Орбіти руху штучних супутників землі. Обчислення параметрів геостаціонарної орбіти радіус орбіти та висота орбіти За якими орбітами рухаються штучні супутники

Нині людство використовує кілька різних орбіт розміщувати супутників. Найбільша увага прикута до геостаціонарної орбіти, яка може бути використана для «стаціонарного» розміщення супутника над тією чи іншою точкою Землі. Орбіта, обрана до роботи супутника, залежить від призначення. Наприклад, супутники, використовувані прямого мовлення телевізійних програм, поміщають на геостаціонарну орбіту. Багато супутників зв'язку також знаходяться на геостаціонарній орбіті. Інші супутникові системи, зокрема ті, що використовуються для зв'язку між супутниковими телефонами, обертаються на низькій навколоземній орбіті. Аналогічно супутникові системи, що використовуються для навігаційних систем, таких як Navstar або Система глобального позиціонування (GPS), також знаходяться на відносно низьких навколоземних орбітах. Існує ще безліч інших супутників - метеорологічні, дослідницькі і так далі. І кожен із них, залежно від свого призначення, отримує «прописку» на певній орбіті.

Читайте також:

Конкретна орбіта, яка обирається для роботи супутника, залежить від безлічі факторів, серед яких – функції супутника, а також територія, що обслуговується. В одних випадках це може бути вкрай низька навколоземна орбіта (LEO), що знаходиться на висоті всього 160 км над Землею, в інших випадках супутник знаходиться на висоті понад 36 000 км над Землею – тобто, на геостаціонарній орбіті GEO. Понад те, ряд супутників використовує не кругову орбіту, а еліптичну.

Притягнення Землі та супутникові орбіти

У міру поводження супутників на навколоземній орбіті вони потихеньку з неї зміщуються через силу тяжіння Землі. Якби супутники не оберталися по орбіті, вони почали б поступово падати на Землю і згоріли б у верхніх шарах атмосфери. Проте саме обертання супутників навколо Землі створює силу, що відштовхує їхню відмінність від нашої планети. Для кожної з орбіт існує своя розрахункова швидкість, яка дозволяє збалансувати силу тяжіння Землі та відцентрову силу, утримуючи апарат на постійній орбіті і не даючи йому набирати, ні втрачати висоту.

Цілком зрозуміло, що чим нижче орбіта супутника, тим сильніше на нього впливає тяжіння Землі і тим більша потрібна швидкість для подолання цієї сили. Чим більша відстань від Землі до супутника – тим, відповідно, менша потрібна швидкість його перебування на постійної орбіті. Для апарата, що обертається на відстані близько 160 км над поверхнею Землі, потрібна швидкість приблизно 28 164 км/год, а це означає, що такий супутник робить виток навколо Землі приблизно за 90 хвилин. На відстані 36 000 км над поверхнею Землі супутнику для перебування на постійній орбіті потрібна швидкість трохи менше 11 266 км/год, що дає змогу такому супутнику звертатися навколо Землі приблизно за 24 години.

Визначення кругової та еліптичної орбіт

Всі супутники звертаються навколо Землі, використовуючи один із двох базових типів орбіт.

• Кругова супутникова орбіта: при зверненні космічного апарату навколо Землі круговою орбітою його відстань над земної поверхнею залишається завжди однаковим.
• Еліптична супутникова орбіта: Обертання супутника по еліптичній орбіті означає зміну відстані до Землі в різний час протягом одного витка.

Читайте також:

Супутникові орбіти

Існує безліч різних визначень, пов'язаних з різними типами супутникових орбіт:

• Центр Землі: Коли супутник звертається навколо землі - по круговій або еліптичній орбіті - орбіта супутника формує площину, яка проходить через центр земного тяжіння або Центр Землі.
• Напрямок руху навколо Землі: Способи звернення супутника навколо нашої планети можна розбити на дві категорії відповідно до напряму цього звернення:

1. Прискорювальна орбіта: Звернення супутника навколо Землі називають прискорювальним, якщо супутник обертається у тому напрямі, у якому обертається Земля;
2. Ретроградна орбіта: Звернення супутника навколо Землі називають ретроградним, якщо супутник обертається у напрямі, протилежному напрямку обертання Землі.

• Траса орбіти:трасою орбіти супутника називають точку на земній поверхні, при прольоті над якою супутник знаходиться прямо над головою в процесі руху по орбіті навколо Землі. Траса утворює коло, у центрі якого розташований Центр Землі. Слід зазначити, що геостаціонарні супутники є особливим випадком, оскільки вони постійно знаходяться над однією і тією ж точкою над поверхнею Землі. Це означає, що їхня траса орбіти складається з однієї точки, розташованої на екваторі Землі. Також можна додати, що траса орбіти супутників, що обертаються строго над екватором, тягнеться вздовж цього екватора.

Для цих орбіт, як правило, характерне усунення траси орбіти кожного супутника у західному напрямку, оскільки Земля під супутником звертається у східному напрямку.

• Орбітальні вузли: Це точки, в яких траса орбіти переходить з однієї півкулі в іншу. Для неекваторіальних орбіт існує два такі вузли:

1. Висхідний вузол: Це вузол, у якому траса орбіти переходить із південної півкулі до північної.
2. Східний вузол: Це вузол, у якому траса орбіти переходить із північної півкулі до південної.

• Висота супутника: З розрахунку багатьох орбіт необхідно враховувати висоту супутника над центром Землі. Цей показник включає відстань від супутника до Землі плюс радіус нашої планети. Як правило, вважається, що він дорівнює 6370 кілометрів.
• Орбітальна швидкість: Для кругових орбіт вона завжди однакова. Однак у випадку з еліптичними орбітами все інакше: швидкість звернення супутника по орбіті змінюється в залежності від його позиції на цій орбіті. Вона досягає свого максимуму при найбільшому наближенні до Землі, де супутник має максимальне протистояння силі тяжіння планети, і знижується до мінімуму при досягненні точки найбільшого віддалення від Землі.
• Кут підйому: Кутом піднесення супутника називають кут, на якому супутник розташований над лінією горизонту. Якщо кут занадто малий, сигнал може бути перекритий розташованими близько об'єктами – у випадку, якщо приймальна антена піднята недостатньо високо. Однак і для антен, які підняті над перешкодою, також існує проблема прийому сигналу з супутників, що мають низький кут підйому. Причина тут у тому, що супутниковий сигнал у такому разі повинен пройти більшу відстань через земну атмосферу і в результаті зазнає більшого послаблення. Мінімально допустимим кутом підйому для більш-менш задовільного прийому прийнято вважати кут п'ять градусів.
• Кут нахилу: Не всі супутникові орбіти йдуть уздовж лінії екватора - насправді, більшість низьких навколоземних орбіт не дотримується цієї лінії. Тому необхідно визначати кут нахилу орбіти супутника. Діаграма, розташована нижче, ілюструє цей процес.

