Grundlagen zum visuellen Satellitenbeobachten

Alles rund um das Thema visuelle Verfolgung von Raumflugkörpern.

Moderator: Goofy78

Grundlagen zum visuellen Satellitenbeobachten

Beitragvon Lutz » Mi 23. Sep 2009, 19:48

Grundlagen für visuelles Beobachten

1. Einleitung

Seit dem Start von Sputnik 1 im Jahre 1957 bis zum Ende des Jahres 1997 gab es etwa 3800 erfolgreiche Raketenstarts. Jede Rakete brachte aber nicht nur eine oder mehrer Nutzlasten in eine Erdumlaufbahn, sondern auch jede Menge nutzlosen 'Müll'.

Dieser Müll besteht aus Raketenoberstufen, die die Nutzlast aussetzten, Schutzhüllen der Nutzlast (fairing) oder auch Manövriermotoren (apogee kick motor). Einige der Satelliten und Raketenkörper sind explodiert und 'verschmutzen' die nahe Erdumgebung mit kleinsten Trümmerteilen.

Die Umlaufbahnen dieser Objekte werden mit Radar- und Laseranlagen der NORAD (North American Aerospace Defence Command) vermessen und katalogisiert. Jedes Objekt wird numeriert. Von den bis Ende 1997 erfaßten Objekten sind immerhin noch etwa 8000 in einer Erdumlaufbahn. Die anderen sind etweder in der Erdatmosphäre verglüht, auf der Erde oder einem anderen Himmelskörper gelandet oder verloren sich in den unendlichen Weiten des Universums. Daneben gibt es noch ein unzählige Anzahl von Trümmerteilen, die zu klein sind, um vom Radar erfasst zu werden.

Eine große Anzahl von Satelliten und Raketenoberstufen können mit dem blossem Auge oder auch mit einem kleinem Fernglas beobachtet werden.

Um es gleich vorweg zu nehmen. Details oder Strukturen sind im Fernglas nicht zu sehen. Man sieht einen Lichtpunkt wie der eines Sternes, der jedoch dahinzieht und dabei verschiedene Lichtvariationen zeigen kann.

Satelliten sind natürlich nicht selbstleuchtend, sondern zu sehen, weil sie Sonnenlicht reflektieren. Folgende Grundvorraussetzungen müssen deshalb gegeben sein, damit man einen Satelliten beobachten kann:


1. Ein wolkenfreier Himmel
2. Ausreichende Dunkelheit am Beobachtungsort (Kontrast Satellit/Himmel)
3. Der Satellit muß eine genügende Höhe über dem Horizont (Elevation) er- reichen
4. Der Satellit muß von der Sonne beschienen werden, sich also außerhalb des Erdschattens befinden
5. Das Beobachtungsobjekt muß ensprechend seiner Entfernung genügend groß sein und entsprechendes Reflektionsvermögen besitzen
6. Der Satellit muß eine genügend große Winkelgeschwindigkeit haben

Ein Satellit ist also nur sichtbar, wenn er Sonnenlicht reflektiert. Ein entscheidende Kriterium dafür ist, daß der er sich außerhalb des Erd- schattens befindet. Nur wenige Satelliten sind so hell, daß man sie auch bei Zwielicht sehen kann. Die Sonne sollte in der Regel deshalb schon 10 Grad unter dem Horizont stehen. Auch helles Mondlicht stört die Beobachtung. Erfahrungen zeigen, daß die Satelliten bei Vollmond 3 bis 5 Größenklassen Helligkeitsverlust hinnehmen müssen. Daraus ergibt sich auch, daß die reine Helligkeitsvorausbestimmung nicht absolut ausschlaggebend ist, ob ein Satellit sichtbar ist.
Lutz
 

Teil 2

Beitragvon Lutz » Mi 23. Sep 2009, 19:53

Ein Satellit - mag 7 hell - ist bei dunklem und klarem Himmel einfach im Feldstecher zu erkennen. Scheint der Mond hell oder ist die Atmosphäre durch Wasserdampf recht milchig ist der gleiche Satellit selbst mit Fernglas ein schwierig zu beobachtendes Objekt.


