Орбита спутников земли высота: Выведение спутника на орбиту

Выведение спутника на орбиту

Выведение спутника BELINTERSAT-1 на целевую орбиту 

Представленный видеоматериал был создан на основе симуляции выведения космического аппарата BELINTERSAT-1 на геостационарную орбиту в позицию 51.5 Е. Модель спутника и симуляция полета были созданы специалистами службы баллистико-навигационного обеспечения ЦУП НКУ.

Низкая околоземная орбита (НОО) – космическая орбита вокруг Земли, имеющая высоту над поверхностью планеты в диапазоне от 160 км (период обращения около 88 минут) до 2 000 км (период около 127 минут). Объекты, находящиеся на более низких высотах, чем 160 км, испытывают существенное влияние атмосферы и сами по себе нестабильны. Все космические полеты человека проходили либо в области НОО, либо являлись суборбитальными. На данный момент все обитаемые космические станции и большая часть искусственных спутников Земли находились или находятся на НОО.     

Средняя околоземная орбита (СОO) – орбита, иногда называемая промежуточной круговой, является областью космического пространства выше низкой околоземной орбиты (высота 2 000 километров) и ниже геостационарной орбиты (высота 35 786 километров).

Наиболее распространенные аппараты на этой орбите – спутники навигации, коммуникационные и геодезические спутники. Как правило, высота составляет порядка 20 200 километров, обеспечивая период обращения 12 часов (используется, в частности, Системой глобального позиционирования). Также на средней околоземной орбите находятся спутники ГЛОНАСС (высота 19 100 километров) и Galileo (высота 23 222 километров. Спутники связи, покрывающие территорию Северного и Южного полюсов, также находятся на СОО.  

Геосинхронная орбита (ГСО) – орбита обращающегося вокруг Земли спутника, на которой период обращения равен звёздному периоду вращения Земли — 23 час. 56 мин. 4,1 сек. Частным случаем является Геостационарная орбита — круговая орбита, лежащая в плоскости земного экватора, следуя по которой спутник (для земного «наблюдателя») фактически неподвижен. Геостационарная орбита имеет радиус 42 164 км с центром, совпадающим с центром Земли, что соответствует высоте над уровнем моря 35 786 км.

Геостационарная орбита (ГСО) – круговая орбита, расположенная над экватором Земли (0° широты), находясь на которой искусственный спутник обращается вокруг планеты с угловой скоростью, равной угловой скорости вращения Земли вокруг оси. В горизонтальной системе координат направление на спутник не изменяется ни по азимуту, ни по высоте над горизонтом: спутник как бы «висит» неподвижно. Поэтому спутниковая антенна, однажды направленная на такой спутник, всё время остаётся направленной на него. Геостационарная орбита является разновидностью геосинхронной и используется для размещения на ней искусственных спутников (в частности, телекоммуникационных).  

Классификация околоземных орбит

Околоземные орбиты, на которые запускаются космические аппараты, принято делить на следующие категории. Низкие околоземные орбиты (НОО) располагаются на высоте от 160 до 2000 км над поверхностью нашей планеты (в первом случае период обращения равен примерно 88 минут, во втором — 127 минут). Объекты, движущиеся на высотах менее 200 км, испытывают заметное торможение в самых верхних слоях атмосферы и достаточно быстро падают на Землю. Поэтому орбиты ниже 300 км для спутников обычно не применяются — время их существования на таких высотах сравнительно невелико. Верхнее значение определяется внутренней границей радиационных поясов с повышенной концентрацией заряженных частиц, способных повредить электронное оборудование и нанести серьезный ущерб здоровью космонавтов.

На изображении в масштабе показана Земля и околоземные орбиты. Область НОО отмечена синим. Источник: wikipedia.org

Все пилотируемые космические полеты — за исключением девяти экспедиций к Луне в рамках американской программы Apollo — проходили в области НОО либо были суборбитальными. Наибольшей высоты (опять же, не считая лунных миссий) достиг в сентябре 1966 г. экипаж корабля Gemini 11, имевшего апогей 1374 км. В данный момент все обитаемые орбитальные станции и подавляющее большинство прочих искусственных спутников Земли находятся на низких орбитах. Также на них сосредоточена большая часть космического мусора.

