Расстояние до спутника от земли: sibnovosti.ru — Расстояние до спутника

Системы спутниковой связи на геостационарной орбите

Калью Кукк, главный эксперт, МНИТИ, профессор, д. т. н.

Общие положения

Слово «орбита» в переводе с латинского означает «дорога», «колея». Этим термином великий немецкий ученый Иоганн Кеплер в начале XVII в. назвал траекторию движения небесных тел в космическом пространстве. Им были открыты и сформулированы основные законы их движения. После запуска в октябре 1957 г. первого в мире советского спутника Земли «Спутник-1» такие понятия, как «искусственное небесное тело» или «искусственный спутник Земли» стали реальностью. Их движение подчиняется тем же эмпирическим законам Кеплера.

Первый закон Кеплера гласит, что траектория движения планет является эллипсом, в одном из фокусов которого находится Солнце. Частный случай движения планеты − движение по круговой орбите (при этом эксцентриситет эллипса, т. е. отношение расстояния между фокусами к большой оси, будет равен нулю или мало отличаться от нуля). В соответствии с первым законом Кеплера один из фокусов эллипса, по которому движется искусственное небесное тело в поле тяготения Земли, должен находиться в центре Земли. Отсюда следует, что искусственный спутник Земли не может двигаться вдоль ее параллели, за исключением экваториальной плоскости. Второй фокус будет расположен на таком же расстоянии от апогея орбиты спутника, на каком центр Земли находится от ее перигея (рис. 1).

Рис. 1. Геометрическая иллюстрация к первому закону Кеплера, где: a – большая полуось эллипса; b – малая полуось эллипса; O (центр Земли) и O` – фокусы; c – расстояние между фокусами

Согласно второму закону Кеплера радиус-вектор планеты в равные промежутки времени описывает равные площади (рис. 2). Из второго закона Кеплера вытекает, что планета движется вокруг Солнца неравномерно, имея около перигея более высокую линейную скорость, чем около апогея.

Рис. 2. Геометрическая иллюстрация ко второму закону Кеплера, где: O – центр Земли; Rc – радиус-вектор спутника

Третий закон гласит: квадраты времени обращения планеты вокруг Солнца пропорциональны кубу большой полуоси эллипса a (см. рис. 1):

где: T_c – период обращения планеты на орбите; a – величина большой полуоси эллипса;

k – постоянная.

То есть чем меньше высота орбиты, тем меньше период обращения.

В общем случае любая спутниковая орбита описывается рядом параметров, из которых основными являются:

• геометрическая форма орбиты;

• высота орбиты спутника, определяемая как наименьшее расстояние до земной поверхности в километрах;
• наклонение орбиты – угол между плоскостью экватора и плоскостью орбиты.

По геометрической форме орбиты делятся на круговые и эллиптические и отличаются по наклонению к плоскости экватора. При совпадении с плоскостью экватора они называются экваториальными. Орбиты, перпендикулярные к плоскости экватора, называются полярными. По высоте орбиты над земной поверхностью (Н) они условно делятся на низкие (Н ≤ 2000 км), средние (Н = 2000…20000 км) и высокие (Н ≥ 20000 км). Особое место среди разнообразных орбит занимают высокоэллиптические орбиты с большим отношением между высотами апогея и перигея.

Точку пересечения с поверхностью Земли радиуса-вектора, соединяющего спутник с центром Земли, называют подспутниковой точкой. В этой точке наблюдатель видит спутник в зените. При отклонении от подспутниковой точки увеличивается расстояние от наблюдателя до спутника, а отклонение от зенита можно описать двумя угловыми величинами: азимутом и углом места [1].

Геостационарная орбита

Круговая орбита высотой 35 880 км, лежащая в экваториальной плоскости Земли, называется геостационарной орбитой (ГСО). Спутник при движении по этой орбите в восточном направлении совершает вокруг Земли оборот за одни звездные сутки (23 часа 56 минут 4 секунды) и, следовательно, будет постоянно находиться над определенной точкой на экваторе Земли (подспутниковая точка). В этом и заключается уникальность геостационарной орбиты.

Зона видимости с геостационарного спутника достаточно большая и занимает около одной трети земной поверхности (рис. 3). Однако приполярные зоны остаются вне зоны видимости. Видимость спутника с Земли определяется не только широтой, но и долготой.

Рис. 3. Зона видимости геостационарного спутника

Искусственные спутники Земли, которые находятся на геостационарной орбите два раза в год в периоды времени, близкие к осеннему и весеннему равноденствию, попадают в тень Земли. Время каждого затенения не превышает 1 часа 10 минут.

Спутниковая связь с использованием космических аппаратов (КА) на геостационарной орбите является достаточно универсальным средством передачи и позволяет реализовать широкий перечень услуг в области междугородной и международной телефонной и факсимильной связи, передачи данных, распределения программ звукового и телевизионного вещания, передачи газетных полос, непосредственного звукового и телевизионного вещания, выхода в сеть Интернет, предоставления доступа в службы мультимедиа. Спутниковые геостационарные системы используются также для организации VSAT-сетей различной конфигурации, для резервирования наземных каналов связи, сбора мониторинговой информации и т. д.

