„Iss fotometrie”. Orbită geostaționară (GSO)
Așa cum scaunele dintr-un teatru oferă perspective diferite asupra unui spectacol, diferite orbite ale satelitului oferă perspective, fiecare cu un scop diferit. Unele par să plutească deasupra unui punct de pe suprafață, oferind o vedere constantă a unei părți a Pământului, în timp ce altele înconjoară planeta noastră, trecând peste mai multe locuri într-o zi.
Tipuri de orbite
La ce altitudine zboară sateliții? Există 3 tipuri de orbite apropiate de Pământ: înaltă, medie și joasă. La cel mai înalt nivel, cel mai îndepărtat de suprafață, se află de obicei mulți sateliți meteorologici și unii de comunicații. Sateliții care se rotesc pe orbită medie a Pământului includ sateliți de navigație și speciali proiectați pentru a monitoriza o anumită regiune. Majoritatea navelor spațiale științifice, inclusiv flota Sistemului de observare a Pământului a NASA, se află pe orbită joasă.
Viteza de mișcare a acestora depinde de altitudinea la care zboară sateliții. Pe măsură ce te apropii de Pământ, gravitația devine mai puternică și mișcarea se accelerează. De exemplu, satelitul Aqua al NASA durează aproximativ 99 de minute pentru a orbit planeta noastră la o altitudine de aproximativ 705 km, iar un dispozitiv meteorologic situat la 35.786 km de suprafață durează 23 de ore, 56 de minute și 4 secunde. La o distanță de 384.403 km de centrul Pământului, Luna completează o revoluție în 28 de zile.
Paradoxul aerodinamic
Schimbarea altitudinii satelitului îi modifică și viteza orbitală. Există un paradox aici. Dacă un operator de sateliți dorește să-și mărească viteza, nu poate doar să pornească motoarele pentru a o accelera. Acest lucru va crește orbita (și altitudinea), rezultând o scădere a vitezei. În schimb, motoarele ar trebui aprinse în direcția opusă mișcării satelitului, o acțiune care ar încetini un vehicul în mișcare pe Pământ. Această acțiune o va deplasa mai jos, permițând o viteză crescută.
Caracteristicile orbitei
Pe lângă altitudine, traseul unui satelit este caracterizat de excentricitate și înclinare. Prima se referă la forma orbitei. Un satelit cu excentricitate scăzută se mișcă de-a lungul unei traiectorii apropiate de circulară. O orbită excentrică are forma unei elipse. Distanța de la navă spațială la Pământ depinde de poziția sa.
Înclinarea este unghiul orbitei față de ecuator. Un satelit care orbitează direct deasupra ecuatorului are înclinație zero. Dacă nava spațială trece peste polii nord și sud (geografic, nu magnetic), înclinația sa este de 90°.
Toate împreună - înălțimea, excentricitatea și înclinarea - determină mișcarea satelitului și cum va arăta Pământul din punctul său de vedere.
Înaltă aproape de Pământ
Când satelitul ajunge la exact 42.164 km de centrul Pământului (aproximativ 36 mii km de suprafață), acesta intră într-o zonă în care orbita sa se potrivește cu rotația planetei noastre. Deoarece ambarcațiunea se mișcă cu aceeași viteză cu Pământul, adică perioada sa orbitală este de 24 de ore, pare să rămână staționară pe o singură longitudine, deși poate deriva de la nord la sud. Această orbită înaltă specială se numește geosincronă.
Satelitul se mișcă pe o orbită circulară direct deasupra ecuatorului (excentricitatea și înclinarea sunt zero) și rămâne staționar față de Pământ. Este întotdeauna situat deasupra aceluiași punct de pe suprafața sa.
Orbita Molniya (înclinare 63,4°) este folosită pentru observarea la latitudini mari. Sateliții geostaționari sunt legați de ecuator, așa că nu sunt potriviți pentru regiunile nordice sau sudice îndepărtate. Această orbită este destul de excentrică: nava spațială se mișcă într-o elipsă alungită cu Pământul situat aproape de o margine. Deoarece satelitul este accelerat de gravitație, se mișcă foarte repede atunci când este aproape de planeta noastră. Pe măsură ce se îndepărtează, viteza sa încetinește, așa că petrece mai mult timp în vârful orbitei sale, la marginea cea mai îndepărtată de Pământ, distanța până la care poate ajunge la 40 de mii de km. Perioada orbitală este de 12 ore, dar satelitul petrece aproximativ două treimi din acest timp pe o emisferă. Ca o orbită semi-sincronă, satelitul urmează aceeași cale la fiecare 24 de ore. Este folosit pentru comunicații în nordul îndepărtat sau în sud.
Jos aproape de Pământ
Majoritatea sateliților științifici, mulți sateliți meteorologici și stația spațială se află pe o orbită joasă aproape circulară a Pământului. Înclinarea lor depinde de ceea ce monitorizează. TRMM a fost lansat pentru a monitoriza precipitațiile la tropice, deci are o înclinație relativ scăzută (35°), rămânând aproape de ecuator.
Mulți dintre sateliții sistemului de observare ai NASA au o orbită aproape polară, cu înclinație mare. Nava spațială se mișcă în jurul Pământului de la un pol la altul cu o perioadă de 99 de minute. Jumătate din timp trece peste partea de zi a planetei noastre, iar la pol se întoarce spre partea de noapte.
Pe măsură ce satelitul se mișcă, Pământul se rotește sub el. În momentul în care vehiculul se deplasează în zona iluminată, acesta se află deasupra zonei adiacente zonei ultimei sale orbite. Într-o perioadă de 24 de ore, sateliții polari acoperă cea mai mare parte a Pământului de două ori: o dată în timpul zilei și o dată pe timp de noapte.
Orbită sincronă cu Soarele
Așa cum sateliții geosincroni trebuie să fie localizați deasupra ecuatorului, ceea ce le permite să rămână deasupra unui punct, sateliții cu orbită polară au capacitatea de a rămâne în același timp. Orbita lor este sincronă cu soarele - atunci când nava spațială traversează ecuatorul, ora solară locală este întotdeauna aceeași. De exemplu, satelitul Terra îl traversează întotdeauna peste Brazilia la ora 10:30. Următoarea traversare 99 de minute mai târziu peste Ecuador sau Columbia are loc și la ora locală 10:30.