Apopos Helligkeit. Die Helligkeit der Sterne und natürlich auch der Satelliten wird in Magnitudo, kurz 'mag' angeben. mag 1 ist heller als mag 2, und zwar von einer mag Stufe zur nächsten jeweils etwa 2.5 mal. Sterne heller als mag 0 werden mit mag -1 oder mag -2 bezeichnet.

Fünf Größenklassen Unterschied ergeben somit einen Helligkeitsunterschied von etwa 100fach. Ein Satellit mag 3 ist also etwa 100 mal dunkler als ein mag -2 heller Satellit.

Magnitudo 6 5 4 3 2 1 0 -1 ==> heller
Faktor 1 2.5 6.3 16 40 100 250 630 ==> mal heller

Mit dem blossem Auge sehen wir etwa bis mag 5 helle Satelliten. Mit einem kleinen Fernglas sind mag 8 bis 9 zu erreichen. Der Planet Jupiter wird z.B. etwa mag -2.5 hell.

Ein Satellit in Kugelform mit 5 Meter Durchmesser oder ein Zylinder (Raketenoberstufe) 10 x 2 Meter haben in 1000 Kilometer Entfenrung eine Helligkeit von etwa mag 4. Eine Änderung der Entfernung oder Größe des Satelliten um den Faktor 2 verändert die Helligkeit um etwa mag 1.5. In 500 Kilometer Entfernung wären die genannten Satelliten etwa mag 2.5 hell.

Damit ein Satellit beim Hinsehen auffällt, ist es erforderlich, daß er eine merkbare Winkel- geschwindigkeit besitzt. Die Winkelgeschwindigkeit (oder scheinbare Geschwindigkeit), mit der sich ein Objekt am Himmel entlang bewegt, hängt von seiner Bahnhöhe und dem jeweils erreichten Erhebungswinkel ueber dem Horizont (Elevation) ab. Im Augenblick des Auf- oder Untergangs eines Satelliten am Horizont ist die Winkelgeschwindigkeit am kleinsten. Erst wenn der Satellit einen Elevationswinkel von rund 30 Grad ueber dem Horizont erreicht hat, nimmt seine Winkelgeschwindigkeit sichtbar zu.

Weil sich der Satellit ausserhalb des Erdschattens im Sonnenlicht befinden muss, ist die günstigste Beobachtungszeit innerhalb der ersten zwei Stunden nach Sonnenuntergang bzw. den letzten zwei Stunden vor der Morgendämmerung.

Ein Satellit unterliegt bei seinem Überflug auch Beleuchtungsphasen, wie wir sie vom Mond her kennen. Nach Sonnenuntergang sieht der Satellit für den Beobachter wie Vollmond aus wenn sich der Satellit im Osten befindet und wie Neumond, wenn er sich im Westen befindet. Im Extremfall wäre er im Westen nicht zu sehen, weil die Rückseite des Satelliten, die uns abgewandt ist, beleuchtet wird. Die Beleuchtungsphasen und damit auch die Helligkeit eines Satelliten ändern sich also beim Überflug.

Da sich auch die Entfernung Satellit - Beobachter ständig ändert, ist die Beleuchtungsphase und die Entfernung ein entscheidener Faktor der Helligkeit und damit der Sichtbarkeit eines Satelliten. Mehrere Duzend Satelliten sind mit dem 'nacktem' Auge zu sehen.
Lutz
 

Teil 3

Beitragvon Lutz » Mi 23. Sep 2009, 19:57

Die russische Raumstation MIR erreicht Helligkeitswerte von mag -2. Das US Space Shuttle Helligkeiten bis mag -4. Mit einem üblichen Fernglas (etwa 7 x 50) können ein paar hundert Satelliten beobachtet werden. Hauptsächlich ausgebrannte Raketenoberstufen, aktive und 'ausgediente' Nutzlasten.

