Sonnensynchrone Umlaufbahn

Sonnensynchroner Orbit (grün).

Als sonnensynchrone Umlaufbahn oder sonnensynchronen Orbit (auch Sonnensynchronorbit, abgekürzt SSO) bezeichnet man eine Umlaufbahn um einen Planeten, deren Orbitalebene die gleiche Rotationsänderung erfährt wie die des umkreisten Planeten um die Sonne. Dadurch besitzt die Orbitalebene einen festen Winkel zur Linie Planet-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.

Davon zu unterscheiden ist eine planetensynchrone Umlaufbahn um die Sonne, z. B. in einem durch die Lagrange-Punkte vorgegebenen Orbit.

Eigenschaften

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

Als neues Satellitenbahnelement legt die Ortszeit des aufsteigenden Knotens (englisch {{Modul:Vorlage:lang}} Modul:Multilingual:149: attempt to index field 'data' (a nil value), LTAN) die Ortszeit des Überflugs fest.

Bei einem SSO-Orbit passiert ein Punkt auf der Oberfläche des Planeten die Bahnebene des Satelliten immer zur selben Ortszeit, sofern die geographische Breite des Ortes innerhalb des Bereiches liegt, der durch die Inklination der Bahn begrenzt wird. 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, englisch Dusk-Dawn) um 9 h LTAN, so 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, Inklination größer als 101,45°),^[1] so kann er ständig von Solarzellen mit Energie versorgt werden. Batterien an Bord sind dann nur für die Startphase oder bei Verlust der Lagekontrolle erforderlich.

Einsatzbeispiele:

• Wettersatelliten wie TIROS, Nimbus, DMSP, METOP
• Erderkundungssatelliten wie Landsat, ERS, Sentinel-2
• Sonnenbeobachtungssatelliten wie ACRIMSat, TRACE, Hinode
• Forschungssatelliten wie DLR-TUBSAT
• einige Weltraumteleskope wie Infrared Astronomical Satellite, Wide-Field Infrared Survey Explorer.

Berechnung

Höhe und Inklination des Sonnensynchron-Orbits.

Die Präzession $ \omega _{p} $ eines sonnensynchronen Orbits berechnet sich in rad/s als:

$ \omega _{p}={\frac {3a^{2}}{2r^{2}}}J_{2}\omega \cos i $

mit:

• $ a $ Erdradius am Äquator (6378 km)
• $ r $ Radius des Satellitenorbits
• $ J_{2} $ Der Entwicklungskoeffizient des Erdpotenzials (−1,082×10⁻³) beschreibt den Massewulst der Erde am Äquator, der die Präzession und die Verschiebung der Rektaszension des aufsteigenden Knotens verursacht.
• $ \omega $ Winkelgeschwindigkeit des Satelliten
• $ i $ Inklination.

Berücksichtigt man die Abhängigkeit der Umlaufgeschwindigkeit von der Bahnhöhe, so 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°, denn die zugehörige 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 bis zu 6000 km haben keine praktische Bedeutung.

Einzelnachweise

Weblinks

• Hillhouse, James D. (1999): "Sun Synchronous Orbits for the Earth Solar Power Satellite System" (pdf, eng; 32 kB)
• Unbekannt (1999): "Orbital Mechanics with Numerit - Sun-synchronous Orbit Design" (pdf, eng; 14 kB)