Экваториальные орбиты

Экваториальная орбита — крайний случай орбиты, когда наклонение «i» = 0° (см. рис. 4). В этом случае прецессия и поворот орбиты будут максимальны — до 10°/сутки и до 20°/сутки соответственно ( см. §5 Главы 1). Ширина полосы видимости спутника, которая расположена вдоль экватора, определяется его высотой над поверхностью Земли. Орбиты с малым наклонением «i» часто называют «около экваториальными».

Полярные орбиты

Полярная орбита — второй крайний случай орбиты, когда наклонение «i» = 90° (см. рис. 5). В этом случае прецессия орбиты отсутствует, а поворот орбиты происходит в сторону, обратную относительно вращения ИСЗ, и не превышает 5°/сутки ( см. §5 Главы 1). Подобный полярный ИСЗ последовательно проходит над всеми участками поверхности Земли. Ширина полосы видимости спутника определяется его высотой над поверхностью Земли, но спутник рано или поздно можно увидеть из любой точки. Орбиты с наклонением «i», близким к 90°, называют «приполярными».

Солнечно-синхронные орбиты

Солнечно-синхронная орбита (ССО) — особый вид орбиты, часто используемый спутникам, которые производят съёмку поверхности Земли. Представляет собой орбиту с такими параметрами, что спутник проходит над любой точкой земной поверхности приблизительно в одно и то же местное солнечное время [4]. Движение такого спутника синхронизировано с движением линии терминатора по поверхности Земли — за счёт этого спутник может лететь всегда над границей освещённой и неосвещённой солнцем территории, или всегда в освещённой области, или наоборот — всегда в ночной, причём условия освещённости при пролёте над одной и той же точкой Земли всегда одинаковые. Для достижения этого эффекта орбита должна прецессировать в сторону, обратную вращения Земли (т.е. на восток) на 360° в год, чтобы компенсировать вращение Земли вокруг Солнца. Такие условия соблюдаются только для определённого диапазона высот орбит и наклонений — как правило, это высоты 600-800 км и наклонение «i» должно быть порядка 98°, т.е. ИСЗ на солнечно-синхронных орбитах имеют обратное движение (см. рис. 6). При увеличении высоты полёта ИСЗ наклонение должно увеличиваться, из-за чего он не будет пролетать над полярными районами. Как правило, солнечно-синхронные орбиты близки к круговым, но могут быть и заметно эллиптичными.

В общем случае необходимое для солнечной-синхронной орбиты наклонение i_ss можно вычислить по формуле [20]:

,&#160&#160&#160&#160&#160(*)

где «e» — эксцентриситет орбиты ИСЗ, «a» — большая полуось орбиты ИСЗ в километрах (a = h + R_З, «h» — перигейное расстояние до поверхности Земли, «R_З» = 6371 км — радиус Земли).

На Рис. 7 показан график необходимого наклонения орбиты ИСЗ, чтобы она была солнечно-синхронной — для разных значений эксцентриситета «e» и перигейной высоты «h» ИСЗ над поверхностью Земли.

Из-за влияния возмущений спутник постепенно выходит из режима синхронизации, в связи с чем он периодически нуждается в коррекции своей орбиты при помощи двигателей.

п.2. Классификация орбит ИСЗ по величине большой полуоси

Вторая классификация — по величине большой полуоси, и точнее, по высоте над поверхностью Земли.

Низкоорбитальные ИСЗ (LEO)

Низкоорбитальными ИСЗ (НОС (рус.), рис. 8, а) обычно считаются спутники с высотами от 160 км до 2000 км над поверхностью Земли [5]. Такие орбиты (и спутники) в англоязычной литературе называют LEO (от англ. «Low Earth Orbit»). Орбиты LEO подвержены максимальным возмущениям со стороны гравитационного поля Земли и её верхней атмосферы. Угловая скорость спутников LEO максимальна — от 0,2°/с до 2,8°/с, периоды обращения от 87,6 минут до 127 минут.