Международно-правовой статус геостационарной орбиты провозглашает и закрепляет участок околоземного космического пространства, составляющего геостационарную орбиту, в качестве «достояния всего человечества» и призван обеспечить ее эффективное и безопасное использование, а также доступ к ней всех государств на справедливой и рациональной основе. Значительный вклад в решение проблем выработки эффективного международно-правового статуса ГСО вносят Организация Объединенных Наций (ООН), ее органы (Конференции ООН по исследованию и использованию космического пространства в мирных целях, Комитет ООН по космосу и его Научно-технический и Юридический подкомитеты) и специализированные учреждения Международного союза электросвязи (МСЭ). Детальные технические правила и процедуры использования радиочастотного спектра и геостационарной орбиты содержатся в Регламенте радиосвязи МСЭ [2, 3].

В настоящее время на ГСО зафиксировано более 500 объектов искусственного происхождения (спутники, ступени ракет, отдельные фрагменты). Из них около половины являются действующими спутниками связи и вещания, принадлежащими как международным организациям, так и отдельным государствам или частным компаниям.

Первый введенный в эксплуатацию советский геостационарный спутник «Радуга» («Стационар-1») в интересах Министерства обороны РФ был запущен в подспутниковую точку 85^о в. д. в декабре 1975 г. с помощью РН «Протон-К».

Российская группировка гражданских спутников связи в настоящее время состоит из 15 действующих космических аппаратов, принадлежащих ФГУП «Космическая связь» и ОАО «Газпром – космические системы».

Законы Кеплера действительны при движении планет или спутников в поле тяготения, в котором отсутствуют возмущающие факторы. Орбиты искусственных спутников Земли в силу малости их масс могут изменяться под действием внешних возмущающих сил. Отклонение движения геостационарных спутников Земли от заданной орбиты вызывается несферичностью Земли, притяжением Луны и Солнца, давлением солнечного ветра и т. д. В результате этого геостационарный спутник постепенно смещается вдоль орбиты в сторону четырех точек стабильного состояния (75,3° в. д., 104,8° з. д., 166,3° в. д. и 14,7° з. д.), а также увеличивается наклонение его орбиты к экватору со скоростью 0,85° в год.

В соответствии с действующими требованиями спутники при длительной эксплуатации (до 15−16 лет) должны удерживаться на геостационарной орбите с точностью ±0,1º. Отсюда следует необходимость периодической коррекции положения спутников на орбите. Коррекция осуществляется по направлению север−юг для сохранения заданного наклонения и по направлению восток−запад для удержания спутника в его назначенном положении в пределах геостационарного пояса.

Для поддержания заданного положения спутника на геостационарной орбите на платформе КА устанавливаются специальные корректирующие двигатели, а также запас топлива для них («рабочее тело»). Масса рабочего тела может составлять сотни килограмм. Запас топлива во многих случаях определяет срок активного существования КА. Корректирующие двигатели могут быть химическими, электроракетными или плазменными. Включение двигателей осуществляется периодически один раз в несколько суток. Эти же двигатели могут быть использованы для перемещения при необходимости спутника в другую точку стояния на ГСО.

На геостационарных спутниках предусматривается запас топлива для перевода выработавшего ресурс либо подлежащего замене КА на орбиту захоронения. Орбита захоронения находится выше геостационарной орбиты на 200−300 км.

К недостаткам систем связи с использованием геостационарных спутников следует отнести:

• большое время распространения сигнала по линии «Земля − спутник – Земля» − 0,24 с;
• невозможность связи с арктическими районами Земли;
• повышенные требования к энергетике линий связи «Земля − спутник» и «спутник − Земля» из-за большой протяженности трассы;
• ограниченные потенциальные возможности по количеству размещаемых на орбите спутников.

Низкие орбиты

В связи с перегруженностью геостационарной орбиты в последние два десятилетия большое внимание уделяется многоспутниковым системам связи с расположением КА на низких орбитах. Космический сегмент в этом случае строится из совокупности спутников, образующих орбитальную группировку. Спутники могут находиться на круговых или эллиптических орбитах, равномерно расположенных над земной поверхностью так, чтобы интересующие географические точки на Земле имели радиовидимость по крайней мере с одним КА. Для таких спутниковых систем с круговыми орбитами высота орбиты обычно выбирается в пределах от 600 до 1500 км. Это обусловлено тем, что при меньших высотах ощущается действие атмосферы, что приводит к торможению движения спутника и постепенному снижению высоты его орбиты.

На высотах более 1500 км располагается внутренний радиационный пояс Земли (пояс Ван Аллена), который делится на внутреннюю и внешнюю зоны (рис. 4). В этих зонах магнитное поле Земли удерживает заряженные частицы (протоны, электроны, α-частицы) с высокой кинетической энергией от десятков кэВ до сотен МэВ. Во внутренней зоне на высоте примерно 3000 км находится максимум плотности потока протонов высокой энергии (20…800 МэВ).