O orbită sincronă cu soarele este esențială pentru știință, deoarece permite luminii solare să rămână pe suprafața Pământului, deși va varia în funcție de anotimp. Această consistență înseamnă că oamenii de știință pot compara imaginile planetei noastre din același sezon pe parcursul mai multor ani, fără a-și face griji cu privire la salturi prea mari de lumină, care ar putea crea iluzia schimbării. Fără o orbită sincronă cu soarele, ar fi dificil să le urmărești în timp și să colectezi informațiile necesare pentru a studia schimbările climatice.
Calea satelitului aici este foarte limitată. Dacă se află la o altitudine de 100 km, orbita ar trebui să aibă o înclinare de 96°. Orice abatere va fi inacceptabilă. Deoarece rezistența atmosferică și forța gravitațională a Soarelui și Lunii modifică orbita navei spațiale, aceasta trebuie ajustată în mod regulat.
Injectare pe orbită: lansare
Lansarea unui satelit necesită energie, a cărei cantitate depinde de locația locului de lansare, de înălțimea și înclinarea traiectoriei viitoare a mișcării sale. A ajunge pe o orbită îndepărtată necesită mai multă energie. Sateliții cu o înclinare semnificativă (de exemplu, cei polari) consumă mai multă energie decât cei care înconjoară ecuatorul. Introducerea într-o orbită cu înclinație scăzută este ajutată de rotația Pământului. se deplasează la un unghi de 51,6397°. Acest lucru este necesar pentru ca navetele spațiale și rachetele rusești să ajungă mai ușor la el. Înălțimea ISS este de 337-430 km. Sateliții polari, pe de altă parte, nu primesc nicio asistență din partea impulsului Pământului, așa că au nevoie de mai multă energie pentru a se ridica la aceeași distanță.
Ajustare
Odată lansat un satelit, trebuie depuse eforturi pentru a-l menține pe o anumită orbită. Deoarece Pământul nu este o sferă perfectă, gravitația sa este mai puternică în unele locuri. Această neregularitate, împreună cu atracția gravitațională a Soarelui, Lunii și Jupiter (cea mai masivă planetă a sistemului solar), modifică înclinarea orbitei. De-a lungul vieții, sateliții GOES au fost ajustați de trei sau patru ori. Vehiculele cu orbită joasă ale NASA trebuie să își ajusteze înclinația anual.
În plus, sateliții din apropierea Pământului sunt afectați de atmosferă. Straturile superioare, deși destul de rarefiate, exercită o rezistență suficient de puternică pentru a le trage mai aproape de Pământ. Acțiunea gravitației duce la accelerarea sateliților. De-a lungul timpului, ele ard, ajungând mai jos și mai repede în atmosferă sau cad pe Pământ.
Dragul atmosferic este mai puternic atunci când Soarele este activ. Așa cum aerul dintr-un balon se extinde și se ridică atunci când este încălzit, atmosfera se ridică și se extinde atunci când Soarele îi oferă energie suplimentară. Straturile subțiri ale atmosferei se ridică, iar straturi mai dense le iau locul. Prin urmare, sateliții care orbitează Pământul trebuie să își schimbe poziția de aproximativ patru ori pe an pentru a compensa forța atmosferică. Când activitatea solară este maximă, poziția dispozitivului trebuie ajustată la fiecare 2-3 săptămâni.
Resturi spațiale
Al treilea motiv care forțează o schimbare a orbitei este resturile spațiale. Unul dintre sateliții de comunicații Iridium s-a ciocnit cu o navă spațială rusă nefuncțională. S-au prăbușit, creând un nor de resturi format din peste 2.500 de bucăți. Fiecare element a fost adăugat la baza de date, care include astăzi peste 18.000 de obiecte de origine artificială.
NASA monitorizează cu atenție tot ceea ce poate fi în calea sateliților, deoarece orbitele au trebuit deja schimbate de mai multe ori din cauza resturilor spațiale.
Inginerii monitorizează poziția resturilor spațiale și a sateliților care ar putea interfera cu mișcarea și planifică cu atenție manevrele evazive, dacă este necesar. Aceeași echipă planifică și execută manevre pentru a regla înclinarea și altitudinea satelitului.
Plan:
- Introducere
- 1 Punct în picioare
- 2 Plasarea sateliților pe orbită
- 3
Calculul parametrilor orbitei geostaționare
- 3.1 Raza orbitală și altitudinea orbitală
- 3.2 Viteza orbitală
- 3.3 Lungimea orbitei
- 4 Comunicare Note
Introducere
Orbită geostaționară(GSO) - o orbită circulară situată deasupra ecuatorului Pământului (latitudine 0°), în timp ce un satelit artificial orbitează planeta cu o viteză unghiulară egală cu viteza unghiulară de rotație a Pământului în jurul axei sale și este situat în mod constant deasupra același punct de pe suprafața pământului. Orbita geostaționară este un tip de orbită geosincronă și este folosită pentru a plasa sateliți artificiali (comunicații, televiziune etc.)
Satelitul ar trebui să orbiteze în direcția de rotație a Pământului, la o altitudine de 35.786 km deasupra nivelului mării (vezi mai jos pentru calculul altitudinii GEO). Această înălțime oferă satelitului o perioadă de revoluție egală cu perioada de rotație a Pământului față de stele (zi siderale: 23 ore, 56 minute, 4,091 secunde).
A fost exprimată ideea utilizării sateliților geostaționari în scopuri de comunicare [ Când?] K. E. Tsiolkovsky și teoreticianul sloven în astronautică Herman Potocnik în 1928. Avantajele orbitei geostaționare au devenit cunoscute pe scară largă după publicarea unui articol științific de popularitate de către Arthur C. Clarke în revista „Wireless World” în 1945, deci în Occidentul geostaționar iar orbitele geosincrone sunt uneori numite „ Clarke orbitează", A" centura lui Clark„ se referă la regiunea spațiului cosmic aflat la o distanță de 36.000 km deasupra nivelului mării în planul ecuatorului Pământului, unde parametrii orbitali sunt aproape de geostaționari. Primul satelit lansat cu succes în GEO a fost Syncom-2, lansat de NASA în iulie 1963.
