Geostacionární oběžná dráha - Geostationary orbit

Dva geostacionární satelity na stejné oběžné dráze
Pohled 5 ° × 6 ° na část geostacionárního pásu, zobrazující několik geostacionárních satelitů. Ty se sklonem 0 ° tvoří diagonální pás přes obraz; nad touto čárou je vidět několik objektů s malým sklonem k rovníku . Satelity jsou přesné, zatímco hvězdy díky rotaci Země vytvořily stopy hvězd .

Geostacionární oběžné dráze , označovaný také jako geostacionární rovníkové oběžné dráze ( GEO ), je kruhová geostacionární oběžné dráze 35,786 kilometrů (22,236 mil) ve výšce nad zemským rovníkem (42,164 kilometrů poloměru od středu Země) a v návaznosti na směr z rotace Země .

Objekt na takové oběžné dráze má oběžnou dobu rovnou rotační periodě Země, jeden hvězdný den , a tak se pozemským pozorovatelům jeví jako nehybný, v pevné poloze na obloze. Koncept geostacionární oběžné dráhy propagoval spisovatel sci -fi Arthur C. Clarke ve čtyřicátých letech minulého století jako způsob revoluce v telekomunikacích a v roce 1963 byl vypuštěn první satelit, který byl umístěn na tento druh oběžné dráhy.

Komunikační satelity jsou často umístěny na geostacionární oběžné dráze, takže satelitní antény na Zemi (umístěné na Zemi) se nemusí otáčet, aby je mohly sledovat, ale mohou být trvale namířeny na pozici na obloze, kde jsou satelity umístěny. Na tuto oběžnou dráhu jsou také umístěny meteorologické satelity pro monitorování a sběr dat v reálném čase a navigační satelity poskytují známý kalibrační bod a zlepšují přesnost GPS.

Geostacionární satelity jsou vypouštěny po dočasné oběžné dráze a umístěny do štěrbiny nad určitým bodem na zemském povrchu. Oběžná dráha vyžaduje určité udržení pozice, aby si udržela svoji pozici, a moderní vysloužilé satelity jsou umístěny na vyšší oběžnou dráhu hřbitova, aby se předešlo kolizím.

Dějiny

Syncom 2, první geosynchronní satelit

V roce 1929 Herman Potočnik popsal jak geosynchronní oběžné dráhy obecně, tak zvláštní případ geostacionární oběžné dráhy Země zejména jako užitečné oběžné dráhy pro vesmírné stanice . První výskyt geostacionární oběžné dráhy v populární literatuře byl v říjnu 1942, v prvním Venušině rovnostranném příběhu George O. Smitha , ale Smith nešel do podrobností. Britský autor sci-fi Arthur C. Clarke tento koncept propagoval a rozšířil v dokumentu z roku 1945 s názvem Extra-Terrestrial Relays-Can Rocket Stations give Worldwide Radio Coverage? , publikované v časopise Wireless World . Clarke toto spojení uznal ve svém úvodu k Kompletní rovnostranné Venuši . Dráha, kterou Clarke poprvé popsal jako užitečnou pro satelitní a přenosové komunikační satelity, se někdy nazývá oběžná dráha Clarke. Podobně je sbírka umělých satelitů na této oběžné dráze známá jako Clarke Belt.

V technické terminologii je oběžná dráha označována buď jako geostacionární nebo geosynchronní rovníková oběžná dráha, přičemž termíny se používají poněkud zaměnitelně.

První geostacionární satelit navrhl Harold Rosen, když pracoval v letadle Hughes v roce 1959. Inspirován Sputnikem 1 chtěl použít geostacionární satelit ke globalizaci komunikace. Telekomunikace mezi USA a Evropou tehdy bylo možné pouze mezi 136 lidmi najednou a závislé na vysokofrekvenčních rádiích a podmořském kabelu .