Інші показники, пов'язані із супутниковою орбітою

Для того, щоб супутник міг використовуватися для надання послуг зв'язку, наземні станції повинні мати можливість «стежити» за ним з метою отримання сигналу та відправки сигналу на нього. Зрозуміло, що зв'язок із супутником можлива лише тоді, що він перебуває у зоні видимості наземних станцій, і, залежно від типу орбіти, може перебувати у зоні видимості лише короткі проміжки часу. Для впевненості в тому, що зв'язок із супутником можливий протягом максимального проміжку часу, існує кілька варіантів, які можна використовувати:

• Перший варіантполягає у використанні еліптичної орбіти, точка апогею якої знаходиться якраз над планованим розміщенням наземної станції, що дає можливість супутникові перебувати в зоні видимості цієї станції протягом максимального проміжку часу.
• Другий варіантполягає в запуску декількох супутників на одну орбіту, і, таким чином, у той час, коли один з них зникає з уваги і зв'язок з ним губиться, на його місце приходить інший. Як правило, для організації більш-менш безперебійного зв'язку потрібен запуск на орбіту трьох супутників. Однак процес зміни одного «чергового» супутника іншим вносить до системи додаткові складності, а також низку вимог до мінімуму трьох супутників.

Визначення кругових орбіт

Кругові орбіти можна класифікувати за кількома параметрами. Такі терміни, як Низька навколоземна орбіта, Геостаціонарна орбіта (і подібні до них) вказують на відмінну рису конкретної орбіти. Короткий огляд визначень кругових орбіт наведено в таблиці нижче.

Запуск першого у світі радянського штучного супутника Землі 4 жовтня 1957 р. започаткував епоху створення штучних небесних тіл. При запуску перших штучних супутників Землі (ІСЗ) ставилося завдання отримати відомості, що стосуються щільності та температури верхніх шарів атмосфери та розподілу маси в межах Землі. Запуски ШСЗ дозволили встановити, що на високих висотах щільність повітря в багато разів більша, ніж передбачалося до запуску супутників, що вона сильно змінюється протягом доби. За даними спостереження за рухом ШСЗ, вчені точніше визначили форму та розміри Землі, а також відстані між материками. Діапазон завдань, що ставляться і вирішуються за допомогою ШСЗ, безперервно розширюється. До теперішнього часу кількість запущених ШСЗ сягає кількох тисяч. Супутники запускаються тепер як для наукових цілей, а й у вирішення багатьох практичних завдань.

Наприклад, у низці країн запускаються метеорологічні супутники та супутники зв'язку. Протягом кількох років військово-морські сили США використовують у досвідченому порядку супутникову систему навігації "Транзит", що складається з п'яти ШСЗ.

У зв'язку з бурхливим зростанням повітряного руху почали проводитися розробки із застосування ШСЗ для запобігання зіткненню літаків у повітрі, управління повітряним рухом та забезпечення літаководіння.

Впровадження супутникових систем літаководіння та зв'язку має вирішити проблему надійного УВС та навігаційного забезпечення польотів в умовах очікуваного зростання руху літаків до кінця нинішнього сторіччя. Застосування супутникових систем літакопроводу та зв'язку дозволить забезпечувати польоти літаків у будь-яких погодних умовах. Враховуючи виняткову надійність цих систем, можна буде зменшити нормативи бічного та вертикального ешелонування та тим самим покращити використання повітряного простору. Авіадиспетчери та пілоти матимуть можливість зв'язуватися з будь-якою точкою Землі та повітряного простору.

Нині можна створити єдину світову навігаційну систему. Але для цього потрібна міжнародна співпраця. Використання ШСЗ для літаководіння є подальшим розвитком методів авіаційної астрономії. Розглянемо деякі поняття, пов'язані з навігаційним використанням ШСЗ.

Елементи орбіти ШСЗ.

Штучним супутником Землі прийнято вважати космічний апарат, виведений у космічний простір, рух якого за своєю орбітою підпорядковується природним силам. Шлях ШСЗ у просторі називається орбітою. Відповідно до законів небесної механіки площина орбіти супутника Землі завжди проходить через центр мас Землі та супутника. Тому всі можливі орбіти супутника розташовуються в площинах перетину Землі з великого кола. Внаслідок цього ШСЗ може рухатися, наприклад, у площині екватора, але не може переміщатися у площинах паралелей Землі.

Щоб тіло стало ШСЗ, необхідно надати йому швидкість щодо Землі не менше за кругову, яку називають першою космічною швидкістю. Для супутника, що рухається по колу біля Землі, вона дорівнює 7,912 км/с. Кругова швидкість із збільшенням висоти зменшується. Наприклад, на висоті 1000 км кругова швидкість супутника дорівнює 7356 км/с. Якщо штучний супутник отримає швидкість більше кругової, що відповідає його висоті над земною поверхнею, він рухатиметься по еліптичній орбіті. При орбітальній швидкості 11,19 км/с штучний супутник виходить еліптичну орбіту щодо Сонця, т. е. перестає бути супутником Землі.

Для навігаційних цілей використовують стаціонарні, синхронні та несинхронні ШСЗ.

Супутник, що має екваторіальну кругову орбіту з періодом обігу, що дорівнює періоду обертання Землі, називається стаціонарним. Він розташований у просторі завжди над однією і тією ж точкою екватора. Щоб досягти зазначеної умови, супутник повинен рухатися із заходу Схід на висоті 35 800 км зі швидкістю 3,076 км/с. У цьому випадку кутова швидкість супутника дорівнюватиме кутовий швидкості обертання Землі.