Среднеорбитальные ИСЗ(MEO)

Среднеорбитальными ИСЗ (СОС (рус.), или «MEO» — от англ. «Medium Earth Orbit») обычно считаются спутники с высотами от 2000 км до 35786 км над поверхностью Земли [6] (рис. 8, б). Нижний предел определяется границей LEO, а верхний — орбитой геостационарных спутников (см. ниже). Эту зону в основном «заселяют» спутники навигации (ИСЗ «NAVSTAR» системы «GPS» летают на высоте 20200 км [7], ИСЗ системы «ГЛОНАСС» — на высоте 19100 км [8]) и связи, которые покрывают полюса Земли [6]. Период обращения — от 127 минут до 24 часов. Угловая скорость — единицы и доли угловой минуты в секунду.

Геостационарные и геосинхронные орбиты ИСЗ

Геостационарные ИСЗ (ГСС (рус.), или «GSO» — от англ. «Geosynchronous Orbit») считаются спутники, имеющие период обращение вокруг Земли, равный звёздным (сидерическим) суткам — 23 ч 56 м 4,09 с . Если наклонение «i» орбиты нулевое, то такие орбиты называют геостационарными (см. рис. 9, а). Геостационарные ИСЗ летают на высоте 35786 км над поверхностью Земли [9]. Т.к. их период обращение совпадает с периодом обращения Земли вокруг своей оси, то такие ИСЗ «висят» в небе на одном месте (см. рис. 10). Если наклонение «i» не равно нулю, то такие ИСЗ называются геосинхронными (см. рис. 9, б). В реальности многие геостационарные спутники имеют небольшое наклонение и подвержены возмущениям со стороны Луны и Солнца, в связи с чем они описывают на небе фигуры в виде «восьмёрок», вытянутых в направлении север-юг.

[Вверх]

Если говорить о виде траектории ГСС, то он определяется значением наклонения наклонения «i», эксцентриситета «e» и аргумента перигея «W_p орбиты спутника (см. рис. 11). Если эксцентриситет и наклонение орбиты нулевые, то подспутниковая точка неподвижна и проецируется в конкретную точку поверхности Земли. При ненулевом эксцентриситете и нулевом наклонени ГСС «рисует» на поверхности отрезок, перемещаясь с востока на запад и обратно, смещаясь от нулевого положения не более чем на ΔL_max = 114.6°·e, т.е. при эксцентриситете e=0.01 смещение будет не более чем на 1.2°. Если наклонение ненулевое, а эксцентриситет нулевой, то ГСС «рисует» классические «восьмёрки» — угловая высота 2Θ фигуры равна удвоенному значению наклонения i орбиты, максимальная ширина ΔL_max вычисляется по формуле 0.044·i 2 (наклонение «i» задаётся в градусной мере). В самом общем случае при ненулевых «i» и «e» трек ГСС на поверхности Земли представляет собой «наклонённую восьмёрку», угловая высота 2Θ = i, максимальная ширина ΔL_max = 114.6°·e, причём «восьмёрка» получается только в том случае, если аргумент перигея «W_p» орбиты равен 0° и 180°, в остальных случаях получается более сложная фигура — что-то среднее между овалом и «восьмёркой».

Для примера на анимации ниже приведено смещение ГСС «SDS 3F2» (SCN: 26635). Анимация сделана из 19 снимков, полученных с использованием объектива «Юпитер 36Б» (F=250 мм, 1/3,5) и DSLR-камеры «Sony A200» (ISO 1600, экспозиция 30 с), кадры сняты через каждые 5 минут. Камера стояла неподвижно.

