"Iss quang trắc". Quỹ đạo địa tĩnh (GSO)
Giống như chỗ ngồi trong rạp hát mang lại những góc nhìn khác nhau về buổi biểu diễn, các quỹ đạo vệ tinh khác nhau mang đến những góc nhìn khác nhau, mỗi quỹ đạo có một mục đích khác nhau. Một số dường như bay lơ lửng phía trên một điểm trên bề mặt, cung cấp tầm nhìn liên tục về một phía của Trái đất, trong khi một số khác bay vòng quanh hành tinh của chúng ta, đi qua nhiều nơi trong một ngày.
Các loại quỹ đạo
Vệ tinh bay ở độ cao bao nhiêu? Có 3 loại quỹ đạo gần Trái đất: cao, trung bình và thấp. Ở cấp độ cao nhất, xa nhất so với bề mặt, theo quy luật, có nhiều vệ tinh thời tiết và một số vệ tinh liên lạc. Các vệ tinh quay trên quỹ đạo trung bình của Trái đất bao gồm các vệ tinh dẫn đường và các vệ tinh đặc biệt được thiết kế để giám sát một khu vực cụ thể. Hầu hết các tàu vũ trụ khoa học, bao gồm cả hạm đội Hệ thống Quan sát Trái đất của NASA, đều ở quỹ đạo thấp.
Tốc độ di chuyển của chúng phụ thuộc vào độ cao mà vệ tinh bay. Khi bạn đến gần Trái đất, trọng lực trở nên mạnh hơn và chuyển động tăng tốc. Ví dụ, vệ tinh Aqua của NASA mất khoảng 99 phút để quay quanh hành tinh của chúng ta ở độ cao khoảng 705 km, trong khi một thiết bị khí tượng đặt cách bề mặt 35.786 km mất 23 giờ, 56 phút và 4 giây. Ở khoảng cách 384.403 km tính từ tâm Trái đất, Mặt trăng hoàn thành một vòng quay trong 28 ngày.
Nghịch lý khí động học
Việc thay đổi độ cao của vệ tinh cũng làm thay đổi tốc độ quỹ đạo của nó. Có một nghịch lý ở đây. Nếu người điều hành vệ tinh muốn tăng tốc độ của nó, anh ta không thể chỉ nổ máy để tăng tốc. Điều này sẽ làm tăng quỹ đạo (và độ cao), dẫn đến giảm tốc độ. Thay vào đó, các động cơ phải được bắn theo hướng ngược lại với hướng chuyển động của vệ tinh, một hành động sẽ làm chậm phương tiện đang chuyển động trên Trái đất. Hành động này sẽ di chuyển nó xuống thấp hơn, cho phép tăng tốc độ.
Đặc điểm quỹ đạo
Ngoài độ cao, đường đi của vệ tinh còn được đặc trưng bởi độ lệch tâm và độ nghiêng. Đầu tiên liên quan đến hình dạng của quỹ đạo. Một vệ tinh có độ lệch tâm thấp chuyển động theo quỹ đạo gần tròn. Quỹ đạo lệch tâm có hình elip. Khoảng cách từ tàu vũ trụ đến Trái đất phụ thuộc vào vị trí của nó.
Độ nghiêng là góc của quỹ đạo so với đường xích đạo. Một vệ tinh quay quanh đường xích đạo có độ nghiêng bằng không. Nếu một tàu vũ trụ đi qua cực bắc và cực nam (địa lý, không phải từ tính), thì độ nghiêng của nó là 90°.
Tất cả cùng nhau - chiều cao, độ lệch tâm và độ nghiêng - xác định chuyển động của vệ tinh và Trái đất sẽ trông như thế nào từ góc nhìn của nó.
Cao gần Trái Đất
Khi vệ tinh cách chính xác 42.164 km tính từ tâm Trái đất (cách bề mặt khoảng 36 nghìn km), nó sẽ đi vào khu vực có quỹ đạo phù hợp với chuyển động quay của hành tinh chúng ta. Vì tàu đang di chuyển với tốc độ tương đương với Trái đất, tức là chu kỳ quỹ đạo của nó là 24 giờ, nên nó dường như đứng yên trên một kinh độ duy nhất, mặc dù nó có thể trôi dạt từ bắc xuống nam. Quỹ đạo cao đặc biệt này được gọi là địa đồng bộ.
Vệ tinh di chuyển theo quỹ đạo tròn ngay phía trên đường xích đạo (độ lệch tâm và độ nghiêng bằng 0) và đứng yên so với Trái đất. Nó luôn nằm phía trên cùng một điểm trên bề mặt của nó.
Quỹ đạo Molniya (độ nghiêng 63,4°) được sử dụng để quan sát ở vĩ độ cao. Vệ tinh địa tĩnh gắn với đường xích đạo nên không phù hợp với các vùng xa về phía Bắc hoặc phía Nam. Quỹ đạo này khá lệch tâm: tàu vũ trụ di chuyển theo hình elip thon dài với Trái đất nằm sát một cạnh. Do vệ tinh được gia tốc bởi trọng lực nên nó chuyển động rất nhanh khi đến gần hành tinh của chúng ta. Khi nó di chuyển ra xa, tốc độ của nó chậm lại, do đó nó dành nhiều thời gian hơn ở đỉnh quỹ đạo ở rìa xa Trái đất nhất, khoảng cách có thể lên tới 40 nghìn km. Chu kỳ quỹ đạo là 12 giờ, nhưng vệ tinh dành khoảng 2/3 thời gian này trên một bán cầu. Giống như quỹ đạo bán đồng bộ, vệ tinh đi theo cùng một quỹ đạo cứ sau 24 giờ và được sử dụng để liên lạc ở phía bắc hoặc phía nam.
Thấp gần Trái đất
Hầu hết các vệ tinh khoa học, nhiều vệ tinh khí tượng và trạm vũ trụ đều ở trên quỹ đạo Trái đất thấp gần như hình tròn. Độ nghiêng của họ phụ thuộc vào những gì họ đang theo dõi. TRMM được phóng lên để theo dõi lượng mưa ở vùng nhiệt đới nên nó có độ nghiêng tương đối thấp (35°), duy trì gần xích đạo.
Nhiều vệ tinh trong hệ thống quan sát của NASA có quỹ đạo gần cực, có độ nghiêng cao. Tàu vũ trụ di chuyển quanh Trái đất từ cực này sang cực khác với thời gian 99 phút. Một nửa thời gian nó đi qua phía ngày của hành tinh chúng ta và ở cực, nó chuyển sang phía đêm.
Khi vệ tinh di chuyển, Trái đất quay bên dưới nó. Vào thời điểm phương tiện di chuyển đến khu vực được chiếu sáng, nó đã ở trên khu vực tiếp giáp với khu vực quỹ đạo cuối cùng của nó. Trong khoảng thời gian 24 giờ, các vệ tinh vùng cực bao phủ hầu hết Trái đất hai lần: một lần vào ban ngày và một lần vào ban đêm.
Quỹ đạo đồng bộ mặt trời
Giống như các vệ tinh địa đồng bộ phải được đặt phía trên đường xích đạo, điều này cho phép chúng duy trì trên một điểm, các vệ tinh quay quanh cực có khả năng duy trì cùng một lúc. Quỹ đạo của chúng đồng bộ với mặt trời - khi tàu vũ trụ đi qua đường xích đạo, giờ mặt trời ở địa phương luôn giống nhau. Ví dụ: vệ tinh Terra luôn bay qua Brazil lúc 10:30 sáng. Chuyến vượt biển tiếp theo 99 phút sau qua Ecuador hoặc Colombia cũng diễn ra lúc 10h30 giờ địa phương.
