In dieser Arbeit wurden die Auswirkungen der Veränderung bestimmter Orbitparameter auf den Aufbau von Intersatellitenverbindungen untersucht. Hierzu wurden schrittweise die benötigten Verfahren zur Berechnung von Satellitenkonstellationen dargestellt.
Als erstes erfolgte die Darstellung der wichtigsten Grundgleichungen zur Berechnung der Bedeckung eines Satelliten (Bahnhöhe des Satelliten, Elevationswinkel auf der Erdoberfläche, usw.). Mit Hilfe der Methode der Straße der Bedeckung (oder manchmal auch Streifenmethode genannt) und der Geometrie von Satellitentrios konnten zwei Verfahren zur Berechnung der Bedeckung mehrerer Satelliten eines Orbits bzw. mehrerer Orbits vorgestellt werden. Mit Hilfe dieser Methoden konnte die Anzahl der benötigten Satelliten eines Orbits bzw. die der gesamten Konstellation bestimmt werden. Weiterhin wurden verschiedene Störfaktoren auf die Umlaufbahn der Satelliten wie die Effekte durch eine nicht kugelförmige Erde, Dichte der Restatmosphäre, Gravitationseffekte durch andere Planeten und durch Sonnenstrahlung und Sonnenwind diskutiert und gezeigt wie diese Orbitstörungen bestimmt und kompensiert werden.
Zur Berechnung der wichtigsten Parameter zum Aufbau von Intersatellitenverbindungen erfolgte anschliessend die Herleitung der mathematischen Gleichungen für den Intersatellitenabstand, den Elevations- und Azimuthwinkel und der relativen Geschwindigkeit als Funktion der Orbitparameter und eine Diskussion der Gleichungen mit Berechnung der Nullstellen und Extremwerte.
Um die Untersuchung zum Einfluß der Veränderungen von Orbitparametern auf die Intersatellitenverbindungen durchführen zu können, wurden die beiden Verfahren zur Berechnung von Orbitkonstellationen, die polare und die inklinierte kreisförmige Orbitkonstellation, vorgestellt.
Die polare Orbitkonstellation ist dadurch gekennzeichnet, daß sie eine gleichmäßige globale Bedeckung der gesamten Erde gewährleistet, wobei jeder Satellit bzw. jede Umlaufbahn die gleiche (oder nahezu gleiche) Umlaufbahnhöhe besitzt, jeder Orbit die gleiche Anzahl an Satelliten hat und die Satelliten innerhalb eines Orbits gleichmäßig verteil sind. Dabei haben alle Satellitenorbits den gleichen (oder nahezu gleichen) Inklinationswinkel von 90°, so daß sich alle Umlaufbahnen über den Polen schneiden, was zu einer mehrfachen Bedeckung über den Polen bzw. oberhalb bestimmter Breitengrade sowie einer schlechten Bedeckung über dem Äquator führt. Aufgrund des genannten Inklinationswinkels fliegen die Satelliten auf der einen Seite der Erde in nördlicher Richtung und auf der anderen Seite der Erde in südlicher Richtung. Dadurch gibt es zwei Nahtstellen, an welchen sich die Satelliten in entgegengesetzter Richtung bewegen, weshalb der Abstand zwischen gegenlaufenden Orbits am Äquator kleiner ist als der Abstand der gleichlaufenden Orbits. Zur Herleitung der polaren kreisförmigen Orbitkonstellation wurde das Verfahren der Straße der Bedeckung angewendet. Aufgrund der Bedeckungseigenschaftten eignet sich die polare Orbitkonstellation besonders für Systeme, welche eine gleichmäße ein- und mehrfache Bedeckung der gesamten Erde benötigen.
