Die Bahn des künstlichen Erdsatelliten 1958 Delta 2

43 Pages·1959·1.999 MB·German

by  Gerhard Hergenhahn (auth.), Gerhard Hergenhahn (eds.)

FORSCHUNGSBERICHTE
DES WIRTSCHAFTS- UND VERKEHRSMINISTERIUMS
NORDRHEIN-WESTFALEN
Herausgegeben von Staatssekretär Prof. Dr. h. c. Dr. E. h. Leo Brandt
Nr.694
Gerhard Hergenhahn
Sternwarte der Universität Bonn
Die Bahn des künstlichen Erdsatelliten 1958 Delta 2
Als Manuskript gedruckt
Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH
ISBN 978-3-663-03411-7 ISBN 978-3-663-04600-4 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-663-04600-4
Forschungsberichte des Wirtschafts- und Verkehrsministeriuma Nordrhein-Westfalen
G 1 i e der u n g
s.
1. Einleitung ••.•...•. 5
s.
2. Die Doppler-Effekt-Messungen 8
3. Umlaufszeit, große Halbachse der Bahnellipse,
s.
Zeit des aufsteigenden Knotens. 11
4. Die Lage der Bahnebene im Raum s. 20
5· Exzentrizität und Lage des Perigäums s. 26
6. Bahnelemente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . s. 29
. . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7. Anhang . . . s. 37
8. Literaturverzeichnis s. 43
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Zusammenfassung
Aus über 500 Registrierungen des Doppler-Effektes im 20 MHz-Signal des
Satelliten 1958 6 wurden seine Bahnelemente und ihre zeitlichen Ände
2
rungen für die ersten zwei Monate der Lebenszeit des Satelliten abge
leitet. Die Messungen stammen aus der Zeit vom Start des Satelliten
(15. Mai) bis zum 20. Juli von neun über die Bundesrepublik verteilten
Meßstationen.
Obwohl die Verhältnisse für Radiobeobachtungen ungünstig waren, zeigte
es sich, daß vor allem der zeitliche Verlauf der Bahn durch regelmäßige
Messungen dieser Art sehr gut verfolgt werden kann. Für die Bestimmung
der räumlichen Lage der Bahn sind gute optische Beobachtungen zu bevor
zugen, die allerdings bei den meisten Satelliten nur an sehr wenigen
Tagen möglich sind. Eine kombinierte Auswertung von Radiobeobachtungen
und optischen Beobachtungen wäre wohl das zweckmäßigste Verfahren.
Die Abnahme der Umlaufszeit des Satelliten verringerte sich während der
ersten 550 Umläufe von ca. 1 secld auf ca. 0.6 sec/d. Eine sichere
Erklärung für diese abnormale Erscheinung kann noch nicht gegeben
werden.
Die errechneten Bahnelemente sind am Schluß der Arbeit zusammengestellt.
Ferner sind in einer Ephemeridentabelle Zeit und geographische Länge
der aufsteigenden Äquatordurchgänge gegeben.
1. Einleitung
Am 15. Mai 1958 wurde der sechste künstliche Erdsatellit 19585 (Sput-
nik 3) gestartet. Von den Nachrichtendiensten wurden folgende Einzel
heiten über den Satelliten verbreitet: Umlaufszeit: 106 min, Neigung der
Bahnebene gegen die Äquatorebene der Erde: 650 , Gipfelhöhe: 1880 km,
Gewicht: 1321 kg, Sendefrequenz: 20.005 MHz, Sendeleistung: 1 Watt,
Gestalt: kegelförmig mit einem größten Durchmesser von 1.71 m und
eine~
Länge von 3.51 m, Meßmöglichkeiten: Zusammensetzung und Druck der
Atmosphäre, Konzentration der positiven Ionen, Ausmaß der elektrischen
Ladung des Satelliten, Druck des elektrostatischen und des magnetischen
~eldes der Erde, Intensität der solaren Korpuskularstrahlung, Zusammen
setzung und Variation der primären kosmischen Strahlung, Verteilung
der Protonen und schweren Kerne in der kosmischen Strahlung, Häufigkeit
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der Mikrometeore, Temperatur im Innern und auf der Oberfläche des Sa
telliten; die Meßdaten werden auf mehreren Kanälen eines telemetrischen
Systems übertragen. Startort und Startzeit wurden nicht mitgeteilt.
