Ballonsatellit
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Ein Ballonsatellit ist ein Erdsatellit, der nach Erreichen seiner Umlaufbahn durch expandierendes Gas "aufgeblasen" wird.
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[Bearbeiten] Ballonsatelliten Echo-1 und Echo-2
Der erste derartige Flugkörper war Echo 1, der am 12. August 1960 von den USA auf eine 1600 km hohe Kreisbahn gestartet wurde. Er hatte anfangs eine kugelförmige Gestalt von 30 Meter mit einer metallbeschichteten dünnen Plastikhülle aus Mylar und diente der Erprobung als "passiver" Nachrichten- und geodätischer Satellit. Seine internationale COSPAR-Nummer war 6000901 (9. Start des Jahres 1960, 1. Komponente).
Schon eine der ersten Funkverbindungen gelang über fast 4000 km Distanz (zwischen der US-Ostküste und Kalifornien). Bis Echo-1 im Jahr 1968 verglühte, hatte seine Bahn-Vermessung von einigen Dutzend Bodenstationen aus die Kenntnis von der genauen Erdfigur um fast den Faktor 10 verbessert.
Sein Nachfolger war der ähnlich aufgebaute Echo 2 mit 41 Metern Durchmesser (1964 bis ca. 1970). Er kreiste etwa 400 km tiefer und nicht mehr mit einer Bahnneigung von 47° wie Echo-1, sondern auf einer Polarbahn mit durchschnittlich 81° Neigung. Dadurch waren Funkverbindungen und Vermessungen auch in höheren Breiten möglich. An den Echo-Bahnbestimmungen zur Analyse der Bahnstörungen und des Erdschwerefeldes beteiligten sich neben 30-50 professionellen Bodenstationen auch etwa 200 Amateurastronomen in global verteilten sog. Moonwatch-Stationen, die etwa die Hälfte der gewichteten Beobachtungen beitrugen.
[Bearbeiten] Reichweite der Funkwellen, Sichtbarkeit
Wie weit ein Satellit in so großer Höhe sichtbar ist, lässt sich leicht mit dem Satz des Pythagoras berechnen. Es ergibt sich, dass er bei einer 1500 km hohen Kreisbahn gerade auf- oder untergeht, wenn er 4600 km horizontale Entfernung hat. Die Atmosphäre lässt diesen Wert allerdings geringfügig schwanken.
Liegen zwei Funkstationen also 9000 km auseinander und geht die Satellitenbahn zwischen ihnen durch, können sie bei genügend starken Funkwellen deren gegenseitige Reflexion empfangen.
Die optische Sichtbarkeit ist allerdings geringer als jene von Funkwellen, weil
- der Satellit von der Sonne beleuchtet sein muss
- der Beobachter einen dunklen Himmel braucht (d. h. im Eigenschatten der Erde auf ihrer der Dämmerungs- oder Nachtseite liegen muss.
- Außerdem hängt die Helligkeit einer Kugel vom Winkel zwischen Lichteinfall und Beobachter ab - siehe die Mondphasen, und
- nimmt in Horizontnähe stark ab, weil die atmosfärische Extinktion bis zu 90 % des Lichts verschluckt.
Dennoch ist es auch für präzise Zwecke der Satellitengeodäsie kein Problem, einen Flugkörper wie Echo 1 bis herab zu Höhenwinkeln von 20° zu beobachten - was einer Distanz von 2900 km entspricht. Daher lassen sich theoretisch Entfernungen zwischen Vermessungspunkten bis über 5000 km "überbrücken", und in der Praxis zumindest 3-4000 km.
Zur visuellen oder fotografischen Beobachtung heller Satelliten und Ballons und über deren geodätische Nutzung bieten die Artikel über Echo 1, PAGEOS und das Weltnetz weitere Informationen.
[Bearbeiten] Weitere Ballonsatelliten
Zur Erforschung der Dichte der Hochatmosphäre wurden auch vier Satelliten der Explorer-Serie als Ballone ausgeführt (Explorer 9, 19, 24 und 39).