Quỹ đạo đồng bộ với mặt trời là điều cần thiết cho khoa học vì nó cho phép ánh sáng mặt trời duy trì trên bề mặt Trái đất, mặc dù nó sẽ thay đổi tùy theo mùa. Tính nhất quán này có nghĩa là các nhà khoa học có thể so sánh các hình ảnh về hành tinh của chúng ta từ cùng một mùa trong nhiều năm mà không phải lo lắng về sự thay đổi ánh sáng quá lớn, điều này có thể tạo ra ảo giác về sự thay đổi. Nếu không có quỹ đạo đồng bộ với mặt trời, sẽ khó theo dõi chúng theo thời gian và thu thập thông tin cần thiết để nghiên cứu biến đổi khí hậu.
Đường đi của vệ tinh ở đây rất hạn chế. Nếu nó ở độ cao 100 km thì quỹ đạo phải có độ nghiêng 96°. Mọi sai lệch sẽ không được chấp nhận. Do lực cản của khí quyển và lực hấp dẫn của Mặt trời và Mặt trăng làm thay đổi quỹ đạo của tàu vũ trụ nên nó phải được điều chỉnh thường xuyên.
Tiêm vào quỹ đạo: phóng
Việc phóng một vệ tinh cần có năng lượng, lượng năng lượng này phụ thuộc vào vị trí của bãi phóng, độ cao và độ nghiêng của quỹ đạo chuyển động trong tương lai của nó. Đi đến quỹ đạo xa đòi hỏi nhiều năng lượng hơn. Các vệ tinh có độ nghiêng đáng kể (ví dụ, các vệ tinh ở cực) tiêu tốn nhiều năng lượng hơn các vệ tinh quay quanh xích đạo. Việc đưa vào quỹ đạo có độ nghiêng thấp được hỗ trợ bởi chuyển động quay của Trái đất. di chuyển một góc 51,6397°. Điều này là cần thiết để giúp các tàu con thoi và tên lửa của Nga tiếp cận nó dễ dàng hơn. Độ cao của ISS là 337-430 km. Mặt khác, các vệ tinh vùng cực không nhận được bất kỳ sự hỗ trợ nào từ động lượng của Trái đất nên chúng cần nhiều năng lượng hơn để bay lên cùng một khoảng cách.
Điều chỉnh
Khi một vệ tinh được phóng, cần phải nỗ lực để giữ nó ở một quỹ đạo nhất định. Vì Trái đất không phải là một hình cầu hoàn hảo nên lực hấp dẫn của nó mạnh hơn ở một số nơi. Sự bất thường này, cùng với lực hấp dẫn của Mặt trời, Mặt trăng và Sao Mộc (hành tinh nặng nhất trong hệ mặt trời), làm thay đổi độ nghiêng của quỹ đạo. Trong suốt vòng đời của mình, các vệ tinh GOES đã được điều chỉnh ba hoặc bốn lần. Các phương tiện có quỹ đạo thấp của NASA phải điều chỉnh độ nghiêng hàng năm.
Ngoài ra, các vệ tinh gần Trái đất còn bị ảnh hưởng bởi bầu khí quyển. Các lớp trên cùng tuy khá hiếm nhưng lại tạo ra lực cản đủ mạnh để kéo chúng lại gần Trái đất hơn. Tác động của trọng lực dẫn đến sự tăng tốc của vệ tinh. Theo thời gian, chúng bốc cháy, xoắn ốc ngày càng thấp hơn vào bầu khí quyển hoặc rơi xuống Trái đất.
Lực cản của khí quyển mạnh hơn khi Mặt trời hoạt động. Giống như không khí trong khinh khí cầu nở ra và bay lên khi bị nung nóng, bầu khí quyển cũng phồng lên và nở ra khi Mặt trời cung cấp thêm năng lượng cho nó. Các lớp mỏng của khí quyển dâng lên và các lớp dày đặc hơn thay thế chúng. Do đó, các vệ tinh quay quanh Trái đất phải thay đổi vị trí khoảng bốn lần một năm để bù lại lực cản của khí quyển. Khi hoạt động của mặt trời ở mức tối đa, vị trí của thiết bị phải được điều chỉnh 2-3 tuần một lần.
Rác không gian
Lý do thứ ba buộc phải thay đổi quỹ đạo là các mảnh vụn không gian. Một trong những vệ tinh liên lạc của Iridium đã va chạm với một tàu vũ trụ không hoạt động của Nga. Chúng va chạm, tạo ra một đám mây mảnh vụn gồm hơn 2.500 mảnh. Mỗi phần tử đã được thêm vào cơ sở dữ liệu, ngày nay bao gồm hơn 18.000 đồ vật có nguồn gốc nhân tạo.
NASA giám sát cẩn thận mọi thứ có thể nằm trên đường đi của vệ tinh, vì quỹ đạo đã phải thay đổi nhiều lần do các mảnh vụn không gian.
Các kỹ sư theo dõi vị trí của các mảnh vụn không gian và vệ tinh có thể cản trở chuyển động và lên kế hoạch cẩn thận cho các hoạt động lẩn tránh khi cần thiết. Cùng một nhóm lập kế hoạch và thực hiện các thao tác để điều chỉnh độ nghiêng và độ cao của vệ tinh.
Kế hoạch:
- Giới thiệu
- 1 Điểm đứng
- 2 Đưa vệ tinh vào quỹ đạo
- 3
Tính toán các thông số quỹ đạo địa tĩnh
- 3.1 Bán kính quỹ đạo và độ cao quỹ đạo
- 3.2 Tốc độ quỹ đạo
- 3.3 Độ dài quỹ đạo
- 4 Giao tiếp Ghi chú
Giới thiệu
Quỹ đạo địa tĩnh(GSO) - quỹ đạo tròn nằm phía trên xích đạo Trái đất (vĩ độ 0°), trong đó một vệ tinh nhân tạo quay quanh hành tinh với vận tốc góc bằng vận tốc góc của chuyển động quay của Trái đất quanh trục của nó và luôn nằm phía trên cùng một điểm trên bề mặt trái đất. Quỹ đạo địa tĩnh là một loại quỹ đạo địa tĩnh, được sử dụng để đặt các vệ tinh nhân tạo (thông tin liên lạc, truyền hình, v.v...)
Vệ tinh phải quay theo hướng quay của Trái đất, ở độ cao 35.786 km so với mực nước biển (xem bên dưới để tính toán độ cao GEO). Chính độ cao này đã cung cấp cho vệ tinh một chu kỳ quay bằng chu kỳ quay của Trái đất so với các ngôi sao (ngày thiên văn: 23 giờ, 56 phút, 4,091 giây).
Ý tưởng sử dụng vệ tinh địa tĩnh cho mục đích liên lạc đã được thể hiện [ Khi?] K. E. Tsiolkovsky và nhà lý thuyết du hành vũ trụ người Slovenia Herman Potocnik vào năm 1928. Ưu điểm của quỹ đạo địa tĩnh được biết đến rộng rãi sau khi xuất bản một bài báo khoa học nổi tiếng của Arthur C. Clarke trên tạp chí “Thế giới không dây” vào năm 1945, do đó ở phương Tây địa tĩnh và quỹ đạo địa không đồng bộ đôi khi được gọi là " quỹ đạo Clarke", MỘT " Thắt lưng của Clark" là khu vực ngoài vũ trụ ở khoảng cách 36.000 km so với mực nước biển trong mặt phẳng xích đạo của trái đất, nơi có các thông số quỹ đạo gần với địa tĩnh. Vệ tinh đầu tiên được phóng thành công vào GEO là Đồng bộ-2, được NASA phóng vào tháng 7 năm 1963.
