Высота спутников над землей: Классификация околоземных орбит

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).

Типы спутниковых орбит и их определения










— Реклама —

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.

— Реклама —

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.

— Реклама —

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

Читайте также



Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам:

Отправить

Высота навигационных спутников над Землей

спросил

Изменено
5 лет, 9 месяцев назад

Просмотрено
3к раз

$\begingroup$

Какое расстояние между поверхностью Земли и спутниками спутниковой навигации автомобилистов?

  • искусственный спутник
  • навигация
  • GPS

$\endgroup$

1

$\begingroup$

Для спутниковой навигации вы, скорее всего, используете Глобальную систему позиционирования, которая использует шесть плоскостей спутников на высоте 20 180 км. Однако многие системы также могут использовать спутниковую группировку ГЛОНАСС, чтобы сделать видимым больше спутников, особенно вблизи полюсов. Они вращаются в трех плоскостях в 19,130 км.

Менее полные системы BeiDou и Galileo используют спутники на высоте 21 150 км и 23 222 км соответственно.

Посмотреть некоторые созвездия в режиме реального времени можно на сайте stuffin.space

$\endgroup$

$\begingroup$

Спутники GPS находятся на орбите на высоте около 12 550 миль.

Однако, поскольку GPS контролируется Министерством обороны США, которое может (теоретически) отключить его, когда захочет, существуют различные другие навигационные системы:

  • Глонасс (рус.). Это находится на очень эллиптической орбите, поэтому «высота» не постоянна.
  • Бейдоу (Китай). Это созвездие использует спутники на совершенно разных высотах.
  • Галилео (Европа). Они находятся на похожей, хотя и не идентичной, орбите GPS.

Некоторые портативные навигаторы могут использовать несколько спутниковых систем. У меня есть велокомпьютер Garmin, который может использовать как GPS, так и Глонасс.

$\endgroup$

9

Зарегистрируйтесь или войдите в систему

Зарегистрируйтесь с помощью Google

Зарегистрироваться через Facebook

Зарегистрируйтесь, используя электронную почту и пароль

Опубликовать как гость

Электронная почта

Требуется, но никогда не отображается

Опубликовать как гость

Электронная почта

Требуется, но не отображается

Нажимая «Опубликовать свой ответ», вы соглашаетесь с нашими условиями обслуживания, политикой конфиденциальности и политикой использования файлов cookie

.

Видео-вопрос: Связь высоты спутника над Землей с периодом обращения

Стенограмма видео

В таблице показана высота, на которой три спутника вращаются вокруг Земли. Каждый спутник движется по круговой орбите. Какому спутнику требуется больше времени для обращения вокруг Земли? Какому спутнику требуется наименьшее время для обращения вокруг Земли? Eutelsat 113 West A — геостационарный спутник. Сколько времени требуется для обращения вокруг Земли?

Чтобы ответить на эти вопросы, нам нужно обратиться к таблице, которая включает информацию о том, как высоко над поверхностью Земли вращается каждый спутник. Согласно таблице, орбита Терры находится на высоте 709километров над поверхностью Земли. ICESat-2 вращается на высоте 496 километров над поверхностью Земли. А Eutelsat 113 West A вращается на высоте 35800 километров над поверхностью Земли. Давайте начнем с первой части вопроса и определим, какому спутнику требуется больше всего времени для обращения вокруг Земли. То, что мы сравниваем, — это период обращения каждого спутника, то есть количество времени, которое требуется ему, чтобы совершить один полный оборот вокруг Земли. Вспомним факторы, определяющие период обращения спутника.

Для особого случая круговой орбиты, как здесь, период обращения спутника зависит от массы большого тела, вокруг которого он вращается, и от того, насколько далеко находится спутник. В этом вопросе все спутники вращаются вокруг одной и той же Земли. Таким образом, мы можем сравнить их орбитальные периоды, просто сравнив их расстояния от Земли. Когда спутник находится дальше от Земли, он движется медленнее, чем если бы он был ближе к Земле, и ему приходится преодолевать более длинный путь, чтобы завершить орбиту. Из-за этого спутник, который находится дальше, имеет более длительный период обращения.

Теперь нас спрашивают, у какого спутника самый длинный период. Так что мы можем просто подумать о том, какой спутник находится дальше всего от Земли. Глядя на таблицу, видно, что Eutelsat 113 West A — самый дальний от Земли. Фактически, он примерно в 50 раз дальше от поверхности, чем Terra, и более чем в 70 раз дальше от поверхности, чем ICESat-2. Таким образом, мы знаем, что спутнику Eutelsat 113 West A требуется больше всего времени для обращения вокруг Земли.

Двигаясь дальше, давайте подумаем о том, какому спутнику требуется наименьшее время для обращения вокруг Земли. Мы уже установили, что чем дальше находится спутник, тем больше период его обращения. Поэтому вполне логично, что спутник, находящийся ближе к Земле, имеет более короткий период обращения, потому что он движется быстрее и ему не нужно перемещаться так далеко, чтобы завершить оборот по орбите. Здесь мы хотим знать, у какого спутника самый короткий период обращения. Так что нам просто нужно определить, какой спутник находится ближе всего к Земле. Опять же, обратившись к таблице, мы видим, что из этих трех спутников ближе всего к Земле находится ICESat-2. Таким образом, мы знаем, что ICESat-2 занимает самое короткое время на орбите Земли.