Der funktechnische Erfolg von Echo-1 war zwar gegeben, doch wurde für die Nachrichtentechnik das "passive Prinzip" (Reflexion der Funkwellen an der Ballonhaut) bald durch aktive Systeme ersetzt. Insbesondere Telstar 1 (1962) und Early Bird (1965) sind hier zu erwähnen. Sie konnten neben einem interkontinental ausgetauschten Fernsehprogramm gleichzeitig bereits einige hundert Tonkanäle aussenden.
Die Satellitengeodäsie mit Echo 1 und 2 erfüllte hingegen nicht nur während der geplanten zwei bis drei Jahre alle Erwartungen, sondern fast 10 Jahre lang. Deshalb startete die NASA den 30-m-Ballons namens PAGEOS. Er steht auf deutsch wie englisch für "PAssiver GEOdätischer Satellit" - in Anklang auch an GEOS, einen erfolgreichen aktiven (elektronischen) Satelliten aus 1965.
[Bearbeiten] PAGEOS und das Weltnetz
PAGEOS wurde speziell für das sogenannte "Weltnetz der Satellitengeodäsie" gestartet, für das bis 1973 etwa 20 vollberufliche Beobachtungsteams weltweit unterwegs waren. Mit den bewährten, vollelektronischen BC-4 Kameras (1:3 / Brennweite 30 bzw. 45 cm) nahmen sie auf 46 Bodenstationen insgesamt 3000 verwertbare Fotoplatten auf, woraus die Stationen dreidimensional auf durchschnittlich 4 m genau berechnet werden konnten. Der Koordinator dieser Campagnen war Univ. Prof. H. H. Schmid von der ETH Zürich.
In Europa lagen drei Stationen des Weltnetzes: Catania auf Sizilien, der Hohenpeißenberg in Bayern und Tromsø im nördlichen Norwegen. Zur Ergänzung des reinen Richtungsnetzes waren genaue Streckenmessungen nötig, die auf vier Kontinenten - und auch quer durch Europa - mit Genauigkeiten von 0,5 mm pro km vermessen wurden.
Das Weltnetz erlaubte nun erstmals, das "geodätische Datum" (geozentrische Lage der Vermessungssysteme) auf verschiedenen Kontinenten auf einige Meter zu berechnen und gegenseitig zu transformieren. Anfang der 1970er konnten auch zuverlässige Werte für fast 100 Koeffizienten des Erdschwerefeldes (Kugelfunktionsentwicklung bis Grad und Ordnung 12–15) berechnet werden.
[Bearbeiten] 1965-1975 erfolgreich mit Blitzlicht
Die hellen Ballonsatelliten sind zwar gut sichtbar und waren schon zu Beginn der Raumfahrt auch auf feinkörnigen (weniger empfindlichen) Fotoplatten gut messbar, doch gab es Probleme mit der präzisen Zeitnehmung der Satellitenspur. Sie war damals noch kaum genauer möglich als einige Millisekunden.
Da Satelliten mit immerhin 7-8 km pro Sekunde die Erde umkreisen, bedeutet ein Zeitfehler von 0,002 Sekunden rund 15 Meter. Man hatte sich jedoch das Ziel gesteckt, die Bodenstationen binnen weniger Jahre auf einige Meter genau zu vermessen. Daher verfiel man bereits um 1960 auf die Methode der "Blitzlicht-Satelliten".
Für den Aufbau eines dreidimensionalen Vermessungsnetzes braucht die Satellitengeodäsie nämlich weniger die derart exakte Zeit, als vielmehr genau definierte Zielpunkte. Wenn 2 Stationen dieselbe Blitzserie eines Satelliten aufnehmen, ist das auf einfache Art gegeben.
Die Blitztechnik war 1965 bereits ausgereift, als der kleine - nun bereits elektronische - Satellit GEOS (später Geos-1 genannt) gestartet wurde. Mit seinem jüngeren Bruder GEOS 2 brachte er eine merkliche Genauigkeitssteigerung.
Ab etwa 1975 sank jedoch die Bedeutung fast aller optischer Messverfahren, weil sie von den rasanten Fortschritten der elektronischen Distanzmessung überholt wurde. Erst durch die jüngst entwickelten Beobachtungsmethoden mit CCD und die hochpräzisen Sternörter des Astrometriesatelliten Hipparcos könnte sich das wieder zugunsten der Richtungsmessungen ändern.
Siehe auch: Nachrichtentechnik, Ionosphäre, Erdmessung, Satellitengeodäsie
