Тундровая орбита

Высокоэллиптическая и сильно наклоненная синхронная орбита.

Анимация орбит Тундры с наклонением 63,4° в фиксированном земном кадре .  0,2 эксцентриситет  ·   0,3 эксцентриситет  ·   Земля

Орбита Тундры ( русский язык : орбита «Тундра» ) — высокоэллиптическая геосинхронная орбита с большим наклонением (около 63,4°), орбитальным периодом в один звездный день и типичным эксцентриситетом от 0,2 до 0,3. Спутник , размещенный на этой орбите, проводит большую часть своего времени над выбранной областью Земли . Это явление известно как пребывание в апогее , что делает его особенно подходящим для спутников связи, обслуживающих регионы высоких широт. Наземная траектория спутника на орбите Тундры представляет собой замкнутую цифру 8 с меньшей петлей над северным или южным полушарием. ^{[1] [2]} Это отличает их от орбит Молнии , предназначенных для обслуживания высокоширотных регионов, которые имеют такое же наклонение, но половину периода и не задерживаются над одним регионом. ^{[3] [4]}

Использование

Орбиты Тундра и Молния используются для предоставления пользователям высоких широт более высоких углов места , чем геостационарная орбита . Это желательно, поскольку вещание на эти широты с геостационарной орбиты (над экватором Земли ) требует значительной мощности из-за малых углов места , а также дополнительного расстояния и связанного с этим ослабления в атмосфере. Объекты, расположенные выше 81° широты, вообще не могут видеть геоцентрические спутники, и, как правило, углы места менее 10° могут вызвать проблемы, в зависимости от частоты связи. ^{[5] : 499  [6]}

Высокоэллиптические орбиты представляют собой альтернативу геостационарным, поскольку в апогее они остаются над желаемыми высокоширотными регионами в течение длительных периодов времени. Однако их удобство снижается стоимостью: для обеспечения непрерывного покрытия с орбиты Тундры требуются два спутника (три — с орбиты Молнии). ^[3]

Наземная станция, получающая данные от группировки спутников на высокоэллиптической орбите, должна периодически переключаться между спутниками и иметь дело с различной мощностью сигнала, задержкой и доплеровскими сдвигами по мере изменения дальности действия спутника по всей его орбите. Эти изменения менее выражены для спутников на тундровой орбите, учитывая их увеличенное расстояние от поверхности, что делает отслеживание и связь более эффективными. ^[7] Кроме того, в отличие от орбиты Молнии, спутник на орбите Тундры избегает прохождения поясов Ван Аллена . ^[8]

Несмотря на эти преимущества, орбита Тундры используется реже, чем орбита Молнии ^[8] , отчасти из-за более высокой требуемой энергии запуска. ^[1]

Предлагаемое использование

В 2017 году офис космического мусора ЕКА опубликовал документ, в котором предлагалось использовать орбиту, подобную Тундре, в качестве орбиты захоронения для старых геосинхронных спутников с высоким наклонением, в отличие от традиционных орбит-кладбищ . ^[3]

Характеристики

Типичная ^[7] орбита Тундры обладает следующими свойствами:

• Наклон: 63,4°
• Аргумент перигея: 270°.
• Период: 1436 минут
• Эксцентриситет: 0,24–0,4
• Большая полуось: 42 164 км (26 199 миль)

Наклонение орбиты

В общем, сжатие Земли нарушает аргумент перигея спутника ( ), так что он постепенно меняется со временем. ^[1] Если мы рассматриваем только коэффициент первого порядка , перигей будет меняться в соответствии с уравнением 1 , если только он не будет постоянно корректироваться с помощью поддержания положения двигателя. ${\displaystyle \omega }$ ${\displaystyle J_{2}}$

где – наклонение орбиты, – эксцентриситет, – среднее движение в градусах в сутки, – возмущающий фактор, – радиус Земли, – большая полуось, – в градусах в сутки. ${\displaystyle i}$ ${\displaystyle e}$ ${\displaystyle n}$ ${\displaystyle J_{2}}$ ${\displaystyle R_{E}}$ ${\displaystyle a}$ ${\displaystyle {\dot {\omega }}}$