V té době bývalo obvyklé, že k umístění satelitu na geostacionární oběžnou dráhu by bylo zapotřebí příliš mnoho raketové energie a nepřežilo by to dostatečně dlouho, aby se náklady ospravedlnily, proto bylo vynaloženo rané úsilí o souhvězdí satelitů na nízké nebo střední oběžné dráze Země. První z nich byly pasivní balónové satelity Echo v roce 1960, následované Telstar 1 v roce 1962. Ačkoli tyto projekty měly potíže se silou signálu a sledováním, což bylo možné vyřešit pomocí geostacionárních satelitů, koncept byl považován za nepraktický, takže Hughes často odmítal finanční prostředky a podporu.

Do roku 1961 Rosen a jeho tým vyrobili válcový prototyp o průměru 76 centimetrů (30 palců), výšce 38 centimetrů (15 palců), hmotnosti 11,3 kilogramu (25 liber), lehký a dostatečně malý, aby mohl být umístěn na oběžnou dráhu. Bylo točeno stabilizováno dipólovou anténou produkující tvar vlny ve tvaru palačinky. V srpnu 1961 dostali kontrakt na stavbu skutečného satelitu. Ztratili Syncom 1 kvůli poruše elektroniky, ale Syncom 2 byl úspěšně umístěn na geosynchronní oběžnou dráhu v roce 1963. Ačkoli její nakloněná oběžná dráha stále vyžadovala pohyblivé antény, dokázala přenášet televizní přenosy a umožnila americkému prezidentovi Johnu F. Kennedymu telefonovat s Nigerijcem předseda vlády Abubakar Tafawa Balewa z lodi 23. srpna 1963.

První satelit umístěný na geostacionární oběžné dráze byl Syncom 3 , který byl vypuštěn raketou Delta D v roce 1964. Díky své větší šířce pásma dokázal tento satelit přenášet živé pokrytí letních olympijských her z Japonska do Ameriky. Geostacionární dráhy se od té doby běžně používají, zejména pro satelitní televizi.

Dnes existují stovky geostacionárních satelitů poskytujících dálkové snímání a komunikaci.

Ačkoli většina obydlených pozemních lokalit na planetě má nyní pozemní komunikační zařízení ( mikrovlnná trouba , optická vlákna ), s telefonním přístupem pokrývajícím 96% populace a internetovým přístupem 90%, některé venkovské a odlehlé oblasti ve vyspělých zemích jsou stále závislé na satelitní komunikaci .

Využití

Většina komerčních komunikačních satelitů , vysílání družic a SBAS družice pracovat v geostacionární oběžné dráze.

komunikace

Geostacionární komunikační satelity jsou užitečné, protože jsou viditelné z velké oblasti zemského povrchu a rozprostírají se na 81 ° jak na šířku, tak na délku. Na obloze vypadají nehybně, což eliminuje potřebu pozemních stanic mít pohyblivé antény. To znamená, že pozorovatelé na Zemi mohou postavit malé, levné a stacionární antény, které jsou vždy zaměřeny na požadovaný satelit. Latence se však stává významnou, protože trvá přibližně 240 ms, než signál projde z pozemního vysílače na rovníku na satelit a zase zpět. Toto zpoždění představuje problémy pro aplikace citlivé na latenci, jako je hlasová komunikace, takže geostacionární komunikační satelity se používají především pro jednosměrnou zábavu a aplikace, kde nejsou k dispozici alternativy s nízkou latencí.

Geostacionární satelity jsou přímo nad rovníkem a objevují se níže na obloze pozorovateli blíže k pólům. Jak se zeměpisná šířka pozorovatele zvyšuje, komunikace se stává obtížnější kvůli faktorům, jako je lom atmosféry , tepelná emise Země , překážky přímé viditelnosti a odrazy signálu od země nebo blízkých struktur. V zeměpisných šířkách nad asi 81 ° jsou geostacionární satelity pod horizontem a nelze je vůbec vidět. Z tohoto důvodu některé ruské komunikační satelity používaly eliptické dráhy Molniya a Tundra , které mají vynikající viditelnost ve vysokých zeměpisných šířkách.

