stringtranslate.com

Геосинхронная орбита

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

Геосинхронная орбита (иногда сокращенно ГСО ) — это орбита с центром в Земле , период обращения которой совпадает с вращением Земли вокруг своей оси, 23 часа, 56 минут и 4 секунды (один звездный день ). Синхронизация вращения и периода обращения означает, что для наблюдателя на поверхности Земли объект на геосинхронной орбите возвращается в точно такое же положение на небе после периода в один звездный день. В течение дня положение объекта на небе может оставаться неподвижным или описывать путь, как правило, 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]

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

Спутникам связи часто назначают геостационарные или близкие к геостационарным орбиты, так что спутниковые антенны , которые с ними связываются, не должны перемещаться, а могут быть постоянно направлены на фиксированное место в 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 особый 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 первой истории «Венера равносторонняя» Джорджа О. Смита , [3] но Смит не вдавался в подробности. Британский писатель-фантаст Артур К. Кларк популяризировал и расширил эту концепцию в статье 1945 года под названием «Внеземные ретрансляторы — могут ли ракетные станции обеспечить всемирное радиопокрытие?» , опубликованной в журнале Wireless World . Кларк признал эту связь во введении к «Полной Венере равносторонней» . [4] [5] Орбита, которую Кларк впервые описал как полезную для вещательных и ретрансляционных спутников связи, [5] иногда называется орбитой Кларка. [6] Аналогично, 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 в некоторой степени взаимозаменяемо. [8] [9] В частности, геосинхронная орбита Земли ( GEO ) может быть синонимом геосинхронной экваториальной орбиты [10] или геостационарной орбиты Земли [11] .

Первый геосинхронный спутник был разработан Гарольдом Розеном , когда он работал в Hughes Aircraft в 1959 году. Вдохновленный Спутником 1 , он хотел использовать геостационарный (геосинхронный экваториальный) спутник для глобализации коммуникаций. Телекоммуникации между США и Европой тогда были возможны между всего 136 людьми одновременно и зависели от высокочастотных радиостанций и подводного кабеля . [12]

В то время считалось, что для размещения спутника на геостационарной орбите потребуется слишком много ракетной мощности, и он не просуществует достаточно долго, чтобы оправдать расходы, [13] поэтому первые усилия были направлены на созвездия спутников на низкой или средней околоземной орбите. [14] Первыми из них были пассивные спутники-шары Echo в 1960 году, за которыми последовал Telstar 1 в 1962 году. [15] Хотя эти проекты имели трудности с силой сигнала и отслеживанием, которые можно было решить с помощью геостационарных спутников, эта концепция считалась непрактичной, поэтому Хьюз часто отказывал в финансировании и поддержке. [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 килограмма (25 фунтов); он был легким и небольшим, достаточно, чтобы быть выведенным на орбиту с помощью доступной тогда ракетной техники, был стабилизирован вращением и использовал дипольные антенны, создающие форму волны в форме блина. [16] В августе 1961 года они получили 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 мог ретранслировать телевизионные передачи и позволил президенту США Джону Ф. Кеннеди позвонить премьер-министру Нигерии Абубакару Тафаве Балеве с корабля 23 августа 1963 года. [14] [17]

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

Хотя в большинстве населенных пунктов на планете в настоящее время имеются наземные средства связи ( микроволновые , оптоволоконные ), которые часто имеют преимущества в 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 в развитых странах по-прежнему зависят от спутниковой связи. [19] [20]

Типы

Геостационарная орбита

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

Геостационарная экваториальная орбита (ГСО) — это круговая геосинхронная орбита в плоскости экватора Земли с радиусом приблизительно 42 164 км (26 199 миль) (измеренным от центра Земли). [21] : 156  Спутник на такой орбите находится на высоте приблизительно 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 он бы завис в одной и той же точке неба, т. е. не демонстрировал бы суточного движения , в то время как Солнце, Луна и звезды пересекали бы небо позади него. Такие орбиты полезны для телекоммуникационных спутников . [22]