1. Punct în picioare
Un satelit situat pe orbită geostaționară este staționar față de suprafața Pământului, de aceea locația sa pe orbită se numește punct staționar. Ca rezultat, o antenă direcțională fixă și orientată spre satelit poate menține o comunicare constantă cu acest satelit pentru o lungă perioadă de timp.
2. Amplasarea sateliților pe orbită
Pentru Arkhangelsk, înălțimea maximă posibilă a satelitului deasupra orizontului este de 17,2°
Cel mai înalt punct al Centurii Clark este întotdeauna spre sud. În partea de jos a graficului sunt grade - meridiane deasupra cărora se află sateliții.
Pe laterale sunt înălțimile sateliților deasupra orizontului.
În partea de sus este direcția către satelit. Pentru claritate, îl puteți întinde orizontal de 7,8 ori și îl puteți întoarce de la stânga la dreapta. Apoi va arăta la fel ca pe cer.
Orbita geostaționară poate fi realizată cu precizie doar pe un cerc situat direct deasupra ecuatorului, cu o altitudine foarte apropiată de 35.786 km.
Dacă sateliții geostaționari ar fi vizibili pe cer cu ochiul liber, atunci linia pe care ar fi vizibili ar coincide cu „Clark Belt” pentru o anumită zonă. Sateliții geostaționari, datorită punctelor de montare disponibile, sunt convenabil de utilizat pentru comunicațiile prin satelit: odată orientată, antena va fi întotdeauna îndreptată către satelitul selectat (dacă nu își schimbă poziția).
Pentru a transfera sateliții de pe orbită de joasă altitudine pe orbită geostaționară, se folosesc orbite de transfer geostaționar (GTO) - orbite eliptice cu un perigeu la altitudine joasă și un apogeu la o altitudine apropiată de orbita geostaționară.
După finalizarea operațiunii active cu combustibilul rămas, satelitul trebuie transferat pe o orbită de eliminare situată la 200-300 km deasupra GEO.
3. Calculul parametrilor orbitei geostaționare
3.1. Raza orbitală și altitudinea orbitală
Pe o orbită geostaționară, un satelit nu se apropie și nu se îndepărtează de Pământ și, în plus, rotindu-se cu Pământul, este situat în mod constant deasupra oricărui punct de pe ecuator. În consecință, forțele gravitaționale și centrifuge care acționează asupra satelitului trebuie să se echilibreze reciproc. Pentru a calcula altitudinea orbitei geostaționare, puteți utiliza metodele mecanicii clasice și puteți porni din următoarea ecuație:
F u = F Γ ,Unde F u- forța de inerție, iar în acest caz, forța centrifugă; FΓ - forța gravitațională. Mărimea forței gravitaționale care acționează asupra satelitului poate fi determinată de legea gravitației universale a lui Newton:
,Unde m c- masa satelitului, M 3 - masa Pământului în kilograme, G este constanta gravitațională și R- distanța în metri de la satelit până la centrul Pământului sau, în acest caz, raza orbitei.
Mărimea forței centrifuge este egală cu:
,Unde o- accelerația centripetă care are loc în timpul mișcării circulare pe orbită.
După cum puteți vedea, masa satelitului m c este prezent ca un multiplicator în expresiile pentru forța centrifugă și pentru forța gravitațională, adică altitudinea orbitei nu depinde de masa satelitului, ceea ce este adevărat pentru orice orbită și este o consecință a egalității de masa gravitațională și inerțială. În consecință, orbita geostaționară este determinată doar de altitudinea la care forța centrifugă va fi egală ca mărime și opusă ca direcție forței gravitaționale create de gravitația Pământului la o altitudine dată.
Accelerația centripetă este egală cu:
,unde ω este viteza unghiulară de rotație a satelitului, în radiani pe secundă.
Să facem o clarificare importantă. De fapt, accelerația centripetă are o semnificație fizică doar într-un cadru de referință inerțial, în timp ce forța centrifugă este o așa-numită forță imaginară și apare exclusiv în cadrele de referință (coordonate) care sunt asociate cu corpurile în rotație. Forța centripetă (în acest caz, forța gravitației) determină accelerația centripetă. În valoare absolută (în valoare numerică absolută), accelerația centripetă în cadrul de referință inerțial este egală cu accelerația centrifugă în cadrul de referință asociată în cazul nostru cu satelitul. Prin urmare, în continuare, ținând cont de observația făcută, putem folosi termenul de „accelerare centripetă” împreună cu termenul de „forță centrifugă”.
Echivalând expresiile pentru forța gravitațională și forța centrifugă cu înlocuirea accelerației centripete, obținem:
.Reducerea m c, traducere R 2 la stânga și ω 2 la dreapta, obținem:
.Puteți scrie această expresie diferit, înlocuind-o cu μ - constanta gravitațională geocentrică:
Viteza unghiulară ω se calculează împărțind unghiul parcurs pe rotație (radiani) la perioada orbitală (timpul necesar pentru a finaliza o rotație pe orbită: o zi siderală sau 86.164 secunde). Primim:
rad/sRaza orbitală rezultată este de 42.164 km. Scăzând raza ecuatorială a Pământului, 6.378 km, obținem o altitudine de 35.786 km.
3.2. Viteza orbitală
Viteza orbitală (viteza cu care un satelit zboară prin spațiu) se calculează prin înmulțirea vitezei unghiulare cu raza orbitală:
km/s sau = 11052 km/hPuteți face calculele în alt mod. Altitudinea orbitei geostaționare este distanța de la centrul Pământului unde viteza unghiulară a satelitului, care coincide cu viteza unghiulară de rotație a Pământului, generează o viteză orbitală (liniară) egală cu prima viteză de evacuare (pentru a asigura o orbită circulară) la o altitudine dată. Rezolvând această ecuație simplă, vom obține, desigur, aceleași valori ca în calculele folosind forța centrifugă. De asemenea, este clar de ce orbitele geostaționare sunt atât de înalte. Este necesar să mutați satelitul suficient de departe de Pământ, astfel încât prima viteză de evacuare acolo să fie atât de mică (aproximativ 3 km/s, cf. aproximativ 8 km/s pe orbite joase)
De asemenea, este important de menționat că orbita geostaționară trebuie să fie circulară (și de aceea a fost discutată mai sus despre prima viteză de evacuare). Dacă viteza este mai mică decât prima viteză cosmică (la o anumită distanță de Pământ), atunci satelitul va scădea dacă viteza este mai mare decât prima viteză cosmică, atunci orbita va fi eliptică, iar satelitul nu va fi capabil să se rotească uniform sincron cu Pământul.
