stringtranslate.com

Орбита Молнии

Рисунок 1: Орбита Молнии. Обычно для передачи в северное полушарие используется период от перигея +2 часа до перигея +10 часов.
Рисунок 2: Группировка SDS , которая использует спутники на геостационарной орбите и орбите «Молния». В группировке спутников на орбите «Молния» используются три спутника в разных орбитальных плоскостях, апогеи которых сопоставимы с апогеями геостационарных спутников.

Орбита Молнии (русский: Молния , IPA: [ˈmolnʲɪjə] ⓘ , «Молния») — тип спутниковойорбиты, предназначенный для обеспечения связи идистанционного зондирования Землив высокихширотах. Этовысокоэллиптическая орбитаснаклонением63,4градуса,аргументом перигея270 градусов ипериодом обращенияпримерно ползвездныхсуток.[1]Название происходит от спутников «Молния» , сериисоветских/российских гражданских и военныхспутников связи, которые используют этот тип орбиты с середины 1960-х годов.

Орбита Молнии имеет длительное время пребывания над интересующим полушарием , но очень быстро движется над другим. На практике это означает, что большую часть своей орбиты он будет находиться над Россией или Канадой, обеспечивая высокий угол обзора для спутников связи и мониторинга, охватывающих эти высокоширотные районы. Геостационарные орбиты , которые обязательно наклонены над экватором , позволяют просматривать эти регионы только под низким углом, что ухудшает производительность. На практике спутник на орбите «Молния» служит той же цели в высоких широтах, что и геостационарный спутник в экваториальных регионах, за исключением того, что для непрерывного покрытия требуется несколько спутников. [2]

Спутники, размещенные на орбитах «Молнии», использовались для телевещания, телекоммуникаций, военной связи, ретрансляции, мониторинга погоды, систем раннего предупреждения и некоторых секретных целей.

История

Орбита «Молния» была открыта советскими учёными в 1960-е годы как высокоширотная альтернатива геостационарным орбитам связи , которые требуют больших энергий запуска для достижения высокого перигея и изменения наклонения орбиты над экватором (особенно при запуске из российских широт). В результате ОКБ-1 искало менее энергозатратную орбиту. [3] Исследования показали, что этого можно достичь, используя высокоэллиптическую орбиту с апогеем над территорией России. [4] Название орбиты относится к «молниеносной» скорости, с которой спутник проходит перигей. [5]

Впервые орбиту «Молнии» использовала одноименная серия спутников связи . После двух неудачных запусков и одного отказа спутника в 1964 году первый успешный спутник, использовавший эту орбиту, «Молния 1-1», был запущен 23 апреля 1965 года. [4] [6] Первые спутники «Молния-1» использовались для гражданского телевидения, телекоммуникации и военной связи дальнего действия, но они также были оснащены камерами, используемыми для наблюдения за погодой и, возможно, для оценки свободных зон для спутников-шпионов «Зенит» . [3] [7] Срок службы первоначальных спутников «Молния» составлял примерно 1,5 года, так как их орбиты нарушались возмущениями , и их приходилось постоянно заменять. [1]

Последующая серия, «Молния-2», обеспечивала как военное, так и гражданское вещание и использовалась для создания телевизионной сети «Орбита» , охватывающей Советский Союз. Они, в свою очередь, были заменены конструкцией «Молния-3». [4] Спутник «Маяк» был разработан для дополнения и замены спутников «Молния» в 1997 году, но проект был отменен, [8] и «Молния-3» был заменен спутниками «Меридиан» , первый из которых был запущен в 2006 году. [9] ] Советские спутники раннего предупреждения США-К , которые следят за запусками американских ракет, были запущены на орбиты «Молния» с 1967 года в составе системы «Око» . [10] [11] [12]

С 1971 года на орбиты «Молнии» были запущены американские военные спутники Jumpseat и Trumpet (и, возможно, использовались для перехвата советских сообщений со спутников «Молния»). Подробная информация об обоих проектах по состоянию на 2019 год остается засекреченной . [13] За этим последовала американская группировка SDS , которая работает как на «Молнии», так и на геостационарной орбите. Эти спутники используются для ретрансляции сигналов от низколетящих спутников обратно на наземные станции в Соединенных Штатах и ​​в некоторой степени активны с 1976 года. [14] Российская спутниковая группировка под названием «Тюльпан» была разработана в 1994 году для поддержки связи в высоких широтах, но оно не продвинулось дальше этапа планирования. [8]