Идеально стабильная геостационарная орбита — это идеал, к которому можно приблизиться лишь приблизительно. На практике спутник сходит 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 процессе, известном как удержание на месте . [21] : 156 

В конце концов, без использования двигателей, орбита станет наклонной, колеблясь между 0° и 15° каждые 55 лет. В конце срока службы спутника, когда топливо приближается к истощению, операторы спутников могут решить отказаться от этих дорогостоящих маневров для исправления наклона и контролировать только эксцентриситет. Это продлевает срок службы спутника, поскольку он потребляет меньше топлива с течением времени, но тогда спутник может использоваться только наземными антеннами, способными отслеживать движение NS. [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 спутниковая орбита

Многие объекты на геосинхронных орбитах имеют эксцентричные и/или наклонные орбиты. Эксцентриситет делает орбиту эллиптической и кажется, что она колеблется в направлении EW в небе с точки зрения наземной станции, в то время как наклон наклоняет орбиту по сравнению с экватором и заставляет ее казаться колеблющейся в направлении NS с точки зрения наземной станции. Эти эффекты объединяются, образуя аналемму ( рисунок 8). [21] : 122 

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

Орбита тундры

Орбита Tundra является эксцентричной геосинхронной орбитой, которая позволяет спутнику проводить большую часть времени, находясь над одним высокоширотным местоположением. Она находится под наклоном 63,4°, что является замороженной орбитой , что снижает необходимость в поддержании стационарности . [23] Для обеспечения непрерывного покрытия области необходимо не менее двух спутников. [24] Она использовалась спутниковым радио Sirius XM для улучшения мощности сигнала на севере США и в Канаде. [25]

Квазизенитная орбита

Система спутников Quasi-Zenith (QZSS) представляет собой систему из четырех спутников, которая работает на геосинхронной орбите с наклонением 42° и эксцентриситетом 0,075. [26] Каждый спутник находится над Японией , позволяя сигналам достигать приемников в городских каньонах , а затем быстро проходит над Австралией. [27]

Запуск

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

Геосинхронные спутники запускаются на восток на прямую орбиту, которая соответствует скорости вращения экватора. Наименьшее наклонение, на которое может быть запущен спутник, равно широте места запуска, поэтому запуск спутника из положения, близкого к экватору, ограничивает величину изменения наклона, необходимого позже. [28] Кроме того, запуск из положения, близкого к экватору, позволяет скорости вращения Земли придать спутнику ускорение. Место запуска должно иметь воду или пустыни на востоке, чтобы любые неудачные ракеты не упали на населенную территорию. [29]

Большинство ракет-носителей выводят геосинхронные спутники непосредственно на геосинхронную переходную орбиту (GTO), эллиптическую орбиту с апогеем на высоте GSO и ​​низким перигеем . Затем бортовая двигательная установка спутника используется для подъема перигея, кругового движения и достижения GSO. [28] [30]

Оказавшись на жизнеспособной геостационарной орбите, космический аппарат может изменить свое долготное положение, отрегулировав большую полуось таким образом, чтобы новый период был короче или длиннее звездных суток, чтобы осуществить кажущийся «дрейф» на восток или запад соответственно. Достигнув желаемой долготы, период космического аппарата восстанавливается до геосинхронного. [31]

Предлагаемые орбиты

Предложение штата

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

Он будет удерживать свое местоположение над темной стороной Земли на широте около 30 градусов. Он будет возвращаться в то же самое место на небе каждые 24 часа с точки зрения наблюдателя с Земли, так что функционально будет похож на геосинхронную орбиту. [32] [33]

