Это хорошая статья. Для получения дополнительной информации нажмите здесь.
Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Анимация (не в масштабе), показывающая геосинхронный спутник, вращающийся вокруг Земли.

Геостационарной орбите (иногда сокращенно ГСО ) является геоцентрической орбите с орбитальным периодом , который соответствует вращению Земли вокруг своей оси, 23 часа, 56 минут и 4 секунды (один сидерический день ). Синхронизация вращения и орбитального периода означает, что для наблюдателя на поверхности Земли объект на геостационарной орбите возвращается в точно такое же положение на небе после периода в один звездный день. В течение дня положение объекта в небе может оставаться неподвижным или определять путь, обычно в форме восьмерки , точные характеристики которой зависят от наклона орбиты и эксцентриситета.. Круговая геосинхронная орбита имеет постоянную высоту 35 786 км (22 236 миль), и все геосинхронные орбиты имеют общую большую полуось.

Частным случаем геостационарной орбиты является геостационарная орбита , которая представляет собой круговую геостационарную орбиту в экваториальной плоскости Земли . Спутник на геостационарной орбите остается в том же положении в небе для наблюдателей на поверхности.

Спутники связи часто размещаются на геостационарных орбитах или близких к геостационарным, так что спутниковые антенны, которые связываются с ними, не должны перемещаться, а могут быть постоянно нацелены на фиксированное место в небе, где появляется спутник.

История [ править ]

Геосинхронная орбита была популяризирована писателем-фантастом Артуром Кларком , поэтому ее иногда называют орбитой Кларка.

В 1929 году Герман Поточник описал как геостационарные орбиты в целом, так и частный случай геостационарной земной орбиты в частности как полезные орбиты для космических станций . [1] Первое появление на геостационарной орбите в популярной литературе был в октябре 1942 года, в первой Венеры равностороннего повести Джорджа О. Смита , [2] , но Смит не стал вдаваться в подробности. Британский фантаст автор Артур К. Кларк популяризовал и расширил понятие в 1945 статье под названием запредельно реле - Может станции Ракетные Give Worldwide радиопокрытия? , опубликовано вЖурнал Wireless World . Кларк признал эту связь в своем предисловии к «Полной равносторонней Венере» . [3] [4] Орбита, которую Кларк впервые описал как полезную для спутников радиовещания и ретрансляции [4] , иногда называют орбитой Кларка. [5] Точно так же набор искусственных спутников на этой орбите известен как Пояс Кларка. [6]

Syncom 2 : Первый геостационарный спутник

В технической терминологии геостационарные орбиты часто называют геостационарными, если они находятся примерно над экватором, но эти термины используются как синонимы. [7] [8] В частности, на геосинхронной околоземной орбите ( ГСО ) может быть синонимом геостационарной экваториальной орбиты , [9] , или на геостационарной орбите Земли . [10]

Первый геосинхронный спутник был разработан Гарольдом Розеном, когда он работал в Hughes Aircraft в 1959 году. Вдохновленный Спутником-1 , он хотел использовать геостационарный (геостационарный экваториальный) спутник для глобализации связи. Телекоммуникации между США и Европой тогда были возможны всего для 136 человек одновременно и полагались на высокочастотное радио и подводный кабель . [11]

В то время считалось, что для вывода спутника на геостационарную орбиту потребуется слишком большая мощность ракеты, и он не сможет выжить достаточно долго, чтобы оправдать затраты [12], поэтому на раннем этапе усилия были предприняты для создания группировок спутников с низкой или средней скоростью. Земная орбита. [13] Первыми из них были пассивные спутники на воздушном шаре Echo в 1960 году, за ними последовал Telstar 1 в 1962 году. [14] Хотя в этих проектах были трудности с уровнем сигнала и отслеживанием, которые можно было решить с помощью геосинхронных спутников, концепция была сочтена непрактичной. , поэтому Хьюз часто отказывался от средств и поддержки. [13] [11]

