Tausende Satelliten umkreisen die Erde. Gpredict spürt sie auf und richtet auch Antennen nach ihnen aus.

Das Wort Satellit leitet sich aus dem lateinischen Wort für Begleiter ab. Satelliten umkreisen die Erde als künstliche Trabanten. Das Programm Gpredict kennt sie fast alle. LinuxUser beschrieb bereits 2011 [1] die Bedienung des Programms. Dieser Beitrag erläutert die Hintergründe: Welche Satelliten gibt es, wo fliegen sie, und was bedeuten die Grafiken und Tabellen, die Gpredict erzeugt?

Das Programm berechnet die Ausrichtung von Antennen und korrigiert für Satellitenradioempfänger den Dopplereffekt. Die richtige Hardware vorausgesetzt, übernimmt bei Bedarf auch ein Raspberry Pi die Steuerung.

Wo fliegt er denn?

Mithilfe einer Kanonenkugel veranschaulichte Isaac Newton, warum schnell fliegende Objekte die Erde umkreisen, ohne auf sie herunterzufallen. Übersteigt die Mündungsgeschwindigkeit der Kugel die sogenannte Fluchtgeschwindigkeit, fällt die Kugel weiterhin zur Erde, aber quasi erst hinter dem Horizont – sie umkreist damit den Planeten. Eine Rakete macht es genauso. Sie bewegt sich schnell genug, um im Orbit der Erdanziehung zu widerstehen.

Je näher ein Satellit der Erde kommt, desto schneller umkreist er sie. Bei einer Bahnhöhe von etwa 300 Kilometern (LEO, Low Earth Orbit) dauert ein Umlauf etwa 90 Minuten. Bei 35 800 Kilometern (geostationärer Orbit) steht der Satellit immer über demselben Punkt der Erde.

Je höher ein Satellit fliegt, desto größer fällt die Ausleuchtzone aus. Bei 500 Kilometern Höhe liegt ihr Durchmesser auf der Erde bei 5000 Kilometern, bei 30 000 Kilometern beträgt sie 18 000 Kilometer, also beinahe eine komplette Erdhälfte.

Es genügen bereits wenige Bahnparameter, um einen Orbit eindeutig zu beschreiben. Äußere Kräfte wie Atmosphärenreibung sowie Einflüsse durch Mond und Sonne verändern allerdings diese Bahnparameter.

Das Programm Marble versucht, Satellitenorbits dreidimensional darzustellen (Abbildung 1). Das gelingt (ansatzweise) bei niedrig fliegenden Satelliten. Die interaktive Karte von Celestrak [2] ordnet Satelliten richtig an und kann die Bahnen im Weltraum visualisieren. Ein Beispiel zeigt Abbildung 2. Die roten Punkte außerhalb der grünen Ellipse repräsentieren dabei tote Objekte, hauptsächlich ausgebrannte Raketenstufen.

Abbildung 1: Darstellung von Satelliten im Programm Marble.

Abbildung 2: Die Webseite Celestrak stellt alle um die Erde kreisenden Satelliten, aber auch Weltraumschrott (rot markiert) übersichtlich dar.

Gpredict einrichten

Die gängigen Distributionen halten Gpredict derzeit in der aktuellen Version 2.3 in ihren Repositories bereit. Raspian “Stretch” für den Raspberry Pi kennt allerdings nur die alte Version 1.3. Hier aktualisieren Sie das System am besten auf Raspian “Buster”, das in seinen Paketquellen die aktuelle Version vorhält.

Bahnanalysen

Wer den Anleitungen zu Gpredict folgt [1], gelangt schnell zu einer Ansicht wie der in Abbildung 3. Die Bodenstation befindet sich in diesem Szenario in Oberpfaffenhofen (OP) bei München.

Gpredict kennt von Haus aus zwar den Satellit COSMOS 1892, nicht aber die (ausgedienten) Artemis und TET-1. Die Daten lassen sich aber schnell ergänzen: Die sogenannten TLE-Bahnparameter genügen, um einen Satellitenorbit zu berechnen. Gpredict aktualisiert seine TLE-Daten über das Internet, fehlende Informationen lassen sich aber auch lokal einspielen.