Чтобы избежать такого расхода топлива, орбита Тундры использует наклонение 63,4 °, для которого коэффициент равен нулю, так что положение перигея не меняется с течением времени. ^{[9] [10] : 143  [7]} Это называется критическим наклонением, а орбита, спроектированная таким образом, называется замороженной орбитой . ${\displaystyle (4-5\sin ^{2}i)}$

Аргумент перигея

Аргумент перигея 270° помещает апогей в самую северную точку орбиты. Аргумент перигея в 90° также подойдет для высоких южных широт. Аргумент перигея 0° или 180° привел бы к тому, что спутник остановился бы над экватором, но в этом было бы мало смысла, поскольку это можно было бы лучше сделать с помощью обычной геостационарной орбиты . ^[7]

Период

Период в один звездный день гарантирует, что спутники будут следовать по одной и той же траектории с течением времени. Это контролируется большой полуосью орбиты. ^[7]

Эксцентриситет

Эксцентриситет выбирается в зависимости от требуемого времени выдержки и меняет форму колеи. Орбита Тундры обычно имеет эксцентриситет около 0,2; орбита с эксцентриситетом около 0,4, меняющая траекторию движения с восьмерки на каплевидную, называется орбитой Супертундры . ^[11]

Большая полуось

Точная высота спутника на орбите Тундры варьируется в зависимости от миссии, но типичная орбита будет иметь перигей примерно 25 000 километров (16 000 миль) и апогей 39 700 километров (24 700 миль), для большой полуоси 46 000 километров. (29 000 миль). ^[7]

Космический корабль, использующий орбиты Тундры

Наземная траектория орбиты QZSS , которая имеет характеристики, аналогичные орбите Тундры, но меньшее наклонение.

С 2000 по 2016 год компания Sirius Satellite Radio , ныне являющаяся частью Sirius XM Holdings , управляла группировкой из трёх спутников на орбитах Тундры для спутниковой радиосвязи . ^{[12] [13]} RAAN и средняя аномалия каждого спутника были смещены на 120°, так что , когда один спутник сошел с позиции, другой прошел перигей и был готов вступить во владение. Созвездие было разработано для лучшего охвата потребителей в крайних северных широтах, уменьшения воздействия городских каньонов и требовало всего 130 ретрансляторов по сравнению с 800 для геостационарной системы. После слияния «Сириуса» с XM компания изменила конструкцию и орбиту спутника-заменителя FM-6 с тундровой на геостационарную. ^{[14] [15]} Это дополнило уже геостационарный FM-5 (запущен в 2009 году), ^[16] а в 2016 году Сириус прекратил вещание с тундровых орбит. ^{[17] [18] [19]} Спутники Сириуса были единственными коммерческими спутниками, использовавшими орбиту Тундры. ^[20]

Японская спутниковая система «Квазизенит» использует геостационарную орбиту, аналогичную орбите Тундры, но с наклонением всего 43°. Он включает в себя четыре спутника, движущихся по одной и той же наземной траектории. Он проходил испытания с 2010 года и вступил в полную эксплуатацию в ноябре 2018 года. ^[21]

Предлагаемые системы

Орбита Тундры рассматривалась для использования в рамках проекта ЕКА «Архимед» — системы вещания, предложенной в 1990-х годах. ^{[13] [22]}

