Геостационарная орбита

редактировать

Круговая орбита над экватором Земли, следуя направлению вращения Земли Два геостационарных спутника на одной орбите Вид 5 ° × 6 ° на часть геостационарного пояса, показывающий несколько геостационарных спутников. Те, у которых угол наклона 0 °, образуют диагональный пояс поперек изображения; Над этой линией видны несколько объектов с небольшим наклоном к экватору. Спутники точечные, в то время как звезды образовали небольшие следы из-за вращения Земли.

A геостационарной орбиты, также называемой геостационарной экваториальной орбитой (GEO ), является круговой геосинхронной орбитой в 35,786 км (22,236 миль) над экватором Земли и следует в направлении Вращение Земли.

Объект на такой орбите имеет период обращения, равный периоду вращения Земли, один звездный день, и поэтому наземным наблюдателям он кажется неподвижным, в фиксированном положении в небе. Концепция геостационарной орбиты была популяризирована писателем-фантастом Артуром Кларком в 1940-х годах как способ революционизировать телекоммуникации, и первый спутник, который будет размещен в таком виде орбита была запущена в 1963 году.

Спутники связи часто размещаются на геостационарной орбите, так что земные спутниковые антенны (расположенные на Земле) не должны вращаться, чтобы отслеживать их, но могут быть постоянно указывает на то место на небе, где расположены спутники. Метеорологические спутники также размещаются на этой орбите для мониторинга и сбора данных в реальном времени, а навигационные спутники - для определения известной точки калибровки и повышения точности GPS.

Геостационарные спутники запускаются по временной орбите и размещаются в слоте над определенной точкой на поверхности Земли. Орбита требует некоторого стационарного обслуживания, чтобы сохранить свое положение, и современные выведенные из эксплуатации спутники помещены на более высокую орбиту кладбища, чтобы избежать столкновений.

Содержание

  • 1 История
  • 2 Использование
    • 2.1 Связь
    • 2.2 Метеорология
    • 2.3 Навигация
  • 3 Реализация
    • 3.1 Запуск
    • 3.2 Распределение орбит
    • 3.3 Statite предложение
  • 4 Списанные спутники
    • 4.1 Космический мусор
  • 5 Свойства
    • 5.1 Наклон
    • 5.2 Период
    • 5.3 Эксцентриситет
    • 5.4 Орбитальная стабильность
    • 5.5 Определение геостационарной высоты
    • 5.6 Марс
  • 6 См. Также
  • 7 Примечания
  • 8 Ссылки
  • 9 Внешние ссылки

История

Syncom 2, первый геосинхронный спутник

Первое появление геостационарного спутника Орбита в популярной литературе упоминается в октябре 1942 года в первом рассказе Равносторонняя Венера, написанном Джорджем О. Смитом, но Смит не вдавался в подробности. Британский научный фантаст автор Артур Кларк популяризировал и расширил эту концепцию в статье 1945 года, озаглавленной «Внеземные ретрансляторы - могут ли ракетные станции обеспечить всемирное радиопокрытие?», Опубликованной в Wireless Журнал World. Кларк признал эту связь в своем предисловии к «Полной равносторонней Венере». Орбиту, которую Кларк впервые описал как полезную для спутников радиовещания и ретрансляции, иногда называют орбитой Кларка. Точно так же набор искусственных спутников на этой орбите известен как Пояс Кларка.

В технической терминологии орбита упоминается как геостационарная или геостационарная экваториальная орбита, причем термины используются в некоторой степени взаимозаменяемо.

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 связи. Телекоммуникации между США и Европой тогда были возможны только для 136 человек одновременно, и полагались на высокочастотные радиостанции и подводный кабель.

. В то время считалось, что для этого также потребуется большая ракета мощность для вывода спутника на геостационарную орбиту, и она не сможет выжить достаточно долго, чтобы оправдать затраты, поэтому вначале были предприняты усилия по созданию группировок спутников в низком или средняя околоземная орбита. Первыми из них были пассивные спутники с воздушным шаром Echo в 1960 году, за которыми последовал Telstar 1 в 1962 году. Хотя у этих проектов были трудности с уровнем сигнала и отслеживанием, которые можно было решить с помощью геостационарных спутников. концепция считалась непрактичной, поэтому Хьюз часто отказывался от средств и поддержки.

