{"id":13976,"date":"2019-05-22T08:58:35","date_gmt":"2019-05-22T06:58:35","guid":{"rendered":"https:\/\/www.bernd-leitenberger.de\/blog\/?p=13976"},"modified":"2019-05-24T17:38:16","modified_gmt":"2019-05-24T15:38:16","slug":"bahnen-von-konstellationen","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.bernd-leitenberger.de\/blog\/2019\/05\/22\/bahnen-von-konstellationen\/","title":{"rendered":"Bahnen von Konstellationen"},"content":{"rendered":"<p>Nachdem nun zwei Flotten im Aufbau sind und eine dritte angek&uuml;ndigt ist, ist es an der Zeit mal zu erkl&auml;ren, warum man so viele Satelliten braucht und welche R&uuml;ckschl&uuml;sse man &uuml;ber die Starts ziehen kann. Ich n&auml;here mich dabei iterativ dem Problem.<img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/vg01.met.vgwort.de\/na\/9155aee106274c028f6032b4344a9bc4\" alt=\"\" width=\"1\" height=\"1\" \/><!--more--><\/p>\n<h3 class=\"western\">Ein &auml;quatorialer Satellit<\/h3>\n<p>Betrachten wir zuerst einmal einen einzelnen Satelliten der den &Auml;quator umkreist. In 277 km H&ouml;he ben&ouml;tigt er dazu ziemlich genau 90 Minuten. Bei einem Satelliten, der den &Auml;quator umkreist, betr&auml;gt die Inklination Null Grad. Die Inklination gibt an, um wie viel Grad die Bahn zum &Auml;quator geneigt ist. Bis 90 Grad ist sie nach Osten geneigt, der Richtung in der die Erde auf der Nordhalbkugel rotiert (wenn wir von unseren normalen Karten mit dem Nordpol oben ausgehen). Bei Winkel &uuml;ber 90 Grad verl&auml;uft die Bahn westw&auml;rts und erreicht als maximale Breite 180-Winkel-Grad. Doch zur&uuml;ck zu unserem Satelliten. Er umkreist die Erde in 90 Minuten. Sie selbst rotiert in 24 Stunden. Kombiniert man beide Zeiten, so passiert der Satellit einen Ort auf dem &Auml;quator, sagen wir als Beispiel den Nullmeridian nach 96 Minuten erneut. Rund um den Punkt, wo er genau senkrecht &uuml;ber dem Punkt ist (im Zenit), gibt es Funkkontakt f&uuml;r wie lange, das h&auml;ngt von der Bahnh&ouml;he ab. Von Horizont zu Horizont kann man die Distanz &uuml;ber den Satz des Phytagoras berechnen. Es sind in diesem Fall 1900 km zu jeder Seite. Doch f&uuml;r die Konstellationen z&auml;hlen andere Parameter. Nahe des Horizonts kann man einen Satelliten nur auf einem Schiff oder Flugzeug empfangen. Woanders stehen irgendwelche Hindernisse, seien sie nat&uuml;rlich wie H&uuml;gel oder Berge oder k&uuml;nstlich wie Geb&auml;ude. Daneben werden die Signale durch die dichte Luftschicht, die sie nahe des Horizonts durchqueren m&uuml;ssen, st&auml;rker abgeschw&auml;cht. In St&auml;dten versperren vor allem H&auml;user die Sicht und die Frequenzen, welche die Konstellationen nutzen im K-Band, also oberhalb von 12 GHz k&ouml;nnen W&auml;nde kaum durchdringen. Auch das Antennenpattern der Satelliten auf der Erde deckt nicht den Bereich von Horizont zu Horizont ab. Nicht zuletzt haben die Empf&auml;nger Phased-Array Antennen. Das sind elektronisch schwenkbare Antennen. Sie k&ouml;nnen wirtschaftlich um maximal 30 Grad geschwenkt werden, eine mechanisch drehbare Antenne k&ouml;nnte man dagegen von Horizont zu Horizont nachf&uuml;hren. Bei 30 Grad rund um den Zenit sind es in dieser H&ouml;he eine Strecke von 514 km auf dem Erdboden, in der man den Satelliten empfangen kann. Will man also einen kontinuierlichen Empfang haben, so braucht man mehr Satelliten, rund 80 St&uuml;ck. Auf diese Zahl kommt man, wenn man den Erdumfang durch die Breite der Zone teilt, in der der Satellit von der Antenne empfangbar ist. Je weiter der Satellit von der Erde entfernt ist, desto gr&ouml;&szlig;er wird die Zone. Bei 550 km H&ouml;he sind es schon 1123 km Durchmesser und es w&uuml;rden 36 Satelliten ausreichen.