1. точка стояння
2. Розміщення супутників на орбіті
3. Обчислення параметрів геостаціонарної орбіти
4. орбітальна швидкість
5. довжина орбіти
6. Утримання супутника в орбітальній позиції на геостаціонарній орбіті
7. Недоліки геостаціонарної орбіти
8. Невидимість ДСО з високих широт
9. сонячна інтерференція
10. Міжнародно-правовий статус ДСО

Геостаціонарна орбіта (ДСО) - кругова орбіта , Розташована над екватором землі (0 ° широти), перебуваючи на якій, штучний супутник обертається навколо планети з кутовою швидкістю, рівній кутової швидкості обертання Землі навколо осі. У горизонтальній системі координат напрямок на супутник не змінюється ні по азимуту, ні по висоті над горизонтом, супутник «висить» в небі нерухомо. Тому супутникова антена, одного разу спрямована на такий супутник, весь час залишається спрямованої на нього. Геостаціонарна орбіта є різновидом геосинхронной орбіти і використовується для розміщення штучних супутників (комунікаційних, телетрансляційних і т. П.).

Супутник повинен звертатися в напрямку обертання Землі, на висоті 35 786 км над рівнем моря. Саме така висота забезпечує супутнику період обертання, що дорівнює періоду обертання Землі щодо зірок (Зоряні добу: 23 години 56 хвилин 4,091 секунди).

Ідея використання геостаціонарних супутників для цілей зв'язку висловлювалася ще словенським теоретиком космонавтики Германом Поточніка в 1928 році.

Переваги геостаціонарної орбіти отримали широку популярність після виходу в світ науково-популярної статті Артура Кларка в журналі «Wireless World» в 1945 році, тому на Заході геостаціонарна і геосинхронной орбіти іноді називаються «орбітами Кларка», а «поясом Кларка» називають область космічного простору на відстані 36000 км над рівнем моря в площині земного екватора, де параметри орбіт близькі до геостаціонарної. Першим супутником, успішно вивів на ДСО, був Syncom-3, запущений NASA в серпні 1964 року.

точка стояння

Супутник, що знаходиться на геостаціонарній орбіті, нерухомий відносно поверхні Землі, тому його місце розташування на орбіті називається точкою стояння. В результаті, зорієнтована на супутник і нерухомо закріплена спрямована антена може зберігати постійний зв'язок з цим супутником тривалий час.

Розміщення супутників на орбіті

Геостаціонарна орбіта може бути точно забезпечена тільки на колі, розташованої прямо над екватором, з висотою, дуже близькою до 35 786 км.

Якби геостаціонарні супутники були видні на небі неозброєним оком, то лінія, на якій вони були б видно, збігалася б з «поясом Кларка» для даної місцевості. Геостаціонарні супутники, завдяки наявним точкам стояння, зручно використовувати для супутникового зв'язку: один раз зорієнтована антена завжди буде спрямована на обраний супутник (якщо він не змінить позицію).

Для перекладу супутників з нізковисотние орбіти на геостаціонарну використовуються перехідні геостаціонарні (геоперехідну) орбіти (ГПО) - еліптичні орбіти з перигеем на низькій висоті і апогеєм на висоті, близькій до геостаціонарної орбіти.

Після завершення активної експлуатації на залишках палива супутник повинен бути переведений на орбіту поховання , Розташовану на 200-300 км вище ДСО.

Обчислення параметрів геостаціонарної орбіти

Радіус орбіти і висота орбіти

На геостаціонарній орбіті супутник не наближається до Землі і не віддаляється від неї, і крім того, обертаючись разом із Землею, постійно знаходиться над якою-небудь точкою на екваторі. Отже, чинні на супутник сили гравітації і відцентрова сила повинні врівноважувати один одного. Для обчислення висоти геостаціонарної орбіти можна скористатися методами класичної механіки і, перейшовши в систему відліку супутника, виходити з наступного рівняння:

, де - сила інерції, а в даному випадку, відцентрова сила; - гравітаційна сила. Величину гравітаційної сили, що діє на супутник, можна визначити за законом всесвітнього тяжіння Ньютона: , де - маса супутника, - маса Землі в кілограмах, - гравітаційна стала, а - відстань в метрах від супутника до центру Землі або, в даному випадку, радіус орбіти.