3.3. Lungimea orbitei
Lungimea orbitei geostaţionare: . Cu o rază orbitală de 42.164 km, obținem o lungime orbitală de 264.924 km.
Lungimea orbitei este extrem de importantă pentru calcularea „punctelor verticale” ale sateliților.
4. Comunicare
Comunicarea prin acest tip de satelit se caracterizează prin întârzieri mari în propagarea semnalului. Chiar și un singur fascicul către satelit și înapoi durează aproape un sfert de secundă. Pingul către alt punct de pe pământ va dura aproximativ o jumătate de secundă.
Cu o altitudine orbitală de 35.786 km și o viteză a luminii de aproximativ 300.000 km/s, călătoria fasciculului Pământ-satelit necesită 35786/300000 = ~0,12 sec. Calea fasciculului „Pământ (emițător) -> satelit -> Pământ (receptor)” ~0,24 sec. Ping va necesita ~0,48 sec
Luând în considerare întârzierea semnalului în echipamentele satelit și echipamentele serviciilor terestre, întârzierea totală a semnalului pe ruta Pământ -> satelit -> Pământ poate ajunge la 2-4 s.
Menținerea unui satelit într-un punct de pe orbită geostaționară necesită energie și, în consecință, costuri financiare. Acest lucru se datorează tocmai faptului că orbita trebuie să fie strict circulară, să aibă o înălțime strict definită și să fie caracterizată de o viteză strict definită (toți cei trei parametri sunt interrelaționați). Prin urmare, sateliții geostaționari își consumă rapid rezervele de combustibil disponibile pentru a corecta viteza și altitudinea orbitei. De aceea, în prezent, folosesc în principal nu „atârnați”, ci „opt” sateliți aflați pe orbite geosincrone, care, printre altele, pot fi semnificativ mai mici decât cel geostaționar. În plus, o pereche de doi sateliți care se ciocnesc pe orbite eliptice situate la un unghi față de planul ecuatorial este mult mai ieftin de operat decât un satelit geostaționar.
O orbită satelit foarte populară este orbita geostaționară. Este folosit pentru a găzdui multe tipuri de sateliți, inclusiv sateliți de difuzare directă, sateliți de comunicații și sisteme de releu.
Avantajul orbitei geostaționare este că satelitul aflat în ea este situat în mod constant în aceeași poziție, ceea ce permite ca o antenă fixă a unei stații terestre să fie îndreptată spre ea.
Citeste si:
Acest factor este extrem de important pentru sisteme precum transmisia directă prin satelit, unde utilizarea unei antene în mișcare constantă în urma satelitului ar fi extrem de nepractică.
Trebuie avut grijă când folosiți abrevieri pentru orbită geostaționară. Este posibil să întâlnim acronimele GEO și GSO și ambele sunt folosite pentru a face referire atât la orbita geostaționară, cât și la cea geosincronă.
Dezvoltarea orbitelor geostaționare
Idei cu privire la posibilitatea utilizării orbitei geostaționare pentru a găzdui sateliți au fost prezentate de mulți ani. Teoreticianul și scriitorul de science fiction rus Konstantin Ciolkovski este adesea citat ca un posibil autor al prevederilor care stau la baza acestei idei. Cu toate acestea, pentru prima dată, Hermann Oberth și Hermann Potochnik au scris despre posibilitatea de a plasa nave spațiale la o altitudine de 35.900 de kilometri deasupra Pământului cu o perioadă orbitală de 24 de ore, dându-le posibilitatea de a „plana” într-un punct deasupra ecuatorului. .
Următorul pas important către nașterea Orbitei Geostaționare a fost făcut în octombrie 1945, când scriitorul de science-fiction Arthur Charles Clarke a scris un articol serios pentru Wireless World, publicația britanică principală în domeniul radio și electronică. Articolul s-a intitulat „Comunicații cu releu extraterestre: pot rachetele spațiale să ofere acoperire mondială a semnalului?”
Clark a încercat să extrapoleze de la ceea ce era deja posibil folosind tehnologia rachetelor existente atunci dezvoltată de oamenii de știință germani la ceea ce ar putea fi posibil în viitor. El a exprimat ideea posibilității de a acoperi întregul Pământ cu un semnal folosind doar trei sateliți geostaționari.
În lucrarea sa, Clark a subliniat caracteristicile orbitale necesare, precum și nivelurile de putere ale transmițătorului, posibilitatea de a genera electricitate folosind panouri solare și chiar a calculat posibilul impact al eclipselor solare.
Articolul lui Clark a fost semnificativ înaintea timpului său. Abia în 1963 NASA a reușit să lanseze sateliți în spațiu care ar putea testa această teorie în practică. Primul satelit cu drepturi depline capabil să înceapă teste practice ale teoriei lui Clark a fost satelitul Syncom 2, lansat pe 26 iulie 1963 (de fapt, satelitul Syncom 2 nu a putut face acest lucru deoarece nu putea fi livrat pe orbita geostaționară necesară) .
Bazele teoriei orbitei geostaționare
Pe măsură ce altitudinea orbitei în care se află satelitul crește, crește și perioada revoluției sale pe această orbită. La o altitudine de 35.790 de kilometri deasupra Pământului, satelitului are nevoie de 24 de ore pentru a finaliza o orbită completă în jurul planetei. O astfel de orbită este cunoscută ca geosincronă deoarece este sincronizată cu perioada de rotație a Pământului pe axa sa.
Un caz special de orbită geosincronă este o orbită geostaționară. Când se folosește o astfel de orbită, direcția de mișcare a satelitului în jurul Pământului corespunde direcției de rotație a planetei în sine, iar perioada orbitală a navei spațiale este de aproximativ 24 de ore. Aceasta înseamnă că satelitul se rotește cu aceeași viteză unghiulară ca Pământul, în aceeași direcție și, prin urmare, este situat constant în același punct față de suprafața planetei.
