Satelliten
Polarkoordinaten
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Flugbahnwinkel und Polarkoordinaten
Wahre Anomalie und Radiusvektor
Berechnungen zur Bahnverfolgung
12. Flugbahnwinkel und Polarkoordinaten
Eine Bodenstation muss einen Satelliten kontinuierlich verfolgen, um die Antennen nach Elevation und Richtung nachführen zu können. Um dieses Ziel zu erreichen, muss zunächst die Satellitenposition auf der Bahn bestimmt werden; dies geschieht in einem ersten Schritt durch Bestimmung der Flugbahnwinkel der Satellitenellipse.
Nach der bereits vorgestellten Großen Halbachse (a), der Kleinen Halbachse (b), der aus dem Keplerdatensatz gegebenen Exzentrizität (ex) sowie der auf den Zeitpunkt der Epoche umgerechneten Wert von mittlerer Anomalie (M), RAAN und AP, brauchen wir jetzt noch
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die Exzentrische Anomalie (E) |
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die Wahre Anomalie (v) und |
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den Radiusvektor (Rv) |
Die Wahre Anomalie und der Radiusvektor sind die sogenannten Polarkoordinaten des Satelliten; ihre Bestimmung ist nur über einen Hilfswinkel, die Exzentrische Anomalie möglich. Die Polarkoordinaten sind Voraussetzung für die eigentliche Bahnverfolgung.
Fällt man vom Satelliten aus das Lot auf den großen Scheitelkreis der Ellipse, so erhält man die Exzentrische Anomalie als Winkel vom Perigäum über den Ellipsenmittelpunkt zum Lot (Q). Die Wahre Anomalie lässt sich aus der exzentrischen Anomalie berechnen und ist der Winkel vom Perigäum zum Satelliten durch den Erdmittelpunkt, der Radiusvektor ist der "Fahrstrahl" vom Erdmittelpunkt zum Satelliten, sein Betrag wird in km angegeben. Die Exzentrische Anomalie ist ein Hilfswinkel aus dem die relevanten Flugbahnparameter wie "Wahre Anomalie" und "Radiusvektor" berechnet werden können.
Die Keplergleichung zur Berechnung der Exzentrischen Anomalie (E) eines elliptischen Satellitenorbits, ist somit der Schlüssel zur Bestimmung der Bahnparameter. In diesem Abschnitt werden verschiedene Lösungen zur Berechnung der E und anderer Bahnteile als Turbo-Pascal Routinen angeboten.
Die Abbildungen 9 und 10., zeigen die Zusammenhänge auf. Daraus wird auch deutlich, dass bei Kreisbahnen mit einer Exzentrizität von 0.00 die Feststellung gilt : E = M = v und sich damit bei gegebener M weitere Berechnungen erübrigen.
Für elliptische Orbits greift die sogenannte transzendente Keplergleichung, sie lautet als
Formel 10:
, oder für die
Berechnung in Grad ausgedrückt
Dabei sind M die mittlere Anomalie und ex die numerische Exzentrizität der Bahnellipse. Die Formel lässt sich leider nicht analytisch nach der E als Funktion der mittleren Anomalie auflösen, es geht nur über geeignete numerische Verfahren.
Dazu gibt es mehrere Lösungen, die hier näher beschrieben sind.
Mittlere Anomalie aus E
Gelegentlich muss man die M aus E berechnen, das geht durch Umkehr der Formel 10 mit
Formel 10.1
12.2 Wahre Anomalie und Radiusvektor
Normalfall
Hat man die Exzentrische Anomalie berechnet, dann werden danach die Wahre Anomalie (v) und der Radiusvektor (Rv) bestimmt. Für die Wahre Anomalie gilt
Formel 12:
Danach muss das Ergebnis noch verbessert werden mit : "IF E > 180 then v = v +360.0" . Man addiert also 360° zur gefundenen v, wenn die E größer als 180° ist.
Der Radiusvektor läßt sich entweder mit der folgenden Gleichung aus v berechnen
Formel 13:
,
oder direkt aus der E mit
Formel 14:
Umkehrformeln
Für die Berechnung der E aus der wahren Anomalie gibt es einige Alternativen, die auch im Programm in den Funktionen E_aus_v1 bis E_aus_v3 enthalten sind. Das Programm berechnet mit diesen Umkehrfunktionen die E aus der vorher berechneten v und stellt sie auf dem Bildschirm dar.
Formel 15:
Formel 15.1
So wie bei Formel 12, verbessert man bei dieser Formel mit: "IF v > 180 then E = E+360". Allerdings sei noch einmal festgestellt, dass die Wahre Anomalie ohne Berechnung der Exzentrischen Anomalie nicht bestimmt werden kann. In der Praxis kommt man in einem Programm um die Iteration der E also nicht herum.
Bearbeitungstand dieser Seite :
03.11.05