Сравнение орбиты Тундры, орбиты QZSS и орбиты Молнии - экваториальный вид

   Орбита тундры  ·    Орбита QZSS  ·   Орбита Молнии  ·   Земля

Смотрите также

• Эллиптическая орбита
• Список орбит
• Орбита Молнии

Рекомендации

1. Фортескью, PW; Моттерсхед, LJ; Свинерд, Г.; Старк, JPW (2003). «Раздел 5.7: высокоэллиптические орбиты». Системотехника космических аппаратов . Джон Уайли и сыновья. ISBN 978-0-471-61951-2.
2. Дикинсон, Дэвид (2018). Полное руководство «Вселенная сегодня» по наблюдению за космосом: все, что вам нужно знать, чтобы стать астрономом-любителем. Издательство Пейдж Стрит. п. 203. ИСБН 9781624145452.
3. 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 г. Проверено 2 октября 2017 г.
4. Мортари, Д.; Уилкинс, член парламента; Брукколери, К. (2004). Цветочные созвездия (PDF) (Отчет). п. 4. Архивировано из оригинала (PDF) 9 августа 2017 г. Проверено 2 октября 2017 г.
5. Ильчев, Стойче Димов (2017). Теория глобальных спутниковых метеорологических наблюдений (GSMO). Том. 1. Международное издательство Спрингер. п. 57. Бибкод :2018gsmo.book.....I. ISBN 978-3-319-67119-2. Проверено 16 апреля 2019 г.
6. 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. Архивировано (PDF) из оригинала 4 марта 2016 года . Проверено 16 апреля 2019 г.
7. 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 9781119965091.
8. Капдеру, Мишель (2005). Спутники. Спрингер. п. 228. ИСБН 9782287213175.
9. Киддер, Стэнли К.; Вондер Хаар, Томас Х. (18 августа 1989 г.). «Об использовании спутников на орбитах Молния метеорологических наблюдений средних и высоких широт». Журнал атмосферных и океанических технологий . 7 (3): 517. Бибкод : 1990JATOT...7..517K. doi : 10.1175/1520-0426(1990)007<0517:OTUOSI>2.0.CO;2 .
10. Вертц, 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.
11. Капдеру, Мишель (16 января 2006 г.). Спутники: Орбиты и миссии (PDF) . Спрингер. п. 224. ИСБН 978-2-287-27469-5. Архивировано (PDF) из оригинала 17 мая 2018 г. Проверено 30 апреля 2019 г.
12. «Восход Сириуса: Протон-М готов запустить на орбиту цифровой радиоспутник» . АмерикаКосмос . 18 октября 2013 г. Архивировано из оригинала 28 июня 2017 года . Проверено 8 июля 2017 г.
13. Капдеру, Мишель (23 апреля 2014 г.). Справочник по орбитам спутников: от Кеплера до GPS. Спрингер. п. 290. Бибкод : 2014hso..book.....C. ISBN 9783319034164.
14. Селдинг, Питер Б. де (5 октября 2012 г.). «Sirius XM необходимо установить 600 новых наземных ретрансляторов». SpaceNews.com .
15. Бинковиц, Лия (24 октября 2012 г.). «Спутник Сириус приходит в Удвар-Хази». Смитсоновский институт . Архивировано из оригинала 8 мая 2019 года . Проверено 8 мая 2019 г.
16. Кларк, Стивен (30 июня 2009 г.). «Новый радиоспутник Sirius XM выведен на орбиту». Space.com . Архивировано из оригинала 8 мая 2019 года . Проверено 8 мая 2019 г.
17. Уайли Рейн (19 ноября 2009 г.). Заявление о внесении изменений (Отчет). Федеральная комиссия по связи . Архивировано из оригинала 2 октября 2017 года . Проверено 2 февраля 2017 г.
18. Мейер, Джеймс Э.; Фрир, Дэвид Дж., ред. (2 февраля 2016 г.). Годовой отчет Sirius XM Holdings 10-K за 2015 год (PDF) (Отчет). Сириус ХМ Холдингс. Архивировано (PDF) из оригинала 29 августа 2016 года . Проверено 2 февраля 2017 г.
19. Мейер, Джеймс Э.; Фрир, Дэвид Дж., ред. (2 февраля 2017 г.). Sirius XM Holdings Inc. 10-K, 2 февраля 2017 г., 11:57. В поисках Альфа (Отчет). Сириус XM Holdings Inc.
20. Бруно, Майкл Дж.; Перницка, Генри Дж. (2005). «Проектирование и содержание тундрового созвездия». Журнал космических кораблей и ракет . 42 (5): 902–912. Бибкод : 2005JSpRo..42..902B. дои : 10.2514/1.7765.
21. "Квазизенитная спутниковая орбита (QZO)" . Архивировано из оригинала 9 марта 2018 г. Проверено 10 марта 2018 г.
22. Хехер, П.; Швейкерт, Р.; Верц, Т.; Шмидбауэр, А.; Фрэнк, Дж.; Гросскопф, Р.; Шрамм, Р.; Гейл, ПКТ; Харрис, РА (1996). «Цифровое аудиовещание (DAB) через спутники Archimedes / Media Star HEO». Мобильная и персональная спутниковая связь 2 . стр. 150–161. дои : 10.1007/978-1-4471-1516-8_13. ISBN 978-3-540-76111-2.