Супутник, що має період обігу в ціле число разів менший або більший, ніж період обертання Землі, називається синхронним. Такий супутник характерний тим, що за першої умови він щодобово проходить над однією і тією ж точкою Землі в той самий час.

Супутник, у якого період обігу не кратний періоду обертання Землі, називається несинхронним.

Знаючи елементи орбіти ШСЗ, можна визначити його положення у просторі для будь-якого моменту часу. Еліптична орбіта ШСЗ показана на рис. 7.20. У цьому малюнку Я - перигей орбіти (найближча до Землі точка орбіти супутника); А - апогей орбіти (найбільш віддалена від Землі точка орбіти супутника); i – кут нахилу площини орбіти супутника до площини небесного екватора; - висхідний вузол орбіти (крапка на орбіті, в якій ШСЗ перетинає площину небесного екватора, переходячи з Південної півкулі до Північної); 15 - низхідний вузол орбіти; Т – точка весняного рівнодення; Q - пряме сходження висхідного вузла орбіти; з - кутове відстань перигею по орбіті від висхідного вузла; а - пряме сходження супутника; - відмінювання супутника. Щоб повністю визначити орбіту супутника, потрібно знати шість елементів. Елементи Q, i, з називають кутовими елементами. До просторових елементів орбіти ставляться: велика піввісь еліпса і ексцентриситет орбіти , тобто. Відношення фокусної відстані До великої півосі еліпса. Велика піввісь та ексцентриситет характеризують розміри та форму еліптичної орбіти. Шостим елементом є час проходження перигею.

Положення супутника на небесній сфері визначається відміною та прямим сходженням. Але це елементи дуже швидко змінюються, оскільки ШСЗ має малий період звернення. Якби рух ШСЗ не надавали дії обурюючі сили, то становище його орбіти у просторі, і навіть розміри і форма орбіти залишалися б незмінними.

Рис. 7.20. Елементи орбіти ШСЗ

Насправді рух супутника відчуває складні та різноманітні обурення. Вплив сил тяжіння Сонця, Місяця та планет, неоднорідність поля тяжіння Землі, вплив сил опору атмосфери та електромагнітних сил змінюють параметри орбіти ШСЗ.

Без знання елементів траєкторії та координат ШСЗ не можна використовувати його для літаководіння. Тому до складу супутникових навігаційних систем входить ЕОМ, яка обчислює ефемеріди (координати) ШСЗ. Обчислені координати передаються на супутник, а звідти на літак, де використовуються при обробці результатів вимірювань.

Супутникові навігаційні системи.

Основне завдання літаководіння зводиться до визначення місця літака. У сучасних умовах це завдання можна вирішити за допомогою ШСЗ, які є новими перспективними засобами літаководіння. Штучні супутники, будучи небесними тілами, мають ряд переваг перед природними небесними світилами - вони оснащені приймальною апаратурою, що дозволяє вимірювати не тільки кутові координати ШСЗ, але й використовувати властивості радіохвиль для визначення дальності до них.

Розглянемо коротко принцип роботи супутникової навігаційної системи з прикладу супутникової системи навігації «Навстар». До її складу (рис. 7.21) входять: один або кілька ШСЗ; мережа стежать станцій; обчислювальний центр; передавальний центр; літакове бортове обладнання. Кількість супутників, їх висота та положення орбіт визначається практичними міркуваннями щодо забезпечення польотів у необхідних районах.

Мережа стежать станцій забезпечує стеження за супутниками та визначення точного їхнього положення. Число станцій залежить від необхідної тривалості стеження. Станції розташовуються у пунктах із точно відомими координатами. Дані станцій стеження надходять до обчислювального центру, де за допомогою ЕОМ проводиться обчислення ефемерид ШСЗ, які

потім передаються передавальним центром на супутник, а звідти посилаються абонентам як частини навігаційного сигналу.

Бортове обладнання залежно від типу літака може включати літаковий приймач, радіосекстант, обладнання доплерівської системи для роботи з ШСЗ, радіолокаційний приймач для кутомірно-дальномірної системи та цифрову обчислювальну машину (ЦВМ) за допомогою якої проводиться обробка супутникових сигналів та автоматичне визначення місця літака з видачею його на індикатор.

Рис. 7.21. Загальний принцип роботи супутникової навігаційної системи

Для зниження вартості бортового обладнання деяких системах передбачається визначення місця літака виробляти землі з допомогою ЕОМ. Далі дані про місце літака через релейні станції на ШСЗ передаються диспетчером УВС на борт літака для вирішення екіпажем навігаційних завдань.

Супутникові навігаційні системи можуть бути наступних типів: кутомірні, далекомірні та доплерівські.

Кутомірні супутникові системи засновані на вимірюванні бортовим пристроєм кутових висот двох супутників. У процесі вимірювання висот апаратура, встановлена ​​на супутниках, передає літак їх координати. Виміряні висоти та інформація про положення супутників автоматично обробляються бортовою обчислювальною апаратурою, яка видає поточні географічні координати місця літака.

Дальномірні супутникові системи засновані на вимірі дальності до двох супутників та висоти польоту літака. Вимірювання дальностей до двох супутників дозволяє отримати на земній поверхні два кола рівних дальностей. Перетин цих кіл дає місце літака. Центром кола рівних дальностей є географічне місце ШСЗ. Місце літака визначається бортовим автоматичним обчислювальним пристроєм за відомими траєкторними елементами супутників, висотою польоту та далекостями до двох супутників.

Доплерівські супутникові системи засновані на принципі визначення доплерівського зсуву частоти прийнятих літаком сигналів ШСЗ. Така система складається з одного або кількох супутників, становище орбіт яких у часі точно відоме. На супутнику встановлено передавач із суворо стабілізованою частотою випромінювання навігаційних сигналів. Ці сигнали передаються через встановлений проміжок часу. За допомогою приймача на літаку визначається доплерівське зрушення частоти. Інтегрування отриманого зсуву частоти забезпечує перебування дальності до супутника. Три таких виміри дозволяють визначити місце літака, як і в далекомірній системі. У доплерівській системі не забезпечується безперервне визначення місця літака. Але при цьому можна обійтися без кутових вимірювань, що потребують стабілізації платформи антени на літаку, що значно ускладнює бортову апаратуру.

