Satelliten

Satelliten

 

Die Satelliten werden als NAVSTAR-Satelliten bezeichnet - der erste dieser Satelliten wurde 1978 mit einer Atlas-Trägerrakete in das Weltall/Atmosphäre gebracht. Mittlerweile gibt es fünf verschiedene Typen (Block I, Block II, Block IIA, Block IIR / Block IIF - ab 2006; Block III bereits in Planung).
Ein Satellit (lat. satelles = "Leibwächter") ist ein kleinerer Begleiter eines größeren Objekts.
Start einer Atlas-Trägerrakete.
Für den Transport der ersten
Block-I-Satellitengeneration
 

Block I Satelliten

In der Zeit von 1978 und 1985 wurden von Kalifornien aus elf Block-I-Satelliten ins Weltall gestartet, von denen heute kein einziger mehr in Betrieb ist. Die Betriebsdauer der Satelliten ist abhängig von der Lebensdauer diverser elektronischer Bauteile, den Akkumulatoren und der mitgeführten Treibstoffmenge zur Bahnkorrektur.
Hersteller der Block II und Block-II-A Satelliten ist die amerikanische Firma Rockwell.
Block-I-Satellit

Jeder dieser Satelliten hatte eine Masse von ca. 850 kg. Diese Satelliten waren für eine mittlere Lebensdauer von viereinhalb Jahren konzipiert, überdauerten diese Zeitdauer jedoch um mehrere Jahre. Einer dieser Block-I-Satelliten war sogar 13 Jahre in Betrieb.
Als Energieversorgung dienten Solarpanels (Spannweiter ca. 5 - 6 m) mit einer Leistung von 400 Watt, die im Erdschatten durch Akkumulatoren (Nickel Cadmium) sichergestellt wurde.
Die Triebwerke zur Bahnkorrektur wurden mit Hydrazin (chem. Formel: N2H4 oder H2N-NH2 - Hydrazin ist gut lagerungsfähig) Diese Arcjet-Triebwerk verfügen über eine Leistung von ca. 1,5 kw. Die Treibstoffmenge betrug rund 150kg., was rechnerisch alle drei Tage für ca. 1 h Betrieb eine mittlere Brennstoffdauer von 7,5 Jahren ergab.

 

Block II Satelliten

Diese Satelliten wurden ab 1989 von Florida - Cape Canaveral, aus gestartet. Die GPS Satelliten der Serie II und IIa, die derzeit ihren Dienst versehen sind 1,5 und 2 Tonnen schwer, bestehen aus 65000 Einzelteilen, versorgen sich mittels Sonnensegel von 700 Watt selbst mit Energie und haben eine geplante Lebensdauer von 71/2 Jahren. Insgesamt wurden neun Block II und 18 Block-IIA-Satelliten bis September 1995 gestartet. 1990 wurde der erste Block-IIA-Satellit (A="advanced") in seine Umlaufbahn gebracht. Die Struktur besteht aus der Honigbiene abgeschauten sechseckigen Zellen, welche aus einer speziellen Aluminiumlegierung gefertigt werden. Zur thermischen Isolation wird eine 13-lagige Plastikfolie aus Mylar und Kapton, sowie eine elektrische Heizung und Jalousien verwendet.  Die Flugbahn Korrektur wird mittels rotierender Scheiben, nach dem Prinzip der Massenträgheit erreicht. Die Scheiben werden durch Elektromagnete gebremst. Nur zur Änderung von Slotpositionen werden die kleinen Feststoffraketenmotore der GPS-Satelliten benützt. Die Block-II und Block-IIA Satelliten besitzen je zwei Rubidium und zwei Cäsium Atomuhren. Die Atomuhren (Stückpreis rd. 100.000 US-Dollar) sind der häufigste Grund für den Ausfall eines Satelliten und daher vierfach vorhanden. Jedoch ist immer nur eine der Uhren aktiv. Die Rubidium Atomuhren an Bord der Satelliten verlieren oder gewinnen eine Sekunde in 30.000 Jahren. Den Cäsium Uhren wird nachgesagt sie seien ein wenig genauer, trotzdem werden die Abweichungen täglich korrigiert. In der nächsten Satellitengeneration werden Wasserstoff-Maser Uhren mit einer Genauigkeit von einer Sekunde in sieben Millionen Jahren ihren Dienst versehen.
Block-IIA-Satellit
Die Stromversorgung und der Antrieb blieben gleich - wie bei den Block-I-Satelliten. Die Sonnenkollektoren leisten jetzt allerdings 750 Watt. Von der nächsten Generation (Block-IIR-Satelliten - R="replenishment"=Auffrischung), hergestellt durch die Fa. Lockheed Martin, sollten jeweils drei Stück mit dem Space-Shuttle in ihre Umlaufbahnen gebracht werden. Nach der Challenger Katastrophe (1986) wurde dann aber beschlossen je zwei Satelliten mit einer herkömmlichen Trägerrakete ins All zu bringen. Die ursprünglich eingesetzten Trägerraketen Atlas-F reichten nicht aus um die schwereren Block-II Satelliten ins Weltall zu bringen. Deswegen war geplant die Satelliten im Frachtraum eines Space-Shuttle in den Weltraum reisen zu lassen. Nach dem Challenger Desaster wurden schließlich verbesserte McDonnell Douglas Delta IIs als Trägerraketen eingesetzt.  
Unglücklicherweise wurde die erste Trägerrakete mit zwei Block-IIR-Satelliten an Bord, die am 17. Januar 1997 von Cape Canaveral ins All transportiert werden sollten, 21 Sekunden nach dem Start wegen eines Booster Fehlers vernichtet. Dies ist nach dem Fehlstart vom 18.12.1981 erst der zweite GPS Satellit der wegen eines Raketenversagens verloren ging. Der letzte Start  (jeder Start kostet ca. 50 Mio. US-Dollar, der Satellit als solches nochmals rd. 90 Mio. US-Dollar) eines GPS-IIR-Satelliten wurde am 21.12.2003 mit einer Delta-Trägerrakete von Cape Canaveral aus durchgeführt.
Die Abstrahlleistung der GPS-Satelliten beträgt maximal 50 Watt (Astra-Fernseh-Satellit ca. 100 W).
Block-IIR-Satellit
 

