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: Созвездие SDS , которое использует спутники на смеси геостационарных и молниеносных орбит. Созвездие спутников на орбите «Молния» использует три спутника на разных орбитальных плоскостях, с апогейами, сопоставимыми с апогейами геостационарных спутников.

Орбита Молнии ( русский: Молния , IPA: [ˈmolnʲɪjə] ⓘ , «Молния») — тип спутниковойорбиты, предназначенной для обеспечения связи идистанционного зондированияв высокихширотах. Этосильно эллиптическая орбитаснаклонением63,4градуса,аргументом перигея270 градусов иорбитальным периодомприблизительно в половинузвездных суток.[1]Название происходит от«Молния», сериисоветских/российскихгражданских и военныхспутников связи, которые использовали этот тип орбиты с середины 1960-х годов. Разновидностью орбиты «Молния» является так называемая трехапогейная (TAP) орбита, период которой составляет треть звездных суток.

Орбита «Молнии» имеет длительное время пребывания над интересующим полушарием , при этом очень быстро перемещаясь над другим. На практике это помещает ее либо над Россией, либо над Канадой на большей части ее орбиты, обеспечивая высокий угол обзора для спутников связи и мониторинга, охватывающих эти высокоширотные области. Геостационарные орбиты , которые обязательно наклонены над экватором , могут просматривать эти области только под низким углом, что затрудняет работу. На практике спутник на орбите «Молнии» служит той же цели для высоких широт, что и геостационарный спутник для экваториальных областей, за исключением того, что для непрерывного покрытия требуется несколько спутников. [2]

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

История

Орбита «Молния» была открыта советскими учеными в 1960-х годах как высокоширотная коммуникационная альтернатива геостационарным орбитам , которые требуют больших энергий запуска для достижения высокого перигея и изменения наклона орбиты над экватором (особенно при запуске с 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 через перигей. [5]

Впервые орбита «Молния» была использована серией спутников связи с тем же названием . После двух неудачных запусков и одной неудачи спутника в 1964 году, первый успешный спутник, использовавший эту орбиту, «Молния 1-1», был запущен 23 апреля 1965 года. [4] [6] Ранние спутники «Молния-1» использовались для гражданского телевидения, телекоммуникаций и дальней военной связи, но они также были оснащены камерами, используемыми для мониторинга погоды и, возможно, для оценки чистых зон для спутников-шпионов «Зенит» . [3] [7] Первоначальные спутники «Молния» имели срок службы около 1,5 лет, поскольку 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 на «Молнию-3». [4] Спутник под названием «Маяк» был разработан для дополнения и замены спутников «Молния» в 1997 году, но проект был отменен, [8] а «Молния-3» была заменена спутниками «Меридиан» , первый из которых был запущен в 2006 году. [9] Советские спутники раннего предупреждения УС-К , которые следят за запусками американских ракет, были запущены на орбитах «Молнии» с 1967 года как часть системы «Око» . [10] [11] [12]

С 1971 года американские военные спутники Jumpseat и Trumpet были запущены на орбиты «Молнии» (и, возможно, использовались для перехвата советских сообщений со спутников «Молния»). Подробная информация об обоих проектах остаётся засекреченной по состоянию на 2019 год . [13] За этим последовало американское созвездие SDS , которое работает на смеси орбит «Молнии» и геостационарных орбит. Эти спутники используются для ретрансляции сигналов с низколетящих спутников обратно на наземные станции в США и были активны в некотором качестве с 1976 года. [14] Российское созвездие спутников под названием «Тюльпан» было разработано в 1994 году для поддержки связи в высоких широтах, но оно не продвинулось дальше фазы планирования. [8]

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

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

Использует

Рисунок 3: Наземная траектория орбиты «Молнии». В рабочей части орбиты (четыре часа в каждую сторону от апогея) спутник находится севернее 55,5° с.ш. (широта, например, центральной Шотландии, Москвы и южной части Гудзонова залива). Спутник на этой орбите проводит большую часть времени 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 (выше экватора Земли ) требуется значительная мощность из-за низких углов возвышения , а также дополнительного расстояния и атмосферного затухания, которые с этим связаны. Места, расположенные выше 81° широты, вообще не могут видеть геостационарные спутники, и, как правило, углы возвышения менее 10° могут вызывать проблемы, в зависимости от частоты связи. [2] : 499  [18]