Рис. 4. Расположение радиационных поясов Земли

Промежуток между внутренней и внешней зонами находится в пределах от 5000 до 15 000 км. Нахождение аппаратуры, особенно полупроводниковой, в радиационных поясах Ван Аллена приводит к возникновению дефектов в кристаллах и в конечном счете к отказам в работе аппаратуры. Поэтому при выборе высоты для низкоорбитальных спутников должны быть исключены высоты длительного нахождения спутников в радиационных поясах Земли.

Преимуществом низкоорбитальных систем является возможность использования компактных и относительно дешевых абонентских терминалов благодаря меньшему расстоянию между ретранслятором ИСЗ и земными станциями по сравнению с геостационарными спутниковыми системами, а также создания глобальной системы и связи с абонентами, находящимися в любой точке земной поверхности. Кроме того, для запуска ИСЗ требуются относительно небольшие ракеты-носители (РН), менее критичен выбор место старта РН.

Низкоорбитальные системы с передачей сигналов с задержкой (телеграф, электронная почта) применяются уже много лет, в основном для специальных целей. Для телефонной связи и передачи данных в реальном режиме времени такие системы непригодны. Зона видимости низколетящего спутника в виде пятна непрерывно перемещается по земной поверхности и доступна абоненту в зависимости от размера этого пятна в течение 10−15 минут. Для обеспечения непрерывности связи требуются и непрерывная смена зон видимости от следующих друг за другом спутников, и соответствующее переключение линии связи между двумя абонентами. Поэтому спутников должно быть достаточно много. На низких орбитах их число обычно должно составлять 48 и более [4].

Для работы ЗС, расположенных в произвольной точке Земли, необходимо использование наклонных, а не экваториальных орбит. Наилучший вариант для глобального обслуживания − полярные орбиты (угол наклонения 90^о). Использование нескольких полярных орбитальных плоскостей сопряжено с опасностью столкновения спутников. Поэтому чаще задействуются околополярные орбиты с наклонением 80…86^о. Выбор угла наклонения обусловлен и географическим нахождением стартового комплекса ракеты-носителя, с помощью которого осуществляется запуск КА. Любой запуск РН связан с падением на Землю отработавших ступеней. Допустимая территория падения этих ступеней строго оговаривается для любого космодрома, что и определяет возможные углы наклонения. Срок активного существования низкоорбитальных спутников обычно меньше, чем у геостационарных или средневысотных, вследствие того, что у этих спутников время нахождения в тени Земли значительно больше, а это приводит к сложностям обеспечения электропитанием на борту (большое количество циклов зарядки-разрядки аккумуляторов). Время затенения составляет примерно половину времени витка. При освещении и затенении КА происходит соответственно разогрев и охлаждение элементов КА до температур +100 и −150 ^оС. Для сокращения энергопотребления предусматривается возможность перехода на пониженное потребление мощности полезной нагрузкой при прохождении спутником участков поверхности Земли с нулевым или малым трафиком.

В России в марте 2015 г. завершено развертывание глобальной низкоорбитальной спутниковой системы связи «Гонец», состоящей из 12 КА и предназначенной для организации передачи информации по принципу «электронная почта». Орбитальная группировка состоит из четырех плоскостей по три аппарата в каждой плоскости. Круговая орбита имеет высоту 1500 км и наклонение 82,5^о.

В настоящее время в мире развернуты две низкоорбитальные системы телефонной связи – «Иридиум» и «Глобалстар» [5]. Обе системы имеют свои сегменты в Российской Федерации.

Орбитальная группировка система «Иридиум» насчитывает 66 спутников, обращающихся вокруг Земли по 11 орбитам на высоте примерно 780 км. Это единственная система гражданской спутниковой телефонной связи, покрывающая 100% поверхности Земли, включая полярные области. Отличительной особенностью системы является наличие межспутниковой связи.

Космический сегмент системы «Глобалстар», обеспечивающий телефонную связь, состоит из 48 спутников на высоте 1414 км с наклонением 52°. На каждой из восьми орбитальных плоскостей располагаются 6 ИСЗ. Из-за малого угла наклонения зона обслуживания системы находится в пределах 0−75° с. и ю. ш. В России расположены три станции сопряжения системы «Глобалстар» с сетью общего пользования страны.