2. Wozu/warum Beobachten ?

Es ist schon ein kleines Erfolgserlebnis, wenn man einen bestimmten Satelliten an bestimmter Stelle am Himmel erwartet und ihn dann tatsächlich beobachtet. Dann fragt man sich natürlich auch, was man mit diesen Beobachtungen anfangen kann, bzw. was sie einem bringen. Als erstes ist es natürlich der Spaß an der Sache. So betrachte ich das Satellitenboachten in erster Linie. Besonders beeindruckend ist es für mich, wenn ich nach der Beobachtung in entsprechender Literatur etwas zu dem Satelliten nachlesen kann.

Zwei Arten der Satellitenbeobachtung können aber unter wissenschaftlichen Aspekt gesehen werden.

a) Positionsmessungen von Satelliten

Dazu hält man die Position eines Satelliten in Beziehung zu einem bekannten Stern zu einem bestimmten Zeitpunkt fest. Man stoppt also die Zeit, wann der Satellit einen bekannten Stern 'berührt'. So einfach wie sich das anhört ist es aber dennoch nicht, denn weniger als 0.2 Sekunden Zeitfehler und 0.05 Grad Positionsfehler sollte man einhalten. Das ist nur mit Übung zu erreichen.

Abweichungen von den Bahndaten, die aus offiziell herausgegeben Bahnelementen resultieren können Aufschlüsse über die Einwirkung von

- Dichte der einzelnen Atmosphärenschichten
Sie ist in den einzelnen Höhenschichten sehr variabel und vor allem Abhänging von der Sonnenaktivität. Besonders 'abstürzende' Satelliten sind hier interessant.

- Drehung der einzelenen Atmosphärenschichten. Auch diese ist höhenunterschiedlich.

- Sonnenwind (besonders bei kleinen und leichten Satelliten) Die Fragmente des Ballonsatelliten PAGEOS eigneten sich hier besonders gut.

- Gravitationskraft der Erde. Sie wirkt sehr stark auf Satellitenbahnen ein. Da die Erde ja 'birnenförmig' ist, zudem noch an den Polen abgeplattet ist diese Kraft auch stark abhänging vom Längen und Beitengrad über dem sich der Satellit gerade befindet

auf die Satellitenbahn geben.

Hier kann jedoch der Einzelnen wenig tun. Hunderte, ja tausende Positionen eines einzelnen Satelliten wären erforderlich, einen der obigen Aspekte herauszuarbeiten. Die Erkennisse zu den o.a. Punkten sind in den 60er und 70er Jahren hauptsächlich durch Satellitenbeobachtungen gewonnen worden.

Viele Satellitenbeobachter weltweit lieferten ihre Beobachtungsdaten entsprechenden Instituten zur Auswertung. In den letzten Jahren hat die Positionsmessung aber eine besondere Bedeutung bekommen:

Lutz
 

Teil 4

Beitragvon Lutz » Mi 23. Sep 2009, 20:01

Das Ermitteln von Bahndaten der amerikanischen Spionagesatelliten. Die NASA gibt praktisch alle Satellitendaten mit Ausnahme der geheimen Satelliten mit militärischen Aufgaben bekannt. Mit Hilfe von Positionmessungen und entsprechender Hilfsprogramme ist es möglich, selber Keplerelemente für solche Satelliten zu erstellen oder zumindest ältere Elemenete zu aktualisieren. Hilfmittel zur Positionsmessung sind

- Fernglas
- Stoppuhr
- Sternenkarte (z.B. Sky Atlas 2000)

b) Messungen der Lichtwechselperiode (flash period)

Viele Satelliten haben keine konstante Helligkeit. Sie leuchten in einem bestimmten Rythmus auf. Dieses Aufleuchten ist in der Eigendrehung des Satelliten um dessen Rotationsachse begründet. Die metallische Oberfläche des Satelliten wirkt wie ein Spiegel für das Sonnenlicht. Diffuse und/oder ungregelmässige Oberflächen, oder auch unkontrolliert taumelde Raktenoberstufen bewirken diese Lichtwechel. Die kleine runde Endfläche einer zylindrischen Raketenstufe reflektiert natürlich weniger Sonnenlicht als die große rechteckige Breitseite. Die Drehung eines Satelliten um eine Achse kann vielfältige Ursachen haben. Es kann der Fluglagenstabilisierung dienen oder aber ein Satellit ist ausser Kontrolle geraten. Besonders glatte, abstehende Teile, wie Antennen oder Solar- zellenpanele können extrem helle Lichtblitze hervorrufen. Raketenoberstufen können beim Absprengen der Nutzlast einen Anschub erhalten und dadurch über eine oder mehrer Achsen taumeln. Oft sind es auch austretende Treibstoffreste, die den nötigen Schub für eine Drehung geben. 'Flasher' gehören somit zu den eindrucksvollen Satelliten, die es zu beobachten gibt. Häufig wechselt die 'flash period' im Laufe der vielen Satellitenumläufe.