К 1961 году Розен и его команда создали цилиндрический прототип диаметром 76 см (30 дюймов) и высотой 38 см ( 15 дюймов), весом 11,3 кг (25 фунтов), легкий и достаточно маленький, чтобы вывести его на орбиту. Он был стабилизирован спином с помощью дипольной антенны, формирующей форму волны в форме блина. В августе 1961 года с ними был заключен контракт на создание настоящего спутника. 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 подвижных антенн, это было имел возможность ретранслировать телевизионные передачи и разрешил президенту США Джону Ф. Кеннеди звонить премьер-министру Нигерии Абубакару Тафава Балева с корабля 23 августа 1963 года.

Первым спутником, выведенным на геостационарную орбиту, был Syncom 3, который был запущен ракетой Delta D в 1964 году. Благодаря увеличенной полосе пропускания, этот спутник мог передавать прямую трансляцию Летние Олимпийские игры от Японии до Америки. С тех пор геостационарные орбиты широко используются, в частности, для спутникового телевидения.

Сегодня существуют сотни геостационарных спутников, обеспечивающих дистанционное зондирование и связь.

Хотя сейчас большинство населенных пунктов суши на планете иметь наземные средства связи (микроволновая печь, оптоволоконный ), с доступом к телефонной связи, охватывающим 96% населения, и доступом к Интернету 90%, некоторые сельские и отдаленные районы в развитых странах все еще зависят по спутниковой связи.

Использует

Большинство коммерческих спутников связи, вещательных спутников и спутников SBAS работают на геостационарных орбитах.

Связь

Геостационарные спутники связи полезны, потому что они видны с большой площади земной поверхности, простирающейся на 81 ° как по широте, так и по долготе. Они кажутся неподвижными в небе, что избавляет наземные станции от необходимости иметь подвижные антенны. Это означает, что наземные наблюдатели могут устанавливать небольшие, дешевые и стационарные антенны, которые всегда направлены на нужный спутник. Однако задержка становится значительной, поскольку для прохождения сигнала от наземного передатчика на экваторе к спутнику и обратно требуется около 240 мсек. Эта задержка создает проблемы для приложений, чувствительных к задержкам, таких как голосовая связь, поэтому спутники геостационарной связи в основном используются для однонаправленных развлечений и приложений, где альтернативы с низкой задержкой недоступны.

Геостационарные спутники находятся прямо над экватором и появляются ниже в небе до наблюдателя ближе к полюсам. По мере увеличения широты наблюдателя связь становится более сложной из-за таких факторов, как атмосферная рефракция, тепловое излучение Земли, препятствия на прямой видимости и отражения сигналов от земли или близлежащих структур.. На широтах выше примерно 81 ° геостационарные спутники находятся ниже горизонта и их вообще нельзя увидеть. По этой причине на некоторых российских спутниках связи использовались орбиты эллиптических Молния и Тундра, которые имеют отличную видимость на высоких широтах.

Метеорология

Всемирная сеть оперативных геостационарных метеорологических спутников используется для получения видимых и инфракрасных изображений земной поверхности и атмосферы для наблюдения за погодой, океанография и отслеживание атмосферы. По состоянию на 2019 год в работе или в режиме ожидания находится 19 спутников. Эти спутниковые системы включают:

Эти спутники обычно делают снимки в видимом и инфракрасном спектрах с пространственным разрешением от 0,5 до 4 квадратных километров. Охват обычно составляет 70 °, а в некоторых случаях и меньше.

Изображения с геостационарных спутников использовались для отслеживания вулканического пепла, измерения температуры верхней границы облаков и водяного пара, океанографии, измерение температуры земли и растительного покрова, облегчение прогнозирования пути циклона циклона и предоставление покрытия облаков в реальном времени и других данных отслеживания. Некоторая информация была включена в модели метеорологического прогнозирования, но из-за их широкого поля зрения, постоянного мониторинга и низкого разрешения изображения с геостационарных спутников погоды в основном используются для краткосрочных прогнозов и прогнозов в реальном времени.

Навигация

Зоны обслуживания спутниковых систем функционального дополнения (SBAS).