Abbildung 3: Mit etwas Nacharbeit erscheinen auch bisher unbekannte Satelliten wie TET-1 und Artemis über Oberpfaffenhofen (OP). Die stereografische Projektion unten bezieht sich auf den Standort des Beobachters mit dem Zenit in der Kreismitte und dem Horizont am äußeren Kreisrand.

Die Seite N2yo [3] unterhält eine umfangreiche Datenbank der meisten bekannten Satelliten und ihrer TLE-Elemente. Für einen Import in Gpredict kopieren Sie die TLE-Bahnelemente in eine Textdatei: Eine Zeile dient zur Bezeichnung, jeweils zwei weitere für die Bahnelemente. Nach dem Import der Daten aus Listing 1 fliegen die Satelliten auch in Gpredict. Ihre Bahndaten leitet Gpredict dabei unmittelbar aus den eingespeisten TLE-Daten ab und bereitet sie grafisch auf.

# TLE von TET-1
TET-1
1 38710U 12039D   19335.81400768  .00002514  00000-0  46300-4 0  9998
2 38710  97.6196 346.9397 0002570 140.9647 219.1790 15.50232769413103
# TLE von Artemis
Artemis
1 26863U 01029A   19339.43814584 -.00000266 +00000-0 +00000-0 0  9994
2 26863 013.4699 024.6665 0006193 108.1266 063.9005 00.99294588020167

Der Nadir (Verlängerung der Lotrichtung nach unten) des Satelliten bewegt sich entlang der roten Linie, die die Karte für mehrere Stunden im Voraus anzeigt. In knapp 5 Stunden umfliegt der niedrig fliegende TET-1 die Erde drei Mal, während Artemis langsam über den Äquator driftet. Die Bodenstation in Oberpfaffenhofen sieht beide Satelliten, da sie in deren gelb schattierter Sichtbarkeitszone liegt. Wegen ihres großen Abstands zur Erde ist die Ausleuchtzone von Artemis deutlich größer als etwa die von TET-1. COSMOS 1892 hingegen liegt außerhalb des Empfangsbereichs.

In Abbildung 4 überträgt Gpredict die Daten in ein Zeitdiagramm: am 13.06.2020 um 7:38 Uhr geht TET-1 in Oberpfaffenhofen am Nordhorizont auf. Die höchste Elevation (Steigung am Horizont) von 30 Grad erreicht er um 7:44 Uhr in westlicher Richtung (Azimut etwa 300 Grad); um 7:47 Uhr geht er im Südwesten unter.

Abbildung 4: Auf- und Untergangszeiten von TET-1 in einem Zeitdiagramm.

Satellitenbeobachtung

Unter günstigen Bedingungen lassen sich manche Satelliten mit bloßem Auge erkennen, wie die sehr große Raumstation ISS. Sie fliegt relativ niedrig und umkreist die Erde mit einer Inklination (Neigung der Bahnebene gegenüber dem Äquator) von 51,6 Grad. Ein Umlauf dauert rund 90 Minuten.

Bis hinauf zur geografischen Breite beispielsweise von Dortmund lässt sich die Raumstation noch im Zenit beobachten, bei höheren Breiten nur noch über dem südlichen Horizont. Sofern die Sonne sie anstrahlt, leuchtet sie heller als jeder Stern am Himmel. Fliegt sie durch den Erdschatten, bleibt sie unsichtbar. Daraus ergeben sich die besten Beobachtungszeiten ungefähr eine Stunde nach Sonnenuntergang beziehungsweise vor Sonnenaufgang.

Die Restatmosphäre der Erde stört den Orbit der ISS in 400 Kilometern Höhe erheblich. Die TLE-Daten sollten deshalb aktuell sein, damit Gpredict die Überflüge im Voraus möglichst genau vorhersagt. Die Webseite Calsky [4] hält die aktuellen Bahndaten vor. Darüber hinaus informiert sie über die scheinbare Helligkeit der ISS.

Differiert die von Gpredict angezeigte Uhrzeit im Vergleich mit anderen Quellen um eine Stunde, dann rechnet Gpredict mit UTC. Die Einstellungen der Software sehen eine Anpassung an die lokale Zeit vor.

