Геостационарная орбита
Материал из Rfcmd_wiki.
Содержание |
Прогнозы доспутниковой эры
Понятие геостационарной орбиты появилось в начале двадцатого столетия, когда в 1920-ых Hermann Oberth и Herman Potocnik описали орбиту на высоте 35900 километров с периодом обращения, в точности равным периоду обращения Земли, что должно было сделать возможным "парение" спутника над фиксированной точкой земного экватора.
Однако, человек, которому принадлежит наибольшая заслуга в развитии концепции использования этой орбиты для связи, это Артур Кларк. В статье, которую он опубликовал в журнале Wireless World в октябре 1945 под названием "Внеземные ретрансляторы: могут ли ракетные станции обеспечить всемирный радиоохват?", Кларк прогнозирует, что однажды связь во всем мире будет осуществлена через три геостационарных (ГСО) спутника, расположенных на орбите над земным экватором через равные интервалы. В Англии и многих других странах геостационарную орбиту называют «Поясом Кларка».
В этой статье, которая была написана за 12 лет до запуска первого спутника, Кларк не только определяет характеристики такой орбиты, но и пишет о возможных значениях частоты и мощности, необходимых для связи Земля-космос, говорит о необходимости применения солнечных батарей и даже вычисляет воздействие солнечных затмений и влияние весенних и осенних равноденствий.
Первые шаги
В начале 1960-х США активно экспериментируют в области космической связи, опережая в этой области Советский Союз. Сначала исследовались возможности применения пассивных спутников, но довольно быстро поняли их неперспективность и переключились исключительно на активные космические аппараты.
Идея Кларка была использована только в 1963 г., когда NASA решило провести испытания по программе Syncom (Synchronous Communications Satellite – спутник синхронной связи). К сожалению, аппарат Syncom 1, запущенный 14 февраля 1963 г., достигнув геосинхронной орбиты по наклонению, потерпел неудачу по эксцентриситету из-за отказа электроники. Запущенный 26 июля 1963 г. Syncom 2 стал первым действующим геосинхронным спутником связи, выведенным на геопереходную орбиту с наклонением 33°. Спутник Syncom 3, запущенный 19 августа 1964 г., стал первым геостационарным спутником, окончательно осуществив предсказание Кларка, сделанное им почти двадцатью годами ранее. Syncom 3 весил всего 40 кг, но через него была организована трансляция с Олимпийских Игр в Токио. Годом позже – в 1965 году, на ГСО заработал уже первый коммерческий аппарат
Теория
Что является геостационарной орбитой? В общих словах, это специальная орбита, на которой любой спутник будет "парить" над одной точкой поверхности Земли. Однако, в отличие от всех других классов орбит, которых может быть несколько, геостационарная орбита - единственная.
Геосинхронная орбита — любая орбита, которая имеет период, равный периоду обращения Земли. Но выполнение этого требования еще не гарантирует, что космический аппарат будет находиться в фиксированном положении относительно Земли. В то время, как геостационарная орбита должна быть геосинхронной, не все геосинхронные орбиты являются геостационарными. К сожалению, эти термины часто путают.
Что такое "период 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 23 часам 56 минутам 04 секундам среднего солнечного времени. 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. На рисунке 2 показано различие между геостационарной орбитой (ГСО) и геосинхронной орбитой (ГЕО) 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.
Геостационарные и геосинхронные орбиты
Орбиты с ненулевым эксцентриситетом (то есть скорее эллиптические, чем круговые) 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 ниже показаны некоторые типичные результаты. Похожая на восьмерку подспутниковая трасса — результат движения по геосинхронной орбите (ГЕО), показанной на рисунке выше.
Геостационарный спутник (ГСО) находится в фиксированной 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, подспутниковая трасса для эксцентрических геосинхронных орбит имеет вид фигуры похожей на наклоненную восьмерку.
Очевидно, что геостационарными могут быть только спутники, находящиеся на орбите с периодом, равным периоду обращения Земли и с нулевым эксцентриситетом и наклонением, спутниками. А это значит, что имеется только одна геостационарная орбита — пояс, окружающий экватор Земли на высоте приблизительно 35786 километров.
Ясно также, 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 одного ГСО спутника видно 42% земной поверхности, и совокупность геостационарных спутников, подобная предложенной Кларком, охватывает пояс на поверхности земли между 81° ю.ш. и 81° с.ш.
Плюсы и минусы
Главное преимущество ГСО спутника состоит в том, что его положение остается постоянным относительно поверхности Земли. Это делает ГСО идеальной орбитой для связи, так как нет необходимости сопровождать спутник, чтобы определить, куда направлять антенну. Однако, имеются и некоторые недостатки. Главный, возможно, - большое расстояние от спутник до Земли. Это ограничение можно преодолеть, имея достаточную мощность или достаточно большую антенну.
Поскольку эта орбита – единственная – появляется более серьезное ограничение. Число мест, куда можно поместить спутники, ограничено. Ограничен также и частотный ресурс, так что требуется расположит спутники так, чтобы использование ограниченного количества частот, предназначенных для связи, не привело к помехам между разными спутниками. Ну и, конечно, спутники должны быть разнесены на достаточные расстояния, чтобы не сталкиваться друг с другом, так как они не будут "висеть", как прибитые, а будут перемещаться на орбите в некоторых пределах.
Дело в том, что, хотя новые спутники первоначально размещаются на истинную геостационарную орбиту, на них действуют силы, которые - со временем - изменяют параметры орбиты спутника. Поскольку геостационарная орбитальная плоскость не совпадает с плоскостью орбиты Земли (эклиптикой) или плоскостью орбиты Луны, под действием гравитационного притяжения Солнца и Луны геостационарные спутники сдвигаются с их экваториальной орбиты, причем орбитальное наклонение каждого спутника постепенно увеличивается. Кроме того, некруговая форма земного экватора заставляет 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 этому, все геостационарные спутники периодически включают двигатели коррекции орбиты, для чего на них предусмотрено определенное количество топлива. 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 назначенном ему положении в пределах геостационарного пояса.
Когда спутник израсходует топливо, его наклонение начинает расти и он дрейфует по долготе, и тогда он может представлять угрозу другим геостационарным спутникам. Часто - в конце запланированного срока службы - геостационарные спутники переводятся на немного более высокую орбиту, чтобы предотвратить их столкновение с другими геостационарными спутниками.
