Geostationaarinen kiertorata - taistelu Clarkin vyöhykkeestä. Gestationaarisen kiertoradan parametrien laskenta

Maapallolla, kuten kaikilla kosmisilla kappaleilla, on oma gravitaatiokenttä ja lähellä olevat kiertoradat, joilla erikokoisia kappaleita ja esineitä voidaan sijoittaa. Useimmiten ne viittaavat kuuhun ja kansainväliseen avaruusasemaan. Ensimmäinen kävelee omalla kiertoradalla ja ISS - matalalla Maanläheisellä kiertoradalla. On olemassa useita kiertoradoja, jotka eroavat toisistaan ​​​​etäisyyden maasta, suhteellisesta sijainnistaan ​​​​planeettaan nähden ja pyörimissuunnasta.

Keinotekoisten maasatelliittien kiertoradat

Nykyään lähimmässä maanläheisessä avaruudessa on monia esineitä, jotka ovat seurausta ihmisen toiminnasta. Pohjimmiltaan nämä ovat keinotekoisia satelliitteja, joita käytetään viestinnän tarjoamiseen, mutta siellä on myös paljon avaruusromua. Yksi Maan tunnetuimmista keinotekoisista satelliiteista on kansainvälinen avaruusasema.

Satelliitit liikkuvat kolmella pääradalla: ekvatoriaalinen (geostationaarinen), polaarinen ja kalteva. Ensimmäinen on kokonaan päiväntasaajan ympyrän tasossa, toinen on tiukasti kohtisuorassa siihen nähden ja kolmas sijaitsee niiden välissä.

Geosynkroninen kiertorata

Tämän lentoradan nimi johtuu siitä, että sitä pitkin liikkuvan kappaleen nopeus on yhtä suuri kuin Maan pyörimisjakso. Geostationaarinen kiertorata on geosynkronisen kiertoradan erikoistapaus, joka sijaitsee samassa tasossa kuin Maan päiväntasaaja.

Kun kaltevuus ei ole yhtä suuri kuin nolla ja nolla-epäkeskisyys, satelliitti kuvaa maasta katsottuna numeroa kahdeksan taivaalla päivän aikana.

Ensimmäinen geosynkronisella kiertoradalla oleva satelliitti on amerikkalainen Syncom-2, joka laukaistiin siihen vuonna 1963. Nykyään joissakin tapauksissa satelliitit asetetaan geosynkroniselle kiertoradalle, koska kantoraketti ei voi asettaa niitä geosynkroniselle kiertoradalle.

Geostationaarinen kiertorata

Tällä lentoradalla on tämä nimi siitä syystä, että jatkuvasta liikkeestä huolimatta siinä oleva esine pysyy staattisena suhteessa maan pintaan. Paikkaa, jossa esine sijaitsee, kutsutaan seisomapisteeksi.

Tällaiselle kiertoradalle sijoitettuja satelliitteja käytetään usein satelliittitelevision lähettämiseen, koska staattinen luonne mahdollistaa antennin osoittamisen kerran siihen ja pysyy kytkettynä pitkään.

Gestationaarisella kiertoradalla olevien satelliittien korkeus on 35 786 kilometriä. Koska ne kaikki ovat suoraan päiväntasaajan yläpuolella, vain meridiaani on nimetty osoittamaan sijaintia, esimerkiksi 180,0˚E Intelsat 18 tai 172,0˚E Eutelsat 172A.

Likimääräinen kiertoradan säde on ~42 164 km, pituus noin 265 000 km ja kiertonopeus noin 3,07 km/s.

Korkea elliptinen kiertorata

Korkea elliptinen kiertorata on liikerata, jonka korkeus perigeessa on useita kertoja pienempi kuin apogeessa. Satelliittien asettamisella tällaisille kiertoradalle on useita tärkeitä etuja. Esimerkiksi yksi tällainen järjestelmä voi riittää palvelemaan koko Venäjää tai vastaavasti yhtä suuren kokonaispinta-alan omaavaa valtioryhmää. Lisäksi VEO-järjestelmät korkeilla leveysasteilla ovat tehokkaampia kuin geostationaariset satelliitit. Ja satelliitin asettaminen korkealle elliptiselle kiertoradalle maksaa noin 1,8 kertaa vähemmän.

Suuria esimerkkejä VEO:ssa toimivista järjestelmistä:

• NASAn ja ESAn käynnistämät avaruusobservatoriot.
• Sirius XM Radio Satellite Radio.
• Satelliittiviestintä Meridian, -Z ja -ZK, Molniya-1T.
• GPS-satelliitin korjausjärjestelmä.

Matala Maan kiertorata

Tämä on yksi alhaisimmista kiertoradoista, jonka korkeus eri olosuhteista riippuen voi olla 160-2000 km ja kiertoaika 88-127 minuuttia. Ainoa kerta, kun LEO voitti miehitetyillä avaruusaluksilla, oli Apollo-ohjelma, jossa amerikkalaiset astronautit laskeutuivat Kuuhun.

Suurin osa tällä hetkellä tai koskaan käytetyistä keinotekoisista maasatelliiteista toimi matalalla Maan kiertoradalla. Samasta syystä suurin osa avaruusromusta sijaitsee nyt tällä vyöhykkeellä. LEO:ssa sijaitsevien satelliittien optimaalinen kiertoratanopeus on keskimäärin 7,8 km/s.

Esimerkkejä keinotekoisista satelliiteista LEO:ssa:

• Kansainvälinen avaruusasema (400 km).
• Tietoliikennesatelliitit monenlaisista järjestelmistä ja verkoista.
• Tiedusteluajoneuvot ja luotainsatelliitit.

Avaruusromun runsaus kiertoradalla on koko avaruusteollisuuden nykyajan suurin ongelma. Nykyään tilanne on sellainen, että LEO:n eri esineiden välisten törmäysten todennäköisyys kasvaa. Ja tämä puolestaan ​​​​johtaa tuhoon ja vielä enemmän fragmenttien ja osien muodostumiseen kiertoradalla. Pessimistiset ennusteet viittaavat siihen, että laukaistu Domino-periaate voi kokonaan riistää ihmiskunnalta mahdollisuuden tutkia avaruutta.

Matala vertailukiertorata

Matalaa referenssiä kutsutaan yleensä laitteen kiertoradalle, joka mahdollistaa kaltevuuden, korkeuden tai muun merkittävän muutoksen. Jos laitteessa ei ole moottoria eikä se suorita liikkeitä, sen kiertorataa kutsutaan matalaksi Maan kiertoradalle.

On mielenkiintoista, että venäläiset ja amerikkalaiset ballistikot laskevat sen korkeuden eri tavalla, koska ensimmäiset perustuvat Maan elliptiseen malliin ja jälkimmäiset pallomaiseen malliin. Tästä johtuen ero ei ole vain korkeudessa, vaan myös perigeen ja apogeen asennossa.

Geostationaariselle kiertoradalle (kuva 13.7) on ominaista se, että jos sillä sijaitsevat satelliitit liikkuvat kulmanopeuksilla, jotka ovat yhtä suuria kuin Maan pyörimisnopeus sen akselin ympäri, niin Maan pinnalta katsottuna ne näyttävät liikkumattomilta, "roikkuvilta" yhdessä paikassa , jossain vaiheessa. Koska etäisyys geostationaarisella kiertoradalla liikkuvasta satelliitista Maahan on kolme kertaa Maan halkaisija, satelliitti "näkee" noin 40 % maan pinnasta kerralla.

Keinotekoisten satelliittien saattaminen geostationaariselle kiertoradalle ei ole helppo tehtävä. Aikaisemmin ei ollut tarpeeksi tehokkaita kantoraketteja sen laukaisemiseen, joten ensimmäiset viestintäsatelliitit olivat elliptisellä, matalalla Maan kiertoradalla (esimerkiksi ensimmäinen amerikkalainen välityssatelliitti Telstar).

Kuva 13.7 - Geostationaarinen kiertorata

Viestinnän ylläpitäminen satelliittien kanssa elliptisellä kiertoradalla on erittäin monimutkaista ja kallista sekä lähetyksen että vastaanoton kannalta.

Satelliittien sijainnin nopean muutoksen vuoksi mobiiliseurantaantennijärjestelmä on välttämätön. Tällaisilla kiertoradoilla olevia satelliitteja voidaan käyttää pysyvän viestinnän luomiseen vain silloin, kun ne ovat horisontin yläpuolella sekä lähettävän että vastaanottavan laitteen suhteen, ts. niille sekä yhden satelliitin "nouseminen" että toisen "asettelu" pitäisi olla näkyvissä.

Rakettitekniikan kehitys ja tehokkaiden raketinheittimien luominen ovat mahdollistaneet geostationaarisen kiertoradan laajan käytön "asentamalla" välityssatelliitteja siihen. Kuva 13.8 esittää yleisesti käytettyä menetelmää satelliittien laukaisemiseksi geostationaariselle kiertoradalle. Keinotekoinen satelliitti laukaistaan ​​ensin ympyränmuotoiselle kiertoradalle lähellä maan pintaa (250...300 km pinnasta), sitten nopeutta lisäämällä se siirretään elliptiselle väliradalle, jonka lähin piste, perigee, on noin 270 km:n päässä Maasta ja kaukainen piste on apogee noin 36 000 km:n etäisyydellä, mikä vastaa jo geostationaarisen kiertoradan* korkeutta.

Kuva 13.8 - Satelliitin laukaiseminen geostationaariselle kiertoradalle:

1 - suojuksen vapautus; 2 - ensimmäisen lennon suorittaminen; 3 - viimeisen vaiheen täydellinen erottaminen; 4 - oman (apogee) moottorin ensimmäisen aktivoinnin sijainnin määrittäminen; 5 - oman moottorin ensimmäinen aktivointi siirtyäkseen väli- (siirto-) kiertoradalle; 6 - sijainnin määrittäminen väliradalla; 7 - oman moottorin toinen aktivointi geostationaariselle kiertoradalle siirtymiseksi; 8 - satelliitin kiertoratatason uudelleensuuntaus ja virheenkorjaus; 9 - satelliitin suuntaus kohtisuorassa ratatasoon nähden ja virheenkorjaus; 10 pysäkki, aurinkopaneelien käyttöönotto, täydellinen irrotus; 11 - antennien käyttöönotto, stabilointilaitteiden aktivointi; 12 - asennon vakauttaminen ja työn aloitus

Kun keinotekoinen satelliitti "seisoi" elliptisellä väli- (siirto-) kiertoradalla ja kaikki toimii moitteettomasti, niin apogee-pisteessä kytketään päälle sen oma suihkukone, niin sanotut apogee-moottorit, jotka lisäävät nopeasti satelliitin lineaarista nopeutta. 3,074 km/s asti. Tämä nopeus on välttämätön siirtyäkseen geostationaariseen kiertoradalle ja "pysähdykseen" (tarkemmin sanottuna liikkuakseen sitä pitkin), minkä jälkeen satelliitti siirretään maapallolta tulevia komentoja pitkin geostationaarista kiertorataa pitkin suunniteltuun paikkaan seisovassa pisteessä. Sitten aurinkopaneelit otetaan käyttöön, antennit otetaan käyttöön, ne suunnataan tietylle maan alueelle, aurinkopaneelit suunnataan aurinkoon ja junassa oleva lähetinrele kytketään päälle. Satelliitin tarkka asennus geostationaariselle kiertoradalle suoritetaan sen omilla suihkumoottoreilla, jotka toimivat kiinteällä tai nestemäisellä polttoaineella. Kun satelliitti on laukaissut kiertoradalle, moottorit sammutetaan ja se liikkuu geostationaarisella kiertoradalla taivaankappaleena inertian nopeudella 3,074 km/s ja Maan painovoiman vaikutuksesta. Välityssatelliitille on erittäin tärkeää, että sen oma kiertorata vastaa täydellisesti geostationaarista. Eli jos satelliitti liikkuu kiertoradalla, joka on hieman geostationaarista pienempi, niin se siirtyy vähitellen asemastaan ​​länsisuuntaan ja jos sen kiertorata ylittää geostationaarisen, niin siirtymä tapahtuu itäsuunnassa, ts. Maan liikkeen suunta. 1°:n siirtymä geostationaarisella kiertoradalla vastaa noin 750 km:n etäisyyttä. Jos maavastaanottimessa on pyörivä seurantaantenni, se on helppo osoittaa uudelleen tarkasti satelliittiin. Useimmissa yksittäisissä maanpäällisissä satelliiteista vastaanottoon tarkoitetuissa laitteissa on kuitenkin kiinteät antennit, joissa on hyvin kapeita, "neulamaisia" säteilykuvioita, ja antennin suunnan jatkuva säätäminen satelliitin suuntaan manuaalisesti ja epätarkkuuden vuoksi on melko hankalaa. Osoittamisesta vastaanotettu televisiokuva huononee huomattavasti tai katoaa kokonaan. Tässä suhteessa luotettavan ja luotettavan vastaanoton varmistamiseksi on varmistettava, että satelliitin "jalanjälki" on vakio ajan mittaan ja että sen sisäisten antennien säteily on vakaata vain määrätyllä alueella. Siksi satelliitin on usein korjattava sijaintiaan ja kiertorataa, minkä se tekee omilla moottoreillaan ja johtaa polttoaineen kulutukseen. Tämä vaikuttaa sen käyttöikään. Koska moottoreille ei ole polttoainetta, satelliitti alkaa liikkua paikaltaan, mikä johtaa naapurisatelliittien säännölliseen lähentymiseen ja vastaavasti keskinäisten häiriöiden lisääntymiseen ja häiriötekijöiden lisääntymiseen maapallon vastaanottaville laitteille.

Satelliitin eliniän kannalta sen omien suihkumoottorien (apogee) kuluttaman polttoaineen määrä on erittäin tärkeä. Ja tietenkin, mitä enemmän polttoainetta on jäljellä satelliitin ensimmäisen asennuksen jälkeen kiertoradalle, sitä enemmän sijaintia voidaan säätää ja näin ollen satelliitti toimii pidempään. Satelliitin "elinikä" kiertoradalla on yleensä 5...7 vuotta, ja jotkut - 10 vuotta tai enemmän, minkä jälkeen se korvataan uudella, joka on asennettu samaan paikkaan.

Gestationaarisen kiertoradan edut. Gestationaarinen kiertorata (kutsutaan Englannissa ja joissakin Euroopan maissa Clarkin vyöhykkeeksi) on ainutlaatuinen ja sillä on merkittävä toiminnallinen arvo. Useat päiväntasaajan osavaltiot halusivat aiemmin, että niiden alueen yläpuolella oleva kiertoradan osa käytetään vain heidän kanssaan sovittuna. Ei-ekvatoriaaliset maat eivät luonnollisestikaan voineet hyväksyä tätä, koska he pitivät geostationaarista kiertorataa ihmiskunnan yhteisenä perintönä. Vasta vuonna 1988 pystyttiin sopia suunnitelma satelliittien sijainnin jakamisesta lähetystä varten 6/4 GHz ja 14/11 GHz taajuusalueilla.

Gestationaarisen kiertoradan edut kannustavat yhä useampia käyttäjiä sijoittamaan sille satelliitteja eri tarkoituksiin. Euroopan mantereelta voit "havainnoida" useita kymmeniä keinotekoisia satelliitteja liikkumassa geostationaarisella kiertoradalla. Niiden kautta puhelinliikenne tapahtuu ensisijaisesti Amerikan mantereen maiden ja Lähi-idän maiden kanssa. Lisäksi monia satelliitteja käytetään televisio- ja äänilähetysten välittämiseen. Gestationaarisen kiertoradan käyttäminen näihin tarkoituksiin tarjoaa seuraavat edut:

§ satelliitti liikkuu geostationaarisella kiertoradalla lännestä itään pitkän aikaa kuluttamatta energiaa tähän liikkeeseen (kuten taivaankappale) Maan vetovoiman ja oman inertiansa vuoksi lineaarisella nopeudella 3,074 km/s ;

§ liikkuessaan geostationaarisella kiertoradalla kulmanopeudella, joka on yhtä suuri kuin Maan pyörimisen kulmanopeus, satelliitti tekee kierroksen täsmälleen yhdessä päivässä, minkä seurauksena se huomaa olevansa liikkumattomana "riippumassa" maan pinnan yläpuolella;

§ sen järjestelmien energiansyöttö tapahtuu Auringon valaisemista aurinkopaneeleista;

§ koska satelliitti ei ylitä Maan säteilyvyöhykettä, vaan sijaitsee sen yläpuolella, sen elektronisten laitteiden ja virtalähteiden – aurinkopaneelien – luotettavuus ja käyttöikä kasvaa;

§ viestintä lähetysaseman kanssa tapahtuu jatkuvasti, vaihtamatta "saapuvasta" satelliitista toiseen - "ylävirtaan", ts. vain yksi satelliitti tarvitaan jatkuvan jatkuvan viestinnän varmistamiseksi;

§ lähetysantenneissa Earth-Satellite-järjestelmässä automaattiset satelliittiseurantalaitteet voidaan yksinkertaistaa tai poistaa kokonaan, ja maanpäällisissä vastaanottoantenneissa niille ei käytännössä ole tarvetta, mikä varmistaa vastaanottolaitteiden yksinkertaisuuden, alhaisen kustannustason, saatavuuden ja massajakauma;

§ koska etäisyys geostationaarisella kiertoradalla olevaan satelliittiin on aina vakio, signaalin vaimennus kulkee maa-satelliitti-maa -reittiä pitkin aina varmaa eikä muutu satelliitin liikkuessa kiertoradalla, mikä mahdollistaa tarkan laskennan sen sisäisen lähettimen teho;

§ Gestationaarinen kiertorata on ainutlaatuinen - sen yläpuolella kiertoradalla sijaitsevat satelliitit "menevät" ulkoavaruuteen, ja sen alapuolella olevat satelliitit lähestyvät vähitellen Maata. Ja vain geostationaarisella kiertoradalla sijaitsevat satelliitit pyörivät synkronisesti vakioetäisyydellä Maasta ja ovat liikkumattomia sen suhteen;

§ käyttöikänsä päätyttyä satelliitti siirretään ns. ”hautausmaa”-kiertoradalle, joka on 200 km geostationaarisen kiertoradan yläpuolella, ja se siirtyy vähitellen pois maasta avaruuteen.

Gestationaarisista satelliiteista koostuvilla kiertoradalla on kuitenkin yksi suuri haittapuoli: radiosignaalien pitkä etenemisaika, mikä johtaa signaalin lähetyksen viiveisiin radiopuhelinviestinnän aikana. Vastaussignaalin odottaminen voi aiheuttaa tyytymättömyyttä kärsimättömien tilaajien keskuudessa.

Ainutlaatuisten ominaisuuksiensa ja etujensa ansiosta geostationaarinen kiertorata sopivimmilla alueilla (etenkin Tyynenmeren ja Intian valtameren sekä Afrikan mantereen yläpuolella) on ”kansoitettu” satelliiteilla äärimmilleen. Gestationaarisella kiertoradalla on 425 "pysyvää" pistettä – satelliittien sijainnit. Sana "sijainti" määrittää yksiselitteisesti satelliitin sijainnin geostationaarisella kiertoradalla ja sen pituusasteen.

Ajattelemme harvoin sitä, kuinka liikkuminen maanläheisessä avaruudessa on järjestetty. Esimerkiksi, että maasta avaruusasemalle on vain kivenheiton päässä, vähemmän kuin Moskovasta Pietariin, ja satelliittiantennin vastaanottama signaali on kulkenut pidemmän matkan kuin keskimäärin auto kulkee viidessä vuodessa. Lisäksi jokaista laukaisua edeltää huolellinen kiertoradan suunnittelu, jota pitkin laite liikkuu ulkoavaruudessa. Valitsemamme kiertoradat

Kun vuonna 1961 Korolev OKB-1:n asiantuntijat alkoivat luoda ensimmäistä Neuvostoliiton viestintäsatelliittia Molnija-1:tä Orbita-televisiojärjestelmää varten, he kohtasivat ongelman valita kohderata aivotuoksulleen. Ensi silmäyksellä geostationaarinen kiertorata 36 tuhannen kilometrin korkeudessa näytti olevan tehokkain. Siinä sijaitseva satelliitti on suorassa näkyvissä ympäri vuorokauden noin 1/3 maan pinnasta. Tällaiselta kiertoradalta on kuitenkin mahdotonta tarjota viestintää korkeilla leveysasteilla ja televisiolähetyksiä Kaukopohjolassa. Lisäksi Neuvostoliitolla ei tuolloin ollut kantolaitteita raskaiden satelliittien laukaisemiseksi geostationaariselle kiertoradalle.

Ratkaisun löysivät ballistikot, jotka keksivät kiertoradan, jolle viestintäsatelliitti voitaisiin laukaista jo kehitteillä olevalla raketilla. Se oli erittäin pitkänomainen kiertorata, jonka vähimmäiskorkeus (perigee) oli 500 kilometriä ja maksimikorkeus (apogee) 40 000 kilometriä. Kiertojakso oli 12 tuntia, ja taivaanmekaniikan lakien mukaisesti satelliitti vietti suurimman osan ajasta apogee-alueella. Radan kaltevuus (63,4°) valittiin siten, että tänä aikana satelliitti oli näkyvissä suurimmalta osalta Neuvostoliiton aluetta. Suotuisat olosuhteet kommunikaatiolle kestivät kahdeksan tuntia, minkä jälkeen satelliitti meni toiselle puolelle maapalloa ja seuraavalla kiertoradalla apogee kulki Pohjois-Amerikan yli. Se tuli jälleen televisiolähetysten saataville vasta 16 tunnin kuluttua.

Molnija-1-viestintäsatelliitti laukaistiin onnistuneesti tälle kiertoradalle kolmannella yrityksellä 23. huhtikuuta 1965, ja heti seuraavana päivänä pidettiin Neuvostoliiton ensimmäinen avaruusviestintäistunto Moskovan ja Vladivostokin välillä. Ympärivuorokautista televisiolähetystä varten kolme Molniya-satelliittia oli pidettävä avaruudessa samanaikaisesti ja rakennettava monimutkaisia ​​antenneja maan päälle. Suuret paraboliset "peilit" seurasivat satelliitin monimutkaista lentorataa taivaalla: se nousi nopeasti länteen, nousi zeniittiin, ylitti sen, sitten alkoi liikkua vastakkaiseen suuntaan, kääntyi jälleen ympäri ja kiihtyi laskeutui kohti itäinen horisontti. Toinen vaikeuttava tekijä olivat merkittävät nopeuden muutokset liikkuessa pitkänomaisella kiertoradalla, minkä seurauksena Doppler-ilmiön vuoksi maapallolla vastaanotetun signaalin taajuus muuttui jatkuvasti.

Ensimmäiselle Neuvostoliiton viestintäsatelliitille valittua lentorataa kutsuttiin myöhemmin Molnija-kiertoradalle. Sen kehityksestä tehokkaampien rakettien myötä tuli erittäin elliptinen Tundra-kiertorata, jonka perigee oli 500 kilometriä, apogee 71 000 ja kiertorata-aika 24 tuntia. Kiertoja, joilla on tällainen jakso, kutsutaan geosynkronisiksi, koska niitä pitkin liikkuessaan avaruusalus kulkee aina apogeinsa saman maapallon alueen yli. Satelliittien käytön tehokkuus Tundra-radalla lisääntyy merkittävästi, koska ne voivat palvella valittua aluetta yli 12 tuntia kullakin kiertoradalla ja kaksi laitetta riittää järjestämään ympärivuorokautisen viestinnän. Maalaitteet ovat kuitenkin edelleen monimutkaisia, koska geosynkroniset satelliitit muuttavat jatkuvasti sijaintiaan taivaalla ja niitä on tarkkailtava.

Leijuu taivaalla

Vastaanottolaitteisto yksinkertaistuu radikaalisti, jos satelliitti pysyy paikallaan suhteessa Maahan. Koko geosynkronisten kiertoratojen sarjasta tämä saavutetaan vain yhdellä pyöreällä, joka sijaitsee tiukasti päiväntasaajan yläpuolella (kaltevuus 0°). Tätä kiertorataa kutsutaan geostationaariseksi, koska siinä satelliitti näyttää leijuvan valitun pisteen yläpuolella päiväntasaajalla 35 786 kilometrin korkeudessa.

Amerikkalaiset olivat ensimmäiset, jotka laukaisivat geostationaarisen satelliitin, mutta he eivät onnistuneet heti. Ensimmäiset kaksi yritystä vuonna 1963 päättyivät epäonnistumiseen, ja vasta 10. syyskuuta 1964 Sincom-3-satelliitti lähti geostationaariselle kiertoradalle. Mielenkiintoista on, että hän laukaisi avaruuteen 19. elokuuta ja hiipi oman moottorinsa avulla lähes kuukauden ajan hänelle valittuun seisomapaikkaan. Ensimmäinen kotimainen geostationaarinen satelliitti Raduga-1 laukaistiin vasta 22. joulukuuta 1975. Siitä lähtien GEO:ta on täydennetty jatkuvasti, ja nykyään siinä on yli 400 satelliittia ja sen lähellä liikkuu vielä 600 ajoneuvoa.

Tarkkaan ottaen erilaisten häiriöiden ja sijoitusvirheiden vuoksi geostationaarinen satelliitti ei "roipu" täysin liikkumattomana päiväntasaajan yläpuolella, vaan tekee värähtelevän liikkeen kiinteään pisteeseensä nähden. Maapallon pinnalle projisoituna sen liikerata muistuttaa pientä kahdeksaslukua. Lisäksi painovoimahäiriöiden vuoksi laite voi "ajautua" kiertoradalla. Pysyäkseen valitussa paikallaan eikä poistua maan päällä olevien antennien kohteesta, laitteen on säädettävä kiertorataa säännöllisesti. Tätä tarkoitusta varten aluksella on polttoainevarasto. Gestationaarisen satelliitin käyttöikä riippuu joskus siitä.

Yksinkertaiset geometriset rakenteet osoittavat, että leveysasteilla yli 81° geostationaariset satelliitit ovat horisontin alapuolella, mikä tarkoittaa, että kommunikointi niiden avulla napa-alueilla on mahdotonta. Käytännössä matkaviestintä geostationaarisen satelliitin kautta on rajoitettu leveysasteelle 65-70° ja kiinteä viestintä -70-75°. GSO:n kautta tapahtuvalla viestinnällä on toinen vakava haittapuoli. Matkalla satelliitille ja takaisin radiosignaali kulkee yli 70 tuhatta kilometriä viettäen siihen neljännessekunnin. Kun otetaan huomioon aika, joka kuluu signaalin käsittelyyn ja sen lähettämiseen kiinteän verkon kautta, viive voi olla huomattavasti yli puoli sekuntia. Tämän seurauksena Internet-palvelut satelliitin kautta reagoivat hitaasti ja puhelinviestinnästä tulee epämukavaa, koska edes nykyaikaiset kaiunpoistotyökalut eivät aina kestä suuria viiveitä. Näistä puutteista eroon pääsemiseksi on tarpeen vähentää satelliittien korkeutta.

Orbitaaliset elementit

Sana "kiertorata" latinaksi tarkoittaa "rataa" tai "polku". Maanläheiselle kiertoradalle on tunnusomaista useat parametrit: matalin ja suurin korkeus (perigee ja apogee, jotka myös määräävät kiertoradan), kaltevuus (kiertoratatason ja maan päiväntasaajan välinen kulma), pituusaste nousevan solmun, joka määrittää "mihin suuntaan" (minkä linjan ympäri päiväntasaajan tasossa) kiertorata on kallistettu, ja perigee-argumentti, joka osoittaa kuinka elliptistä kiertorataa kierretään omassa tasossaan. Muiden planeettojen gravitaatiohäiriöt, auringon säteilyn paine, Maan ei-pallomainen muoto, sen magneettikenttä ja ilmakehä johtavat siihen, että satelliittien kiertoradat voivat muuttua huomattavasti ajan myötä. Siksi satelliitin toiminnan aikana tehdään säännöllisesti lentoratamittauksia, ja tarvittaessa sen kiertorataa säädetään.

Iridiumin tähdistö

Kaupallisia ja valtion viestintäsatelliittijärjestelmiä muodostetaan suhteellisen matalilla kiertoradoilla. Teknisesti näitä lentoratoja ei voida kutsua mukaviksi viestintään, koska niissä olevat satelliitit näkyvät suurimman osan ajasta matalalla horisontin yläpuolella, mikä vaikuttaa negatiivisesti vastaanoton laatuun ja voi tehdä sen mahdottomaksi vuoristoisessa maastossa. Siksi mitä matalampi kiertorata, sitä enemmän satelliitteja järjestelmässä pitäisi olla. Jos kolme satelliittia riittää globaaliin viestintäjärjestelmään GSO:ssa, keskikorkealla kiertoradalla (5000–15 000 kilometriä) tarvitaan 8–12 avaruusalusta. Ja 500-2000 kilometrin korkeudelle tarvitaan yli viisikymmentä satelliittia.

Ja kuitenkin 1980-luvun loppuun mennessä edellytykset matalan kiertoradan viestintäjärjestelmien toteuttamiselle olivat kehittyneet. Ensinnäkin GEO:ssa oli yhä enemmän satelliitteja täynnä. Tämän kiertoradan "pysäköintipaikat" ovat kansainvälisen rekisteröinnin alaisia, eivätkä vierekkäiset satelliitit saisi toimia samoilla radiotaajuuksilla, jotta ne eivät häiritse toisiaan. Toiseksi edistyminen radioelektroniikan alalla on mahdollistanut halpoja (ja mikä tärkeintä, kevyitä) satelliitteja, joilla on melko laajat ominaisuudet. Raketti, joka pystyy laukaisemaan vain yhden suuren viestintäsatelliitin geostationaariselle kiertoradalle, voisi heittää koko paketin tällaisia ​​laitteita matalalle kiertoradalle. Kolmanneksi kylmän sodan päättyminen ja aseistariisunta vapauttivat satoja mannertenvälisiä ballistisia ohjuksia, joita voitiin käyttää pienten satelliittien laukaisuun edulliseen hintaan. Ja lopuksi, juuri näinä vuosina matkaviestinnän kysyntä, jolle on ominaista pienitehoisten ympärisuuntaisten antennien käyttö, jotka "eivät tavoita" GSO:ta, alkoivat kasvaa nopeasti. Kaikki nämä tekijät tekivät jopa erittäin suuren määrän edullisia matalakiertoradalla olevien satelliittien laukaisemisesta kannattavampaa kuin useiden raskaiden geostationaaristen satelliittien muodostamisen.

Ensimmäisiä matalan kiertoradan viestintäjärjestelmiä olivat Orbcomm (USA) ja Gonets (Venäjä). Ne eivät tarjonneet puheensiirtoa, vaan ne oli tarkoitettu tekstiviestien lähettämiseen ja tiedon keräämiseen erilaisilta antureilta, kuten meteorologisista. Nykyään Orbcommiin kuuluu 29 satelliittia, jotka painavat 42 kiloa, jotka kiertävät 775 kilometrin korkeudessa. Messenger-järjestelmä sisälsi aluksi vain 6 satelliittia, minkä vuoksi viestien toimitusajat saattoivat kestää useita tunteja. Nyt se käy läpi kolmannen sukupolven satelliitteja, toimivien laitteiden määrä on noussut yhdeksään, mutta tulevaisuudessa se pitäisi nostaa 45 - yhdeksään viidellä lähes naparadalla (kaltevuus 82,5°) 1500 kilometrin korkeudessa.

Naparadat ovat niitä, jotka kulkevat Maan pohjois- ja etelänavan yli, eli ne sijaitsevat kohtisuorassa päiväntasaajaa vastaan. Mikä tahansa osa maan pinnasta putoaa ajoittain naparadalla olevan satelliitin näkökenttään. Jos käytät useita tällaisia ​​kiertoradoja, jotka on käännetty kulmassa toisiinsa ja laukaistat jokaisessa tasavälein useita satelliitteja, voit jatkuvasti tutkia koko Maan pintaa. Juuri näin Iridium-satelliittipuhelinverkko toimii. Se käyttää naparadat, joiden kaltevuus on 86,4° ja korkeus 780 kilometriä. Alun perin niissä oli 77 satelliittia, josta järjestelmän nimi tuli: iridium - Mendeleevin jaksollisen järjestelmän 77. elementti. Yhdeksän kuukautta lanseerauksen jälkeen, marraskuussa 1998, Iridium meni kuitenkin konkurssiin. Puhelun hinta, joka oli jopa seitsemän dollaria minuutissa, osoittautui liian korkeaksi kuluttajille, osittain siksi, että Iridium-järjestelmä tarjosi todella maailmanlaajuista viestintää - napasta napaan. Hieman myöhemmin käynnistetty GlobalStar-järjestelmä taloudellisuuden vuoksi käyttää naparadan sijaan 52°:n kaltevuutta, mikä rajoittaa viestinnän 70. leveyspiirille (noin Jamalin leveysasteelle). Mutta 48 satelliittia riittää toimintaan (plus neljä ylimääräistä), ja viestintäkustannukset olivat samana vuonna 1999 korkeintaan kaksi dollaria minuutissa.

Iridium-satelliitit valmistautuivat jo siirtämään kiertoradalta ja polttamaan ilmakehän tiheissä kerroksissa, kun Yhdysvaltain puolustusministeriö osti koko järjestelmän. Iridium on tähän päivään asti ainoa satelliittiviestintäjärjestelmä, joka tarjoaa jatkuvaa puhelinpalvelua ympäri maailmaa. Esimerkiksi vuodesta 2006 lähtien se on tarjonnut pysyvän Internet-yhteyden Amundsen-Scottin napa-asemalle etelänavalla. Yhteysnopeus on 28,8 kilobittiä sekunnissa vanhan puhelinmodeemin tapaan.

Maanläheisen avaruuden käyttö

Ensimmäisen likiarvon mukaan satelliittien kiertoradat jaetaan mataliin (jopa 2000 kilometriä Maasta), keskirataan (geostationaarisen kiertoradan alapuolella) ja korkeisiin. Miehitettyjä lentoja suoritetaan korkeintaan 600 kilometriä, koska avaruusalukset eivät saa päästä planeettamme ympäröiville säteilyvyöhykkeille. Sisäisen säteilyvyöhykkeen energiset protonit muodostavat vaaran astronautien hengelle. Säteilyn maksimivoimakkuus saavutetaan noin 3000 kilometrin korkeudessa, jota kaikki avaruusalukset välttävät. Ulkoinen elektroninen vyö ei ole yhtä vaarallinen. Sen maksimi on jossain navigointi- ja geostationaaristen satelliittien vyöhykkeiden välissä. Erittäin pitkänomaisilla elliptisellä kiertoradalla toimivat satelliitit nousevat yleensä vielä korkeammalle. Näitä ovat esimerkiksi Chandra X-ray Observatory (USA), joka tarkkailee kaukana säteilyvyöhykkeistä häiriöiden välttämiseksi, ja tuleva Venäjän Radioastron-observatorio, jonka tiedot ovat sitä tarkempia, mitä suurempi etäisyys maanpäälliseen radiopariin. sen kanssa työskentelevät kaukoputket. Korkeimmat Maan kiertoradat, joita voidaan yhtä lailla pitää lähes aurinkoisina kiertoradoina, sijaitsevat 1,5 miljoonan kilometrin korkeudella lähellä niin kutsuttuja Lagrange-pisteitä.

Yhdessä auringon kanssa

Napaa lähellä ovat toinen tärkeä kiertoradan luokka, jota kutsutaan aurinkosynkroniseksi (SSO), joilla on aina vakio suuntaus suhteessa aurinkoon. Ensi silmäyksellä näyttää siltä, ​​​​että tämä on ristiriidassa taivaanmekaniikan lakien kanssa, jonka mukaan kiertoradan taso pysyy vakiona, mikä tarkoittaa, että kun maa liikkuu Auringon ympäri, sen täytyy kääntyä siihen ensin yhdeltä tai toiselta puolelta. Mutta jos otamme huomioon, että maapallolla on litistetty muoto, käy ilmi, että kiertoratataso kokee precession, eli se pyörii hieman käännöksestä käännökseen. Valitsemalla oikean korkeuden ja kaltevuuden voit varmistaa, että kiertoratatason pyöriminen vastaa tarkasti Maan Auringon ympäri kulkemaa kaarta. Esimerkiksi 200 kilometrin kiertoradalla kaltevuuden tulisi olla hieman yli 96° ja 1000 kilometrin kohdalla yli 99° (yli 90° luvut vastaavat kiertoradan liikettä Maan päivittäistä pyörimistä vastaan). .

SSO:n arvo on siinä, että sitä pitkin liikkuessaan satelliitti lentää maanpäällisten kohteiden yli aina samaan aikaan päivästä, mikä on tärkeää avaruuskuvauksen kannalta. Lisäksi, koska SOF on lähellä naparadat, ne voivat tarkkailla koko maan pintaa, mikä on tärkeää meteorologisille, kartoitus- ja tiedustelusatelliiteille, joita kutsutaan yhteisesti ERS-satelliiteiksi. Tietty SSO-parametrien valinta sallii sen, että satelliitti ei koskaan mene Maan varjoon, vaan pysyy aina auringossa lähellä päivän ja yön rajaa. Satelliitti ei koe lämpötilan muutoksia, ja aurinkopaneelit antavat sille jatkuvasti energiaa. Tällaiset kiertoradat ovat käteviä maan pinnan tutkakartoittamiseen.

Siviilikaukokartoitussatelliitit, joita tarvitaan erottamaan noin metrin kokoiset esineet, toimivat yleensä 500-600 kilometrin korkeudella. Sotilaallisiin tiedustelusatelliitteihin, joiden kuvausresoluutio on 10-30 senttimetriä, tällaiset korkeudet ovat liian korkeita. Siksi niiden kiertoradat valitaan usein siten, että perigee on mittauspisteen yläpuolella. Jos "huomiokohteita" on useampi kuin yksi, tiedusteluupseerin on muutettava kiertoradan muotoa moottorin avulla tehden toisinaan "sukelluksia" ilmakehän ylempään kerrokseen laskeutuen noin 150 kilometrin korkeuteen. Tarpeella "päästyä" mahdollisimman lähelle Maata on merkittävä haittapuoli - ilmakehän vastus vähentää jyrkästi satelliitin pysymistä avaruudessa. Jos haukottelet hieman, ilmakehä vetää satelliitin kuiluunsa, jossa se väistämättä palaa. Tästä johtuen matalan kiertoradan "vakoojilla" on pidettävä suuria polttoainevarastoja kiertoradan korjaamiseksi ja korkeuden ajoittain nostamiseksi. Esimerkiksi amerikkalaisen KH-11 valokuvatiedustelukoneen 18 tonnin laukaisupainosta polttoaineen osuus on noin 40 %. Näin ollen valittu rata voi vaikuttaa suoraan ajoneuvon suunnitteluun ja joskus ulkonäköön.

Tämä riippuvuus ilmeni erityisen selvästi Venäjän Plesetskin kosmodromista hiljattain lanseeratun eurooppalaisen tieteellisen laitteen GOCE suunnittelussa. Sillä on epätavallinen nuolen muotoinen muoto, toisin kuin useimpien nykyaikaisten satelliittien kulmikas ääriviivat, ja se jopa herättää assosiaatioita nopeaan lentokoneeseen. Tosiasia on, että Maan gravitaatiokenttää tutkivalle satelliitille valittiin matala SSO, jonka korkeus on 240-250 kilometriä. Se on mittaustarkkuuden kannalta optimaalinen, mutta ilmakehän jarrutusvaikutuksen kestämiseksi satelliitti muotoiltiin minimaalisella poikkileikkauksella. Lisäksi laitteen takaosaan on asennettu ionisähköisiä rakettimoottoreita lentoradan korjaamiseksi.

"Clarkin kiertorata"

Luultavasti ensimmäiset geostationaaristen satelliittien mahdollisuudesta puhuivat Konstantin Eduardovich Tsiolkovsky ja Herman Potochnik, slovenialainen astronautiikkateoreetikko, joka tunnetaan paremmin nimellä Herman Noordung. Ajatus niiden käyttämisestä viestintään tuli kuitenkin laajalle kuuluisan brittiläisen tiedemiehen ja tieteiskirjailijan Arthur C. Clarken ehdotuksesta. Vuonna 1945 hän julkaisi Wireless World -lehdessä populaaritieteellisen artikkelin, jossa kuvattiin viestintäsatelliitteja geostationaarisella kiertoradalla (GSO), jota nykyään usein kutsutaan nimellä "Clark Orbit".

Globaali näkymä

Mutta kaikki kaukokartoitussatelliitit eivät vaadi korkeaa resoluutiota. Mitä hyötyä on kyvystä havaita 30 senttimetrin kokoinen esine, jos laitteen tehtävänä on seurata ilmamassojen alueellisia tai globaaleja liikkeitä ja suurten alueiden lämpöolosuhteita. Sen toteuttamisen kannalta kattavuuden laajuus on paljon tärkeämpää. Globaalissa meteorologisessa seurannassa satelliitit sijoitetaan yleensä GSO- tai korkeaan MSO-arvoon, ja alueellisessa meteorologisessa seurannassa satelliitit sijoitetaan yleensä suhteellisen matalalle (500-1000 kilometriä) kiertoradalle, jonka kaltevuus mahdollistaa valitun alueen säännöllisen mittauksen. Esimerkiksi lupaava venäläinen satelliitti

"Meteor-M":n tulisi seurata hydrometeorologista tilannetta globaalissa mittakaavassa SSO:lla 830 kilometrin korkeudessa. Ja Elektro-L-laitteelle valittiin GSO, koska sen päätarkoituksena on valokuvata koko Maan levy näkyvällä ja infrapuna-alueella. Lisäksi GSO on tässä tapauksessa optimaalinen tiedon saamiseksi päiväntasaajan vyöhykkeellä tapahtuvista globaaleista ilmakehän prosesseista.

Juuri siksi, että GEO:sta on mahdollista tutkia merkittävä osa maan pinnasta, se on ”kansoitettu” viestintälaitteiden ja sääsatelliittien lisäksi myös ohjushyökkäysvaroitusjärjestelmillä. Niiden päätehtävänä on havaita ballististen ohjusten laukaisuja, joita varten laitteisto sisältää infrapunateleskoopin, joka pystyy havaitsemaan käynnissä olevan moottorin polttimen. GSO:n haitoilla ei tässä tapauksessa ole merkitystä - satelliitin ei loppujen lopuksi tarvitse välittää tietoa pohjois- tai etelänavalle, mutta kolmannes maan pinnasta on selvästi näkyvissä.

Globaalien GPS- ja GLONASS-navigointijärjestelmien satelliittien rataparametrien valinta osoittautui erittäin vaikeaksi. Vaikka idea itsessään (mittaa etäisyys satelliiteista tunnetuilla koordinaatteilla signaaliviiveellä) oli ilmeinen, sen toteutus kesti vuosikymmeniä. Neuvostoliitossa tutkimus tähän suuntaan aloitettiin jo vuonna 1958. Viisi vuotta myöhemmin aloitettiin ensimmäisen satelliittinavigointijärjestelmän "Cicada" rakentaminen, joka otettiin käyttöön vasta 16 vuotta myöhemmin. Sen neljä navigointisatelliittia liikennöivät matalilla ympyräradoilla 1000 kilometrin korkeudessa 83°:n kaltevuuden kanssa. Niiden kiertoradan tasot jakautuivat tasaisesti päiväntasaajaa pitkin. Noin puolentoista-kahden tunnin välein kuluttaja voi ottaa radioyhteyden johonkin Cicada-satelliiteista ja 5-6 minuutin yhteydenoton jälkeen määrittää niiden leveys- ja pituusasteen. Tietenkään satelliittinavigoinnin sotilasasiakkaat eivät olleet tyytyväisiä tähän toimintatapaan. Heidän täytyi määrittää kolme spatiaalista koordinaattia, nopeusvektori ja tarkka aika milloin tahansa ja missä tahansa pisteessä maapallolla. Tätä varten on välttämätöntä vastaanottaa signaaleja samanaikaisesti vähintään neljältä satelliitilta. Tämä vaatisi satojen avaruusalusten sijoittamista matalille kiertoradoille, mikä ei olisi vain järjettömän kallista, vaan myös yksinkertaisesti mahdotonta. Tosiasia on, että Neuvostoliiton satelliittien käyttöikä ei ylittänyt yhtä tai kahta vuotta (ja useammin - useita kuukausia), ja käy ilmi, että koko raketti- ja avaruusteollisuus työskentelee yksinomaan navigointisatelliittien valmistuksessa ja laukaisussa. Lisäksi matalan kiertoradan satelliitit kokevat merkittäviä häiriöitä maan ilmakehän vaikutuksesta, mikä vaikuttaa niistä määritettyjen koordinaattien tarkkuuteen.

Tutkimukset ovat osoittaneet, että navigointijärjestelmän tarvittavat parametrit saadaan asettamalla satelliitit ympyräraiteille 19 000-20 000 kilometrin korkeudelle (GLONASSille valittiin 19 100 kilometrin korkeus) noin 64°:n kaltevuuden ollessa. Ilmakehän vaikutus täällä on jo merkityksetön, eivätkä Kuusta ja Auringosta tulevat gravitaatiohäiriöt vielä johda nopeisiin muutoksiin kiertoradalla.

Satelliittihautausmaa

Viimeisten 20 vuoden aikana yhä useammat maat ovat hankkineet omat tietoliikenne-, meteorologiset ja sotilassatelliitit geostationaariselle kiertoradalle. Tämän seurauksena GSO:sta tuli tungosta. Keskimääräinen etäisyys satelliittien välillä on noin 500 kilometriä, ja paikoin raskaat ajoneuvot "roikkuvat" vain muutaman kymmenen kilometrin päässä toisistaan. Tämä voi aiheuttaa viestintähäiriöitä ja jopa johtaa törmäyksiin. Satelliittien palauttaminen korkealta kiertoradalta Maahan on liian kallista. Siksi geostationaarisen kiertoradan tyhjentämiseksi päätettiin, että aktiivisen toiminnan päätyttyä ne tulisi siirtää jäljellä olevan polttoaineen kanssa 200-300 kilometriä korkeammalle "sijoituskiertoradalle". Tämä "satelliittihautausmaa" on edelleen paljon vapaampi kuin työkiertorata.

Teoriassa tällä korkeudella 18 satelliittia kolmessa kiertoratatasossa riittää vähintään neljän satelliitin näkymiseen mistä tahansa maapallon pisteestä samanaikaisesti. Mutta itse asiassa, jotta itse avaruusalusten sijainnin määrittämisessä olisi tarkkuutta, GLONASS-konstellaatio on laajennettava 24 toimivaan satelliittiin, ja ottaen huomioon reservi, järjestelmässä on oltava 27-30 satelliittia. Muut navigointijärjestelmät on rakennettu suunnilleen samoilla periaatteilla - GPS (USA), Galileo (Eurooppa) ja Beidou (Kiina). Niiden satelliittitähtikuviot sijaitsevat pyöreillä kiertoradoilla 20 000-23 500 kilometrin korkeudessa 55-56 asteen kaltevuuden ollessa.

Pilottien jäljet

Miehitettyjen ajoneuvojen kiertoradat valitaan erityisesti. Niinpä Kansainvälistä avaruusasemaa (ISS) rakennettaessa otettiin huomioon uusien moduulien ja avaruusalusten laukaisu siihen, miehistön turvallisuus ja polttoaineenkulutus korkeuden ylläpitämiseksi. Tämän seurauksena asema laukaistiin kiertoradalle noin 400 kilometrin korkeudessa. Tämä on hieman Maan säteilyvyöhykkeen rajan alapuolella, johon aurinkotuulen varautuneet hiukkaset kerääntyvät planeettamme magneettikentän vaikutuksesta. Pitkäaikainen oleskelu säteilyvyön sisällä altistaisi miehistön vaaralliselle säteilylle tai vaatisi voimakkaita säteilysuojatoimenpiteitä kiertorata-asemalta. On myös mahdotonta laskea kiertorataa merkittävästi alemmas, muuten asema hidastuu merkittävän aerodynaamisen vastuksen vuoksi ja sen korkeuden ylläpitämiseen tarvitaan paljon polttoainetta. Orbitaalitason kaltevuus (51,6°) määräytyy laukaisuolosuhteiden mukaan Baikonurista, pohjoisimmasta kosmodromista, josta miehitetty lento tapahtuu.

Samanlaiset näkökohdat sanelivat Hubble-avaruusteleskoopin kiertoradan valinnan, koska alusta alkaen oletettiin, että astronautit vierailevat siellä säännöllisesti. Siksi kiertoradan kaltevuus 28,5° valittiin American Canaveral Spaceportin leveysasteen mukaan. Tämän seurauksena ISS:n ja kaukoputken kiertoradat sijaitsevat merkittävässä kulmassa toisiinsa nähden, eikä avaruussukkula pääse vierailemaan niillä yhdellä lennolla, koska kiertoratatason vaihtaminen on yksi sukkulan "kalliimmista" liikkeistä polttoaine ei yksinkertaisesti riitä siihen. Tämän vuoksi avaruusteleskoopin työskentely melkein päättyi ennenaikaisesti. Vuonna 2003 tapahtuneen Columbian katastrofin jälkeen päätettiin, että astronautit voivat turvautua ISS:ään, jos lennon aikana havaitaan vakavia vaurioita. Lento Hubble-teleskooppiin sulki tämän mahdollisuuden pois ja se melkein peruttiin. Lopulta se hyväksyttiin, ja vuonna 2009 tehdyn suuren modernisoinnin jälkeen epäonnistumisen partaalla ollut Hubble voi toimia vielä viisi vuotta, kunnes se korvataan uudella James Webb -teleskoopilla. Totta, sitä ei enää laukaista matalalle Maan kiertoradalle, vaan paljon kauemmas - Lagrange-pisteeseen 1,5 miljoonan kilometrin korkeudessa, jossa kiertoaika on täsmälleen yhtä suuri kuin vuosi, ja kaukoputki piiloutuu jatkuvasti auringolta. maan takana. Siellä ei ole vielä miehitettyjä lentoja.

Olemme kuvanneet useita erilaisia ​​ratoja, mutta tämä ei suinkaan ole niiden monimuotoisuuden loppu. Kaikille kiertoradalle on olemassa muunnelmia, jotka on suunniteltu parantamaan niiden positiivisia ominaisuuksia ja heikentämään niiden negatiivisia ominaisuuksia. Esimerkiksi jotkut satelliitit liikkuvat lähellä geostationaarista kiertorataa, jonka kaltevuus on jopa 10°. Tämän ansiosta ne voivat ajoittain kurkistaa korkeille leveysasteille, mutta maassa olevat antennit vaativat kyvyn kallistaa ylös ja alas satelliitin värähtelyjen seuraamiseksi. Erilaiset siirtymäradat, jotka yhdistävät kaksi kiertorataa, ovat tärkeitä. Ionipotkurien leviämisen myötä Maan lähiavaruudessa alettiin käyttää monimutkaisia ​​spiraalireittejä. Ballistiikan asiantuntijat ovat mukana avaruusaluksen liikeradan valinnassa. On olemassa jopa termi "ballistinen suunnittelu", joka tarkoittaa laitteen optimaalisen lentoradan, ulkonäön ja suunnittelun perusparametrien yhteistä kehittämistä. Toisin sanoen kiertorata kehitetään yhdessä satelliitin ja sen laukaisevan raketin kanssa.

Kulmanopeudella, joka on yhtä suuri kuin Maan pyörimisnopeus sen akselin ympäri. Vaakakoordinaatistossa suunta satelliittiin ei muutu atsimuutissa tai korkeudessa horisontin yläpuolella, satelliitti "roikkuu" liikkumattomana taivaalla. Näin ollen satelliittiantenni, joka on kerran kohdistettu sellaiseen satelliittiin, pysyy suunnattuna siihen koko ajan. Geostationaarinen kiertorata on eräänlainen geosynkroninen kiertorata, ja sitä käytetään keinotekoisten satelliittien sijoittamiseen (viestintä, televisiolähetykset jne.).

Satelliitin pitäisi kiertää Maan pyörimissuunnassa, korkeudessa 35 786 km merenpinnan yläpuolella. Juuri tämä korkeus antaa satelliitille kiertoradan, joka on yhtä suuri kuin Maan suhteellinen kiertoaika (sideerinen päivä: 23 tuntia 56 minuuttia 4,091 sekuntia).

Ajatuksen geostationaaristen satelliittien käyttämisestä viestintätarkoituksiin ilmaisi slovenialainen astronautiikkateoreetikko Herman Potocnik vuonna 1928.

Gestationaarisen kiertoradan edut tulivat laajalti tunnetuiksi Arthur C. Clarken populaaritieteellisen artikkelin julkaisemisen jälkeen Wireless World -lehdessä vuonna 1945, joten lännessä geostationaarisia ja geosynkronisia ratoja kutsutaan joskus " Clarke kiertää", A" Clarkin vyö" tarkoittaa ulkoavaruuden aluetta, joka sijaitsee 36 000 km:n etäisyydellä merenpinnasta maan päiväntasaajan tasolla, jossa kiertoradan parametrit ovat lähellä geostationaarisia. Ensimmäinen onnistuneesti GEO:hon laukaistu satelliitti oli Syncom-3 NASA laukaisi elokuussa 1964.

Seisomapiste

Geostationaarisella kiertoradalla oleva satelliitti on paikallaan suhteessa maan pintaan, joten sen sijaintia kiertoradalla kutsutaan sen stationääripisteeksi. Tämän seurauksena satelliittisuuntautunut ja kiinteä suunta-antenni voi ylläpitää jatkuvaa viestintää tämän satelliitin kanssa pitkään.

Satelliittien asettaminen kiertoradalle

Geostationaarinen kiertorata voidaan saavuttaa tarkasti vain suoraan päiväntasaajan yläpuolella sijaitsevalla ympyrällä, jonka korkeus on hyvin lähellä 35 786 km.

Jos geostationaariset satelliitit olisivat näkyvissä taivaalla paljaalla silmällä, viiva, jolla ne olisivat näkyvissä, olisi sama kuin "Clark Belt" tietyllä alueella. Geostationaariset satelliitit ovat käytettävissä olevien kiinnityspisteiden ansiosta käteviä käyttää satelliittiviestintään: kerran suunnattuna antenni suunnataan aina valittuun satelliittiin (jos se ei muuta sijaintiaan).

Satelliittien siirtämiseen matalan korkeuden kiertoradalta geostationaariselle kiertoradalle käytetään geostationaarisia siirtoratoja (GTO) - elliptisiä kiertoradoja, joiden perigee on alhaisella korkeudella ja apogee lähellä geostationaarista kiertorataa.

Kun jäljellä olevalla polttoaineella on aktiivinen toiminta, satelliitti on siirrettävä paikkaan, joka sijaitsee 200-300 km GEO:n yläpuolella.

Gestationaarisen kiertoradan parametrien laskenta

Radan säde ja kiertoradan korkeus

Geostaationaarisella kiertoradalla satelliitti ei lähesty Maata tai lähde siitä poispäin, ja lisäksi se pyörii Maan kanssa jatkuvasti päiväntasaajan minkä tahansa pisteen yläpuolella. Näin ollen satelliittiin vaikuttavien voimien ja keskipakovoiman on tasapainotettava toisiaan. Gestationaarisen kiertoradan korkeuden laskemiseksi voit käyttää klassisen mekaniikan menetelmiä ja siirtyä satelliitin viitekehykseen seuraavasta yhtälöstä:

Missä on hitausvoima, ja tässä tapauksessa keskipakovoima; - painovoima. Satelliittiin vaikuttavan gravitaatiovoiman suuruus voidaan määrittää Newtonin yleisen gravitaatiolain avulla:

Missä on satelliitin massa, maan massa kilogrammoina, gravitaatiovakio ja etäisyys metreinä satelliitista Maan keskipisteeseen tai tässä tapauksessa kiertoradan säde.

