Примечания и подробности о спутниковых орбитах: основы, разные типы спутниковых орбит и определения спутниковой орбиты.
Существует множество различных спутниковых орбит, которые можно использовать. Наибольшее внимание уделяется используемой геостационарной орбите, поскольку они стационарны над определенной точкой Земли. Орбита, выбранная для спутника, зависит от его применения. Те, которые используются для прямого телевизионного вещания, т.е. спутниковое телевидение, например, используют геостационарную орбиту. Многие спутники связи также используют геостационарную орбиту. Другие спутниковые системы, например те, которые используются для спутниковых телефонов, могут использовать низкоорбитальные системы. Точно так же спутниковые системы, используемые для спутниковых навигационных систем, таких как Navstar или система глобального позиционирования (GPS), занимают относительно низкую околоземную орбиту. Есть также много других типов спутников, от метеорологических спутников до исследовательских спутников и многих других. У каждого будет свой тип орбиты в зависимости от его применения. Кроме того, новые спутники Cubesat или кубические спутники также используют относительно низкие орбиты с учетом уровней мощности, которые они могут передавать, и допустимых потерь на трассе. Фактическая выбранная орбита спутника будет зависеть от факторов, включая его функцию и область, которую он должен обслуживать. В некоторых случаях спутниковая орбита может быть всего 100 миль (160 км) для низкоорбитального НОО, тогда как в других случаях высота может превышать 22 000 миль (36 000 км), как в случае геостационарного ГСО. Спутник может даже иметь эллиптическую, а не круговую орбиту.
Гравитация и спутниковые орбиты
Когда спутники вращаются вокруг Земли, они притягиваются силой гравитационного поля. Если бы у них не было собственного движения, они бы упали на Землю, сгорая в верхних слоях атмосферы. Вместо этого движение спутника, вращающегося вокруг Земли, связано с силой, отталкивающей его от Земли. Для любой заданной орбиты существует скорость, при которой гравитация и центробежная сила уравновешивают друг друга, и спутник остается на устойчивой орбите, не набирая высоты и не теряя ее. Очевидно, что чем ниже спутники вращаются вокруг Земли, тем сильнее гравитационное притяжение, а это означает, что спутник должен двигаться быстрее, чтобы противодействовать этому притяжению. Дальше гравитационное поле меньше и скорости спутников соответственно меньше. Для очень низкой орбиты около 100 миль требуется скорость около 17 500 миль в час, а это означает, что спутник будет вращаться вокруг Земли примерно за 90 минут. На высоте 22 000 миль требуется скорость чуть менее 7000 миль в час, что дает время обращения около 24 часов.
Определения круговой и эллиптической орбиты
Спутники вращаются вокруг Земли по одному из двух основных типов орбит.
- Круговая спутниковая орбита: для круговой орбиты расстояние от Земли всегда остается одним и тем же.
- Эллиптическая спутниковая орбита: Эллиптическая орбита изменяет расстояние до Земли.
Существует ряд определений, связанных с различными типами спутниковых орбит:
- Геоцентр: Когда спутники вращаются вокруг Земли по круговой или эллиптической орбите, орбита спутника образует плоскость, проходящую через центр тяжести или геоцентр Земли.
- Направление вращения вокруг Земли. Существует два способа классификации спутниковой орбиты:
- Положительный: Вращение вокруг Земли считается положительным, когда оно вращается в том же направлении, что и вращение Земли.
- Ретроградное: вращение вокруг Земли называется ретроградным, когда оно вращается в направлении, противоположном вращению Земли.
- Наземный трек: Наземный трек спутника — это точка на поверхности Земли, где спутник находится прямо над головой, когда он движется вокруг земного шара. Это образует круг, в центре которого находится геоцентр. Стоит отметить, что геостационарные спутники представляют собой особый случай, поскольку они постоянно появляются непосредственно над одной и той же точкой Земли. Это означает, что их наземный путь состоит из одной точки на экваторе Земли. Также для спутников с экваториальными орбитами наземная трасса проходит по экватору. Для этих орбит обычно обнаруживается, что наземная траектория смещается на запад для каждой орбиты, потому что Земля вращается на восток под спутником.
- Орбитальные узлы: это точки, в которых наземная дорожка переходит из одного полушария в другое. Для любой неэкваториальной орбиты их два:
- Восходящий узел: это узел, в котором наземная трасса проходит из южного полушария в северное полушарие.
- Нисходящий узел: это узел, в котором наземная трасса проходит из северного в южное полушарие.
