Satellitkonstellation

GPS-satellitkonstellation

En satellitkonstellation är ett arrangemang av satelliter som tjänar ett gemensamt mål. En satellitkonstellation där satelliterna flyger i samma riktning på ett konstant avstånd kallas en satellitformation . I många fall används en satellitkonstellation för att tillhandahålla global täckning för en tjänst (t.ex. satellitnavigering , satellitkommunikation och andra). Global täckning innebär här att satellitens belysningszoner täcker jordens yta helt så att den alltid är tillgänglig på vilken plats som helst på jorden minst en satellit (men beror fortfarande på de givna lokala förhållandena).

bakgrund

historia

De första som producerade publikationer om satellitkonstellation för global täckning var L. Vargo (1960: "Orbital Patterns for Satellite Systems" ), D. Lüders (1961: "Satellite Networks for Continuous Zonal Coverage" ) och R. Easton, R Brescia (1969: "Ständigt synliga satellitkonstellationer" ). Baserat på JG Walkers arbete (1970-talet) och hans notation om konstellationen med cirkulära satellitbanor i olika omloppshöjder och med olika omloppsbenägenheter , fick detta sitt namn: Walker-konstellationen. Därefter publicerades konstellationer som tillhandahåller global servicetäckning, med fyra satelliter på elliptiska banor, en med tre satelliter och i det nya årtusendet en med två satelliter.

Design av en satellitkonstellation

Servicetäckning av Globalstar- satellitkonstellationen
Tjänsttäckning av Iridium- satellitkonstellationen

Utmaningen att utforma en konstellation är att välja lämpliga parametrar. De olika omloppsparametrarna, såsom banhöjd, form, excentricitet, lutning, etc. kan vara olika för satelliterna i en konstellation, med resultatet att konstellationens geometriska komplexitet ökar. Omloppsparametrarna och deras beroenden är olika, så att fyra väsentliga parametrar bara visas kort:

En av de första frågorna gäller servicetäckning. Detta tar hänsyn till de områden på jorden som en organisation vill erbjuda en tjänst på. Så z. B. polarisarna är av mindre intresse eftersom de inte är befolkade nog än resten av jordytan (se Globalstar vs. Iridium ). Å andra sidan kan endast servicetäckning vara av särskild betydelse för en stat. Tjänstens täckningstyp, global eller partiell , har en betydande inverkan på typen av konstellation.

Ur ekonomisk synvinkel spelar antalet satelliter en viktig roll på grund av deras konstruktion och transport. Kostnaden för att installera Iridium-kommunikationssystemet med 66–93 satelliter uppskattas till cirka 5 miljarder US-dollar och det efterföljande systemet med 72-81 satelliter uppskattas till 2,9 miljarder dollar. Antalet satelliter påverkar banan som krävs för att täcka en tjänst eller konstellationens geometriska form. Antalet satelliter är dock inte den enda kostnadsdrivaren; tekniken som ska användas, omloppshöjden (miljöförhållanden) eller markinfrastrukturen spelar också en viktig roll. Detta är bl.a. Erkänt av satellitnavigeringssystemet Galileo , vilket trots det lägre antalet 30 satelliter orsakar kostnader på 6,7 till 6,9 miljarder euro.

Om den önskade omfattningen av tjänstetäckningen är känd, bestämmer omloppshöjden med konstellationstypen i stort sett det antal satelliter som krävs. Men när banahöjden ökar ökar strålningen på grund av minskningen av styrkan hos jordens magnetfält . Detta ökar utvecklingskostnaderna för satellittypen. Vidare ökar den erforderliga överföringseffekten med ökande banhöjd och tidsfördröjningen på grund av kommunikationsvägen ökar. Genom att använda olika omloppsformer, såsom cirkulär, elliptisk och deras inriktning, kan antalet satelliter minskas genom att öka den geometriska konstellationskomplexiteten. På grund av det stora antalet parametrar genomförs denna optimering numeriskt i praktiken .