Keskipakovoiman suuruus on yhtä suuri kuin:

Missä on keskipetaalinen kiihtyvyys, joka tapahtuu ympyräliikkeen aikana kiertoradalla.

Kuten näette, satelliitin massa esiintyy tekijänä keskipakovoiman ja gravitaatiovoiman lausekkeissa, eli kiertoradan korkeus ei riipu satelliitin massasta, mikä pätee kaikki kiertoradat ja se on seurausta gravitaatio- ja inertiamassan yhtäläisyydestä. Näin ollen geostationaarisen kiertoradan määrää vain korkeus, jossa keskipakovoima on suuruudeltaan yhtä suuri ja suunnaltaan vastakkainen Maan painovoiman tietyllä korkeudella luomaan gravitaatiovoimaan nähden.

Keskipetaalinen kiihtyvyys on yhtä suuri kuin:

Missä on satelliitin pyörimiskulma, radiaaneina sekunnissa.

Tehdään yksi tärkeä selvennys. Itse asiassa keskipakokiihtyvyydellä on fyysinen merkitys vain inertiaalisessa vertailukehyksessä, kun taas keskipakovoima on ns. kuvitteellinen voima ja esiintyy yksinomaan viitekehyksessä (koordinaateissa), jotka liittyvät pyöriviin kappaleisiin. Keskusvoima (tässä tapauksessa painovoima) aiheuttaa keskipituisen kiihtyvyyden. Absoluuttisena arvona keskipakoinen kiihtyvyys inertiaalisessa vertailukehyksessä on sama kuin keskipakokiihtyvyys vertailukehyksessä, joka liittyy meidän tapauksessamme satelliittiin. Siksi lisäksi, ottaen huomioon tehdyn huomautuksen, voimme käyttää termiä "keskipesäkiihtyvyys" yhdessä termin "keskipakovoima" kanssa.

Yhtälöimällä painovoima- ja keskipakovoimien lausekkeet keskikiihtyvyyden korvaamiseen saadaan:

Pienentämällä , kääntämällä vasemmalle ja oikealle, saamme:

Tai

Tämä lauseke voidaan kirjoittaa eri tavalla korvaamalla se geosentrisellä gravitaatiovakiolla:

Kulmanopeus lasketaan jakamalla kuljettu kulma kierrosta kohti (radiaaneja) kiertoradalla (aika, joka kuluu yhden kierroksen suorittamiseen kiertoradalla: yksi sideerinen päivä eli 86 164 sekuntia). Saamme:

rad/s Tuloksena oleva kiertoradan säde on 42 164 km. Vähentämällä Maan päiväntasaajan säde, 6 378 km, saadaan korkeus 35 786 km.

Voit tehdä laskelmat toisella tavalla. Geostationaarisen kiertoradan korkeus on etäisyys Maan keskustasta, jossa satelliitin kulmanopeus, joka on sama kuin Maan pyörimiskulma, synnyttää kiertoradan (lineaarisen) nopeuden, joka on yhtä suuri kuin ensimmäinen pakonopeus (varmistetaan ympyrärata) tietyllä korkeudella.

Kulmanopeudella etäisyyden pyörimiskeskipisteestä liikkuvan satelliitin lineaarinen nopeus on yhtä suuri kuin

Ensimmäinen pakonopeus etäisyyden päässä massakappaleesta on yhtä suuri kuin

Yhtälöimällä yhtälöiden oikeat puolet toisiinsa, päästään aiemmin saatuun lausekkeeseen säde GSO:

Ratanopeus

Liikkeen nopeus geostationaarisella kiertoradalla lasketaan kertomalla kulmanopeus kiertoradan säteellä:

km/s Tämä on noin 2,5 kertaa pienempi kuin ensimmäinen pakonopeus 8 km/s matalalla Maan kiertoradalla (säteellä 6400 km). Koska ympyräradan nopeuden neliö on kääntäen verrannollinen sen säteeseen,

Tämä nopeuden lasku suhteessa ensimmäiseen kosmiseen nopeuteen saavutetaan lisäämällä kiertoradan sädettä yli 6 kertaa.

Radan pituus

Geostationaarisen kiertoradan pituus: . Kun kiertoradan säde on 42 164 km, saamme kiertoradan pituudeksi 264 924 km.

Radan pituus on erittäin tärkeä satelliittien "seisontapisteiden" laskennassa.

Satelliitin pitäminen kiertoradalla geostationaarisella kiertoradalla

Geostaationaarisella kiertoradalla kiertävä satelliitti on useiden voimien (häiriöiden) vaikutuksen alaisena, jotka muuttavat tämän kiertoradan parametreja. Tällaisia ​​häiriöitä ovat erityisesti painovoiman kuun-auringon häiriöt, Maan gravitaatiokentän epähomogeenisuuden vaikutus, päiväntasaajan elliptisyys jne. Kiertorata huononeminen ilmaistaan ​​kahdella pääilmiöllä:

1) Satelliitti liikkuu kiertorataa pitkin alkuperäisestä kiertoradastaan ​​kohti yhtä neljästä vakaan tasapainon pisteestä, ns. "mahdolliset geostationaariset kiertoradan reiät" (niiden pituuspiirit ovat 75,3°E, 104,7°W, 165,3°E ja 14,7°W) Maan päiväntasaajan yläpuolella;

2) Radan kaltevuus päiväntasaajalle kasvaa (alkuperäisestä 0:sta) noin 0,85 astetta vuodessa ja saavuttaa maksimiarvon 15 astetta 26,5 vuodessa.

Näiden häiriöiden kompensoimiseksi ja satelliitin pitämiseksi paikallaan, satelliitti on varustettu propulsiojärjestelmällä (kemiallinen tai sähköinen raketti). Kytkemällä ajoittain päälle matalan työntövoiman moottorit (korjaus "pohjoinen-etelä" kompensoimaan kiertoradan kaltevuuden kasvua ja "länsi-itä" kompensoimaan ajautumista kiertoradalla), satelliitti pysyy määrätyssä paikallaan. Tällaiset sulkeumat tehdään useita kertoja 10-15 päivän välein. Merkittävää on, että pohjoinen-etelä-korjaus vaatii huomattavasti suuremman ominaisnopeuden lisäyksen (n. 45-50 m/s vuodessa) kuin pitkittäiskorjauksessa (n. 2 m/s vuodessa). Satelliitin kiertoradan korjauksen varmistamiseksi koko sen käyttöiän ajan (nykyaikaisilla televisiosatelliiteilla 12-15 vuotta) tarvitaan huomattava polttoainevarasto aluksella (kemiallisen moottorin tapauksessa satoja kilogrammoja). Satelliitin kemiallisessa rakettimoottorissa on iskutilavuuspolttoaine (boost gas – helium) ja se toimii pitkään kestävillä korkealla kiehuvilla komponenteilla (yleensä epäsymmetrinen dimetyylihydratsiini ja typpitetroksidi). Useat satelliitit on varustettu plasmamoottoreilla. Niiden työntövoima on huomattavasti pienempi kuin kemiallisten, mutta niiden suurempi hyötysuhde mahdollistaa (pitkäaikaisen toiminnan ansiosta, mitattuna kymmenissä minuutteissa yhdestä liikkeestä) vähentää radikaalisti vaadittua polttoaineen massaa aluksella. Propulsiojärjestelmän tyypin valinta määräytyy laitteen erityisten teknisten ominaisuuksien mukaan.

Samaa propulsiojärjestelmää käytetään tarvittaessa satelliitin ohjaamiseen toiseen kiertoradalle. Joissakin tapauksissa, yleensä satelliitin käyttöiän lopussa, polttoaineen kulutuksen vähentämiseksi pohjoinen-etelä-radan korjaus lopetetaan ja jäljelle jäävä polttoaine käytetään vain länsi-itä-korjaukseen.

Polttoainereservi on tärkein rajoittava tekijä geostationaarisella kiertoradalla olevan satelliitin käyttöiässä.

Gestationaarisen kiertoradan haitat

Signaalin viive

Gestationaaristen satelliittien kautta tapahtuvalle tiedonsiirrolle on ominaista suuret viiveet signaalin etenemisessä. Kun kiertoradan korkeus on 35 786 km ja valon nopeus noin 300 000 km/s, säteen matka maasta satelliittiin vaatii noin 0,12 s. Säteen polku "Maa (lähetin) → satelliitti → Maa (vastaanotin)" ≈0,24 s. Kokonaisviive (Ping-apuohjelman mittaama) käytettäessä satelliittiviestintää tiedon vastaanottamiseen ja lähettämiseen on lähes puoli sekuntia. Kun otetaan huomioon signaalin viive satelliittilaitteissa, laitteissa ja maanpäällisten palvelujen kaapelilähetysjärjestelmissä, signaalin kokonaisviive reitillä "signaalilähde → satelliitti → vastaanotin" voi olla 2-4 sekuntia. Tämä viive vaikeuttaa GSO-satelliittien käyttöä puheluissa ja tekee mahdottomaksi käyttää GSO:ta käyttävää satelliittiviestintää erilaisissa reaaliaikaisissa palveluissa (esimerkiksi online-peleissä).

