stringtranslate.com

Геосинхронная орбита

Анимация (не в масштабе), показывающая геосинхронный спутник, вращающийся вокруг Земли.

Геосинхронная орбита (иногда сокращенно ГСО ) — это околоземная орбита с орбитальным периодом , соответствующим вращению Земли вокруг своей оси, составляющим 23 часа, 56 минут и 4 секунды (один звездный день ). Синхронизация вращения и орбитального периода означает, что для наблюдателя на поверхности Земли объект на геосинхронной орбите возвращается в точно то же самое положение на небе через один звездный день. В течение дня положение объекта на небе может оставаться неподвижным или прослеживать путь, обычно в форме восьмерки , точные характеристики которого зависят от наклона и эксцентриситета орбиты . Круговая геосинхронная орбита имеет постоянную высоту 35 786 км (22 236 миль). [1]

Особым случаем геостационарной орбиты является геостационарная орбита (часто сокращенно GEO ), которая представляет собой круговую геосинхронную орбиту в экваториальной плоскости Земли с наклоном и эксцентриситетом, равными 0. Спутник на геостационарной орбите остается в том же положении на небе, чтобы наблюдатели на поверхности. [1]

Спутникам связи часто присваивают геостационарные или близкие к геостационарным орбиты, так что спутниковым антеннам , которые связываются с ними, не нужно перемещаться, а можно постоянно направлять на фиксированное место на небе, где появляется спутник. [1]

История

Геосинхронная орбита была популяризирована писателем-фантастом Артуром Кларком , поэтому ее иногда называют орбитой Кларка.

В 1929 году Герман Поточник описал как геосинхронные орбиты в целом, так и частный случай геостационарной орбиты Земли в частности, как полезные орбиты для космических станций . [2] Первое появление геосинхронной орбиты в популярной литературе было в октябре 1942 года, в первом рассказе Джорджа О. Смита «Равносторонняя Венера» , [3] но Смит не вдавался в подробности. Британский писатель -фантаст Артур Кларк популяризировал и расширил эту концепцию в статье 1945 года, озаглавленной « Внеземные ретрансляторы: могут ли ракетные станции обеспечить всемирное радиопокрытие?» , опубликованное в журнале Wireless World . Кларк признал эту связь во введении к книге «Полная равносторонняя Венера» . [4] [5] Орбиту, которую Кларк впервые описал как полезную для спутников вещания и ретрансляции, [5] иногда называют орбитой Кларка. [6] Точно так же совокупность искусственных спутников на этой орбите известна как пояс Кларка. [7]

Syncom 2 : первый функциональный геосинхронный спутник

В технической терминологии геосинхронные орбиты часто называют геостационарными, если они находятся примерно над экватором, но эти термины используются как синонимы. [8] [9] В частности, геосинхронная околоземная орбита ( GEO ) может быть синонимом геосинхронной экваториальной орбиты , [10] или геостационарной околоземной орбиты . [11]

Первый геосинхронный спутник был разработан Гарольдом Розеном, когда он работал в компании Hughes Aircraft в 1959 году. Вдохновленный Спутником-1 , он хотел использовать геостационарный (геосинхронный экваториальный) спутник для глобализации коммуникаций. Телекоммуникация между США и Европой тогда была возможна между всего 136 людьми одновременно и зависела от высокочастотной радиосвязи и подводного кабеля . [12]

В то время общепринятым мнением было то, что для вывода спутника на геостационарную орбиту потребуется слишком большая ракетная мощность, и он не проживет достаточно долго, чтобы оправдать затраты [13] , поэтому первые попытки были направлены на создание группировок спутников на низкой или средней орбите . Земная орбита. [14] Первыми из них были пассивные спутники-зонды «Эхо» в 1960 году, за ними последовал Telstar 1 в 1962 году . [15] Хотя эти проекты имели трудности с мощностью сигнала и отслеживанием, которые можно было решить с помощью геосинхронных спутников, эта концепция рассматривалась как непрактичная. , поэтому Хьюз часто отказывался от средств и поддержки. [14] [12]