Геостационарные спутники могут использоваться для дополнения систем GNSS посредством ретрансляции часов, эфемериды и ионосферная коррекция ошибок (вычисленная из наземных станций известной позиции) и обеспечивает дополнительный опорный сигнал. Это повышает точность позиционирования примерно с 5 м до 1 м или меньше.

Прошлые и современные навигационные системы, использующие геостационарные спутники, включают:

Реализация

Запуск

Пример перехода n с временного GTO на GSO.. EchoStar XVII ·Земля.

Геостационарные 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. Кроме того, запуск с близкого расстояния к экватору позволяет скорости вращения Земли дать спутнику ускорение. На стартовой площадке должна быть вода или пустыня на востоке, чтобы любые вышедшие из строя ракеты не упали на населенный пункт.

Большинство ракет-носителей помещают геостационарные спутники непосредственно в геостационарную передачу орбита (GTO), эллиптическая орбита с апогеем на высоте GEO и низким перигеем . Затем бортовой движитель спутника используется для поднятия перигея, циркулярности и достижения GEO.

Распределение орбит

Все спутники на геостационарной орбите должны занимать одно кольцо над экватором. Требование разносить эти спутники друг от друга, чтобы избежать вредных радиочастотных помех во время работы, означает, что имеется ограниченное количество доступных 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 позициям (страны с одинаковой долготой, но разными широтой ) и радиочастотами. Эти споры разрешаются посредством механизма распределения Международного союза электросвязи в соответствии с Регламентом радиосвязи. В Боготской декларации 1976 года восемь стран, расположенных на экваторе Земли, заявили о своем суверенитете над геостационарными орбитами над своей территорией, но эти претензии не получили международного признания.

Предложение Statite

A statite - гипотетический спутник который использует радиационное давление от Солнца против солнечного паруса для изменения своей орбиты.

Он будет удерживать свое местоположение над темной стороной Земли на широте примерно 30 градусов. Статит неподвижен относительно системы Земля и Солнце, а не по сравнению с поверхностью Земли, и может уменьшить скопление в геостационарном кольце.

Списанные спутники

Для геостационарных спутников требуется некоторое станции сохраняют, чтобы сохранить свои позиции, и как только у них заканчивается топливо для двигателей, они обычно уходят на пенсию. Транспондеры и другие бортовые системы часто переживают топливо двигателя малой тяги, и, позволяя спутнику двигаться естественным образом на наклонную геосинхронную орбиту, некоторые спутники могут оставаться в использовании или же быть подняты на кладбищенскую орбиту. Этот процесс становится все более регулируемым, и спутники должны иметь 90% -ную вероятность перемещения на 200 км над геостационарным поясом в конце срока службы.

Космический мусор

Земля из космоса, окруженная маленькими белыми точками Компьютерное изображение космического мусора. Показаны два поля космического мусора: вокруг геостационарного космоса и на низкой околоземной орбите.

Космический мусор на геостационарной орбите обычно имеет более низкую скорость столкновения, чем на низкой околоземной орбите, поскольку все спутники GEO обращаются 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 GEO имеют ограниченную способность избегать любых обломков.

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

Несмотря на усилия по снижению риска, столкновения космических кораблей все же произошли. Телекоммуникационный спутник Европейского космического агентства Олимп-1 был сбит метеороидом 11 августа 1993 года и в конечном итоге переместился на орбиту кладбища, а в 2006 году российский спутник связи Экспресс-АМ11 был сбит неизвестным объектом и вышел из строя, хотя у его инженеров было достаточно времени контакта со спутником, чтобы отправить его на орбиту кладбища. В 2017 году оба AMC-9 и разошлись по неизвестной причине.

Свойства

Типичная геостационарная орбита имеет следующие свойства:

Наклон

Нулевое наклонение гарантирует, что орбита всегда остается над экватором, что делает ее неподвижной по отношению к широте с точки зрения наземного наблюдателя (и в справочном документе ECEF кадр).