<\/p>\n<h3 class=\"western\">Ein polarer Satellit<\/h3>\n<p>Drehen wir die Bahnebene um 90 Grad. Nun passiert der Satellit bei jedem Umlauf die beiden Pole. Das hat einen Vorteil, denn die &Auml;quatorebene schneidet jeder Satellit zweimal. Einmal bei einem L&auml;ngengrad x und einmal bei x+180 Grad. Da sich die Erde einmal unter dem Satelliten in einem Tag dreht, hat jeder Punkt auf der Erde zweimal am Tag Funkkontakt. Da jeder Satellit, nachdem er den Pol passiert hat, auf einem anderen L&auml;ngengrad den Weg zur&uuml;ck zum &Auml;quator zur&uuml;cklegt, braucht man nur die H&auml;lfte der Satelliten, wie man f&uuml;r eine &#8222;Flotte&#8220; rund um den &Auml;quator braucht. Doch diese hat einen Vorteil: Sie deckt zwar nur den &Auml;quator ab, aber dort hat man mit einer Bahnebene, das ist ein Bogen um die Erde auf dem sich an verschiedenen Punkten die Satelliten befinden die gesamte Region abdecken. Bei einem polaren Satelliten geht das nicht, denn die Bahnebene ist stabil im Raum. Die Erde dreht sich aber einmal pro Tag. Das bedeutet das nach den 90 Minuten, die der Satellit f&uuml;r einen Umlauf braucht, die Erde sich um 22,5 Gad oder 2.500 km am &Auml;quator weiterbewegt hat und damit eine Zone au&szlig;erhalb des Empfangsbereichs ist. Man ben&ouml;tigt also weitere Satelliten, die sich auf Bahnebenen befinden, die zur ersten um 22,5 Grad am &Auml;quator verschoben sind. Wenn man n Satelliten pro Bahnebene hat, so ben&ouml;tigt man 2*n Bahnebenen. Aus der Zahl der Satelliten kann man so die Bahnebenen berechnen nach:<\/p>\n<p>Bahnebenenzahl:=Wurzel(2*Satellitenzahl)<\/p>\n<p>Dies gilt f&uuml;r den Fall, das man &uuml;berall auf der Welt guten Empfang hat. Da ein Kreis um einen Breitengrad immer kleiner wird um an den Polen schlie&szlig;lich den Umfang Null zu haben r&uuml;cken die Abst&auml;nde zwischen Satelliten derselben Bahnebene zusammen. Das hei&szlig;t, wenn ich am &Auml;quator eine kleine L&uuml;cke toleriere, dann komme ich mit weniger Bahnebenen aus, und habe trotzdem in h&ouml;heren Breiten noch eine 100%-Abdeckung. Weiterhin wird man in der Praxis die Satelliten verschiedener Bahnebenen versetzen, da jeder eine kreisf&ouml;rmige Zone hat, in der er empfangbar ist und sich so weniger L&uuml;cken ergeben.<\/p>\n<h3 class=\"western\">Bahnen anderer Neigungen<\/h3>\n<p><img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" class=\"alignleft\" src=\"\/img\/sin-x2.png\" alt=\"\" width=\"529\" height=\"349\" \/>Mit einer polaren Bahn kann man die ganze Erdoberfl&auml;che abdecken. Warum sollte man dann andere Bahnneigungen w&auml;hlen? Weil die Abdeckung sich nicht nach der Geografie, sondern dem Bedarf orientiert. Schaut man sich eine Erdkarte an, so stellt man fest, das nahe der Pole es nur Meer oder die unbemannte Antarktis gibt. Selbst oberhalb\/unterhalb 60 Grad sind nur einige meist d&uuml;nn besiedelte Regionen in Kanada, Russland, Norwegen, Finnland und S&uuml;damerika. Dagegen befindet sich ein Gro&szlig;teil der Bev&ouml;lkerung in Industriel&auml;ndern wie den USA, Europa, Russland und China in einem Bereich