Высокоэллиптические орбиты

Большое практическое значение, особенно в нашей стране, в свое время приобрело использование высокоэллиптической орбиты в системах спутниковой связи со спутниками «Молния». Эта орбита (также под названием «Молния») характеризуется большим отношением высоты апогея (40 250 км) к высоте перигея (500 км). При нахождении апогея в Северном полушарии создается обширная зона видимости территории России, включая приполярные районы, в течение не менее 8 часов. Период обращения на такой орбите составляет 12 часов. С помощью трех-четырех спутников на таких высокоэллиптических орбитах возможна организация круглосуточной связи практически между любыми пунктами российской территории. Как правило, группировка системы с использованием высокоорбитальной орбиты «Молния» состоит из четырех КА, сдвинутых по времени на 6 часов. Каждый спутник в течение суток дважды проходит апогейную точку: первый раз над восточным полушарием (основной виток), второй − над западным полушарием (сопряженный виток) [6].

К недостаткам спутниковой связи на высокоэллиптических орбитах следует отнести необходимость построения наземных станций со следящими антеннами. В этих системах также сказывается эффект Доплера, приводящий к изменению частоты принятых колебаний в зависимости от скорости изменения расстояния между спутником и наземной станцией.

Запуск первого высокоэллиптического спутника «Молния-1» в Советском Союзе был осуществлен 23 апреля 1965 г. в целях обеспечения дальней телефонной и телевизионной связи между Москвой и Дальним Востоком.

В ряде проектов рассматривается высокоэллиптическая орбита типа «Тундра», которая представляет собой высокоэллиптическую орбиту с 24-часовым периодом обращения. Эксцентриситет такой орбиты значительно меньше, чем орбиты типа «Молния», что приближает ее к круговой (см. таблицу). В частности, такая орбита выбрана для единственной в западном мире гражданской системы с использованием высокоэллиптической орбиты «Сириус».

Таблица. Основные характеристики орбит «Молния» и «Тундра»

Благодаря длительному пребыванию КА в апогее высокоэллиптические орбиты типа «Молния» и «Тундра» иногда называют квазигеостационарными. Возможно построение аналогичных орбитальных группировок со значительно меньшим значением апогея с периодом обращения 4, 6 или 8 часов, при этом, естественно, требуется большее количество КА для обеспечения постоянного временнóго покрытия.

Различное построение эллиптических орбитальных группировок позволяет решить главный вопрос спутниковой связи – существенно повысить пропускную способность «космоса» и обеспечить равные условия доступа к спутниковой связи приполярных районов Земли. На сегодняшний день, как показывают теоретические исследования и многолетняя практика космической связи, орбита типа «Молния» обладает наибольшим количеством положительных качеств.

В настоящее время в России на рабочих орбитах находится группировка из четырех КА «Меридиан», которая имеет двойное назначение (рис. 5). К гражданским задачам относятся организация спутниковой связи морских судов и самолетов в районе Северного морского пути с береговыми станциями и создание сети связи для северных районов Сибири и Дальнего Востока.

Рис. 5. Наземная трасса КА «Меридиан» (https://ru.wikipedia.org)

Несмотря на то что нашей стране принадлежит приоритет по практическому использованию высокоэллиптической орбиты, дальнейшее продолжение работ по более широкому освоению этого типа орбиты затормозилось. Предусмотренное Федеральной космической программой на 2006−2015 гг. развертывание системы непосредственного спутникового радиовещания с использованием высокоэллиптических КА типа «Экспресс-РВ» не реализовано. Очередной ориентировочный срок запуска высокоэллиптических спутников сугубо гражданского назначения − 2020−2021 гг.

Проект российской спутниковой системы связи «Полярная звезда» с КА, расположенными на высокоэллиптических орбитах, которая предназначена для подвижной и фиксированной службы связи правительственных и государственных органов, населения и транспорта по всей территории России, включая северные и восточные районы, разрабатываемый ОАО «Газпром – космические системы», также не очень продвигается. Скорее всего, это связано с низкой экономической эффективностью подобных систем.

Переходные орбиты

При описании процессов запуска спутников пользуются такими понятиями, как низкая опорная орбита или низкая околоземная орбита (НОО), переходная орбита (ПО), геопереходная орбита (ГПО).

Низкая околоземная орбита – это орбита космического аппарата около Земли (высота − примерно 200 км). Ее называют опорной, если предполагается увеличение ее высоты или изменение наклонения. Для движения по круговой или эллиптической опорной орбите аппарат должен двигаться с первой космической скоростью.

Переходная орбита − путь движения спутника с одной орбиты на другую. Геопереходной орбитой называется орбита, являющаяся переходной между низкой опорной орбитой  и геостационарной орбитой. Движение спутников по переходным орбитам совершается под действием ракетной двигательной установки.

Заключение

Человечество еще далеко не исчерпало возможности использования ближнего космоса для построения систем связи различного назначения.

Следует ожидать, что перспективные низкоорбитальные системы связи впитают в себя новые виды услуг типа дистанционного зондирования Земли, мониторинга и т. п., что позволит оптимально сбалансировать спутниковые возможности и вывести низкоорбитальные системы на уровень прибыльности, не уступающий геостационарным системам. То же относится к системам с высокоэллиптическими спутниками.

Только использование низкоорбитальных и высокоэллиптических спутниковых орбит даст возможность нашей стране решить телекоммуникационные проблемы Крайнего Севера и Арктики [7].

