Umlaufbahn

Syn. Orbit, engl. orbit, franz. orbite; eine Umlaufbahn ist die gekrümmte Bahn, die ein Objekt im Weltraum (z. B. ein Stern, ein Planet, ein Mond, ein Asteroid oder ein Raumfahrzeug) aufgrund der Schwerkraft um ein anderes Objekt zieht.

Die Schwerkraft bewirkt, dass Objekte im Weltraum, die eine Masse haben, von anderen Objekten in der Nähe angezogen werden. Wenn diese Anziehung sie mit genügend Schwung zusammenbringt, können sie manchmal beginnen, sich gegenseitig zu umkreisen.

Objekte mit ähnlicher Masse umkreisen sich gegenseitig, wobei sich keines der beiden Objekte im Zentrum befindet, während kleine Objekte um größere Objekte kreisen. In unserem Sonnensystem umkreist der Mond die Erde und die Erde die Sonne, aber das bedeutet nicht, dass das größere Objekt völlig unbewegt bleibt. Aufgrund der Schwerkraft wird die Erde vom Mond leicht aus ihrem Zentrum herausgezogen (weshalb sich in unseren Ozeanen Gezeiten bilden) und unsere Sonne wird von der Erde und anderen Planeten leicht aus ihrem Zentrum herausgezogen.

Wenn Trägerraketen unsere menschengemachten Satelliten starten, bringen sie sie auf eine Umlaufbahn im Weltraum. Dort hält die Schwerkraft den Satelliten auf der gewünschten Bahn - so wie die Schwerkraft den Mond auf seiner Umlaufbahn um die Erde hält.

Einige Basics zu Satellitenumlaufbahnen

Die niedrigste praktikable Umlaufbahn für einen künstlichen Erdsatelliten liegt auf einer Höhe von ca. 160 km. Zum Vergleich: der natürliche Satellit der Erde, der Mond, umläuft die Erde mit einer mittleren Entfernung von 384.400 km.

Die Satellitenbahn lässt sich relativ zur Erde eindeutig festlegen. Die Bahnebene des Satelliten schneidet die Äquatorebene entlang einer Geraden durch den Erdmittelpunkt und den Knotenpunkt K. Der Neigungswinkel der Satellitenbahn gegenüber der Äquatorebene wird als Inklination i bezeichnet.

Die Geschwindigkeit eines Satelliten wird

• durch die Umlaufbahn des Satelliten bestimmt.
• Sie ist eng mit der Höhe des Satelliten verbunden.

Die Umlaufbahn eines Satelliten hängt nicht von seiner Masse ab

• Alle Objekte mit der gleichen Geschwindigkeit (Geschwindigkeit und Richtung) an einem bestimmten Punkt im Weltraum folgen der gleichen Umlaufbahn.

Satelliten in Erdnähe bewegen sich schneller als solche in größeren Höhen

• Die ISS bewegt sich von der Erde aus gesehen schneller als ein Navigationssatellit (z. B. Galileo)
• Satelliten in niedrigen Erdumlaufbahnen (Hunderte von Kilometern über der Erde) bewegen sich schnell relativ zur Erde und vollenden eine Umlaufbahn in 1,5 bis 2 Stunden.

Satelliten in höheren Umlaufbahnen bewegen sich mit geringerer Geschwindigkeit als solche in niedrigeren Umlaufbahnen

• Die Strecke, die sie in einer Umlaufbahn zurücklegen, ist länger.
• Die Zeit, die ein Satellit für eine Umkreisung benötigt (die Umlaufzeit), nimmt mit der Höhe zu.
• Nur in einer Höhe (36.000 km) können sich Satelliten mit der gleichen Geschwindigkeit wie die Erde drehen. Solche Satelliten werden als geosynchron bezeichnet.

Einmal in der Umlaufbahn, muss ein Satellit nicht wie ein Flugzeug ständig mit Energie versorgt werden, um in der Luft zu bleiben. Satelliten verwenden kleine Raketentriebwerke an Bord, um im Weltraum zu manövrieren.

Die Umlaufbahn eines Satelliten liegt immer in einer Ebene, die durch den Erdmittelpunkt verläuft.

• Der Winkel zwischen dieser Ebene und der Äquatorebene wird als Neigung der Umlaufbahn bezeichnet.

Umlaufbahnhöhen Ein perfekt ausgearbeitetes Diagramm mit den Umlaufbahnhöhen einiger wichtiger Satelliten. Alle dargestellten Distanzen sind maßstabsgetreu, die Höhendaten sind aus vielen Wikipediaartikeln und anderen Webseiten zusammengetragen. Quelle: Wikipedia (Rrakanishu)

Umlaufbahn-Typen nach Bahnhöhen

Satelliten können in verschiedenen Arten von Umlaufbahnen um die Erde platziert werden. Die drei gebräuchlichen Klassen von Umlaufbahnen sind die erdnahe Umlaufbahn (ca. 160 bis 2.000 km über der Erde), die mittlere Umlaufbahn (ca. 2.000 bis 35.500 km über der Erde) und die hohe Umlaufbahn (über 35.500 km über der Erde). Satelliten, die in einer Höhe von 35.786 km kreisen, befinden sich in einer Höhe, in der ihre Umlaufgeschwindigkeit mit der Rotation der Erde übereinstimmt, und befinden sich in einer so genannten geosynchronen Umlaufbahn (GSO). Ein Satellit, der sich in der GSO-Bahn direkt über dem Äquator befindet, hat eine geostationäre Umlaufbahn. Eine geostationäre Umlaufbahn ermöglicht es einem Satelliten, seine Position direkt über derselben Stelle der Erdoberfläche beizubehalten. (NASA Catalog of Earth Satellite Orbits)