1. Điểm đứng
Vệ tinh nằm trên quỹ đạo địa tĩnh là đứng yên so với bề mặt Trái đất nên vị trí của nó trên quỹ đạo được gọi là điểm đứng yên. Nhờ đó, ăng-ten định hướng cố định và định hướng vệ tinh có thể duy trì liên lạc liên tục với vệ tinh này trong thời gian dài.
2. Vị trí vệ tinh trên quỹ đạo
Đối với Arkhangelsk, độ cao tối đa có thể có của vệ tinh tính từ đường chân trời là 17,2°
Điểm cao nhất của Vành đai Clark luôn hướng về phía nam. Ở dưới cùng của biểu đồ là độ - kinh tuyến trên đó đặt các vệ tinh.
Ở hai bên là độ cao của các vệ tinh so với đường chân trời.
Trên cùng là hướng tới vệ tinh. Để rõ ràng, bạn có thể kéo dài nó theo chiều ngang 7,8 lần và lật nó từ trái sang phải. Sau đó nó sẽ trông giống như trên bầu trời.
Quỹ đạo địa tĩnh chỉ có thể đạt được chính xác trên một vòng tròn nằm ngay phía trên xích đạo, có độ cao rất gần 35.786 km.
Nếu các vệ tinh địa tĩnh có thể nhìn thấy được trên bầu trời bằng mắt thường, thì đường mà chúng có thể nhìn thấy được sẽ trùng với “Vành đai Clark” cho một khu vực nhất định. Vệ tinh địa tĩnh nhờ có sẵn các điểm lắp nên thuận tiện sử dụng cho việc liên lạc vệ tinh: sau khi định hướng, ăng-ten sẽ luôn hướng về vệ tinh đã chọn (nếu không thay đổi vị trí).
Để chuyển các vệ tinh từ quỹ đạo tầm thấp sang quỹ đạo địa tĩnh, người ta sử dụng các quỹ đạo chuyển dịch địa tĩnh (GTO) - quỹ đạo hình elip có điểm cận điểm ở độ cao thấp và điểm viễn địa ở độ cao gần với quỹ đạo địa tĩnh.
Sau khi hoàn thành hoạt động tích cực với lượng nhiên liệu còn lại, vệ tinh phải được chuyển đến quỹ đạo xử lý nằm cách GEO 200-300 km.
3. Tính toán các thông số quỹ đạo địa tĩnh
3.1. Bán kính quỹ đạo và độ cao quỹ đạo
Trong quỹ đạo địa tĩnh, vệ tinh không đến gần hoặc di chuyển ra khỏi Trái đất, ngoài ra, khi quay cùng Trái đất, nó liên tục nằm phía trên bất kỳ điểm nào trên đường xích đạo. Do đó, lực hấp dẫn và lực ly tâm tác dụng lên vệ tinh phải cân bằng lẫn nhau. Để tính độ cao của quỹ đạo địa tĩnh, bạn có thể sử dụng các phương pháp cơ học cổ điển và tiến hành từ phương trình sau:
F bạn = F Γ ,Ở đâu F bạn- lực quán tính, và trong trường hợp này là lực ly tâm; FΓ - lực hấp dẫn. Độ lớn của lực hấp dẫn tác dụng lên vệ tinh có thể được xác định bằng định luật vạn vật hấp dẫn của Newton:
,Ở đâu tôi c- khối lượng của vệ tinh, M 3 - khối lượng Trái đất tính bằng kilogam, G là hằng số hấp dẫn và R- khoảng cách tính bằng mét từ vệ tinh đến tâm Trái đất hoặc trong trường hợp này là bán kính quỹ đạo.
Độ lớn của lực ly tâm bằng:
,Ở đâu Một- Gia tốc hướng tâm xảy ra khi chuyển động tròn đều trên quỹ đạo.
Như bạn có thể thấy, khối lượng của vệ tinh tôi c hiện diện dưới dạng số nhân trong các biểu thức của lực ly tâm và lực hấp dẫn, nghĩa là độ cao của quỹ đạo không phụ thuộc vào khối lượng của vệ tinh, điều này đúng với mọi quỹ đạo và là hệ quả của đẳng thức khối lượng hấp dẫn và quán tính. Do đó, quỹ đạo địa tĩnh chỉ được xác định bởi độ cao mà tại đó lực ly tâm sẽ có độ lớn bằng nhau và ngược chiều với lực hấp dẫn do lực hấp dẫn của Trái đất tạo ra ở độ cao nhất định.
Gia tốc hướng tâm bằng:
,trong đó ω là tốc độ góc quay của vệ tinh, tính bằng radian trên giây.
Hãy làm rõ một điều quan trọng. Trên thực tế, gia tốc hướng tâm chỉ có ý nghĩa vật lý trong hệ quy chiếu quán tính, trong khi lực ly tâm được gọi là lực tưởng tượng và chỉ xảy ra trong hệ quy chiếu (tọa độ) liên kết với các vật thể quay. Lực hướng tâm (trong trường hợp này là lực hấp dẫn) gây ra gia tốc hướng tâm. Ở giá trị tuyệt đối (bằng giá trị số tuyệt đối), gia tốc hướng tâm trong hệ quy chiếu quán tính bằng gia tốc ly tâm trong hệ quy chiếu liên quan đến vệ tinh trong trường hợp của chúng ta. Do đó, xa hơn, khi tính đến nhận xét đã đưa ra, chúng ta có thể sử dụng thuật ngữ “gia tốc hướng tâm” cùng với thuật ngữ “lực ly tâm”.
Cân bằng các biểu thức của lực hấp dẫn và lực ly tâm với việc thay thế gia tốc hướng tâm, chúng ta thu được:
.Giảm tôi c, dịch R 2 ở bên trái và ω 2 ở bên phải, chúng ta có:
.Bạn có thể viết biểu thức này theo cách khác, thay thế nó bằng μ - hằng số hấp dẫn địa tâm:
Vận tốc góc ω được tính bằng cách chia góc di chuyển trên mỗi vòng quay (radian) cho chu kỳ quỹ đạo (thời gian để hoàn thành một vòng quay trên quỹ đạo: một ngày thiên văn, hay 86.164 giây). Chúng tôi nhận được:
rad/sBán kính quỹ đạo thu được là 42.164 km. Trừ bán kính xích đạo của Trái đất, 6.378 km, chúng ta có độ cao 35.786 km.
3.2. Tốc độ quỹ đạo
Tốc độ quỹ đạo (tốc độ vệ tinh bay trong không gian) được tính bằng cách nhân tốc độ góc với bán kính quỹ đạo:
km/s hoặc = 11052 km/hBạn có thể thực hiện các phép tính theo cách khác. Độ cao của quỹ đạo địa tĩnh là khoảng cách tính từ tâm Trái đất tại đó vận tốc góc của vệ tinh trùng với vận tốc góc quay của Trái đất tạo ra vận tốc quỹ đạo (tuyến tính) bằng vận tốc thoát thứ nhất (để đảm bảo một quỹ đạo tròn) ở một độ cao nhất định. Tất nhiên, bằng cách giải phương trình đơn giản này, chúng ta sẽ thu được các giá trị giống như khi tính toán sử dụng lực ly tâm. Người ta cũng hiểu rõ tại sao quỹ đạo địa tĩnh lại cao đến vậy. Cần phải di chuyển vệ tinh đủ xa khỏi Trái đất để vận tốc thoát đầu tiên ở đó thật nhỏ (khoảng 3 km/s, so với khoảng 8 km/s ở quỹ đạo thấp)
Điều quan trọng cần lưu ý là quỹ đạo địa tĩnh phải có hình tròn (và đó là lý do tại sao vận tốc thoát đầu tiên đã được thảo luận ở trên). Nếu tốc độ thấp hơn tốc độ vũ trụ thứ nhất (ở một khoảng cách nhất định so với Trái đất) thì vệ tinh sẽ giảm đi; nếu tốc độ cao hơn tốc độ vũ trụ thứ nhất thì quỹ đạo sẽ có hình elip, vệ tinh sẽ không có thể quay đều đồng bộ với Trái Đất.