В 2015 и 2017 годах Россия запустила на орбиту «Молнии» два спутника «Тундра» , несмотря на их название, в рамках своей системы раннего предупреждения «ЭКС» . [15] [16] [17]

Анимация ЭКС
   Космос 2510  ·    Космос 2518  ·    Космос 2541  ·    Космос 2546  ·   Земля

Использование

Рисунок 3: Путь орбиты Молнии. На рабочей части орбиты (по четыре часа с каждой стороны от апогея) спутник находится севернее 55,5° с.ш. (широта, например, центральной Шотландии, Москвы и южной части Гудзонова залива). Спутник на этой орбите большую часть времени проводит над северным полушарием и быстро проходит над южным полушарием.

Большая часть территории бывшего Советского Союза и России в частности расположена в высоких северных широтах. Для вещания на эти широты с геостационарной орбиты (над экватором Земли ) требуется значительная мощность из-за малых углов места , а также дополнительного расстояния и связанного с этим ослабления в атмосфере. Площадки, расположенные выше 81° широты, вообще не могут видеть геостационарные спутники, и, как правило, углы места менее 10° могут вызвать проблемы, в зависимости от частоты связи. [2] : 499  [18]

Спутник на орбите Молнии лучше подходит для связи в этих регионах, поскольку на большей части своей орбиты он смотрит на них прямо сверху. Имея высоту апогея до 40 000 километров (25 000 миль) и подспутниковую точку апогея 63,4 градуса северной широты, он проводит значительную часть своей орбиты с отличной видимостью в северном полушарии, как из России, так и из Северной Европы. Гренландия и Канада. [2]

Хотя спутники на орбитах «Молнии» требуют значительно меньше энергии для запуска, чем спутники на геостационарных орбитах (особенно при запуске с высоких широт), [4] их наземные станции нуждаются в управляемых антеннах для слежения за космическим кораблем, каналы должны переключаться между спутниками в созвездии, и изменения дальности вызывают изменения амплитуды сигнала. Кроме того, существует большая потребность в поддержании станции , [19] [20] [21] и космический корабль будет проходить через радиационный пояс Ван Аллена четыре раза в день. [22]

Предложения Южного полушария

Подобные орбиты с аргументом перигея 90° могли бы обеспечить покрытие высоких широт южного полушария. Предлагаемая группировка, Антарктическая широкополосная программа , будет использовать спутники на перевернутой орбите «Молния» для предоставления широкополосных интернет-услуг объектам в Антарктиде . [23] [24] Первоначально финансируемая ныне несуществующей Австралийской программой космических исследований , она не продвинулась дальше первоначальной разработки. [25] [26]

Созвездия Молния

Для постоянного высокоширотного покрытия большой территории Земли (например, всей России, южные части которой находятся примерно на 45°  с.ш.) требуется группировка из как минимум трех космических аппаратов на орбитах «Молнии». Если используются три космических корабля, то каждый космический корабль будет активен в течение восьми часов на орбиту с центром вокруг апогея, [2], как показано на рисунке 4. На рисунке 5 показано поле зрения спутника вокруг апогея.

Земля совершает половину оборота за двенадцать часов, поэтому апогеи последовательных орбит Молнии будут чередоваться то в одной половине северного полушария, то в другой. Для исходной орбиты Молнии апогеи располагались над Россией и Северной Америкой, но, изменяя прямое восхождение восходящего узла, это можно изменить. [19] Зона действия спутника на орбите «Молния» над Россией показана на рисунках 6–8, а над Северной Америкой – на рисунках 9–11.