Konstellationsmönstret eller typen bestämmer servicetäckningen genom att variera antalet banplan och deras lutningar. Så är z. Exempelvis är servicetäckning av de polära kepsen inte möjlig i en Walker-konstellation med låg bana och medelhög lutning (~ 60 °), medan en polär konstellation (lutning ~ 90 °) täcker detta område. Omloppsnivåerna och deras inriktning påverkar i sin tur markinfrastrukturen, så för varje omloppsnivå måste minst en markstation (beroende på typ av tjänst) finnas tillgänglig som kan skapa kontakt med satelliterna i denna omlopp. Alternativt kan en reläsatellit i en närliggande eller högre bana användas för att kommunicera med en markstation (se t.ex. European Data Relay Satellite ).

Satellitkonstellationer

LEO konstellationer

Denna typ av satellitkonstellation är avsedd för banor med låg jord . Bakgrunden till detta är den ökande strålningsexponeringen som verkar på satelliten när banahöjden ökar. Detta ökar utveckling och produktionskostnader och / eller minskar livslängden för en satellit eller en satellitkonstellation. De två mest kända konstellationerna med cirkulära banor är Walker och den polära satellitkonstellationen.

Walker-konstellationen

Walker-konstellation 54 °: 18/3/1
Exempel på en polär och en Walker-konstellation

Walker Constellation, även kallad Walker Delta Pattern Constellation , beskriver fördelningen av satelliterna i de olika cirkulära banorna. Banorna har alla samma lutning (lutning) relativt referensplanet. Vanligtvis är referensplanet ekvatorialplanet . Noteringen av denna konstellation ges enligt följande:

i: lutning [°], t: antal satelliter, p: antal banor (jämnt fördelade), f: fasparametrar (0 till p-1)

Fasparametern kan tolkas enligt följande:

: sann anomali (se satellitbanaelement )

Den sanna anomalin hos satellit 2 (den närmaste östra satelliten på satellit 1) är högre än den sanna anomalin 1 i satellit 1 med den extra mängden, varvid satelliterna 1 och 2 befinner sig i olika banor. Ie f specificerar fasförskjutningen för satellitfördelningen i förhållande till referensplanet (vanligtvis ekvatorn). För f = 0 passerar en satellit per bana ekvatorialplanet samtidigt, med f> 0 kommer någon satellit först över ekvatorlinjen (Figur: "1"), följt av nästa västra satellit (Figur: "2") i sin tur följs av nästa västra satellit (figur: "3").

Exempel: 54 °: 18/3/1

Denna Walker-konstellation (se bild) innehåller 18 satelliter, som är fördelade över 3 omloppsplan, dvs. 6 satelliter per omloppsplan, varvid varje omloppsplan har en lutning på 54 ° (visas inte i figuren). Fasförskjutningen mellan satellitplanen är 20 °.

Beroende på lutningen för omloppsbanan kan polkapparna inte täckas i en Walker-konstellation.

Polar satellitkonstellation

En polär konstellation, även kallad Walker Polar Star Pattern Constellation , kännetecknas av en lutningsvinkel på cirka 90 °, d.v.s. H. satelliterna i konstellationen korsar iskapparna. En Walker Delta-mönsterkonstellation med en lutning på cirka 90 ° är därför en polär konstellation. Detta uppnår täckning av polarregionerna, som dock är ganska obetydliga ur kommersiell synvinkel (otillräcklig befolkning). Sådana kommunikationssystem är av stort intresse för vetenskapliga forskningsuppdrag till polarisarna. Till skillnad från Globalstar är satellitkonstellationen Iridium ett polärt system. Av denna anledning föredras Iridium- kommunikationssystemet för vetenskapliga uppdrag till nordliga och södra breddgrader . Denna användning var också ett skäl till att systemet stängdes av på grund av konkursen i augusti 2000 och den efterföljande ekonomiska fortsättningen av Iridium Satellite LLC från 2001.

Mycket elliptiska konstellationer

Molnijabana konstellation

Molnija konstellation

En Molnija-konstellation kännetecknas av användning av Molnija-omloppsbanan ( mycket elliptisk bana ). En Molnija-bana har fördelen att en satellit kan tillhandahålla en tjänst under apogeeområdet under relativt lång tid . Denna typ användes för ryska kommunikationssatelliter eftersom överföringseffekten för geostationära satelliter skulle vara för stor för Rysslands norra breddgrader och en kommunikationslänk till en satellit i en polär konstellation är för kort eller skulle kräva för många satelliter. Ett exempel på en sådan konstellation är Satellite Data System (SDS) (se figur till höger) för Förenta staternas väpnade styrkor , som har använts av Förenta staternas väpnade styrkor sedan 1976, med början med SDS-1.

MEO-satellitkonstellationer

MEO- konstellationer används företrädesvis av navigationssatellitsystem. På grund av höjden krävs färre satelliter än i LEO, men högre överföringseffekt krävs. Dessutom finns dessa system i Van Allen Belt , vilket innebär att de måste utformas för en högre strålningsdos .

Geostationära satellitkonstellationer

Geostationär satellitkonstellation

Fördelen med att stationera en satellitkonstellation i GEO är det minimala antal satelliter som krävs för global täckning. I teorin skulle två satelliter vara tillräckliga för att nå över 80% av alla platser på jorden (om jorden var en perfekt och jämn sfär). I praktiken garanteras dock inte tillgänglighet vid gränssnitten eller vid höga breddgrader på grund av de lokala förhållandena som kullar, berg, byggnader och andra hinder. Överföringseffekten spelar också en viktig roll så att de ryska kommunikationssatelliterna inte använde en GEO-station utan en Molnija-bana. Av denna anledning har GEO-konstellationer minst tre satelliter (se illustration). Den NASA använder en sådan konstellation typ att stödja deras rymdfärder i LEO. Denna konstellation är känd som TDRS- systemet (Tracking and Data Relay Satellite System).

Bana kombinationer

Som nämnts tidigare kan ökad konstellationskomplexitet minska antalet satelliter. Så z. B. olika omloppstyper, såsom LEO och MEO, kan användas för en konstellation, varigenom en inter-satellitanslutning för satelliterna i denna konstellation måste finnas på de två omgångstyperna. Dessutom kan banor och deras orientering användas för att z. B. att generera polygonala konstellationer. Möjligheterna är ganska olika, så att endast en kort hänvisning görs här.

Andra

Vad som inte beskrivs närmare i detta sammanhang är inter-satellitlänkar (eng. Intersatellitlänk, abbr. ISL) och deras användning i satellitnätverk. Inter-satellitanslutningar är relevanta för vidarebefordran av mottagen data. Om satelliterna i en konstellation inte kan upprätta en förbindelse med varandra, vilket är fallet med Globalstar , krävs närvaron av en markstation i fotavtrycket, som överför data som vidarebefordras av satelliten till marknätet. ISL erbjuder ett alternativ, som är fallet med Iridium . Med hjälp av dessa anslutningar kan data endast överföras via satellitkonstellationen utan ett mellansteg via en markstation. Fortsättningen av denna teknik leder till satellitnät. Dessa fortfarande teoretiska system kan en dag ge en infrastruktur som liknar Internet i rymden.

Applikationer

Satellitkonstellationer används i olika områden, t.ex. B.:

Se även

Wiktionary: Constellation  - förklaringar av betydelser, ordets ursprung, synonymer, översättningar
Commons : Satellite Constellation  - samling av bilder, videor och ljudfiler

webb-länkar

Simuleringsprogramvara för satellitkonstellationer:

svälla

Individuella bevis

  1. ^ Robert A. Nelson: satellitkonstellationsgeometri. (PDF; 640 kB) Mars 1995, åtkomst 2 september 2011 (engelska).
  2. ^ Lloyd Wood: Satellite Constellation Networks. (PDF; 348 kB) Hämtad 2 september 2011 (engelska).
  3. ↑ Iridiums NEXT Satellites: Global Reach, New Partnerships. Defence Industry Daily, 1 maj 2011, nås den 30 augusti 2011 .
  4. ↑ Iridium tillkännager en omfattande plan för nästa generations konstellation. Iridium 2 juni 2010; arkiverat från originalet den 6 september 2011 ; nås den 30 augusti 2011 (engelska).
  5. ↑ Galileokostnaderna exploderar - Berlin håller fast vid en bottenlös grop. handelsblatt.com, 7 oktober 2010, öppnades 5 september 2011 .
  6. ^ Bau, Jason H.: Topologier för satellitkonstellationer i ett tvärbundet rymdnätverk. (PDF) MIT , 31 juli 2002, nås den 14 maj 2016 .
  7. ^ Sauter, Luke M. (2002): "Satellite Constellation design for Mid-Course Ballistic Missile Intercept", United States Air Force Academy