Die Höhe der Umlaufbahn bzw. der Abstand zwischen dem Satelliten und der Erdoberfläche bestimmt, wie schnell sich der Satellit um die Erde bewegt. Die Bewegung eines Satelliten in der Erdumlaufbahn wird hauptsächlich durch die Schwerkraft der Erde gesteuert. Je näher der Satellit der Erde kommt, desto stärker wird die Anziehungskraft, und der Satellit bewegt sich schneller. Der Aqua-Satellit der NASA benötigt beispielsweise etwa 99 Minuten, um die Erde in 705 Kilometern Höhe zu umkreisen, während ein Wettersatellit in 36.000 Kilometern Entfernung von der Erdoberfläche 23 Stunden, 56 Minuten und 4 Sekunden braucht, um eine Umlaufbahn zu vollenden. Der Mond, der 384.403 Kilometer vom Erdmittelpunkt entfernt ist, benötigt für eine Umrundung 28 Tage.

Die drei wichtigsten Erd-Orbits sowie der innere und äußere Van-Allen-Gürtel Quelle: Wikipedia (engl.)

Erdnahe Erdumlaufbahn (LEO)

Die erdnahe Umlaufbahn wird häufig genutzt, da Satelliten verschiedene Bahnen um den Planeten einschlagen können. Satelliten, die sich in einer polaren Umlaufbahn befinden, sind beispielsweise um fast 90 Grad zur Äquatorebene geneigt und bewegen sich von Pol zu Pol, während sich die Erde dreht.

In dieser stark geneigten Umlaufbahn umkreist der Satellit die Erde von Pol zu Pol und benötigt für eine Umrundung etwa 99 Minuten. Während der einen Hälfte der Umlaufbahn sieht der Satellit die Tagseite der Erde. Am Pol wechselt der Satellit auf die Nachtseite der Erde. Wenn der Satellit wieder ins Tageslicht zurückkehrt, befindet er sich über der Region, die an das Gebiet angrenzt, das er auf seiner letzten Umlaufbahn gesehen hat.

Die Sensoren an Bord von polarumlaufenden Satelliten können schnell Daten für den gesamten Globus erfassen, einschließlich der Polarregionen. Viele polumlaufende Satelliten gelten als sonnensynchron, was bedeutet, dass der Satellit in jedem Zyklus zur gleichen Sonnenzeit denselben Ort überfliegt. Die meisten Forschungssatelliten, einschließlich der NASA-Flotte für Erdbeobachtung, haben eine niedrige Erdumlaufbahn.

Die sonnensynchrone Umlaufbahn ist für die Wissenschaft notwendig, weil sie den Winkel des Sonnenlichts auf der Erdoberfläche so konstant wie möglich hält, obwohl sich der Winkel von Jahreszeit zu Jahreszeit ändert. Diese Konstanz bedeutet, dass Wissenschaftler Bilder derselben Jahreszeit über mehrere Jahre hinweg vergleichen können, ohne sich zu sehr über extreme Veränderungen bei Schatten und Licht zu sorgen, die den Eindruck von Veränderungen erwecken können. Ohne eine sonnensynchrone Umlaufbahn wäre es sehr schwierig, Veränderungen im Laufe der Zeit zu verfolgen. Es wäre unmöglich, die Art von konsistenten Informationen zu sammeln, die für die Untersuchung des Klimawandels erforderlich sind.

Die Bahn, die ein Satellit durchlaufen muss, um in einer sonnensynchronen Umlaufbahn zu bleiben, ist sehr eng. Wenn sich ein Satellit in der extrem geringen Höhe von 100 Kilometern befände, müsste er eine Bahnneigung von 96 Grad haben, um eine sonnensynchrone Umlaufbahn zu halten. Jede Abweichung in Höhe oder Neigung bringt den Satelliten aus der sonnensynchronen Umlaufbahn. Da der Luftwiderstand der Atmosphäre und die Schwerkraft von Sonne und Mond die Umlaufbahn eines Satelliten verändern, sind regelmäßige Anpassungen erforderlich, um einen Satelliten auf einer sonnensynchronen Umlaufbahn zu halten.

Ein Beispiel für einen polumlaufenden, sonnensynchronen Satelliten ist der Aqua-Satellit der NASA, der in einer Höhe von etwa 705 km über der Erdoberfläche kreist.

Nicht-polare Satelliten in einer niedrigen Erdumlaufbahn decken dagegen nicht die gesamte Erde ab, sondern nur einen Teil der Breitengrade. Das Global Precipitation Measurement (GPM) Core Observatory, das gemeinsam von der NASA und der japanischen Luft- und Raumfahrtbehörde betrieben wird, ist ein Beispiel für einen nicht sonnensynchronen Satelliten in einer niedrigen Erdumlaufbahn. Seine Umlaufbahn erfasst Daten zwischen 65 Grad nördlicher und südlicher Breite aus 407 km Höhe über der Erde.