Период

Орбитальный период равен ровно одному звездному дню. Это означает, что спутник будет возвращаться в ту же точку над поверхностью Земли каждый (звездный) день, независимо от другие орбитальные свойства. В частности, для геостационарной орбиты он обеспечивает сохранение той же долготы во времени. Этот период обращения, T, напрямую связан с большой полуосью орбиты по формуле:

T = 2 π a 3 μ {\ displaystyle T = 2 \ pi {\ sqrt {a ^ {3} \ over \ mu}}}T = 2 \ pi {\ sqrt {a ^ {3} \ over \ mu}}

где:

a - длина большой полуоси орбиты
μ {\ displaystyle \ mu}\ mu - это стандартный гравитационный параметр центрального тела

Эксцентриситет

Эксцентриситет равен нулю, что дает круговая орбита. Это гарантирует, что спутник не приближается или не удаляется от Земли, что может привести к его отслеживанию взад и вперед по небу.

Орбитальная стабильность

Геостационарная орбита может быть достигнута только на высоте, очень близкой к 35 786 км (22 236 миль) и прямо над экватором. Это соответствует орбитальной скорости 3,07 километра в секунду (1,91 мили в секунду) и периоду обращения 1436 минут, одному звездным дням. Это гарантирует, что спутник будет соответствовать периоду вращения Земли и будет иметь постоянную зону покрытия на земле. Все геостационарные спутники должны быть расположены на этом кольце.

Сочетание лунной гравитации, солнечной гравитации и сплющивания Земли на ее полюсах вызывает прецессию движение плоскости орбиты любого геостационарного объекта с периодом обращения около 53 лет и начальным градиентом наклона около 0,85 ° в год с достижением максимального наклона 15 ° через 26,5 лет. Чтобы исправить это возмущение, необходимы регулярные маневры по удержанию орбитальной станции, составляющие дельта-v примерно 50 м / с в год.

Второй эффект, который следует принять во внимание, - это продольный дрейф, вызванный асимметрией Земли - экватор имеет слегка эллиптическую форму. Имеются две устойчивые точки равновесия (75,3 ° в.д. и 108 ° з.д.) и две соответствующие нестабильные точки (165,3 ° в.д. и 14,7 ° з.д.). Любой геостационарный объект, расположенный между точками равновесия, будет (без каких-либо действий) медленно ускоряться в направлении устойчивого положения равновесия, вызывая периодическое изменение долготы. Коррекция этого эффекта требует маневров по удержанию станции с максимальной дельта-v около 2 м / с в год, в зависимости от желаемой долготы.

Солнечный ветер и излучение давление также оказывает на спутники небольшие силы: со временем они заставляют их медленно уходить с заданных орбит.

В отсутствие сервисных миссий с Земли или возобновляемого метода движения, потребление Топливо для двигателей малой тяги для удержания на станции накладывает ограничение на срок службы спутника. Двигатели на эффекте Холла, которые используются в настоящее время, могут продлить срок службы спутника за счет обеспечения высокой эффективности электрической тяги.

Определение геостационарной высоты

Сравнение геостационарная околоземная орбита с GPS, ГЛОНАСС, Galileo и Компас (средняя околоземная орбита) спутниковая навигационная система орбиты с орбитами Международной космической станции, космического телескопа Хаббла и созвездия Иридиум и номинальным размером Земли. Орбита Луны примерно в 9 раз больше (по радиусу и длине), чем геостационарная орбита.

Для круговых орбит вокруг тела центростремительная сила, необходимая для поддержания орбиты. (F c) равно гравитационной силе, действующей на спутник (F g):

F c = F g {\ displaystyle F_ {c} = F_ {g}}{\ displaystyle F_ {c} = F_ {g}}

Из Исаак Ньютон Универсальный закон всемирного тяготения,

F g = GME msr 2 {\ displaystyle F_ {g} = G {\ frac {M_ {E} m_ {s}} {r ^ {2 }}}}{\ displaystyle F_ {g} = G {\ frac {M_ {E} m_ {s}} {r ^ {2}}} } ,

где F g - гравитационная сила, действующая между двумя объектами, M E - масса Земли, 5,9736 × 10 кг, м с - масса спутника, r - расстояние между центрами их масс, а G - гравитационная постоянная, (6,67428 ± 0,00067) × 10 м кг с.