Nach recht sicheren Vermutungen in Verbindung mit einer'Extrapolation
der s.päter beobachteten Bahn startete der Sa telli t am 15. Mai etwa um
06h55m UT im Gebiet nordöstlich des Aral-Sees.
Die ausgebrannte letzte Raketenstufe( 1958 6 1 ) begleitete den Sa tel
liten (1958 6 ) zunächst in fast der gleichen Bahn. Da jedoch die
2
Rakete ein ungünstigeres Masse-Oberfläche-Verhältnis hat als der Satel
lit, nimmt infolge des Reibungswiderstandes ihre Umlaufszeit rascher
ab. Dadurch vergrößert sich die Präzession der Raketenbahnebene schnel
ler als die der Satellitenbahnebene, so daß die beiden Objekte sich
nur anfänglich in der gleichen ßbene bewegten. Wegen ihrer geringeren
Umlaufszeit überholt die Rakete den Satelliten von Zeit zu Zeit.
Bei der Bahnbestimmung der Rakete ist man, abgesehen von gelegentlichen
Radarbeobachtungen, allein auf optische Beobachtungen angewiesen. Da
gegen kann man die Bahn des Satelliten auch aus Beobachtungen der Radio
signale des Satellitensenders berechnen. Trotzdem liegen die Verhält
nisse bei der Rakete wesentlich günstiger, da sie wegen ihrer größeren
Oberfläche etwa 3 Größenklassen heller erscheint, als der Satellit
(ca. 15-fache Helligkeit). Es wurden von ihr daher relativ viele und
gute optische Beobachtungen gemacht. Während der ersten beiden Monate
gelangen mit Baker-Nunn-Kameras 32 Aufnahmen der Rakete, dagegen nur
9 Aufnahmen des Satelliten [1J (es sei bemerkt, daß diese Präzisions
Aufnahmen bis zur Zeit der Abfassung dieses Berichtes nicht zur Bahn
bestimmung mit herangezogen werden konnten, da noch keine Auswerte
geräte für diese Aufnahmen existieren). Von den Moonwatch-Stationen
wurden bis zum 30. Juni 459 Beobachtungen der Rakete durchgeführt, aber
nur 65 Beobachtungen des Satelliten, wobei 31 Beobachtungen auf 5 hinter
einanderliegende Tage (14. - 18. Juni) fielen, ferner 6 Beobachtungen
auf den 23. Juni, so daß also an den restlichen 31 Tagen des angegebenen
Zeitraums nur 28 Moonwatch-Beobachtungen geliefert wurden [1J. Ergänzend
liegen für beide Objekte noch eine Reihe weiterer, mit anderen Verfahren
durchgeführter Beobachtungen vor (visuell und Radar). Später wurden
aie Sicht-Möglichkeiten für den Satelliten günstiger und die Beobach
tungen häufiger, so daß die aus optischen Beobachtungen berechneten
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Bahnelemente eine hohe Genauigkeit erreichten. Wir beschränkten uns
deshalb darauf, aus unseren Radiobeobachtungen nur für die ersten zwei
Monate der Lebenszeit des Satelliten (die ersten 850 Umläufe) eine
Bahnbestimmung vorzunehmen.