Als 'flash period' bezeichnet man den Zeitintervall zwischen zwei Helligkeitsmaxima. Mißt man die 'flash period' einer Raketenoberstufe, kan man annähernd die Umdrehung um die eigene Achse ermitteln. Direkt nach dem Start haben die meisten Raketenobertsufe eine 'flash period' von wenigen Sekunden. Dann verlangsamt sich die 'flash period' meistens im Laufe der Zeit. Irgedwann zeigt die Raktenoberstufe dann keine Lichtwechsel mehr und wird 'steady'. Das alles kann sich im Laufe der Zeit ändern und das macht es so interessant zu beobachten. Raketenoberstufen sind hohle Metallzylinder, die u.a. vom Erdmagnetfeld beeinflusst werden. Auch die dichtere untere Atmosphäre wirkt auf die Satelliten in niedrigen Umlaufbahnen ein.
Lutz
 

Teil 5

Beitragvon Lutz » Mi 23. Sep 2009, 20:03

Stellt man bei einem Objekt eine Lichtwechselperiode fest, ist das messen scheinbar recht einfach. Man startet die Stopuhr bei einem Lichtmaxima oder -minima und zählt die Maxima (bzw. Minima) beginnend mit Null. Also Null - Eins - Zwei ..... Wenn man mit Eins beginnt, zählt man die Lichmaxima, nicht die Lichtwechselperioden. Nach einer Zeit wird die Stoppuhr gestoppt. Die Zeit dividiert durch die Anzahl der Lichwechsel ergibt die Lichtwechselperiode. Über einen Zeitraum 214.5 Sekunden wurden 50 Lichmaxima gezählt. Das ergibt 214.5/50 = 4.29 Sekunden Lichwechselperiode.

3. Vorbereitung zum Satellitenbeobachten

Wer Positionmessungungen und/oder flash Perioden messen will braucht

a) ein kleines Fernglas (etwa 7 x 50)
b) eine Stoppuhr mit der Möglichkeit viele Zwischenzeiten zu messen
c) einen Sternenatlas
d) eine Voraussage, wo und wann welcher Satellit fliegt

Wer nur aus Spass an der Freude Satelliten beobachten will, braucht nur ein Vorraussageprogramm. Ein Fernglas ist zu empfehlen, jedoch nicht erforderlich. Wer auch lichtschwache Satelliten beobachten will, sollte mit 11 x 80 Ferngläsern oder ähnlichen großen Geräten hantieren. Dem Anfänger sei aber hiervon zunächst abgeraten. Das kleine Sehfeld und die Schwere des Gerätes lassen einem manchen Satelitten verpassen und schnell die Freude verlieren.


4. Vorraussageprogramme

Viele Satellitenprogramme sind eher ungeeignet , da es auf die Hörbarkeit und nicht auf die Sichtbarkeit von Satelliten ausgelegt sind.

Grundsätzlich gib es zwei Arten von Vorhersageprogrammen. Eine Vorhersage in Textform oder als grafische Angabe . In der Textform erhalte ich Koordinaten in verschiedensten Formaten wo und wann sich ein Satellit am Himmel befindet. Diese Form ist eher für den geübten Beobachter zu empfehlen. Viel schöner und für den Anfänger einfacher ist sich die Satellitenflugspur vor dem Sternenhimmel grafisch anzeigen zu lassen.