Как уже становится понятным, вопреки расхожему мнению, ГСС не «висят» на небе точно в одной точке — наклонение, эксцентриситет и аргумент перигея орбиты спутника определяют вид и размер довольно замысловатых фигур траектории ГСС на небе. Более того — если спутник не активный, т.е. не корректирует свою орбиты, он начинает смещаться на фоне звёзд с довольно значительной скоростью. Приведём цитату из [21]: «Необходимость в корректирующей двигательной установке на борту стационарных ИСЗ вызвана как задачами выведения на стационарную орбиту, так и тем, что, находясь на ней, он постоянно претерпевает ряд возмущений. К последним относятся возмущения за счёт неоднородности гравитационного поля Земли, возмущающее действие гравитационных полей Луны и Солнца и даже давление света. Например, давление света вызывает долгопериодические движения ИС3 вдоль орбиты до 100 км и по высоте до нескольких десятков километров для сравнительно лёгких, но крупных ИС3 (чем больше масса ИС3 и меньше его размеры, тем меньше воздействие давления света на его орбиту). Сплюснутость Земли у полюсов вызывает перемещение ИС3 вдоль стационарной орбиты почти до 9,8 о в год, приводит к периодическим возмущениям по высоте и наклонению с амплитудой до 3 км и к изменению других параметров орбиты. В результате отклонений земного экватора от идеальной окружности (см. рисунок ниже — Lupus) стационарный ИС3 лишь за 2 месяца смещается примерно на 3,3 о вдоль орбиты, а его положение по высоте колеблется более чем на 8 км. Причём максимальное возмущение вследствие экваториального сжатия достигается вблизи точек «стояния» 30 о и 20 о в. д., 60 о и 150 о з. д. И наоборот, наиболее устойчивыми точками «стояния» стационарных ИС3 являются 75 о в д. и 105 о з. д.» (подробнее про точки стояния см. ниже).

И ещё оттуда же: «Ряд вековых возмущений положения ИС3 на стационарной орбите может быть устранен коррекцией, проведённой после вывода ИС3 на орбиту. Например, вековые возмущения положения в плоскости орбиты, обусловленные влиянием полярного сжатия, могут быть компенсированы увеличением высоты орбиты и соответствующим приращением скорости движения спутника. Однако при этом остаётся неустранённым воздействие остальных возмущающих факторов (особенно за счёт экваториального сжатия Земли), приводящих, в частности, почти всегда к изменению долготы точки «стояния» стационарного ИС3. Следовательно, необходима эпизодическая коррекция движения стационарного ИС3, подправляющая его орбиту. Количество коррекций зависит от допустимой величины смещения стационарного ИС3 по долготе за год. В общем случае если допустимое смещение ИС3 не должно превышать 1 о -4 о , то необходимо проводить до 6 коррекций за год. В точках устойчивого положения стационарных ИС3 потребуется не больше одной коррекции в год».

Получается, что без обязательной коррекции орбиты ГСС не сможет оставаться на геостационарной орбите — требуется периодическая коррекция. Поэтому на каждом ГСС есть запас горючего для коррекции, а когда он подходит к концу, ГСС переводится на орбиту захоронения и отключается (см. ниже), чтобы освободить тесную орбиту для нового спутника, и не создавать опасность столконовения с дейсвующими ГСС при дрейфе.

Ниже приводится материал по геостационароной орбите и классификации ГСС, подготовленный участником profi-s форума www.astronomy.ru/forum специально для нашего сайта.

В настоящее время на околоземных и геостационарных орбитах каталогизировано более 16000 космических объектов искусственного происхождения. Из них только около 6% являются «активными», т.е. функционирующими. ГСО является наиболее привлекательной, выгодной для решения многих научных, народнохозяйственных, военных, навигационных, коммерческих и иных задач. Около 80% активных, функционирующих ИСЗ дислоцируются на ГСО. В общем, это специальная орбита, на которой любой спутник будет висеть постоянно над одной точкой поверхности Земли.

[Вверх]

C точки зрения физики и небесной механики наличие ГСО можно объяснить двумя причинами:

• Равнодействующая всех сил действующих на небесное тело (в нашем случае ГСС) равна нулю.
• Угловая скорость вращения Земли и спутника равны.

При движении ИСЗ вокруг небесного тела на него действуют две основные силы: сила гравитации F_g и центробежная сила -F_c. На некотором расстоянии от Земли эти две силы уравновешивают друг друга: F_g = F_c. Когда равнодействующая всех сил, действующих на тело, равна нулю, то возникают условия устойчивого орбитального движения. Для вычисления этого расстояния можно воспользоваться простыми, известными со школы, методами классической механики. Величину гравитационной силы, действующую на спутник, можно определить по закону всемирного тяготения Ньютона: ,&#160&#160&#160&#160&#160(**) где m_ИСЗ — масса спутника, M_⊕ — масса Земли, G — гравитационная постоянная, а r — расстояние от спутника до центра Земли, или радиус орбиты. Величина центробежной силы равна: .&#160&#160&#160&#160&#160(***) Из уравнений (**) и (***) можно определить скорость движения спутника по круговой орбите: . При равенстве угловой скорости вращения Земли и спутника появляется область, обладающая уникальными свойствами. Такое равенство возможно только в плоскости небесного экватора. При вращении ИСЗ не в плоскости экватора, синхронность вращения Земли и ИСЗ обеспечить невозможно. Период обращения спутника вокруг Земли T_ИСЗ равен длине орбиты 2πr, делённой на скорость движения спутника v: . Когда орбитальный период T_ИСЗ будет равен периоду вращения Земли вокруг собственной оси (23 ч 56 м 04 с ), то спутник будет «висеть» над одним и тем же районом Земли, а круговая орбита, лежащая в этой области, называется геостационарной.

