Satellitenkonstellation für das Verkehrsmonitoring in Hongkong: Eine Anleitung zur Missionsauslegung mit GMAT

Einleitung: Warum Satellitenkonstellationen für das Verkehrsmonitoring?

Stell dir vor, du könntest den morgendlichen und abendlichen Berufsverkehr in einer der dichtesten Metropolen der Welt aus dem All beobachten. Genau das ist die Aufgabe der AAE5208 Satellite Engineering Labübung: Entwurf einer Satellitenkonstellation zur Überwachung des Spitzenverkehrs in Hongkong. Mit GMAT (General Mission Analysis Tool) simulieren wir Orbits, berechnen Coverage und optimieren Kosten. Dieser Tutorial führt dich durch die wichtigsten Schritte – von der Wahl der Umlaufbahn bis zur Kostenanalyse. Egal ob du dich für Satellitenmissionen, Erdbeobachtung oder Raumfahrttechnik interessierst: Hier lernst du, wie man eine reale Mission plant.

1. Missionsanforderungen verstehen

Die Mission startet am 19. November 2025 und muss mindestens zwei Jahre lang täglich zwischen 07:00–09:00 und 18:00–20:00 Uhr (Hongkong-Zeit) das 50×50 km große Zielgebiet abdecken. Pro Zeitfenster sind mindestens zwei Überflüge nötig. Die räumliche Auflösung (GSD) muss ≤ 1,0 m betragen, um einzelne Fahrzeuge zu unterscheiden. Das erfordert eine geeignete Kamera und eine niedrige Umlaufbahn – aber Achtung: Unter 300 km wird der Luftwiderstand signifikant. Ein Kompromiss zwischen Auflösung, Coverage und Kosten ist gefragt.

2. Auswahl der Umlaufbahn und Konstellation

Für konsistente Beleuchtung bietet sich ein sonnensynchroner Orbit (SSO) an. Typische Höhen liegen zwischen 400 und 600 km. Mit einer Walker-Konstellation (z. B. 60°: 8/4/0) lässt sich die Coverage optimieren. Die Neigung sollte mindestens 60° betragen, um Hongkong (22,3°N) abzudecken. Die RAAN-Verteilung (Right Ascension of Ascending Node) wird gleichmäßig gewählt, um die Überflüge über den Tag zu verteilen. In GMAT definierst du die Satelliten mit GMAT Spacecraft-Objekten und propagierst sie mit einem Propagator (z. B. J2Perturbation).

3. Kamerawahl und räumliche Auflösung

Ein reales Beispiel: Die Pleiades Neo-Satelliten erreichen eine GSD von 0,3 m bei 620 km Höhe. Für unsere Aufgabe nehmen wir eine Kamera mit 1 m GSD bei 500 km Höhe an. Das Sichtfeld (FoV) ergibt sich aus GSD = (Pixelgröße * Höhe) / Brennweite. Typische Pixelgrößen liegen bei 5–10 µm. Mit einem FoV von 2° ergibt sich eine Schwadbreite von etwa 17 km – genug, um das 50×50 km-Gebiet in mehreren Streifen abzudecken. Die Kamera darf bis zu ±10° quer zur Flugrichtung schwenken (off-nadir). Das erhöht die Besuchsrate.

4. Start und Bahnmanöver

Der Start erfolgt mit der Changzheng-12 (CZ-12) vom Raumfahrtzentrum Wenchang (19,6°N, 110,95°O). Die Nutzlastkapazität beträgt 10.000 kg auf 300 km, 6.000 kg auf 700 km – dazwischen linear interpolieren. Jeder Satellit hat eine Trockenmasse von 500 kg; die Startmasse liegt zwischen 1.000 kg (500 kg Treibstoff) und 4.000 kg (3.500 kg Treibstoff). Mit einem spezifischen Impuls von 320 s ergibt sich ein Delta-V von 2.168 m/s bis 6.511 m/s. Für den Transfer vom Parkorbit (z. B. 200 km) zum Zielorbit (z. B. 500 km) sind Hohmann-Transfers und Inklinationsänderungen nötig. In GMAT modellierst du dies mit ImpulsiveBurn und Maneuver-Objekten.

5. Kostenoptimierung

Die Kosten setzen sich zusammen aus: C_total = m_total * 80.000 HKD/kg + n_sats * (50 + 2 * m_total in Tonnen) Mio. HKD. Ziel ist es, die Anzahl der Satelliten und die Masse pro Satellit zu minimieren. Ein Trade-off: Weniger Satelliten bedeuten weniger Coverage, aber niedrigere Kosten. Mit 6–8 Satelliten in 500 km Höhe und 60° Inklination lässt sich die Anforderung erfüllen. Die GMAT-Simulation zeigt die Coverage über Hongkong während der Spitzenstunden. Passe die Anzahl der Satelliten und die RAAN an, bis mindestens zwei Überflüge pro Fenster erreicht sind.

6. Praktische GMAT-Implementierung

Erstelle ein GMAT-Skript mit folgenden Schritten:

1. Satelliten definieren: GMAT sat1 = Spacecraft; mit Masse, Treibstoff, Epoche (19.11.2025 00:00:00 UTC+8).
2. Orbitparameter setzen: SMA, Exzentrizität, Inklination, RAAN, Argument des Perigäums, wahre Anomalie. Für SSO: Inklination ≈ 97,5° bei 500 km.
3. Propagator wählen: GMAT prop = Propagator; mit J2 und Drag (unter 300 km).
4. Manöver modellieren: GMAT burn = ImpulsiveBurn; mit Delta-V und Richtung.
5. Coverage berechnen: Definiere ein GroundTarget in Hongkong (22,3°N, 114,2°O) und ein CoverageGrid. Miss die Anzahl der Überflüge pro Tag.
6. Optimierung: Variiere die Anzahl der Satelliten und die Höhe, bis die Anforderungen erfüllt sind.

7. Häufige Fehler vermeiden

• Luftwiderstand ignorieren: Unter 300 km führt Drag zu schnellem Bahnverfall. Wähle eine Höhe über 400 km oder kompensiere mit Treibstoff.
• Falsche Zeitumrechnung: Hongkong hat UTC+8. Stelle sicher, dass die GMAT-Epoche und die Berichtszeiten korrekt sind.
• Zu wenige Satelliten: Mit nur 4 Satelliten sind zwei Überflüge pro 2-Stunden-Fenster schwer zu erreichen. Teste 6–8.

8. Fazit und nächste Schritte

Mit diesem Tutorial hast du die Grundlagen, um eine Satellitenkonstellation für das Verkehrsmonitoring in Hongkong zu entwerfen. Nutze GMAT für die Simulation, dokumentiere deine Entscheidungen im technischen Bericht und optimiere die Kosten. Die Satellitenkonstellationsplanung ist ein Schlüsselthema in der modernen Raumfahrttechnik – ob für Internetkonstellationen wie Starlink oder für Erdbeobachtung. Viel Erfolg bei deiner Labübung!