Antennensteuerung

Satelliten, die Fernsehsignale ins Haus bringen, umkreisen die Erde genauso schnell, wie sie sich dreht. Deshalb scheinen sie am Himmel stillzustehen (geostationäre Satelliten). Einmal ausgerichtet, schaut die Antenne ortsfest auf den Satelliten. Telefonsignale übertragen geostationäre Satelliten schon lange nicht mehr. Das übernehmen günstigere transkontinentale Glasfaserkabel, die sich zudem leichter warten lassen.

Für Internet-Verbindungen taugen geostationäre Satelliten ebenfalls nicht besonders: Wegen des großen Abstands zur Erde dauert jeder Handshake eine halbe Sekunde. Einen neuen Ansatz verfolgen Satellitenkonstellationen wie OneWeb oder Starlink. Gpredict kennt bereits die 61 Satelliten des Blocks 5 mit den Bezeichnungen Starlink-1007 bis Starlink-1068 (Abbildung 5), die SpaceX im November 2019 startete.

Abbildung 5: Starlink-Satelliten auf zwei Orbits. Zusätzlich umkreisen die niedrig fliegenden Testsatelliten des Blocks v0.9 seit Mai 2019 die Erde.

Die Propagatoren von Gpredict berücksichtigen den Einfluss der Atmosphäre auf die tieffliegenden Satelliten des Testblocks. In einer Simulation für das Jahr 2021 sind die meisten von ihnen bereits verglüht. Doch Abbildung 5 verrät noch viel mehr. Bei einer Orbithöhe von 500 Kilometern überfliegen die Satelliten eine Bodenstation innerhalb von 10 Minuten, ihre Ausleuchtzonen überlagern sich. Um ihre Funksignale zu trennen, gilt es, Empfangsantennen auf einzelne Satelliten auszurichten und mitzuführen.

In Zusammenarbeit mit der Bibliothek Hamlib berechnet Gpredict die dafür erforderlichen Antennensteuerungssignale. Die Software sieht in ihren Einstellungen das Einrichten sogenannter Interfaces vor, die sowohl zum Steuern der Empfangsgeräte für Satellitenfunk als auch der Antennen-Nachführmotoren (Rotoren) dienen.

Verwenden Sie einen Monitor mit geringer Auflösung, dann kommt es vor, dass das Eingabefenster (Abbildung 6) nicht auf den Bildschirm passt. Da es sich nicht verkleinern lässt, schneidet der Bildschirm den unteren Fensterrand ab. Die Daten lassen sich dann zwar editieren, aber nicht abspeichern, da sich der OK-Button nicht erreichen lässt. Hier hilft es, die Steuerdatei manuell zu erzeugen. Legen Sie dazu die Daten aus Listing 2 in einer Datei unter dem Namen ~/.config/Gpredict/hwconf/Antennenname.txt ab.

Abbildung 6: Das Einrichten einer Dummy-Antenne erlaubt den simulierten Betrieb der Software.

[Rotator]
Host=localhost
Port=4533
AzType=0
MinAz=0
MaxAz=360
MinEl=0
MaxEl=90
AzStopPos=0

Gpredict übergibt den Sollwert für die Position der Antenne – Azimut und Elevation – an die Motorsteuerung. In der Realität erwartet jeder Hersteller eigene Befehlssequenzen. Die Bibliothek Hamlib, speziell die Programme Rotctl und Rotctld, kapseln die Komplexität, sofern sie den Hersteller kennen.

Der erste Aufruf in Listing 3 im Terminal befragt Rotctld, welche Geräte es kennt – in unserem Fall waren es 30 verschiedene. Der zweite Aufruf startet das Programm. Der Buchstabe d im Programmnamen verweist darauf, dass es als Daemon im Hintergrund läuft. Es kommuniziert über TCP standardmäßig auf Port 4533.

Wenn sich am Rechner allerdings kein Steuergerät für eine Antenne befindet, erübrigt sich ein Aufruf mit entsprechender Device-Angabe (-r /dev/XXX). In diesem Fall wählen Sie über den Parameter -m 1 den Dummy-Treiber mit der Nummer 1 aus, der die Kommunikation innerhalb des Rechners sicherstellt (dritter Aufruf). Der Schalter -vvvvv (“verbose”) sorgt dafür, dass das Programm seine Tätigkeit umfassend kommentiert.