3.3. Độ dài quỹ đạo
Chiều dài quỹ đạo địa tĩnh: . Với bán kính quỹ đạo là 42.164 km, chúng ta có chiều dài quỹ đạo là 264.924 km.
Độ dài quỹ đạo cực kỳ quan trọng để tính toán “điểm đứng” của vệ tinh.
4. Giao tiếp
Truyền thông qua loại vệ tinh này được đặc trưng bởi độ trễ lớn trong việc truyền tín hiệu. Ngay cả một chùm tia truyền tới vệ tinh và quay trở lại cũng mất gần một phần tư giây. Ping tới một điểm khác trên trái đất sẽ mất khoảng nửa giây.
Với độ cao quỹ đạo 35.786 km và tốc độ ánh sáng khoảng 300.000 km/s, việc di chuyển chùm tia vệ tinh Trái đất cần 35786/300000 = ~ 0,12 giây. Đường truyền tia “Trái đất (máy phát) -> vệ tinh -> Trái đất (máy thu)” ~0,24 giây. Ping sẽ cần ~0,48 giây
Nếu tính đến độ trễ tín hiệu trong thiết bị vệ tinh và thiết bị dịch vụ mặt đất thì tổng độ trễ tín hiệu trên tuyến Trái đất -> vệ tinh -> Trái đất có thể đạt tới 2-4 giây.
Việc duy trì một vệ tinh tại một điểm trong quỹ đạo địa tĩnh đòi hỏi năng lượng và theo đó là chi phí tài chính. Điều này chính xác là do quỹ đạo phải có hình tròn chặt chẽ, có chiều cao được xác định chặt chẽ và được đặc trưng bởi tốc độ được xác định chặt chẽ (cả ba tham số đều có liên quan với nhau). Vì vậy, các vệ tinh địa tĩnh nhanh chóng tiêu thụ lượng nhiên liệu dự trữ sẵn có để điều chỉnh tốc độ và độ cao của quỹ đạo. Đó là lý do tại sao hiện nay họ chủ yếu sử dụng không phải các vệ tinh “treo” mà là “hình số tám” nằm trên quỹ đạo địa không đồng bộ, trong số những thứ khác, có thể thấp hơn đáng kể so với quỹ đạo địa tĩnh. Ngoài ra, một cặp hai vệ tinh có quỹ đạo hình elip va chạm nhau nằm ở một góc so với mặt phẳng xích đạo sẽ rẻ hơn nhiều so với việc vận hành một vệ tinh địa tĩnh.
Quỹ đạo vệ tinh rất phổ biến là quỹ đạo địa tĩnh. Nó được sử dụng để lưu trữ nhiều loại vệ tinh, bao gồm vệ tinh phát sóng trực tiếp, vệ tinh liên lạc và hệ thống chuyển tiếp.
Ưu điểm của quỹ đạo địa tĩnh là vệ tinh đặt trong đó liên tục ở cùng một vị trí, điều này cho phép ăng-ten cố định của trạm mặt đất hướng vào nó.
Đọc thêm:
Yếu tố này cực kỳ quan trọng đối với các hệ thống như phát sóng trực tiếp qua vệ tinh, nơi việc sử dụng ăng-ten di chuyển liên tục theo vệ tinh sẽ cực kỳ không thực tế.
Phải cẩn thận khi sử dụng chữ viết tắt cho quỹ đạo địa tĩnh. Chúng ta có thể gặp các từ viết tắt GEO và GSO và cả hai đều được dùng để chỉ quỹ đạo địa tĩnh và quỹ đạo địa không đồng bộ.
Phát triển quỹ đạo địa tĩnh
Các ý tưởng liên quan đến khả năng sử dụng quỹ đạo địa tĩnh để chứa các vệ tinh đã được đưa ra trong nhiều năm. Nhà lý luận và nhà văn khoa học viễn tưởng người Nga Konstantin Tsiolkovsky thường được coi là tác giả có thể của các điều khoản làm cơ sở cho ý tưởng này. Tuy nhiên, lần đầu tiên, Hermann Oberth và Hermann Potochnik đã viết về khả năng đặt tàu vũ trụ ở độ cao 35.900 km so với Trái đất với chu kỳ quỹ đạo là 24 giờ, giúp chúng có cơ hội “lơ lửng” tại một điểm phía trên đường xích đạo .
Bước quan trọng tiếp theo hướng tới sự ra đời của Quỹ đạo địa tĩnh được thực hiện vào tháng 10 năm 1945, khi nhà văn khoa học viễn tưởng Arthur Charles Clarke viết một bài báo nghiêm túc cho Wireless World, ấn phẩm hàng đầu của Anh trong lĩnh vực vô tuyến và điện tử. Bài báo có tựa đề "Liên lạc chuyển tiếp ngoài Trái đất: Tên lửa không gian có thể cung cấp vùng phủ sóng tín hiệu trên toàn thế giới không?"
Clark đã cố gắng ngoại suy từ những gì đã có thể thực hiện được bằng cách sử dụng công nghệ tên lửa hiện có do các nhà khoa học Đức phát triển sang những gì có thể xảy ra trong tương lai. Ông bày tỏ ý tưởng về khả năng bao phủ toàn bộ Trái đất bằng tín hiệu chỉ bằng ba vệ tinh địa tĩnh.
Trong bài báo của mình, Clark đã phác thảo các đặc điểm quỹ đạo cần thiết, cũng như mức công suất máy phát, khả năng tạo ra điện bằng các tấm pin mặt trời và thậm chí còn tính toán tác động có thể xảy ra của nhật thực.
Bài báo của Clark đã đi trước thời đại một cách đáng kể. Chỉ đến năm 1963, NASA mới có thể phóng các vệ tinh vào không gian có thể kiểm tra lý thuyết này trên thực tế. Vệ tinh chính thức đầu tiên có khả năng bắt đầu các thử nghiệm thực tế về lý thuyết của Clark là vệ tinh Syncom 2, được phóng vào ngày 26 tháng 7 năm 1963 (trên thực tế, vệ tinh Syncom 2 không thể làm được điều này vì nó không thể được đưa đến quỹ đạo địa tĩnh cần thiết) .
Cơ sở lý thuyết quỹ đạo địa tĩnh
Khi độ cao của quỹ đạo nơi đặt vệ tinh tăng lên thì chu kỳ quay của nó trên quỹ đạo này cũng tăng lên. Ở độ cao 35.790 km so với Trái đất, vệ tinh mất 24 giờ để hoàn thành quỹ đạo quanh hành tinh. Quỹ đạo như vậy được gọi là địa đồng bộ vì nó đồng bộ với chu kỳ quay của Trái đất trên trục của nó.
Trường hợp đặc biệt của quỹ đạo địa tĩnh là quỹ đạo địa tĩnh. Khi sử dụng quỹ đạo như vậy, hướng chuyển động của vệ tinh quanh Trái đất tương ứng với hướng quay của chính hành tinh và chu kỳ quỹ đạo của tàu vũ trụ là khoảng 24 giờ. Điều này có nghĩa là vệ tinh quay với cùng tốc độ góc với Trái đất, theo cùng một hướng và do đó, liên tục nằm ở cùng một điểm so với bề mặt hành tinh.