Литература

1. Кукк К.И. Спутниковая связь: прошлое, настоящее, будущее. М.: Горячая линия Телеком, 2015.
2. Кантор Л.Я. Новый эволюционный подход к международному распределению орбитально-частотного ресурса // Электросвязь. 2008. № 12.
3. Зубарев Ю.Б. Проблемы использования геостационарной орбиты // Вестник связи. 1999. № 12.
4. Клепиков И.А., Кукк К.И. Низкоорбитальные спутниковые системы связи выходят на международный рынок // Мир связи. Connect. 1997. № 11−12.
5. Всемирная энциклопедия космонавтики (А–К). М.: Военный парад, 2002.
6. Системы спутниковой связи с эллиптическими орбитами, разнесением ветвей и адаптивной обработкой / Под ред. Е.Ф. Камнева. М.: Глобсатком, 2009.

7. Кукк К.И. Низкоорбитальная комбинированная спутниковая система связи и мониторинга, в том числе для Арктического региона // Спутниковая связь и вещание – 2014. Специальный выпуск журнала «Технологии и средства связи». М.: Groteck, 2013.

• Спутниковая связь
• ТВ и Медиа

Поделиться:

Типы спутниковых орбит и их определения

Заметки и детали о спутниковых орбитах: базовая информация; различные типы спутниковых орбит; определения спутниковых орбит.

В наше время человечество использует несколько различных орбит для размещения спутников. Наибольшее внимание приковано к геостационарной орбите, которая может быть использована для «стационарного» размещения спутника над той или иной точкой Земли. Орбита, выбираемая для работы спутника, зависит от его назначения. К примеру, спутники, используемые для прямого вещания телевизионных программ, помещают на геостационарную орбиту. Многие спутники связи также находятся на геостационарной орбите. Другие спутниковые системы, в частности те, которые используются для связи между спутниковыми телефонами, вращаются на низкой околоземной орбите. Аналогично спутниковые системы, используемые для систем навигации, таких как Navstar или Система глобального позиционирования (GPS), также находятся на относительно низких околоземных орбитах. Существует ещё бесчисленное множество других спутников – метеорологические, исследовательские и так далее. И каждый из них, в зависимости от своего назначения, получает «прописку» на определённой орбите.

Читайте также: Геостационарная спутниковая орбита (GEO)

Конкретная орбита, избираемая для работы спутника, зависит от множества факторов, среди которых – функции спутника, а также обслуживаемая им территория. В одних случаях это может быть крайне низкая околоземная орбита (LEO), находящаяся на высоте всего 160 километров над Землёй, в других случаях спутник находится на высоте более 36 000 километров над Землёй – то есть, на геостационарной орбите GEO. Более того, ряд спутников использует не круговую орбиту, а эллиптическую.

ПРИТЯЖЕНИЕ ЗЕМЛИ И СПУТНИКОВЫЕ ОРБИТЫ

По мере обращения спутников на околоземной орбите они потихоньку с неё смещаются из-за силы притяжения Земли. Если бы спутники не вращались по орбите, они бы начали постепенно падать на Землю и сгорели бы в верхних слоях атмосферы. Однако само вращение спутников вокруг Земли создаёт силу, отталкивающую их от нашей планеты. Для каждой из орбит существует своя расчётная скорость, которая позволяет сбалансировать силу притяжения Земли и центробежную силу, удерживая аппарат на постоянной орбите и не давая ему ни набирать, ни терять высоту.

Вполне понятно, что чем ниже орбита спутника, тем сильнее на него влияет притяжение Земли и тем большая требуется скорость для преодоления этой силы. Чем больше расстояние от поверхности Земли до спутника – тем, соответственно, меньшая требуется скорость для его нахождения на постоянной орбите. Для аппарата, вращающегося на расстоянии около 160 км над поверхностью Земли, требуется скорость примерно 28 164 км/ч, а это значит, что такой спутник совершает виток вокруг Земли примерно за 90 минут. На расстоянии 36 000 км над поверхностью Земли спутнику для нахождения на постоянной орбите требуется скорость немногим менее 11 266 км/ч, что даёт возможность такому спутнику обращаться вокруг Земли примерно за 24 часа.

ОПРЕДЕЛЕНИЯ КРУГОВОЙ И ЭЛЛИПТИЧЕСКОЙ ОРБИТ

Все спутники обращаются вокруг Земли, используя один из двух базовых типов орбит.

• Круговая    спутниковая орбита: при обращении космического аппарата вокруг Земли по    круговой орбите его расстояние над земной поверхностью остаётся всегда    одинаковым.
• Эллиптическая спутниковая орбита: Вращение спутника по эллиптической орбите означает    изменение расстояния до поверхности Земли в разное время в течение одного витка.