- Высота спутника: Для многих расчетов орбиты необходимо учитывать высоту спутника над геоцентром. Это высота над Землей плюс радиус Земли. Обычно считается, что это 3960 миль или 6370 км.
- Орбитальная скорость: для круговой орбиты она всегда одинакова. Однако в случае эллиптического это не так, поскольку скорость изменяется в зависимости от положения на орбите. Она достигает максимума, когда находится ближе всего к Земле, и ей приходится бороться с сильнейшим гравитационным притяжением, а самая низкая скорость достигается, когда она находится дальше всего.
- Угол возвышения: Угол возвышения — это угол, под которым спутник появляется над горизонталью. Если угол слишком мал, сигналы могут быть заблокированы соседними объектами, если антенна не очень высока. Для тех антенн, которые имеют беспрепятственный обзор, еще есть проблемы с малыми углами места. Причина в том, что сигналы должны проходить через большую часть земной атмосферы и в результате подвергаются более высоким уровням затухания. Угол в пять градусов обычно считается минимальным углом для удовлетворительной работы.
- Угол наклона: не все спутниковые орбиты следуют за экватором — на самом деле большинство низких околоземных орбит этого не делают. Поэтому необходимо определить угол наклона орбиты спутника. Диаграмма ниже определяет это
Другие аспекты спутниковой орбиты
Чтобы спутник можно было использовать для целей связи, наземная станция должна иметь возможность следовать за ним, чтобы принимать его сигнал и передавать обратно на него. Связь, естественно, будет возможна только тогда, когда он будет виден, и в зависимости от орбиты он может быть виден только в течение короткого периода времени. Чтобы гарантировать, что общение возможно в течение максимального периода времени, существует ряд вариантов, которые можно использовать:
- Первый заключается в использовании эллиптической орбиты, где апогей находится над планируемой земной станцией, чтобы спутник оставался видимым в течение максимального периода времени.
- Другой вариант — запустить несколько спутников с одной и той же орбитой, чтобы при исчезновении одного из поля зрения и потере связи появлялся другой. Обычно для поддержания почти непрерывной связи требуется три спутника. Однако передача обслуживания от одного спутника к другому вносит дополнительную сложность в систему, а также требует наличия как минимум трех спутников.
Определения круговой спутниковой орбиты
Круговые орбиты классифицируются несколькими способами. Такие термины, как низкая околоземная орбита, геостационарная орбита и тому подобные детализируют отличительные элементы орбиты. Краткое изложение определений круговой орбиты приведено в таблице ниже:
ОПРЕДЕЛЕНИЯ СПУТНИКОВОЙ ОРБИТЫ
| НАЗВАНИЕ ОРБИТЫ | ИНИЦИАЛЫ ОРБИТЫ | ВЫСОТА ОРБИТЫ (КМ НАД ПОВЕРХНОСТЬЮ ЗЕМЛИ) | ПОДРОБНОСТИ/КОММЕНТАРИИ | |
|---|---|---|---|---|
| Низкая околоземная орбита | ЛЕО | 200 — 1200 | ||
| Средняя околоземная орбита | МЭО | 1200 — 35790 | ||
| Геосинхронная орбита | ГСО | 35790 | Орбиты один раз в день, но не обязательно в том же направлении, что и вращение Земли — не обязательно стационарно | |
| Геостационарная орбита | ГЕО | 35790 | Обходит один раз в день и движется в том же направлении, что и Земля, и поэтому кажется неподвижной над той же точкой на поверхности Земли. Может быть только выше экватора. | |
| Высокая околоземная орбита | НЕО | Выше 35790 |
В некоторых приложениях могут потребоваться высокие околоземные орбиты. Для этих применений спутнику потребуется больше 24 часов, чтобы облететь вокруг Земли, и длина пути может стать очень большой, что приведет к дополнительным задержкам для кругового пути от Земли до спутника и обратно, а также к увеличению уровней потерь на пути. Выбор спутниковой орбиты будет зависеть от ее применения. В то время как геостационарные орбиты популярны для таких приложений, как прямое вещание или спутниковое телевидение, а также для спутников связи, другие, такие как GPS и даже те спутники, которые используются для мобильных телефонов, намного ниже. Даже новые кубсаты используют относительно низкие орбиты из-за их размера, мощности передатчика и возникающих потерь на пути. Таким образом, функция спутника в сочетании с требованиями и допустимыми потерями на трассе определяют орбиту, на которую он должен быть выведен.