К 1961 году Розен и его команда создали цилиндрический прототип диаметром 76 сантиметров (30 дюймов), высотой 38 сантиметров (15 дюймов) и весом 11,3 килограмма (25 фунтов); он был легким и маленьким, достаточно маленьким, чтобы его можно было вывести на орбиту с помощью доступной тогда ракетной техники, был стабилизирован вращением и использовал дипольные антенны, генерирующие форму волны в форме блинов. [15] В августе 1961 года с ними был заключен контракт на строительство рабочего спутника. [11] Они потеряли Syncom 1 из- за отказа электроники, но Syncom 2 был успешно выведен на геостационарную орбиту в 1963 году. Хотя его наклонная орбита по- прежнему требовала движущихся антенн, он мог ретранслировать телевизионные передачи и позволял президенту США Джону Ф. Кеннедичтобы позвонить премьер-министру Нигерии Абубакару Тафава Балева с корабля 23 августа 1963 года. [13] [16]

Сегодня существуют сотни геосинхронных спутников, обеспечивающих дистанционное зондирование, навигацию и связь. [11] [17]

Хотя большинство населенных пунктов на планете в настоящее время имеют наземные средства связи ( микроволновые , оптоволоконные ), которые часто имеют преимущества в задержке и пропускной способности, а также телефонным доступом, охватывающим 96% населения, и доступом в Интернет 90% по состоянию на 2018 год, [18] некоторые сельские и отдаленные районы в развитых странах по-прежнему зависят от спутниковой связи. [19] [20]

Типы [ править ]

Геостационарная орбита [ править ]

Основная статья: Геостационарная орбита
Геостационарный спутник (зеленый) всегда остается над той же отмеченной точкой на экваторе (коричневый).

Геостационарная экваториальная орбита (GEO) - это круговая геостационарная орбита в плоскости экватора Земли с радиусом приблизительно 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, казалось бы, что он парит в одной и той же точке неба, т. Е. Не будет показывать дневное движение , в то время как Солнце, Луна и звезды будут перемещаться по небу позади него. Такие орбиты полезны для телекоммуникационных спутников . [22]

Совершенно устойчивая геостационарная орбита - это идеал, который можно только приблизить. На практике спутник смещается с этой орбиты из-за возмущений, таких как солнечный ветер , радиационное давление , вариации гравитационного поля Земли и гравитационный эффект Луны и Солнца , а двигатели используются для поддержания орбиты в известном процессе. как стационарный . [21] : 156

В конце концов, без использования двигателей, орбита станет наклонной, колеблясь от 0 ° до 15 ° каждые 55 лет. В конце срока службы спутника, когда топливо приближается к концу, операторы спутников могут решить пропустить эти дорогостоящие маневры, чтобы скорректировать наклон и контролировать только эксцентриситет. Это продлевает срок службы спутника, поскольку он со временем потребляет меньше топлива, но в этом случае спутник может использоваться только наземными антеннами, способными отслеживать движение НС. [21] : 156

Геостационарные спутники также будут иметь тенденцию дрейфовать вокруг одной из двух стабильных долгот 75 ° и 255 ° без удержания станции. [21] : 157

Эллиптические и наклонные геосинхронные орбиты [ править ]

Квази- Zenith орбиты спутника

Многие объекты на геосинхронных орбитах имеют эксцентрические и / или наклонные орбиты. Эксцентриситет делает орбиту эллиптической и, с точки зрения наземной станции, кажется, что она колеблется EW в небе, в то время как наклон наклоняет орбиту по сравнению с экватором и создает впечатление, что NS колеблется с наземной станции. Эти эффекты в совокупности образуют аналемму (цифра 8). [21] : 122

Спутники на эллиптических / эксцентрических орбитах должны отслеживаться управляемыми наземными станциями . [21] : 122

Орбита тундры [ править ]

Основная статья: Тундровая орбита

Тундровая орбита - это эксцентричная российская геосинхронная орбита, которая позволяет спутнику проводить большую часть времени в одном месте на высоких широтах. Он расположен под наклоном 63,4 °, что является замороженной орбитой , что снижает потребность в стационарном обслуживании . [23] Для обеспечения непрерывного покрытия территории необходимо как минимум два спутника. [24] Он использовался спутниковым радио Sirius XM для улучшения мощности сигнала в северных США и Канаде. [25]

Квазизенитная орбита [ править ]

Квазизенит спутниковая система (QZSS) представляет собой три спутниковая система , которая работает в геостационарной орбите с наклонением 42 ° и 0,075 эксцентриситета. [26] Каждый спутник находится над Японией , позволяя сигналам достигать приемников в городских каньонах, а затем быстро проходить над Австралией. [27]

Запустить [ редактировать ]

См. Также: Геостационарная переходная орбита
Пример перехода с геостационарной переходной орбиты (GTO) на геостационарную орбиту (GSO).
  EchoStar XVII  ·   Земля .