Величина відцентрової сили дорівнює:

, де - доцентрове прискорення, що виникає при круговому русі по орбіті.

Як можна бачити, маса супутника присутній як множник у виразах для відцентрової сили і для гравітаційної сили, тобто висота орбіти не залежить від маси супутника, що справедливо для будь-яких орбіт і є наслідком рівності гравітаційної та інертної маси. Отже, геостаціонарна орбіта визначається лише висотою, при яких відцентрова сила буде дорівнює по модулю і протилежна за напрямком гравітаційній силі, створюваної тяжінням Землі на даній висоті.

Доцентровийприскорення одно:

, де - кутова швидкість обертання супутника, в радіанах в секунду.

Зробимо одне важливе уточнення. Насправді, доцентровийприскорення має фізичний сенс тільки в інерціальній системі відліку, в той час як відцентрова сила є так званої уявної силою і має місце виключно в системах відліку (координат), які пов'язані з обертовими тілами. Доцентрова сила (в даному випадку - сила гравітації) викликає доцентрове прискорення. За модулю доцентровийприскорення в інерціальній системі відліку одно відцентровому в системі відліку, пов'язаної в нашому випадку зі супутником. Тому далі, з урахуванням зробленого зауваження, ми можемо вживати термін «доцентровийприскорення» разом з терміном «відцентрова сила».

Зрівнюючи вираження для гравітаційної та відцентрової сил з підстановкою центростремительного прискорення, отримуємо:

. скорочуючи , переводячи вліво, а вправо, отримуємо: або . Можна записати цей вислів інакше, замінивши на - геоцентричну гравітаційну постійну: Кутова швидкість обчислюється діленням кута, пройденого за один оборот ( радіан) на період обертання (час, за який здійснюється один повний оберт навколо Землі: один сидерический день, або 86 164 секунди). отримуємо: рад / с Отриманий радіус орбіти становить 42 164 км. Віднімаючи екваторіальний радіус Землі, 6 378 км, отримуємо висоту 35 786 км.

Можна зробити обчислення і інакше. Висота геостаціонарної орбіти - це таке видалення від центру Землі, де кутова швидкість супутника, що збігається з кутовою швидкістю обертання Землі, породжує орбітальну (лінійну) швидкість, рівну першої космічної швидкості (для забезпечення кругової орбіти) на даній висоті.

Лінійна швидкість супутника, що рухається з кутовою швидкістю на відстані від центру обертання дорівнює

Перша космічна швидкість на відстані від об'єкта масою дорівнює Прирівнявши праві частини рівнянь один до одного, приходимо до отриманого раніше висловом радіусу ДСО:

орбітальна швидкість

Швидкість руху по геостаціонарній орбіті обчислюється множенням кутової швидкості на радіус орбіти:

км / с

Це приблизно в 2.5 рази менше, ніж перша космічна швидкість рівна 8 км / с на навколоземній орбіті (з радіусом 6400 км). Так як квадрат швидкості для кругової орбіти обернено пропорційний її радіусу, то зменшення швидкості по відношенню до першої космічної досягається збільшенням радіуса орбіти більш ніж в 6 разів.

довжина орбіти

Довжина геостаціонарної орбіти: . При радіусі орбіти 42 164 км отримуємо довжину орбіти 264 924 км.

Довжина орбіти вкрай важлива для обчислення «точок стояння» супутників.