zwischen 30 und 60 Grad Nord. Nehmen wir an, wir haben einen Satelliten, der eine Bahn mit einer Inklination von 60 Grad hat. An einem Punkt auf der Erdoberfl&auml;che von 60 Grad erreicht dieser Satellit seinen Wendepunkt. Die Spur des Satelliten &uuml;ber der Erdoberfl&auml;che &auml;hnelt einer Sinuskurve. Ich habe in der Abbildung mal die Plots von Sin(x) und Sin(x+1) &uuml;bereinander gestellt. Wenn man am &Auml;quator ist, so ist der Abstand 0. Ist man nahe der Wendepunkte (hier mit einer Linie von 0,8) dargestellt, so ist der Abstand zwischen den Satelliten wesentlich kleiner, und wie man sieht, kann am an einem Punkt innerhalb kurzer Zeit zwei Passagen haben, wenn ein Satellit nach oben steigt und der zweite schon nach unten ist. Spinnt man diese Grafik weiter, indem man weitere Bahnebenen hinzuf&uuml;gt, dann sieht man wie die Abdeckung rund um die Wendepunkte immer dichter wird. Ein solches Netz ist also geeignet die Gebiete der Erde die in mittleren Breiten liegen besser zu versorgen als ein polares. Sprich dort: sieht man bei einer gegebenen Satellitenzahl mehr Satelliten pro Zeiteinheit, die Bandbreite, die sie zur Verf&uuml;gung stellen ist, gr&ouml;&szlig;er. Das ist nicht neu. Es gibt ja f&uuml;r Telefongespr&auml;che und Sprachnachrichten schon zwei Netze: Iridium hat eine Bahnneigung von 86,4 Grad. Globalstar nur eine von 52,4 Grad. Die Folgen f&uuml;r die Abdeckung sieht man in der Grafik f&uuml;r Globalstar. Deutlich ist das in mittleren Breiten die Zonen mit einem Satelliten in Sicht selten sind. Die Regel sind zwei oder drei Satelliten in Sicht. Am &Auml;quator sieht das nicht so g&uuml;nstig aus und an den Polen erst recht nicht.<\/p>\n<p><img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" class=\"alignright size-medium\" src=\"https:\/\/upload.wikimedia.org\/wikipedia\/commons\/8\/8b\/CoverageGlobalstar.png\" width=\"1028\" height=\"766\" \/>So kann man zuerst die Region in der die Industriel&auml;nder versorgen, aber nicht alle Bahnebenen belegen, sodass es noch L&uuml;cken am &Auml;quator gibt und so bevor ich das System ganz aufgebaut habe schon Einnahmen generieren.<\/p>\n<h3 class=\"western\">Verschiedene Bahnh&ouml;hen<\/h3>\n<p>Jedes der Systeme muss einen Kompromiss eingehen, den es aus Physikalisch-technischen, &ouml;konomischen und Nachfragegr&uuml;nden gibt. Physikalisch gesehen ist es ganz einfach: Je h&ouml;her die Umlaufbahn des Satelliten ist, desto gr&ouml;&szlig;er ist das Gebiet, in dem er Daten senden und empfangen kann. Allerdings sinkt auch die Sendest&auml;rke bei gegebener Leistung ab. Um das zu kompensieren, braucht man gr&ouml;&szlig;ere Antennen am Satelliten und der Bodenstation. Vor allem bei der Bodenstation gibt es da &ouml;konomische und praktische Grenzen. Um einen Vergleich zu nehmen. Fernsehen &uuml;ber Satellit konnte man schon in den Siebzigern empfangen. Doch ben&ouml;tigte man bei den damaligen Sendest&auml;rken eine Antenne von 2-3 m Durchmesser. Die war nicht nur teuer, die lies sich auch nicht &uuml;berall errichten. Das heute so verbreitete Satellitenfernsehen wunde erst popul&auml;r als 1989 der erste Astra startete mit h&ouml;herer Sendeleistung, wodurch die Antennengr&ouml;&szlig;e auf 90 cm schrumpfte und damit auf eine Gr&ouml;&szlig;e, die man auch auf dem Dach oder Balkon installieren kann und es wurde billiger. Kurzum: wenn die Leute wie sie es gewohnt