Космический лифт

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

Отставные спутники

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

Геосинхронным спутникам требуется некоторое удержание на месте , чтобы оставаться на месте, и как только у них заканчивается топливо для двигателей и они становятся бесполезными, их переводят на более высокую орбиту захоронения . Сводить геосинхронные спутники с орбиты нецелесообразно, так как для этого потребуется гораздо больше топлива, чем при небольшом подъеме орбиты; а атмосферное сопротивление незначительно, что дает срок службы ГСО в тысячи лет. [35]

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

Космический мусор

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

Мусор диаметром менее 10 см не виден с Земли, что затрудняет оценку его распространенности. [38]

Несмотря на усилия по снижению риска, столкновения космических аппаратов происходили. Телекоммуникационный спутник Европейского космического агентства Olympus-1 был поражен метеоритом 11 августа 1993 года и в конечном итоге перешел на орбиту захоронения , [39] а в 2006 году российский спутник связи Express-AM11 был поражен неизвестным объектом и вышел из строя, [40] хотя его инженеры имели достаточно времени контакта со спутником, чтобы отправить его на орбиту захоронения. В 2017 году и AMC-9 , и Telkom-1 развалились по неизвестной причине. [41] [38] [42]

Характеристики

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

Геосинхронная орбита имеет следующие свойства:

Период

Все геосинхронные орбиты имеют орбитальный период, равный ровно одним сидерическим суткам. [43] Это означает, что спутник будет возвращаться в одну и ту же точку над поверхностью Земли каждые (сидерические) сутки, независимо от других орбитальных свойств. [44] [21] : 121  Этот орбитальный период, T, напрямую связан с большой полуосью орбиты через формулу:

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 все время остается над экватором, делая ее неподвижной по отношению к широте с точки зрения наземного наблюдателя (и в системе отсчета ECEF ). [21] : 122 

Другим популярным наклоном является 63,4° для орбиты Тундры, что гарантирует, что аргумент перигея орбиты не изменится со временем. [23]