GSO:n näkymätön korkeilta leveysasteilta

Koska geostationaarinen kiertorata ei ole näkyvissä korkeilta leveysasteilta (noin 81°:sta napoihin), ja yli 75°:n leveysasteilla se havaitaan hyvin matalalla horisontin yläpuolella (todellisissa olosuhteissa satelliitit ovat yksinkertaisesti piilossa ulkonevien esineiden ja maaston takia) ja vain pieni osa radasta on näkyvissä ( katso taulukko), viestintä ja televisiolähetykset GSO:n avulla ovat mahdottomia Kaukopohjolan (arktisen) ja Etelämantereen korkeilla leveysasteilla. Esimerkiksi amerikkalaiset napatutkijat Amundsen-Scottin asemalla käyttävät 1 670 kilometriä pitkää valokuitukaapelia kommunikoidakseen ulkomaailman (puhelin, Internet) kanssa paikkaan, joka sijaitsee 75° eteläistä leveyttä. Ranskan Concordia-asema, josta näkyy jo useita amerikkalaisia ​​geostationaarisia satelliitteja.

Taulukko geostationaarisen kiertoradan havaitusta sektorista paikan leveysasteesta riippuen
Kaikki tiedot on annettu asteina ja niiden murto-osina.

Yllä olevasta taulukosta voidaan nähdä esimerkiksi, että jos Pietarin leveysasteella (~60°) kiertoradan näkyvä sektori (ja vastaavasti vastaanotettujen satelliittien määrä) on 84 % suurimmasta mahdollisesta (päiväntasaajalla), sitten Taimyrin niemimaan leveysasteella (~75°) näkyvä sektori on 49 % ja Huippuvuorten ja Cape Chelyuskinin leveysasteella (~78°) vain 16 %. päiväntasaaja. Tämä Siperian alueen kiertoradan sektori sisältää 1-2 satelliittia (ei aina vaaditusta maasta).

Auringon häiriöt

Yksi geostationaarisen kiertoradan epämiellyttävimmistä haitoista on signaalin heikkeneminen ja täydellinen puuttuminen tilanteessa, jossa lähetinsatelliitti on linjassa vastaanottoantennin kanssa ("Aurinko satelliitin takana" -asento). Tämä ilmiö on ominaista myös muille kiertoradalle, mutta geostationaarisilla kiertoradoilla, kun satelliitti on "paikallaan" taivaalla, se ilmenee erityisen selvästi. Pohjoisen pallonpuoliskon keskileveysasteilla auringon häiriöitä esiintyy 22. helmikuuta - 11. maaliskuuta ja 3. - 21. lokakuuta välisenä aikana, ja kesto on enintään kymmenen minuuttia. Tällaisina kirkkaan sään hetkinä antennin kevyen pinnoitteen fokusoimat auringonsäteet voivat vahingoittaa (sulaa tai ylikuumentua) satelliittiantennin vastaanotto- ja lähetyslaitteita.

GSO:n kansainvälinen oikeudellinen asema

Gestationaarisen kiertoradan käyttö aiheuttaa joukon paitsi teknisiä myös kansainvälisiä oikeudellisia ongelmia. YK sekä sen komiteat ja muut erityisjärjestöt antavat merkittävän panoksen niiden ratkaisemiseen.

Jotkut päiväntasaajan maat ovat esittäneet eri aikoina vaatimuksia (esimerkiksi julistus suvereniteetin vahvistamisesta GSO-alueella, jonka Brasilia, Kolumbia, Kongo, Ecuador, Indonesia, Kenia, Uganda ja Zaire allekirjoittivat Bogotássa 3. joulukuuta 1976) ulottaakseen suvereniteettinsa alueidensa yläpuolella sijaitseviin alueisiin ovat osa ulkoavaruutta, jossa geostationaaristen satelliittien kiertoradat kulkevat. Erityisesti todettiin, että geostationaarinen kiertorata on fyysinen tekijä, joka liittyy planeettamme olemassaoloon ja on täysin riippuvainen Maan gravitaatiokentästä, ja siksi vastaavat avaruuden osat (geostationaarisen kiertoradan segmentit) ovat sellaisenaan. olivat jatkoa alueille, joilla ne sijaitsevat. Vastaava määräys on kirjattu Kolumbian perustuslakiin.

Nämä päiväntasaajan valtioiden väitteet hylättiin ulkoavaruuden omaksumatta jättämisen periaatteen vastaisina. YK:n ulkoavaruuskomitea kritisoi oikeutetusti tällaisia ​​lausuntoja. Ensinnäkään ei voida väittää omistavansa mitään aluetta tai tilaa, joka sijaitsee niin merkittävällä etäisyydellä asianomaisen valtion alueesta. Toiseksi ulkoavaruus ei ole kansallisen määrärahan alainen. Kolmanneksi on teknisesti epäpätevää puhua mistään fyysisestä suhteesta valtion alueen ja niin kaukaisen avaruusalueen välillä. Lopuksi jokaisessa yksittäistapauksessa geostationaarisen satelliitin ilmiö liittyy tiettyyn avaruusobjektiin. Jos satelliittia ei ole, ei ole geostationaarista kiertorataa.

Harvat aktiivisen avaruustutkimuksen aikakauden osa-alueet ovat vaikuttaneet niin syvästi ihmiskunnan jokapäiväiseen elämään kuin geostationaarisen kiertoradan käsite, joka liittyy läheisesti viestintäsatelliitin keksintöön. Nämä kaksi tekijää osoittautuivat todelliseksi teknologiseksi ja tieteelliseksi läpimurroksi, joka antoi valtavan sysäyksen paitsi tietoliikenneteknologian, myös kaiken tieteen kehitykselle yleensä, mikä mahdollisti ihmisten elämän nostamisen laadullisesti uudelle tasolle.

Tämä mahdollisti koko planeetan peittämisen vakaiden radiosignaalien paksulla verkolla ja yhdistää planeetan syrjäisimmätkin kohdat tavalla, joka viime aikoihin asti oli tutkijoiden unelmien aihe ja tieteiskirjailijoiden teema. Nykyään voit puhua vapaasti puhelimessa Etelämantereen napamatkailijoiden kanssa tai ottaa välittömästi yhteyttä Internetin kautta mihin tahansa maan päällä olevaan tietokoneeseen Ja kaikki tämä geostationaarisen kiertoradan ja viestintäsatelliittien ansiosta.

Gestationaarinen kiertorata on pyöreä kiertorata, joka sijaitsee täsmälleen planeetan päiväntasaajan yläpuolella. Geostationaarinen kiertorata on ainutlaatuinen siinä mielessä, että sillä sijaitsevilla satelliiteilla on pyörimisnopeus Maan ympäri, joka on yhtä suuri kuin planeetan itsensä pyörimisnopeus oman akselinsa ympäri, mikä antaa heille mahdollisuuden jatkuvasti "leikkua" saman pinnan pisteen päällä. Tämä varmistaa radiosignaalien vakauden ja poikkeuksellisen laadun.

Geostaationaarista kiertorataa, joka on eräänlainen geosynkroninen kiertorata ja jolla on ainutlaatuiset ominaisuudet, käytetään laajalti televiestinnän, televisiolähetysten, meteorologisen, tieteellisen tutkimuksen ja muiden satelliittien vastaanottamiseen. Gestationaarisen kiertoradan korkeus on 35 785 kilometriä merenpinnan yläpuolella. Juuri tämä tarkasti laskettu korkeus varmistaa synkronisen pyörimisen planeetan kanssa. GEO:lla sijaitsevat keinotekoiset satelliitit pyörivät samaan suuntaan kuin maapallo. Tämä on ainoa mahdollinen parametrien yhdistelmä, jolla saavutetaan satelliitin ja planeetan synkronisen liikkeen vaikutus.

Gestationaarisella kiertoradalla on myös vaihtoehtoinen nimi - Clark Belt, joka on nimetty sen henkilön mukaan, jolla on leijonan osuus idean kehittämisestä ja geostationaaristen ja geosynkronisten kiertoratojen käsitteen kehittämisestä. Vuonna 1945 Wireless World -julkaisussa hän määritti tämän maata lähellä olevan avaruuden kapean alueen kiertoradan ominaisuudet ja ehdotti keskustelua maa-satelliittiviestintäjärjestelmän teknisistä parametreista.

Tietoliikenteen nopean kehityksen myötä geostationaarinen kiertorata on muuttunut ainutlaatuiseksi ulkoavaruuden kaistaleeksi, ja tämän alueen korvaamattomasta ja pohjimmiltaan äärimmäisestä ruuhkasta eri satelliiteilla on tullut vakava ongelma. Asiantuntijoiden mukaan 2000-luvulla on odotettavissa kovaa kilpailullista taloudellista ja poliittista vastakkainasettelua paikasta geostationaarisella kiertoradalla. Kansainväliset poliittiset sopimukset eivät voi ratkaista tätä ongelmaa. Syntyy täysin pattitilanne. Ja seuraavan kahden vuosikymmenen aikana pätevien ennusteiden mukaan geostationaarinen kiertorata sille edullisimpana paikkana kuluttaa resurssinsa täysin.

Yksi todennäköisimpiä ratkaisuja voi olla raskaiden monikäyttöisten laituriasemien rakentaminen kiertoradalle. Nykyaikaisilla tekniikoilla yksi tällainen asema voi menestyksekkäästi korvata kymmeniä satelliitteja. Nämä alustat ovat kustannustehokkaampia kuin satelliitit ja lähentävät maita tiedossa.