Основы геостационарной орбиты

Основы геостационарной орбиты (Basics of the Geostationary Orbit)

Оригинал статьи находится здесь ( сайт CelesTrak WWW )

Д-р Т.С. Келсо

Немногие аспекты космической эры настолько сильно воздействовали на нашу повседневную жизнь как изобретение спутника связи. В нескольких словах, такие спутники соединили даже наиболее удаленные места земного шара способом, о котором совсем недавно можно было только думать. Фактически, сегодня возможно поговорить непосредственно с альпинистами на горе Эверест или соединиться через Интернет виртуально с любой компьютерной системой на поверхности планеты с помощью спутников связи.

В то время как спутники связи выполняют их миссии на орбитах многих типов, от околоземных совокупностей вроде Iridium и Globalstar до сильно наклоненных, с большим эксцентриситетом орбит российских спутников Molniya, одним из наиболее важных классов орбит для этих спутников является геостационарная орбита. В этой статье я хотел бы исследовать уникальные свойства орбиты этого класса, которые делают ее подходящей не только для спутников связи, но также и для раннего предупреждения и наблюдения погоды.

Предыстория

Понятие геостационарной орбиты появилось в начале двадцатого столетия. Очевидно, понятие было инициировано русским теоретиком Константином Циолковским, написавшим многочисленные научные и научно-фантастические статьи о космических путешествиях на рубеже столетий. В 1920-ых Hermann Oberth и Herman Potocnik (возможно, более известный под псевдонимом Herman Noordung) писали о космических станциях, которые имели уникальное преимущество перед Землей1. Все авторы описали орбиту на высоте 35900 километров с периодом, в точности равным периоду обращения Земли, что делает возможным парение над фиксированной точкой земного экватора.

Однако, человек, которому принадлежит наибольшая заслуга в развитии концепции использования этой орбиты для связи, это Arthur C. Clarke. В статье, которую он опубликовал в Wireless World в октябре 1945, названной "Внеземные ретрансляторы: могут ли ракетные станции обеспечить всемирный радиоохват?", Clarke экстраполирует современные ему ракетные исследования Herman ко дню, когда связь во всем мире была бы возможна через сеть трех геостационарных спутников, располагаемых через равные интервалы над земным экватором (см. рисунок 1).

Рисунок 1. Оригинальный рисунок из статьи Кларка в Wireless World в октябре 1945 2

В этой статье Clarke не только определяет орбитальные характеристики, необходимые для такой орбиты, но также обсуждает частоты и мощность, необходимые для связи земля-спутник, использование солнечного освещения для электропитания, он даже вычисляет воздействие солнечных затмений вблизи весенних и осенних равноденствий. Но что делает эту статью более замечательной — это то, что Clarke написал ее за более чем дюжину лет до запуска первого спутника.

Эта идея не была использована до 1963, когда NASA вознамерилось испытать концепцию Clarke в программе Synchronous Communications Satellite. К сожалению, Syncom 1, запущенный 14 февраля 1963, успешно достигнув геосинхронной орбиты по наклонению, потерпел неудачу по эксцентриситету из-за отказа электроники. Syncom 2, запущенный 26 июля 1963, стал первым действующим геосинхронным спутником связи. Syncom 3, запущенный 19 августа 1964, стал первым геостационарным спутником, окончательно осуществив предсказание, сделанное Clarke почти двадцатью годами ранее.

Теория

Что является геостационарной орбитой? В общих словах, это специальная орбита, на которой любой спутник, появившийся на ней, будет парить постоянно над одной точкой поверхности земли. Однако, в отличие от всех других классов орбит, где может иметься совокупность орбит, имеется только одна геостационарная орбита. Давайте исследуем уникальные характеристики этой орбиты.

