Геостационарная орбита , также называемая геосинхронной экваториальной орбитой [a] ( GEO ), представляет собой круговую геосинхронную орбиту высотой 35 786 км (22 236 миль) над экватором Земли , радиусом 42 164 км (26 199 миль) от центра Земли и следующей направлению вращения Земли .
Объект на такой орбите имеет орбитальный период, равный периоду вращения Земли, одному звездному дню , и поэтому для наземных наблюдателей он кажется неподвижным, в фиксированном положении на небе. Концепция геостационарной орбиты была популяризирована писателем-фантастом Артуром Кларком в 1940-х годах как способ революционизировать телекоммуникации, и первый спутник , размещенный на такой орбите, был запущен в 1963 году.
Спутники связи часто размещаются на геостационарной орбите, так что наземным спутниковым антеннам не нужно вращаться, чтобы отслеживать их, но они могут быть постоянно направлены на положение в небе, где находятся спутники. Метеорологические спутники также размещаются на этой орбите для мониторинга в реальном времени и сбора данных, а навигационные спутники — для предоставления известной точки калибровки и повышения точности GPS.
Геостационарные спутники запускаются через временную орбиту и размещаются в слоте над определенной точкой на поверхности Земли. Орбита требует некоторого стационарного удержания, чтобы сохранять свое положение, и современные выведенные из эксплуатации спутники размещаются на более высокой орбите захоронения, чтобы избежать столкновений.
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 . [1] Первое упоминание геостационарной орбиты в популярной литературе было в октябре 1942 года в первой истории «Венера равносторонняя» Джорджа О. Смита , [2] 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» . [3] [4] Орбита, которую Кларк впервые описал как полезную для вещательных и ретрансляционных спутников связи, [4] иногда называется орбитой Кларка. [5] Аналогично, совокупность искусственных спутников на этой орбите известна как пояс Кларка. [6]
В технической терминологии орбита называется либо геостационарной, либо геосинхронной экваториальной орбитой, причем эти термины используются в некоторой степени взаимозаменяемо. [7]
Первый геостационарный спутник был разработан Гарольдом Розеном , когда он работал в Hughes Aircraft в 1959 году. Вдохновленный Спутником 1 , он хотел использовать геостационарный 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 . [8]
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, [9] поэтому первые усилия были направлены на созвездия спутников на низкой или средней околоземной орбите. [10] Первыми из них были пассивные спутники-шары Echo в 1960 году, за которыми последовал Telstar 1 в 1962 году. [11] Хотя эти проекты имели трудности с силой сигнала и отслеживанием, проблемы, которые можно было решить с помощью геостационарных орбит, концепция считалась непрактичной, поэтому Хьюз часто отказывал в финансировании и поддержке. [10] [8]
К 1961 году Розен и его команда создали цилиндрический прототип диаметром 76 сантиметров (30 дюймов), высотой 38 сантиметров (15 дюймов), весом 11,3 килограмма (25 фунтов), легкий и достаточно маленький, чтобы быть выведенным на орбиту. Он был стабилизирован вращением с помощью дипольной антенны, создающей луч в форме блина. [12] В августе 1961 года они были заключены контракт на начало строительства настоящего спутника. [8] 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 перемещения антенн, он мог ретранслировать телевизионные передачи и позволил президенту США Джону Ф. Кеннеди в Вашингтоне, округ Колумбия, позвонить премьер-министру Нигерии Абубакару Тафаве Балеве на борту USNS Kingsport, пришвартованного в Лагосе 23 августа 1963 года. [10] [13]
Первым спутником, выведенным на геостационарную орбиту, был Syncom 3 , запущенный ракетой Delta D в 1964 году. [14] Благодаря увеличенной пропускной способности этот спутник смог транслировать прямую трансляцию летних Олимпийских игр из Японии в Америку. Геостационарные орбиты широко используются с тех пор, в частности, для спутникового телевидения. [10]
Сегодня существуют сотни геостационарных спутников, обеспечивающих дистанционное зондирование и связь. [8] [15]
Хотя большинство населенных пунктов на планете теперь имеют наземные средства связи ( микроволновые , оптоволоконные ), телефонный доступ охватывает 96% населения, а доступ в Интернет — 90%, [16] некоторые сельские и отдаленные районы в развитых странах по-прежнему зависят от спутниковой связи. [17] [18]
Большинство коммерческих спутников связи , вещательных спутников и спутников SBAS работают на геостационарных орбитах. [19] [20] [21]