Тангенциальная скорость объекта (перпендикулярная к направлению на центр Земли), необходимая для нахождения на стабильной НОО, составляет примерно 7,8 км/с, уменьшаясь с ростом высоты. Для достижения таких орбит при старте с земной поверхности требуется ракета-носитель с характеристической скоростью от 9,4 км/с — дополнительные 1,5-1,6 км/с «расходуются» на аэродинамические и гравитационные потери.

Фото Земли, сделанное экспедицией Gemini 11 с расстояния 817 км. Источник: NASA Фото Земли, сделанное экспедицией Apollo 17 с расстояния 29 тыс. км. Источник: NASA Земля и Луна с расстояния 1,6 млн км. Источник: NASA/NOAA

Многие спутники дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) и аппараты военной разведки выводят на НОО, чтобы вести съемку наземных объектов с как можно более близкого расстояния и достичь максимально возможного разрешения. Эти же орбиты занимают некоторые телекоммуникационные спутники, так как на такой высоте им требуются менее мощные усилители сигнала. Однако каждый подобный аппарат движется достаточно быстро и охватывает ограниченный участок земной поверхности, поэтому в таком случае создаются целые сети («созвездия») из множества спутников — например, в спутниковой телефонной системе Iridium их более 70.

Часто используемая разновидность ННО — солнечно-синхронная орбита (ССО), иногда именуемая гелиосинхронной — рассчитывается таким образом, чтобы объект, находящийся на ней, проходил над любой точкой земной поверхности приблизительно в одно и то же местное солнечное время. Обычно такие орбиты имеют высоту порядка 800 км и наклонение около 90° (их плоскости почти перпендикулярны к плоскости земного экватора). Если спутник на ССО ведет съемку поверхности, на всех его проходах угол падения солнечных лучей окажется примерно одинаковым. Например, спутник LandSat-7 может пересекать экватор 15 раз в сутки, каждый раз в 10:00 местного времени. Для аппаратов, ведущих наблюдения за Солнцем или требующих стабильного электроснабжения за счет использования фотогальванических панелей, можно подобрать орбитальные параметры, при которых они практически не будут попадать в тень Земли. Орбиты выбираются таким образом, чтобы солнечная и лунная гравитация вызывала их прецессию в восточном направлении на 360° в год (чуть меньше чем на 1° в сутки), компенсируя вращение нашей планеты вокруг Солнца.

Спутниковое созвездие Iridium (концепт). Источник: Iridium

После окончания функционирования искусственных космических объектов осуществляется их увод на орбиту захоронения, как правило, лежащую выше их рабочей орбиты (чтобы дополнительно ослабить влияние атмосферы). В частности, низкоорбитальные разведывательные спутники с ядерной энергетической установкой — в т.ч. радиолокационные — отправляют на высоту порядка 650-1000 км, где расчетный срок их существования составляет порядка 2 тыс. лет. Часто туда отправляется не сам спутник, а только активная зона реактора. Считается, что за этот срок в ней распадутся самые вредные радиоактивные изотопы… либо же человечество изобретет способ утилизировать опасную технику.

Выше 2000 км находится зона так называемых средних околоземных орбит. Их использует сравнительно малое количество космических аппаратов — в основном научно-исследовательских и навигационных (в частности, спутники системы GPS движутся по орбитам высотой 20 350 км с периодом обращения 12 часов). Главная проблема в этой области пространства связана с радиационными поясами и содержащимися в них высокоэнергетическими заряженными частицами.

Верхнюю границу «средней» зоны отмечают геосинхронные орбиты (ГСО) — они имеют радиус 42 164 км, что соответствует высоте над уровнем моря 35 786 км. Период обращения объектов на таких орбитах равен звездным суткам (23 часа 56 минут 4,1 секунды). Их частным случаем является геостационарная орбита — круговая и лежащая в плоскости земного экватора (0° широты). Спутник, движущийся по ней, фактически оказывается «висящим» над одной и той же точкой Земли. Поэтому приемная антенна, однажды направленная на него, не будет требовать дальнейшего наведения. Очевидно, такие орбиты особенно удобны для телекоммуникационных аппаратов, а также специализированных метеорологических обсерваторий, ведущих мониторинг определенного региона.

Если орбита наклонена к экватору и имеет небольшой эксцентриситет, то при наблюдении с Земли спутник в течение суток будет описывать на небе «восьмерку». В некоторых случаях «восьмерка» может выродиться в эллипс (как у спутников серии Canyon), а при значительном эксцентриситете и нулевом наклонении — в отрезок прямой, лежащий в экваториальной плоскости.

