Орбита тундры

Синхронная орбита с сильным наклоном и сильной эллиптичностью

Анимация двух орбит Тундры с наклоном 63,4° и разными эксцентриситетами. Видимая петля обусловлена ​​использованием неподвижной системы отсчета Земли , вращающейся совместно во время суточного движения ; орбиты Тундры представляют собой простые эллипсы в инерциальной системе отсчета с центром в Земле .  0,2 эксцентриситет  ·   0,3 эксцентриситет  ·   Земля

Орбита «Тундра» ( рус. : орбита «Тундра» ) — это сильно эллиптическая геосинхронная орбита с большим наклонением (приблизительно 63,4°), орбитальным периодом в одни звездные сутки и типичным эксцентриситетом между 0,2 и 0,3. Спутник, размещенный на этой орбите, проводит большую часть своего времени над выбранной областью Земли , явление, известное как пребывание в апогее , что делает их особенно подходящими для спутников связи, обслуживающих высокоширотные регионы.

Траектория движения спутника на орбите «Тундра» представляет собой замкнутую восьмерку с меньшей петлей над северным или южным полушарием. ^{[1] [2]} Это отличает их от орбит «Молния», предназначенных для обслуживания высокоширотных регионов, которые имеют такое же наклонение, но вдвое меньший период и не задерживаются над одним регионом. ^{[3] [4]}

Использует

Орбиты Тундра и Молния используются для предоставления пользователям высоких широт более высоких углов возвышения , чем геостационарная орбита . Это желательно, поскольку вещание на эти широты с геостационарной орбиты (выше экватора Земли ) требует значительной мощности 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 геоцентрические спутники, и, как правило, углы возвышения менее 10° могут вызывать проблемы, в зависимости от частоты связи. ^{[5] : 499  [6]}

Высокоэллиптические орбиты являются альтернативой геостационарным, поскольку они остаются над желаемыми высокоширотными регионами в течение длительных периодов времени в апогее. Однако их удобство смягчается стоимостью: для обеспечения непрерывного покрытия с орбиты Тундры требуется два спутника (три с орбиты Молнии). ^[3]

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

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

Предлагаемые варианты использования

В 2017 году Управление по космическому мусору ЕКА опубликовало документ, в котором предлагалось использовать орбиту типа «Тундра» в качестве орбиты утилизации старых геостационарных спутников с высоким наклонением, в отличие от традиционных орбит-захоронений . ^[3]

Характеристики

Типичная ^[7] орбита тундры имеет следующие свойства:

• 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 случае сплющенность Земли возмущает аргумент перигея спутника ( ) таким образом, что он постепенно меняется со временем. ^[1] Если мы рассмотрим только коэффициент первого порядка , перигей будет изменяться в соответствии с уравнением 1 , если только он не будет постоянно корректироваться с помощью включения двигателей для поддержания положения спутника. ${\displaystyle \omega }$ ${\displaystyle J_{2}}$

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

Чтобы избежать такого расхода топлива, орбита Тундры использует наклонение 63,4°, для которого коэффициент равен нулю, так что нет никаких изменений в положении перигея 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 90° также будет обслуживать высокие южные широты. Аргумент перигея 0° или 180° заставит спутник остановиться над экватором, но в этом будет мало смысла, так как 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 движения по земле с течением времени. Это контролируется большой полуосью орбиты. ^[7]

Эксцентриситет

Эксцентриситет выбирается для требуемого времени пребывания и изменяет форму наземной траектории. Орбита тундры обычно имеет эксцентриситет около 0,2; орбита с эксцентриситетом около 0,4, изменяющая наземную траекторию с восьмерки на каплю, называется орбитой супертундры . ^[11]

Большая полуось

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

Космические аппараты, использующие орбиты Тундры

Траектория орбиты QZSS , которая имеет схожие характеристики с орбитой Tundra, но имеет меньшее наклонение

С 2000 по 2016 год Sirius Satellite Radio , теперь часть Sirius XM Holdings , управляла созвездием из трех спутников на орбитах в тундре для спутникового радио . ^{[12] [13]} RAAN и средняя аномалия каждого спутника были смещены на 120°, так что когда один спутник выходил из позиции, другой проходил перигей и был готов взять на себя управление. Созвездие было разработано для лучшего охвата потребителей в далеких северных широтах, уменьшения воздействия городских каньонов и требовало всего 130 ретрансляторов по сравнению с 800 для геостационарной системы. После слияния Sirius с XM он изменил конструкцию и орбиту заменяющего спутника FM-6 с тундрового на геостационарный. ^{[14] [15]} Это дополнило уже геостационарный FM-5 (запущенный в 2009 году), ^[16] и в 2016 году Sirius прекратил вещание с тундровых орбит. ^{[17] [18] [19]} Спутники Sirius были единственными коммерческими спутниками, использовавшими орбиту Тундры. ^[20]