Геостационарная орбита ограничена в размерах и лежит в плоскости экватора Земли. Её радиус составляет 42164 км от центра Земли. Небесные координаты геостационарного спутника на геостационарной орбите теоретически будут постоянными. Основными причинами, искажающими кеплеровское движение пассивного геостационарного спутника, являются гравитационные возмущения (несферичность геопотенциала, лунно-солнечные возмущения), а для ГСС с большим отношением площади поверхности к массе — еще и негравитационный (световое давление) фактор. В результате действия возмущающих сил появляется дрейф спутника, изменяющий период вращения вокруг Земли. Отличие периода вращения ГСС от теоретического приводит к тому, что средняя долгота ГСС меняется со временем: спутник медленно дрейфует с запада на восток, если его период обращения вокруг Земли меньше звездных суток, и с востока на запад в противном случае. Отличие эксцентриситета «e» от нуля также приводит к тому, что подспутниковая долгота ГСС меняется. Происходит незначительное изменение долготы (с периодом около 12 ч и амплитудой, пропорциональной квадрату угла наклонения орбиты), и широты (с периодом 24 ч и амплитудой, равной самому наклонению «i»). Вследствие этого подспутниковая точка описывает на поверхности Земли известную «восьмерку» (см. рис. 13).

Резонансные влияния долготных членов в разложении геопотенциала Земли (неоднородность гравитационного поля Земли) приводит к тому, что на геостационарной орбите имеются два устойчивых положения (точки) равновесия с долготами 75° в.д. (точка либрации L₁) и 255° в.д. (точка либрации L₂). И два неустойчивых, отстоящих от устойчивых точек примерно на 90°. Эти точки либрации на ГСО не следует отождествлять с точками либрации в небесной механике при решении задачи «n» тел.

Геостационарная орбита вокруг Земли одна. Запуски спутников на ГСО начались с 1963 года. На начало 21 века более 40 стран планеты имеют свои геостационарные спутники. Ежегодно на ГСО запускается десятки спутников, орбита к тому же постепенно заполняется отработавшими спутниками. На ГСО постоянно происходят взрывы отработанных аппаратов и их ракет-носителей. Эти взрывы порождают десятки-сотни космических осколков, которые могут вывести из строя работающие аппараты. Засорение космическим мусором этой орбиты может привести к необратимым последствиям — невозможности стабильного функционирования спутников. Космический мусор на ГСО, в отличие от близких околоземных орбит, может вращаться вокруг Земли тысячелетиями, угрожая столкновением с работающими КА. С конца 20 века проблема загрязнения ГСО стала общепланетарной, масштабной экологической проблемой.

Согласно международной конвенции по мирному использованию космического пространства при ООН, и требованиям международного радиочастного комитета (во избежании радиопомех на соседние ГСС), угловое расстояние между ГСС не должно быть менее 0.5°. Таким образом, теоретически количество ГСС, находящихся на безопасном расстоянии на ГСО, должно быть не более 720 штук. В последнее десятилетие это расстояние между ГСС не выдерживается. На 2011 год количество каталогизированных ГСС уже превысило более 1500. Сюда можно добавить более 600 высокоэллиптических объектов, периодически пересекающих ГСО и более 200 военных спутников, запущенных на ГСО в интересах Министерства обороны и разведки разных стран, которые не содержатся в публично доступном каталоге объединенного командования СПРН США и Канады (NORAD).