$ rotctld -l
Rot #  Mfg          Model          Version
     1   Hamlib      Dummy          0.2
     2   Hamlib      NET rotctl        0.3
   201  Hamlib      EasycommI     0.4
   202  Hamlib      EasycommII    0.4
[...]
  1601  CNCTRK   CNCTRK         0.1
  1701  Prosistel    Prosistel D      0.3
  1801  Meade     LX200            0.1
$ rotctld -m nn -r /dev/XXX
$ rotctld -m 1 -vvvvv
rotctl(d): P '45.0' '30.0'
rot_set_position called
rotctl(d): p
rot_get_position called
...
rotctl(d): S
rot_stop called
dummy_rot_stop called

Im Terminal nimmt Rotctld Befehle entgegen (Listing 4). Der Befehl +P 135.0 45.0 fordert die Software auf, die Antenne auf die angegebene Position auszurichten. Das Programm Netcat erhält die Zeichenfolge über den vorgeschalteten Echo-Befehl. Es schickt die Daten via TCP auf den lokalen Server (127.0.0.1) an Port 4533 und wartet eine Sekunde auf Rückmeldungen (-w 1). Setzen Sie den Schalter -v, informiert Sie das Tool über den Erfolg, wie in Listing 4 gezeigt. Der zweite Befehl, dieses Mal mit dem Kleinbuchstaben p, erfragt die Position der Antenne, statt sie auszurichten.

$ echo "+P 135.0 45.0" | nc -w 1 -v -n 127.0.0.1 4533 
Connection to 127.0.0.1 4533 port [tcp/*] succeeded!
set_pos: 45.0 30.0
RPRT 0
$ echo "+p" | nc -w 1 -v -n 127.0.0.1 4533 
Connection to 127.0.0.1 4533 port [tcp/*] succeeded!
get_pos:
Azimuth: 135.000000
Elevation:45.000000
RPRT 0

Abbildung 7 dokumentiert die Kommunikation aus Sicht von Gpredict. Das Tracking ist ausgeschaltet, ebenso die Ausgabe von eigenen Steuersignalen (Häkchen am Schalter Monitor). Die großen Ziffern oben und der Kreis links in der Karte zeigen den Sollwert an.

Abbildung 7: Gpredict visualisiert das Positionieren der Antenne.

Sobald Sie die Steuerung durch Lösen des Monitor-Knopfs freigeben, schickt Gpredict Steuersignale an die Dummy-Antenne. In Abbildung 8 symbolisiert das rote Kreuz den Istwert, das sich auf den Sollwert (Kreis) zubewegt. Die Steuerung stoppt, sobald beide übereinstimmen.

Das Betätigen des Schalters Track aus Abbildung 7 wählt die aktuelle Satellitenposition als beweglichen Sollwert aus. In Abbildung 8 symbolisiert ihn das kleine rote Quadrat auf der blauen Satellitenspur. Gpredict steuert die Antenne dann so lange nach, bis der Satellit hinter dem Horizont verschwindet.

Abbildung 8: Gpredict steuert die Antenne auf den Sollwert.

Fazit

Möchten Sie sich ein räumliches Bild der die Erde umkreisenden Satelliten machen, empfiehlt sich ein Besuch der Webseite Celestrak [2]. Mit einem Grundverständnis, wie sich Satelliten bewegen, kommt das kleine Programm Gpredict ins Spiel: Es stellt die Satellitenspur und die Ausleuchtzone auf einer Erdkarte dar. Das Programm rechnet aus, wann die nächsten Überflüge eines Satelliten zu erwarten sind. Im Zeitraffermodus erfahren Sie, wie sich die Satelliten in Zukunft bewegen werden. Einfache Störungsmodelle schätzen die Lebensdauer eines Satelliten ab, bis er in der Atmosphäre verglüht. Im Zusammenspiel mit den Hamlib-Bibliotheken erzeugt Gpredict Steuersignale für Antennen und Korrekturgrößen für Satellitenempfänger.