Супутникові навігаційні системи мають незаперечні переваги перед іншими системами та їх впровадження дозволить підвищити надійність та безпеку виконання польотів над будь-якими районами земної кулі.

У космічному просторі над Землею супутники рухаються певними траєкторіями, звані орбіти руху штучних супутників Землі. Орбіта – це траєкторія руху (чи перекладі з латинського “шлях, дорога”) будь-якого матеріального об'єкта (у разі супутника) вперед по заздалегідь заданої системі просторових координат з урахуванням зміни силових полів, що діють нею.

Здійснюється рух штучних супутників Землі (ІСЗ) за трьома орбітами: полярною, похилою та екваторіальною (геостаціонарна).

Полярна орбіта має кутовий градус нахилу рівний 90 ° (позначається буквою "i" від англ. inclination) по відношенню до площини екватора. Цей кут ще вимірюється в хвилинах та секундах. Полярна орбіта буває синхронною та квазісинхронною.

Похила ж орбіта розташована між полярною та екваторіальною орбітами штучних супутників Землі, що утворює зміщений гострий кут

Головний і суттєвий недолік полярної та похилої орбіти в тому, що супутник постійно перебуває в русі за своєю орбітою, тому для відстеження його положення антену необхідно постійно підлаштовувати для отримання супутникового сигналу. Для автоматизованого підстроювання антени до положення супутника існують спеціальні дорогі обладнання, які дуже складно встановити та надалі обслуговувати.

Геостаціонарна орбіта (її ще називаю екваторіальною) має нульове відхилення і знаходиться в площині екватора нашої планети. Супутник, що рухається по ній, робить повний виток, рівний тому часу, за який Земля обертається навколо своєї осі. Тобто щодо наземного спостерігача такий супутник здаватиметься нерухомим в одній точці.

1-Геостаціонарна орбіта (ДСО) або екваторіальна орбіта.

2-Похила орбіта.

3-полярна орбіта.

Висота над поверхнею Землі геостаціонарної орбіти ( ДСО) дорівнює 35876 км, радіус 42241 км, та її протяжність (довжина) дорівнює 265409 км. Необхідно враховувати ці параметри під час виведення супутника на ДСОі тоді можна буде досягти такої нерухомості стосовно спостерігача, що знаходиться на Землі.

Саме геостаціонарну орбіту використовують для запуску більшості супутників комерційного призначення. Швидкість руху супутника по ДСОприблизно дорівнює 3000 м/с.

Крім сильних є геостаціонарна орбіта і слабка сторона: на приполярних районах Землі кут місцевості дуже малий, тому передача сигналу стає неможливим - у зв'язку з перенасиченням геостаціонарної орбіти, яке відбувається через скупчення декількох супутників з невеликою відстанню один від одного.

Для супутникового телебачення використовуються супутники, що знаходяться на ДСОтому антена користувача нерухома. Чим ближче широта північ, тим менше можна супутників прийняти.

Зазвичай супутникова антена налаштовується за двома координатами: азимуту (відхилення самого супутника від напрямку у бік “Північ” та площиною горизонту, що визначається за годинниковою стрілкою) та кутом місця (кут між площиною горизонту та напрямком на супутник).

Короткий опис

Штучний супутник Землі (ІСЗ) - космічний апарат, що обертається навколо Землі геоцентричною орбітою.
Для руху по орбіті навколо Землі апарат повинен мати початкову швидкість, рівну або трохи більшу за першу космічну швидкість.

Вступ …………………………………………………………………………...2
1 Класифікації типів ШСЗ…………………………………………………......2
1.1. Супутник зв'язку……………………………………………………………….…2
2.1 Орбіти штучних супутників Землі…………………………………...3
2.2 Розподіл орбіт ШСЗ………………………………………………………….….6
2.2.1 Класифікація орбіт ШСЗ по способу……………………….……...6
2.2.1.1 Екваторіальні орбіти…………………………………………………..7
2.2.1.2 Полярні орбіти…………………………………………………………..7
2.2.1.3 Сонячно-синхронні орбіти…………………………………………….8
2.2.2 Класифікація орбіт ШСЗ за величиною великої півосі………….….9
2.2.2.1 Низькоорбітальні ШСЗ (LEO)……………………………………………9
2.2.2.2 Середньоорбітальні ШСЗ(MEO)…………………………………………..9
2.2.2.3 Геостаціонарні та геосинхронні орбіти ШСЗ……………………....9
2.2.2.4 Високоорбітальні ШСЗ (HEO)…………………………………………12
3 Висновок………………………………………………………………………..13
Список литературы………………………………………………………………...14

Файли: 1 файл

Принцип дій одноразової багатоступінчастої ракети-носія полягає в наступному: поки працює перший щабель, можна розглядати решту разом із істинним корисним навантаженням як корисне навантаження першого ступеня. Після її відділення починає працювати друга, яка разом з наступними щаблями та справжнім корисним навантаженням утворює нову самостійну ракету. Для другого ступеня всі наступні (якщо вони є) разом з істинним корисним вантажем грають роль корисного навантаження і так далі, тобто політ її характеризується декількома етапами, кожен з яких є ніби щаблем для повідомлення початкової швидкості іншим одноступінчастим ракетам, що входять в її склад. При цьому початкова швидкість кожної наступної одноступінчастої ракети дорівнює кінцевій швидкості попередньої. Відторгнення першого та наступних ступенів носія здійснюється після повного вигоряння палива в руховій установці.

Шлях, який проходить ракета-носій під час виведення ШСЗ на орбіту, називають траєкторією польоту. Він характеризується активним та пасивним ділянками. Активна ділянка польоту - це проліт щаблів носія з працюючими двигунами, пасивна ділянка - політ ракетних блоків, що відпрацювали, після їх відокремлення від ракети-носія.