Читайте также: Высокие эллиптические спутниковые орбиты (HEO)

СПУТНИКОВЫЕ ОРБИТЫ

Существует множество различных определений, связанных с различными типами спутниковых орбит:

• Центр Земли: Когда спутник обращается вокруг земли – по круговой или эллиптической орбите – орбита спутника формирует плоскость, которая проходит через центр земного притяжения или же Центр Земли.
• Направление движения вокруг Земли: Способы обращения спутника вокруг нашей планеты можно разбить на две категории в соответствии с направлением этого обращения:

1. Ускорительная орбита: Обращение спутника вокруг Земли называют ускорительным, если спутник вращается в том же направлении, в котором вращается Земля;
2. Ретроградная орбита: Обращение спутника вокруг Земли называют ретроградным, если спутник вращается в направлении, противоположном направлению вращения Земли.

• Трасса орбиты: трассой орбиты спутника называют точку на земной поверхности, при пролёте над которой спутник находится прямо над головой в процессе движения по орбите вокруг Земли. Трасса образует круг, в центре которого расположен Центр Земли. Следует отметить, что геостационарные спутники представляют собой особый случай, поскольку они постоянно находятся над одной и той же точкой над поверхностью Земли. Это означает, что их трасса орбиты состоит из одной точки, расположенной на экваторе Земли. Также можно добавить, что трасса орбиты спутников, вращающихся строго над экватором, тянется вдоль этого самого экватора.

Для этих орбит, как правило, характерно смещение трассы орбиты каждого спутника в западном направлении, поскольку Земля под спутником обращается в восточном направлении.

• Орбитальные узлы: Это точки, в которых трасса орбиты переходит из одного полушария в другое. Для неэкваториальных орбит существует два таких узла:

1. Восходящий узел: Это узел, в котором трасса орбиты переходит из южного полушария в северное.
2. Нисходящий узел: Это узел, в котором трасса орбиты переходит из северного полушария в южное.

• Высота спутника: При расчёте многих орбит необходимо учитывать высоту спутника над центром Земли. Этот показатель включает расстояние от спутника до поверхности Земли плюс радиус нашей планеты. Как правило, считается, что он равен 6370 километрам.
• Орбитальная скорость: Для круговых орбит она всегда одинакова. Однако в случае с эллиптическими орбитами всё обстоит иначе: скорость обращения спутника по орбите изменяется в зависимости от его позиции на этой самой орбите. Она достигает своего максимума при наибольшем приближении к Земле, где спутнику предстоит максимальное противостояние силе притяжения планеты, и снижается до минимума при достижении точки наибольшего удаления от Земли.
• Угол подъёма: Углом подъёма спутника называют угол, на котором спутник расположен над линией горизонта. Если угол слишком мал, сигнал может быть перекрыт расположенными близко объектами – в случае, если приёмная антенна поднята недостаточно высоко. Однако и для антенн, которые подняты над препятствием, также существует проблема при приёме сигнала со спутников, имеющих низкий угол подъёма. Причина здесь в том, что спутниковый сигнал в таком случае должен пройти большее расстояние через земную атмосферу и в результате он подвергается большему ослаблению. Минимально допустимым углом подъёма для более-менее удовлетворительного приёма принято считать угол в пять градусов.
• Угол наклона: Не все спутниковые орбиты следуют вдоль линии экватора – на самом деле, большая часть низких околоземных орбит не придерживается этой линии. А поэтому необходимо определять угол наклона орбиты спутника. Диаграмма, расположенная ниже, иллюстрирует данный процесс.

Угол наклона спутниковой орбиты

ПРОЧИЕ ПОКАЗАТЕЛИ, СВЯЗАННЫЕ СО СПУТНИКОВОЙ ОРБИТОЙ

Для того чтобы спутник мог использоваться для предоставления услуг связи, наземные станции должны иметь возможность «следить» за ним с целью получения с него сигнала и отправки сигнала на него. Понятно, что связь со спутником возможна лишь в то время, когда он находится в зоне видимости наземных станций, и, в зависимости от типа орбиты, он может находиться в зоне видимости лишь в короткие промежутки времени. Для уверенности в том, что связь со спутником возможна в течение максимального промежутка времени, существует несколько вариантов, которые можно использовать:

• Первый    вариант состоит в использовании эллиптической орбиты, точка апогея которой    находится в аккурат над планируемым размещением наземной станции, что даёт    возможность спутнику пребывать в зоне видимости этой станции в течение    максимального промежутка времени.
• Второй    вариант заключается в запуске нескольких спутников на одну орбиту, и,    таким образом, в то время, когда один из них исчезает из виду и связь с    ним теряется, на его место приходит другой. Как правило, для организации    более-менее бесперебойной связи требуется запуск на орбиту трёх спутников.     Однако процесс смены одного «дежурного» спутника другим вносит в систему    дополнительные сложности, а также ряд требований к минимум трём спутникам.

ОПРЕДЕЛЕНИЯ КРУГОВЫХ ОРБИТ

Круговые орбиты можно классифицировать по нескольким параметрам. Такие термины, как Низкая околоземная орбита, Геостационарная орбита (и им подобные) указывают на отличительную черту конкретной орбиты. Краткий обзор определений круговых орбит представлен в таблице ниже.

