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Herausforderungen bei der Modellierung von LEO-Umlaufbahnen

Herausforderungen bei der Modellierung von LEO-Umlaufbahnen

Satelliten-Konstellationen in erdnahen Umlaufbahnen (LEO = Low Earth Orbit) versprechen eine Revolution in der Kommunikation. Das Verständnis und die Bewältigung der spezifischen Herausforderungen an den Test von Satelliten in LEO-Umlaufbahnen ist ein entscheidender Schritt, um diese Entwicklung zu beschleunigen. Zur präziseren  Modellierung der Umlaufbahnen hat Spirent zusammen mit SpacePNT das Tool SimORBIT entwickelt.

Das Zweikörperproblem taucht garantiert in den ersten Kapiteln jedes Lehrbuchs der Orbitalmechanik auf, und das aus gutem Grund: Seine Lösung führt zur analytischen Definition von Keplerschen Bahnen, einem einfachen, aber äußerst leistungsfähigen Werkzeug zur Vorhersage der Flugbahn von Raumfahrzeugen und Himmelskörpern gleichermaßen. In der Tat ist eine Keplersche Bahn eindeutig durch eine Reihe von nur sechs Parametern definiert (Halbachse, Exzentrizität, Inklination, Rektaszension des aufsteigenden Knotens, Argument der Periapsis, Anomalie zur Epoche).

Trotz der Einfachheit des zugrundeliegenden physikalischen Modells (zwei Körper mit kugelförmiger Massenverteilung, die ausschließlich der gegenseitigen Gravitationswechselwirkung unterliegen) ist es bemerkenswert genau und hat im Laufe der Jahrhunderte zahllose Errungenschaften ermöglicht, von der Vorhersage des Auftretens von Kometen bis hin zum vorläufigen Entwurf komplexer Multigravitationsschleuderbahnen für interplanetare Sonden.

Kepler allein erzählt jedoch nicht die ganze Geschichte. So ist beispielsweise kein Himmelskörper vollkommen kugelförmig, und selbst in der Einsamkeit des Weltraums wird die Bewegung von Satelliten durch eine Vielzahl von Effekten beeinflusst, darunter die Anziehungskraft von Sonne, Mond und anderen Planeten sowie der Luftwiderstand an den obersten Rändern der Atmosphäre. Selbst auftreffende Photonen haben einen messbaren Einfluss auf die Flugbahn!

Die Einbeziehung all dieser Störungen in die Bewegungsgleichungen führt zu einer erheblichen mathematischen Verkomplizierung, bis zu dem Punkt, an dem es nicht mehr möglich ist, eine geschlossene analytische Lösung zu finden. Den besten Kompromiss zwischen Genauigkeit und Modellkomplexität für eine bestimmte Anwendung zu finden, ist wohl eine der schwierigsten Aufgaben in der Astrodynamik.

Um diese Herausforderung für den Test von LEO-Satelliten zu meistern, hat Spirent zusammen mit SpacePNT SimORBIT entwickelt, ein vielseitiges Werkzeug, das die Generierung von originalgetreuen LEO-Trajektorien für einzelne Satelliten oder ganze Konstellationen ermöglicht. 

SimORBIT ist ein erweitertes Orbit Propagation Tool, das die Berechnung und Modellierung von LEO-Satellitenbahnen mit einer sehr hohen Genauigkeit ermöglicht (entweder in ECEF- oder in ECI-Koordinaten). Dieses Tool implementiert ein dynamisches Modell, das speziell für die strengen Anforderungen der präzisen Bahnbestimmung für LEO-Satelliten entwickelt wurde. Die hohe Genauigkeit des Softwaretools wird durch modernste Modelle ermöglicht, die die wichtigsten Störungen, die Satelliten beeinflussen, berücksichtigen.

Mit SimORBIT kann der Benutzer:

  • neue Konstellation erstellen, entweder von Grund auf oder durch Importieren einer RINEX-Datei
  • eine Simulation starten, um Satellitenbahnen mit hoher Genauigkeit zu berechnen
  • Ergebnisse anzeigen, die zuvor berechnet wurden

Spezifikationen / Merkmale

  • Genaues Orbitalmodell, das als Referenz-Trajektorienpropagator verwendet werden kann
  • Generierung von Umlaufbahnen für einzelne Satelliten oder Konstellationen (bis zu 85 Satelliten)
  • Vollständig konsistent mit den IERS 2010 Konventionen
  • Implementiert in ITRF, Umwandlung in GCRF ist möglich
  • Anpassbare Eingabeparameter für Satelliten (z.B. Luftwiderstandsbeiwert, Masse, Querschnittsfläche)
  • Mehrere numerische Integratoren verfügbar
  • Ausgabe in Standardformaten
  • Ausbaufähig für höhere Präzision
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