E2.2 LEO, MEO, GEO, HEO
Kapitel E2 · Kurs 1
Niveau: K1 bis K2
Zeitbedarf: ca. 35 Minuten
Einstiegsfrage
Wie lange kannst du einen Satelliten hören, der in nur 550 km Höhe fliegt – und wie lange einen, der in 35 786 km steht?
Erklärung
Satellitenbahnen unterscheiden sich nicht nur durch ihre Form, sondern auch durch ihre Höhe und ihre Neigung. Beides bestimmt, wie lange ein Umlauf dauert, wie gross das sichtbare Gebiet am Boden ist und wie gut ein Satellit von einem Standort aus empfangen werden kann
Vier Bahntypen
Man unterscheidet grob LEO, MEO, GEO und HEO. LEO-Satelliten fliegen tief, schnell und sind pro Überflug nur wenige Minuten sichtbar. MEO-Satelliten bleiben deutlich länger im Sichtbereich. GEO-Satelliten stehen für einen Beobachter am Boden scheinbar fest am Himmel. HEO-Bahnen sind stark elliptisch; dort verbringt der Satellit besonders viel Zeit in der Nähe des Apogäums
| Bahntyp | Typische Höhe | Umlaufzeit | Sichtfenster für eine Bodenstation |
|---|---|---|---|
| LEO (Low Earth Orbit) | bis ca. 2000 km, Beispiel 550 km | ca. 90 bis 120 min (550 km: 95,6 min) | pro Überflug ca. 5 bis 15 min |
| MEO (Medium Earth Orbit) | zwischen LEO und GEO, Beispiel 20 200 km | Beispiel: 11 h 58,7 min | mehrere Stunden pro Überflug |
| GEO (geostationär) | 35 786 km | 23 h 56 min (ein Sterntag) | dauernd, der Satellit steht scheinbar still |
| HEO (stark elliptisch) | Beispiel Molnija: 500 km bis 39 868 km | ca. 12 h | mehrere Stunden um das Apogäum |
Die Grenzen zwischen den Bereichen sind Konvention. Wichtig ist das Prinzip: Je höher die Bahn, desto länger der Umlauf und desto grösser der Bereich, den der Satellit sieht.
Footprint: Was der Satellit sieht
Der Footprint ist das Gebiet am Boden, aus dem der Satellit über dem Horizont steht. Je höher die Bahn, desto grösser dieser Bereich. Darum kann ein GEO-Satellit fast eine halbe Erdseite überblicken, während ein LEO-Satellit immer nur einen vergleichsweise kleinen Ausschnitt abdeckt. Für dich als Hörstation bedeutet das: Hohe Bahnen liefern lange Sichtzeiten, tiefe Bahnen kurze und schnell wechselnde Überflüge
Der Winkelradius des Footprints bei Elevation 0° ist λ = arccos(RE / (RE + h)). Bei 550 km Höhe sind das 23,0°, etwa 2 559 km. Ein GEO-Satellit sieht 81,3° weit, also fast eine ganze Erdhalbkugel.
Überflug eines LEO-Satelliten
Ein LEO-Satellit zieht in wenigen Minuten über deinen Himmel. Bei Überflügen genau über deinem Standort sind das etwa 10 Minuten bei 400 km, 12 Minuten bei 550 km und 15 Minuten bei 800 km Höhe. Tiefe Überflüge am Rand des Footprints sind kürzer.
Deshalb gilt als Faustregel: Ein LEO-Überflug dauert höchstens etwa 15 Minuten.
Inklination: Wie stark ist die Bahn geneigt?
Die Inklination i ist der Winkel zwischen Bahnebene und Äquatorebene. Bei 0° ist die Bahn äquatorial, bei 90° polar, bei mehr als 90° retrograd. Die Inklination bestimmt, welche geographischen Breiten ein Satellit überhaupt erreichen kann. Ein Satellit mit 53° kommt also nicht weiter als 53° Nord oder Süd
- i = 0°: äquatoriale Bahn
- i = 90°: polare Bahn, der Satellit überfliegt beide Pole
- i > 90°: retrograde Bahn, der Satellit läuft gegen die Erddrehung
Je grösser die Inklination, desto weiter nördlich und südlich erreicht der Satellit. Beim Beispiel obe mit i = 53° kommt der Satellit nie höher als 53° Nord oder Süd. Für die Schweiz (47° Nord) liegt er damit nahe am Scheitelpunkt seiner Bahn.
Zwei Bahnen sind besonders lehrreich
Eine sonnensynchrone Bahn (SSO) ist leicht retrograd (im Simulator i = 98,6° bei 800 km). Die Bahnebene dreht sich pro Tag um knapp 1° mit, also so schnell, wie die Erde um die Sonne wandert (0,985°/Tag). Dadurch überfliegt der Satellit einen Ort immer ungefähr zur gleichen lokalen Sonnenzeit.