Тогда орбиты трех космических аппаратов должны были иметь одинаковые параметры орбит, но разные прямые восхождения восходящих узлов с прохождением их апогеев с интервалом 7,97 часа. [2] [27] Поскольку рабочий период каждого спутника составляет примерно восемь часов, то когда один космический корабль проходит через четыре часа после прохождения апогея (см. рисунок 8 или рисунок 11), то следующий спутник войдет в свой рабочий период, с видом земли, как показано на рисунке 6 (или рисунке 9), и можно выполнить переключение. Обратите внимание, что два космических корабля во время переключения разделены примерно 1500 километрами (930 миль), так что наземным станциям нужно всего лишь повернуть свои антенны на несколько градусов, чтобы обнаружить новый космический корабль. [28]

Диаграммы

  • Рисунок 4: Группировка из трех космических кораблей «Молния», обслуживающих Северное полушарие. P — орбитальный период. Зеленая линия соответствует обслуживанию Азии и Европы с отображением цифр 6–8. Красная линия соответствует обслуживанию Северной Америки с отображением цифр 9–11.
    Рисунок 4: Группировка из трех космических кораблей «Молния», обслуживающих Северное полушарие. P — орбитальный период. Зеленая линия соответствует обслуживанию Азии и Европы с отображением цифр 6–8. Красная линия соответствует обслуживанию Северной Америки с отображением цифр 9–11.
  • Рисунок 5: Зоны освещения (угол не менее 10°) с орбиты «Молния». В апогее применяется зеленая зона освещения. За три часа до или после апогея применяется красная зона. За четыре часа до или после апогея применяется синяя зона. Плоскость рисунка — продольная плоскость апогея, вращающегося вместе с Землей. В восьмичасовой период с центром в прохождении апогея продольная плоскость практически фиксирована, долгота спутника изменяется всего на ±2,7°. Виды Земли из этих трех точек показаны на рисунках 6–11.
    Рисунок 5: Зоны освещения (угол не менее 10°) с орбиты «Молния». В апогее применяется зеленая зона освещения. За три часа до или после апогея применяется красная зона. За четыре часа до или после апогея применяется синяя зона. Плоскость рисунка — продольная плоскость апогея, вращающегося вместе с Землей. В восьмичасовой период с центром в прохождении апогея продольная плоскость практически фиксирована, долгота спутника изменяется всего на ±2,7°. Виды Земли из этих трех точек показаны на рисунках 6–11.
  • Рисунок 6: Вид Земли за четыре часа до апогея с орбиты «Молния» в предположении, что долгота апогея равна 90° восточной долготы. Космический корабль находится на высоте 24 043 км над точкой 92,65° восточной долготы и 47,04° северной широты.
    Рисунок 6: Вид Земли за четыре часа до апогея с орбиты Молнии в предположении, что долгота апогея равна 90°  восточной долготы. Космический корабль находится на высоте 24 043 км над точкой 92,65° восточной долготы  и 47,04°  северной широты.
  • Рисунок 7: Вид Земли из апогея орбиты Молнии в предположении, что долгота апогея равна 90° восточной долготы. Космический корабль находится на высоте 39 867 км над точкой 90° восточной долготы 63,43° северной широты.
    Рисунок 7: Вид Земли из апогея орбиты Молнии в предположении, что долгота апогея равна 90°  восточной долготы. Космический корабль находится на высоте 39 867 км над точкой 90°  восточной долготы 63,43°  северной широты.
  • Рисунок 8: Вид Земли через четыре часа после апогея с орбиты «Молния» в предположении, что долгота апогея равна 90° восточной долготы. Космический корабль находится на высоте 24 043 км над точкой 87,35° восточной долготы 47,04° северной широты.
    Рисунок 8: Вид Земли через четыре часа после апогея с орбиты «Молния» в предположении, что долгота апогея равна 90° восточной долготы. Космический корабль находится на высоте 24 043 км над точкой 87,35°  восточной долготы 47,04°  северной широты.
  • Рисунок 9: Вид Земли за четыре часа до апогея с орбиты «Молния» в предположении, что долгота апогея равна 90° з.д. Космический корабль находится на высоте 24 043 км над точкой 87,35° з.д. и 47,04° с.ш.
    Рисунок 9: Вид Земли за четыре часа до апогея с орбиты «Молния» в предположении, что долгота апогея равна 90°  з.д. Космический корабль находится на высоте 24 043 км над точкой 87,35°  з.д. и 47,04°  с.ш.
  • Рисунок 10: Вид Земли из апогея орбиты «Молния» в предположении, что долгота апогея равна 90° з.д. Космический аппарат находится на высоте 39 867 км над точкой 90° з.д. 63,43° с.ш.
    Рисунок 10: Вид Земли из апогея орбиты «Молния» в предположении, что долгота апогея равна 90°  з.д. Космический аппарат находится на высоте 39 867 км над точкой 90°  з.д. 63,43°  с.ш.
  • Рисунок 11: Вид Земли через 4 часа после апогея с орбиты «Молния» в предположении, что долгота апогея равна 90° з.д. Космический корабль находится на высоте 24 043 км над точкой 92,65° з.д. и 47,04° с.ш.
    Рисунок 11: Вид Земли через 4 часа после апогея с орбиты «Молния» в предположении, что долгота апогея равна 90°  з.д. Космический корабль находится на высоте 24 043 км над точкой 92,65°  з.д. и 47,04°  с.ш.
Сравнение орбиты Тундры , орбиты QZSS и орбиты Молнии - экваториальный вид
   Орбита тундры  ·    Орбита QZSS  ·   Орбита Молнии  ·   Земля