К 1961 году Розен и его команда создали цилиндрический прототип диаметром 76 сантиметров (30 дюймов), высотой 38 сантиметров (15 дюймов) и весом 11,3 кг (25 фунтов); он был легким и небольшим, достаточно, чтобы его можно было вывести на орбиту с помощью имевшейся на тот момент ракетной техники, имел стабилизацию вращения и использовал дипольные антенны, создающие сигнал в форме блина. [16] В августе 1961 года с ними был заключен контракт на начало строительства рабочего спутника. [12] Они потеряли Syncom 1 из-за отказа электроники, но Syncom 2 был успешно выведен на геосинхронную орбиту в 1963 году. Хотя его наклонная орбита все еще требовала движущихся антенн, он был способен ретранслировать телевизионные передачи и позволил президенту США Джону Ф. Кеннеди позвонить премьер-министру Нигерии Абубакару Тафаве Балева с корабля 23 августа 1963 года. [14] [17]

Сегодня существуют сотни геосинхронных спутников, обеспечивающих дистанционное зондирование , навигацию и связь. [12] [1]

Хотя в большинстве населенных пунктов на планете в настоящее время есть наземные средства связи ( микроволновая , оптоволоконные ), которые часто имеют преимущества по задержке и пропускной способности, а также телефонный доступ, охватывающий 96% населения, и доступ в Интернет 90% по состоянию на 2018 год, [18] некоторые сельские и отдаленные районы развитых стран все еще полагаются на спутниковую связь. [19] [20]

Типы

Геостационарная орбита

Геостационарный спутник (зеленый) всегда остается над одной и той же отмеченной точкой на экваторе (коричневый).

Геостационарная экваториальная орбита (GEO) — это круговая геосинхронная орбита в плоскости экватора Земли с радиусом примерно 42 164 км (26 199 миль) (измеряется от центра Земли). [21] : 156  Спутник на такой орбите находится на высоте примерно 35 786 км (22 236 миль) над средним уровнем моря. Он сохраняет то же положение относительно поверхности Земли. Если бы можно было увидеть спутник на геостационарной орбите, то казалось бы, что он зависает в одной и той же точке неба, т. е. не демонстрирует суточного движения , в то время как Солнце, Луна и звезды пересекали бы небо позади него. Такие орбиты полезны для телекоммуникационных спутников . [22]

Совершенно стабильная геостационарная орбита — это идеал, который можно лишь приблизить. На практике спутник смещается с этой орбиты из-за возмущений, таких как солнечный ветер , радиационное давление , изменения гравитационного поля Земли и гравитационное воздействие Луны и Солнца , а двигатели используются для поддержания орбиты в известном процессе. как стационарный . [21] : 156 

В конце концов, без использования двигателей, орбита станет наклоненной, колеблясь от 0° до 15° каждые 55 лет. В конце срока службы спутника, когда топливо приближается к исчерпанию, операторы спутников могут решить отказаться от этих дорогостоящих маневров для коррекции наклона и контролировать только эксцентриситет. Это продлевает срок службы спутника, поскольку со временем он потребляет меньше топлива, но тогда спутник можно будет использовать только с помощью наземных антенн, способных отслеживать движение НЗ. [21] : 156 

Геостационарные спутники также будут иметь тенденцию дрейфовать вокруг одной из двух стабильных долгот 75° и 255° без удержания станции. [21] : 157 

Эллиптические и наклонные геосинхронные орбиты

Квазизенитная орбита спутника

Многие объекты на геосинхронных орбитах имеют эксцентрические и/или наклонные орбиты. Эксцентриситет делает орбиту эллиптической и создает впечатление, что она колеблется в восточно-западном направлении в небе с точки зрения наземной станции, в то время как наклонение наклоняет орбиту по сравнению с экватором и создает впечатление, что она колеблется в северо-западном направлении от наземной станции. Эти эффекты объединяются, образуя аналемму (рис. 8). [21] : 122 

Спутники на эллиптических/эксцентрических орбитах должны отслеживаться управляемыми наземными станциями . [21] : 122 