Meteorologie

Celosvětová síť provozních geostacionárních meteorologických satelitů se používá k poskytování viditelných a infračervených snímků zemského povrchu a atmosféry pro pozorování počasí, oceánografii a sledování atmosféry. V roce 2019 je v provozu nebo v pohotovostním režimu 19 satelitů. Mezi tyto satelitní systémy patří:

Tyto satelity obvykle zachycují snímky ve vizuálním a infračerveném spektru s prostorovým rozlišením mezi 0,5 a 4 kilometry čtvereční. Pokrytí je obvykle 70 ° a v některých případech méně.

Geostacionární satelitní snímky byly použity pro sledování sopečného popela , měření nejvyšších teplot mraků a vodní páry, oceánografii , měření teploty půdy a vegetačního pokrytí, usnadňování predikce cyklonových cest a poskytování cloudového pokrytí v reálném čase a dalších sledovacích dat. Některé informace byly začleněny do modelů meteorologické predikce , ale vzhledem k jejich širokému zornému poli, monitorování na plný úvazek a nižšímu rozlišení jsou geostacionární satelitní snímky počasí primárně používány pro krátkodobé předpovědi a předpovědi v reálném čase.

Navigace

Oblasti služeb družicových augmentačních systémů (SBAS).

Geostacionární satelity lze použít k rozšíření systémů GNSS předáváním hodinových , efemeridových a ionosférických korekcí chyb (počítáno z pozemních stanic známé polohy) a poskytnutím dodatečného referenčního signálu. To zlepšuje přesnost polohy z přibližně 5 m na 1 m nebo méně.

Mezi minulé a současné navigační systémy využívající geostacionární satelity patří:

Implementace

Zahájení

Příklad přechodu z dočasného GTO na GSO.
  EchoStar XVII  ·   Země .

Geostacionární satelity jsou vypouštěny na východ na progresivní oběžnou dráhu, která odpovídá rychlosti otáčení rovníku. Nejmenší sklon, do kterého může být satelit vypuštěn, je zeměpisná šířka místa startu, takže vypuštění satelitu z blízkosti rovníku omezuje množství změny sklonu potřebné později. Spuštění z blízkosti rovníku navíc umožňuje rychlost rotace Země, aby satelit získal podporu. Místo startu by mělo mít na východě vodu nebo pouště, aby případné neúspěšné rakety nespadly na obydlenou oblast.

Většina nosných raket umístí geostacionární satelity přímo na geostacionární přenosovou oběžnou dráhu (GTO), eliptickou oběžnou dráhu s apogeem ve výšce GEO a nízkým perigeem . Palubní satelitní pohon se pak používá ke zvednutí perigee, obíhání a dosažení GEO.

Přidělení oběžné dráhy

Satelity na geostacionární oběžné dráze musí všechny zaujímat jeden prstenec nad rovníkem . Požadavek umístit tyto satelity od sebe, aby se zabránilo škodlivému vysokofrekvenčnímu rušení během operací, znamená, že je k dispozici omezený počet orbitálních slotů, a proto lze na geostacionární oběžné dráze provozovat pouze omezený počet satelitů. To vedlo ke konfliktu mezi různými zeměmi, které si přejí přístup ke stejným orbitálním slotům (země blízko stejné délky, ale různých zeměpisných šířek ) a rádiových frekvencí . Tyto spory jsou řešeny prostřednictvím alokačního mechanismu Mezinárodní telekomunikační unie podle Radiokomunikačního řádu . V Bogotské deklaraci z roku 1976 si osm zemí ležících na zemském rovníku nárokovalo suverenitu nad geostacionárními drahami nad jejich územím, ale nároky nezískaly mezinárodní uznání.

Návrh statitu

Statite je hypotetická satelit, který využívá tlak záření ze slunce proti slunečním plachty změnit její dráhu.

Držel by si svou polohu nad temnou stranou Země na zeměpisné šířce přibližně 30 stupňů. Statit je stacionární vzhledem k systému Země a Slunce, spíše než ve srovnání s povrchem Země, a mohl by usnadnit přetížení geostacionárního prstence.