Характеристики

Типичная орбита Молнии обладает следующими свойствами:

Аргумент перигея

Аргумент перигея установлен на уровне 270°, в результате чего спутник достигает апогея в самой северной точке своей орбиты. Для любых будущих применений в южном полушарии вместо этого он будет установлен на 90°. [24]

Наклонение орбиты

В общем, сжатие Земли нарушает аргумент перигея ( ), так что он постепенно меняется со временем. Если мы будем рассматривать только коэффициент первого порядка , перигей будет меняться в соответствии с уравнением 1 , если только он не будет постоянно корректироваться с помощью режима удержания двигателя на месте.

где – наклонение орбиты, – эксцентриситет, – среднее движение в градусах в сутки, – возмущающий фактор, – радиус Земли, – большая полуось, – в градусах в сутки.

Чтобы избежать такого расхода топлива, орбита Молнии использует наклонение 63,4 °, для которого коэффициент равен нулю, так что положение перигея не меняется с течением времени. [20] [19] : 143  Орбита, спроектированная таким образом, называется замороженной орбитой .

Орбитальный период

Чтобы гарантировать, что геометрия относительно наземных станций повторяется каждые 24 часа, период должен составлять около половины звездных суток , сохраняя постоянную долготу апогеев.

Однако сжатие Земли также нарушает прямое восхождение восходящего узла ( ), изменяя узловой период и вызывая дрейф земной траектории со временем со скоростью, показанной в уравнении 2 .

где в градусах в сутки. [19] : 143 

Поскольку наклонение орбиты Молнии фиксировано (как указано выше), это возмущение составляет градусы в день. Чтобы компенсировать это, орбитальный период корректируется так, чтобы долгота апогея менялась настолько, чтобы нейтрализовать этот эффект. [20]

Эксцентриситет

Эксцентриситет орбиты основан на разнице высот ее апогея и перигея. Чтобы максимизировать время, которое спутник проводит в апогее, эксцентриситет должен быть установлен как можно выше . Однако перигей должен быть достаточно высоким, чтобы спутник оставался существенно выше атмосферы и минимизировал сопротивление (~600 км), а орбитальный период должен поддерживаться примерно на уровне половины звездных суток (как указано выше). Эти два фактора ограничивают эксцентриситет, который становится примерно 0,737. [20]

Большая полуось

Точная высота спутника на орбите Молнии варьируется в зависимости от миссии, но типичная орбита будет иметь высоту перигея примерно 600 километров (370 миль) и высоту апогея 39 700 километров (24 700 миль) для большой полуоси 26 600 километров (16 500 миль). [20]