Das Programm, das alles das kann, was sich ein individuelle Beobachter wünscht, gibt es noch nicht. Dennoch sind einige nah dran. Einige sind aber auch schon 'überladen' und werden dadurch unübersichlich.

Quicksat von Mike McCants ist für Textausgabefans genau das Richtige.

Ich kann den Interessierten eigentlich nur ASTROSAT von Rainer Kracht empfehlen, da dieses Programm neben Ausgabetabellen auch eine grafische Ausgabe hat. Ein wenig Kenntnis des Sternenhimmels vorausgesetzt läßt dieses Programm jeden Satelliten sicher am Himmel finden, sofern die Voraussetzungen einer Sichtbarkeit gegeben sind. Ein weiterer Vorteil ist es, daß das Programm in deutscher Sprache erschienen ist. ASTROSAT ist einfach zu bedienen und erfüllt alle Ansprüche, die sich ein visueller Satelliten- beobachter wünscht. Nebenbei ist es auch ein einfaches Astronomieprogramm. Es werden etwa soviel Sterne dargestellt, wie man an einem klaren Nachthimmel mit dem blossem Auge sehen kann. Dies erleichtert die Orientierung am Nachthimmel.
Lutz
 

Teil 6

Beitragvon Lutz » Mi 23. Sep 2009, 20:05

5. TIPPS

Um auch Erfolgserlebnisse zu haben, seien folgende Tipps geraten. Etwas Orientierung am Nachthimmel sollte man haben, wenn man Satelliten beobachten will. Bekannte Sternenbilder sollten am Himmel aufgefunden werden. Notfalls muß man sich mit einem Astronomiebuch oder Programm dieses Grundwissen aneignen. Nur so kann man die grafische Hilfe des Berechnungsprogrammes voll ausnutzen.

Natürlich sollte man mit dem Beobachten von helleren Satelliten beginnen. Wie erwähnt hängt die Helligkeit von einigen Faktoren ab. ASTROSAT selbst berechnet auch die erwartete Helligkeit und ist hierin eher defensiv.

Die Flughöhe über dem Horizont sollte 30 Grad überschreiten, damit der Satellit durch seine Eigenbewegung auch wahrgenommen wird. Als mindeste Hellig-keit empfehle ich mag 3 oder heller.

Ein Fehler der oft gemacht wird ist es zu viele Satelliten in zu kurzer Zeit beobachten zu wollen. Lieber wenige Satelliten und dafür sorgsam und mit Zeitabstand auswählen. Dann hat man auch die nötige Zeit, sich ggf. Notizen zu den Beobachtungen zu fertigen.

Wie eine Vorausberechnung und der anschließende Versuch diesen Satelliten zu beobachten umgesetzt wird, hängt aber von den häuslichen Gegebenheiten ab. Die menschlichen Augen haben die Gabe, sich für das Satellitenbeobachten innerhalb von 1-2 Minuten an die Dunkelheit zu adaptieren.

Ich berechne 'Online' am Computer, merke mir Ort und Zeit am Himmel, wo der Satellit zu erwarten ist und gehe 1-2 Minuten vor dem Überflug auf die Terrasse und warte auf den Satelliten.

In der Stadt mit heller Lichtglocke geht sowas natürlich nicht. Da muss man weit vor der Beobachtung die Satelliten berechnen lassen, die man beobachten möchte. Dann zeichnet man sich mit ein paar Strichen ein paar Sternenbildskizzen, in denen man die Flugspur und Uhrzeiten einträgt. Später am Abend kann man diese Skizzen an einem Beobachtungsort, vielleicht weit ab der Stadt, abarbeiten.

Quellen:

Belgian Working Group Satellites - Introduction To Artificial Satellite Observing
Desmond King-Hele - A Tapestry of Orbits
Desmond King-Hele - Observing Earth Satellites
Frank Weissferdt - Aufsatz 'Satellitenbeobachten'
Rainer Kracht - Autor ASTROSAT
Lutz
 

Re: Grundlagen zum visuellen Satellitenbeobachten

Beitragvon Maik » Mi 23. Sep 2009, 20:10

Hallo Lutz, vielen Dank für den Text !
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