Đọc thêm:
Để đảm bảo rằng vệ tinh quay quanh Trái đất với cùng tốc độ mà hành tinh tự quay quanh trục của nó, cần phải hiểu rõ chu kỳ quay của Trái đất quanh trục của nó thực sự là gì. Hầu hết các thiết bị chấm công đều đo chuyển động quay của Trái đất so với vị trí hiện tại của Mặt trời và chuyển động quay của Trái đất quanh trục của nó kết hợp với chuyển động quay quanh Mặt trời sẽ cho ra độ dài của ngày. Tuy nhiên, đây hoàn toàn không phải là chu kỳ quay của Trái đất mà chúng ta quan tâm từ quan điểm tính toán quỹ đạo địa tĩnh - thời gian cần thiết cho một vòng quay hoàn chỉnh. Khoảng thời gian này được gọi là ngày thiên văn, kéo dài 23 giờ, 56 phút và 4 giây.
Các định luật hình học cho chúng ta biết rằng cách duy nhất để một vệ tinh luôn ở trên một điểm trên bề mặt trái đất, thực hiện một vòng quay mỗi ngày, là quay quanh cùng hướng mà Trái đất tự quay. Ngoài ra, vệ tinh không được dịch chuyển quỹ đạo của nó về phía bắc hoặc phía nam. Tất cả điều này chỉ có thể đạt được nếu quỹ đạo vệ tinh đi qua đường xích đạo.
Sơ đồ cho thấy các loại quỹ đạo khác nhau. Vì mặt phẳng của bất kỳ quỹ đạo nào cũng phải đi qua tâm Trái đất nên hình vẽ cho thấy hai lựa chọn khả thi. Hơn nữa, ngay cả khi sự chuyển động của tàu vũ trụ trên cả hai quỹ đạo được thực hiện với tốc độ bằng tốc độ quay của Trái đất quanh trục của nó, thì quỹ đạo được chỉ định là “địa đồng bộ” sẽ dịch chuyển về phía bắc so với xích đạo trong nửa ngày và về phía nam. trong nửa ngày còn lại và do đó sẽ không đứng yên. Để vệ tinh có thể đứng yên, nó phải ở phía trên đường xích đạo.
Trôi dạt trong quỹ đạo địa tĩnh
Ngay cả khi một vệ tinh nằm trong quỹ đạo địa tĩnh, nó vẫn phải chịu một số lực nhất định có thể thay đổi vị trí từ từ theo thời gian.
Các yếu tố như hình elip của Trái đất, lực hấp dẫn của Mặt trời và Mặt trăng và một số yếu tố khác làm tăng khả năng vệ tinh bị lệch khỏi quỹ đạo của nó. Đặc biệt, hình dạng không hoàn toàn tròn của Trái đất ở vùng xích đạo dẫn đến việc vệ tinh bị thu hút bởi hai điểm cân bằng ổn định - một trong số chúng nằm trên Ấn Độ Dương và điểm thứ hai nằm ở phần đối diện của Ấn Độ Dương. trái đất. Kết quả là một hiện tượng gọi là sự cân bằng Đông-Tây, hay chuyển động tiến và lùi.
Để khắc phục hậu quả của chuyển động đó, vệ tinh có một nguồn cung cấp nhiên liệu nhất định trên tàu, cho phép nó thực hiện “các thao tác hỗ trợ” để đưa thiết bị trở lại vị trí quỹ đạo cần thiết một cách chính xác. Khoảng thời gian cần thiết giữa các lần “diễn tập hỗ trợ” như vậy được xác định theo cái gọi là dung sai độ lệch vệ tinh, được thiết lập chủ yếu có tính đến độ rộng búp sóng của ăng ten của trạm mặt đất. Điều này có nghĩa là trong quá trình hoạt động bình thường của vệ tinh, không cần điều chỉnh ăng-ten.
Đọc thêm:
Rất thường xuyên, khoảng thời gian hoạt động tích cực của vệ tinh được tính từ lượng nhiên liệu cần thiết trên tàu để duy trì vệ tinh ở một vị trí quỹ đạo. Thông thường khoảng thời gian này là vài năm. Sau đó, vệ tinh bắt đầu trôi theo hướng của một trong những điểm cân bằng, sau đó nó có thể lao xuống và sau đó đi vào bầu khí quyển Trái đất. Vì vậy, nên sử dụng nhiên liệu cuối cùng có sẵn trên tàu để nâng vệ tinh lên quỹ đạo cao hơn nhằm tránh những tác động tiêu cực có thể xảy ra đối với hoạt động của các tàu vũ trụ khác.
Vùng phủ sóng từ quỹ đạo địa tĩnh
Rõ ràng là một vệ tinh địa tĩnh không có khả năng cung cấp vùng phủ sóng tín hiệu hoàn chỉnh trên bề mặt Trái đất. Tuy nhiên, mỗi vệ tinh địa tĩnh “nhìn thấy” khoảng 42% bề mặt trái đất, với độ bao phủ giảm dần về phía vệ tinh không thể “nhìn thấy” bề mặt. Điều này xảy ra xung quanh đường xích đạo và cả về phía các vùng cực.
Bằng cách đặt một chòm sao gồm ba vệ tinh cách đều nhau trên quỹ đạo địa tĩnh, có thể cung cấp vùng phủ sóng tín hiệu cho toàn bộ bề mặt Trái đất từ đường xích đạo đến vĩ độ 81° Bắc và Nam.
Việc thiếu vùng phủ sóng ở các vùng cực không phải là vấn đề đối với hầu hết người dùng, nhưng nhu cầu cung cấp vùng phủ sóng ổn định ở các vĩ độ vùng cực đòi hỏi phải sử dụng các vệ tinh quay quanh các quỹ đạo khác.
Quỹ đạo địa tĩnh
và độ dài đường dẫn tín hiệu
Một trong những vấn đề gặp phải khi sử dụng vệ tinh trên quỹ đạo địa tĩnh là độ trễ tín hiệu do khoảng cách nó phải di chuyển.
Khoảng cách tối thiểu tới bất kỳ vệ tinh địa tĩnh nào là 35.790 km. Và điều này chỉ xảy ra nếu người dùng ở ngay dưới vệ tinh và tín hiệu sẽ đến được với anh ta theo con đường ngắn nhất. Trên thực tế, người dùng khó có thể định vị chính xác tại thời điểm này và do đó khoảng cách mà tín hiệu sẽ phải truyền đi trên thực tế sẽ lớn hơn nhiều.
Dựa trên khoảng cách ngắn nhất từ trạm mặt đất đến vệ tinh, thời gian tối thiểu ước tính để tín hiệu truyền đi một chiều—tức là từ Trái đất đến vệ tinh hoặc từ vệ tinh đến Trái đất—là khoảng 120 mili giây. Điều này có nghĩa là thời gian dành cho toàn bộ tuyến tín hiệu - từ Trái đất đến vệ tinh và từ vệ tinh quay trở lại Trái đất - là khoảng một phần tư giây.
Do đó, phải mất nửa giây để nhận được phản hồi trong cuộc trò chuyện truyền qua vệ tinh, vì tín hiệu phải truyền qua vệ tinh hai lần: một lần di chuyển về phía người nghe từ xa và lần thứ hai quay lại với phản hồi. Sự chậm trễ này làm phức tạp các cuộc trò chuyện qua điện thoại sử dụng liên kết vệ tinh. Một phóng viên nhận được câu hỏi từ đài truyền hình sẽ mất một thời gian để trả lời. Sự hiện diện của hiệu ứng trễ này là lý do khiến nhiều đường dây liên lạc đường dài sử dụng kênh cáp thay vì kênh vệ tinh, vì độ trễ trên cáp thấp hơn nhiều.