Sonnensynchrone Umlaufbahn Eine sonnensynchrone Umlaufbahn überquert den Äquator jeden Tag (und jede Nacht) ungefähr zur gleichen Ortszeit. Diese Umlaufbahn ermöglicht konsistente wissenschaftliche Beobachtungen, wobei der Winkel zwischen Sonne und Erdoberfläche relativ konstant bleibt. Diese Abbildungen zeigen 3 aufeinanderfolgende Bahnen eines sonnensynchronen Satelliten mit einer äquatorialen Überquerungszeit von 13:30 Uhr. Die jüngste Umlaufbahn des Satelliten wird durch die dunkelrote Linie angezeigt, während ältere Umlaufbahnen heller rot sind. Quelle: NASA Earth Observatory

Mittlere Erdumlaufbahn (MEO)

Zwei mittlere Erdumlaufbahnen sind erwähnenswert: die halbsynchrone Umlaufbahn und die Molniya-Umlaufbahn.

Die halbsynchrone Umlaufbahn ist eine nahezu kreisförmige Bahn (niedrige Exzentrizität) in 26.560 Kilometern Entfernung vom Erdmittelpunkt (etwa 20.200 Kilometer über der Oberfläche). Ein Satellit in dieser Höhe benötigt 12 Stunden, um eine Umlaufbahn zu vollenden. Während sich der Satellit bewegt, dreht sich die Erde unter ihm. In 24 Stunden überquert der Satellit jeden Tag dieselben zwei Punkte auf dem Äquator. Diese Umlaufbahn ist beständig und sehr vorhersehbar. Daher wird diese Umlaufbahn von vielen Telekommunikations- und Navigationssatelliten genutzt oder auch von Spezialsatelliten, die für die Überwachung einer bestimmten Region bestimmt sind.

Ein Beispiel für eine Satellitenkonstellation in einer mittleren Erdumlaufbahn ist das globale Satellitennavigationssystem (GNSS) Galileo der Europäischen Weltraumorganisation, das in einer Höhe von 23.222 km über der Erde kreist oder auch das amerikanische Global Positioning System (GPS) in ca. 20.2000 km.

Die Molniya-Umlaufbahn ist die zweite gängige mittlere Erdumlaufbahn. Die von den Russen erfundene Molniya-Bahn eignet sich gut für die Beobachtung hoher Breitengrade. Eine geostationäre Umlaufbahn ist wertvoll, weil sie eine konstante Sicht bietet, aber Satelliten in einer geostationären Umlaufbahn sind über dem Äquator geparkt, so dass sie nicht gut für weit nördliche oder südliche Standorte geeignet sind, die für einen geostationären Satelliten immer am Rande der Sichtweite liegen. Die Molniya-Umlaufbahn bietet eine nützliche Alternative.

Die Molniya-Umlaufbahn ist stark exzentrisch: Der Satellit bewegt sich in einer extremen Ellipse, wobei sich die Erde in der Nähe eines Randes befindet. Da er durch die Schwerkraft unseres Planeten beschleunigt wird, bewegt sich der Satellit sehr schnell, wenn er sich in Erdnähe befindet. Wenn er sich von der Erde entfernt, verlangsamt sich seine Geschwindigkeit, so dass er mehr Zeit an der Spitze seiner Umlaufbahn verbringt, die am weitesten von der Erde entfernt ist. Ein Satellit in einer Molniya-Umlaufbahn benötigt 12 Stunden für seinen Umlauf, verbringt aber etwa zwei Drittel dieser Zeit über einer Hemisphäre. Wie eine halbsynchrone Umlaufbahn durchläuft ein Satellit auf der Molniya-Bahn alle 24 Stunden die gleiche Bahn. Diese Art von Umlaufbahn ist für die Kommunikation im hohen Norden oder Süden nützlich.

Molniya orbit Die Molniya-Umlaufbahn kombiniert eine hohe Inklination (63,4°) mit einer hohen Exzentrizität (0,722), um die Beobachtungszeit über hohen Breitengraden zu maximieren. Jede Umkreisung dauert 12 Stunden, so dass der langsame, hoch gelegene Teil der Umlaufbahn jeden Tag und jede Nacht über demselben Ort wiederholt wird. Russische Kommunikationssatelliten und die Sirius-Radiosatelliten nutzen derzeit diese Art von Umlaufbahn. (Nachzulesen in Fundamentals of Space Systems von Vincent L. Pisacane, 2005). Quelle: NASA

Hohe und geossynchrone Erdumlaufbahn (HEO, GEO)

Sowohl geosynchrone als auch geostationäre Satelliten kreisen in einer Höhe von 35.786 km über der Erde, aber geosynchrone Satelliten haben Umlaufbahnen, die über oder unter dem Äquator geneigt sein können. Geostationäre Satelliten hingegen umkreisen die Erde in der gleichen Ebene wie der Äquator. Diese Satelliten erfassen bei jeder Beobachtung identische Ansichten der Erde und bieten eine nahezu kontinuierliche Abdeckung eines Gebiets.