Читайте также: Низкая околоземная орбита (LEO)

Для выполнения некоторых задач может требоваться размещение спутника на высокой околоземной орбите. В этих случаях период обращения спутника вокруг Земли превышает 24 часа, а кроме того расстояние до спутника является немалым, что приводит к большей задержке во время движения сигнала с Земли к спутнику и назад, а также большим потерям сигнала.

Выбор орбиты спутника зависит от функций, которые он выполняет. В то время, как для организации прямого вещания и подобных услуг, как правило, используются спутники, расположенные на геостационарных орбитах, для систем GPS и даже для мобильной телефонии используются спутники, вращающиеся намного ниже.

Что такое геосинхронная орбита?

Центр прогнозирования климата (CPC) Национального управления океанических и атмосферных исследований использует пять геосинхронных спутников: GOES-11, GOES-13, MSG-2, Meteosat-7 и MTSAT-2.
(Изображение предоставлено: NASA/Студия научной визуализации Центра космических полетов имени Годдарда)

Геосинхронная орбита — это высокая околоземная орбита, которая позволяет спутникам вращаться так же, как Земля. Расположенная на высоте 22 236 миль (35 786 километров) над экватором Земли, эта позиция является ценным местом для наблюдения за погодой, связи и наблюдения.

«Поскольку спутник вращается с той же скоростью, что и Земля, кажется, что спутник остается на месте в течение одной долготы, хотя он может дрейфовать с севера на юг», — написало НАСА на своем веб-сайте Земной обсерватории.

Спутники предназначены для обращения вокруг Земли по одной из трех основных орбит, определяемых их расстоянием от планеты: низкая околоземная орбита, средняя околоземная орбита или высокая околоземная орбита. Чем выше спутник находится над Землей (или над любым другим миром, если уж на то пошло), тем медленнее он движется. Это из-за эффекта земного притяжения; он сильнее притягивает спутники, которые находятся ближе к его центру, чем спутники, которые находятся дальше.

Таким образом, спутник на низкой околоземной орбите, такой как Международная космическая станция, на высоте примерно 250 миль (400 км), будет двигаться по поверхности, видя разные регионы в разное время суток. Те, кто находится на средней околоземной орбите (от 2 000 до 35 780 км, или от 1 242 до 22 232 миль), движутся медленнее, что позволяет проводить более подробные исследования региона. Однако на геосинхронной орбите период обращения спутника совпадает с орбитой Земли (примерно 24 часа), и спутник кажется практически неподвижным над одной точкой; он остается на той же долготе, но его орбита может быть наклонена или наклонена на несколько градусов к северу или югу.

На этом изображении показана геостационарная экваториальная орбита, на которой расположено большинство спутников связи и метеорологических спутников. (Изображение предоставлено Смитсоновским национальным музеем авиации и космонавтики)

Преимущества

Спутник на геосинхронной орбите почти все время может видеть одну точку планеты. При наблюдении за Землей это позволяет спутнику видеть, насколько регион меняется за месяцы или годы. Недостатком является то, что спутник ограничен небольшим участком земли; если, например, в другом месте произойдет стихийное бедствие, спутник не сможет туда переместиться из-за потребности в топливе.

Это большое преимущество для военных. Если, например, Соединенные Штаты обеспокоены действиями в определенном регионе мира — или они хотят увидеть, как поживают их войска, — геосинхронная орбита позволяет постоянно получать изображения и другое наблюдение за одним конкретным регионом. Примером этого является широкополосный глобальный SATCOM 5 США, который был запущен в 2013 году. Присоединяясь к «созвездию» из четырех других спутников WGS, он расширяет военную систему связи, обеспечивая сплошное покрытие практически всей планеты. Сеть обслуживает войска, корабли, беспилотники и гражданских лидеров и должна обеспечивать связь для наземного персонала.

Связь для гражданских также выигрывает от геостационарной орбиты. Есть множество компаний, которые предоставляют телефон, Интернет, телевидение и другие услуги со спутников в этом орбитальном слоте. Поскольку спутник постоянно зависает над одной точкой на земле, связь из этого места надежна, если спутник хорошо подключен к месту, с которым вы хотите связаться.

Орбитальные соревнования

По данным Satellite Signals, на геостационарной орбите находится 402 спутника. Согласно одному анализу Лоуренса Робертса, опубликованному в Berkeley Technology Law Review, на геосинхронной орбите «кольцо» вокруг Земли может вместить несколько спутников — всего 1800. Однако существуют очевидные пространственные и технологические ограничения.

В частности, спутники должны оставаться в очень ограниченном пространстве и не дрейфовать слишком далеко от назначенного им «слота» над Землей; в противном случае они могут представлять угрозу для других спутников. Международный союз электросвязи выделяет слоты для геосинхронной орбиты и разрешает споры между странами по поводу слотов.