Спутник на орбите «Молния» лучше подходит для связи в этих регионах, поскольку он смотрит на них более прямо вниз на протяжении больших участков своей орбиты. С высотой апогея до 40 000 километров (25 000 миль) и точкой апогея подспутника 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, Гренландии и Канады. [2]

В то время как спутники на орбитах «Молнии» требуют значительно меньше энергии запуска, чем те, что на геостационарных орбитах (особенно при запуске с высоких широт), [4] их наземным станциям нужны управляемые антенны для отслеживания космического корабля, связи должны переключаться между спутниками в созвездии, а 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 по Южному полушарию

Похожие орбиты с аргументом перигея 90° могли бы обеспечить высокоширотное покрытие в южном полушарии. Предлагаемая группировка, Программа широкополосной связи в Антарктике , использовала бы спутники на перевернутой орбите Молния для предоставления услуг широкополосного интернета объектам в Антарктике . [23] [24] Первоначально финансировавшаяся ныне несуществующей Австралийской программой космических исследований , она не продвинулась дальше первоначальной разработки. [25] [26]

Созвездия Молнии

Постоянное высокоширотное покрытие большой площади Земли (например, всей России, где южные части находятся примерно в 45°  с.ш.) требует созвездия по крайней мере из трех космических аппаратов на орбитах «Молнии». Если используются три космических аппарата, то каждый космический аппарат будет активен в течение восьми часов на орбите, сосредоточенной вокруг апогея, [2], как показано на рисунке 4. Рисунок 5 показывает поле зрения спутника вокруг апогея.

Земля совершает половину оборота за двенадцать часов, поэтому апогеи последовательных орбит «Молнии» будут чередоваться между одной половиной северного полушария и другой. Для первоначальной орбиты «Молнии» апогеи располагались над Россией и Северной Америкой, но, изменяя прямое восхождение восходящего узла, это можно изменить. [19] Покрытие со спутника на орбите «Молнии» над Россией показано на рисунках 6–8, а над Северной Америкой — на рисунках 9–11.

Орбиты трех космических аппаратов должны тогда иметь одинаковые орбитальные параметры, но разные прямые восхождения восходящих узлов, с их проходами через апогеи, разделенными 7,97 часами. [2] [27] Поскольку каждый спутник имеет операционный период приблизительно восемь часов, когда один космический аппарат проходит четыре часа после своего прохождения апогея (см. рисунок 8 или рисунок 11), то следующий спутник войдет в свой операционный период с видом Земли, показанным на рисунке 6 (или рисунке 9), и переключение может произойти. Обратите внимание, что два космических аппарата во время переключения разделены примерно 1500 километрами (930 миль), так что наземным станциям нужно только переместить свои антенны на несколько градусов, чтобы захватить новый космический аппарат. [28]

Диаграммы

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

Характеристики

Типичная орбита «Молнии» имеет следующие свойства:

Аргумент перигея

Аргумент перигея установлен на 270°, что приводит к тому, что спутник достигает апогея в самой северной точке своей орбиты. Для любых будущих применений над южным полушарием он будет установлен на 90°. [24]

Наклонение орбиты

В общем, сплющенность Земли возмущает аргумент перигея ( ), так что он постепенно меняется со временем. Если мы рассмотрим только коэффициент первого порядка , перигей будет меняться в соответствии с уравнением 1 , если только он не будет постоянно корректироваться с помощью удержания станции двигателями.

где — наклон орбиты, — эксцентриситет, — среднее движение в градусах в день, — возмущающий фактор, — радиус Земли, — большая полуось, — в градусах в день.