Citeste si:
Pentru a ne asigura că satelitul se învârte în jurul Pământului cu aceeași viteză cu care planeta însăși se învârte în jurul axei sale, este necesar să înțelegem clar care este perioada de revoluție a Pământului în jurul axei sale. Majoritatea dispozitivelor de cronometrare măsoară rotația Pământului în raport cu poziția actuală a Soarelui, iar rotația Pământului pe axa sa combinată cu rotația sa în jurul Soarelui dă lungimea zilei. Totuși, aceasta nu este deloc perioada de rotație a Pământului care ne interesează din punctul de vedere al calculării orbitei geostaționare - timpul necesar pentru o revoluție completă. Această perioadă de timp este cunoscută sub numele de ziua siderale, care durează 23 de ore, 56 de minute și 4 secunde.
Legile geometriei ne spun că singura modalitate prin care un satelit poate rămâne întotdeauna deasupra unui punct de pe suprafața pământului, făcând o revoluție pe zi, este să orbiteze în aceeași direcție în care se rotește Pământul însuși. În plus, satelitul nu ar trebui să se deplaseze pe orbita sa nici la nord, nici la sud. Toate acestea pot fi realizate numai dacă orbita satelitului trece peste ecuator.
Diagrama prezintă diferitele tipuri de orbite. Deoarece planul oricărei orbite trebuie să treacă prin centrul Pământului, figura prezintă două opțiuni posibile. Mai mult, chiar dacă circulația navelor spațiale pe ambele orbite se realizează la viteze egale cu viteza de rotație a Pământului în jurul axei sale, orbita desemnată drept „geosincronă” se va deplasa spre nord timp de o jumătate de zi în raport cu ecuatorul și pentru jumătate de zi rămasă - spre sud și, prin urmare, nu va fi staționar. Pentru ca un satelit să devină staționar, acesta trebuie să fie situat deasupra ecuatorului.
Deriva pe orbită geostaționară
Chiar dacă un satelit este situat pe orbită geostaționară, acesta este supus unor forțe care își pot schimba încet poziția în timp.
Factori precum forma eliptică a Pământului, gravitația Soarelui și a Lunii și o serie de alții cresc potențialul ca un satelit să devieze de pe orbita sa. În special, forma nu complet rotundă a Pământului în regiunea ecuatorului duce la faptul că satelitul este atras de două puncte de echilibru stabile - unul dintre ele este situat deasupra Oceanului Indian, iar al doilea este aproximativ în partea opusă a Pământul. Rezultatul este un fenomen numit librare est-vest, sau mișcare înainte și înapoi.
Pentru a depăși consecințele unei astfel de mișcări, satelitul are la bord o anumită rezervă de combustibil, ceea ce îi permite să efectueze „manevre de susținere” care readuc dispozitivul exact în poziția orbitală necesară. Intervalul necesar între timpii unor astfel de „manevre de sprijin” este determinat în conformitate cu așa-numita toleranță de abatere a satelitului, care este stabilită în principal ținând cont de lățimea fasciculului antenei stației terestre. Aceasta înseamnă că în timpul funcționării normale a satelitului nu este necesară ajustarea antenei.
Citeste si:
Foarte des, perioada de funcționare activă a unui satelit este calculată din cantitatea de combustibil de la bord necesară pentru a menține satelitul într-o poziție orbitală. Cel mai adesea, această perioadă este de câțiva ani. După care satelitul începe să se deplaseze în direcția unuia dintre punctele de echilibru, după care este posibil să coboare și, ulterior, să intre în atmosfera Pământului. Prin urmare, este recomandabil să folosiți ultimul combustibil disponibil la bord pentru a ridica satelitul pe o orbită mai înaltă pentru a evita posibilul său impact negativ asupra funcționării altor nave spațiale.
Acoperire de pe orbita geostaționară
Este absolut evident că un satelit geostaționar nu este capabil să ofere o acoperire completă a semnalului de pe suprafața Pământului. Cu toate acestea, fiecare satelit geostaționar „vede” aproximativ 42% din suprafața pământului, acoperirea scăzând spre satelitul care nu poate „vede” suprafața. Acest lucru se întâmplă în jurul ecuatorului și, de asemenea, spre regiunile polare.
Prin plasarea unei constelații de trei sateliți echidistanți unul de celălalt pe orbită geostaționară, este posibil să se asigure o acoperire a semnalului pentru întreaga suprafață a Pământului de la ecuator și până la 81° latitudine nordică și sudică.
Lipsa acoperirii în regiunile polare nu este o problemă pentru majoritatea utilizatorilor, dar nevoia de a asigura o acoperire stabilă a latitudinilor polare necesită utilizarea sateliților care orbitează pe alte orbite.
Orbită geostaționară
și lungimea căii semnalului
Una dintre problemele întâlnite la utilizarea sateliților pe orbită geostaționară este întârzierea semnalului cauzată de distanța pe care trebuie să o parcurgă.
Distanța minimă până la oricare dintre sateliții geostaționari este de 35.790 km. Și asta numai dacă utilizatorul este situat direct sub satelit, iar semnalul ajunge la el pe calea cea mai scurtă. În realitate, este puțin probabil ca utilizatorul să fie localizat exact în acest punct și, prin urmare, distanța pe care va trebui să o parcurgă semnalul este în realitate mult mai mare.
Pe baza lungimii celei mai scurte distanțe de la o stație la sol la un satelit, timpul minim estimat pentru un semnal pentru a călători într-un sens - adică de la Pământ la satelit sau de la satelit la Pământ - este de aproximativ 120 de milisecunde. Aceasta înseamnă că timpul pentru traseul complet al semnalului - de la Pământ la satelit și de la satelit înapoi la Pământ - este de aproximativ un sfert de secundă.
Astfel, este nevoie de o jumătate de secundă pentru a primi un răspuns într-o conversație care trece printr-un satelit, deoarece semnalul trebuie să treacă prin satelit de două ori: o dată se deplasează către ascultătorul de la distanță și a doua oară înapoi cu un răspuns. Această întârziere complică conversațiile telefonice care utilizează o legătură prin satelit. Un reporter care primește o întrebare de la un studio de difuzare are nevoie de ceva timp pentru a răspunde. Prezența acestui efect de întârziere este motivul pentru care multe linii de comunicație la distanță lungă folosesc canale prin cablu în loc de canale prin satelit, deoarece întârzierile în cablu sunt mult mai mici.