Viele Wetter- und einige Kommunikationssatelliten befinden sich auf einer hohen Erdumlaufbahn. Beispielsweise die Wettersatelliten der gemeinsamen NASA/NOAA-Reihe Geostationary Operational Environmental Satellite (GOES) oder der europäische Meteosat befinden sich in geostationären Umlaufbahnen über dem Äquator. Durch die Position über dem Äquator ist die Nutzung in den Polarregionen allerdings stark eingeschränkt oder gar nicht möglich.

Schließlich überwachen viele Satelliten in hoher Erdumlaufbahn die Sonnenaktivität. Beispielsweise tragen die GOES-Satelliten ein großes Kontingent an "Weltraumwetter"-Instrumenten, die Bilder von der Sonne aufnehmen und die magnetischen und Strahlungswerte im Weltraum um sie herum verfolgen.

Sonderfall 1: Transferorbit und geostationärer Transferorbit (GTO)

Transferorbits sind eine besondere Art von Umlaufbahnen, die dazu dienen, von einer Umlaufbahn auf eine andere zu gelangen. Wenn Satelliten von der Erde aus gestartet und mit Trägerraketen wie der Ariane 5 in den Weltraum befördert werden, werden die Satelliten nicht immer direkt auf ihre endgültige Umlaufbahn gebracht. Oft werden die Satelliten stattdessen auf eine Transferbahn gebracht: eine Bahn, auf der sich der Satellit oder das Raumfahrzeug mit relativ wenig Energie aus den eingebauten Motoren von einer Umlaufbahn zur anderen bewegen kann.

Auf diese Weise kann ein Satellit z. B. eine hoch gelegene Umlaufbahn wie GEO erreichen, ohne dass die Trägerrakete den ganzen Weg bis zu dieser Höhe zurücklegen muss, was einen höheren Aufwand bedeuten würde - dies ist eine Art Abkürzung. Das Erreichen von GEO auf diese Weise ist ein Beispiel für eine der häufigsten Transferbahnen, die geostationäre Transferbahn (GTO).

Umlaufbahnen haben unterschiedliche Exzentrizitäten - ein Maß dafür, wie kreisförmig (rund) oder elliptisch (gequetscht) eine Umlaufbahn ist. Bei einer perfekt runden Umlaufbahn ist der Satellit immer gleich weit von der Erdoberfläche entfernt - bei einer stark exzentrischen Umlaufbahn sieht die Bahn jedoch wie eine Ellipse aus.

Auf einer stark exzentrischen Umlaufbahn wie dieser kann der Satellit schnell von sehr weit weg zur Erdoberfläche gelangen, je nachdem, wo er sich auf der Umlaufbahn befindet. Bei Transferbahnen nutzt die Nutzlast Triebwerke, um von einer Umlaufbahn mit einer bestimmten Exzentrizität auf eine andere zu gelangen, die sie auf eine höhere oder niedrigere Umlaufbahn bringt.

Geostationärer Transferorbit Nach dem Start folgt die Trägerrakete zunächst der gelben Linie (siehe Abbildung). Am Zielort setzt die Rakete die Nutzlast aus, die sich auf eine elliptische Umlaufbahn begibt, der blauen Linie folgt und die Nutzlast weiter von der Erde entfernt. Der am weitesten von der Erde entfernte Punkt auf der blauen elliptischen Umlaufbahn wird als Apogäum und der nächstgelegene Punkt als Perigäum bezeichnet. Wenn die Nutzlast das Apogäum in der GEO-Höhe von 35 786 km erreicht, zündet sie ihre Triebwerke so, dass sie in die kreisförmige GEO-Umlaufbahn eintritt und dort verbleibt, dargestellt durch die rote Linie im Diagramm. Der GTO ist also der blaue Pfad von der gelben Umlaufbahn zur roten Umlaufbahn. Quelle: ESA

Nach dem Start folgt eine Trägerrakete auf ihrem Weg ins All der gelben Linie in der Abbildung. Am Zielort lässt die Rakete die Nutzlast los, die sich auf eine elliptische Umlaufbahn begibt, die der blauen Linie folgt und die Nutzlast immer weiter von der Erde entfernt. Der am weitesten von der Erde entfernte Punkt auf der blauen elliptischen Umlaufbahn wird als Apogäum bezeichnet, der nächstgelegene Punkt als Perigäum.

Wenn die Nutzlast das Apogäum in der GEO-Höhe von 35 786 km erreicht, zündet sie ihre Triebwerke so, dass sie in die kreisförmige GEO-Umlaufbahn eintritt und dort verbleibt, dargestellt durch die rote Linie im Diagramm. Der GTO ist also der blaue Pfad vom gelben Orbit zum roten Orbit.

Sonderfall 2: Lagrange-Punkte

An den Lagrange-Punkten hebt die Anziehungskraft der Erde die Anziehungskraft der Sonne auf. Alles, was sich an diesen Punkten befindet, fühlt sich gleichermaßen zur Erde und zur Sonne hingezogen und dreht sich mit der Erde um die Sonne.

Von den fünf Lagrange-Punkten im Sonne-Erde-System sind nur die beiden letzten, L4 und L5 genannt, stabil. Ein Satellit, der sich an den anderen drei Punkten befindet, ist wie ein Ball, der auf der Spitze eines steilen Hügels balanciert: Jede kleine Störung stößt den Satelliten aus dem Lagrange-Punkt heraus, so wie der Ball den Hügel hinunterrollt. Satelliten an diesen drei Punkten müssen ständig nachjustiert werden, um im Gleichgewicht und an ihrem Platz zu bleiben. Satelliten an den letzten beiden Lagrange-Punkten sind eher wie ein Ball in einer Schüssel: Selbst wenn sie gestört werden, kehren sie zum Lagrange-Punkt zurück.

