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Autor: Stefan Heykes / 25. Februar 2013, 21:22 Uhr

Spektr-R und die Chaos-Umlaufbahn

Jetzt, zum Ende des Early Science Program, sind sämtliche realen Betriebsparameter von Spektr-R bekannt. Dieser Artikel soll einen Überblick über die Eigenschaften seiner Umlaufbahn geben sowie die Vermessung der Umlaufbahn beschreiben.

Quelle: Nikolai Kardaschow
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Spektr-R befindet sich in einer hochelliptischen Umlaufbahn, die massiv gestört wird. Man nutzt die Störungen durch die Schwerkraft des Mondes und auch den Strahlungsdruck der Sonne aus, um im Lauf der Zeit die Bahnebene zu drehen und dadurch möglichst viele verschiedene Ziele ideal ins Blickfeld zu bekommen.

Nach dem Start am 18. Juli 2011 erstreckte sich die Umlaufbahn zwischen 578 km und 333.500 km und einer Umlaufzeit von 8,32 Tagen. Die Bahnneigung betrug zu diesem Zeitpunkt 51°. Ausgehend von dieser Bahn bestand aber das Risiko, dass Spektr-R bedingt durch die Bahnstörungen Ende 2013 abstürzen würde. Daher wurde am 1. März 2012 eine Triebwerkszündung durchgeführt, um die Umlaufbahn langfristig stabil zu machen. Der jetzige Orbit soll für mindestens 9 Jahre den Betrieb ermöglichen. Dabei wird Spektr-R in diesem Zeitraum nie länger als 2 Stunden pro Umlauf im Erdschatten sein. Die Zeit im Erdschatten soll kurz sein, weil dort nicht genug Energie zur Verfügung steht, um das Radioteleskop zu betreiben.

N. Kardaschow

Verlauf von Apogäum und Perigäum, Zeit in Tagen ab dem 12.04.2012
(Bild: N. Kardaschow)
Im Lauf der Zeit wird sich dieser Orbit stark verändern. Das Perigäum (der erdnächste Punkt) wird zwischen 7.000 und 85.000 km schwanken, das Apogäum (der erdfernste Punkt) zwischen 280.000 und 353.000 km. Die Bahnneigung wird zwischen 10° und 85° schwanken. Die ideale Auflösung erreicht RadioAstron, wenn die Basislinie senkrecht zur Beobachtungsrichtung steht. Optimale Beobachtungsbedingungen können also für Ziele mit einer Deklination (Winkel über dem Äquator) von 5° bis 80° geschaffen werden.

Damit die Daten der irdischen Radioteleskope korrekt mit denen von Spektr-R kombiniert werden können, muss die Position des Satelliten sehr genau bekannt sein. Eine große Herausforderung ist dabei die Tatsache, dass der Strahlungsdruck dem Satelliten einen Drehimpuls mitgibt. Dieser muss von der Lageregelung an Bord ausgeglichen werden. Wenn die dazu verwendeten Drallräder ihre maximale Drehzahl erreicht haben, müssen die Triebwerke gezündet werden. Das führt bei längeren Messungen zu Positionsabweichungen von 400 bis 800 Metern gegenüber der vorhergesagten Flugbahn und muss aufwendig einberechnet werden.

ASC Lebedew

Bodenstation RT-22 in Puschtschino
(Bild: ASC Lebedew)
Um die Bahn zu verfolgen, werden drei Methoden verwendet. Die Geschwindigkeit des Satelliten wird bestimmt, indem der Dopplereffekt ausgenutzt wird. Dieser führt zu einer Verschiebung der am Boden empfangenen Frequenz gegenüber der gesendeten Frequenz. Da die Sendefrequenz bekannt ist, kann aus Sende- und Empfangsfrequenz die Geschwindigkeit relativ zur Erde bestimmt werden. Diese Messung wird ständig von der Bodenstation in Puschtschino (und zukünftig auch von der in Green Bank) durchgeführt.

Um die Position genau zu bestimmen, werden zwei Methoden verwendet. Zum einen können an Spektr-R befestigte Laserreflektoren von der Erde aus angepeilt werden. Nach dem gleichen Prinzip wird zum Beispiel auch die Entfernung des Mondes regelmäßig bestimmt. Aufgrund der großen Entfernung von der Erde sind jedoch auch für Spektr-R nur wenige Institute in der Lage, solche Messungen durchzuführen. Zudem ist diese Methode nur bei günstigen Sichtbedingungen umsetzbar.

Einfacher ist es daher, die Position von Spektr-R zu bestimmen, indem Radioteleskope auf der Erde VLBI betreiben um den Satelliten zu orten. Dabei dient Spektr-R als Radiosender und wird genau so beobachtet, wie Spektr-R sein Zielobjekt beobachtet. Zusätzlich wird der Satellit noch von irdischen Teleskopen beobachtet, um seine Position relativ zum Sternenhimmel zu bestimmen. Diese Methode ist zwar ungenau, aber zum prinzipiellen Abgleich sehr wertvoll.

All diese Messungen und Modellvorhersagen dienen dazu, den Korrelator mit Informationen über Position und Geschwindigkeit von Spektr-R zu versorgen. Diese werden benötigt, um die aufgezeichneten Signale korrekt mit den Signalen der Bodenteleskope zu kombinieren. Die Position von Spektr-R kann dabei auf 500 m genau angegeben werden, die Geschwindigkeit auf 2 cm/s. Je größer die Entfernung zur Erde ist, umso ungenauer wird dabei diese Angabe. Daher sinkt für große Abstände das Signal-Rausch-Verhältnis der korrelierten Resultate stark ab, die Bildqualität verschlechtert sich also.

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