Наблюдения ГСО проводятся в оптическом и редко в радиодиапазоне. При использовании радиолокации со сверхдальней базой (РСДБ) координаты ГСС вычисляются точнее, чем при оптических наблюдениях. Но из-за больших энергетических затрат, и ввиду неэффективности, наблюдения ГСО в радиодиапазоне проводятся редко. Хотя для решения таких статистических задач околоземного пространства, как обнаружение облаков фрагментов мелкого космического мусора размеров от 5-50 см, радиолокационный метод эффективней, чем наблюдения в оптическими диапазоне. При использовании лазерной локации наклонная дальность до объекта определяется с ошибкой несколько см. Но для эффективной работы радиолокатора и лазерной установки необходимы высокоточные координаты спутника на небесной сфере. Такие координаты можно получить только с помощью наблюдения на оптических телескопах, расположенных на поверхности Земли.

Оптические телескопы с полем зрения в несколько градусов, изготовленные для задач мониторинга ГСО, имеют поле зрения в десятки и более раз больше, чем ширина диаграммы направленности радиотелескопов. Фотометрические наблюдения в оптическом диапазоне позволяют по видимому блеску оценить размеры аппарата, а по зависимости блеска от времени и угла освещения Солнцем судить о его форме и способе ориентации. Поэтому оптические инструменты являются наиболее эффективными для задач контроля ГСО. Недостатком оптических наблюдений является их зависимость от состояния неба, т.е они не всепогодны.

К геостационарным спутникам принято относить спутники с периодами от 22 ч до 26 ч , эксцентриситетами «e» не более 0.3 и наклонами плоскости орбиты к плоскости экватора «i» до 15°, но в некоторых источниках можно встретить и более подробную классификацию, и более жесткие границы.

Классификацию ГСС можно провести по нескольким признакам: по степени «активности», по функциональному назначению, по орбитальному движению. По первому признаку все ГСС можно разделить на 2 класса:

1. «Активные» — имеющие энергетический ресурс и управляемые по командам с Земли.
2. «Пассивные» — неуправляемые с Земли искусственные объекты, выработавшие ракетное топливо и перешедшие в категорию космического мусора. Это ракеты-носители, фрагменты ступеней, выводившие спутники на орбиту, многочисленные детали, сопутствующие запуску, осколки спутников, образовавшиеся после взрывов аппарата на орбите, или столкновений между собой, либо с метеороидными телами.

По функциональному назначению:

• Научные.
• Геодезические.
• Метеорологические.
• Навигационные.
• Военного назначения, которые делятся на несколько подклассов (оптическая, радиотехническая, радиолокационная разведка, предупреждение ракетно-ядерного нападения — СПРН).
• Спутники радио-телесвязи (в том числе коммерческие).
• Инженерные.

Функционально многие спутники можно отнести к спутникам двойного назначения, которые составляют 70%-80% от общего числа активных ИСЗ. Это навигационные, метеорологические, спутники связи, дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ).

Классификация ГСС по орбитальному движению согласно А.С. Сочилиной, Р.И. Киладзе относительно точек либрации L1, L2 18:

1. Класс С -– активные, корректируемые ГСС (38% от общего числа ГСС). Этот класс объектов удерживаются на одной долготе с помощью коррекции орбиты. В зависимости от типа коррекции, орбитальных параметров и долготы активные геостационары иногда разделяют на подклассы. В промежутках времени между коррекциями эти объекты обычно ведут себя как либрационные. «Время жизни» активных ГСС — 10-15 лет, далее они или становится либрационными или пополняет класс дрейфующих объектов.
2. Класс L₁ –- ГСС, движущиеся в режиме либрации относительно устойчивой точки с долготой 75° в.д. (10%).
3. Класс L₂ -– то же для точки с долготой 255° в.д. (4%).
4. Класс L₃ -– небольшое количество пассивных объектов с дрейфом, близким к критическому, они способны менять точку либрации или режим движения (менее 1%).
5. Класс D₁ -– ГСС с отрицательным дрейфом, меньшим -2.5° в сутки (22%).
6. Класс D₂ -– дрейфующие ГСС с дрейфом от -2.5° до +2.5° в сутки (16%). Примерно 1/3 их постоянно движется с запада на восток, а 2/3 — с востока на запад.
7. Класс D₃ -– ГСС с положительным дрейфом, большим +2.5° в сутки (10%).