Lagrange-Punkte Lagrange-Punkte sind spezielle Orte, an denen ein Satellit relativ zur Erde stationär bleibt, während sich der Satellit und die Erde um die Sonne drehen. L1 und L2 befinden sich über der Tag- bzw. Nachtseite der Erde. L3 befindet sich auf der anderen Seite der Sonne, gegenüber der Erde. L4 und L5 befinden sich auf der gleichen Umlaufbahn 60° vor und hinter der Erde. Quelle: NASA

Der erste Lagrange-Punkt befindet sich zwischen der Erde und der Sonne, so dass Satelliten an diesem Punkt einen ständigen Blick auf die Sonne haben. Das Solar and Heliospheric Observatory (SOHO), ein Satellit der NASA und der ESA, der die Sonne beobachten soll, umkreist den ersten Lagrange-Punkt in etwa 1,5 Millionen Kilometer Entfernung von der Erde.

Der zweite Lagrange-Punkt ist etwa gleich weit von der Erde entfernt, befindet sich aber hinter der Erde. Die Erde befindet sich immer zwischen dem zweiten Lagrange-Punkt und der Sonne. Da sich Sonne und Erde in einer Linie befinden, benötigen Satelliten an diesem Standort nur einen Hitzeschild, um Wärme und Licht von Sonne und Erde abzuschirmen. Es ist ein guter Standort für Weltraumteleskope, darunter das James Webb Space Telescope (der Nachfolger von Hubble) und die seit 2010 inaktive Raumsonde Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP), die zur Untersuchung der Natur des Universums durch Kartierung der Mikrowellenhintergrundstrahlung eingesetzt wird.

Lagrange-Punkte L1 und L2 Die Lagrange-Punkte, die der Erde am nächsten liegen, sind etwa fünfmal so weit von der Erde entfernt wie der Mond. L1 befindet sich zwischen der Sonne und der Erde und blickt immer auf die Tagesseite der Erde. L2 befindet sich gegenüber der Sonne, immer auf der Nachtseite. (NASA-Abbildung von Robert Simmon.) Quelle: NASA

Der dritte Lagrange-Punkt liegt gegenüber der Erde auf der anderen Seite der Sonne, so dass sich die Sonne immer zwischen ihm und der Erde befindet. Ein Satellit in dieser Position wäre nicht in der Lage, mit der Erde zu kommunizieren. Die äußerst stabilen vierten und fünften Lagrange-Punkte befinden sich auf der Umlaufbahn der Erde um die Sonne, 60 Grad vor und hinter der Erde. Die Zwillingssatelliten des Solar Terrestrial Relations Observatory (STEREO) umkreisen den vierten und fünften Lagrange-Punkt, um einen dreidimensionalen Blick auf die Sonne zu ermöglichen.

Die meistgenutzten L-Punkte sind L1 und L2. Beide sind viermal so weit von der Erde entfernt wie der Mond - 1,5 Millionen km im Vergleich zu 36 000 km im GEO - aber das ist immer noch nur etwa 1 % der Entfernung der Erde von der Sonne.

Viele ESA-Beobachtungs- und Wissenschaftsmissionen waren, sind oder werden in eine Umlaufbahn um die L-Punkte eintreten. So befinden sich beispielsweise das Sonnenteleskop SOHO und LISA Pathfinder am L1-Punkt der Sonne; Herschel, Planck, Gaia, Euclid, Plato, Ariel, JWST und das Athena-Teleskop sind oder werden sich am L2-Punkt der Sonne befinden.

Weitere Einflussfaktoren auf die Umlaufbahn

Neben der Höhe bestimmen auch Exzentrizität und Inklination die Bahn eines Satelliten. Die Exzentrizität bezieht sich auf die Form der Umlaufbahn. Ein Satellit mit einer Umlaufbahn mit geringer Exzentrizität bewegt sich nahezu kreisförmig um die Erde. Eine exzentrische Umlaufbahn ist elliptisch, wobei sich der Abstand des Satelliten von der Erde je nach Position auf der Umlaufbahn ändert.

Exzentrizität Die Exzentrizität (e) einer Umlaufbahn gibt die Abweichung der Umlaufbahn von einem perfekten Kreis an. Eine kreisförmige Umlaufbahn hat eine Exzentrizität von 0, während eine stark exzentrische Umlaufbahn näher bei (aber immer kleiner als) 1 liegt. Ein Satellit auf einer exzentrischen Umlaufbahn bewegt sich um einen der Brennpunkte der Ellipse, nicht um das Zentrum. (NASA-Abbildung von Robert Simmon.) Quelle: NASA

Die Neigung ist der Winkel der Umlaufbahn im Verhältnis zum Äquator der Erde. Ein Satellit, der direkt über dem Äquator kreist, hat eine Neigung von Null. Wenn ein Satellit vom geographischen Nordpol zum Südpol kreist, beträgt seine Neigung 90 Grad.