Die in dieser Arbeit angegebenen Bahnelemente des Satelliten 1958 62
basieren auf über 500 Doppler-Effekt-Messungen, die aus der Zeit vom
Start des Satelliten bis zum 20. Juli 1958 von neun über das Gebiet der
Bundesrepublik verteilten Stationen stammen. Da die Sendefrequenz des Sa
telliten nicht hinreichend groß gegenüber der Plasmafrequenz der Iono
sphäre war und außerdem während vieler Messungen schwankte, zeigten die
Doppler-Effekt-Kurven starke Unregelmäßigkeiten. Sie konnten deshalb nur
unvollkommen ausgewertet werden. Es mußte eine weitgehend modifizierte
Form der in [2J entwickelten Methode zur Bahnbestimmung von Erdsatelli
ten angewandt werden. Das in [3J angegebene Verfahren, mit dem die
Bahnelemente des Satelliten 1957°C abgeleitet wurden, wurde in weiter
entwickelter Form vielfach mit benutzt. Wegen der durch die niedrige
und schwankende SendefreCluenz bedingten geringen Qualität der Doppler
Effekt-Kurven konnte die Neigung der Bahnebene gegen die Ebene des Erd
äquators nur mit ungenügender Genauigkeit (: 0~5) bestimmt werden. Es
wurde deshalb allen Berechnungen der von TASS veröffentlichte Wert
i = 650 zugrunde gelegt. Außerdem wurden zwei optische Beobachtungen
des Satelliten mit ausgewertet, um die geographische Länge des auf
steigenden Knotens um eine Größenordnung genauer zu erhalten.
Die Umläufe wurden von uns so numeriert, daß der Umlauf, in dem nach
unserer Kenntnis der Satellit gestartet wurde, die Nummer n = 0 hat,
wobei als Beginn ein'es Umlaufs der aufsteigende (Süd ~ Nord) Äquator
durchgang des Satelliten gewählt wurde. Die von den US-amerikanischen
Instituten gewählten Umlaufsnummern sind bei 1958 62 um 1 kleiner als
unsere Nummern. Der in unseren Ephemeriden gegebene aufsteigende
Äquatordurchgang des Umlaufs n = 0 ist nicht real, da der Satellit, so
weit uns bekannt ist, erst einige Minuten später gestartet wurde.
Alle Zeitangaben in dieser Arbeit sind UT (= GMT) , alle geographischen
Längen sind, sofern nicht anders angegeben, Längen westlich Greenwich.
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2. Die Doppler-Effekt-Messungen
Die beiden ersten russischen Erdsatelliten hatten 20- und 40-MHz-Signale
ausgestrahlt. Überraschenderweise war jedoch 1958 62 nur mit einem
20 MHz-Sender ausgerüstet (wahrscheinlich vorhandene weitere Sendefre
quenzen wurden bisher nicht bekannt). Die Grenzfrequenz der F2-Schicht
der Ionosphäre schwankte zu den Beobachtungszeiten im allgemeinen
zwischen 6 und 10 MHz, lag also relativ nahe an der Sende frequenz des
Satelliten. Der Brechungsindex dieser Schicht (und auch der anderen
stark ionisierten Atmosphärenschichten) wich für die 20 MHz-Signale
daher stark vom Wert 1 ab, die Ausbreitung der Wellen erfolgte nicht
geradlinig und die Phasengeschwindigkeit der elektromagnetischen Wellen
war grHßer als die Lichtgeschwindigkeit (vgl. [2J, GI. (74), (75)). Bei
unregelmäßiger Schichtung der Ionosphäre ist sogar eine Zwei- oder Mehr
wegeausbreitung der Signale denkbar. Die ionosphärischen StHrungen
wirken sich auf den Verlauf der Doppler-Effekt-Kurven teils als syste
matische Änderungen der Frequenzdrift aus, teils als unregelmäßige
Schwankungen. Die systematischen Fehler sind schwer aufzudecken und bei
den hier vorliegenden Verhältnissen so groß, daß ihre rechnerische Be
rücksichtigung an der ungenügenden Kenntnis verschiedener Parameter
der Ionosphäre scheitert. Als Folge. davon ist die aus der maximalen
Frequenzdrift berechnete Entfernung des Satelliten fehlerhaft. Die un
regelmäßigen Schwankungen lassen die Doppler-Effekt-Kurven in vielen
Fällen unbrauchbar werden.
Abgesehen von den ionosphärischen StHrungen wurden v1ele Doppler-Effekt
Kurven dadurch unbrauchbar, daß die Frequenz des Satellitensenders
schwankte. Es wurden Frequenzänderungen bis zu 140 Hertz innerhalb von
20 Sekunden beobachtet, das entspricht einer Frequenzdrift von 7 Hz/sec.
Wenn sich diese Frequenzdrift der Doppler-Drift überlagert, kHnnen Ent
%
fernungsfehler bis zu 200 entstehen. Treten solche Sendefrequenz
Schwankungen im steilen Teil der Doppler-Effekt-Kurve auf, so sind sie
nicht zu erkennen: die Kurve sieht einwandfrei aus, die Auswertung
liefert trotzdem ein falsches Ergebnis.