sind, ein Modem haben wollen, das nicht gr&ouml;&szlig;er als ein Router ist, kann ich den Satelliten nicht weit weg von der Erde platzieren, au&szlig;er er ist gro&szlig; und damit schwer. Zudem brauche ich f&uuml;r h&ouml;here Bahnen eine h&ouml;here Nutzlast und die sinkt mit h&ouml;heren Bahnen ab. Kenner werden bemerken das die (angeblich) 22 t transportierende Falcon 9 bei 13,3 t Nutzlast, f&uuml;r die 60 Starlink Satelliten diese schon nicht in ihrer 550 km hohen Umlaufbahn aussetzen kann, sondern 110 km tiefer. Der logischste Erkl&auml;rungsgrund daf&uuml;r ist, das sie schon an der Grenze der echten (nicht virtuellen) Nutzlastkapazit&auml;t sind. Den Orbit m&uuml;ssen sie dann selbst mit ihnen eigenen Triebwerken anheben.<\/p>\n<p>Ein zweiter Grund spickt gegen zu hohe Bahnen. Das ist die Round-Trip Time, also wie lange die Verz&ouml;gerung bei einer Datenanforderung ist. F&uuml;r das Surfen unwesentlich, aber f&uuml;r Echtzeitanwendungen wie Online-Spiele essenziell. Sonst w&uuml;rde den Kunden ja die Infrastruktur gen&uuml;gen, die es schon gibt: geostation&auml;re Satelliten erlauben direktes Internet, allerdings wegen der Distanz von rund 40.000 km zum Satelliten und zur&uuml;ck mit Verz&ouml;gerungen von 0,3 s pro Paket. Daf&uuml;r reichen drei Satelliten um die ganze Welt zu versorgen, wenn sie denn die ben&ouml;tigte Kapazit&auml;t h&auml;tten. Starlink will maximal 20 ms garantieren. Ich vermute das ist nur die Zusatzverz&ouml;gerung, denn um ans andere Ende der Welt zu gelangen, braucht man auch bei Seekabeln und minimal 20.000 km Distanz schon 67 ms. Ohne Verz&ouml;gerung f&uuml;r die Verarbeitung der Daten bei Satellit und Bodenstation entsprechen 20 ms einer Distanz von 6.000 km.<\/p>\n<p>Ein weiterer Aspekt ist, dass jeder Satellit die Daten an eine irdische Bodenstation abgeben muss, denn noch sind festverlegte Glasfaserleitungen um ein vielfaches billiger. Es ist sicher kein Problem, eine gen&uuml;gende Anzahl von Bodenstationen in Europa und den USA zu installieren. Bei Russland und China sieht es aus politischen Gr&uuml;nden anders aus. Dann gibt es noch L&auml;nder, die viele Zonen haben, in denen es kaum Infrastruktur gibt \u2013 auch eine Bodenstation in der W&uuml;ste Gobi muss einen Zugang zum Internet haben und nat&uuml;rlich sind 70 % der Erdoberfl&auml;che mit Wasser bedeckt. Doch auch der Schiffverkehr und die Luftfahrt sind wichtige Kunden. Im Extremfall kann &#8211; wie bei der Osterinsel &#8211; das n&auml;chste Land 2500 km entfernt sein. Eine Flotte von Satelliten im niedrigen Orbit m&uuml;sste dann das Signal von einem Satelliten zum n&auml;chsten &uuml;bertragen (In-Orbit-Kommunikation) bis man einen erwischt der nahe einer Bodenstation ist. Das bedeutet aber: Jeder Satellit muss f&auml;hig sein ein Vielfaches der normalen Datenmenge zu &uuml;bertragen, wenn er die Daten anderer Satelliten an eine Bodenstation zus&auml;tzlich zu den eigenen &uuml;bermittelt. Gleichzeitig ben&ouml;tigt er viel Kapazit&auml;t f&uuml;r diese Orbitkommunikation zus&auml;tzlich die auch Strom und Gewicht kostet und nicht direkt den Nutzern zur Verf&uuml;gung steht.