Любая орбита, чтобы быть геостационарной, должна прежде всего быть геосинхронной. Геосинхронная орбита — любая орбита, которая имеет период, равный периоду обращения Земли. Как мы скоро увидим, этого требования недостаточно, чтобы гарантировать фиксированное положение относительно земли. В то время, как все геостационарные орбиты должны быть геосинхронными, не все геосинхронные орбиты являются геостационарными. К сожалению, эти термины часто используются невпопад.

Перед тем, как продолжить, необходимо пояснить, что же предполагается под "периодом обращения Земли". В большинстве случаев мы полагаем, что вращение земли измеряется относительно (среднего) положения Солнца. Однако, поскольку Солнце движется относительно звезд (инерциальное пространство) в результате вращения Земли вокруг Солнца, один средний солнечный день не является периодом, который нас интересует. Геосинхронный спутник завершает оборот вокруг земли за то же время, которое требуется Земле, чтобы выполнить один оборот в инерциальном (или фиксированном) пространстве. Этот интервал времени известен как один сидерический день и равен 23h56m04s среднего солнечного времени (см. также "Орбитальные системы координат, часть I" в выпуске Satellite Times за сентябрь/октябрь 1995). Без любых прочих влияний, точка земли будет иметь ориентацию в инерциальном пространстве в том же направлении, что и спутник с этим периодом обращения при возвращении в определенную точку его орбиты.

Чтобы гарантировать, что спутник останется над определенной точкой на поверхности земли, орбита должны также быть круговой и иметь нулевое наклонение. Рисунок 2 показывает различие между геостационарной орбитой (GSO) и геосинхронной орбитой (GEO) с наклонением 20 градусов. Обе орбиты — круговые. В то время, как каждый из спутников завершит оборот в тот же самый момент времени, очевидно, что геосинхронный спутник будет двигаться к северу и к югу от экватора в течение его обращения, в то время как геостационарный спутник не будет.

Рисунок 2. Геостационарные и геосинхронные орбиты

Орбиты с ненулевым эксцентриситетом (то есть скорее эллиптические, чем круговые орбиты) приведут к смещениям то к востоку, то к западу, поскольку спутник движется быстрее или медленнее в различных точках его орбиты. Комбинации ненулевого наклонения и эксцентриситета дадут весь спектр перемещений относительно фиксированной точки земли.

На рисунке 3 показаны некоторые типичные результаты. Похожая на восьмерку наземная трасса — результат движения по геосинхронной орбите (GEO), показанной на рисунке 2. Геостационарный спутник (GSO) находится фиксированным в точке пересечения линии в фигуре восьмерки (над экватором). Если мы теперь придадим геосинхронному спутнику эксцентриситет 0.10, результатом будет наклонная в форме слезинки трасса. Как правило, эксцентрические геосинхронные орбиты имеют трассой фигуру, похожую на наклоненную восьмерку, однако в данном случае точка пересечения сместилась к северной вершине наземной трассы [т.е. получилась искаженная восьмерка; прим. перев.].

Рисунок 3. Геосинхронные земные трассы

Теперь должно быть очевидно, что только спутники, которые обращаются по орбите с периодом, равным периоду обращения Земли и с нулевым эксцентриситетом и наклонением, могут быть геостационарными спутниками. Раз так, имеется только одна геостационарная орбита — пояс, окружающий экватор земли на высоте приблизительно 35786 километров.

Должно также быть ясно, что невозможны орбиты спутников, висящих над точкой земной поверхности, которая не находится на экваторе. Это ограничение, однако, не столь серьезно, поскольку большая часть поверхности земли видима с геостационарной орбиты. Фактически, с одиночного геостационарного спутника видно 42 процента поверхности земли, и совокупность геостационарных спутников, подобная предложенной Кларком, охватывает пояс на поверхности земли между 81° южной широты и 81° северной.

Конечно, преимущество спутника на геостационарной орбите состоит в том, что он остается постоянным относительно поверхности земли. Это делает ее идеальной орбитой для связи, так как нет необходимости сопровождать спутник, чтобы определить, куда направлять антенну. Однако, имеются и некоторые недостатки. Возможно, первый из них — большое расстояние между спутником и земной поверхностью. Имея достаточную мощность или достаточно большую антенну, тем не менее, это ограничение можно преодолеть.