Носій, стартуючи вертикально (Мал. 1. ділянку 1, розташований на висоті 185... 250 км), виходить потім на криволінійну активну ділянку 2 у східному напрямку. На цій ділянці перший ступінь забезпечує поступове зменшення кута нахилу осі по відношенню до місцевого горизонту. Ділянки 3, 4 - відповідно активні ділянки польоту другого та третього ступенів, 5 - орбіта ШСЗ, 6, 7 - пасивні ділянки польоту ракетних блоків першого та другого ступенів

При виведенні ШСЗ на відповідну орбіту велику роль грають час та місце запуску ракети-носія. Підраховано, що космодром вигідніше розташовувати якомога ближче до екватора, тому що при розгоні у східному напрямку ракета-носій отримує додаткову швидкість. Ця швидкість називається окружною швидкістю космодрому Vк, тобто швидкість його руху навколо осі Землі завдяки добовому обертанню планети, тобто на екваторі вона дорівнює 465 м/с, а на широті космодрому Байконур

316 м/с. Фактично це означає, що з екватора тією ж ракетою-носієм може бути запушений більш важкий ШСЗ. Завершальною стадією польоту ракети-носія є виведення ШСЗ на орбіту, форма якої визначається кінетичною енергією, що повідомляється ШСЗ ракетою, тобто кінцевою швидкістю носія. У тому випадку, коли супутнику повідомляється кількість енергії, достатня для його виведення на ДСО, ракета-носій повинна вивести в точку, віддалену від Землі на 35875 км, і повідомити йому при цьому швидкість 3075 м/с.

Орбітальну швидкість геостаціонарного ШСЗ легко підрахувати. Висота ДСО над поверхнею Землі 35786 км, радіус ДСО на 6366 км більше (середній радіус Землі), тобто 42241 км. Помноживши значення радіуса ДСО на 2л (6,28), отримаємо її довжину кола - 265409 км. Якщо розділити її на тривалість доби в секундах (86400 с), отримаємо орбітальну швидкість ШСЗ - в середньому 3,075 км/с, або 3075 м/с.

Зазвичай виведення супутника ракетою-носієм здійснюється у чотири етапи: вихід на початкову орбіту; вихід на орбіту «очікування» (паркувальну орбіту); вихід на перехідну орбіту; вихід на кінцеву орбіту.

2.2 Розподіл орбіт ШСЗ.

Основне розподіл орбіт виробляють за величиною способу "i" орбіти і за значенням великої півосі "a". Крім того, можна виділити розподіл за величиною ексцентриситету "e" - малоеліптичні та високоеліптичні орбіти. Наочне уявлення про зміну виду орбіти за різних значень ексцентриситету дано на рис. 2.

Рис. 2. Зміна виду еліптичної орбіти за різних значень ексцентриситету "e".

Класифікація орбіт ШСЗ нахилення

У випадку нахилення орбіта ШСЗ лежить у діапазоні 0°< "i" < 90° (рис. 3). В зависимости от значение наклонения и высоты ИСЗ над поверхностью Земли, положение областей его видимости имеют различные границы широты, а в зависимости от высоты над поверхностью - и различный радиус этих областей. Чем больше наклонение, тем на более северных широтах может быть виден спутник, а чем он выше - тем шире область видимости. Таким образом, наклонение "i" и большая полуось "a" определяют перемешение по поверхности Земли полосы видимости ИСЗ и её ширину.

У випадку пареметри орбіти еволюціонуватимуть залежно від способу "i", великої півосі "a" і ексцентриситету "e".

Рис. 3. Загальний випадок орбіти супутника із нахилом 0°< "i" < 90°.

Екваторіальні орбіти

Екваторіальна орбіта - крайній випадок орбіти, коли спосіб "i" = 0° (рис. 4). У цьому випадку прецесія та поворот орбіти будуть максимальні - до 10 ° / добу і до 20 ° / добу відповідно. Ширина смуги видимості супутника, розташована вздовж екватора, визначається його висотою над поверхнею Землі. Орбіти з малим способом "i" часто називають "близько екваторіальними".

Рис. 4. Екваторіальна орбіта.

Полярні орбіти

Полярна орбіта - другий крайній випадок орбіти, коли нахилення "i" = 90 ° (рис. 5). У цьому випадку прецесія орбіти відсутня, а поворот орбіти відбувається у бік, зворотний щодо обертання ШСЗ, і не перевищує 5°/добу. Подібний полярний ШСЗ послідовно проходить над усіма ділянками Землі. Ширина лінії видимості супутника визначається його висотою над поверхнею Землі, але супутник рано чи пізно можна побачити з будь-якої точки. Орбіти з нахиленням "i", близьким до 90°, називають "приполярними".

Рис. 5. Полярна орбіта.

Сонячно-синхронні орбіти

Рис. 6. Сонячно-синхронна орбіта.

Сонячно-синхронна орбіта (ССО) - особливий вид орбіти, часто використовуваний супутникам, які роблять зйомку Землі. Є орбітою з такими параметрами, що супутник проходить над будь-якою точкою земної поверхні приблизно в один і той же місцевий сонячний час. Рух такого супутника синхронізований з рухом лінії термінатора поверхнею Землі - за рахунок цього супутник може летіти завжди над кордоном освітленої і неосвітленої сонцем території, або завжди в освітленій області, або навпаки - завжди в нічній, причому умови освітленості при прольоті над однією і тією ж точкою Землі завжди однакові. Для досягнення цього ефекту орбіта повинна прецесувати у бік, обернений до обертання Землі (тобто на схід) на 360° на рік, щоб компенсувати обертання Землі навколо Сонця. Такі умови дотримуються лише певного діапазону висот орбіт і способів - зазвичай, це висоти 600-800 км і спосіб " i " має бути близько 98°, тобто. ШСЗ на сонячно-синхронних орбітах мають зворотний рух (рис. 6). При збільшенні висоти польоту ШСЗ нахилення має збільшуватися, через що він не пролітатиме над полярними районами. Як правило, сонячно-синхронні орбіти близькі до кругових, але можуть бути помітно еліптичними. Через вплив обурень супутник поступово виходить із режиму синхронізації, у зв'язку з чим він періодично потребує корекції своєї орбіти за допомогою двигунів.

Класифікація орбіт ШСЗ за величиною великої півосі

Друга класифікація – за величиною великої півосі, і точніше, за висотою над поверхнею Землі.