Registriert man beim gleichen Durchgang des Satelliten den Verlauf des
Doppler-Effektes auf mehreren Stationen, die gegenseitige Abstände von
einigen hundert Kilometern haben, so kann man, wenn man die Kurven in
ein einziges Zeit-Frequenz-Koordinatensystem einträgt, vielfach die
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durch Sendefrequenz-Schwankungen verursachten störungen von den ionos
phärischen unterscheiden. Schwankungen der Sendefrequenz treten in den
verschiedenen Kurven im gleichen Zeitmoment und in gleicher Größe auf.
\J
Station 1
A b b i 1 dun g 1
Schematische Darstellung der Auswirkung einer vorübergehenden Änderung
der Sendefrequenz des Satellitensenders auf die Doppler-Effekt-Kurven
im flachen Teil (Station 1) und im steilen Teil (Station 2) der Kurve
(vgl. auch Abb. 7). V = Empfangsfrequenz, t = Zeit
Abbildung 1 zeigt in schematischer Darstellung Unregelmäßigkeiten, die
praktisch nur durch eine vorübergehende Änderung der Sendefrequenz er
klärt werden können. Ionosphärische Störungen können im Kurvenverlauf
auf verschiedene Art in Erscheinung treten, da sie verschiedene Ent
stehungsursachen haben: entweder ist der Satellit in eine Schicht mit
anderer Ionenkonzentration eingedrungen oder auf dem Weg der elektro
magnetischen Wellen zwischen Satellit und Empfangsstation hat sich die
Schichtung verändert oder es ist zu Reflexionen oder Mehrwegeausbrei
tung gekommen. Im ersten Fall wird in allen registrierten Kurven
gleichzeitig eine kleine, aber bleibende Änderung der Frequenzdrift
beginnen, in den beiden anderen Fällen brauchen die Auswirkungen weder
gleichzeitig noch gleichartig noch auf allen Stationen hervorzutreten.
In den Monaten, in denen wir die Satellitenbahn durch Radiobeobachtun
gen verfolgten, wurde täglich von mindestens drei Stationen der Doppler
Effekt beim günstigsten aufsteigenden und beim günstigsten absteigenden
Durchgang des Satelliten über Mitteleuropa registriert. Ständige Mes
sungen wurden von den Funkkontroll-Meßstellen der Deutschen Bundespost
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in Darmstadt, Itzehoe und Konstanz und von Horst HEWEL, Berlin, durchge
führt. Die qualitativ besten Messungen entstanden im Elektrophysikali
schen Institut der Technischen Hochschule München, im Hochfrequenz
laboratorium der Universitäts-Sternwarte Bonn und bei deT Funkkontroll
Meßstelle Darmstadt. Außerdem erhielten wir, vor allem in der ersten
Woche nach dem Start des Satelliten, eine Reihe von Registrierungen der
Funkkontroll-Meßstellen Berlin, Krefeld und München. Die Meßergebnisse
wurden durch Fernschreiber, Eilbrief und Telefon zur einheitlichen
Auswertung nach Bonn übermittelt.
Es würde hier zu weit führen, näher auf die sehr verschiedenen Meßmetho
den einzugehen, die auf den einzelnen Stationen angewandt wurden. Zur
Zeitmessung dienten Quarzuhren. In Bonn war eine automatische, konti
nuierliche Registrierung des Doppler-Effektes geplant. Dieser Plan
wurde hinfällig, weil der Satellit keinen Dauerton ausstrahlte, sondern
Impulsgruppen. Die Doppler-Effekt-Kurven mußten daher punktweise ge
messen werden. Die Erfahrung zeigt, daß bei sorgfältiger Messung auch
ohne automatische Zeit-Registrierung der Einzelpunkt ohne weiteres auf
die Sekunde und auf wenige Hertz genau bestimmt werden kann (innere
Genauigkeit). Die absolute Genauigkeit der Zeit und der Frequenz
eichung war, abgesehen von einigen groben Fehlern, so groß, daß aus dem
Vergleich mehrerer gleichzeitig an verschiedenen Orten gemessener Kur
ven kein systematischer Fehler mehr nachgewiesen werden konnte. Die
Sendefrequenz des Satelliten (= Mittenfrequenz der Doppler-Effekt-Kurve)
ließ sich aus Kurven, die nicht zu flach und nicht zu sehr gestört
waren, im allgemeinen auf etwa 30 Hz genau ermitteln. Dabei
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Frequenzänderungen festgestellt, die mehrere Tage lang anhielten
(s. Abb. 2).