Схема, показывающая разницу между круговой и эллиптической орбитой. Источник: http://mediasat.info

Идеальная ГСО практически недостижима, так как аппараты на ней испытывают также притяжение со стороны Луны и Солнца, воздействие земного магнитного поля, солнечного ветра и другие посторонние возмущения, «сталкивающие» их с точки стояния. Поэтому на борту геостационарных спутников предусмотрена корректирующая двигательная установка с запасом топлива. Кроме того, такие спутники не видны из местностей в окрестностях полюсов, простирающихся приблизительно до 81° северной и южной широты.

Дважды в году (вблизи весеннего и осеннего равноденствий) возникают ситуации, когда телекоммуникационные аппараты на ГСО проецируются на солнечный диск. В это время связь через них затруднена, а иногда вообще невозможна.

Геостационарная орбита захоронения расположена примерно на 200 км выше «стандартной» ГСО. Туда отправляют спутники, выработавшие свой ресурс или исчерпавшие запасы горючего для бортовых двигателей. Далее до расстояния порядка 300 тыс. км (точнее, до точки Лагранжа L1 системы «Земля-Луна») находится область высоких околоземных орбит. Пока они используются довольно редко — в частности, в этой области пространства сейчас работает космический телескоп TESS (Transiting Exoplanet Survey Satellite).

Высоты спутниковой орбиты и их влияние на спутниковую связь

В этом руководстве мы рассмотрим разницу между низкой околоземной орбитой (НОО), средней околоземной орбитой (СОО) и геостационарными спутниками, а также преимущества каждого из них с точки зрения обеспечения спутниковая связь.

Карта спутниковой орбиты

На этой диаграмме показано относительное расстояние от Земли трех спутниковых орбит, из которых низкая околоземная орбита находится ближе всего к Земле на расстоянии 200–1600 км (373–932 мили), а геостационарная орбита находится дальше всего. на 35 786 км (22 236 миль). Спутники на средней околоземной орбите (MEO) встречаются реже; только 10% спутников вращаются на этой высоте, и они используются почти исключительно для GPS и сопутствующих услуг, а не для связи.

Спутники на низкой околоземной орбите

Спутники на низкой околоземной орбите движутся быстро, им требуется всего 90 минут, чтобы облететь вокруг Земли. Одиночный спутник, движущийся с такой скоростью, был бы непригоден для связи, поскольку наземные станции на Земле с трудом могли бы отследить местоположение спутника. По этой причине спутники связи на НОО создают созвездие — несколько спутников, которые передают данные между собой и эффективно создают сеть вокруг Земли.

Как показано на диаграмме выше, большое преимущество этой сети заключается в том, что вам не нужно направлять антенну в определенном направлении для соединения со спутниками. Поскольку они постоянно перемещаются, всегда будет спутник, который улавливает сигнал и передает его на наземную станцию. Это особенно полезно, если вы пытаетесь передать данные из сильно лесистой или холмистой местности, так как вам нужно только видеть небо, а не искать определенный угол обзора.

Наземные станции (иногда называемые земными станциями) — это место, куда отправляются все данные со спутниковой группировки LEO и откуда они передаются на вашу оперативную базу через Интернет.

Еще одно преимущество созвездий спутников LEO заключается в том, что, поскольку они находятся близко к Земле, задержка — промежуток времени между отправкой и получением данных — является самой низкой из трех типов орбит, менее одной секунды. Это особенно важно для голосовых вызовов, когда более медленное соединение может поставить под угрозу четкость вызова.

Компании спутниковой связи, использующие LEO, включают Iridium, Globalstar и Orbcomm; когда спутники SpaceX Starlink будут полностью запущены, они тоже будут использовать эту орбиту.

Спутники на геостационарной орбите

Спутники на геостационарной орбите геосинхронны с Землей; они движутся с той же скоростью, что и планета, и поэтому кажутся нам неподвижными. Поскольку они находятся на гораздо более высокой орбите, они могут «видеть» гораздо большую часть Земли, поэтому для покрытия большой территории требуется меньше спутников.

Если ваша антенна или тарелка не имеют функции автоматического наведения на геостационарные спутники, вам потребуется навести антенну на спутник вручную. Большинство устройств делают это очень просто, с помощью светодиодов и звуковых сигналов, указывающих на силу соединения со спутником. После установки, если антенна или тарелка не перемещаются, соединение будет чрезвычайно стабильным.