Низькоорбітальні ШСЗ (LEO)

Низькоорбітальними ШСЗ (НОС, рис. 7, а) зазвичай вважаються супутники з висотами від 160 км до 2000 км над поверхнею Землі. Такі орбіти (і супутники) в англомовній літературі називають LEO (від англ. Low Earth Orbit). Орбіти LEO схильні до максимальних збурень з боку гравітаційного поля Землі та її верхньої атмосфери. Кутова швидкість супутників LEO максимальна - від 0,2 ° / с до 2,8 ° / с, періоди обігу від 87,6 хвилин до 127 хвилин.

Рис. 7. Низькоорбітальні ШСЗ (а) та середньоорбітальні ШСЗ (б).

Середньоорбітальні ШСЗ(MEO)

Середньоорбітальними ШСЗ (СОС (рус.), або "MEO" - від англ. "Medium Earth Orbit") зазвичай вважаються супутники з висотами від 2000 км до 35786 км над поверхнею Землі (рис. 7, б). Нижня межа визначається межею LEO, а верхня - орбітою геостаціонарних супутників. Цю зону в основному "заселяють" супутники навігації (ІСЗ "NAVSTAR" системи "GPS" літають на висоті 20200 км., ІСЗ системи "ГЛОНАСС" - на висоті 19100 км.) та зв'язки, що покривають полюси Землі. Період звернення – від 127 хвилин до 24 годин. Кутова швидкість - одиниці та частки кутової хвилини за секунду.

Геостаціонарні та геосинхронні орбіти ШСЗ

Геостаціонарні ШСЗ (ГСС (рус.), або "GSO" - від англ. "Geosynchronous Orbit") вважаються супутники, що мають період обігу навколо Землі, рівний зоряним (сидеричним) добам - 23ч 56м 4,09с. Якщо спосіб "i" орбіти нульове, то такі орбіти називають геостаціонарними (рис. 8, а). Геостаціонарні ШСЗ літають на висоті 35 786 км над поверхнею Землі. Т.к. їхній період звернення збігається з періодом обернення Землі навколо своєї осі, то такі ШСЗ "висять" у небі на одному місці (рис. 9). Якщо спосіб "i" не дорівнює нулю, то такі ШСЗ називаються геосинхронними (рис. 8, б). Насправді багато геостаціонарних супутників мають невелике нахилення і схильні до обурень з боку Місяця і Сонця, у зв'язку з чим вони описують на небі фігури у вигляді "вісімок", витягнутих у напрямку північ-південь.

Рис. 8. Геостаціонарний (а) та геосинхронний (б) ШСЗ.

Якщо говорити про вид траєкторії ГСС, то він визначається значенням нахилу нахилення "i", ексцентриситету "e" та аргументу перигею "Wp орбіти супутника (рис. 10). Якщо ексцентриситет і нахилення орбіти нульові, то супутникова точка нерухома і проектується в конкретну точку поверхні Землі При ненульовому ексцентриситеті та нульовому нахилі ГСС "малює" на поверхні відрізок, переміщуючись зі сходу на захід і назад, зміщуючись від нульового положення не більше ніж на ΔLmax = 114.6°·e, тобто при ексцентриситеті e=0.01 зсув якщо нахилення ненульове, а ексцентриситет нульовий, то ГСС "малює" класичні "вісімки" - кутова висота 2Θ фігури дорівнює подвоєному значенню нахилення i орбіти, максимальна ширина ΔLmax обчислюється за формулою 0.04 i" задається в градусній мірі). У загальному випадку при ненульових "i" і "e" трек ГСС на поверхні Землі є "нахиленою вісімкою", кутова висота 2Θ = i, максимальна ширина ΔLm ax = 114.6 ° · e, причому "вісімка" виходить тільки в тому випадку, якщо аргумент перигея "Wp" орбіти дорівнює 0 ° і 180 °, в інших випадках виходить складніша фігура щось середнє між овалом і "вісімкою".

Рис. 10. Види треків ГСС лежить на поверхні Землі залежно від способу "i", ексцентриситета "e" і аргументу перигею "Wp" орбіти.

Геостаціонарна орбіта обмежена у розмірах і лежить у площині екватора Землі. Її радіус становить 42 164 км від центру Землі. Небесні координати геостаціонарного супутника на геостаціонарній орбіті теоретично будуть незмінними. Основними причинами, що спотворюють кеплерівський рух пасивного геостаціонарного супутника, є гравітаційні обурення (несферичність геопотенціалу, місячно-сонячні обурення), а для ГСС із великим ставленням площі поверхні до маси ще й негравітаційний (світловий тиск) фактор. Внаслідок дії збурювальних сил з'являється дрейф супутника, що змінює період обертання навколо Землі. Відмінність періоду обертання ГСС від теоретичного призводить до того, що середня довгота ГСС змінюється з часом: супутник повільно дрейфує із заходу на схід, якщо його період обертання навколо Землі менший за зіркову добу, і зі сходу на захід інакше. Відмінність ексцентриситету "e" від нуля також призводить до того, що підсупутникова довгота ГСС змінюється. Відбувається незначна зміна довготи (з періодом близько 12год і амплітудою, пропорційною квадрату кута способу орбіти), і широти (з періодом 24год і амплітудою, що дорівнює самому способу "i"). Внаслідок цього підсупутникова точка описує на поверхні Землі відому "вісімку".

Геостаціонарна орбіта навколо Землі одна. Запуски супутників на ДСО розпочалися з 1963 року. На початок 21 століття понад 40 країн планети мають геостаціонарні супутники. Щороку на ДСО запускається десятки супутників, орбіта до того ж поступово заповнюється супутниками, що відпрацювали. На ДСО постійно відбуваються вибухи

відпрацьованих апаратів та їх ракет-носіїв. Ці вибухи породжують десятки-сотні космічних уламків, які можуть вивести з ладу працюючі апарати. Засмічення космічним сміттям цієї орбіти може призвести до необоротних наслідків - неможливості стабільного функціонування супутників. Космічний сміття на ДСО, на відміну близьких навколоземних орбіт, може обертатися навколо Землі тисячоліттями, загрожуючи зіткненням із працюючими КА. З кінця 20 століття проблема забруднення ДСО стала загальнопланетарною, масштабною екологічною проблемою.