Ưu nhược điểm của vệ tinh,
nằm trong quỹ đạo địa tĩnh
Mặc dù quỹ đạo địa tĩnh được sử dụng rộng rãi trong thực tế để triển khai các công nghệ khác nhau nhưng nó vẫn không phù hợp cho mọi tình huống. Khi nghĩ về khả năng sử dụng quỹ đạo này, người ta nên tính đến một số ưu điểm và nhược điểm của nó:
| Thuận lợi | sai sót |
|
|
Tuy nhiên, bất chấp tất cả những nhược điểm hiện có của quỹ đạo địa tĩnh, các vệ tinh nằm trên nó vẫn được sử dụng rộng rãi trên toàn thế giới do ưu điểm chính của chúng có thể vượt trội hơn tất cả những nhược điểm: vệ tinh địa tĩnh luôn ở cùng một vị trí quỹ đạo so với một hoặc một điểm khác trên Trái đất.
Quỹ đạo địa tĩnh là gì? Đây là một trường tròn, nằm phía trên đường xích đạo của Trái đất, dọc theo đó một vệ tinh nhân tạo quay với vận tốc góc của hành tinh quay quanh trục của nó. Nó không thay đổi hướng trong hệ tọa độ ngang mà treo bất động trên bầu trời. Quỹ đạo Trái đất địa tĩnh (GEO) là một loại trường địa không đồng bộ và được sử dụng để đặt thông tin liên lạc, phát sóng truyền hình và các vệ tinh khác.
Ý tưởng sử dụng các thiết bị nhân tạo
Khái niệm quỹ đạo địa tĩnh được khởi xướng bởi nhà phát minh người Nga K. E. Tsiolkovsky. Trong các tác phẩm của mình, ông đã đề xuất không gian dân cư với sự trợ giúp của các trạm quỹ đạo. Các nhà khoa học nước ngoài cũng mô tả hoạt động của các trường vũ trụ, ví dụ như G. Oberth. Người đã phát triển khái niệm sử dụng quỹ đạo để liên lạc là Arthur C. Clarke. Năm 1945, ông xuất bản một bài báo trên tạp chí Thế giới không dây, trong đó ông mô tả những ưu điểm của trường địa tĩnh. Đối với công việc tích cực của ông trong lĩnh vực này, để vinh danh nhà khoa học, quỹ đạo đã nhận được tên thứ hai - "Vành đai Clark". Nhiều nhà lý thuyết đã nghĩ đến vấn đề thực hiện truyền thông chất lượng cao. Do đó, Herman Potochnik vào năm 1928 đã bày tỏ ý tưởng về cách sử dụng các vệ tinh địa tĩnh.
Đặc điểm của “Vành đai Clark”
Để một quỹ đạo được gọi là quỹ đạo địa tĩnh, nó phải đáp ứng một số tham số:
1. Đồng bộ địa lý. Đặc điểm này bao gồm một trường có chu kỳ tương ứng với chu kỳ quay của Trái đất. Một vệ tinh địa đồng bộ hoàn thành quỹ đạo của nó quanh hành tinh trong một ngày thiên văn, tức là 23 giờ, 56 phút và 4 giây. Trái đất cần cùng thời gian để hoàn thành một vòng quay trong một không gian cố định.
2. Để duy trì vệ tinh ở một điểm nhất định, quỹ đạo địa tĩnh phải là hình tròn, không có độ nghiêng. Một trường hình elip sẽ dẫn đến sự dịch chuyển về phía đông hoặc phía tây, vì tàu di chuyển khác nhau tại các điểm nhất định trên quỹ đạo của nó.
3. “Điểm lơ lửng” của cơ cấu không gian phải ở xích đạo.
4. Vị trí của các vệ tinh trên quỹ đạo địa tĩnh phải sao cho số lượng nhỏ tần số dành cho liên lạc không dẫn đến sự chồng chéo tần số của các thiết bị khác nhau trong quá trình thu và truyền, cũng như tránh va chạm giữa chúng.
5. Lượng nhiên liệu đủ để duy trì vị trí không đổi của cơ cấu không gian.
Quỹ đạo địa tĩnh của vệ tinh là duy nhất ở chỗ chỉ bằng cách kết hợp các thông số của nó thì thiết bị mới có thể đứng yên. Một tính năng khác là khả năng nhìn Trái đất ở góc 17 độ so với các vệ tinh nằm trong trường không gian. Mỗi thiết bị chiếm khoảng một phần ba bề mặt quỹ đạo, do đó ba cơ chế có khả năng bao phủ gần như toàn bộ hành tinh.
Vệ tinh nhân tạo
Vệ tinh đã được phóng bởi nhiều quốc gia và công ty. Thiết bị nhân tạo đầu tiên trên thế giới được tạo ra ở Liên Xô và bay vào vũ trụ vào ngày 4 tháng 10 năm 1957. Nó được đặt tên là Sputnik 1. Năm 1958, Hoa Kỳ phóng tàu vũ trụ thứ hai mang tên Explorer 1. Vệ tinh đầu tiên được NASA phóng vào năm 1964 được đặt tên là Syncom-3. Các thiết bị nhân tạo hầu hết là không thể trả lại, nhưng có những thiết bị được trả lại một phần hoặc toàn bộ. Chúng được sử dụng để tiến hành nghiên cứu khoa học và giải quyết các vấn đề khác nhau. Vì vậy, có các vệ tinh quân sự, nghiên cứu, dẫn đường và những vệ tinh khác. Các thiết bị do nhân viên trường đại học hoặc những người nghiệp dư trong đài phát thanh tạo ra cũng được tung ra thị trường.
“Điểm đứng”
Các vệ tinh địa tĩnh được đặt ở độ cao 35.786 km so với mực nước biển. Độ cao này cung cấp một chu kỳ quỹ đạo tương ứng với chu kỳ quay của Trái đất so với các ngôi sao. Phương tiện nhân tạo không chuyển động nên vị trí của nó trong quỹ đạo địa tĩnh gọi là “điểm đứng”. Di chuột đảm bảo liên lạc lâu dài và liên tục, một khi đã định hướng, ăng-ten sẽ luôn hướng vào vệ tinh mong muốn.
Sự chuyển động
Vệ tinh có thể được chuyển từ quỹ đạo tầm thấp sang quỹ đạo địa tĩnh bằng cách sử dụng trường truyền địa tĩnh. Đường sau là đường elip có một điểm ở độ cao thấp và một đỉnh ở độ cao gần với vòng tròn địa tĩnh. Một vệ tinh không còn phù hợp để hoạt động tiếp theo sẽ được đưa đến quỹ đạo xử lý nằm cách GEO 200-300 km.
Độ cao quỹ đạo địa tĩnh
Một vệ tinh trong một trường nhất định giữ một khoảng cách nhất định với Trái đất, không đến gần cũng không di chuyển ra xa. Nó luôn nằm phía trên một số điểm trên đường xích đạo. Dựa trên những đặc điểm này, có thể thấy lực hấp dẫn và lực ly tâm cân bằng lẫn nhau. Độ cao của quỹ đạo địa tĩnh được tính toán bằng các phương pháp dựa trên cơ học cổ điển. Trong trường hợp này, sự tương ứng của lực hấp dẫn và lực ly tâm được tính đến. Giá trị của đại lượng thứ nhất được xác định bằng định luật vạn vật hấp dẫn của Newton. Chỉ số lực ly tâm được tính bằng cách nhân khối lượng của vệ tinh với gia tốc hướng tâm. Kết quả của sự bằng nhau giữa khối lượng hấp dẫn và khối lượng quán tính là kết luận rằng độ cao quỹ đạo không phụ thuộc vào khối lượng của vệ tinh. Do đó, quỹ đạo địa tĩnh chỉ được xác định bởi độ cao mà tại đó lực ly tâm có độ lớn bằng nhau và ngược chiều với lực hấp dẫn do trọng lực Trái đất tạo ra ở độ cao nhất định.