Тундровая орбита

Орбита Тундры — это эксцентричная геосинхронная орбита, которая позволяет спутнику проводить большую часть своего времени, находясь в одном месте в высокой широте. Он расположен с наклоном 63,4°, что соответствует замороженной орбите , что снижает необходимость поддержания стационарности . [23] Для обеспечения непрерывного покрытия территории необходимо как минимум два спутника. [24] Он использовался спутниковым радио Sirius XM для улучшения уровня сигнала на севере США и Канады. [25]

Квазизенитная орбита

Спутниковая система «Квазизенит» (QZSS) представляет собой систему из четырех спутников, работающую на геостационарной орбите с наклонением 42° и эксцентриситетом 0,075. [26] Каждый спутник находится над Японией , позволяя сигналам достигать приемников в городских каньонах, а затем быстро проходить над Австралией. [27]

Запуск

Пример перехода с геостационарной переходной орбиты (ГТО) на геостационарную орбиту (ГСО):
  ЭхоСтар XVII  ·   Земля .

Геосинхронные спутники запускаются на восток на прямую орбиту, соответствующую скорости вращения экватора. Наименьший наклон, с которым может быть запущен спутник, соответствует широте стартовой площадки, поэтому запуск спутника вблизи экватора ограничивает величину изменения наклона, необходимую в дальнейшем. [28] Кроме того, запуск вблизи экватора позволяет скорости вращения Земли дать спутнику толчок. На востоке от стартовой площадки должна быть вода или пустыня, чтобы неудачные ракеты не упали на населенную территорию. [29]

Большинство ракет-носителей выводят геосинхронные спутники непосредственно на геосинхронную переходную орбиту (ГТО), эллиптическую орбиту с апогеем на высоте ГСО и низким перигеем . Затем бортовая спутниковая двигательная установка используется для поднятия перигея, округления и достижения ГСО. [28] [30]

Оказавшись на жизнеспособной геостационарной орбите, космический корабль может изменить свое продольное положение, отрегулировав свою большую полуось так, чтобы новый период был короче или длиннее звездного дня, чтобы вызвать очевидный «дрейф» на восток или запад соответственно. Достигнув желаемой долготы, период космического корабля восстанавливается до геосинхронного. [31]

Предлагаемые орбиты

Государственное предложение

Статит — это гипотетический спутник, который использует радиационное давление Солнца на солнечный парус для изменения своей орбиты. [32]

Он будет удерживать свое местоположение над темной стороной Земли на широте примерно 30 градусов. С точки зрения наблюдателя с Земли он будет возвращаться в одно и то же место на небе каждые 24 часа, поэтому функционально он будет похож на геостационарную орбиту. [32] [33]

Космический лифт

Еще одной формой геостационарной орбиты является теоретический космический лифт . Когда один конец прикреплен к земле, на высотах ниже геостационарного пояса лифт поддерживает более короткий период обращения, чем под действием одной только силы тяжести. [34]

Устаревшие спутники

Земля из космоса, окруженная маленькими белыми точками
Компьютерное изображение космического мусора. Показаны два поля мусора: вокруг геостационарного космоса и на низкой околоземной орбите.

Геосинхронным спутникам требуется некоторое присутствие на станции, чтобы сохранять свою позицию, и как только у них заканчивается топливо для двигателей и они перестают быть полезными, они перемещаются на более высокую орбиту кладбища . Вывести геосинхронные спутники с орбиты невозможно, поскольку для этого потребуется гораздо больше топлива, чем для небольшого подъема орбиты, а атмосферное сопротивление незначительно, что дает срок службы ГСО в тысячи лет. [35]

Процесс вывода из эксплуатации становится все более регулируемым, и в конце срока службы спутники должны иметь 90%-ную вероятность перемещения на расстояние более 200 км над геостационарным поясом. [36]

Космический мусор

Космический мусор на геосинхронных орбитах обычно имеет более низкую скорость столкновения, чем на НОО, поскольку большинство спутников ГСО вращаются в той же плоскости, высоте и скорости; однако наличие спутников на эксцентрических орбитах допускает столкновения на скорости до 4 км/с. Хотя столкновение сравнительно маловероятно, спутники ГСО имеют ограниченную способность избегать обломков. [37]

