Doppler-Effekt

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Christian DopplerDer Doppler-Effekt , benannt nach Christian Doppler (s. Bild links) ist die zeitliche Stauchung bzw. Dehnung eines Signals bei Veränderungen des Abstands zwischen Sender und Empfänger während der Dauer des Signals.

Ursache ist die Veränderung der Laufzeit. Dieser rein kinematische Effekt (= auf Bewegung bassierende Effekt) tritt bei allen Signalen auf, die sich mit einer bestimmten Geschwindigkeit, meist Lichtgeschwindigkeit [1]  oder Schallgeschwindigkeit [2], ausbreiten. Breitet sich das Signal in einem Medium aus, so ist dessen Bewegungszustand zu berücksichtigen.

Bei periodischen Signalen erhöht bzw. vermindert sich die beobachtete Frequenz. Das betrifft sowohl Tonhöhen als auch Modulationsfrequenzen, z. B. den Wechsel der Töne eines Martinhorns („tatü…taataa“).

 Dopplerfrequenz

Animarion des Doppler-Effektes

Was sieht man in der animierten Grafik?
Im stehenden Zustand sendet das Fahrzeiug Schallwellen (nahezu) konzentrisch aus.
Bewegt sich nun das Fahrzeig relativ zum Beobachter (wichtig!), dann werden die Schallen in Bewegungsrichtung "gestaucht" und entgegen der Bewegungsrichtung "gestreckt".
Das hat eine Frequenzänderung ("Anzahl der Schallwellen pro Zeit") zur Folge: In Bewegungsrichtung  erhöht sich die Frequenz, entgegengesetzt der Bewegungsrichtung erniedrigt sich die Frequenz.

Diesen Effekt kennt man insbesondere von vorbeifahrenden Einsatzfahrzeigen mit Martinhorn:

https://www.youtube.com/watch?v=0GKZmGNlyXY 


Doppler-Effekt und Überflug der ISS


Was hat nun der Doppler-Effekt mit dem Funkkontakt während eines Überflugs der ISS zu tun?

Auch hier gibt ein eine kinematischen Effekt. Die Bodenstation ist fest (assen wir die Erdrotation mal außer Acht), die ISS überfliegt in einer Höghe von ca. 400 km die Bodenstation mit einer Geschwindigkeit von ca. 28.000 lkm/h.

Beim Überflug über die Bodenstation werden die Funkwellen, die die ISS abstrahlt (Frequenz: 145,800 MHz), "gestaucht", was vor dem Überflug eine Erhöhung der Frequenz zur Folge hat (> 145,800 MHz).

Nach dem Überflug werden die Funkwellen "gestreckt", was eine Erniedrigung der Funkfrequenz zur Folge hat (< 145,800 MHz).

 

Doppler ISS JKG

Dopplereffekt beim Überflug der ISS über das JKG Lebach

 

Daher muss der Operator (der, der am Funkgerät sitzt) der Bodenstation, die Funkfrequenz für einen guten Empfang kontinuierlich anpassen: Von einer leicht höheren Frequenz hin zu einer leicht niedrigeren Frequenz im Bezug zur ausgesendeten Freuquenz (145,800 MHz).

Das heißt, der Operator steuert beispielsweise die Frequenz von 145,810 MHz über 145,800 MHz beim direkten Überflug runter zu einer Frequenz von 145,790 MHz (Frequenzen nur zur Veranschaulichung, reale Werte sind von den Flugbahnen der ISS und der Bodenstation abhängig).

Diese Steuerung kann von Hand erfolgen oder über spezielle Software, die das Funkgerät steuert erfolgen. Bei unserem Funkkontakt kommt die Software MacDoppler zum Einsatz, die das Funkgerät ICOM IC9700 steuert.

 

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Anmerkungen:

[1] Lichgeschwindigkeit: 299.792.458 m/s. In bodennaher Luft ist die Lichtgeschwindigkeit etwa 0,28 ‰ geringer als im Vakuum (also ca. 299.710 km/s), in Wasser beträgt sie etwa 225.000 km/s (− 25 %) und in Gläsern mit hohem Brechungsindex bis hinab zu 160.000 km/s (− 47 %).

[2] Schallgeschwindigkeit:  in trockener Luft von 20 °C beträgt 343,2 m/s

 

Quellen: