Подробности основ геостационарной околоземной орбиты, ГСО, используемые спутниками.
Одним из очень популярных форматов орбиты является геостационарная спутниковая орбита. Геостационарная орбита используется многими приложениями, включая прямое вещание, а также системы связи или ретрансляции. Геостационарная орбита имеет то преимущество, что спутник остается в одном и том же положении в течение дня, а антенны могут быть направлены на спутник и оставаться на пути. Этот фактор имеет особое значение для таких приложений, как прямое телевизионное вещание, где изменение направления антенны практически невозможно. Необходимо позаботиться об использовании сокращений для геостационарной орбиты. Видны как GEO, так и GSO, и обе они также используются для геостационарной орбиты.
Развитие геостационарной орбиты
Идея геостационарной орбиты постулируется уже много лет. Одним из возможных создателей основной идеи был русский теоретик и писатель-фантаст Константин Циолковский. Однако именно Герман Оберт и Герман Поточник писали об орбитальных станциях на высоте 35 900 км над Землей, которые имели период вращения 24 часа, из-за чего казалось, что они парят над фиксированной точкой на экваторе. Следующий крупный шаг вперед был сделан, когда Артур Кларк, писатель-фантаст, опубликовал в октябре 1945 года серьезную статью в Wireless World, крупном британском издании по электронике и радио. Мировой охват?» Кларк экстраполировал то, что можно было сделать с немецкой ракетной технологией того времени, и посмотрел, что может быть возможно в будущем. Он постулировал, что можно было бы обеспечить полное глобальное покрытие всего тремя геостационарными спутниками.
В статье Кларк определил необходимые орбитальные характеристики, а также уровни мощности передатчика, можно было использовать генерацию солнечной энергии, даже рассчитывая влияние солнечных затмений. Статья Кларка намного опередила свое время. Только в 1963 году НАСА смогло начать запуск спутников, которые могли проверить теорию. Первым исправным спутником, способным начать проверку теории, был Syncom 2, запущенный 26 июля 1963 года. [Syncom 1 вышел из строя, поскольку не смог выйти на правильную геостационарную орбиту].
Основы геостационарной орбиты
По мере увеличения высоты спутника увеличивается и время обращения спутника по орбите. На высоте 35790 км спутник выходит на орбиту за 24 часа. Этот тип орбиты известен как геосинхронная орбита, т.е. она синхронизирована с Землей. Одна конкретная форма геосинхронной орбиты известна как геостационарная орбита. На этом типе орбиты спутник вращается в том же направлении, что и Земля, и имеет приблизительно 24-часовой период. Это означает, что он вращается с той же угловой скоростью, что и Земля, и в том же направлении и поэтому остается в том же положении относительно Земли. Для того, чтобы спутник вращался точно с той же скоростью, что и Земля, необходимо уточнить, какое именно время составляет время вращения Земли. Для большинства приложений хронометража вращение Земли измеряется относительно среднего положения Солнца, а вращение Земли в сочетании с вращением вокруг Солнца обеспечивает продолжительность дня. Однако это не точное вращение, которое нас интересует, чтобы получить геостационарную орбиту — время, необходимое как раз для одного вращения. Этот период времени известен как звездные сутки и составляет 23 часа 56 минут и 4 секунды. Геометрия диктует, что единственный способ, при котором орбита, совершающая один оборот в день, может оставаться в одном и том же месте на поверхности Земли, состоит в том, что она движется в том же направлении, что и вращение Земли. Также он не должен двигаться ни на север, ни на юг ни по одной из своих орбит. Это может произойти только в том случае, если он остается над экватором.
Различные орбиты можно увидеть на диаграмме. Поскольку все орбитальные плоскости должны пройти через геоцентр Земли, показаны два доступных варианта. Даже если обе орбиты вращаются с той же скоростью, что и Земля, та, которая помечена как геосинхронная, часть суток будет двигаться севернее экватора, а другую половину — ниже — не будет неподвижной. Чтобы спутник был неподвижен, он должен находиться над экватором.
Дрейф геостационарного спутника
Даже когда спутники выводятся на геостационарную орбиту, на них могут воздействовать несколько сил, которые медленно меняют их положение с течением времени. Факторы, в том числе эллиптическая форма Земли, притяжение Солнца и Луны и другие, увеличивают наклонение орбиты спутника. В частности, некруглая форма Земли вокруг экватора имеет тенденцию притягивать спутники к двум устойчивым точкам равновесия, одна над Индийским океаном, а другая очень приблизительно вокруг другой стороны мира. Это приводит к тому, что называется восточно-западной либрацией или движением вперед и назад. Чтобы преодолеть эти движения, спутники переносят топливо, чтобы они могли выполнять «удержание на месте», когда спутник возвращается в желаемое положение. Период между маневрами удержания определяется допустимым допуском на спутнике, который в основном определяется шириной луча наземной антенны. Это будет означать, что повторная настройка антенн не требуется. Часто срок службы спутника определяется временем, в течение которого топливо позволяет поддерживать станцию. Зачастую это будет несколько лет. После этого спутник может дрейфовать к одной из двух точек равновесия и, возможно, снова войти в атмосферу Земли. Предпочтительный вариант состоит в том, чтобы спутники использовали последнее топливо, чтобы поднять их на более высокую и растущую орбиту, чтобы они не мешали другим спутникам.
Покрытие геостационарной орбиты
Один геостационарный спутник, очевидно, не может обеспечить полное глобальное покрытие. Однако один геостационарный спутник может видеть примерно 42% поверхности Земли с падением покрытия в сторону спутника, который не может «видеть» поверхность. Это происходит вокруг экватора, а также в полярных регионах.
Созвездие из трех спутников, равномерно разнесенных по земному шару, может обеспечить полное покрытие вокруг экватора и до 81° северной и южной широты. Отсутствие полярного покрытия не является проблемой для большинства пользователей, хотя там, где необходимо полярное покрытие, необходимы спутники, использующие другие формы орбиты.
Геостационарная орбита и длина пути/задержка
Одной из проблем при использовании спутников на геостационарной орбите является задержка, связанная с длиной пути. Длина пути до любого геостационарного спутника составляет минимум 22300 миль. Это предполагает, что пользователь находится непосредственно под спутником, чтобы обеспечить кратчайшую длину пути. В действительности пользователь вряд ли окажется в этом положении, и длина пути будет больше. Предполагая кратчайшую длину пути, это дает однократное путешествие, т.е. к спутнику или обратно, минимум около 120 миллисекунд. Это означает, что путь туда и обратно от земли до спутника и обратно составляет примерно четверть секунды. Поэтому для получения ответа при разговоре может потребоваться полсекунды, так как сигнал должен пройти через спутник дважды — один раз на пути к удаленному слушателю, а затем еще раз с ответом. Эта задержка может сильно затруднить телефонные разговоры при использовании спутниковой связи. Это также можно увидеть, когда репортеры используют спутниковую связь. Когда репортеру задали вопрос из студии вещателя, он, похоже, не сразу ответил. Эта задержка является причиной того, что многие каналы дальней связи используют кабели, а не спутники, поскольку возникающие задержки намного меньше.
Преимущества и недостатки спутников на геостационарной орбите
Хотя геостационарная орбита широко используется для многих спутниковых приложений, она подходит не для всех ситуаций. Следует учитывать ряд преимуществ и недостатков:
| Преимущества геостационарной орбиты: | Недостатки геостационарной орбиты: |
| — Спутник всегда находится в одном и том же положении относительно земли — антенны не требуют переориентации | — Большая длина пути, а значит и потери по сравнению с LEO или MEO. — Спутники дороже устанавливать на ГЕО ввиду большей высоты над уровнем моря. — Большая длина пути приводит к задержкам. — Геостационарные спутниковые орбиты могут находиться только над экватором, поэтому полярные области не могут быть охвачены. |
Несмотря на недостатки использования спутников на геостационарной орбите, они по-прежнему широко используются из-за того, что спутник всегда находится в одном и том же положении относительно данного места на Земле.