LEO

Engl. Akronym für Low Earth Orbit, franz. orbite terrestre basse; niedere Umlaufbahn von Satelliten in ca. 200-2.000 km Höhe (Angaben schwankend). Niedrigere Orbits sind wegen des Widerstands der Restatmosphäre nicht stabil. Da niedrige Erdumlaufbahnen am einfachsten und preiswertesten zu erreichen sind, werden sie für die meisten Satelliten genutzt. Diese Bahnen liegen knapp innerhalb des Van-Allen-Strahlungsgürtels und werden daher nicht durch Elektronen und Protonen der irdischen Ionosphäre und des Sonnenwindes gestört.

LEO-Satelliten können sowohl polare, wie auch äquatoriale Umlaufbahnen haben. Satelliten auf einem LEO bewegen sich mit ca. 27.400 km/h (8 km/s), womit sie einen Umlauf in etwa 1,5 Stunden bewältigen. Die hohe Geschwindigkeit ist erforderlich, um ein schwerkraftbedingtes Eintauchen in die Erdatmospäre zu verhindern.

Die Nähe des LEO zur Erde macht ihn aus mehreren Gründen nützlich. Es ist die Umlaufbahn, die am häufigsten für Satellitenaufnahmen verwendet wird, da die Nähe zur Erdoberfläche es ermöglicht, Bilder mit höherer Auflösung aufzunehmen. Es ist auch die Umlaufbahn der Internationalen Raumstation (ISS), da es für die Astronauten einfacher ist, in kürzerer Entfernung zur ISS und zurück zu fliegen. Satelliten auf dieser Umlaufbahn fliegen mit einer Geschwindigkeit von etwa 7,8 km pro Sekunde; bei dieser Geschwindigkeit benötigt ein Satellit etwa 90 Minuten, um die Erde zu umkreisen, was bedeutet, dass die ISS etwa 16 Mal am Tag die Erde umkreist.

LEOs werden u.a. für die Telekommunikation (Mobiltelefondienste, Satellitentelefone), militärisch für die Funkaufklärung und die Detailaufklärung genutzt. Wegen der Erdnähe benötigen solche Satelliten nur mäßig starke Transmitter für die Datenübertragung. Andererseits werden 48, 66, 77, 80 oder sogar 288 Satelliten benötigt, um eine kontinuierliche und globale Abdeckung zu gewährleisten.

Eine Lösung bieten Satellitenkonstellationen, also Gruppen von Satelliten, die gemeinsam arbeiten. Zwei solche Konstellationen, die Satellitentelefondienste vor allem für abgelegene Gebiete bereitstellen sollen, sind das Iridium- und das Globalstar-System. Das Iridium-System verfügt über 66 Satelliten.

Einzelne LEO-Satelliten sind demnach für Aufgaben wie die Telekommunikation weniger nützlich, weil sie sich so schnell über den Himmel bewegen und daher von Bodenstationen aus nur mit großem Aufwand verfolgt werden können. Aus diesem Grund werden hohe geostationäre Orbits in 35,785 km Höhe für Zwecke der Telekommunikation bevorzugt.

Auch Erdbeobachtungssatelliten und Wettersatelliten bewegen sich oft auf zirkularen LEOs, da sie von der geringeren Höhe aus einen größeren Detailreichtum (hohe geometrische Auflösung) aufnehmen können. Ebenso wurden alle modernen (post-Apollo) Missionen bemannter Raumfahrt, einschließlich aller Raumstationen in LEOs durchgeführt.

Low Earth Orbit Eine niedrige Erdumlaufbahn (LEO) ist eine Umlaufbahn, die relativ nahe an der Erdoberfläche liegt. Sie befindet sich normalerweise in einer Höhe von weniger als 1000 km, könnte aber bis zu 160 km über der Erde liegen - was im Vergleich zu anderen Bahnen niedrig ist, aber immer noch sehr weit über der Erdoberfläche liegt. Im Vergleich dazu fliegen die meisten Verkehrsflugzeuge nicht viel höher als etwa 14 km, so dass selbst die niedrigste LEO mehr als zehnmal so hoch ist. Im Gegensatz zu GEO-Satelliten, die immer entlang des Erdäquators kreisen müssen, müssen die LEO-Satelliten nicht immer einer bestimmten Bahn um die Erde in der gleichen Weise folgen - ihre Ebene kann geneigt sein. Das bedeutet, dass es mehr verfügbare Routen für Satelliten in LEO gibt, was einer der Gründe dafür ist, dass LEO eine sehr häufig genutzte Umlaufbahn ist. Quelle: ESA