Згідно з міжнародною конвенцією з мирного використання космічного простору при ООН, та вимогами міжнародного радіоприватного комітету (щоб уникнути радіоперешкод на сусідні ГСС), кутова відстань між ГСС не повинна бути меншою за 0.5°. Таким чином, теоретично кількість ГСС, що знаходяться на безпечній відстані на ДСО, має бути не більшою за 720 штук. В останнє десятиліття ця відстань між ГСС не витримується. На 2011 рік кількість каталогізованих ДСС вже перевищила понад 1500. Сюди можна додати понад 600 високоеліптичних об'єктів, що періодично перетинають ДСО та понад 200 військових супутників, запущених на ДСО на користь Міністерства оборони та розвідки різних країн, які не містяться у публічно доступному каталозі СПР США та Канади (NORAD).

До геостаціонарних супутників прийнято відносити супутники з періодами від 22год до 26ч, ексцентриситетами "e" трохи більше 0.3 і нахилами площини орбіти до площині екватора "i" до 15°, але у деяких джерелах можна зустріти більш докладну класифікацію, і жорсткіші кордону.

Високоорбітальні ШСЗ (HEO)

Високоорбітальними ШСЗ (ВОС, або "HEO" - від англ. "High Earth Orbit") вважаються супутники, що досягають висот понад 35786 км над поверхнею Землі, тобто. залітають вище геостаціонарних супутників (див. рис. 10). Орбіти можуть мати значний ексцентриситет (наприклад, супутники серії "Меридіан", "Блискавка") - у цьому випадку вони називаються високоеліптичними (ВЕС), так і бути майже круговими (приклад - ШСЗ "Vela" (ті самі ШСЗ, на яких наприкінці 60-х рр. ХХ ст., були відкриті гамма-сплески)).

Рис. 13. Орбіта ВЕС.

Що являє собою геостаціонарна орбіта? Це кругове поле, яке розташувалося над екватором Землі, по ньому штучний супутник поводиться з кутовою швидкістю обертання планети навколо осі. Він не змінює свій напрямок у горизонтальній системі координат, а нерухомо висить у небі. Геостаціонарна орбіта Землі (ДСО) є різновидом геосинхронного поля і застосовується для розміщення комунікаційних, телетрансляційних та інших супутників.

Ідея використання штучних апаратів

Саме поняття геостаціонарної орбіти ініційовано російським винахідником К. Е. Ціолковським. У своїх роботах він пропонував заселити космос за допомогою орбітальних станцій. Зарубіжні вчені також описували роботи космічних полів, наприклад Г. Оберт. Людиною, яка розвинула концепцію використання орбіти для зв'язку, є Артур Кларк. Він у 1945 році помістив статтю в журналі Wireless World, де описав переваги роботи геостаціонарного поля. За активну працю в цій галузі на честь вченого орбіта отримала свою другу назву – «пояс Кларка». Над проблемою здійснення якісного зв'язку думали багато теоретиків. Так, Герман Поточник в 1928 висловив думку про те, як можна застосовувати геостаціонарні супутники.

Характеристика «поясу Кларка»

Щоб орбіта була названа геостаціонарною, вона повинна відповідати ряду параметрів:

1. Геосинхронність. До такої характеристики відноситься поле, яке має період, що відповідає періоду звернення Землі. Геосинхронний супутник закінчує оберт навколо планети за сидеричний день, який дорівнює 23 годин 56 хвилин і 4 секунд. У той самий час необхідно Землі до виконання одного обороту у фіксованому просторі.

2. Для підтримки супутника на певній точці геостаціонарна орбіта має бути круговою, з нульовим нахилом. Еліптичне поле призведе до усунення або на схід, або на захід, тому що апарат рухається в певних точках орбіти по-різному.

3. «Точка зависання» космічного механізму має бути на екваторі.

4. Розташування супутників на геостаціонарній орбіті повинні бути такими, щоб невелика кількість частот, призначених для зв'язку, не призвела до накладання частот різних апаратів при прийомі та передачі, а також для виключення їх зіткнення.

5. Достатня кількість палива підтримки постійного становища космічного механізму.

Геостаціонарна орбіта супутника унікальна тим, що тільки при поєднанні її параметрів можна досягти нерухомості апарату. Ще однією особливістю є можливість бачити Землю під кутом сімнадцять градусів з розташованих на космічному полі супутників. Кожен апарат відхоплює приблизно одну третину поверхні орбіти, тому три механізми здатні забезпечити охоплення майже всієї планети.

Штучні супутники

Супутники запускалися багатьма країнами та компаніями. Перший у світі штучний апарат було створено СРСР і полетів у космос 4 жовтня 1957 року. Він носив ім'я Супутник-1. В 1958 США запустила другий апарат - «Експлорер-1». Перший супутник, який був виведений NASA у 1964 році, носив ім'я Syncom-3. Штучні апарати переважно неповоротні, але є ті, які повертаються частково чи повністю. Їх використовують для проведення наукових досліджень та вирішення різних завдань. Так, є військові, дослідницькі, навігаційні супутники та інші. Також запускаються апарати, створені співробітниками університетів чи радіоаматорами.

«Точка стояння»

Геостаціонарні супутники розташовуються на висоті 35786 км над рівнем моря. Така висота забезпечує період обігу, який відповідає періоду циркуляції Землі стосовно зірок. Штучний апарат нерухомий, тому його місце розташування на геостаціонарній орбіті називається «точкою стояння». Зависання забезпечує постійний тривалий зв'язок, одного разу зорієнтована антена завжди буде спрямована на потрібний супутник.

Пересування

Супутники можна переводити з низьковисотної орбіти на геостаціонарну за допомогою геоперехідних полів. Останні є еліптичний шлях з точкою на низькій висоті і піком на висоті, яка близька до геостаціонарного кола. Супутник, який став непридатним для подальшої роботи, вирушає на орбіту поховання, розташовану на 200-300 кілометрів вище за ДСО.