Утримання супутника в орбітальній позиції на геостаціонарній орбіті

Супутник, який звертається на геостаціонарній орбіті, знаходиться під впливом ряду сил (збурень), що змінюють параметри цієї орбіти. Зокрема, до таких збурень відносяться гравітаційні місячно-сонячні обурення, вплив неоднорідності гравітаційного поля Землі, еліптичності екватора і т. Д. Деградація орбіти виражається в двох основних явищах:

1) Супутник зміщується вздовж орбіти від своєї первісної орбітальній позиції в сторону однієї з чотирьох точок стабільної рівноваги, т. Н. «Потенційних ям геостаціонарної орбіти» (їх довготи 75,3 ° E, 104,7 ° W, 165,3 ° E, і 14,7 ° W) над екватором Землі;

2) Нахил орбіти до екватора збільшується (від початкового 0) зі швидкістю близько 0,85 градусів на рік, і досягає максимального значення 15 градусів за 26,5 років.

Для компенсації цих збурень і утримання супутника в призначеної точці стояння супутник оснащується руховою установкою (хімічної або електроракетні). Періодичними включеннями двигунів малої тяги (корекція «північ-південь» для компенсації зростання способу орбіти і «захід-схід» для компенсації дрейфу уздовж орбіти) супутник утримується в призначеної точці стояння. Такі включення виробляються по кілька разів на 10-15 діб. Істотно, що для корекції «північ-південь» потрібно значно більше збільшення характеристичної швидкості (близько 45-50 м / с в рік), ніж для довготною корекції (близько 2 м / с в рік). Для забезпечення корекції орбіти супутника протягом усього терміну його експлуатації (12-15 років для сучасних телевізійних супутників) потрібно значний запас палива на борту (сотні кілограмів у разі застосування хімічної двигуна). Хімічний ракетний двигун супутника має витіснювальний подачу палива (газ наддуву - гелій), працює на довгозбережуваних висококиплячих компонентах (зазвичай несиметричний диметилгидразин і діазотний тетраоксид). На ряді супутників встановлюються плазмові двигуни. Їх тяга істотно менше по відношенню до хімічних, проте велика ефективність дозволяє (за рахунок тривалої роботи, яка вимірюється десятками хвилин для одиничного маневру) радикально знизити потрібну масу палива на борту. Вибір типу рухової установки визначається конкретними технічними особливостями апарату.

Ця ж рухова установка використовується, при необхідності, для маневру перекладу супутника в іншу орбітальну позицію. У деяких випадках, як правило, в кінці терміну експлуатації супутника, для скорочення витрати палива корекція орбіти «північ-південь» припиняється, а залишок палива використовується тільки для корекції «захід-схід».

Запас палива є основним лімітуючим фактором терміну служби супутника на геостаціонарній орбіті.

Недоліки геостаціонарної орбіти

затримка сигналу

Зв'язок через геостаціонарні супутники характеризується великими затримками в поширенні сигналу. При висоті орбіти 35 786 км і швидкості світла близько 300 000 км / с хід променя «Земля-супутник» вимагає близько 0,12 с. Хід променя «Земля (передавач) → супутник → Земля (приймач)» ≈0,24 с. Повна затримка (вимірювана утилітою Ping) при використанні супутникового зв'язку для прийому і передачі даних складе майже півсекунди. З урахуванням затримки сигналу в апаратурі ШСЗ, в апаратурі і в кабельних системах передач наземних служб загальна затримка сигналу на маршруті «джерело сигналу → супутник → приймач» може досягати 2-4 секунд. Така затримка ускладнює застосування супутників на ДСО в телефонії і унеможливлює застосування супутникового зв'язку з використанням ДСО в різних сервісах реального часу (наприклад в онлайн-іграх).

Невидимість ДСО з високих широт

Так як геостаціонарна орбіта, хоч я знаю з високих широт (приблизно від 81 ° до полюсів), а на широтах вище 75 ° спостерігається дуже низько над горизонтом (у реальних умовах супутники просто ховаються виступаючими об'єктами і рельєфом місцевості) і видно лише невелику ділянку орбіти (див . таблицю), то неможлива зв'язок і телетрансляція з використанням ДСО в високоширотних районах Крайньої Півночі (Арктики) і Антарктиди. Наприклад, американські полярники на станції Амундсен-Скотт для зв'язку із зовнішнім світом (телефонія, інтернет) використовують оптоволоконний кабель довжиною 1670 кілометрів до розташованої на 75 ° пд.ш. французької станції Конкордія, з якої вже видно кілька американських геостаціонарних супутників.