Точно так же считается хорошей практикой перевод почти мертвых спутников на «кладбищную» орбиту выше геостационарной до того, как у них закончится топливо, чтобы расчистить путь для следующего поколения.

Спутники также должны быть расположены достаточно далеко друг от друга, чтобы их связь не мешала друг другу, что может означать расстояние между 1 и 3 градусами. По мере совершенствования технологий можно разместить больше спутников в меньшем месте.

Дополнительные ресурсы

• Земная обсерватория НАСА: Каталог спутниковых орбит Земли
• Международный союз электросвязи: Департамент космических служб
• Лаборатория реактивного движения: планетарные орбиты

Присоединяйтесь к нашим космическим форумам, чтобы продолжать обсуждать последние миссии, ночное небо и многое другое! А если у вас есть новость, исправление или комментарий, сообщите нам об этом по адресу: community@space. com.

Элизабет Хауэлл, доктор философии, является штатным корреспондентом на канале космических полетов с 2022 года. Она была автором статей для Space.com (открывается в новой вкладке) в течение 10 лет до этого, с 2012 года. Репортажи Элизабет включают эксклюзив для Office вице-президента Соединенных Штатов, несколько раз выступая с Международной космической станцией, наблюдая за пятью запусками человека в космос на двух континентах, работая в скафандре и участвуя в имитации полета на Марс. Ее последняя книга «Почему я выше?» написана в соавторстве с астронавтом Дэйвом Уильямсом. Элизабет имеет докторскую степень. и магистр наук. получил степень бакалавра космических исследований в Университете Северной Дакоты, степень бакалавра журналистики в Карлтонском университете в Канаде и (скоро) степень бакалавра истории в Университете Атабаски. Элизабет также является инструктором по коммуникациям и естественным наукам с 2015 года. Элизабет впервые заинтересовалась космосом после просмотра фильма «Аполлон-13» в 19 лет. 96, и все еще хочет когда-нибудь стать космонавтом.

Почему спутники не падают с неба?

Итак, как спутники остаются на орбите?

Спутники могут вращаться вокруг планеты, потому что они привязаны к скорости, достаточной для преодоления нисходящей гравитации. Спутники отправляются в космос с помощью запускаемой с земли ракеты с достаточной энергией (по крайней мере, 25 039 миль в час!), чтобы выйти за пределы нашей атмосферы. Как только ракета достигает определенного местоположения, она выводит спутник на свою орбиту. Начальная скорость спутника, сохраняемая при его отделении от ракеты-носителя, достаточна для удержания спутника на орбите в течение сотен лет.

Спутник поддерживает свою орбиту, уравновешивая два фактора: его скорость (скорость, необходимая для движения по прямой) и гравитационное притяжение Земли. Спутнику, вращающемуся ближе к Земле, требуется большая скорость, чтобы противостоять более сильному гравитационному притяжению.

Спутники имеют собственный запас топлива, но в отличие от того, как автомобиль использует газ, он не нужен для поддержания скорости на орбите. Он зарезервирован для изменения орбиты или предотвращения столкновения с обломками.

Почему спутники не врезаются друг в друга?

На самом деле могут. NOAA, NASA и другие американские и международные организации отслеживают спутники в космосе. Столкновения случаются редко, потому что при запуске спутника он выводится на орбиту, предназначенную для обхода других спутников. Но орбиты могут меняться со временем. И шансы на крушение увеличиваются по мере того, как в космос запускается все больше и больше спутников.

В феврале 2009 года в космосе столкнулись два спутника связи — американский и российский. Однако считается, что это первый случай случайного столкновения двух искусственных спутников.

Первый в Америке действующий спутник дальнего космоса, DSCOVR NOAA, находится на орбите в миллионе миль от Земли. Расположенный между Солнцем и Землей, он может постоянно видеть солнце и освещенную солнцем сторону Земли. Это место называется точкой Лагранжа 1. (Иллюстрация не в масштабе)

Как долго спутники могут оставаться на орбите?

Спутники могут поддерживать работу на своей орбите в течение длительного времени. Спутник NOAA GOES-3, например, имел срок службы, охватывающий пять разных десятилетий и шесть разных президентов США.

Спутник GOES-3 вошел в историю 16 июня 1978 года, когда он стал третьим геостационарным оперативным экологическим спутником (GOES) NOAA, выведенным на орбиту. В 2016 году, после 38 лет и второй жизни в качестве спутника связи, GOES-3, один из старейших непрерывно работающих спутников на орбите, снова вошел в историю, когда он достиг конца своего жизненного цикла и завершил процесс вывода из эксплуатации 29 июня, когда спутник был аккуратно выведен на «кладбищную» орбиту.

Эта орбита требует небольшой скорости для сохранения своего положения, потому что на таком расстоянии от Земли очень мало гравитационного притяжения. Чем ближе спутники к Земле, тем больше вероятность того, что они столкнутся со следами земной атмосферы, создающими сопротивление.