Геосинхронные спутники запускаются на восток на прямую орбиту, которая соответствует скорости вращения экватора. Наименьший наклон, на который может быть запущен спутник, - это широта стартовой позиции, поэтому запуск спутника близко к экватору ограничивает величину изменения наклона, которая потребуется позже. [28] Кроме того, запуск с близкого расстояния до экватора позволяет скорости вращения Земли дать спутнику импульс. На стартовой площадке должна быть вода или пустыня на востоке, чтобы неработающие ракеты не упали на населенный пункт. [29]

Большинство ракет-носителей выводят геосинхронные спутники непосредственно на геостационарную переходную орбиту (GTO), эллиптическую орбиту с апогеем на высоте ГСО и низким перигеем . Затем бортовой спутниковый движитель используется для поднятия перигея, циркуляции и выхода на ГСО. [28] [30]

Оказавшись на жизнеспособной геостационарной орбите, космический аппарат может изменить свое продольное положение, отрегулировав свою большую полуось так, чтобы новый период был короче или длиннее звездных суток, чтобы вызвать очевидный «дрейф» на восток или запад соответственно. После достижения желаемой долготы период космического корабля восстанавливается до геосинхронного. [ необходима цитата ]

Предлагаемые орбиты [ править ]

Предложение статита [ править ]

Statite гипотетический спутник , который использует радиационное давление от солнца против солнечного паруса , чтобы изменить его орбиту. [31]

Он будет удерживать свое местоположение над темной стороной Земли на широте примерно 30 градусов. Он будет возвращаться в одно и то же место в небе каждые 24 часа с точки зрения наблюдателя с Земли, поэтому функционально будет похож на геосинхронную орбиту. [31] [32]

Космический лифт [ править ]

Еще одна форма геосинхронной орбиты - теоретический космический лифт . Когда один конец прикреплен к земле, на высотах ниже геостационарного пояса лифт поддерживает более короткий орбитальный период, чем только за счет силы тяжести. [33]

Списанные спутники [ править ]

Компьютерное изображение космического мусора. Показаны два поля космического мусора: вокруг геосинхронного космоса и на низкой околоземной орбите.

Геосинхронные спутники требуют, чтобы какая-то станция сохраняла свое положение, и как только у них заканчивается топливо для двигателей и они перестают быть полезными, они перемещаются на более высокую орбиту кладбища . Невозможно спустить геосинхронные спутники с орбиты, так как для этого потребуется гораздо больше топлива, чем немного поднять орбиту, а сопротивление атмосферы незначительно, что дает срок службы ГСО в тысячи лет. [34]

Процесс вывода из эксплуатации становится все более регулируемым, и у спутников должна быть 90% -ная вероятность перемещения более 200 км над геостационарным поясом в конце срока службы. [35]

Космический мусор [ править ]

Основная статья: Космический мусор § Характеристика

Космический мусор на геостационарных орбитах обычно имеет более низкую скорость столкновения, чем на НОО, поскольку большинство спутников ГСО движутся по орбите в одной плоскости, высоте и скорости; однако наличие спутников на эксцентрических орбитах допускает столкновения со скоростью до 4 км / с. Хотя столкновение сравнительно маловероятно, спутники ГСО имеют ограниченную способность избегать любого мусора. [36]

Обломки диаметром менее 10 см не видны с Земли, что затрудняет оценку их распространенности. [37]

Несмотря на усилия по снижению риска, столкновения космических кораблей все же произошли. Европейское космическое агентство телекоммуникационного спутника Olympus-1 был поражен метеороидом от 11 августа 1993 года , и в конце концов перешел на орбиту захоронения , [38] , а в 2006 году Русский Экспресс-АМ11 спутник связи был поражен неизвестным объектом и выведены из строя, [39], хотя у инженеров было достаточно времени контакта со спутником, чтобы отправить его на орбиту кладбища. В 2017 году произошел разрыв и AMC-9, и Telkom-1 по неизвестной причине. [40] [37] [41]

Свойства [ править ]

Орбита геостационарного спутника с наклоном, с точки зрения наблюдателя с Земли ( ECI ) и наблюдателя, вращающегося вокруг Земли со скоростью вращения ( ECEF ).