Чтобы избежать такого расхода топлива, орбита «Молнии» использует наклонение 63,4°, для которого коэффициент равен нулю, так что нет никаких изменений в положении перигея с течением времени. [20] [19] : 143  Орбита, спроектированная таким образом, называется замороженной орбитой .

Период обращения

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

Однако сплющенность 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 день. [19] : 143 

Поскольку наклон орбиты Молнии фиксирован (как указано выше), это возмущение составляет градусов в день. Для компенсации орбитальный период корректируется таким образом, чтобы долгота апогея изменялась достаточно, чтобы компенсировать этот эффект. [20]

Эксцентриситет

Эксцентриситет орбиты основан на разнице высот ее апогея и перигея. Чтобы максимизировать количество времени, которое спутник проводит над апогеем, эксцентриситет должен быть установлен как можно выше [ сломанный якорь ] . Однако перигей должен быть достаточно высоким, чтобы удерживать спутник существенно выше атмосферы для минимизации сопротивления (~600 км), а орбитальный период должен быть примерно равен половине звездных суток (как указано выше). Эти два фактора ограничивают эксцентриситет, который становится приблизительно 0,737. [20]

Большая полуось

Точная высота спутника на орбите «Молнии» варьируется в зависимости от миссии, но типичная орбита будет иметь высоту перигея около 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 с использованием орбит «Молнии» ученые используют упрощенную модель возмущений SDP4 , которая вычисляет местоположение спутника на основе формы орбиты, сопротивления, излучения, гравитационных эффектов от Солнца и Луны, а также условий резонанса Земли. [29]