Avantajele și dezavantajele sateliților,
situat pe orbită geostaționară
Deși orbita geostaționară este utilizată pe scară largă în practică pentru desfășurarea diferitelor tehnologii, nu este încă potrivită pentru toate situațiile. Când vă gândiți la posibila utilizare a acestei orbite, ar trebui să luați în considerare o serie de avantaje și dezavantaje:
| Avantaje | Defecte |
|
|
Cu toate acestea, în ciuda tuturor dezavantajelor existente ale orbitei geostaționare, sateliții aflați pe aceasta sunt utilizați pe scară largă în întreaga lume datorită avantajului lor principal, care poate depăși toate dezavantajele: un satelit geostaționar se află întotdeauna în aceeași poziție orbitală față de unul sau alt punct de pe Pământ.
Ce este orbita geostaționară? Acesta este un câmp circular, care este situat deasupra ecuatorului Pământului, de-a lungul căruia un satelit artificial se rotește cu viteza unghiulară de rotație a planetei în jurul axei sale. Nu își schimbă direcția în sistemul de coordonate orizontal, ci atârnă nemișcat pe cer. Orbita Pământului Geostaționară (GSO) este un tip de câmp geosincron și este utilizat pentru a plasa comunicații, transmisii de televiziune și alți sateliți.
Ideea de a folosi dispozitive artificiale
Însuși conceptul de orbită geostaționară a fost inițiat de inventatorul rus K. E. Tsiolkovsky. În lucrările sale, el a propus popularea spațiului cu ajutorul stațiilor orbitale. Oamenii de știință străini au descris, de asemenea, munca câmpurilor cosmice, de exemplu, G. Oberth. Omul care a dezvoltat conceptul de utilizare a orbitei pentru comunicare este Arthur C. Clarke. În 1945, a publicat un articol în revista Wireless World, unde a descris avantajele câmpului geostaționar. Pentru munca sa activă în acest domeniu, în onoarea omului de știință, orbita și-a primit al doilea nume - „Clark Belt”. Mulți teoreticieni s-au gândit la problema implementării unei comunicări de înaltă calitate. Astfel, Herman Potochnik a exprimat în 1928 ideea cum ar putea fi utilizați sateliții geostaționari.
Caracteristicile „Clark Belt”
Pentru ca o orbită să fie numită geostaționară, trebuie să îndeplinească o serie de parametri:
1. Geosincronia. Această caracteristică include un câmp care are o perioadă corespunzătoare perioadei de rotație a Pământului. Un satelit geosincron își încheie orbita în jurul planetei într-o zi sideală, care este de 23 de ore, 56 de minute și 4 secunde. Pământul are nevoie de același timp pentru a finaliza o revoluție într-un spațiu fix.
2. Pentru a menține un satelit într-un anumit punct, orbita geostaționară trebuie să fie circulară, cu înclinație zero. Un câmp eliptic va avea ca rezultat o deplasare fie la est, fie la vest, deoarece nava se mișcă diferit în anumite puncte ale orbitei sale.
3. „Punctul de plutire” al mecanismului spațial trebuie să fie la ecuator.
4. Amplasarea sateliților pe orbită geostaționară ar trebui să fie astfel încât numărul mic de frecvențe destinate comunicării să nu conducă la suprapunerea frecvențelor diferitelor dispozitive în timpul recepției și transmisiei, precum și să evite coliziunea acestora.
5. Cantitate suficientă de combustibil pentru a menține o poziție constantă a mecanismului spațial.
Orbita geostaționară a satelitului este unică prin faptul că numai prin combinarea parametrilor săi dispozitivul poate rămâne staționar. O altă caracteristică este capacitatea de a vedea Pământul la un unghi de șaptesprezece grade de la sateliții aflați în câmpul spațial. Fiecare dispozitiv captează aproximativ o treime din suprafața orbitală, astfel încât trei mecanisme pot asigura acoperirea aproape a întregii planete.
Sateliți artificiali
Sateliții au fost lansati de multe țări și companii. Primul dispozitiv artificial din lume a fost creat în URSS și a zburat în spațiu pe 4 octombrie 1957. A fost numit Sputnik 1. În 1958, Statele Unite au lansat o a doua navă spațială, Explorer 1. Primul satelit, care a fost lansat de NASA în 1964, a fost numit Syncom-3. Dispozitivele artificiale sunt de cele mai multe ori nereturnabile, dar există acelea care sunt parțial sau complet returnate. Sunt folosite pentru a efectua cercetări științifice și pentru a rezolva diverse probleme. Deci, există sateliți militari, de cercetare, de navigație și alții. Sunt lansate și dispozitivele create de angajați ai universității sau radioamatori.
„Punctul permanent”
Sateliții geostaționari sunt localizați la o altitudine de 35.786 de kilometri deasupra nivelului mării. Această altitudine oferă o perioadă orbitală care corespunde perioadei de rotație a Pământului în raport cu stele. Vehiculul artificial este staționar, prin urmare locația sa pe orbită geostaționară este numită „punct de oprire”. Hovering asigură o comunicare constantă pe termen lung, odată orientată antena va fi întotdeauna îndreptată către satelitul dorit.
Circulaţie
Sateliții pot fi transferați de pe orbita de joasă altitudine pe orbita geostaționară folosind câmpuri de geotransfer. Acestea din urmă sunt o cale eliptică cu un punct la o altitudine joasă și un vârf la o altitudine care este aproape de cercul geostaționar. Un satelit care a devenit nepotrivit pentru lucrări ulterioare este trimis pe o orbită de eliminare situată la 200-300 de kilometri deasupra GEO.
Altitudinea orbitei geostaționare
Un satelit dintr-un anumit câmp păstrează o anumită distanță de Pământ, nici apropiindu-se, nici îndepărtându-se. Este întotdeauna situat deasupra unui punct de pe ecuator. Pe baza acestor caracteristici, rezultă că forțele gravitației și forțele centrifuge se echilibrează reciproc. Altitudinea orbitei geostaționare este calculată folosind metode bazate pe mecanica clasică. În acest caz, se ia în considerare corespondența forțelor gravitaționale și centrifuge. Valoarea primei mărimi este determinată folosind legea gravitației universale a lui Newton. Indicatorul de forță centrifugă se calculează prin înmulțirea masei satelitului cu accelerația centripetă. Rezultatul egalității masei gravitaționale și inerțiale este concluzia că altitudinea orbitală nu depinde de masa satelitului. Prin urmare, orbita geostaționară este determinată doar de altitudinea la care forța centrifugă este egală ca mărime și opusă ca direcție forței gravitaționale create de gravitația Pământului la o altitudine dată.