Моделирование

Для отслеживания спутников по орбитам «Молнии» ученые используют упрощенную модель возмущений SDP4 , которая рассчитывает местоположение спутника на основе формы орбиты, сопротивления, радиации, гравитационного воздействия Солнца и Луны, а также условий земного резонанса. [29]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ abc Колюка, Ю. Ф.; Иванов, Н.М.; Афанасьева Т.И.; Гридчина, Т. А. (28 сентября 2009 г.). Исследование особенностей времени жизни, эволюции и повторного входа в атмосферу орбит типа «Молния» (PDF) . 21-й Международный симпозиум по динамике космических полетов. Тулуза, Франция: Центр управления полетами 4, Королев, Москва. п. 2 . Проверено 22 мая 2018 г.
  2. ^ abcde Ильчев, Стойче Димов (2017). Теория глобальных спутниковых метеорологических наблюдений (GSMO). Том. 1. Международное издательство Спрингер. п. 57. ИСБН 978-3-319-67119-2. Проверено 16 апреля 2019 г.
  3. ^ ab Исторический комитет Американского астронавтического общества (23 августа 2010 г.). Джонсон, Стивен Б. (ред.). Исследование космоса и человечество: Историческая энциклопедия. Том. 1. Издательская группа Гринвуд. п. 416. ИСБН 978-1-85109-514-8. Проверено 17 апреля 2019 г.
  4. ^ abcd Мартин, Дональд Х. (2000). Спутники связи (4-е изд.). Американский институт аэронавтики и астронавтики . стр. 215–232. ISBN 978-1-884989-09-4. Проверено 17 апреля 2019 г.
  5. ↑ Капдеру, Мишель (23 апреля 2014 г.). Справочник по орбитам спутников: от Кеплера до GPS. Спрингер Наука и бизнес. п. 393. Бибкод : 2014hso..book.....C. ISBN 978-3-319-03416-4. Проверено 16 апреля 2019 г.
  6. ^ Предварительный анализ первого успешного советского спутника связи (PDF) (Отчет). ЦРУ : Управление научной разведки. 12 декабря 2003 г. с. 3. Архивировано из оригинала (PDF) 23 января 2017 года . Проверено 16 апреля 2016 г.
  7. ^ Хендрикс, Барт (2004). «История советских/российских метеорологических спутников» (PDF) . Журнал Британского межпланетного общества . 57 (Приложение 1): 66. Архивировано из оригинала (PDF) 27 марта 2018 г. Проверено 27 марта 2018 г.
  8. ^ Аб Хейман, Джос (декабрь 2015 г.). Хейман, Джос (ред.). Отмененные проекты: Российские спутники (PDF) (Отчет). Том. 41. IAC 2017: Бюллетень новостей космической информации Тироса. п. 4. Архивировано из оригинала (PDF) 5 марта 2019 года . Проверено 16 апреля 2019 г.{{cite report}}: CS1 maint: местоположение ( ссылка )
  9. ^ Грэм, Уильям (4 мая 2011 г.). «Союз 2-1а запускается с российским военным спутником Меридиан-4». NASASpaceflight.com . Проверено 16 апреля 2019 г.
  10. ↑ Форден, Джеффри (3 мая 2001 г.). «Уменьшение общей опасности: совершенствование российской системы раннего предупреждения» (PDF) . Анализ политики Катона № 399 : 5 . Проверено 16 апреля 2019 г.
  11. ^ Подвиг, Павел (2002). «История и современное состояние российской системы раннего предупреждения» (PDF) . Наука и глобальная безопасность . 10 (1): 21–60. Бибкод : 2002S&GS...10...21P. CiteSeerX 10.1.1.692.6127 . дои : 10.1080/08929880212328. ISSN  0892-9882. S2CID  122901563. Архивировано из оригинала (PDF) 15 марта 2012 г. 
  12. ^ «Россия ослеплена потерей спутника обнаружения ракет» . Москва Таймс. 26 июня 2014 года . Проверено 16 апреля 2019 г.
  13. ↑ Грэм, Уильям (23 сентября 2017 г.). «Атлас V запускает спутник-шпион NROL-42». NASASpaceflight.com . Проверено 16 апреля 2019 г.
  14. ^ Ришельсон, Джеффри Т (2002). Волшебники Лэнгли. Внутри Управления науки и технологий ЦРУ . Боулдер: Вествью Пресс . ISBN 978-0-8133-4059-3. Проверено 17 апреля 2019 г.