Neigung Die Bahnneigung ist der Winkel zwischen der Ebene einer Umlaufbahn und dem Äquator. Eine Bahnneigung von 0° befindet sich direkt über dem Äquator, 90° kreuzt genau über dem Pol, und 180° umkreist den Äquator in der entgegengesetzten Richtung der Erddrehung. (NASA-Abbildung von Robert Simmon.) Quelle: NASA

Satellitenbahnen mit Inklinationen nahe 0 werden als äquatoriale Umlaufbahnen bezeichnet, da die Satelliten etwa über dem Äquator bleiben. Orbits mit Inklinationen von etwa 90 Grad werden als polare Umlaufbahnen bezeichnet, da die Satelliten die Polargebiete überqueren. Satelliten mit diesem Orbit sind beispielsweise die amerikanischen NOAA/TIROS und die LANDSAT-Satelliten oder die europäischen MetOp, TanDEM-X, SPOT und die Sentinel-Familie.

Zusammengefasst: Die Höhe des Satelliten, die Exzentrizität und die Neigung bestimmen die Bahn des Satelliten und die Sicht, die er auf die Erde hat.

Erreichen und Beibehalten der Umlaufbahn

Start zur Umlaufbahn

Die Energiemenge, die benötigt wird, um einen Satelliten in die Umlaufbahn zu bringen, hängt von der Lage des Startplatzes sowie von der Höhe und Neigung der Umlaufbahn ab. Satelliten in einer hohen Erdumlaufbahn benötigen die meiste Energie, um ihr Ziel zu erreichen. Satelliten in einer stark geneigten Umlaufbahn, wie z. B. einer polaren Umlaufbahn, benötigen mehr Energie als ein Satellit, der die Erde über dem Äquator umkreist. Ein Satellit mit geringer Neigung kann die Erdrotation nutzen, um ihn in die Umlaufbahn zu bringen. Die Internationale Raumstation befindet sich in einer Umlaufbahn mit einer Neigung von 51,6397 Grad, damit Raumtransporter (früher das Space Shuttle) und die russischen Raketen sie leichter erreichen können. Ein Satellit, der sich in einer polaren Umlaufbahn befindet, erhält dagegen keine Unterstützung durch die Erdrotation und benötigt daher mehr Energie, um die gleiche Höhe zu erreichen.

Wenn das Raumfahrzeug auf eine polare Umlaufbahn gebracht werden soll, wird es in eine nördliche oder südliche Richtung gestartet. Obwohl der Nutzeffekt eines ostwärts gerichteten Starts entfällt, bieten sich dabei andere Vorteile. Während sich die Erde um ihre Achse dreht, überfliegt das Raumfahrzeug, gewöhnlich ein Satellit, alle paar Umdrehungen die gesamte Erdoberfläche. Polare Umlaufbahn werden z.B. von manchen Wettersatelliten, Satelliten zur Beobachtung der Umwelt und speziellen militärischen Aufklärungssatelliten benutzt.

Startet man in Richtung der Erdrotation (prograde oder direkte Umlaufbahn), wirkt sich dies günstig auf die Raketengleichung aus. Die Rotationsgeschwindigkeit unseres Planeten am Äquator (464,6 m/s) ist klein im Vergleich mit der Geschwindigkeit, um in den Weltraum zu gelangen (11,2 km/s). Aber ein Start in Richtung der Erdrotation bringt dennoch mehr Geschwindigkeit, weshalb die Nutzlast zusätzliches Gewicht haben darf und somit diese Methode oft gewählt wird.

Ein Raumfahrzeug, das auf eine äquatorparallele Erdumlaufbahn gebracht werden soll, nimmt nach dem Start eine östliche Richtung ein. Damit profitiert es von der Geschwindigkeit, die ihm von der ostwärtigen Erddrehung zusätzlich mitgegeben wird. Diese Rotationsgeschwindigkeit ist mit 1.670 km/h am Äquator am größten und beträgt auf der Breite von Cape Canaveral, Fla. (28° N) 1.470 km (410 m/s). Auf der noch höheren Breite von Russlands Weltraumbahnhof in Kasachstan (46° N) beträgt die Umdrehungsgeschwindigkeit an der Erdoberfläche 1.170 km/h (328 m/s). Der europäische Weltraumbahnhof Centre Spatial Guyanais (CSG) in Kourou liegt nur 500 km nördlich des Äquators (5,2° N) und verleiht einer ostwärts startenden Rakete eine Geschwindigkeit von 463 m/s.

Es ist auch möglich, ein Raumfahrzeug auf einen westwärts gerichteten Orbit (retrograde Umlaufbahn) zu schicken, aber dazu sind eine höhere Geschwindigkeit und damit zusätzliche Treibstoffausgaben nötig, um dann eine gleiche Orbithöhe zu erreichen.

Beibehalten der Bahn

Wenn ein Satellit einmal in der Umlaufbahn ist, ist normalerweise einiges an Arbeit nötig, um ihn dort zu halten. Da die Erde keine perfekte Kugel ist, ist ihre Schwerkraft an manchen Stellen stärker als an anderen. Diese Unebenheiten sowie die Anziehungskraft von Sonne, Mond und Jupiter (dem massivsten Planeten des Sonnensystems) verändern die Neigung der Satellitenbahn. Während ihrer Lebensdauer müssen die GOES-Satelliten drei- oder viermal bewegt werden, um sie auf ihrer Position zu halten. Die NASA-Satelliten mit niedriger Erdumlaufbahn passen ihre Neigung alle ein bis zwei Jahre an, um eine sonnensynchrone Umlaufbahn beizubehalten.