Từ công thức tính gia tốc hướng tâm, có thể tìm được vận tốc góc. Bán kính quỹ đạo địa tĩnh cũng được xác định theo công thức này hoặc bằng cách chia hằng số hấp dẫn địa tâm cho bình phương vận tốc góc. Nó dài 42.164 km. Có tính đến bán kính xích đạo của Trái đất, chúng ta có được độ cao bằng 35.786 km.
Các phép tính có thể được thực hiện theo cách khác, dựa trên phát biểu rằng độ cao quỹ đạo, là khoảng cách từ tâm Trái đất, với vận tốc góc của vệ tinh trùng với chuyển động quay của hành tinh, làm phát sinh một đường thẳng tuyến tính. vận tốc bằng vận tốc vũ trụ đầu tiên ở một độ cao nhất định.
Vận tốc trên quỹ đạo địa tĩnh. Chiều dài
Chỉ số này được tính bằng cách nhân vận tốc góc với bán kính trường. Giá trị của tốc độ trên quỹ đạo là 3,07 km mỗi giây, nhỏ hơn nhiều so với tốc độ vũ trụ đầu tiên trên đường đi gần Trái đất. Để giảm tốc độ, cần phải tăng bán kính quỹ đạo lên hơn sáu lần. Chiều dài được tính bằng cách nhân số Pi và bán kính, nhân hai. Đó là 264924 km. Chỉ số này được tính đến khi tính toán “điểm đứng” của vệ tinh.
Ảnh hưởng của lực
Các thông số của quỹ đạo mà cơ chế nhân tạo quay dọc theo có thể thay đổi dưới tác động của nhiễu loạn hấp dẫn mặt trăng-mặt trời, tính không đồng nhất của trường Trái đất và độ elip của đường xích đạo. Sự biến đổi của trường được thể hiện bằng các hiện tượng như:
- Sự dịch chuyển của vệ tinh từ vị trí của nó dọc theo quỹ đạo tới các điểm cân bằng ổn định, được gọi là các lỗ tiềm năng trên quỹ đạo địa tĩnh.
- Góc nghiêng của cánh đồng so với đường xích đạo tăng với tốc độ nhất định và đạt 15 độ cứ sau 26 năm 5 tháng.
Để giữ vệ tinh ở “điểm đứng” mong muốn, nó được trang bị hệ thống đẩy, được bật nhiều lần sau mỗi 10-15 ngày. Do đó, để bù cho sự gia tăng độ nghiêng của quỹ đạo, người ta sử dụng hiệu chỉnh “bắc-nam”, và để bù cho sự trôi dạt dọc theo cánh đồng, người ta sử dụng hiệu chỉnh “tây-đông”. Để điều chỉnh đường đi của vệ tinh trong suốt vòng đời của nó, cần có một nguồn cung cấp nhiên liệu lớn trên tàu.
Hệ thống đẩy
Việc lựa chọn thiết bị được xác định bởi các đặc tính kỹ thuật riêng của vệ tinh. Ví dụ, một động cơ tên lửa hóa học có nguồn cung cấp nhiên liệu thể tích và hoạt động bằng các thành phần có nhiệt độ sôi cao được lưu trữ trong thời gian dài (dianitrogen tetroxide, dimethylhydrazine không đối xứng). Thiết bị plasma có lực đẩy ít hơn đáng kể, nhưng do hoạt động kéo dài, tính bằng hàng chục phút cho một chuyển động, chúng có thể giảm đáng kể lượng nhiên liệu tiêu thụ trên tàu. Loại hệ thống đẩy này được sử dụng để điều khiển vệ tinh vào một vị trí quỹ đạo khác. Yếu tố hạn chế chính trong tuổi thọ của thiết bị là nguồn cung cấp nhiên liệu trên quỹ đạo địa tĩnh.
Nhược điểm của sân nhân tạo
Một hạn chế đáng kể trong việc tương tác với các vệ tinh địa tĩnh là độ trễ lớn trong việc truyền tín hiệu. Như vậy, ở tốc độ ánh sáng 300 nghìn km/s và độ cao quỹ đạo 35.786 km, chuyển động của chùm tia vệ tinh Trái đất mất khoảng 0,12 giây và chùm tia Trái đất-vệ tinh-Trái đất mất 0,24 giây. Có tính đến độ trễ tín hiệu trong các thiết bị và hệ thống truyền dẫn cáp của các dịch vụ mặt đất, tổng độ trễ của tín hiệu “nguồn-vệ tinh-thu” đạt khoảng 2-4 giây. Chỉ báo này làm phức tạp đáng kể việc sử dụng các thiết bị trên quỹ đạo cho điện thoại và khiến việc sử dụng thông tin vệ tinh trong các hệ thống thời gian thực là không thể.
Một nhược điểm khác là quỹ đạo địa tĩnh không thể nhìn thấy được từ các vĩ độ cao, gây cản trở hoạt động liên lạc và phát sóng truyền hình ở khu vực Bắc Cực và Nam Cực. Trong trường hợp mặt trời và vệ tinh truyền thẳng hàng với ăng-ten thu, tín hiệu sẽ giảm và đôi khi hoàn toàn không có tín hiệu. Trong quỹ đạo địa tĩnh, do vệ tinh đứng yên nên hiện tượng này biểu hiện đặc biệt rõ ràng.
hiệu ứng Doppler
Hiện tượng này bao gồm sự thay đổi tần số của dao động điện từ với sự chuyển động lẫn nhau của máy phát và máy thu. Hiện tượng này được thể hiện bằng sự thay đổi khoảng cách theo thời gian, cũng như sự chuyển động của các phương tiện nhân tạo trên quỹ đạo. Hiệu ứng này biểu hiện ở độ ổn định thấp của tần số sóng mang của vệ tinh, cộng thêm sự mất ổn định phần cứng của tần số của bộ lặp trên vệ tinh và trạm mặt đất, khiến việc thu tín hiệu trở nên phức tạp. Hiệu ứng Doppler góp phần làm thay đổi tần số dao động điều chế, không thể kiểm soát được. Trong trường hợp sử dụng vệ tinh liên lạc và truyền hình trực tiếp trên quỹ đạo, hiện tượng này gần như được loại bỏ, tức là không có sự thay đổi về mức tín hiệu tại điểm thu.
Quan điểm đối với các trường địa tĩnh trên thế giới
Sự ra đời của quỹ đạo không gian đã đặt ra nhiều câu hỏi và vấn đề pháp lý quốc tế. Một số ủy ban, đặc biệt là Liên hợp quốc, có liên quan đến việc giải quyết vấn đề của họ. Một số quốc gia nằm trên đường xích đạo đưa ra yêu sách mở rộng chủ quyền đối với phần trường vũ trụ nằm phía trên lãnh thổ của họ. Các quốc gia cho rằng quỹ đạo địa tĩnh là yếu tố vật lý gắn liền với sự tồn tại của hành tinh và phụ thuộc vào trường hấp dẫn của Trái đất nên các đoạn trường là phần mở rộng lãnh thổ của quốc gia họ. Nhưng những tuyên bố như vậy đã bị bác bỏ, vì thế giới có nguyên tắc không chiếm đoạt không gian bên ngoài. Mọi vấn đề liên quan đến hoạt động của quỹ đạo và vệ tinh đều được giải quyết ở cấp độ toàn cầu.