Обломки диаметром менее 10 см невозможно увидеть с Земли, что затрудняет оценку их распространенности. [38]

Несмотря на усилия по снижению риска, столкновения космических кораблей все же произошли. Телекоммуникационный спутник Европейского космического агентства «Олимп-1» подвергся удару метеорита 11 августа 1993 года и в конечном итоге перешёл на орбиту захоронения , [39] а в 2006 году российский спутник связи «Экспресс-АМ11» был сбит неизвестным объектом и выведен из строя. [40] , хотя у его инженеров было достаточно времени контакта со спутником, чтобы отправить его на орбиту кладбища. В 2017 году АМС-9 и Телком-1 распались по неизвестной причине. [41] [38] [42]

Характеристики

Орбита геосинхронного спутника под наклоном с точки зрения наблюдателя за пределами Земли ( ECI ) и наблюдателя, вращающегося вокруг Земли со скоростью ее вращения ( ECEF ).

Геосинхронная орбита обладает следующими свойствами:

Период

Все геосинхронные орбиты имеют орбитальный период, равный ровно одному сидерическому дню. [43] Это означает, что спутник будет возвращаться в одну и ту же точку над поверхностью Земли каждый (звездный) день, независимо от других свойств орбиты. [44] [21] : 121  Этот орбитальный период T напрямую связан с большой полуосью орбиты посредством формулы:

где:

а - длина большой полуоси орбиты.
— стандартный гравитационный параметр центрального тела [21] : 137 

Наклон

Геосинхронная орбита может иметь любое наклонение.

Спутники обычно имеют нулевое наклонение, что гарантирует, что орбита всегда остается над экватором, что делает ее стационарной по отношению к широте с точки зрения наземного наблюдателя (и в системе отсчета ECEF ) . [21] : 122 

Другой популярный наклон - 63,4 ° для орбиты Тундры, что гарантирует, что аргумент перигея орбиты не изменится со временем. [23]

грунтовая дорога

В частном случае геостационарной орбиты траектория спутника представляет собой одну точку на экваторе . В общем случае геосинхронной орбиты с ненулевым наклонением или эксцентриситетом земная траектория представляет собой более или менее искаженную восьмерку, возвращающуюся в одни и те же места один раз в звездные сутки. [21] : 122 