Satelliten in einer niedrigen Erdumlaufbahn werden auch durch den Luftwiderstand der Atmosphäre aus ihrer Umlaufbahn gezogen. Obwohl Satelliten in einer niedrigen Erdumlaufbahn durch die obersten (dünnsten) Schichten der Atmosphäre fliegen, ist der Luftwiderstand immer noch stark genug, um an ihnen zu zerren und sie näher an die Erde zu ziehen. Die Schwerkraft der Erde führt dann dazu, dass der Satellit schneller wird. Mit der Zeit verglüht der Satellit, während er immer tiefer und schneller in die Atmosphäre eindringt, oder er stürzt auf die Erde.

Der Einfluss der Schwerkraft verringert sich, je weiter man sich von der Erde entfernt, während die Zentrifugalkraft mit der Geschwindigkeit des Satelliten in der Umlaufbahn steigt. Daher wirkt auf einen Satelliten in erdnaher Umlaufbahn (LEO) eine äußerst hohe Anziehungskraft, die durch schnelle Bewegung entlang der Umlaufbahn zur Erzeugung der benötigten Zentrifugalkraft ausgeglichen werden muss. Es besteht also eine direkte Beziehung zwischen dem Abstand zur Erde und der Umlaufgeschwindigkeit eines Satelliten.

Mathematisch lässt sich der Zusammenhang zwischen der Kreisbahngeschwindigkeit und der Bahnhöhe wie folgt ausdrücken:

	v	die Geschwindigkeit auf der Kreisbahn
	R	der Erdradius = 6 370 km
	g0	die Fallbeschleunigung auf der Erdoberfläche = 9,81 m/s2
	r	der Radius der Satellitenbahn
	r – R = h	die Höhe der Satellitenbahn über der Erdoberfläche sind

Der atmosphärische Luftwiderstand ist übrigens stärker, wenn die Sonne aktiv ist. So wie sich die Luft in einem Ballon ausdehnt und aufsteigt, wenn sie erwärmt wird, steigt die Atmosphäre auf und dehnt sich aus, wenn die Sonne ihr zusätzliche Energie zuführt. Die dünnste Atmosphärenschicht steigt auf, und die dickere Atmosphäre darunter hebt sich, um ihren Platz einzunehmen. Der Satellit bewegt sich nun durch diese dickere Atmosphärenschicht und nicht mehr durch die dünne Schicht, in der er sich befand, als die Sonne weniger aktiv war. Da sich der Satellit beim Sonnenmaximum durch dichtere Luft bewegt, stößt er auf mehr Widerstand. Wenn die Sonne nicht aktiv ist, müssen Satelliten in einer niedrigen Erdumlaufbahn ihre Umlaufbahn etwa viermal pro Jahr erhöhen, um den atmosphärischen Widerstand auszugleichen. Wenn die Sonnenaktivität am höchsten ist, muss ein Satellit möglicherweise alle 2-3 Wochen umpositioniert werden.

Ein weiterer Grund für die Verlagerung eines Satelliten ist die Vermeidung von Weltraumschrott, der sich in seiner Umlaufbahn befinden könnte. Die Ingenieure der Missionskontrolle verfolgen Weltraummüll und andere Satelliten im Orbit, die in die Umlaufbahn des Erdbeobachtungssystems geraten könnten, und planen bei Bedarf sorgfältig Ausweichmanöver. Gewöhnlich das gleiche Team plant und führt auch Manöver zur Anpassung der Neigung und Höhe des Satelliten durch.

Formen von Satellitenbahnen

Eine Umlaufbahn hat die Form eines Kegelschnittes, also einer Kurve, die beim Schnitt durch einen Kegel entsteht. Folglich kann die Bahn kreisförmig, elliptisch, parabolisch oder auch hyperbolisch um den Zentralkörper verlaufen. Dieser befindet sich dabei stets in einem der Brennpunkte der Kurve. Wenn sich ein Satellit um die Erde bewegt, so nennt man den erdfernsten Punkt der Bahn Apogäum und den erdnächsten Punkt Perigäum, wobei die Endung '-gäum' für "Erde" (griechisch gäa) steht.

Eine Kreisbahn ist eine geschlossene Bahn für ein Raumfahrzeug oder einen Satelliten, deren Mitte im Erdmittelpunkt liegt. Eine exakte Kreisbahn ist leicht instabil, weil die Erde und damit ihr Gravitationsfeld nicht ganz kugelförmig sind. Eine Kreisbahn einzuhalten würde beträchtliche Mengen an Treibstoff für Korrekturzündungen erfordern.

Jede nicht kreisförmige, geschlossene Bahn eines Raumfahrzeugs hat die Form einer Ellipse. Der Erdmittelpunkt bildet einen ihrer beiden Brennpunkte, der zweite befindet sich an einem leeren Ort im All. Der Abstand zwischen beiden Brennpunkten legt die Exzentrizität der elliptischen Umlaufbahn fest.