Геостационарная орбита обладает следующими свойствами:

  • Период: 1436 минут (одни звездные сутки )
  • Большая полуось : 42 164 км [21] : 121

Период [ править ]

Все геосинхронные орбиты имеют орбитальный период, равный ровно одному звездному дню. [42] Это означает, что спутник будет возвращаться в одну и ту же точку над поверхностью Земли каждый (звездный) день, независимо от других орбитальных свойств. [43] [21] : 121 Этот орбитальный период T напрямую связан с большой полуосью орбиты по формуле:

куда:

а - длина большой полуоси орбиты
- стандартный гравитационный параметр центрального тела [21] : 137

Наклон [ править ]

Геосинхронная орбита может иметь любой наклон.

Спутники обычно имеют нулевой наклон, гарантируя, что орбита всегда остается над экватором, что делает ее неподвижной по отношению к широте с точки зрения наземного наблюдателя (и в системе отсчета ECEF ). [21] : 122

Другое популярное наклонение - 63,4 ° для тундровой орбиты, что гарантирует, что аргумент перигея орбиты не меняется со временем. [23]

Гусеница [ править ]

В частном случае геостационарной орбиты наземный трек спутника представляет собой единственную точку на экваторе . В общем случае геосинхронной орбиты с ненулевым наклоном или эксцентриситетом наземный путь представляет собой более или менее искаженную восьмерку, возвращающуюся в одни и те же места один раз в звездные сутки. [21] : 122

См. Также [ править ]

  • Суперсинхронная орбита
  • Подсинхронная орбита
  • Синхронная орбита
  • Геостационарная орбита
  • Геосинхронный спутник
  • Орбита кладбища
  • Высокая околоземная орбита
  • Список орбит
  • Список спутников на геостационарной орбите
  • Низкая околоземная орбита
  • Средняя околоземная орбита
  • Молния орбита

Ссылки [ править ]