Din formula pentru calcularea accelerației centripete, puteți găsi viteza unghiulară. Raza orbitei geostaționare este, de asemenea, determinată de această formulă sau prin împărțirea constantei gravitaționale geocentrice la viteza unghiulară la pătrat. Are 42.164 de kilometri lungime. Ținând cont de raza ecuatorială a Pământului, obținem o înălțime egală cu 35.786 de kilometri.
Calculele pot fi efectuate într-un alt mod, pe baza afirmației că altitudinea orbitală, care este distanța de la centrul Pământului, cu viteza unghiulară a satelitului care coincide cu mișcarea de rotație a planetei, dă naștere unei linii liniare. viteza care este egală cu prima viteză cosmică la o altitudine dată.
Viteza pe orbită geostaționară. Lungime
Acest indicator este calculat prin înmulțirea vitezei unghiulare cu raza câmpului. Valoarea vitezei pe orbită este de 3,07 kilometri pe secundă, ceea ce este mult mai mică decât prima viteză cosmică pe calea apropiată de Pământ. Pentru a reduce rata, este necesar să creșteți raza orbitală de mai mult de șase ori. Lungimea se calculează prin înmulțirea numărului Pi și a razei, înmulțită cu două. Are 264924 de kilometri. Indicatorul este luat în considerare atunci când se calculează „punctele verticale” ale sateliților.
Influența forțelor
Parametrii orbitei de-a lungul căreia se rotește mecanismul artificial se pot modifica sub influența perturbațiilor gravitaționale lunar-solare, a neomogenității câmpului Pământului și a elipticității ecuatorului. Transformarea câmpului se exprimă în fenomene precum:
- Deplasarea satelitului de la poziția sa de-a lungul orbitei către punctele de echilibru stabil, care sunt numite găuri potențiale în orbita geostaționară.
- Unghiul de înclinare a câmpului față de ecuator crește cu o anumită viteză și atinge 15 grade o dată la 26 de ani și 5 luni.
Pentru a menține satelitul la „punctul de așteptare” dorit, acesta este echipat cu un sistem de propulsie, care este pornit de mai multe ori la fiecare 10-15 zile. Astfel, pentru a compensa creșterea înclinației orbitale, se folosește o corecție „nord-sud”, iar pentru a compensa derivea de-a lungul câmpului, se folosește o corecție „vest-est”. Pentru a regla calea satelitului pe toată durata de viață, este necesară o cantitate mare de combustibil la bord.
Sisteme de propulsie
Alegerea dispozitivului este determinată de caracteristicile tehnice individuale ale satelitului. De exemplu, un motor de rachetă chimic are o sursă de combustibil cu deplasare și funcționează pe componente cu punct de fierbere ridicat depozitate îndelung (tetroxid de diazot, dimetilhidrazină nesimetrică). Dispozitivele cu plasmă au o forță semnificativ mai mică, dar datorită funcționării prelungite, care se măsoară în zeci de minute pentru o singură mișcare, pot reduce semnificativ cantitatea de combustibil consumată la bord. Acest tip de sistem de propulsie este folosit pentru a manevra un satelit într-o altă poziție orbitală. Principalul factor limitator în durata de viață a dispozitivului este alimentarea cu combustibil pe orbită geostaționară.
Dezavantajele unui câmp artificial
Un dezavantaj semnificativ în interacțiunea cu sateliții geostaționari este întârzierile mari în propagarea semnalului. Astfel, la viteza luminii de 300 de mii de kilometri pe secundă și la altitudinea orbitală de 35.786 de kilometri, mișcarea fasciculului Pământ-satelit durează aproximativ 0,12 secunde, iar fasciculul Pământ-satelit-Pământ durează 0,24 secunde. Luând în considerare întârzierea semnalului în echipamentele și sistemele de transmisie prin cablu ale serviciilor terestre, întârzierea totală a semnalului „sursă-satelit-receptor” ajunge la aproximativ 2-4 secunde. Acest indicator complică semnificativ utilizarea dispozitivelor pe orbită pentru telefonie și face imposibilă utilizarea comunicațiilor prin satelit în sistemele în timp real.
Un alt dezavantaj este invizibilitatea orbitei geostaționare de la latitudini înalte, care interferează cu comunicațiile și emisiunile de televiziune din regiunile arctice și antarctice. În situațiile în care soarele și satelitul de transmisie sunt în linie cu antena de recepție, există o scădere și uneori absența completă a semnalului. Pe orbitele geostaționare, datorită imobilității satelitului, acest fenomen se manifestă deosebit de clar.
efect Doppler
Acest fenomen constă într-o modificare a frecvențelor vibrațiilor electromagnetice, pe măsură ce emițătorul și receptorul se mișcă reciproc. Fenomenul este exprimat printr-o modificare a distanței în timp, precum și mișcarea vehiculelor artificiale pe orbită. Efectul se manifestă ca o stabilitate scăzută a frecvenței purtătoare a satelitului, care se adaugă instabilității hardware a frecvenței repetitorului de la bord și a stației terestre, ceea ce complică recepția semnalelor. Efectul Doppler contribuie la modificarea frecvenței vibrațiilor de modulare, care nu poate fi controlată. În cazul în care pe orbită sunt utilizați sateliți de comunicații și difuzare directă de televiziune, acest fenomen este practic eliminat, adică nu există modificări ale nivelului semnalului la punctul de recepție.
Atitudine față de câmpurile geostaționare din lume
Nașterea orbitei spațiale a creat multe întrebări și probleme juridice internaționale. O serie de comitete, în special Națiunile Unite, sunt implicate în rezoluția lor. Unele țări situate la ecuator au pretins extinderea suveranității lor asupra părții din câmpul spațial situat deasupra teritoriului lor. Statele au afirmat că orbita geostaționară este un factor fizic care este asociat cu existența planetei și depinde de câmpul gravitațional al Pământului, astfel încât segmentele de câmp sunt o prelungire a teritoriului țărilor lor. Dar astfel de afirmații au fost respinse, deoarece lumea are un principiu al neînsușirii spațiului cosmic. Toate problemele legate de funcționarea orbitelor și a sateliților sunt rezolvate la nivel global.