Смотрите также

Ссылки

  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 Ilčev, Stojče Dimov (2017). Теория глобального спутникового метеорологического наблюдения (GSMO). Том 1. Springer International Publishing. С. 57. ISBN 978-3-319-67119-2. Получено 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. Greenwood Publishing Group. стр. 416. ISBN 978-1-85109-514-8. Получено 17 апреля 2019 г. .
  4. ^ abcd Мартин, Дональд Х. (2000). Спутники связи (4-е изд.). Американский институт аэронавтики и астронавтики . С. 215–232. ISBN 978-1-884989-09-4. Получено 17 апреля 2019 г. .
  5. ^ Капдеру, Мишель (23 апреля 2014 г.). Справочник по спутниковым орбитам: от Кеплера до GPS. Springer Science & Business. стр. 393. Bibcode :2014hso..book.....C. ISBN 978-3-319-03416-4. Получено 16 апреля 2019 г. .
  6. ^ Предварительный анализ первого успешного советского спутника связи (PDF) (Отчет). ЦРУ : Управление научной разведки. 12 декабря 2003 г. стр. 3. Архивировано из оригинала (PDF) 23 января 2017 г. Получено 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) 2018-03-27 . Получено 2018-03-27 .
  8. ^ ab Heyman, Jos (декабрь 2015 г.). Heyman, Jos (ред.). Cancelled projects: Russian comsats (PDF) (Report). Vol. 41. IAC 2017: Tiros Space Information News Bulletin. стр. 4. Архивировано из оригинала (PDF) 5 марта 2019 г. Получено 16 апреля 2019 г.{{cite report}}: CS1 maint: местоположение ( ссылка )
  9. ↑ Грэм, Уильям (4 мая 2011 г.). «Soyuz 2-1a launches with Russian Meridian 4 military satellite». NASASpaceflight.com . Получено 16 апреля 2019 г. .
  10. ^ Форден, Джеффри (3 мая 2001 г.). «Снижение общей опасности: совершенствование системы раннего оповещения России» (PDF) . Анализ политики Cato № 399 : 5. Получено 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. Bibcode :2002S&GS...10...21P. CiteSeerX 10.1.1.692.6127 . doi :10.1080/08929880212328. ISSN  0892-9882. S2CID  122901563. Архивировано из оригинала (PDF) 2012-03-15. 
  12. ^ "Россия ослеплена потерей спутника обнаружения ракет". Moscow Times. 26 июня 2014 г. Получено 16 апреля 2019 г.
  13. ^ Грэм, Уильям (23 сентября 2017 г.). «Atlas V запускает шпионский спутник NROL-42». NASASpaceflight.com . Получено 16 апреля 2019 г. .
  14. ^ Ричельсон, Джеффри Т. (2002). Волшебники Лэнгли. Внутри Управления науки и технологий ЦРУ . Боулдер: Westview Press . ISBN 978-0-8133-4059-3. Получено 17 апреля 2019 г. .
  15. ↑ Томаш Новаковски (17 ноября 2015 г.). «Российская ракета «Союз-2.1б» успешно вывела на орбиту спутник «Тундра». Spaceflight Insider.
  16. ↑ Курт Годвин (25 мая 2017 г.). «Ракета «Союз» успешно вывела спутник раннего предупреждения ЕКС-2 на редкую орбиту». Spaceflight Insider.
  17. ↑ Кларк, Стивен (25 мая 2017 г.). «Россия отправляет военный спутник на орбиту для предупреждения о ракетном нападении – Spaceflight Now».
  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 . Получено 16 апреля 2019 г. .
  19. ^ abcd 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 1-881883-10-8.
  20. ^ abcdef Киддер, Стэнли К.; Вондер Хаар, Томас Х. (18 августа 1989 г.). «Об использовании спутников на орбитах «Молния» для метеорологического наблюдения в средних и высоких широтах». Журнал атмосферных и океанических технологий . 7 (3): 517. Bibcode :1990JAtOT...7..517K. doi : 10.1175/1520-0426(1990)007<0517:OTUOSI>2.0.CO;2 .
  21. ^ King-Hele, DG (январь 1975). "Орбитальная жизнь спутников "Молния"". Журнал Британского межпланетного общества . 28 : 783–796. Bibcode : 1975JBIS...28..783K.
  22. ^ Ван дер Ха, Йозеф К., ред. (ноябрь 1997 г.). Разработка и реализация миссий спутниковых созвездий: Труды международного семинара, состоявшегося в Тулузе, Франция. Springer-Science. стр. 67. ISBN 9401061378. Получено 16 апреля 2019 г. .
  23. ^ "Antarctic Broadband program". rsaa.anu.edu.au . Australian National University . Получено 12 апреля 2019 г. .
  24. ^ ab Bonin, Grant; Zee, Robert; Brett, Michael; King, Jan; Faber, Daniel (октябрь 2012 г.). Антарктический широкополосный доступ: быстрый Интернет для дна Земли. IAC 2012. Получено 12 апреля 2019 г.
  25. ^ Bird, Cameron, ed. (17 ноября 2015 г.). Окончательная оценка Австралийской программы космических исследований (PDF) (Отчет). Департамент промышленности, инноваций и науки. Архивировано из оригинала (PDF) 5 марта 2019 г. . Получено 12 апреля 2019 г. .
  26. ^ Демпстер, Эндрю (15 мая 2018 г.). «Поскольку появляются подробности о новом космическом агентстве Австралии, мы (возможно) наконец-то начнем». The Conversation . Получено 12 апреля 2019 г.
  27. ^ Киддер, Стэнли К.; Вондер Хаар, Томас Х. (июнь 1990 г.). «Об использовании спутников на орбитах «Молнии» для метеорологических наблюдений в средних и высоких широтах». Журнал атмосферных и океанических технологий . 7 (3): 519. Bibcode :1990JAtOT...7..517K. doi : 10.1175/1520-0426(1990)007<0517:OTUOSI>2.0.CO;2 .
  28. ^ Sturdivant, RL; Chon, EKP (2016). «Системная инженерия терабитного эллиптического орбитального спутника и наземной станции с фазированной решеткой для подключения к Интернету вещей и доступа потребителей в Интернет». IEEE Access . 4 : 9947. doi : 10.1109/ACCESS.2016.2608929 .
  29. ^ Hoots, Felix R.; Roehrich, Ronald L. (31 декабря 1988 г.). Models for Propagation of NORAD Element Sets (PDF) (Отчет). Отчет Министерства обороны США Spacetrack . Получено 16 июня 2010 г.

Внешние ссылки