Что такое созвездие спутников

«Созвездия спутников» и наземные телескопы

В последнее время астрономы обеспокоены влиянием на научные исследования спутниковых «мега-созвездий» — массовых запусков больших групп искусственных спутников Земли. Чтобы лучше понять, насколько такие «созвездия» могут ухудшить качество астрономических наблюдений, в Европейской южной обсерватории ESO было предпринято научное исследование, предметом которого были, в первую очередь, наблюдения в видимой и инфракрасной области спектра на телескопах ESO, но также принимались во внимание и другие обсерватории. Работа, в которой рассмотрено в общей сложности 18 репрезентативных «созвездий» спутников, планируемых к запуску компаниями SpaceX, Amazon, OneWeb и другими и включающих в себя более 26 тысяч объектов, принята к публикации в журнале Astronomy & Astrophysics, кратко об итогах исследования сообщается в пресс-релизе ESO.

Авторы пришли к заключению, что большие телескопы, такие как Очень Большой Телескоп ESO (VLT) и строящийся Чрезвычайно Большой Телескоп ESO (ELT), будут испытывать «умеренное воздействие» разрабатываемых спутниковых программ. Влияние спутников более выражено в случае длинных экспозиций (около 1000 с): до 3 % таких наблюдений может быть испорчено во время сумерек — промежутков времени между началом рассвета и восходом или между закатом и наступлением полной темноты. При более коротких экспозициях ущерб будет меньше: пострадает менее 0,5 % наблюдений такого вида. Наблюдения, проводимые в другое время ночи, тоже пострадают меньше: спутники будут находиться в тени Земли, то есть не будут освещены ею. В зависимости от научной задачи, влияние спутников можно уменьшить, внеся изменения в программы наблюдений телескопов ESO, хотя такие изменения требуют больших затрат сил и времени. Со стороны производителей эффективным шагом для смягчения вредного воздействия спутников было бы нанесение на их поверхность темного покрытия.

Существует и ряд методов смягчения воздействия спутников, которые можно применить уже в процессе использования телескопов. К ним относятся предварительное вычисление их положений с целью избежать попадания спутника в поле зрения, прекращение экспозиции (закрывание затвора) в момент пересечения спутником поля, ограничение наблюдений областями неба, находящимися в тени Земли, где спутники не освещаются Солнцем. Однако эти методы применимы не для всех научных наблюдательных задач.

В исследовании также отмечается, что наиболее уязвимыми для влияния спутников являются широкоугольные обзоры неба, в особенности выполняемые на больших телескопах. Например, в обсерватории Веры Рубин Национального научного фонда США (эта обсерватория не является частью ESO) от 30 до 50 % экспозиций могут испытать «серьезное воздействие» прохождения спутников через поле зрения — в зависимости от времени года, часа ночи и степени ограничений, допускаемых предметом наблюдений. Для инструментов этой обсерватории не будет действовать большинство методов смягчения воздействия засветок от спутников, которые могут быть применены на телескопах ESO, хотя сейчас происходит активное изучение других стратегий защиты.

Чтобы полностью осознать степень научных последствий грозящей потери наблюдательных данных и возрастания сложности их анализа, требуются дальнейшие исследования. Широкоугольные обзорные телескопы, такие как в обсерватории Веры Рубин, способны быстро сканировать большие участки неба, что делает эти инструменты критически важными для регистрации короткоживущих явлений — например, вспышек сверхновых или потенциально опасных астероидов. То, что эти телескопы обладают уникальной способностью генерировать очень большие объемы данных и находить объекты, становящиеся наблюдательными целями многих других обсерваторий, заставляет астрономические сообщества и финансирующие науку организации в Европе и по всему миру рассматривать широкоугольные телескопы как высший научный приоритет для будущего развития астрономии.

Как профессиональных астрономов, так и любителей беспокоит и вопрос о том, насколько появление «мега-созвездий» искусственных спутников может исказить первозданную красоту ночного неба. Исследование показывает, что в обсерватории, расположенной в средних широтах, над горизонтом будет находиться около 1600 спутников из «созвездий». Большая их часть будет расположена довольно низко — в пределах 30 градусов над горизонтом. Выше этого предела — то есть в той части неба, в которой происходит большинство астрономических наблюдений, — в каждый момент времени будет находиться около 250 таких спутников. В рассветные и закатные часы они все будут освещаться Солнцем, но к полуночи всё большее их число будет попадать в тень Земли. В исследовании ESO оценена яркость всех этих объектов. Предполагается, что в сумерках примерно до сотни ярких спутников будет видно невооруженным глазом и приблизительно 10 из них будет находиться выше 30 градусов над горизонтом. Эти числа станут резко уменьшаться по мере того, как будет становиться темнее и спутники войдут в тень Земли. В целом для невооруженного глаза на высоте более 30 градусов над горизонтом новые спутниковые «созвездия» примерно удвоят количество спутников, видимых на ночном небе сейчас.