  1. ^ Noordung, Герман (1929). Das Problem der Befahrung des Weltraums: Der Raketen-Motor (PDF) . Берлин: Ричард Карл Шмидт и Ко, стр. 98–100.
  2. ^ "(Сообщение Корвуса отправлено) в маленькое приземистое здание на окраине Северной Гавани. Его швырнули в небо. ... Он ... прибыл на ретрансляционную станцию ​​усталый и измученный ... когда добрался до космическая станция всего в пятистах милях над городом Норт-Лендинг ». Смит, Джордж О. (1976). Полная Венера равносторонняя . Нью-Йорк: Ballantine Books . С. 3–4. ISBN 978-0-345-28953-7.
  3. ^ "Поэтому вполне возможно, что эти истории повлияли на меня подсознательно, когда ... я разработал принципы синхронных спутников связи ...", Макалир, Нил (1992). Артур Кларк . Современные книги. п. 54. ISBN 978-0-809-24324-2.
  4. ^ a b Кларк, Артур С. (октябрь 1945 г.). "Внеземные ретрансляторы - могут ли ракетные станции обеспечить всемирное радиопокрытие?" (PDF) . Беспроводной мир . С. 305–308. Архивировано из оригинального (PDF) 18 марта 2009 года . Проверено 4 марта 2009 года .
  5. ^ Филлипс Дэвис (ред.). «Основы космического полета Раздел 1 Часть 5, Геостационарные орбиты» . НАСА . Проверено 25 августа 2019 года .
  6. ↑ Миллс, Майк (3 августа 1997 г.). «Орбитальные войны: Артур Кларк и спутник глобальной связи» . Журнал Вашингтон Пост . С. 12–13 . Проверено 25 августа 2019 года .
  7. Перейти ↑ Kidder, SQ (2015). "Спутники и спутниковое дистанционное зондирование: [ неопределенно ] -> Орбиты". На Севере, Джеральд; Пила, Джон; Чжан, Фуцин (ред.). Энциклопедия атмосферных наук (2-е изд.). Эльсивер. С. 95–106. DOI : 10.1016 / B978-0-12-382225-3.00362-5 . ISBN 978-0-12-382225-3.
  8. ^ Браун, CD (1998). Дизайн космических аппаратов (2-е изд.). Образовательная серия AIAA. п. 81. ISBN 978-1-60086-115-4.
  9. ^ «Руководство пользователя Ariane 5, выпуск 5, редакция 1» (PDF) . Ариан Спейс. Июль 2011. Архивировано из оригинального (PDF) 4 октября 2013 года . Проверено 28 июля 2013 года .
  10. ^ "Что такое орбита?" . НАСА . 25 октября 2001 . Проверено 10 марта 2013 года . Спутники, которые кажутся прикрепленными к какому-то месту на Земле, находятся на геостационарной орбите Земли (GEO) ... Спутники, направляющиеся на GEO, сначала выходят на эллиптическую орбиту с апогеем около 23 000 миль. Запуск ракетных двигателей в апогее делает орбиту круговой. Геостационарные орбиты еще называют геостационарными.
  11. ^ a b c d Макклинток, Джек (9 ноября 2003 г.). «Связь: Гарольд Розен - провидец геостационарных спутников» . Откройте для себя журнал . Проверено 25 августа 2019 года .
  12. ↑ Перкинс, Роберт (31 января 2017 г.). Гарольд Розен, 1926–2017 . Калтех . Проверено 25 августа 2019 года .
  13. ^ a b c Вартабедиан, Ральф (26 июля 2013 г.). «Как спутник Syncom изменил мир» . Лос-Анджелес Таймс . Проверено 25 августа 2019 года .
  14. ^ Гловер, Дэниел Р. (1997). «Глава 6: Экспериментальные спутники связи НАСА, 1958–1995» . В Эндрю Дж. Бутрика (ред.). За пределами ионосферы: пятьдесят лет спутниковой связи . НАСА. Bibcode : 1997bify.book ..... B .
  15. ^ Дэвид Р. Уильямс (ред.). «Синком 2» . НАСА . Проверено 29 сентября 2019 года .
  16. ^ "Первый в мире геосинхронный спутник запущен" . Исторический канал . Foxtel. 19 июня 2016 . Проверено 25 августа 2019 года .
  17. Рианна Хауэлл, Элизабет (24 апреля 2015 г.). "Что такое геосинхронная орбита?" . Space.com . Проверено 25 августа 2019 года .
  18. ^ «МСЭ публикует глобальные и региональные оценки ИКТ за 2018 год» . Международный союз электросвязи . 7 декабря 2018 . Проверено 25 августа 2019 года .
  19. ↑ Томпсон, Джефф (24 апреля 2019 г.). «Австралии обещали сверхбыструю широкополосную связь с NBN. Это то, что мы получили» . ABC . Проверено 25 августа 2019 года .
  20. ^ Tibken, Шар (22 октября 2018). «В сельской местности забудьте о широкополосной связи. У вас может вообще не быть Интернета. 5G уже не за горами, но в некоторых регионах Америки по-прежнему не может быть базового доступа к Интернету» . CNET . Проверено 25 августа 2019 года .