Тот факт, что имеется только одна геостационарная орбита, представляет более серьезное ограничение. Точно как в случае размещения бусинок на веревочной петле, имеются ограниченное количество мест, в которые геостационарные спутники могут быть помещены. Основное ограничение состоит в разнесении спутников вдоль геостационарного пояса с тем, чтобы ограниченное количество частот, предназначенных для связи, не привело к интерференции частот разных спутников при приеме и передаче. Конечно, мы также хотим быть уверены, что спутники достаточно далеки, чтобы не сталкиваться друг с другом, так как они будут иметь некоторые малые перемещения.

В то время, как новые спутники связи могут быть помещены первоначально на истинную геостационарную орбиту, имеются некоторые силы, которые изменяют орбиты со временем. Так как геостационарная орбитальная плоскость не совпадает с плоскостью орбиты Земли (эклиптикой) или плоскостью орбиты Луны, гравитационное притяжение Солнца и Луны действует так, чтобы переместить геостационарные спутники с их экваториальной орбиты, постепенно увеличивая орбитальное наклонение каждого спутника. Кроме того, некруговая форма земного экватора заставляет эти спутники медленно стягиваться к одной из двух точек устойчивого равновесия вдоль экватора, приводя к восточно-западной либрации (дрейфу назад и вперед) относительно этих точек.

Чтобы противодействовать этим возмущениям, все геостационарные спутники имеют достаточное количество топлива для периодических коррекций орбиты во время запланированного срока службы спутника. Эти периодические коррекции известны как "поддержание неизменного положения". Коррекция север/юг возвращает медленно увеличивающееся наклонение назад к нулевому, а коррекция восток/запад удерживает спутник в его назначенном положении в пределах геостационарного пояса. Эти меневры планируются для поддержания геостационарного спутника в пределах малого отклонения от его идеального расположения (как в направлении север/юг, так и восток/запад). Этот допуск обычно задается, чтобы гарантировать нахождение спутника в пределах ширины луча земной антенны без дополнительного слежения.

Если спутник израсходует топливо, его наклонение начнет расти и он начнет дрейфовать по долготе, и тогда он может представлять угрозу другим геостационарным спутникам. Часто геостационарные спутники переводятся на немного более высокую орбиту в конце их запланированного срока службы, чтобы предотвратить их столкновение с другими геостационарными спутниками. Этот последний маневр предполагает, что нет никакого незапланированного отказа, который помешал бы этому (вроде неисправностей в электропитании или отказа связи).

Резюме

Это начальная статья о геостационарных и геосинхронных орбитах должна дать вам основы понимания некоторых из фундаментальных орбитальных концепций. В нашей следующей статье я хотел бы продолжить это обсуждение, исследуя взаимосвязь наблюдателя, спутника и солнца, чтобы определить долготу геостационарного спутника, углы наблюдения для наземного наблюдателя и обсудить, как положение солнца может воздействовать на бортовое энергоснабжение и мешать спутниковой связи.

Как всегда, если у вас есть любые вопросы, пожалуйста, не стесняйтесь писать мне по адресу . До в следующей встречи!

Примечания

1 Oberth, Hermann. Die Rakete zu den Planetenraumen (The Rocket into Interplanetary Space), 1923. Noordung, Herman. Das Problem der Befahrung des Weltraums (The Problem of Space Travel), 1929.
2 Clarke, Arthur C. "Extra-Terrestrial Relays: Can Rocket Stations Give World-wide Radio Coverage?" Wireless World, October 1945, p. 306.

Автор перевода Александр Аникеев (anikeev (at) kursknet.ru)

Источник - http://space.kursknet.ru/ts_kelso/russian/v04n07/v04n07.sht