Pe o orbită geostaționară, un satelit nu se apropie și nu se îndepărtează de Pământ și, în plus, rotindu-se cu Pământul, este situat în mod constant deasupra oricărui punct de pe ecuator. În consecință, forțele gravitaționale și centrifuge care acționează asupra satelitului trebuie să se echilibreze reciproc. Pentru a calcula altitudinea orbitei geostaționare, puteți folosi metodele mecanicii clasice și, trecând la cadrul de referință al satelitului, puteți porni din următoarea ecuație:
unde este forța de inerție, iar în acest caz, forța centrifugă este forța gravitațională. Mărimea forței gravitaționale care acționează asupra satelitului poate fi determinată de legea gravitației universale a lui Newton:
unde este masa satelitului, este masa Pământului în kilograme, este constanta gravitațională și este raza orbitei (distanța în metri de la satelit la centrul Pământului).
Mărimea forței centrifuge este egală cu:
unde este accelerația centripetă care are loc în timpul mișcării circulare pe orbită.
După cum puteți vedea, masa satelitului este prezentă în expresiile atât pentru forța centrifugă, cât și pentru forța gravitațională. Adică, altitudinea orbitei nu depinde de masa satelitului, ceea ce este valabil pentru orice orbită și este o consecință a egalității masei gravitaționale și inerțiale. În consecință, orbita geostaționară este determinată doar de altitudinea la care forța centrifugă va fi egală ca mărime și opusă ca direcție forței gravitaționale create de gravitația Pământului la o altitudine dată.
Accelerația centripetă este egală cu:
unde este viteza unghiulară de rotație a satelitului, în radiani pe secundă.
Pe baza egalității forțelor gravitaționale și centrifuge, obținem:
Viteza unghiulara ω
se calculează prin împărțirea unghiului parcurs într-o rotație la perioada orbitală (timpul necesar pentru a finaliza o revoluție completă pe orbită: o zi siderale sau 86.164 secunde). Primim: 
rad/s
Raza orbitală estimată este de 42.164 km. Scăzând raza ecuatorială a Pământului, 6.378 km, obținem altitudinea GEO de 35.786 km.
Viteza orbitală
Viteza de mișcare pe orbită geostaționară se calculează prin înmulțirea vitezei unghiulare cu raza orbitei: km/s
Aceasta este de aproximativ 2,5 ori mai mică decât prima viteză de evacuare de 8 km/s pentru orbita aproape de Pământ (cu o rază de 6400 km). Deoarece pătratul vitezei pentru o orbită circulară este invers proporțional cu raza acesteia, o scădere a vitezei în raport cu prima viteză cosmică se realizează prin creșterea razei orbitale de mai mult de 6 ori.
Lungimea orbitei
Lungimea orbitei geostaţionare: . Cu o rază orbitală de 42.164 km, obținem o lungime orbitală de 264.924 km. Lungimea orbitei este extrem de importantă pentru calcularea „punctelor verticale” ale sateliților.
Menținerea unui satelit într-o poziție orbitală pe o orbită geostaționară Un satelit care orbitează pe o orbită geostaționară se află sub influența unui număr de forțe (perturbații) care modifică parametrii acestei orbite. În special, astfel de perturbări includ perturbații gravitaționale lunare-solare, influența neomogenității câmpului gravitațional al Pământului, elipticitatea ecuatorului etc. Degradarea orbitală este exprimată în două fenomene principale:
1) Satelitul se deplasează de-a lungul orbitei de la poziția sa orbitală inițială către unul dintre cele patru puncte de echilibru stabil, așa-numitele „găuri potențiale ale orbitei geostaționare” (longitudinele lor sunt 75,3°E, 104,7°V, 165,3°E și 14,7°V) deasupra ecuatorului Pământului;
2) Înclinarea orbitei către ecuator crește (de la inițială = 0) cu o rată de aproximativ 0,85 grade pe an și atinge o valoare maximă de 15 grade în 26,5 ani.
Pentru a compensa aceste perturbări și a menține satelitul în punctul staționar desemnat, satelitul este echipat cu un sistem de propulsie (rachetă chimică sau electrică). Prin pornirea periodică a motoarelor cu tracțiune joasă (corecția „nord-sud” pentru a compensa creșterea înclinației orbitale și „vest-est” pentru a compensa deriva de-a lungul orbitei), satelitul este menținut în punctul staționar desemnat. Astfel de incluziuni se fac de mai multe ori la câteva (10-15) zile. Este semnificativ faptul că corecția nord-sud necesită o creștere semnificativ mai mare a vitezei caracteristice (aproximativ 45-50 m/s pe an) decât pentru corecția longitudinală (circa 2 m/s pe an). Pentru a asigura corectarea orbitei satelitului pe toată durata de viață (12-15 ani pentru sateliții moderni de televiziune), este necesară o aprovizionare semnificativă de combustibil la bord (sute de kilograme, în cazul utilizării unui motor chimic). Motorul rachetei chimice al satelitului are un sistem de alimentare cu combustibil (gaz de impuls - heliu) și funcționează cu componente de lungă durată, cu punct de fierbere ridicat (de obicei dimetilhidrazină nesimetrică și tetroxid de azot). O serie de sateliți sunt echipați cu motoare cu plasmă. Forța lor este semnificativ mai mică decât cea a celor chimice, dar eficiența lor mai mare permite (datorită funcționării prelungite, măsurată în zeci de minute pentru o singură manevră) să reducă radical masa necesară de combustibil la bord. Alegerea tipului de sistem de propulsie este determinată de caracteristicile tehnice specifice ale dispozitivului.
Același sistem de propulsie este utilizat, dacă este necesar, pentru a manevra satelitul într-o altă poziție orbitală. În unele cazuri, de obicei la sfârșitul duratei de viață a satelitului, pentru a reduce consumul de combustibil, corecția orbitei nord-sud este oprită, iar combustibilul rămas este folosit doar pentru corecția vest-est. Rezerva de combustibil este principalul factor limitator în durata de viață a unui satelit pe orbită geostaționară.