В эти оценки не входят спутниковые «поезда» — цепочки из многочисленных спутников, видимые непосредственно после массовых запусков. Эффектные и яркие, они видны на протяжении очень короткого времени после заката или перед восходом и только из очень ограниченных областей на Земле.

Согласно оценкам, в настоящее время вокруг Земли обращается около 34 000 объектов, размер которых превосходит 10 см. Из них примерно 5500 искусственных спутников, в том числе около 2300 действующих. Остальные, включая последние ступени космических ракет и пусковые адаптеры спутников, относятся к разряду космического мусора. В любой точке земной поверхности и в любой момент времени примерно 2000 таких объектов находятся над горизонтом. В часы сумерек примерно 5–10 из них освещены Солнцем и имеют достаточную яркость, чтобы их можно было видеть невооруженным глазом.

Стремясь получить сдержанные и реалистичные оценки эффекта появления спутниковых «созвездий», который может в действительности оказаться менее значительным, чем в расчетах, исследование ESO использует различные упрощения и предположения. Чтобы оценить реальное влияние спутников более точно, потребуется более сложное моделирование. В то время как настоящее исследование сосредоточено на телескопах ESO, его результаты применимы и к другим подобным телескопам, не принадлежащим ESO, но также работающим в видимой и инфракрасной области, обладающим подобной навесной аппаратурой и решающим подобные наблюдательные задачи.

Спутниковые «созвездия» повлияют также и на работу обсерваторий, работающих в радиодиапазоне, на миллиметровых и субмиллиметровых волнах, в том числе инструментов ALMA (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array) и APEX (Atacama Pathfinder Experiment). Это влияние будет рассмотрено в последующих работах.

ESO вместе с другими обсерваториями, с Международным астрономическим союзом (МАС — IAU), Американским астрономическим обществом (AAS), Королевским астрономическим обществом Великобритании (RAS) и другими организациями предпринимает усилия для того, чтобы привлечь к этой проблеме внимание таких всемирных форумов, как Комитет ООН по мирному использованию космического пространства (COPUOS) и Европейский комитет по радиоастрономическим частотам (CRAF). Одновременно вместе с космическими агентствами идет поиск практических решений, которые могли бы защитить крупномасштабные вложения, сделанные и делающиеся в передовые наземные астрономические инструменты и учреждения. ESO поддерживает усилия по созданию нормативно-правовой базы, которая в конечном счете должна будет обеспечить гармоничное сосуществование многообещающих высокотехничных низкоорбитальных систем с выполнением условий, при которых человечество сможет продолжать наблюдения и исследования Вселенной.

Источник

Спутниковая группировка — Satellite constellation

Спутниковая группировка представляет собой группу искусственных спутников , работающих вместе в качестве системы. В отличие от одного спутника, группировка может обеспечить постоянное глобальное или почти глобальное покрытие , так что в любое время в любой точке Земли виден хотя бы один спутник. Спутники обычно размещаются в наборах дополнительных орбитальных плоскостей и подключаются к глобально распределенным наземным станциям . Также они могут использовать межспутниковую связь .

Спутниковые созвездия не следует путать с:

• скопления спутников , которые представляют собой группы спутников, движущихся очень близко друг к другу по почти идентичным орбитам (см. полеты спутников );
• серии спутников или спутниковые программы (такие как Landsat ), которые представляют собой поколения спутников, запускаемых последовательно;
• спутниковые группы , которые представляют собой группы спутников от одного производителя или оператора, которые функционируют независимо друг от друга (а не как система).

СОДЕРЖАНИЕ

Обзор

Спутники на средней околоземной орбите (MEO) и низкой околоземной орбите (LEO) часто развертываются в спутниковых группировках, поскольку зона покрытия, обеспечиваемая одним спутником, охватывает только небольшую область, которая движется по мере движения спутника с высокой угловой скоростью, необходимой для поддержания его орбита . Для обеспечения непрерывного покрытия территории требуется множество спутников на СОО или НОО. Это контрастирует с геостационарными спутниками, где один спутник, находящийся на гораздо большей высоте и движущийся с той же угловой скоростью, что и вращение поверхности Земли, обеспечивает постоянное покрытие большой площади.

Для некоторых приложений, в частности для цифровой связи, меньшая высота спутниковых группировок MEO и LEO обеспечивает преимущества по сравнению с геостационарным спутником с меньшими потерями на трассе (снижение требований к мощности и затратам) и задержкой. Задержка распространения для кругового обхода Интернет — протокола передачи с помощью геостационарного спутника может быть более 600 мс, но по цене от 125 мс для MEO спутника или 30 мс для системы LEO.