Таблиця спостережуваного сектора геостаціонарної орбіти в залежності від широти місця
Всі дані наведені в градусах і їх долях.

широта
місцевості Відомий сектор орбіти Теоретичний
сектор Реальний
(З уч. Рельєфу)
сектор 90 - - 82 - - 81 29,7 - 80 58,9 - 79 75,2 - 78 86,7 26,2 75 108,5 77 60 144,8 132,2 50 152,8 143,3 40 157 , 2 149,3 20 161,5 155,1 0 162,6 156,6

З вищерозміщеної таблиці видно, наприклад, що якщо на широті С.-Петербурга (~ 60 °) видимий сектор орбіти (і відповідно кількість прийнятих супутників) дорівнює 84% від максимально можливого (на екваторі), то на широті півострова Таймир (~ 75 ° ) видимий сектор становить 49%, а на широті Шпіцбергена і мису Челюскіна (~ 78 °) - лише 16% від спостережуваного на екваторі. У цей сектор орбіти в районі Сибіру потрапляє 1-2 супутника (не завжди необхідної країни).

сонячна інтерференція

Одним з найбільш неприємних недоліків геостаціонарної орбіти є зменшення і повна відсутність сигналу в ситуації, коли сонце і супутник-передавач знаходяться на одній лінії з приймальні антеною (положення «Сонце за супутником»). Дане явище притаманне і іншим орбітах, але саме на геостаціонарній, коли супутник «нерухомий» на небі, проявляється особливо яскраво. У середніх широтах північної півкулі сонячна інтерференція проявляється в періоди з 22 лютого по 11 березня і з 3 по 21 жовтня, з максимальною тривалістю до десяти хвилин. У такі моменти в ясну погоду сонячні промені сфокусовані світлим покриттям антени можуть пошкодити (розплавити або перегріти) приймально-передавальну апаратуру супутникової антени.

Міжнародно-правовий статус ДСО

Використання геостаціонарної орбіти ставить цілий ряд не тільки технічних, але і міжнародно-правових проблем. Значний внесок у їх вирішення вносить ООН, а також її комітети та інші спеціалізовані установи.

Деякі екваторіальні країни в різний час пред'являли претензії (наприклад, Декларація про встановлення суверенітету на ділянці ДСО, підписана в Боготі Бразилією, Колумбією, Конго, Еквадором, Індонезією, Кенією, Угандою і Заїр 3 грудня 1976 г.) на поширення їх суверенітету на що знаходиться над їх територіями частина космічного простору, в якій проходять орбіти геостаціонарних супутників. Було, зокрема, заявлено, що геостаціонарна орбіта є фізичним фактором, пов'язаним з існуванням нашої планети і повністю залежать від гравітаційного поля Землі, а тому відповідні частини космосу (сегменти геостаціонарної орбіти) як би є продовженням територій, над якими вони знаходяться. Відповідне положення закріплено в Конституції Колумбії.

Ці домагання екваторіальних країн були відкинуті, як такі, що суперечать принципу неприсвоєння космічного простору. У Комітеті ООН по космосу такі заяви піддалися обгрунтованій критиці. По-перше, не можна претендувати на присвоєння будь-якої території або простору, що знаходиться на такому значній відстані від території відповідної держави. По-друге, космічний простір не підлягає національному присвоєнню. По-третє, технічно неправомірно говорити про будь-якої фізичної взаємозв'язку між державною територією і настільки віддаленим районом космосу. Нарешті, в кожному окремому випадку феномен геостационарного супутника пов'язаний з конкретним космічним об'єктом. Якщо немає супутника, то немає і геостаціонарної орбіти.