Wie wird die Höhe eines Satelliten definiert, da die Erde nicht kugelförmig ist?

Die Höhe eines Satelliten ist der Abstand zwischen der Erdoberfläche und dem Satelliten, aber die Erde selbst ist nicht kugelförmig. Am Äquator ist der Erdradius 21 km größer als an den Polen, und tatsächlich ist die Form der Erde nicht einmal ein perfektes abgeflachtes Sphäroid.

Wie wird also eigentlich die Höhe eines Satelliten definiert?

Bei einem Satelliten mit konstanter kreisförmiger Umlaufbahn - der Abstand zwischen der Erdoberfläche und dem Satelliten oder der Abstand zwischen dem Erdmittelpunkt und dem Satelliten?

Ich empfehle Ihnen einen Blick auf: en.wikipedia.org/wiki/Osculating_orbit

Antworten (4)

Update: 6378,137 km verbrauche ich jetzt.

Konventionell ist die Höhe eines Raumfahrzeugs die Entfernung zum Erdmittelpunkt minus etwa 6378 Kilometer oder ein Referenzradius, der repräsentativ für den Äquatorradius der Erde ist. Die Höhe eines Raumfahrzeugs wird nicht wirklich als genaue Beschreibung der Position eines Satelliten verwendet, da es sich nur um einen Skalar handelt und eine Definition erforderlich ist. Wenn Sie jedoch einen Wert für eine Höhe angeben müssen, verwenden Sie die Entfernung zum Massenmittelpunkt der Erde abzüglich einer Referenz Radius, der im Allgemeinen ein durchschnittlicher Äquatorialradius ist. Zum Beispiel sehe ich häufig die folgende Gleichung (z. B. 1 , 2 , 3 , 4 , 5 , 6 und in dieser Antwort ):

Höhe = | r | 6378    oder    6378.1  km

Eine andere Möglichkeit, dies zu bestätigen, besteht darin, diese SE-Site einfach nach "6378" zu durchsuchen . (Es stellt sich heraus, dass die meistens von mir sind, also zählt es nicht). Es könnte ein genauerer Wert für den Äquatorradius der Erde verwendet werden, z. B. 6378,137 , aber die Differenz ist nicht aussagekräftig, da die Höhe eines Raumfahrzeugs an sich keine genau definierte Größe ist.

In dieser ausgezeichneten Antwort können Sie mehr über den Nadir und die Frage, welcher Punkt auf der Erdoberfläche sich zu einem bestimmten Zeitpunkt tatsächlich "direkt unter" dem Satelliten befindet, und den Unterschied zwischen dem geodätischen Subsatellitenpunkt und dem geozentrischen Subsatellitenpunkt lesen .

Nun der letzte Teil der Frage:

Für den Satelliten mit kreisförmiger Umlaufbahn, der konstant ist - der Abstand zwischen Erdoberfläche und Satellit oder der Abstand zwischen Erdmittelpunkt und Satellit?

Die kurze Antwort lautet "weder noch", aber die Antwort, die wahrscheinlich am ehesten richtig ist, ist, dass die Entfernung vom Satelliten zum Massenmittelpunkt der Erde wahrscheinlich konstanter ist als die Entfernung zur Oberfläche, vorausgesetzt, Sie finden es heraus ob Sie den geodätischen oder den geozentrischen Subsatellitenpunkt meinen. Dies liegt daran, dass die Gravitationsterme höherer Ordnung jenseits des Monopols schwach sind und nur einen geringen Effekt haben.

Sie können dies schnell bestätigen, indem Sie feststellen, dass der Erdradius von äquatorial zu polar um mehr als 20 Kilometer variiert, und dennoch können Satelliten in kreisförmigen Umlaufbahnen Periapsis und Apoapsis innerhalb eines Kilometers voneinander entfernt sein. Zum Beispiel habe ich zwei der Satelliten in der Konstellation "A-Train" ausgewählt , die eine nahezu polare Umlaufbahn hat. Aqua und Aura und habe ihre Informationen in Wikipedia nachgeschlagen. Beide haben einen Unterschied zwischen Periapsis und Apoapsis von nur 2 Kilometern oder weniger.


Eine nützliche Konvention:

Unter Verwendung dieser weichen Definition ist es üblich, Umlaufbahnen zu sehen, die unter Verwendung der Höhen bei Periapsis und Apoapsis beschrieben werden. Zum Beispiel bedeutet diese Diskussion einer Umlaufbahn eines Iridium-Satelliten von 625 x 625 km , dass er kreisförmig mit einem Radius von 625 + 6378 km ist, und eine geostationäre Transferbahn von 185 km x 35.786 km hätte ihre Apsiden ebenfalls bei etwa diesen Werten plus 6378 km jeweils hinzugefügt.