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ abcd Хауэлл, Элизабет. «Что такое геосинхронная орбита?». Space.com . Проверено 15 июля 2022 г.
  2. ^ Ноордунг, Герман (1929). Das Issue der Befahrung des Weltraums: Der Raketen-Motor (PDF) . Берлин: Ричард Карл Шмидт и компания, стр. 98–100.
  3. ^ "(Сообщение Корвуса отправлено) в маленькое приземистое здание на окраине Северной Пристани. Его швырнуло в небо. ... Оно... прибыло на ретрансляционную станцию ​​усталым и изношенным, ... когда достигло космическая станция всего в пятистах милях над городом Норт-Лендинг». Смит, Джордж О. (1976). Полная равносторонняя Венера. Нью-Йорк: Ballantine Books . стр. 3–4. ISBN 978-0-345-28953-7.
  4. ^ «Поэтому вполне возможно, что эти истории повлияли на меня подсознательно, когда... я разработал принципы синхронных спутников связи...», Макалир, Нил (1992). Артур Кларк. Современные книги. п. 54. ИСБН 978-0-809-24324-2.
  5. ^ аб Кларк, Артур К. (октябрь 1945 г.). «Внеземные ретрансляторы – могут ли ракетные станции обеспечить всемирное радиопокрытие?» (PDF) . Беспроводной мир . стр. 305–308. Архивировано из оригинала (PDF) 18 марта 2009 г. Проверено 4 марта 2009 г.
  6. ^ Филлипс Дэвис (ред.). «Основы космических полетов. Раздел 1. Часть 5. Геостационарные орбиты». НАСА . Проверено 25 августа 2019 г.
  7. ↑ Миллс, Майк (3 августа 1997 г.). «Орбитальные войны: Артур Кларк и глобальный спутник связи». Журнал «Вашингтон Пост» . стр. 12–13 . Проверено 25 августа 2019 г.
  8. ^ Киддер, SQ (2015). «Спутники и спутниковое дистанционное зондирование: [ неопределенно ] --> Орбиты». На Норте, Джеральд; Пила, Джон; Чжан, Фуцин (ред.). Энциклопедия атмосферных наук (2-е изд.). Эльсивер. стр. 95–106. дои : 10.1016/B978-0-12-382225-3.00362-5. ISBN 978-0-12-382225-3.
  9. ^ Браун, компакт-диск (1998). Проектирование миссии космического корабля (2-е изд.). Образовательная серия AIAA. п. 81. ИСБН 978-1-60086-115-4.
  10. ^ «Руководство пользователя Ariane 5, выпуск 5, редакция 1» (PDF) . Арианское пространство. Июль 2011 г. Архивировано из оригинала (PDF) 4 октября 2013 г. . Проверено 28 июля 2013 г.
  11. ^ «Что такое орбита?». НАСА . 25 октября 2001 года. Архивировано из оригинала 6 апреля 2013 года . Проверено 10 марта 2013 г. Спутники, которые кажутся прикрепленными к какому-то месту на Земле, находятся на геосинхронной околоземной орбите (GEO)... Спутники, направляющиеся на GEO, сначала выходят на эллиптическую орбиту с апогеем около 23 000 миль. Запуск ракетных двигателей в апогее приводит к повороту орбиты. Геосинхронные орбиты еще называют геостационарными.
  12. ^ abcd МакКлинток, Джек (9 ноября 2003 г.). «Коммуникации: Гарольд Розен – провидец геостационарных спутников». Откройте для себя журнал . Проверено 25 августа 2019 г.
  13. ↑ Перкинс, Роберт (31 января 2017 г.). Гарольд Розен, 1926–2017 гг. Калтех . Проверено 25 августа 2019 г.
  14. ↑ abc Вартабедиан, Ральф (26 июля 2013 г.). «Как спутник Syncom изменил мир». Лос-Анджелес Таймс . Проверено 25 августа 2019 г.
  15. ^ Гловер, Дэниел Р. (1997). «Глава 6: Экспериментальные спутники связи НАСА, 1958–1995». В Эндрю Дж. Бутрике (ред.). За пределами ионосферы: пятьдесят лет спутниковой связи . НАСА. Бибкод : 1997bify.book.....B.
  16. ^ Дэвид Р. Уильямс (ред.). «Синком 2». НАСА . Проверено 29 сентября 2019 г.
  17. ^ «Запущен первый в мире геосинхронный спутник» . Исторический канал . Фокстел. 19 июня 2016 года. Архивировано из оригинала 7 декабря 2019 года . Проверено 25 августа 2019 г.
  18. ^ «МСЭ публикует глобальные и региональные оценки ИКТ за 2018 год» . Международный союз электросвязи . 7 декабря 2018 года . Проверено 25 августа 2019 г.
  19. ↑ Томпсон, Джефф (24 апреля 2019 г.). «Австралии обещали сверхбыструю широкополосную связь с NBN. Вот что мы получили». АВС . Проверено 25 августа 2019 г.