Висота геостаціонарної орбіти

Супутник цьому полі тримається певному відстані від Землі, не наближаючись і віддаляючись. Він завжди знаходиться над якоюсь точкою екватора. Виходячи з даних особливостей слід висновок, що сили гравітації та відцентрова сила врівноважують одна одну. Висота геостаціонарної орбіти розраховується методами, основу яких лежить класична механіка. При цьому враховується відповідність гравітаційних та відцентрових сил. Значення першої величини визначається за допомогою закону всесвітнього тяжіння Ньютона. Показник відцентрової сили розраховується шляхом твору маси супутника на відцентрове прискорення. Підсумком рівності гравітаційної та інертної маси є висновок про те, що висота орбіти не залежить від маси супутника. Тому геостаціонарна орбіта визначається лише висотою, коли він відцентрова сила дорівнює по модулю і протилежна за напрямом гравітаційної силі, що створюється тяжінням Землі у цій висоті.

З формули розрахунку доцентрового прискорення можна знайти кутову швидкість. Радіус геостаціонарної орбіти визначається також за цією формулою або шляхом розподілу геоцентричної постійної гравітаційної на кутову швидкість у квадраті. Він становить 42 164 кілометри. З огляду на екваторіальний радіус Землі отримуємо висоту, рівну 35786 кілометрам.

Обчислення можна провести іншим шляхом, ґрунтуючись на твердженні, що висота орбіти, що є віддаленням від центру Землі, з кутовою швидкістю супутника, що збігається з рухом обертання планети, породжує лінійну швидкість, що дорівнює першій космічній на даній висоті.

Швидкість на геостаціонарній орбіті. Довжина

Цей показник розраховується шляхом множення кутової швидкості на радіус поля. Значення швидкості на орбіті дорівнює 3,07 кілометра в секунду, що набагато менше за першу космічну швидкість на навколоземному шляху. Щоб зменшити показник, необхідно збільшити радіус орбіти більш ніж шість разів. Довжина розраховується добутком числа Пі на радіус, помноженим на два. Вона становить 264 924 кілометри. Показник враховується під час обчислення «точок стояння» супутників.

Вплив сил

Параметри орбіти, якою звертається штучний механізм, можуть змінюватися під впливом гравітаційних місячно-сонячних обурень, неоднорідності поля Землі, еліптичності екватора. Трансформація поля виявляється у таких явищах, як:

1. Зміщення супутника від своєї позиції вздовж орбіти у бік точок стабільного рівноваги, які звуться потенційних ям геостаціонарної орбіти.
2. Кут нахилу поля до екватора зростає з певною швидкістю і досягає 15 градусів один раз за 26 років та 5 місяців.

Для утримання супутника у потрібній «точці стояння» його оснащують руховою установкою, яку включають кілька разів на 10-15 діб. Так, для заповнення зростання способу орбіти використовують корекцію «північ-південь», а для компенсації дрейфу вздовж поля – «захід-схід». Для регулювання шляху супутника протягом усього терміну його роботи потрібний великий запас палива на борту.

Двигуни

Вибір пристрою визначається індивідуальними технічними особливостями супутника. Наприклад, хімічний ракетний двигун має витіснювальну подачу палива і функціонує на довго зберігаються висококиплячі компоненти (діазотний тетроксид, несиметричний диметилгідразин). Плазмові пристрої мають істотно меншу тягу, але за рахунок тривалої роботи, яка вимірюється десятками хвилин для одиничного пересування, здатні значно знизити споживання палива на борту. Такий тип рухової установки використовується для маневру переведення супутника в іншу орбітальну позицію. Основним обмежуючим чинником термін служби апарату є запас палива на геостаціонарній орбіті.

Недоліки штучного поля

Істотною вадою у взаємодії з геостаціонарними супутниками є великі запізнення у поширенні сигналу. Так, при швидкості світла 300 тисяч кілометрів на секунду та висоті орбіти 35786 кілометрів рух променя «Земля – супутник» займає близько 0,12 секунди, а «Земля – супутник – Земля» – 0,24 секунди. Враховуючи затримку сигналу в апаратурі та кабельних системах передач наземних служб, загальне запізнення сигналу «джерело - супутник - приймач» досягає приблизно 2-4 секунд. Такий показник суттєво ускладнює застосування апаратів на орбіті в телефонії та унеможливлює використання супутникового зв'язку в системах реального часу.

Ще одним недоліком є ​​невидимість геостаціонарної орбіти з високих широт, що заважає провідності зв'язку та телетрансляцій у районах Арктики та Антарктиди. У ситуаціях, коли сонце та супутник-передавач знаходяться на одній лінії з приймальною антеною, спостерігається зменшення, а часом і повна відсутність сигналу. На геостаціонарних орбітах з допомогою нерухомості супутника таке явище виявляється особливо яскраво.

Ефект Доплера

Цей феномен полягає у зміні частот електромагнітних вібрацій при взаємному просуванні передавача та приймача. Явище виражається зміною відстані у часі, і навіть рухом штучних апаратів на орбіті. Ефект проявляється як малостійкість несучої частоти коливань супутника, яка додається до апаратурної нестабільності частоти бортового ретранслятора та земної станції, що ускладнює прийом сигналів. Ефект Допплера сприяє зміні частоти вібрацій, що модульують, що неможливо контролювати. У разі, коли на орбіті використовуються супутники зв'язку та безпосереднього телевізійного мовлення, це явище практично усувається, тобто не спостерігається змін рівня сигналів у точці прийому.

Ставлення у світі до геостаціонарних полів

Космічна орбіта своїм народженням створила багато питань та міжнародно-правових проблем. Їхнім рішенням займається низка комітетів, зокрема, Організація Об'єднаних Націй. Деякі країни, розташовані на екваторі, пред'являли претензії на поширення їх суверенітету на частину космічного поля, що знаходиться над їхньою територією. Держави заявляли, що геостаціонарна орбіта є фізичним фактором, який пов'язаний з існуванням планети і залежить від гравітаційного поля Землі, тому сегменти поля є продовженням території їхніх країн. Але такі претензії були відкинуті, оскільки у світі є принцип неприсвоєння космічного простору. Усі проблеми, пов'язані з роботою орбіт та супутників, вирішуються на світовому рівні.