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A b b i 1 dun g 2
Sendefrequenz V des Satellitensenders während der ersten 900 Umläufe.
Die EinzelpunkteSergaben sich als Mittenfrequenz der Doppler-Effekt
Kurven. Ihr mittlerer Fehler ist ± 30 Hz. Der häufigste Wert ist
20.004700 MHz. Der Mittelwert lie,g-t etwas höher. n = Umlaufsnummer
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Die Doppler-E{fekt-Kurven sind um so aufschlußreicher, je dichter die
einzelnen Meßpunkte aufeinander folgen. Bei guten Messungen wurden im
steilen Teil der Kurve von 10 Hz erreicht. Das ent
Frequen~schritte
spricht Zeitintervallen von 1 - 5 Sekunden. Leider war jedoch bei der
Mehrzahl der vorliegenden Messungen die Punktdichte wesentlich geringer.
Die Abbildungen 6 bis 10 am Schluß der Arbeit zeigen eine Auswahl guter
Doppler-Effekt-Messungen, an denen man auch eine Anzahl der oben be
sprochenen Stör-Erscheinungen erkennt. Eine Betrachtung der abgebilde
ten Doppler-Effekt-Kurven zeigt, daß man den Zeitpunkt der größten
Annäherung des Satelliten an die Empfangsstation (Wendepunkt der Kurve)
mit einem mittleren Fehler von 2 - 10 sec (bei steilen Kurven) bzw.
5 - 20 sec (bei flachen Kurven) ermitteln kann. Die Steigung der Wende
tangente, aus der die Entfernung des Satelliten berechnet werden kann,
%.
ergibt sich mit einem mittleren Fehler von 2 - 20 Der Gesamtbetrag
der Frequenzänderung ist durch die Bahnkrümmung, die Ionosphäre und
einige andere Effekte so stark beeinflußt, daß aus ihm nicht die Ge
schwindigkeit des Satelliten errechnet werden kann, wie dies bei unkom
plizierten Verhältnissen möglich wäre.
Dieser kurze Überblick über die Doppler-Effekt-Messungen sollte zeigen,
welche Informationen für die Bahnbestimmung zur Verfügung standen.
3. Umlaufszeit, große Halbachse der Bahnellipse,
Zeit des aufsteigenden Knotens
Die Zeitpunkte tA, tB, tc ... ti seien die Momente geringster Entfernung
des Satelliten von den Beobachtungsstationen A, B, C ... i bei einem
bestimmten Durchgang des Satelliten. Sie entsprechen den Wendepunkten
der Doppler-Effekt-Kurven. Aus den Kurven können sie mit der im vorigen
Abschnitt besprochenen Genauigkeit ermittelt werden. Mit Näherungswerten
der Bahnelemente des Satelliten findet man rechnerisch sehr genau die
Zeitdifferenzen (tA - tB), (tA - t C) ...• (tA - ti ) (vgl. [2], GI. (24),
(25)). Eine wesentliche Verbesserung der gemessenen Zeitpunkte t ,
A
.tB ••. t i erreicht man nun, wenn man sie so korrigiert, daß sie sich den
gerechneten Zeitdifferenzen optimal anpassen. Die Genauigkeit eines
einzelnen Zeitpunktes steigt mit der Anzahl der übrigen beim gleichen
Durchgang auf anderen Stationen gemessenen und zu seiner Verbesserung
mit herangezogenen Zeiten. Auf diese Weise wurden die Wendepunktszeiten
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