Геостационарные спутники связи полезны, поскольку они видны с большой площади поверхности Земли, простираясь на 81° по широте и 77° по долготе. [22] Они кажутся неподвижными в небе, что устраняет необходимость в наземных станциях иметь подвижные антенны. Это означает, что наземные наблюдатели могут устанавливать небольшие, дешевые и стационарные антенны, которые всегда направлены на нужный спутник. [23] : 537 Однако задержка становится значительной, поскольку для прохождения сигнала от наземного передатчика на экваторе до спутника и обратно требуется около 240 мс. [23] : 538 Эта задержка создает проблемы для чувствительных к задержке приложений, таких как голосовая связь, [24] поэтому геостационарные спутники связи в основном используются для однонаправленных развлечений и приложений, где альтернативы с низкой задержкой недоступны. [25]
Геостационарные спутники находятся прямо над головой на экваторе и кажутся ниже в небе для наблюдателя, находящегося ближе к полюсам. По мере увеличения широты наблюдателя связь становится более сложной из-за таких факторов, как атмосферная рефракция , тепловое излучение Земли , препятствия прямой видимости и отражения сигнала от земли или близлежащих сооружений. На широтах выше примерно 81° геостационарные спутники находятся ниже горизонта и вообще не видны. [22] Из-за этого некоторые российские спутники связи использовали эллиптические орбиты «Молния» и «Тундра» , которые имеют отличную видимость на высоких широтах. [26]
Всемирная сеть действующих геостационарных метеорологических спутников используется для предоставления видимых и инфракрасных изображений поверхности Земли и атмосферы для наблюдения за погодой, океанографии и атмосферного слежения. По состоянию на 2019 год в эксплуатации или в режиме ожидания находилось 19 спутников. [27] Эти спутниковые системы включают в себя:
Эти спутники обычно делают снимки в визуальном и инфракрасном спектре с пространственным разрешением от 0,5 до 4 квадратных километров. [35] Охват обычно составляет 70°, [35] а в некоторых случаях и меньше. [36]
Геостационарные спутниковые снимки использовались для отслеживания вулканического пепла , [37] измерения температуры верхней границы облаков и водяного пара, океанографии , [38] измерения температуры земли и растительного покрова, [39] [40] облегчения прогнозирования пути циклона , [34] и предоставления данных об облачности в реальном времени и других данных отслеживания. [41] Некоторая информация была включена в модели метеорологического прогнозирования , но из-за их широкого поля зрения, постоянного мониторинга и более низкого разрешения геостационарные метеорологические спутниковые снимки в основном используются для краткосрочного и реального прогнозирования. [42] [40]
Геостационарные спутники могут использоваться для дополнения систем GNSS путем ретрансляции часов , эфемерид и поправок на ионосферные ошибки (рассчитанных с наземных станций известного местоположения) и предоставления дополнительного опорного сигнала. [43] Это повышает точность определения местоположения примерно с 5 м до 1 м или меньше. [44]
К прошлым и настоящим навигационным системам, использующим геостационарные спутники, относятся:
Геостационарные 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, которое потребуется позже. [48] 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. [49]
Большинство ракет-носителей выводят геостационарные спутники непосредственно на геостационарную переходную орбиту (GTO), эллиптическую орбиту с апогеем на высоте GEO и низким перигеем . Затем бортовая двигательная установка спутника используется для подъема перигея, кругового движения и достижения GEO. [48] [50]
Спутники на геостационарной орбите должны все занимать одно кольцо над экватором . Требование разнести эти спутники, чтобы избежать вредных радиочастотных помех во время работы, означает, что доступно ограниченное количество орбитальных слотов, и, таким образом, только ограниченное количество спутников может работать на геостационарной орбите. Это привело к конфликту между разными странами, желающими получить доступ к одним и тем же орбитальным слотам (страны, находящиеся на одной долготе, но на разных широтах ) и радиочастотам . Эти споры решаются с помощью механизма распределения Международного союза электросвязи в соответствии с Регламентом радиосвязи . [51] [52] В Боготской декларации 1976 года восемь стран, расположенных на экваторе Земли, заявили о суверенитете над геостационарными орбитами над своей территорией, но эти претензии не получили международного признания. [53]
Статит — гипотетический спутник, который использует давление солнечного излучения на солнечный парус для изменения своей орбиты.