Величина ускорения (a) тела, движущегося по кругу, определяется как:

a = v 2 r {\ displaystyle a = {\ frac {v ^ {2}} { r}}}{\ displaystyle a = {\ frac {v ^ {2}} {r}}}

где v - величина скорости (т. е. скорость) е спутник. Из Второго закона движения Ньютона центростремительная сила F c определяется как:

F c = msv 2 r {\ displaystyle F_ {c} = m_ {s} { \ frac {v ^ {2}} {r}}}{\ displaystyle F_ {c} = m_ {s} { \ frac {v ^ {2}} {r}}} .

As F c = F g,

msv 2 r = GME msr 2 {\ displaystyle m_ {s} {\ frac {v ^ {2}} {r}} = G {\ frac {M_ {E} m_ {s}} {r ^ {2}}}}{\ displaystyle m_ {s} {\ frac {v ^ {2}} {r} } = G {\ frac {M_ {E} m_ {s}} {r ^ {2}}}} ,

, так что

v 2 = GME r {\ displaystyle { v ^ {2}} = G {\ frac {M_ {E}} {r}}}{\ displaystyle {v ^ {2}} = G {\ frac {M_ {E }} {r}}}

Замена v уравнением для скорости объекта, движущегося по окружности, дает:

(2 π р T) 2 = GME r {\ displaystyle \ left ({\ frac {2 \ pi r} {T}} \ right) ^ {2} = G {\ frac {M_ {E}} {r }}}{\ displaystyle \ left ({\ frac {2 \ pi r} {T} } \ right) ^ {2} = G {\ frac {M_ {E}} {r}}}

где T - период обращения (т.е. один звездный день), равный 86164,09054 с. Это дает уравнение для r:

r = GMET 2 4 π 2 3 {\ displaystyle r = {\ sqrt [{3}] {\ frac {G {M_ {E}} T ^ {2}} {4 \ pi ^ {2}}}}}{\ displaystyle r = {\ sqrt [{3}] {\ frac {G {M_ {E}} T ^ {2}} {4 \ pi ^ {2 }}}}}

Произведение GM E известно с гораздо большей точностью, чем любой фактор в отдельности; она известна как геоцентрическая гравитационная постоянная μ = 398 600,4418 ± 0,0008 км / с. Следовательно,

r = μ T 2 4 π 2 3 {\ displaystyle \ mathbf {r} = {\ sqrt [{3}] {\ frac {{\ boldsymbol {\ mu}} \ mathbf {T} ^ {2 }} {\ mathbf {4} {\ boldsymbol {\ pi}} ^ {2}}}}}{\ displaystyle \ mathbf {r} = {\ sqrt [{3}] {\ frac {{\ boldsymbol {\ mu}} \ mathbf {T} ^ {2}} {\ mathbf {4} {\ boldsymbol {\ pi}} ^ {2}}}}}

Итоговый радиус орбиты составляет 42 164 километра (26 199 миль). Вычитание экваториального радиуса Земли, 6 378 километров (3963 мили), дает высоту 35 786 километров (22 236 миль).

Орбитальная скорость вычисляется путем умножения угловой скорости на радиус орбиты. :

v = ω r ≈ 3074,6 м / с {\ displaystyle v = \ omega r \ quad \ приблизительно 3074,6 ~ {\ text {m / s}}}{\ displaystyle v = \ omega r \ quad \ приблизительно 3074,6 ~ {\ text {m / s}}}

Марс

То же метода, мы можем определить высоту орбиты для любой подобной пары тел, включая ареостационарную орбиту объекта по отношению к Марсу, если предположить, что он сферический (что он не является). гравитационная постоянная GM (μ) для Марса имеет значение 42 830 км, его экваториальный радиус составляет 3389,50 км, а известный период вращения (T) планеты составляет 1,02595676 земных дней ( 88 642,66 секунды). Используя эти значения, орбитальная высота Марса равна 17 039 км.

См. Также

  • Портал космических полетов

Примечания

Ссылки

Эта статья включает материалы общественного достояния из документа Администрации общих служб : «Федеральный стандарт 1037C».(в поддержку MIL-STD-188 )

Внешние ссылки

Последняя правка сделана 2021-05-21 05:50:25
Содержание доступно по лицензии CC BY-SA 3.0 (если не указано иное).
Обратная связь: support@alphapedia.ru
Соглашение
О проекте