  21. ^ Б с д е е г ч я J к Wertz, Джеймс Ричард; Ларсон, Уайли Дж. (1999). Larson, Wiley J .; Верц, Джеймс Р. (ред.). Анализ и проектирование космических миссий . Microcosm Press и Kluwer Academic Publishers. Bibcode : 1999smad.book ..... W . ISBN 978-1-881883-10-4.
  22. ^ "Орбиты" . ЕКА . 4 октября 2018 . Проверено 1 октября 2019 года .
  23. ^ а б Марал, Жерар; Буске, Мишель (24 августа 2011 г.). «2.2.1.2 Орбиты тундры». Системы спутниковой связи: системы, методы и технологии . ISBN 978-1-119-96509-1.
  24. ^ Дженкин, AB; Маквей, JP; Уилсон, младший; Зорге, МЭ (2017). Исследование орбиты сброса тундры . 7-я Европейская конференция по космическому мусору. Управление космического мусора ЕКА. Архивировано из оригинального 2 -го октября 2017 года . Проверено 2 октября 2017 года .
  25. ^ «Восход Сириуса: Протон-М готов запустить цифровой радиоспутник на орбиту» . AmericaSpace . 18 октября 2013 года. Архивировано 28 июня 2017 года . Проверено 8 июля 2017 года .
  26. ↑ Японское агентство аэрокосмических исследований (14 июля 2016 г.), Спецификации интерфейса для QZSS , версия 1.7, стр. 7–8, заархивировано из оригинала 6 апреля 2013 г.
  27. ^ "Квазизенитная спутниковая орбита (QZO)" . Архивировано 9 марта 2018 года . Проверено 10 марта 2018 года .
  28. ^ а б Фарбер, Николас; Арезини, Андреа; Wauthier, Паскаль; Франкен, Филипп (сентябрь 2007 г.). Общий подход к восстановлению миссии на геостационарной переходной орбите . 20-й Международный симпозиум по динамике космического полета. п. 2.
  29. ^ "Запуск спутников" . ЕВМЕТСАТ .
  30. ^ Дэвис, Джейсон (17 января 2014 г.). «Как вывести спутник на геостационарную орбиту» . Планетарное общество . Проверено 2 октября 2019 года .
  31. ^ a b Патент США 5183225 , Форвард, Роберт, «Статит: космический аппарат, который использует давление зрения и метод использования», опубликованный 2 февраля 1993 г. 
  32. ^ «Наука: полярный« спутник »может произвести революцию в коммуникациях» . Новый ученый . No. 1759. 9 марта 1991 . Проверено 2 октября 2019 года .
  33. ↑ Эдвардс, Брэдли С. (1 марта 2003 г.). «Финальный отчет NIAC по фазе II космического лифта» (PDF) . Институт передовых концепций НАСА . п. 26.
  34. ^ «Часто задаваемые вопросы: орбитальный мусор» . НАСА. 2 сентября 2011 г.
  35. ^ ЕВМЕТСАТ (3 апреля 2017). «Куда уходят умирать старые спутники» . Phys.org .
  36. ^ Stephens, Marric (12 декабря 2017). «Угроза космического мусора для геостационарных спутников была сильно недооценена» . Мир физики .
  37. ^ Б Генри, Калеб (30 августа 2017). «Видео ExoAnalytic показывает, как спутник Telkom-1 извергает обломки» . SpaceNews.com .
  38. ^ «Олимп провал» ESA пресс - релиз , 26 августа 1993 года архивации 11 сентября 2007, в Wayback Machine
  39. ^ «Уведомление для пользователей спутника Экспресс-АМ11 в связи с отказом космического корабля» . Российская компания спутниковой связи. 19 апреля 2006 г. - через Spaceref.
  40. ↑ Данстан, Джеймс Э. (30 января 2018 г.). "Мы вообще заботимся об орбитальном мусоре?" . SpaceNews.com .
  41. ^ "Аномалия спутника AMC 9, связанная с энергетическим событием и внезапным изменением орбиты - космический полет101" . spaceflight101.com . 20 июня 2017 года.
  42. ^ Чоботы, Владимир, изд. (1996). Орбитальная механика (2-е изд.). Вашингтон, округ Колумбия: Образовательная серия AIAA. п. 304. ISBN 9781563471797. OCLC  807084516 .
  43. ^ Vallado, David A. (2007). Основы астродинамики и приложений . Хоторн, Калифорния: Microcosm Press. п. 31. OCLC 263448232 . 

Внешние ссылки [ править ]

  • Спутники, находящиеся в настоящее время на геостационарной орбите, список обновляется ежедневно
  • Наука @ НАСА - Геосинхронная орбита
  • НАСА - Планетарные орбиты
  • Данные Science Presse о геостационарных орбитах (включая исторические данные и статистику запусков)
  • Орбитальная механика (ракетно-космическая техника)
  • NASA Astronomy Picture of the Day: Промежуток времени с геостационарных спутников за пределами Альп (11 апреля 2012 г.)