  20. ↑ Тибкен, Шара (22 октября 2018 г.). «В фермерской стране забудьте о широкополосной связи. У вас может вообще не быть Интернета. 5G не за горами, но некоторые районы Америки до сих пор не могут получить базовый доступ в Интернет». CNET . Проверено 25 августа 2019 г.
  21. ^ abcdefghijk Верц, 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 978-1-881883-10-4.
  22. ^ "Орбиты". ЕКА . 4 октября 2018 г. Проверено 1 октября 2019 г.
  23. ^ Аб Марал, Жерар; Буске, Мишель (24 августа 2011 г.). «2.2.1.2 Тундровые орбиты». Системы спутниковой связи: системы, методы и технологии. Джон Уайли и сыновья. ISBN 978-1-119-96509-1.
  24. ^ Дженкин, AB; Маквей, JP; Уилсон, младший; Зорге, Мэн (2017). Исследование орбиты утилизации тундры. 7-я Европейская конференция по космическому мусору. Управление космического мусора ЕКА. Архивировано из оригинала 2 октября 2017 года . Проверено 2 октября 2017 г.
  25. ^ «Восход Сириуса: Протон-М готов запустить на орбиту цифровой радиоспутник» . АмерикаКосмос . 18 октября 2013. Архивировано из оригинала 28 июня 2017 года . Проверено 8 июля 2017 г.
  26. ^ Японское агентство аэрокосмических исследований (14 июля 2016 г.), Спецификации интерфейса для QZSS, версия 1.7, стр. 7–8, заархивировано из оригинала 6 апреля 2013 г.
  27. ^ "Квазизенитная спутниковая орбита (QZO)" . Архивировано из оригинала 9 марта 2018 года . Проверено 10 марта 2018 г.
  28. ^ аб Фарбер, Николас; Арезини, Андреа; Вотье, Паскаль; Франкен, Филипп (сентябрь 2007 г.). Общий подход к восстановлению миссии на геостационарной переходной орбите. XX Международный симпозиум по динамике космических полетов. п. 2.
  29. ^ «Запуск спутников». ЕВМЕТСАТ . Архивировано из оригинала 21 декабря 2019 года . Проверено 26 января 2020 г.
  30. ↑ Дэвис, Джейсон (17 января 2014 г.). «Как вывести спутник на геостационарную орбиту». Планетарное общество . Проверено 2 октября 2019 г.
  31. ^ «Перемещение геостационарных спутников». Спутниковые сигналы . 22 февраля 2022 года. Архивировано из оригинала 27 ноября 2022 года . Проверено 23 мая 2023 г.
  32. ^ ab Патент США 5183225, Форвард, Роберт, «Статит: космический корабль, использующий визуальное давление и метод использования», опубликовано 2 февраля 1993 г. 
  33. ^ «Наука: полярный «спутник» может произвести революцию в сфере коммуникаций» . Новый учёный . № 1759. 9 марта 1991 года . Проверено 2 октября 2019 г.
  34. ↑ Эдвардс, Брэдли К. (1 марта 2003 г.). «Заключительный отчет фазы II космического лифта NIAC» (PDF) . Институт перспективных концепций НАСА . п. 26. Архивировано (PDF) оригинала 9 октября 2022 г.
  35. ^ «Часто задаваемые вопросы: орбитальный мусор» . НАСА. 2 сентября 2011 г. Архивировано из оригинала 23 марта 2020 г. . Проверено 9 февраля 2020 г.
  36. ^ ЕВМЕТСАТ (3 апреля 2017 г.). «Где умирают старые спутники». физ.орг .
  37. ↑ Стивенс, Маррик (12 декабря 2017 г.). «Угроза космического мусора для геосинхронных спутников сильно недооценена». Мир физики .
  38. ^ аб Генри, Калеб (30 августа 2017 г.). «Видео ExoAnalytic показывает извергающиеся обломки спутника Telkom-1» . SpaceNews.com .
  39. ^ «№ 40–1993: ОЛИМП: Конец миссии» (пресс-релиз). ЕКА . 26 августа 1993 г. 40–1993. Архивировано из оригинала 31 октября 2022 года . Проверено 23 мая 2023 г.
  40. ^ "Уведомление для пользователей спутника "Экспресс-АМ11" в связи с аварией космического корабля". Российская компания спутниковой связи. 19 апреля 2006 г. - через Spaceref.[ постоянная мертвая ссылка ]
  41. ↑ Данстан, Джеймс Э. (30 января 2018 г.). «А нас вообще волнует орбитальный мусор?». SpaceNews.com .
  42. ^ «Аномалия спутника AMC 9, связанная с энергетическим событием и внезапным изменением орбиты - космический полет 101» . spaceflight101.com . 20 июня 2017 г.
  43. ^ Чоботов, Владимир, изд. (1996). Орбитальная механика (2-е изд.). Вашингтон, округ Колумбия: Образовательная серия AIAA. п. 304. ИСБН 9781563471797. ОСЛК  807084516.
  44. ^ Валладо, Дэвид А. (2007). Основы астродинамики и приложения . Хоторн, Калифорния: Microcosm Press. п. 31. ОСЛК  263448232.

Внешние ссылки