Eine exzentrische Umlaufbahn ist eine elliptische Bahn, deren Form stark länglich ist. Das heißt die große Achse ist viel größer als die kleine Achse.

(Satelliten-) Bahnelemente Sechs Bahnelemente legen die Bahn eines Astronomischen Objekts eindeutig fest, das den Keplerschen Gesetzen im Schwerefeld eines Himmelskörpers (Zweikörperproblem) gehorcht. Zwei Bahnelemente definieren die Gestalt der Bahn-Ellipse, drei Elemente bestimmen die Lage im Raum und ein Element legt den Zeitbezug fest. Die Bahnelemente von Satelliten basieren ebenfalls auf den 6 Bahnelementen einer Keplerbahn. Sie enthalten üblicherweise weitere Parameter, um Bahnstörungen zu berücksichtigen, beispielsweise durch Reibung mit der Atmosphäre, inhomogenes Gravitationsfeld, Sonnenstürme oder Strahlungsdruck. Quelle: Wikipedia

Die meisten Erdsatelliten bewegen sich auf Kreisbahnen. Bei Raumsonden in Umlaufbahnen um andere Planeten sind eher elliptische Bahnen üblich, da so Beobachtungen aus unterschiedlichen Höhen möglich sind.

Je nach Anwendung werden für Erdbeobachtungssatelliten passende Bahnen gewählt. Von der Bahn hängt es ab,

• welche Wiederbesuchszeiten möglich sind,
• welche Bodenauflösung erreicht werden kann,
• welche Lichtverhältnisse herrschen und
• welche Teile der Erdoberfläche überhaupt beobachtet werden können.

Entgegengesetzte Forderungen werden an Erdbeobachtungssatelliten oder Aufklärungssatelliten gestellt. Diese sollen nach Möglichkeit Orte auf der gesamten Erdoberfläche beobachten können, jeweils 10–15 min lang. Dies geht im erdnahen Raum nur in polnahen Umlaufbahnen, wobei hier der sonnensynchrone Orbit (SSO) gegenüber dem direkten Pol-zu-Pol-Orbit vorteilhafter ist. Bei den SSO-Bahnen erleichtert der konstante Sonnenwinkel im Beobachtungsbereich die Auswertung und Klassifikation der gewonnenen Erdbeobachtungsdaten. Die relativ niedrige Umlaufbahn vereinfacht auch das Aufnehmen detailreicher Bilder. Besonders in niedrigen Umlaufbahnen unterliegen die Satellitenbahnelemente raschen Änderungen durch die Erdabplattung.

Quelle: Fachlexikon der Telekommunikation

Arten von Umlaufbahnen GEO - Geosynchronous Earth Orbit (geostationäre Kreisbahn mit einer Bahnhöhe von ca. 36.000 km) HEO - Highly (Inclined) Elliptical Earth Orbit (hochelliptische inklinierte Umlaufbahn) IGSO - Inclined Geosynchronous Orbit (inklinierte geosynchrone Umlaufbahn) LEO - Low Earth Orbit (Kreisbahn niedriger Bahnhöhe bis etwa 1.000 km) MEO - Medium Earth Orbit (inklinierte Kreisbahn mittlerer Bahnhöhe von ca. 10.000 km) PEO - Polar Earth Orbit (LEO-Bahn über die Polkappen) Je niedriger die Orbithöhe desto: kürzer die Periode kleinräumiger die Abdeckung der Oberfläche stärker das Signal besser die räumliche Auflösung größer die Reibung und kürzer die Lebenszeit

Einflüsse auf Raumfahrzeuge im Orbit

Satelliten, Raumsonden, Raumstationen und Raumfahrzeuge unterliegen einer Vielzahl von Umgebungseinflüssen. Diese Einflüsse können direkt oder indirekt auf den Orbit, auf Beschaffenheit und Zustand der verwendeten Werkstoffe, auf an Bord befindliche Besatzungsmitglieder oder auf Experimente und deren Betrieb einwirken.

Man unterteilt die Umwelteinflüsse im Allgemeinen in zwei Hauptgruppen:

• Natürliche Weltraumumgebung: interplanetare Materie, kosmische Teilchen, Gravitations- und Strahlungsfelder.
• Durch Raumfahrzeuge induzierte Umgebung: Wird durch die Präsenz von Raumfahrzeugen oder aktive Freisetzung von Materie und Energie verursacht (Steuermanöver, Ausgasen, Weltraummüll, Leckverluste). Von besonderer Bedeutung für permanente Raumstationen und -plattformen sind Einflüsse auf die μg-Umgebung (hier: Güte der Schwerelosigkeit im Raumfahrzeug) dieser Raumfahrzeuge, da davon im Wesentlichen die Durchführbarkeit vieler Experimente an Bord abhängt.

Weitere Informationen, u.a. Satellitenumlaufbahnen interaktiv:

• Bahnen und Orbits von Satelliten (B. Leitenberger)
• Satellitenorbit
• Satellite Characteristics: Orbits and Swaths (NRCAN)
• Heavens-Above - Startseite
• CelesTrack Orbit Visualisation (CelesTrak)
• Follow ESA Missions (ESA)
• Catalog of Earth Satellite Orbits - gute und detaillierte Beschreibung der Orbittypen (NASA)
• Dynamic List of Orbits (Wikipedia)
• Types of Orbits (ESA)