Высокоорбитальные ИСЗ (HEO)

Высокоорбитальными ИСЗ (ВОС (рус.), или «HEO» — от англ. «High Earth Orbit») считаются спутники, достигающие высот более 35786 км над поверхностью Земли [9], т.е. залетающие выше геостационарных спутников (см. рис. 9). Орбиты могут иметь значительный эксцентриситет (например, спутники серии «Меридиан», «Молния») — в этом случае они называются высокоэллиптичными (ВЭС), так и быть почти круговыми (пример — ИСЗ «Vela» (те самые ИСЗ, на которых в конце 60-х гг. ХХ в. были открыты гамма-всплески)).

п.3. Орбиты захоронения

Орбиты захоронения — отдельный класс орбит ИСЗ, специально предназначенный для увода на них спутников, вышедших из строя для уменьшения вероятности столкновения с работающими спутниками и для освобождения места новым ИСЗ. Для ГСС орбитой захоронения считается орбита, на 200 км выше самой орбиты ГСС (см. рис. 16) [11].

Для каждого ГСС спутника орбита захоронения расчитывается отдельно, причём минимальный перигей ΔH равен:

,&#160&#160&#160&#160&#160(1)

где «C_R« — коэффициент давления света (см. п. «Давление света» §5), «S» — площадь ИСЗ, «m» — его масса.

Низкоорбитальные спутники с ядерными реакторами на борту [12] имеют высоту орбиты захоронения порядка 1000 км, куда переводится активная зона ядерного реактора после окончания ее работы [11].

&#167 2. Классификации типов ИСЗ

Исследовательские спутники

Это спутники, предназначенные для исследования планет, галактик и других космических объектов.

Примером таких аппаратов являются орбитальные телескопы («AGILE» (NORAD №31135), Италия, γ-телескоп; «AKARI» (NORAD №28939), Япония, ИК-телескоп; «Chandra» (NORAD №25867), США, рентгеновская обсерватория; «COROT» (NORAD №29678), ЕС, телескоп видимого диапазона длин волн; «Herschel Space Observatory» (ранее «FIRST», NORAD №34937), ЕС, ИК-телескоп; «Fermi Gamma-ray Space Telescope» (ранее «GLAST», NORAD №33053), США, ЕС, γ-телескоп; «Hubble Space Telescope» (NORAD №20580), США, ЕС, телескоп УФ, ИК и видимого диапазона и т.д.).

ИСЗ дистанционного зондирования Земли

Эти спутники осуществляют дистанционное зондирование Земли (ДЗЗ) в различных спектральных диапазонах. Диапазон длин волн, принимаемых съёмочной аппаратурой, составляет от УФ до ИК и радиоволн [13]. Спутники служат для слежением за состоянием флоры и фауны, климата, морских и воздушных течений течений, разведки полезных ископаемых и т.д. Примером таких аппаратов мгут служить спутники серии «Landsat», ИСЗ «AQUA», «AURA» и т.д. Обычно подобные ИСЗ запускают на солнечно-синхронные орбиты.

Космические корабли

Пилотируемые космические аппараты. Примерами являются российские корабли серии «Союз» и американские челноки «Space shuttle».

Космические станции

Долговременные космические корабли. В настоящее время на орбите присутствует только один такой объект — «Международная космическая станция» (МКС) [14].

Метеорологические спутники

Это спутники, предназначенные для передачи данных в целях предсказания погоды, а также для наблюдения климата Земли.

Навигационные спутники

Это спутники, обеспечивающие решение задачи навигации на Земле. В настоящее время глобальными системами навигации является GPS и ГЛОНАСС.

Разведывательные спутники

Это спутник для наблюдения Земли или спутник связи, применяющийся для разведки [16].

Спутники связи

Искусственный спутник Земли, специализированный для ретрансляции радиосигнала между точками на поверхности земли, не имеющими прямой видимости [17].

Микроспутники

Это малые космические аппараты (массой менее 500 кг), разрабатываемые университетами, частными компаниями и даже любителями. На данном этапе стали весьма востребованными по причине своей относительно низкой стоимости и доступности. Многие университеты США, Европы, Японии запускают свои микроспутники, которые выполняют задачи ДЗЗ, связи между радиолюбителями, отработки новых технологий.

Источник