Задержка немного меньше для геостационарных спутников, потому что данные должны пройти дальше; обычно требуется менее двух секунд для отправки и перенаправления данных на наземную станцию, что более чем достаточно для приложений M2M / IoT и для обеспечения широкополосного доступа в Интернет. Оказавшись на наземной станции, средства, с помощью которых данные попадают в ваш бизнес — с помощью Интернета — в целом такие же, как спутники на низкой околоземной орбите.

Компании спутниковой связи, использующие геостационарные орбиты, включают Inmarsat, Eutelsat и Astra (Sky).

Частные спутниковые сети

Для компаний, которые не хотят полагаться на общественную инфраструктуру, можно выбрать частную спутниковую сеть. Здесь вместо того, чтобы ваши данные направлялись на общую наземную станцию ​​и отправлялись вам по защищенным интернет-каналам, у вас есть собственная наземная станция в вашем офисе.

Это решение, как и следовало ожидать, дороже, чем использование стандартной наземной станции > транспортной сети через Интернет, но оно обеспечивает клиентам полное спокойствие как в отношении безопасности данных, так и надежности обслуживания. Эта услуга предоставляется TSAT — продукт Ground Control, использующий эту услугу, называется SCADASat.

Типы спутников — Как работают спутники

На земле спутники могут выглядеть очень похоже — блестящие коробки или цилиндры, украшенные крыльями из солнечных батарей. Но в космосе эти неуклюжие машины ведут себя совершенно по-разному в зависимости от траектории полета, высоты и ориентации. В результате классификация спутников может быть сложной задачей. Один из подходов состоит в том, чтобы подумать о том, как устройство вращается вокруг целевой планеты (обычно Земли). Напомним, что существуют две основные формы орбиты: круговая и эллиптическая. Некоторые спутники начинают движение по эллиптической траектории, а затем, при корректирующих толчках небольших бортовых ракет, приобретают круговую траекторию. Другие постоянно движутся по эллиптической траектории, известной как Молния на орбите . Эти объекты обычно вращаются с севера на юг над полюсами Земли, и им требуется около 12 часов, чтобы совершить одно полное путешествие.

Спутники на полярной орбите также проходят над полюсами планеты при каждом обороте, хотя их орбиты гораздо менее эллиптичны. Полярная орбита остается фиксированной в пространстве, поскольку Земля вращается внутри орбиты. В результате большая часть Земли проходит под спутником на полярной орбите. Поскольку полярные орбиты обеспечивают превосходное покрытие планеты, они часто используются для спутников, которые занимаются картографированием и фотографированием. А синоптики полагаются на всемирную сеть полярных спутников, которая покрывает весь земной шар каждые 12 часов.

Реклама

Вы также можете классифицировать спутники по их высоте над поверхностью Земли. Используя эту схему, есть три категории [источник: Riebeek]:

1. Низкие околоземные орбиты (НОО) — спутники НОО занимают область пространства примерно от 111 миль (180 километров) до 1243 миль (2000 километров) над Земля. Спутники, движущиеся близко к поверхности Земли, идеально подходят для проведения наблюдений, в военных целях и для сбора данных о погоде.
2. Геосинхронные орбиты (GEO) — спутники GEO вращаются вокруг Земли на высоте более 22 223 миль (36 000 километров), а их период обращения равен периоду вращения Земли: 24 часа. В эту категорию входят геостационарные (ГСО) спутники, которые остаются на орбите над фиксированной точкой на Земле. Не все геосинхронные спутники являются геостационарными. Некоторые из них имеют эллиптические орбиты, что означает, что они дрейфуют на восток и запад над фиксированной точкой на поверхности в течение полной орбиты. У некоторых орбиты не совпадают с экватором Земли. Говорят, что эти орбитальные траектории имеют степень 9.0047 наклон . Это также означает, что путь спутника будет проходить к северу и югу от экватора Земли в течение одного полного оборота. Геостационарные спутники должны летать над экватором Земли, чтобы оставаться в фиксированной точке над Землей. Несколько сотен спутников телевидения, связи и метеорологических спутников используют геостационарные орбиты. Здесь может быть довольно многолюдно.
3. Средняя околоземная орбита (MEO) — Эти спутники паркуются между низколетящими и высоколетящими, то есть примерно от 1243 миль (2000 километров) до 22 223 миль (36 000 километров).