Seit es das GPS-System gibt, wurden die Satelliten kontinuierlich verbessert und weiterentwickelt. Im Moment sind die Satellitengenerationen II, IIA, IIR und IIM (M = "modernisation", ab 2003) im Umlauf - bzw. in Funktion. 
Block-IIM-Satellit

Der Block IIR besitzt sogar die Fähigkeit durch Laufzeitmessungen zu anderen Satelliten seine Bahndaten selbständig zu kontrollieren und kann somit bis zu 180 Tage ohne Kontakt zur Kontrollstation auskommen.

Die neuste Generation von GPS-Satelliten ist die Block-IIF-Generation, deren  Start für 2006 geplant ist. Weiterhin ist auch die nächste Entwicklungsstufe, die Block-III-Satelliten bereits in Vorplanung. Diese beiden Satellitengenerationen werden von der Fa. Boeing geplant und hergestellt.
Block-IIF-Satellit
  Die Satelliten bewegen sich gruppenweise auf Bahnen, deren Ebenen eine Neigung von 55 Grad gegenüber der Äquatorebene haben. Die Entfernung von der Erde, sowie die Lage der einzelnen Satellitenbahnen wurde sorgfältig gewählt, damit die bestmögliche Signalabdeckung an jedem Punkt der Erde mit der geringsten Anzahl von Satelliten erreicht wurde. Auf jeder der sechs Bahnebenen befinden sich vier bzw. fünf Satelliten, so dass an jedem Punkt der Erde theoretisch mindestens vier bis fünf Satelliten "sichtbar" sind. Im Moment befinden sich, bedingt durch den frequentierten Austausch (jährlich werden ca. drei Satelliten ersetzt) älterer/neuer Satelliten, 28 Satelliten im Orbit. Die ausgedienten Satelliten werden kontrolliert zum "Absturz" gebracht, bzw. verglühen fast vollständig beim Wiedereintritt in die Erdatmosphäre, oder sie werden mit einem Rest an Treibstoff in höhere Umlaufbahnen befördert, wo sie keinen Schaden anrichten können.

 

Die mittlere Geschwindigkeit der Satelliten beträgt ca. 14000 km/h (ca. 3,9 km/s). Somit benötigen sie für eine Erdumkreisung 12 Stunden (exakt 11h 57 min. 59,3 sek. = 1/2 Sternentag). Ein Sterntag ist die Zeit, welche die Erde für eine Umdrehung von genau 360 Grad gegenüber dem Fixsternhimmel benötigt. Damit nehmen die GPS-Satelliten nach einem Sternentag (also rd. 24 Stunden), bzw. zwei Erdumrundungen wieder die gleiche Position relativ zum Erdkörper ein. Da ein Sonnentag aber aufgrund der Erdrotation um die Sonne ca. 4 Min. länger ist als ein Sternentag, erscheinen die GPS-Satelliten einem stationären Beobachter auf der Erde jeden Tag ca. 4 Min. früher. 
D.h. dadurch, dass sich die Erde aber auch dreht (unter dem Satelliten), überfliegt ein bestimmter Satellit nur einmal in 24 Std. einen Punkt auf der Erde.

Bodenstationen/Kontrollsegment

Bodenstationen / Kontrollsegment
Insgesamt sind fünf Kontrollstationen und drei Verbindungsstationen damit beschäftigt, die Satelliten funktionsfähig zu halten.

Die Lage der Kontrollstationen ist so gewählt, dass jeder Satellit mindestens einmal am Tag "Sichtkontakt" zu vier von ihnen hat. Der Grund hierfür ist, dass man zur Kontrolle der Satelliten das Ortungsverfahren "umdreht". Dazu werden die empfangenen Daten an die Hauptstation gesendet. Sie kennt die genaue Lage der Kontrollstationen und kann aus den vier Laufzeitmessungen die genaue Position des Satelliten sowie die Uhrengenauigkeit prüfen.

Stimmt die gemessene Satellitenposition oder dessen Uhrzeit nicht mit den von ihm übermittelten Daten überein, so werden diese Daten korrigiert und über die Sendestationen an den Satelliten geschickt. Man beachte, dass sämtliche Bodenstationen sich auf US oder britischem Hoheitsgebiet befinden.