Die Molnija-Bahn ist stark elliptisch und so geneigt, dass der Satellit lange über hohen Breiten sichtbar bleibt: Inklination von ca. 63,4° und eine Umlaufzeit von ca. 12 Stunden. Sie ist stark elliptisch (HEO). Der Satellit verbringt viel Zeit nahe dem Apogäum und bleibt dort stundenlang sichtbar. Warum 63,4° besonders ist, siehst du in E2.5 wenn wir die langsame Drehung der Bahnebene und des Perigäums behandeln
Bodenspur und Erddrehung
Übungsfragen, wenn Du es ganz genau wissen möchtest
Du vergleichst die Bahntypen im Simulator mit deiner eigenen Rechnung. Rechne die Umlaufzeit und den Footprint zuerst von Hand. Schau erst danach in die Sollwerte.
- Öffne den Orbit- und Link-Budget-Simulator.
- Rechne für jedes Preset a = (rp + ra)/2 und T = 2π √(a³/μ). Für den Footprint rechnest du den Winkelradius λ = arccos(6378 km / r) mit r = 6378 km + Höhe.
- Gehe in Schritt «1 · Orbit wählen» die Buttons der Reihe nach durch. Lies unter dem Orbit-Block die Zeile «Periode» ab. Sie steht zwischen den Werten für a und e.
- Miss den Footprint auf der Karte. Die blaue Fläche ist der Footprint. Das Gitter hat 30°-Linien. Der Radius ist der Abstand vom Satellitenpunkt bis zum Rand der Fläche.
| Preset | Höhe Perigäum / Apogäum (km) | Inklination (°) | Halbachse a (km) | Exzentrizität e | Umlaufzeit nach Formel | Anzeige «Periode» im Simulator | Footprint-Radius bei Elevation 0° |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| LEO | 550 | 53,0 | 6 928 | 0,0000 | 1 h 35,6 min | 1 h 35,6 min | 23,0° (2 559 km) |
| LEO sonnensynchron | 800 | 98,6 | 7 178 | 0,0000 | 1 h 40,9 min | 1 h 40,9 min | 27,3° (3 040 km) |
| MEO | 20 200 | 55,0 | 26 578 | 0,0000 | 11 h 58,7 min | 11 h 58,7 min | 76,1° (8 473 km) |
| GEO | 35 786 | 0,0 | 42 164 | 0,0000 | 23 h 56,1 min | 23 h 56,0 min | 81,3° (9 050 km) |
| HEO (Molniya) | 500 / 39 868 | 63,4 | 26 562 | 0,7411 | 11 h 58,0 min | 11 h 58,1 min | 22,0° (Perigäum) bis 82,1° (Apogäum) |
| Schritt | Feld / Aktion | Erwartetes Ergebnis | Toleranz |
|---|---|---|---|
| 1 · Orbit wählen | Button «LEO» | Periode ≈ 1 h 35,6 min; Footprint (blaue Fläche) klein, Radius ≈ 23° | Periode ±1 min; Radius ±3° |
| 1 · Orbit wählen | Button «LEO sonnensynchron» | Periode ≈ 1 h 40,9 min; Radius ≈ 27° | Periode ±1 min; Radius ±3° |
| 1 · Orbit wählen | Button «MEO» | Periode ≈ 11 h 58,7 min; Radius ≈ 76° | Periode ±1 min; Radius ±3° |
| 1 · Orbit wählen | Button «GEO» | Periode ≈ 23 h 56,0 min; Radius ≈ 81° | Periode ±1 min; Radius ±3° |
| 1 · Orbit wählen | Button «HEO (Molniya)» | Periode ≈ 11 h 58,1 min; Exzentrizität ≈ 0,7411 | Periode ±1 min; e ±0,001 |
| Zeitraffer | «×1800» wählen, bei HEO beobachten; mit «Pause» und ◀ ▶ bei Messwert «Höhe / Distanz» anhalten | Footprint-Radius ≈ 22° im Perigäum (Höhe ≈ 500 km) und ≈ 82° im Apogäum (Höhe ≈ 39 868 km) | Radius ±3°; Höhe ±5 % |
Kontrollfragen:
- Warum ist der Footprint beim GEO nur etwas grösser als beim MEO, obwohl die Bahn viel höher liegt?
Antwort: Der Winkelradius folgt arccos(RE/r). Er nähert sich mit wachsendem Radius dem Grenzwert 90°. Bei 20 200 km sind es 76°, bei 35 786 km 81°. - Die MEO-Umlaufzeit beträgt fast genau 12 Stunden. Was bedeutet das für die Lage der Satellitenbahn?
Antwort: Die Periode ist fast genau ein halber Sterntag (11 h 58 min). Nach zwei Umläufen steht der Satellit wieder über derselben Stelle der Erde.
Hinweis: Die Sollwerte sind aus den Formeln berechnet und mit dem Simulatorcode nachgerechnet (Kepler-Bahn mit J2-Störung, ohne Luftwiderstand). [PRÜFEN: Anzeige im Simulator vor Veröffentlichung gegenprüfen.]
Merksatz und Formelkasten
Merksatz
Je höher die Bahn, desto länger die Umlaufzeit und desto grösser der Footprint. LEO-Überflüge dauern höchstens etwa 15 Minuten. Die Inklination gibt an, wie weit nach Norden und Süden der Satellit kommt.
Footprint-Winkelradius bei Elevation 0°:
Umlaufzeit: T = 2π √( a³ / μ) mit μ = 398 600,4 km³/s², R E = 6378 km.
Bogenlänge am Boden: s = R E · λ (λ im Bogenmass).
Mini-Selbsttest
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