Примеры спутниковых группировок включают Глобальную систему позиционирования (GPS), группировки Galileo и ГЛОНАСС для навигации и геодезии на MEO, службы спутниковой телефонии Iridium и Globalstar и службу обмена сообщениями Orbcomm на LEO, Созвездие мониторинга бедствий и RapidEye для дистанционного зондирования на солнце. синхронные созвездия связи НОО, Российская Молния и Тундра на высокоэллиптической орбите , а также группировки широкополосных спутников, которые строятся с помощью Starlink и OneWeb на НОО и работают с O3b на СОО .

Дизайн

Созвездие Уокера

Существует большое количество созвездий, которые могут удовлетворить конкретную миссию. Обычно группировки проектируются таким образом, чтобы спутники имели одинаковые орбиты, эксцентриситет и наклонение, так что любые возмущения воздействуют на каждый спутник примерно одинаково. Таким образом, геометрия может быть сохранена без чрезмерного удержания на месте, тем самым снижая расход топлива и, следовательно, увеличивая срок службы спутников. Еще одно соображение заключается в том, что фазировка каждого спутника в орбитальной плоскости обеспечивает достаточное разделение, чтобы избежать столкновений или помех на пересечении плоскостей орбиты. Круговые орбиты популярны, потому что тогда спутник находится на постоянной высоте, и для связи требуется сигнал постоянной мощности.

Класс круговой геометрии орбиты, ставший популярным, — это созвездие Дельта-паттерна Уокера. Для его описания есть связанная нотация, предложенная Джоном Уокером. Его обозначения:

• i — наклон;
• t — общее количество спутников;
• p — количество равноотстоящих плоскостей; а также
• f — относительное расстояние между спутниками в соседних плоскостях. Изменение истинной аномалии (в градусах) для эквивалентных спутников в соседних плоскостях равно f × 360 / t .

Например, навигационная система Galileo — это созвездие Уокера Дельта 56 °: 24/3/1. Это означает, что есть 24 спутника в 3-х плоскостях с углом наклона 56 градусов, охватывающих 360 градусов вокруг экватора . «1» определяет фазировку между плоскостями и то, как они разнесены. Дельта Уокера также известна как розетка Балларда после аналогичной более ранней работы А.Х. Балларда. Обозначения Балларда: (t, p, m), где m кратно дробному смещению между плоскостями.

Другой популярный тип созвездия — это приполярная звезда Уокера, которую использует Иридиум . Здесь спутники находятся на околополярных круговых орбитах под углом примерно 180 градусов, перемещаясь на север с одной стороны Земли и на юг с другой. Активные спутники в полном созвездии Иридиум образуют Уокер-звезду 86,4 °: 66/6/2, то есть фазировка повторяется каждые две плоскости. Уокер использует похожие обозначения для звезд и дельт, что может сбивать с толку.

Эти наборы круговых орбит на постоянной высоте иногда называют орбитальными оболочками .

Список спутниковых созвездий

Созвездия навигационных спутников

Созвездия спутников связи

Вещание

Мониторинг

• Шпиль (AIS, ADS-B)
• Иридиум (AIS, ADS-B)
• Hiber Global (Интернет вещей )
• TDRSS

Двусторонняя связь

1000 спутников на 550 км (февраль 2021 г.)
12000 спутников на

350–550 км (планируется)

• С 44 ° ю.ш до 52 ° с.ш. (февраль 2021 г.)
• Глобальный (планируется)

Некоторые системы были предложены, но не реализованы:

Предлагаются или разрабатываются другие системы:

Прогресс

• Boeing Satellite переносит приложение на OneWeb
• LeoSat полностью отключился в 2019 году
• OneWeb созвездие было 6 пилотных спутников в феврале 2019 года , 74 спутников , запущенных от 21 марта 2020 , но подал заявление о банкротстве 27 марта 2020
• Starlink : первая миссия ( Starlink 0 ) запущена 24 мая 2019 года; 955 спутников запущены, 51 выведен с орбиты, 904 спутника находятся на орбите по состоянию на 25 ноября 2020 года; публичное бета-тестирование в ограниченном диапазоне широт началось в ноябре 2020 г.
• O3b mPOWER : запуск первых трех спутников в третьем квартале 2021 года; Еще 8 в 2022-2024 годах
• Telesat LEO: два прототипа: запуск в 2018 году
• CASICHongyun : прототип запущен в декабре 2018 года
• Прототип CASCHongyan, запущенный в декабре 2018 года, может быть объединен с Hongyun
• Project Kuiper : подача заявки в FCC в июле 2019 г.

Созвездия спутников наблюдения Земли

Смотрите также

Заметки

Рекомендации

Внешние ссылки

Инструменты моделирования спутниковой группировки:

Источник