  15. ↑ Томаш Новаковски (17 ноября 2015 г.). «Российская ракета «Союз-2.1б» успешно запустила спутник «Тундра». Космический полет Инсайдер.
  16. ↑ Курт Годвин (25 мая 2017 г.). «Ракета «Союз» успешно доставила на редкую орбиту спутник дальнего радиолокационного обнаружения ЭКС-2». Космический полет Инсайдер.
  17. ↑ Кларк, Стивен (25 мая 2017 г.). «Россия отправляет на орбиту военный спутник для предупреждения о ракетном нападении – Космический полет сейчас».
  18. ^ Солер, Томас; Эйземанн, Дэвид В. (август 1994 г.). «Определение углов обзора геостационарных спутников связи» (PDF) . Журнал геодезической инженерии . 120 (3): 123. doi :10.1061/(ASCE)0733-9453(1994)120:3(115). ISSN  0733-9453 . Проверено 16 апреля 2019 г.
  19. ^ abcd Wertz, Джеймс Ричард; Ларсон, Уайли Дж. (1999). Ларсон, Уайли Дж.; Вертц, Джеймс Р. (ред.). Анализ и проектирование космических миссий . Microcosm Press и Kluwer Academic Publishers. Бибкод : 1999smad.book.....W. ISBN 1-881883-10-8.
  20. ^ abcdef Киддер, Стэнли К.; Вондер Хаар, Томас Х. (18 августа 1989 г.). «Об использовании спутников на орбитах «Молния» метеорологических наблюдений средних и высоких широт». Журнал атмосферных и океанических технологий . 7 (3): 517. Бибкод : 1990JATOT...7..517K. doi : 10.1175/1520-0426(1990)007<0517:OTUOSI>2.0.CO;2 .
  21. ^ Кинг-Хеле, генеральный директор (январь 1975 г.). «Орбитальная жизнь спутников «Молния». Журнал Британского межпланетного общества . 28 : 783–796. Бибкод : 1975JBIS...28..783K.
  22. ^ ван дер Ха, Йозеф К., изд. (ноябрь 1997 г.). Проектирование миссий и внедрение спутниковых группировок: материалы международного семинара, состоявшегося в Тулузе, Франция. Спрингер-Сайенс. п. 67. ИСБН 9401061378. Проверено 16 апреля 2019 г.
  23. ^ «Программа широкополосной связи в Антарктике». rsaa.anu.edu.au. ​Австралийский национальный университет . Проверено 12 апреля 2019 г.
  24. ^ аб Бонин, Грант; Зи, Роберт; Бретт, Майкл; Кинг, Ян; Фабер, Дэниел (октябрь 2012 г.). Широкополосная связь в Антарктике: быстрый Интернет для нижней части Земли. МАК 2012 . Проверено 12 апреля 2019 г.
  25. ^ Берд, Кэмерон, изд. (17 ноября 2015 г.). Окончательная оценка Австралийской программы космических исследований (PDF) (Отчет). Департамент промышленности, инноваций и науки. Архивировано из оригинала (PDF) 5 марта 2019 года . Проверено 12 апреля 2019 г.
  26. ↑ Демпстер, Эндрю (15 мая 2018 г.). «Когда появятся подробности о новом космическом агентстве Австралии, мы (возможно), наконец-то сможем взлететь». Разговор . Проверено 12 апреля 2019 г.
  27. ^ Киддер, Стэнли К.; Вондер Хаар, Томас Х. (июнь 1990 г.). «Об использовании спутников на орбитах «Молния» для метеорологических наблюдений средних и высоких широт». Журнал атмосферных и океанических технологий . 7 (3): 519. Бибкод : 1990JATOT...7..517K. doi : 10.1175/1520-0426(1990)007<0517:OTUOSI>2.0.CO;2 .
  28. ^ Стурдивант, РЛ; Чон, ЕКП (2016). «Системная инженерия спутника на терабитной эллиптической орбите и наземной станции с фазированной решеткой для подключения Интернета вещей и потребительского доступа в Интернет». Доступ IEEE . 4 : 9947. дои : 10.1109/ACCESS.2016.2608929 .
  29. ^ Хутс, Феликс Р.; Рерих, Рональд Л. (31 декабря 1988 г.). Модели распространения наборов элементов NORAD (PDF) (Отчет). Отчет Министерства обороны США о космической трассе . Проверено 16 июня 2010 г.

Внешние ссылки