orbit genannt. Die Richtung des Umlaufkurses und die Dauer einer Erdumrundung sind mit der Richtung der Erddrehung und ihrer Dauer identisch. Die Physik lässt dies mit geringem energetischem Aufwand nur am Äquator zu, wo Zentrifugalkraft (abhängig von der Drehgeschwindigkeit) und Erdanziehungskraft (abhängig vom Gewicht) im Gleichgewicht stehen. Die Bahnebene liegt dabei in der Äquatorialebene (Äquatorialbahn, Inklination 0°). Die Bahn ist sehr stabil bei einem sehr langsamen Absinken der Umlaufbahn, weshalb Satelliten dort fast unbegrenzt bleiben können. Allerdings kostet es Energie, um die Bahnneigung bei null zu halten. Sehr genau arbeitende Antriebssysteme begrenzen das unvermeidliche Abdriften auf maximal ±1 Grad in Länge und Breite. Das entspricht einem Quadrat von ca. 150 km x 150 km.

Ein Satellit auf einer geostationären Umlaufbahn legt dort eine Kreisbahn in einer Höhe von 35.786 Kilometern mit einer Geschwindigkeit von 3,075 km/sec zurück. Die Winkelgeschwindigkeit des Satellitenumlaufs ist mit derjenigen der Erdrotation synchron, daher gilt die geostationäre Umlaufbahn als Variante der erdsynchronen (geosynchronen) Bahn.

Geostationäre Umlaufbahn (Animation) Quelle: NASA

Ein Umlauf dauert 24 Stunden, also genau die Zeit, die die Erde für eine Umdrehung benötigt. Von der Erde aus gesehen scheint der Satellit stillzustehen (stationär), obwohl er sich in Richtung der Erdrotation bewegt. Nur auf diese Weise ist eine kontinuierliche Beobachtung derselben Gebiete (ca. 1/3 der Erdoberfläche) und ein ununterbrochener Kontakt mit den Bodenstationen möglich. Drei Satelliten, gleichmäßig auf äquatorialen Positionen verteilt, stellen die gewünschte permanente Beobachtungskonstellation für mehr als 90 % der Erdoberfläche sicher. Nicht erfasst werden können jedoch wegen zu starker Verzerrung die Bereiche der Pole.

Bilder von der gleichen Bodenfläche können so in kurzen Zeitintervallen aufgenommen werden, was sinnvoll für die Wetterbeobachtung ist. Durch ihre kontinuierliche Beobachtungsmöglichkeit und ihren festen Bezug zur Erdoberfläche können auch dynamische Prozesse der Atmosphäre, z. B. Wolkenformationen, Starkwindereignisse wie Wirbelstürme sowie Massenbewegungen, z.B. von Wüstensand, sehr gut erfasst und beobachtet werden.

Satellitenantennen in Bodenstationen, die auf einen Satelliten auf dieser Umlaufbahn gerichtet sind, brauchen daher diesem Satelliten nicht zu folgen und können starr montiert werden (Kostenersparnis). Mit drei Satelliten auf einer GEO ist daher eine Versorgung nahezu der gesamten Erdoberfläche möglich. Eine Ausnahme bilden die Pole, da zur Funkversorgung eine Elevation von ca. 10 Grad notwendig ist.

Nachteilig ist der große Abstand zur Erdoberfläche, der die technisch machbare Raumauflösung erheblich einschränkt, und es sind relativ lange Sensor-Integrationszeiten nötig.

Die geostationäre Umlaufbahn ist die am häufigsten genutzte einzelne Umlaufbahn für Erdsatelliten. Da Plätze in dieser Höhe begehrt sind, werden die Positionen der Satelliten durch die internationale Organisationen wie der ITU zusammen mit nationalen Organisationen verwaltet. Eine Position wird durch eine Angabe in Grad definiert. Dabei gilt, dass die gesamte Bahn einen Umfang von 360 Grad hat. Durch die wachsende Zahl von Satelliten zusammen mit verbesserter Technik ist es notwendig und möglich geworden, den von einem Satelliten benötigten Platz auf der GEO immer weiter zu verringern. Für moderne Satelliten werden nur noch 2 Grad benötigt. Die Inklination liegt (weil Kreisbahn) bei 0 Grad. Für die mobile Kommunikation mit Handys ist diese Bahn ungeeignet, da sie zu hoch ist und die Sendeleistung der Handys nicht ausreicht, um die Distanz zu überbrücken. Ferner sorgt die lange Signallaufzeit (250 ms für eine Strecke) für eine niedrige Dienstqualität.

Zwei unterschiedliche Orbit-Typen Etwa maßstabsgerechte Zeichnung der Erde-Satellitengeometrie für Satelliten auf geostationärem und auf Low Earth Orbit (LEO). Quelle: UCAR (Davis Johnson)

Alternativen zu GEOs sind MEOs oder LEOs. Zu den Vorteilen der GEO gehört die einfache Konfiguration, da mit nur wenigen Satelliten fast die gesamte Erde erreicht werden kann. Das technische System des Netzes dahinter (Bodensegment) kann, falls es für Satellitenmobilfunk genutzt werden soll, ebenfalls einfach ausfallen, da es wegen der sehr großen Footprints nur sehr selten zu Übergängen von Nutzern zwischen ihnen kommt (Handover). Die Positionierung von Kommunikationssatelliten auf einer GEO erfolgt häufig über eine andere Umlaufbahn um die Erde.

In Ergänzung zu ihren polumlaufenden Varianten befinden sich insbesondere  Wettersatelliten auf geostationären Orbits. Gleichmäßig und in ausreichender Zahl um die Erde verteilt liefern sie einen globalen Überblick. Beispiele dafür sind GOES, METEOSAT, GMS. Auch die meisten kommerziellen Telekommunikationssatelliten nutzen GEOs. Ebenso ist dieser Orbittyp für strategische Frühwarnsatelliten gut geeignet. Aktuell umkreisen über 400 Satelliten die Erde auf der GEO.

Erderkundungssatelliten, die einen Großteil der Erdoberfläche abdecken sollen, müssen nicht-geostationäre Orbits benutzen.

Weitere Informationen:

• Theory for GOES Orbit (Lyndon State College)
• Current Geostationary Satellite Images (NOAA)
• Theory for GOES orbit
• Liste aktiver geostationärer Satelliten (Wikipedia)