Он будет удерживать свое местоположение над темной стороной Земли на широте около 30 градусов. Статит неподвижен относительно системы Земли и Солнца, а не относительно поверхности Земли, и может ослабить перегрузку в геостационарном кольце. [54] [55]
Геостационарным спутникам требуется некоторое удержание на станции , чтобы сохранять свое положение, и как только у них заканчивается топливо для двигателей, их обычно снимают с эксплуатации. Транспондеры и другие бортовые системы часто переживают топливо для двигателей, и, позволяя спутнику естественным образом перейти на наклонную геосинхронную орбиту, некоторые спутники могут оставаться в эксплуатации, [56] или же быть поднятыми на орбиту захоронения . Этот процесс становится все более регулируемым, и спутники должны иметь 90%-ную вероятность перемещения более чем на 200 км выше геостационарного пояса в конце срока службы. [57]
Космический мусор на геостационарных орбитах обычно имеет более низкую скорость столкновения, чем на низкой околоземной орбите (НОО), поскольку все спутники ГСО вращаются в одной плоскости, на одной высоте и с одинаковой скоростью; однако наличие спутников на эксцентрических орбитах допускает столкновения на скорости до 4 км/с. Хотя столкновение сравнительно маловероятно, спутники ГСО имеют ограниченную возможность избегать любого мусора. [58]
На геосинхронной высоте объекты диаметром менее 10 см не видны с Земли, что затрудняет оценку их распространенности. [59]
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 , [60] а в 2006 году российский спутник связи Express-AM11 был поражен неизвестным объектом и стал неработоспособным, [61] 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. [62] [59] [63]
Типичная геостационарная орбита имеет следующие свойства:
Нулевой наклон гарантирует, что орбита все время остается над экватором, делая ее неподвижной по отношению к широте с точки зрения наземного наблюдателя (и в геоцентрической системе отсчета, фиксированной вокруг Земли). [23] : 122
Орбитальный период равен ровно одному сидерическому дню. Это означает, что спутник будет возвращаться в ту же точку над поверхностью Земли каждые (сидерические) сутки, независимо от других орбитальных свойств. Для геостационарной орбиты в частности, это гарантирует, что она будет удерживать ту же долготу с течением времени. [23] : 121 Этот орбитальный период, T , напрямую связан с большой полуосью орбиты через формулу:
где:
Эксцентриситет равен нулю, что создает круговую орбиту . Это гарантирует, что спутник не будет приближаться или удаляться от Земли, что заставило бы его двигаться вперед и назад по небу. [ 23] : 122
Геостационарная орбита может быть достигнута только на высоте, очень близкой к 35 786 километрам (22 236 миль) и прямо над экватором. Это соответствует орбитальной скорости 3,07 километра в секунду (1,91 мили в секунду) и орбитальному периоду 1436 минут, один звездный день . Это гарантирует, что спутник будет соответствовать периоду вращения Земли и будет иметь стационарный след на земле. Все геостационарные спутники должны быть расположены на этом кольце.