Vysloužilé satelity

Geostacionární satelity vyžadují, aby si některé stanice udržely svoji pozici, a jakmile jim dojde palivo, jsou obvykle v důchodu. Tyto transpondéry a další palubní systémy často přežijí pomocnou raketu paliva a tím, že satelit pohybovat přirozeně do nakloněné geostacionární oběžné dráze některé satelity mohou zůstat v provozu, nebo může být zvýšen na hřbitovní oběžné dráze . Tento proces je stále více regulován a satelity musí mít 90% šanci, že se na konci života budou pohybovat více než 200 km nad geostacionárním pásem.

Vesmírný odpad

Země z vesmíru, obklopená malými bílými tečkami
Počítačem generovaný obraz vesmírného odpadu. Jsou zobrazena dvě pole trosek: kolem geostacionárního prostoru a nízká oběžná dráha Země.

Vesmírné úlomky na geostacionárních drahách mají obvykle nižší kolizní rychlost než na LEO, protože všechny satelity GEO obíhají ve stejné rovině, výšce a rychlosti; přítomnost satelitů na excentrických drahách však umožňuje kolize až 4 km/s. Přestože je kolize poměrně nepravděpodobná, satelity GEO mají omezenou schopnost vyhnout se jakýmkoli úlomkům.

Úlomky menší než 10 cm v průměru nejsou ze Země vidět, takže je obtížné posoudit jejich výskyt.

Navzdory úsilí o snížení rizika došlo ke kolizím kosmických lodí. Evropská kosmická agentura telekomunikační satelit Olympus-1 byl udeřen meteoroid dne 11. srpna 1993, a nakonec se stěhoval do hřbitova na oběžné dráze , a v roce 2006 ruský Express-AM11 byl komunikační satelit zasažen neznámým objektem a vyřazena z provozu, i když jeho inženýry měl dostatek kontaktního času se satelitem na to, aby ho poslal na oběžnou dráhu hřbitova. V roce 2017 se AMC-9 i Telkom-1 rozpadly z neznámé příčiny.

Vlastnosti

Typická geostacionární oběžná dráha má následující vlastnosti:

Sklon

Sklon nula zajišťuje, že oběžná dráha zůstává po celou dobu nad rovníkem, takže je z hlediska pozorovatele země (a v referenční soustavě na Zemi zaměřené na Zemi ) nehybná vzhledem k zeměpisné šířce .

Doba

Oběžná doba se rovná přesně jednomu hvězdnému dni. To znamená, že se satelit bude každý (hvězdný) den vracet do stejného bodu nad povrchem Země, bez ohledu na jiné orbitální vlastnosti. Zejména u geostacionární oběžné dráhy zajišťuje, že v průběhu času drží stejnou délku. Toto oběžné období, T , je přímo vztaženo k hlavní poloosi oběžné dráhy podle vzorce:

kde:

Excentricita

Excentricita je nulová, což vytváří kruhovou oběžnou dráhu . Tím je zajištěno, že se satelit nebude pohybovat blíže ani dále od Země, což by způsobilo, že bude sledovat oblohu zpět a vpřed.

Orbitální stabilita

Geostacionární oběžné dráhy lze dosáhnout pouze ve výšce velmi blízko 35 786 kilometrů (22 236 mil) a přímo nad rovníkem. To odpovídá orbitální rychlosti 3,07 kilometru za sekundu (1,91 mil za sekundu) a orbitální periodě 1 436 minut, jeden hvězdný den . Tím je zajištěno, že satelit bude odpovídat době rotace Země a bude mít na zemi stacionární stopu . Na tomto prstenci musí být umístěny všechny geostacionární satelity.

Kombinace měsíční gravitace, sluneční gravitace a zploštění Země na jejích pólech způsobuje precesní pohyb orbitální roviny jakéhokoli geostacionárního objektu, s orbitální periodou přibližně 53 let a počátečním sklonem asi 0,85 ° za rok , dosažení maximálního sklonu 15 ° po 26,5 letech. K nápravě této poruchy jsou nutné pravidelné orbitální manévry na stanicích , které dosahují delta-v přibližně 50 m/s za rok.