<\/p>\n<p>Die L&ouml;sung sind mehrere Netze. Ein dichtes nahe der Erdoberfl&auml;che und eines mit weniger Satelliten in h&ouml;herem Orbit. Diese Satelliten dienen dann nur zur Orbitkommunikation. Sie empfangen die Daten mehrerer Satelliten im niedrigen Orbit, haben aber einen gr&ouml;&szlig;eren Bereich auf der Erdoberfl&auml;che in denen sie empfangen werden k&ouml;nnen. Das das Signal schw&auml;cher ist, ist egal, wenn sie nicht direkt den Endverbraucher versorgen, sondern Bodenstationen, f&uuml;r die sind gro&szlig;e Parabolantennen kein gr&ouml;&szlig;erer Kostenfaktor. Bei Starlink sind es 1584 Satelliten in 550 km H&ouml;he und 53 Grad Neigung &#8211; wie erw&auml;hnt ein Winkel in dem man vor allem die Industrienationen und nicht die Entwicklungsl&auml;nder versorgen, kann anders als Musk sagt. Dazu kommen 7482 Satelliten in 340 km H&ouml;he und eben 2825 in 1100 bis 1350 km H&ouml;he, die wahrscheinlich vor allem Relays f&uuml;r die niedrigen Satelliten sind.<\/p>\n<h3 class=\"western\">Folgen f&uuml;r die Starts<\/h3>\n<p>Pro Start kann man ein Teil oder alle Satelliten einer Bahnebene transportieren. Theoretisch kann ein Satellit seien Bahnebene wechseln, indem er die Bahn leicht absenkt oder anhebt, dann wird er vergleichen mit den anderen die Erde schneller oder langsamer umrunden und so sich langsam der n&auml;chsten Bahnebene vor oder nach der derzeitigen n&auml;hern. Dort angekommen kann man die Bahn wieder anheben. Doch dann muss er auch dort genau dann ankommen, wenn er die L&uuml;cke f&uuml;llen muss, die ein ausgefallener Satellit hinterl&auml;sst. Das ist ziemlich aufwendig. Zwischen Bahnen mit unterschiedlicher Inklination, wie sie sicher bei verschiedenen Orbith&ouml;hen vorliegen zu wechseln ist energetisch unm&ouml;glich. Die Strategie d&uuml;rfte es daher sein, jede Bahnebene mit m&ouml;glichst wenigen Starts voll zu f&uuml;llen, wobei Reservesatelliten vorgesehen sind. SpaceX f&uuml;llt zuerst den 550 km Orbit auf. 1584 Satelliten sollen es dort sein. 60 werden nun gestartet. Teilt man 1584 (operative) Satelliten gleichm&auml;&szlig;ig auf so kommt man auf maximal 33 Bahnebenen mit dann 48 Satelliten pro Bahnebene. Die restlichen 12 werden Ersatz f&uuml;r ausgefallene Satelliten sein. Analog sind es bei Oneweb bei 36 Satelliten pro Start dann 18 Bahnebenen. So kann man leicht die Zahl der Starts ausrechnen, die man pro Bahnebene braucht. F&uuml;r das 550 km Netz von Starlink komme ich so auf 33 Starts. Das passt zur der Verlautbarung, das man mit 30 Starts den Planeten <a href=\"https:\/\/spacenews.com\/musk-says-starlink-economically-viable-with-around-1000-satellites\/\">abdecken kann<\/a>.<\/p>\n<p>Ich m&ouml;chte betonen, das dies &Uuml;berschlagsrechnungen auf Basis der Geometrie sind. F&uuml;r ein operatives System werden die Parameter durch Computersimulationen ermitteln, die sich nach den Bahngesetzen aber auch den Antennen, ihren Empfangsmustern und Sende-\/Empfangsleistungen und nat&uuml;rlich an wirtschaftlichen Aspekten orientieren \u2013 man wird das System so auslegen, das die Regionen mit kaufkr&auml;ftiger und zahlreich vorhandener Kundschaft besser versorgt werden als die Regionen ohne diese Kundschaft. Die Ergebnisse werden daher andere sein als nach einer Faustformel ermittelt, aber nicht gravierend davon abweichen.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"<p>Nachdem nun zwei Flotten im Aufbau sind und eine dritte angek&uuml;ndigt ist, ist es an der Zeit mal zu erkl&auml;ren, warum man so viele Satelliten braucht und welche R&uuml;ckschl&uuml;sse man &uuml;ber die Starts ziehen kann. 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