Dies ist eine großartige Antwort!
@ChrisR, es ist genau das, was ich von anderen Leuten hier in SXSE gelernt habe.
Ein Hinweis, dass z. B. 6378,137 km sicherlich ein theoretischer oder irgendein Durchschnittswert ist. Mittlerer Meeresspiegel, oder so, schätze ich. Es geht bis auf einen Zentimeter genau herunter, berücksichtigt also keine Berge. Oder sogar für Staub, der sich auf dem Boden häuft :-)
@RolazaroAzeveires ja! Erster Paragraph; "... irgendein Referenzradius, der im Allgemeinen ein durchschnittlicher Äquatorialradius ist ."
@uhoh Richtig. :-) Ich habe es verpasst. Entschuldigung, und danke.
@uhoh Danke! Ich habe die Umlaufbahn eines Studentensatelliten (sonnensynchroner LEO-Satellit) mit SGP4 aufgezeichnet. Die Tatsache, dass für diesen Satelliten die Exzentrizität 0,0087 betrug, was höher war als Aquas Exzentrizität von 0,0000979. Aufgrund der hohen Exzentrizität betrug die Differenz zwischen großer und kleiner Halbachse rund 110 km. Diese 110 km sind klein im Vergleich zum Erdradius, aber 1/6 im Vergleich zu 600 km (allgemein LEO-Satellitenhöhe). Ich hatte die Vorstellung, dass die sonnensynchrone Umlaufbahn fast kreisförmig ist, aber dies scheint (aus Sicht der Erdoberfläche) selbst bei einer Exzentrizität von 10 ^ -2 der Größenordnung stark elliptisch zu sein.
@SumitAgrawal Ich hatte darüber nachgedacht, etwas sehr tief zu ziehen ε TLEs und Überprüfung der Zirkularität ( Skyfield ist eine besonders einfache Möglichkeit, dies zu tun), entschied sich aber für etwas noch einfacheres/schnelleres. Ich frage mich, ob die Exzentrizität des von Ihnen erwähnten Satelliten dafür optimal ist oder ob es eine Take-it-or-leave-it-Situation war. Manchmal werden nicht primäre Nutzlasten in eine bequeme Umlaufbahn gebracht.
@RolazaroAzeveires oh, du hast einen guten Punkt gemacht, ich bin froh, dass du es angesprochen hast. Das Internet kann sich anscheinend nicht entscheiden, ob die Erde "birnenförmig" oder "kartoffelförmig" ist. Aber wie OrganicMarble betont , ist ein am besten passendes Ellipsoid ein bequemer Ort, um anzuhalten.
@uhoh Ich denke, da es sich um einen Studentensatelliten handelte, war die Exzentrizität aufgrund des bequemen Starts etwas höher.
@RolazaroAzeveires 6378,137 km scheint eine Genauigkeit von einem Meter zu haben.
@JiK, danke, du hast recht. Ich habe das mit dem in Wikipedia verwechselt (das ist 6378,1370 km, also auf 10 Zentimeter herunter) und ... durcheinander gebracht :-) Glücklicherweise steht die allgemeine Idee, mit solchen Größenordnungen (und Messgenauigkeiten) wir müssen selten metergenau schreiben. (Ich mag die Tendenz, Koordinaten mit 6 Dezimalzahlen anzugeben, wirklich nicht, z. B. 28,123456ºN)

In der Orbitalmechanik kann die Position eines Satelliten mithilfe von Orbitalelementen definiert werden (die für typische Umlaufbahnen einige Vorteile gegenüber anderen Koordinatensystemen haben). Orbitalelemente beschreiben eine Position in Bezug auf den Schwerpunkt der Erde oder eines anderen Körpers. Eines der Orbitalelemente ist zum Beispiel die große Halbachse, die für eine kreisförmige Umlaufbahn identisch ist mit dem Abstand zwischen dem Satelliten und dem Massenmittelpunkt der Erde – nicht der Erdoberfläche.

Wie Sie sagen, ändert sich der Abstand zur Erdoberfläche sogar über eine kreisförmige Umlaufbahn. Man kann dies anhand des Geoids berechnen, und es ist für viele Zwecke nützlich, aber es ist eher eine diagnostische als eine prognostische Variable.

Ich würde sagen "kann mit OEs definiert werden." Alles, was man braucht, sind sechs Komponenten, und das können Position und Geschwindigkeit sein oder irgendeine Art von Orbitalelementen. Die meisten OE-Definitionen werden an bestimmten Punkten singulär, was eine Änderung ihrer Definition erfordert, während Vektoren dies nicht tun. (Entschuldigung, ich bin ein großer Fan der Vektornotation.)
@ChrisR Fairer Punkt. Bearbeitet.

Die Erde wird bei dieser Berechnung als Punktmasse angenähert. Die Abflachung des Planeten und unterschiedliche Gravitationspotentiale können dann unter Verwendung von sphärischen Harmonischen oder "Mascon" (kurz für Massenkonzentration) berechnet werden.

Beim Entwurf spezieller Bahnen, wie etwa der um die Lagrange-Punkte , ist es nicht ungewöhnlich, ein neues Bezugssystem zu definieren, dessen Mittelpunkt im Schwerpunkt der beiden für das Problem betrachteten Himmelskörper liegt.

Um die anderen Antworten zu erweitern, hängt es wirklich davon ab, wofür Sie die Höhe verwenden möchten.

Im Shuttle Mission Simulator haben wir die Orbitalhöhe auf verschiedene Arten berechnet.

  • Höhe über dem Fischer-Ellipsoid
  • Höhe über dem mittleren Meeresspiegel
  • Höhe über dem ausgewählten Landeplatz
Das ist ein wirklich wichtiger Punkt! Nicht alle Raumfahrzeuge befinden sich in einer langfristig stabilen Umlaufbahn. Gelegentlich ist man voller Leute, die versuchen, nach Hause zu kommen, in diesem Fall wird die Höhe unglaublich relevant .