Trong quỹ đạo địa tĩnh, vệ tinh không đến gần hoặc di chuyển ra khỏi Trái đất, ngoài ra, khi quay cùng Trái đất, nó liên tục nằm phía trên bất kỳ điểm nào trên đường xích đạo. Do đó, lực hấp dẫn và lực ly tâm tác dụng lên vệ tinh phải cân bằng lẫn nhau. Để tính độ cao của quỹ đạo địa tĩnh, bạn có thể sử dụng các phương pháp cơ học cổ điển và chuyển sang hệ quy chiếu vệ tinh, tiến hành từ phương trình sau:
đâu là lực quán tính, và trong trường hợp này là lực ly tâm; là lực hấp dẫn. Độ lớn của lực hấp dẫn tác dụng lên vệ tinh có thể được xác định bằng định luật vạn vật hấp dẫn của Newton:
trong đó là khối lượng của vệ tinh, là khối lượng Trái đất tính bằng kilôgam, là hằng số hấp dẫn và là bán kính quỹ đạo (khoảng cách tính bằng mét từ vệ tinh đến tâm Trái đất).
Độ lớn của lực ly tâm bằng:
đâu là gia tốc hướng tâm xảy ra trong quá trình chuyển động tròn trên quỹ đạo.
Có thể thấy, khối lượng của vệ tinh có mặt trong các biểu thức cho cả lực ly tâm và lực hấp dẫn. Nghĩa là, độ cao của quỹ đạo không phụ thuộc vào khối lượng của vệ tinh, điều này đúng với mọi quỹ đạo và là hệ quả của sự bằng nhau giữa khối lượng hấp dẫn và khối lượng quán tính. Do đó, quỹ đạo địa tĩnh chỉ được xác định bởi độ cao mà tại đó lực ly tâm sẽ có độ lớn bằng nhau và ngược chiều với lực hấp dẫn do lực hấp dẫn của Trái đất tạo ra ở độ cao nhất định.
Gia tốc hướng tâm bằng:
đâu là tốc độ góc quay của vệ tinh, tính bằng radian trên giây.
Dựa vào sự bằng nhau của lực hấp dẫn và lực ly tâm, ta có:
Vận tốc góc ω
được tính bằng cách chia góc đi được trong một vòng quay cho chu kỳ quỹ đạo (thời gian cần thiết để hoàn thành một vòng quay hoàn chỉnh trên quỹ đạo: một ngày thiên văn, hay 86.164 giây). Chúng tôi nhận được: 
rad/s
Bán kính quỹ đạo ước tính là 42.164 km. Trừ bán kính xích đạo của Trái đất, 6.378 km, chúng ta có độ cao GEO là 35.786 km.
Tốc độ quỹ đạo
Tốc độ chuyển động trong quỹ đạo địa tĩnh được tính bằng tốc độ góc nhân với bán kính quỹ đạo: km/s
Tốc độ này nhỏ hơn khoảng 2,5 lần so với vận tốc thoát đầu tiên là 8 km/s đối với quỹ đạo gần Trái đất (với bán kính 6400 km). Vì bình phương tốc độ của một quỹ đạo tròn tỷ lệ nghịch với bán kính của nó, nên việc giảm tốc độ so với tốc độ vũ trụ đầu tiên đạt được bằng cách tăng bán kính quỹ đạo lên hơn 6 lần.
Độ dài quỹ đạo
Chiều dài quỹ đạo địa tĩnh: . Với bán kính quỹ đạo là 42.164 km, chúng ta có chiều dài quỹ đạo là 264.924 km. Độ dài quỹ đạo cực kỳ quan trọng để tính toán “điểm đứng” của vệ tinh.
Duy trì vệ tinh ở vị trí quỹ đạo trong quỹ đạo địa tĩnh.Vệ tinh quay quanh quỹ đạo địa tĩnh chịu tác dụng của một số lực (nhiễu loạn) làm thay đổi các thông số của quỹ đạo này. Đặc biệt, những nhiễu loạn như vậy bao gồm nhiễu loạn hấp dẫn mặt trăng-mặt trời, ảnh hưởng của tính không đồng nhất của trường hấp dẫn Trái đất, độ elip của đường xích đạo, v.v. Sự suy thoái quỹ đạo được thể hiện ở hai hiện tượng chính:
1) Vệ tinh di chuyển dọc theo quỹ đạo từ vị trí quỹ đạo ban đầu của nó tới một trong bốn điểm cân bằng ổn định, được gọi là “các lỗ tiềm năng của quỹ đạo địa tĩnh” (kinh độ của chúng là 75,3°E, 104,7°W, 165,3°E, và 14,7°W) phía trên xích đạo Trái đất;
2) Độ nghiêng của quỹ đạo so với xích đạo tăng (từ ban đầu = 0) với tốc độ khoảng 0,85 độ mỗi năm và đạt giá trị cực đại 15 độ trong 26,5 năm.
Để bù đắp những nhiễu loạn này và giữ vệ tinh ở điểm cố định được chỉ định, vệ tinh được trang bị hệ thống đẩy (tên lửa hóa học hoặc điện). Bằng cách bật định kỳ các động cơ lực đẩy thấp (điều chỉnh “bắc-nam” để bù cho sự gia tăng độ nghiêng quỹ đạo và “tây-đông” để bù cho sự trôi dọc theo quỹ đạo), vệ tinh được giữ ở điểm đứng yên được chỉ định. Việc đưa vào như vậy được thực hiện vài lần trong vài ngày (10-15). Điều quan trọng là sự điều chỉnh theo hướng bắc-nam đòi hỏi tốc độ đặc trưng tăng lên đáng kể (khoảng 45-50 m/s mỗi năm) so với sự điều chỉnh theo chiều dọc (khoảng 2 m/s mỗi năm). Để đảm bảo điều chỉnh quỹ đạo của vệ tinh trong suốt thời gian sử dụng của nó (12-15 năm đối với vệ tinh truyền hình hiện đại), cần có nguồn cung cấp nhiên liệu đáng kể trên tàu (hàng trăm kg, trong trường hợp sử dụng động cơ hóa học). Động cơ tên lửa hóa học của vệ tinh có hệ thống cung cấp nhiên liệu thể tích (khí tăng áp - helium) và chạy bằng các thành phần có nhiệt độ sôi cao, bền lâu (thường là dimethylhydrazine và nitơ tetroxide không đối xứng). Một số vệ tinh được trang bị động cơ plasma. Lực đẩy của chúng thấp hơn đáng kể so với lực đẩy hóa học, nhưng hiệu quả cao hơn của chúng cho phép (do hoạt động kéo dài, tính bằng hàng chục phút cho một lần điều động) giảm đáng kể khối lượng nhiên liệu cần thiết trên tàu. Việc lựa chọn loại hệ thống đẩy được xác định bởi các tính năng kỹ thuật cụ thể của thiết bị.
Hệ thống đẩy tương tự được sử dụng, nếu cần thiết, để điều khiển vệ tinh vào một vị trí quỹ đạo khác. Trong một số trường hợp, thường là khi vệ tinh hết tuổi thọ, để giảm mức tiêu thụ nhiên liệu, việc điều chỉnh quỹ đạo bắc-nam bị dừng và số nhiên liệu còn lại chỉ được sử dụng cho việc điều chỉnh quỹ đạo tây-đông. Dự trữ nhiên liệu là yếu tố hạn chế chính trong thời gian sử dụng của vệ tinh trên quỹ đạo địa tĩnh.