Сочетание лунной гравитации, солнечной гравитации и сплющивания Земли на полюсах вызывает прецессионное движение плоскости орбиты любого геостационарного объекта с орбитальным периодом около 53 лет и начальным градиентом наклона около 0,85° в год, достигая максимального наклона 15° через 26,5 лет. [64] [23] : 156 Для исправления этого возмущения необходимы регулярные маневры по поддержанию орбитальной станции , составляющие дельта-v около 50 м/с в год. [65]
Вторым эффектом, который следует учитывать, является продольный дрейф, вызванный асимметрией Земли – экватор слегка эллиптичен ( экваториальный эксцентриситет ). [23] : 156 Существуют две устойчивые точки равновесия (на 75,3° в. д. и 108° з. д.) и две соответствующие неустойчивые точки (на 165,3° в. д. и 14,7° з. д.). Любой геостационарный объект, помещенный между точками равновесия, будет (без какого-либо действия) медленно ускоряться в направлении устойчивого положения равновесия, вызывая периодическое изменение долготы. [64] Исправление этого эффекта требует маневров удержания станции с максимальной дельта-v около 2 м/с в год, в зависимости от желаемой долготы. [65]
Солнечный ветер и радиационное давление также оказывают небольшое воздействие на спутники: со временем они медленно отдаляются от своих предписанных орбит. [66]
При отсутствии миссий обслуживания с Земли или возобновляемого метода движения, потребление топлива двигателя для поддержания станции накладывает ограничение на срок службы спутника. Двигатели Холла , которые в настоящее время используются, имеют потенциал для продления срока службы спутника, обеспечивая высокоэффективную электрическую тягу . [65]
Для круговых орбит вокруг тела центростремительная сила, необходимая для поддержания орбиты ( F c ), равна гравитационной силе, действующей на спутник ( F g ): [67]
Из закона всемирного тяготения Исаака Ньютона ,
где F g — гравитационная сила, действующая между двумя объектами, ME — масса Земли,5,9736 × 10 24 кг , м с - масса спутника, r - расстояние между центрами их масс , а G - гравитационная постоянная ,(6,674 28 ± 0,000 67 ) × 10 −11 м 3 кг −1 с −2 . [67]
Величина ускорения a тела, движущегося по окружности, определяется по формуле:
где v — величина скорости ( т.е. скорость) спутника. Из второго закона движения Ньютона центростремительная сила F c определяется по формуле:
Так как Fc = Fg ,
так что
Заменив v на уравнение скорости объекта, движущегося по окружности, получим:
где T — орбитальный период (т.е. одни звездные сутки), и он равен86 164 .090 54 с . [68] Это дает уравнение для r : [69]
Произведение GM E известно с гораздо большей точностью, чем любой из факторов по отдельности; оно известно как геоцентрическая гравитационная постоянная μ =398 600 .4418 ± 0.0008 км 3 с −2 . Следовательно
Полученный радиус орбиты составляет 42 164 километра (26 199 миль). Вычитая экваториальный радиус Земли , 6 378 километров (3 963 мили), получаем высоту 35 786 километров (22 236 миль). [70]
Орбитальная скорость рассчитывается путем умножения угловой скорости на радиус орбиты:
Тем же методом можно определить высоту орбиты для любой подобной пары тел, включая ареостационарную орбиту объекта относительно Марса , если предположить, что он сферический (что не совсем так). [71] Гравитационная постоянная GM ( μ ) для Марса имеет значение42 830 км 3 с −2 , его экваториальный радиус составляет3 389 , 50 км , а известный период вращения ( T ) планеты равен1,025 956 76 земных дней (88 642 .66 с ). Используя эти значения, высота орбиты Марса равна17 039 км . [72]
В этой статье использованы материалы из общедоступного Федерального стандарта 1037C. Администрация общих служб . Архивировано из оригинала 22 января 2022 г. (в поддержку MIL-STD-188 ).