Erdbeobachtungssatelliten auf einer erdnahen Kreisbahn nutzen einen Korridor von ca. 430 - 930 km Bahnhöhe und umkreisen die Erde mit einer Periode von 90 - 110 min und folglich mit einer Häufigkeit von 13 - 15 Umrundungen pro Tag. Die Beobachtung der Erdoberfläche erfolgt damit nicht kontinuierlich wie bei den geostationären Satelliten, sondern in täglichen Überflügen über das Beobachtungsgebiet. Die Anzahl der Überflüge und damit die tägliche Beobachtungsdauer sowie die Kontaktzeit mit einer Bodenstation sind begrenzt und hängen von der geographischen Lage ab. Die Kontaktzeit beträgt max. 15 min während eines direkten Überflugs. Die bevorzugte Ausrichtung der zirkularen Bahn erfolgt über die Pole, weil durch die Drehung der Erde unter der Ebene der Satellitenbahn eine Aufnahme der gesamten Erdoberfläche in zyklischen Abständen möglich gemacht wird. Wichtiger Sonderfall dieser Bahnausrichtung ist der sog. sonnensynchrone Orbit.

Durch geeignete Auswahl von Bahnhöhe und Inklination der Bahn (ca. 98°) wird erreicht, dass die Präzession der Bahn genau eine Umdrehung im Jahr beträgt. Dadurch bleibt die Orientierung der Bahn gegenüber der Sonne gleich, und es wird erreicht, dass ein Ort auf der Erdoberfläche täglich zur gleichen lokalen Ortszeit überflogen wird, wodurch der Beleuchtungswinkel der Sonne konstant bleibt. Es entstehen daher für mit optischen Sensoren ausgerüstete Satelliten täglich vergleichbare Beobachtungsbedingungen des Aufnahmeorts. Einige Radarsatelliten nutzen ebenfalls sie sonnensynchrone Bahn, indem sie an der Tag-Nacht-Grenze entlangfliegen und den Erdschatten nicht passieren. Auf diese Weise können sie ihre Solargeneratoren beständig der Sonnenbeleuchtung aussetzen und folglich den Ladezustand der Batterien günstig halten.

Die geforderte hohe räumliche Auflösung wird jedoch nur durch eine begrenzte Abtastbreite des Sensors (Schwadbreite), möglich. Typische Schwadbreiten sind 20 bis 185 km bei Landbeobachtungssystemen (SPOT, IRS, LANDSAT) und 10 bis 21 km bei Systemen mit der Fähigkeit zur Objekterkennung (IKONOS, Quickbird, WorldView-3). Durch die Aneinanderreihung nebeneinanderliegender Abtaststreifen ergibt sich eine vollständige Abbildung der Erdoberfläche innerhalb eines Beobachtungszyklus. Bahnmechanisch ist dazu eine nicht ganzzahlige tägliche Wiederholrate notwendig, welche zu einem kontinuierlichen Versatz aufeinanderfolgender Bodenspuren führt. Im Gegensatz dazu steht eine ganzzahlige Wiederholrate, die ein festes tägliches Wiederholmuster hervorruft. Die notwendige Zeitspanne bis zur vollständigen Abbildung der Erdoberfläche wird Wiederholzyklus genannt und beschreibt die Zeit, bis zur Wiederholung der Bodenspur. Im Gegensatz dazu liefert die Revisit Time eine Aussage über die notwenige Zeit, bis ein Ort auf der Erde wieder aufgenommen werden kann. Da diese Zeit bestimmt wird von der geographischen Breite des Aufnahmeorts und der Möglichkeit moderner Satellitensysteme bis 60° seitlich von der Nadirspur zu schwenken, ist die Revisit Time stets kleiner als der Wiederholzyklus.

Der LEO-Bereich leidet zunehmend an Überfüllung, zum nicht geringen Teil durch Weltraummüll (Metall von alten Raketen, geborstenen Satelliten, gefrorenes Abwasser usw.) bedingt. Dazu kommen natürlicherweise vorkommende Meteoriten. Das U.S. Strategic Command in der Nachfolge des U.S. Space Command hält dort über 8.500 anthropogene Objekte mit einer Größe von mehr als 10 cm unter Beobachtung. 84 % des Mülls bewegt sich in etwa 800 km Höhe um die Erde, also der etwa 2 1/2-fachen Höhe der Space Shuttle-Bahn. Auch wenn die Wahrscheinlichkeit einer Kollision zwischen einem Müllobjekt >10 cm und dem Shuttle als sehr gering eingeschätzt wird, bei den hohen Geschwindigkeiten kann auch ein kleiner Bolzen die Wirkung einer Handgranate auf ein Space Shuttle ausüben. Ein ganzer Wissenschaftszweig befasst sich mit Hochgeschwindigkeitseinschlägen, ihren Auswirkungen und mit geeigneten Schutzmaßnahmen.