Druhý účinek, který je třeba vzít v úvahu, je podélný drift způsobený asymetrií Země - rovník je mírně eliptický. Existují dva stabilní rovnovážné body (při 75,3 ° E a 108 ° W) a dva odpovídající nestabilní body (při 165,3 ° E a 14,7 ° W). Jakýkoli geostacionární objekt umístěný mezi body rovnováhy by (bez jakéhokoli působení) pomalu zrychloval směrem ke stabilní rovnovážné poloze, což by způsobilo periodické kolísání zeměpisné délky. Korekce tohoto efektu vyžaduje manévry udržování stanice s maximálním delta-v asi 2 m/s za rok, v závislosti na požadované zeměpisné délce.

Sluneční vítr a radiační tlak také působí na satelity malými silami: v průběhu času je tyto způsobují, že se pomalu vzdalují od svých předepsaných drah.

Při absenci servisních misí ze Země nebo metodě obnovitelného pohonu je spotřeba pohonného plynu pro udržování stanic omezením životnosti satelitu. Trysky s Hallovým efektem , které se v současné době používají, mají potenciál prodloužit životnost satelitu poskytováním vysoce účinného elektrického pohonu .

Odvození geostacionární nadmořské výšky

Porovnání geostacionární oběžné dráhy Země s oběžnými drahami družicového navigačního systému GPS , GLONASS , Galileo a Compass (střední oběžná dráha Země) s oběžnými drahami Mezinárodní vesmírné stanice , Hubbleova vesmírného teleskopu a Iridia a nominální velikostí Země . The Moon je oběžná dráha je asi 9 krát větší (v poloměru a délku) než geostacionární oběžné dráze.

Pro kruhové dráhy kolem tělesa je dostředivá síla potřebná k udržení oběžné dráhy ( F c ) rovna gravitační síle působící na satelit ( F g ):

Z Isaac Newton ‚s Universal gravitační zákon ,

,

kde F g je gravitační síla působící mezi dvěma objekty, M E je hmotnost Země,5,9736 × 10 24  kg , m s je hmotnost satelitu, r je vzdálenost mezi středy jejich hmot a G je gravitační konstanta ,(6,674 28 ± 0,000 67 ) × 10 −11  m 3 kg −1 s −2 .

Velikost zrychlení, a , tělesa pohybujícího se v kruhu je dána vztahem:

kde v je velikost rychlosti (tj. rychlosti) satelitu. Z Newtonova druhého zákona o pohybu je dostředivá síla F c dána vztahem:

.

As F c = F g ,

,

aby

Nahrazením v rovnicí pro rychlost objektu pohybujícího se po kruhu vznikne:

kde T je oběžná doba (tj. jeden hvězdný den) a rovná se86 164 0,090 54  s . To dává rovnici pro r :

Výrobek GM E je znám s mnohem větší přesností než samotný faktor; je známá jako geocentrická gravitační konstanta μ =398 600 0,4418 ± 0,0008 km 3 s -2 . Proto

Výsledný orbitální poloměr je 42 164 kilometrů (26 199 mil). Odečtením rovníkového poloměru Země , 6 378 kilometrů (3 963 mil), získáte nadmořskou výšku 35 786 kilometrů (22 236 mil).

Orbitální rychlost se vypočítá vynásobením úhlové rychlosti orbitálním poloměrem:

Mars

Stejnou metodou můžeme určit orbitální nadmořskou výšku pro jakoukoli podobnou dvojici těles, včetně areostacionární oběžné dráhy objektu ve vztahu k Marsu , pokud se předpokládá, že je sférický (což není). Gravitační konstanta GM ( μ ) pro Mars má hodnotu42 830  km 3 s −2 , jeho rovníkový poloměr je3 389 0,50 km a známé rotační perioda ( T ) na planetě,1,025 956 76  pozemských dní (88 642, 66 s ). Pomocí těchto hodnot se orbitální výška Marsu rovná17 039  km .

Viz také

Vysvětlivky

Reference

Veřejná doména Tento článek včlení  materiál public domain z dokumentu General Services Administration : "Federal Standard 1037C" .(na podporu MIL-STD-188 )

externí odkazy