Наземная колея

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

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ abcd Хауэлл, Элизабет. «Что такое геосинхронная орбита?». Space.com . Получено 15 июля 2022 г.
  2. ^ Нордунг, 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 небольшое, приземистое здание на окраине Норт-Лэндинга. Его швырнули в небо. ... Оно ... прибыло на ретрансляционную станцию ​​усталым и изношенным, ... когда оно достигло космической станции всего в пятистах милях над городом Норт-Лэндинг". Смит, Джордж О. (1976). Полная Венера Равносторонняя. 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 разрабатывал принципы синхронных спутников связи ...", МакАлир, Нил (1992). Артур К. Кларк. Contemporary Books. стр. 54. ISBN 978-0-809-24324-2.
  5. ^ ab Clarke, Arthur C. (октябрь 1945 г.). «Внеземные ретрансляторы — могут ли ракетные станции обеспечить всемирное радиопокрытие?» (PDF) . Wireless World . стр. 305–308. Архивировано из оригинала (PDF) 18 марта 2009 г. . Получено 4 марта 2009 г. .
  6. ^ Филлипс Дэвис (ред.). «Основы космического полета. Раздел 1. Часть 5. Геостационарные орбиты». NASA . Получено 25 августа 2019 г.
  7. ↑ Миллс, Майк (3 августа 1997 г.). «Войны за орбиту: Артур Кларк и глобальный спутник связи». The Washington Post Magazine . стр. 12–13 . Получено 25 августа 2019 г.
  8. ^ Kidder, SQ (2015). «Спутники и спутниковое дистанционное зондирование: [ неопределенно ] --> Орбиты». В North, Gerald; Pyla, John; Zhang, Fuqing (ред.). Encyclopedia of Atmospheric Sciences (2-е изд.). Elsiver. стр. 95–106. doi :10.1016/B978-0-12-382225-3.00362-5. ISBN 978-0-12-382225-3.
  9. ^ Браун, CD (1998). Проектирование миссии космического корабля (2-е изд.). Образовательная серия AIAA. стр. 81. ISBN 978-1-60086-115-4.
  10. ^ "Ariane 5 User's Manual Issue 5 Revision 1" (PDF) . Ariane Space. Июль 2011 г. Архивировано из оригинала (PDF) 4 октября 2013 г. Получено 28 июля 2013 г.
  11. ^ "Что такое орбита?". NASA . 25 октября 2001 г. Архивировано из оригинала 6 апреля 2013 г. Получено 10 марта 2013 г. Спутники , которые кажутся прикрепленными к какому-то месту на Земле, находятся на геосинхронной околоземной орбите (ГСО)... Спутники, направляющиеся на ГСО, сначала выходят на эллиптическую орбиту с апогеем около 23 000 миль. Включение ракетных двигателей в апогее затем делает орбиту круглой. Геосинхронные орбиты также называются геостационарными.
  12. ^ abcd МакКлинток, Джек (9 ноября 2003 г.). «Связь: Гарольд Розен – провидец геостационарных спутников». Журнал Discover . Получено 25 августа 2019 г.
  13. ↑ Перкинс, Роберт (31 января 2017 г.). Гарольд Розен, 1926–2017. Калтех . Получено 25 августа 2019 г.
  14. ^ abc Vartabedian, Ralph (26 июля 2013 г.). «Как спутник Syncom изменил мир». Los Angeles Times . Получено 25 августа 2019 г.
  15. ^ Гловер, Дэниел Р. (1997). "Глава 6: Экспериментальные спутники связи НАСА, 1958-1995". В Andrew J Butrica (ред.). Beyond The Ionosphere: Fifty Years of Satellite Communication . NASA. Bibcode :1997bify.book.....B.
  16. ^ Дэвид Р. Уильямс (ред.). «Синком 2». НАСА . Проверено 29 сентября 2019 г.
  17. ^ "World's First Geosynchronous Satellite Launched". History Channel . Foxtel. 19 июня 2016 г. Архивировано из оригинала 7 декабря 2019 г. Получено 25 августа 2019 г.
  18. ^ "МСЭ выпускает глобальные и региональные оценки ИКТ за 2018 год". Международный союз электросвязи . 7 декабря 2018 г. Получено 25 августа 2019 г.
  19. ^ Томпсон, Джефф (24 апреля 2019 г.). «Австралии обещали сверхбыстрый широкополосный доступ с NBN. Вот что мы получили». ABC . Получено 25 августа 2019 г.
  20. ^ Тибкен, Шара (22 октября 2018 г.). «В сельской местности забудьте о широкополосном доступе. У вас может вообще не быть интернета. 5G уже не за горами, но некоторые районы Америки все еще не могут получить базовый доступ в интернет». CNET . Получено 25 августа 2019 г.
