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]
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]
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]
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
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
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]
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]
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]
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]
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]
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 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]
Геосинхронная орбита обладает следующими свойствами:
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:
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]
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
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.