Durch die Erweiterung der polaren kreisförmigen Orbitkonstellation auf die fast polare kreisförmige Orbitkonstellation konnten auch Inklinationswinkel ungleich 90° verwendet werden. In einem weiteren Schriff wurde diese Orbitkonstellation nochmals ergänzt, so daß auch eine variable Phasenwinkeldifferenz zweier benachbarter Satelliten verwendet werden können. Zu beiden Erweiterungen erfolgte die Angabe der modifizierten Bedeckungsformeln und einige Beispielkonstellationen.
Bei der inklinierten kreisförmigen Orbitkonstellation hat ebenfalls jeder Satellit und jede Umlaufbahn die gleiche (oder nahezu gleiche) Umlaufbahnhöhe und jeder Orbit besitzt die gleiche Anzahl an Satelliten. Dabei sind die Satelliten innerhalb eines Orbits wieder gleichmäßig verteilt und alle Satellitenorbits haben den gleichen (oder nahezu gleichen) Inklinationswinkel im Bereich 45° ... 60°. Aufgrund dieser Inklinationswinkel nimmt die Bedeckung in Richting des Äquators zu und es ergibt sich mehrfache Bedeckung über dem Äquator bzw. zwischen bestimmten Breitengraden nahe des Äquators und fehlende oder schlechte Bedeckung über den Polen. Zur Herleitung der inklinierten kreisförmigen Orbitkonstellation wurde das Verfahren der Straß der Bedeckung oder das Verfahren der Geometrie von Satellitentrios angewendet. Beide Verfahren wurden so ergänzt, daß ebenfalls variable Inklinationswinkel verwendet werden konnten. Die inklinierte kreisförmige Orbitkonstellation eignet sich besonders für Systeme, welche keine vollständige Bedeckung der Erde benötigen aber mehrfache Bedeckung bestimmter Breitengrade gewährleisten sollen.
Im Vergleich zur polaren Orbitkonstellation muß um die globale Bedeckung der gesamten Erde zu gewährleisten, eine größere Höhe als bei der polaren kreisförmigen Orbitkonstellation gewählt werden.
Mit Hilfe der angegebenen Verfahren zur Berechnung der Orbitkonstellationen und durch Anwendung der Formeln zur Berechnung der Parameter für den Aufbau von Intersatellitenverbindungen wurden anschließend polare und inklinierte kreisförmige Orbitkonstellation berechnet und die Auswirkungen auf Veränderungen des Inklinations- und Phasenwinkels untersucht. Es zeigte sich hierbei, daß für bestimmte Konstellationen optimale Inklinations- und Phasenwinkel bestimmt werden konnten, in anderen Fällen aber keine genauen Aussagen gemacht werden konnten. Für einen Satellitenbetreiber empfiehlt es sich deshalb, neben einer vollständigen Bedeckung auch die Variation der Intersatellitenverbindungen zu untersuchen. Hierbei sollte aber vorher festgelegt werden, ob Bedeckung bis zu einem bestimmten Breitengrad oder der ganzen Erde gewünscht wird. Anschließend können mit Hilfe der vorgestellten Formeln diese Intersatellitenverbindungen hinsichtlich der Variation der Distanz, des Elevations- und Azimuthwinkels und der relativen Geschwindigkeit untersucht und optimiert werden. Als Beispiel wurde die Iridium- Konstellation hinsichtlich des Aufbaus von Intersatellitenverbindungen, welche bis zum Breitengrad 60° verfügen sollen, hinsichtlich Variation der Distanz, des Elevationswinkels, des Azimuthwinkels und der relativen Geschwindigkeit optimiert. Es zeigte sich dabei, daß die Variation der Distanz, des Elevationswinkels und der relativen Geschwindigkeit verkleinert werden konnte, lediglich die Variation des Azimuthwinkels vergrößerte sich. Aufgrund des geänderten Inklinationswinkels konnte, im Vergleich zum realisierten Iridium- System, auch die Höhe leicht verkleinert werden.
Somit konnte nachgewiesen werden, daß die angegebenen Verfahren zu einer Optimierung der Parameter einer Intersatellitenverbindung führen.