Японская система спутников Quasi-Zenith использует геосинхронную орбиту, похожую на орбиту Tundra, но с наклоном всего 43°. Она включает четыре спутника, следующих по одной и той же наземной траектории. Она испытывалась с 2010 года и полностью вступила в строй в ноябре 2018 года. ^[21]

Предлагаемые системы

Орбита Тундры рассматривалась для использования в проекте Европейского космического агентства «Архимед» — системе вещания, предложенной в 1990-х годах. ^{[13] [22]}

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

   Орбита тундры  ·    Орбита QZSS  ·   Молния орбита  ·   Земля

Смотрите также

• Эллиптическая орбита
• Список орбит
• Орбита Молнии

Ссылки

1. Fortescue, PW; Mottershead, LJ; Swinerd, G.; Stark, JPW (2003). "Раздел 5.7: высокоэллиптические орбиты". Системная инженерия космических аппаратов . John Wiley and Sons. ISBN 978-0-471-61951-2.
2. Дикинсон, Дэвид (2018). Вселенная сегодня. Полное руководство по наблюдению за космосом: все, что вам нужно знать, чтобы стать астрономом-любителем. Page Street Publishing. стр. 203. ISBN 9781624145452.
3. Jenkin, AB; McVey, JP; Wilson, JR; Sorge, ME (2017). Tundra Disposal Orbit Study. 7th European Conference on Space Debris. ESA Space Debris Office. Архивировано из оригинала 2017-10-02 . Получено 2017-10-02 .
4. Мортари, Д.; Уилкинс, М. П.; Брукколери, К. (2004). Созвездия цветов (PDF) (Отчет). стр. 4. Архивировано из оригинала (PDF) 2017-08-09 . Получено 2017-10-02 .
5. Илчев, Стойче Димов (2017). Теория глобального спутникового метеорологического наблюдения (GSMO). Том 1. Springer International Publishing. стр. 57. Bibcode :2018gsmo.book.....I. ISBN 978-3-319-67119-2. Получено 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 г. . Получено 16 апреля 2019 г. .
7. Марал, Жерар; Буске, Мишель (2011-08-24). "2.2.1.2 Орбиты Тундры". Спутниковые системы связи: системы, методы и технологии. John Wiley & Sons. ISBN 9781119965091.
8. Capderou, Michel (2005). Спутники. Springer. стр. 228. ISBN 9782287213175.
9. 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 .
10. 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.
11. Капдеру, Мишель (2006-01-16). Спутники: Орбиты и Миссии (PDF) . Springer. стр. 224. ISBN 978-2-287-27469-5. Архивировано (PDF) из оригинала 2018-05-17 . Получено 2019-04-30 .
12. "Sirius Rising: Proton-M готов вывести цифровой радиоспутник на орбиту". AmericaSpace . 2013-10-18. Архивировано из оригинала 28 июня 2017 года . Получено 8 июля 2017 года .
13. Capderou, Michel (2014-04-23). ​​Справочник по спутниковым орбитам: от Кеплера до GPS. Springer. стр. 290. Bibcode :2014hso..book.....C. ISBN 9783319034164.
14. Selding, Peter B. de (5 октября 2012 г.). «Sirius XM необходимо установить 600 новых наземных ретрансляторов». SpaceNews.com .
15. Бинковиц, Лия (24 октября 2012 г.). «Спутник Сириус прибывает в Удвар-Хейзи». Смитсоновский институт . Архивировано из оригинала 8 мая 2019 г. Получено 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 г. Получено 8 мая 2019 г.
17. Wiley Rein (19 ноября 2009 г.). Заявка на внесение изменений (отчет). Федеральная комиссия по связи . Архивировано из оригинала 2 октября 2017 г. Получено 2 февраля 2017 г.
18. Meyer, James E.; Frear, David J., ред. (2 февраля 2016 г.). Sirius XM Holdings 10-K 2015 Annual Report (PDF) (Отчет). Sirius XM Holdings. Архивировано (PDF) из оригинала 29 августа 2016 г. . Получено 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 утра. Seeking Alpha (отчет). Sirius XM Holdings Inc.
20. Бруно, Майкл Дж.; Перницка, Генри Дж. (2005). «Проектирование и стабилизация созвездия Тундра». Журнал космических аппаратов и ракет . 42 (5): 902–912. Bibcode : 2005JSpRo..42..902B. doi : 10.2514/1.7765.
21. "Quasi-Zenith Satellite Orbit (QZO)". Архивировано из оригинала 2018-03-09 . Получено 2018-03-10 .
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.