  21. ^ abcdefghijk Wertz, James Richard; Larson, Wiley J. (1999). Larson, Wiley J.; Wertz, James R. (ред.). Анализ и проектирование космических миссий . Microcosm Press и Kluwer Academic Publishers. Bibcode : 1999smad.book.....W. ISBN 978-1-881883-10-4.
  22. ^ "Орбиты". ESA . ​​4 октября 2018 г. . Получено 1 октября 2019 г. .
  23. ^ ab Maral, Gerard; Bousquet, Michel (24 августа 2011 г.). "2.2.1.2 Tundra Orbits". Спутниковые системы связи: системы, методы и технологии. John Wiley & Sons. ISBN 978-1-119-96509-1.
  24. ^ Дженкин, AB; Маквей, JP; Уилсон, JR; Сорге, ME (2017). Tundra Disposal Orbit Study. 7th European Conference on Space Debris. ESA Space Debris Office. Архивировано из оригинала 2 октября 2017 г. Получено 2 октября 2017 г.
  25. ^ "Sirius Rising: Proton-M готов вывести цифровой радиоспутник на орбиту". AmericaSpace . 18 октября 2013 г. Архивировано из оригинала 28 июня 2017 г. Получено 8 июля 2017 г.
  26. ^ Японское агентство аэрокосмических исследований (14 июля 2016 г.), Спецификации интерфейса для QZSS, версия 1.7, стр. 7–8, архивировано из оригинала 6 апреля 2013 г.
  27. ^ "Quasi-Zenith Satellite Orbit (QZO)". Архивировано из оригинала 9 марта 2018 г. Получено 10 марта 2018 г.
  28. ^ ab Farber, Nicholas; Aresini, Andrea; Wauthier, Pascal; Francken, Philippe (сентябрь 2007 г.). Общий подход к восстановлению миссии на геостационарной переходной орбите. 20-й Международный симпозиум по динамике космического полета. стр. 2.
  29. ^ "Запуск спутников". EUMETSAT . Архивировано из оригинала 21 декабря 2019 г. Получено 26 января 2020 г.
  30. ^ Дэвис, Джейсон (17 января 2014 г.). «Как вывести спутник на геостационарную орбиту». Планетарное общество . Получено 2 октября 2019 г.
  31. ^ "Перепозиционирование геостационарных спутников". Спутниковые сигналы . 22 февраля 2022 г. Архивировано из оригинала 27 ноября 2022 г. Получено 23 мая 2023 г.
  32. ^ ab патент США 5183225, Форвард, Роберт, «Статит: космический аппарат, использующий визуальное давление и метод его использования», опубликовано 2 февраля 1993 г. 
  33. ^ "Наука: Полярный "спутник" может произвести революцию в области связи". New Scientist . № 1759. 9 марта 1991 г. Получено 2 октября 2019 г.
  34. ^ Эдвардс, Брэдли С. (1 марта 2003 г.). «The Space Elevator NIAC Phase II Final Report» (PDF) . NASA Institute for Advanced Concepts . стр. 26. Архивировано (PDF) из оригинала 9 октября 2022 г.
  35. ^ «Часто задаваемые вопросы: орбитальный мусор». NASA. 2 сентября 2011 г. Архивировано из оригинала 23 марта 2020 г. Получено 9 февраля 2020 г.
  36. ^ EUMETSAT (3 апреля 2017 г.). «Где умирают старые спутники». phys.org .
  37. ^ Стивенс, Маррик (12 декабря 2017 г.). «Угроза космического мусора для геостационарных спутников была радикально недооценена». Physics World .
  38. ^ ab Henry, Caleb (30 августа 2017 г.). «Видео ExoAnalytic показывает, как спутник Telkom-1 извергает обломки». SpaceNews.com .
  39. ^ "N° 40–1993: OLYMPUS: End of mission" (пресс-релиз). ESA . 26 августа 1993 г. 40–1993. Архивировано из оригинала 31 октября 2022 г. Получено 23 мая 2023 г.
  40. ↑ «Уведомление пользователей спутника «Экспресс-АМ11» в связи с аварией космического аппарата». ФГУП «Космическая связь». 19 апреля 2006 г. – через Spaceref.[ постоянная мертвая ссылка ]
  41. ^ Данстан, Джеймс Э. (30 января 2018 г.). «Заботимся ли мы вообще об орбитальном мусоре?». SpaceNews.com .
  42. ^ «AMC 9 Satellite Anomaly associated with Energetic Event & unexpected Orbit Change – Spaceflight101». spaceflight101.com . 20 июня 2017 г. Архивировано из оригинала 26 декабря 2019 г. Получено 27 января 2020 г.
  43. ^ Чоботов, Владимир, изд. (1996). Орбитальная механика (2-е изд.). Вашингтон, округ Колумбия: Образовательная серия AIAA. п. 304. ИСБН 9781563471797. OCLC  807084516.
  44. ^ Валладо, Дэвид А. (2007). Основы астродинамики и их применение . Хоторн, Калифорния: Microcosm Press. стр. 31. OCLC  263448232.

Внешние ссылки