Geostationär omloppsbana (GSO). Geostationär omloppsbana - Slaget om Clarks bälte

Lämna en kommentar 6,950

Rörelsebanorna för konstgjorda rymdfarkoster skiljer sig från banorna för naturliga himlakroppar: faktum är att det i det första fallet finns så kallade "aktiva områden". Det här är områdena satellitbanor som de rör sig på genom att slå på jetmotorn. Således är beräkningen av banan för rymdfarkosternas rörelse en komplex och ansvarsfull uppgift, som hanteras av specialister inom området astrodynamik.

Varje satellitsystem har en viss status, beroende på syftet med satelliten, dess placering, täckningen av serviceområdet, ägandet av både själva rymdfarkosten och markstationen som tar emot dess signaler. Beroende på status är satellitsystemen:

Internationellt (regionalt eller globalt);
Nationell;
Avdelnings.

Dessutom är alla banor uppdelade på geostationär och icke-geostationär (i sin tur uppdelad i LEO - låg omloppsbana, MEO - medelhöjd och HEO - elliptisk). Låt oss ta en närmare titt på dessa klasser.

Geostationär satellitbanor

Denna typ av omloppsbana används oftast för att rymma rymdfarkoster, eftersom den har betydande fördelar: kontinuerlig kommunikation dygnet runt är möjlig och det finns praktiskt taget ingen frekvensförskjutning. Geostationära satelliter är belägna på en höjd av cirka 36 000 km över jordens yta och rör sig med dess rotationshastighet, som om de "hänger" över en viss punkt på ekvatorn, "subsatellitpunkten". Men i själva verket är positionen för en sådan satellit inte stationär: den upplever en viss "drift" på grund av ett antal faktorer, som ett resultat ändras omloppsbanan något med tiden.

Som redan noterats kräver en geostationär satellit praktiskt taget inga avbrott i driften, eftersom det inte finns någon ömsesidig rörelse mellan rymdfarkosten och dess markstation. Ett system som består av tre satelliter av denna typ kan täcka nästan hela jordens yta.

Samtidigt är sådana system inte utan vissa nackdelar, vars huvudsakliga är en viss signalfördröjning. Därför används oftast satelliter i geostationära omloppsbanor för radio- och tv-sändningar, där förseningar i båda riktningarna på 250 ms inte påverkar signalkvaliteten. Förseningar i ravisar sig vara mycket mer märkbara (med hänsyn till signalbehandling i marknät är den totala tiden redan cirka 600 ms). Dessutom inkluderar täckningsområdet för sådana satelliter inte regioner med hög latitud (över 76,50° N och S), dvs. verkligt global täckning är inte garanterad.

I samband med den snabba utvecklingen av satellitkommunikation, under det senaste decenniet, har den geostationära omloppsbanan blivit "trång", och problem uppstår med placeringen av nya enheter. Faktum är att, i enlighet med internationella standarder, inte mer än 360 satelliter kan placeras i nästan ekvatorial omloppsbana, annars kommer ömsesidig störning att uppstå.

Mitt på höjden satellitbanor

Satellitsystem av denna typ började utvecklas av företag som ursprungligen ägnade sig åt produktion av geostationära rymdfarkoster. Medelhöjd omloppsbana ger bättre kommunikationsprestanda för mobilabonnenter, eftersom varje mobilanvändare är på väg att nå flera satelliter samtidigt; total fördröjning - inte mer än 130 ms.

Placeringen av en icke-geostationär satellit är begränsad av de så kallade Van Allen-strålningsbälten, rumsliga bälten av laddade partiklar som har "fångats" av jordens magnetfält. Det första av de stabila bälten med hög strålning ligger på en höjd av cirka 1500 km från planetens yta, dess omfattning är flera tusen kilometer. Det andra bältet, med samma höga intensitet (10 000 pulser/s), ligger inom 13 000–19 000 km från jorden.

Ett slags "spår" för medelhöga satelliter ligger mellan det första och andra strålningsbältet, det vill säga på en höjd av 5000-15000 km. Dessa enheter är svagare än geostationära, därför krävs en omloppsgrupp på 8-12 satelliter för att helt täcka jordens yta (till exempel Spaceway NGSO, ICO, Rostelesat); varje satellit befinner sig i markstationens radiosynlighetszon under en kort tid, cirka 1,5-2 timmar.

Låga varv satellitbanor

Satelliter i låga banor (700-1500 km) har vissa fördelar jämfört med andra rymdfarkoster när det gäller energiegenskaper, men de förlorar i varaktigheten av kommunikationssessioner, såväl som i den totala livslängden. Satellitens omloppsperiod är i genomsnitt 100 minuter, medan cirka 30 % av denna tid stannar på planetens skuggsida. Uppladdningsbara batterier ombord kan uppleva cirka 5000 laddnings-/urladdningscykler per år, som ett resultat - deras livslängd överstiger inte 5-8 år.

Valet av ett sådant höjdområde för satellitsystem med låg omloppsbana är inte av misstag. På en höjd av mindre än 700 km är atmosfärens densitet relativt hög, vilket orsakar "degradering" av omloppsbanan - en gradvis avvikelse från kursen, vilket kräver ökade bränslekostnader för att upprätthålla den. På en höjd av 1500 km börjar det första Van Allen-bältet, i strålningszonen där driften av ombordutrustning är praktiskt taget omöjlig.

Men på grund av omloppsbanans låga höjd krävs en omloppskonstellation på minst 48 rymdfarkoster för att täcka hela jordens territorium. Rotationsperioden i dessa banor är 90 min-2 timmar, medan den maximala tiden som satelliten stannar i radiosynlighetszonen endast är 10-15 min.

Elliptiska banor

Elliptisk Jordens satellitbanorär synkrona, det vill säga när de skjuts upp i omloppsbana, roterar de med planetens hastighet, och rotationsperioden är flera dagar. För närvarande används flera typer av sådana banor: Archi-medes, Borealis, "Tundra", "Lightning".

Hastigheten för en elliptisk satellit vid apogeum (när den når toppen av "ellipsen") är lägre än vid perigeum, så under denna period kan enheten vara i radiosynlighetszonen i en viss region längre än en satellit med en cirkulär bana . Kommunikationssessioner, till exempel i Molniya, varar 8-10 timmar, och ett system med tre satelliter kan upprätthålla global kommunikation dygnet runt.

Den första konstgjorda jordsatelliten lanserades 1957. Sedan dess har mänskligheten gjort ett enormt tekniskt genombrott. För närvarande finns det flera tiotusentals satelliter i omloppsbana nära jorden. De förser planetens invånare med mobilkommunikation, internet, GPS-data, tv och deltar aktivt i forskningsarbete. De används också för militära ändamål. Beroende på det avsedda syftet väljs höjden på vilken satelliterna flyger. Allt detta underlättade livet avsevärt, fick höja kommunikationsnivån. De gjorde det största bidraget till vetenskapen - studiet av strukturen av jordens atmosfär, väderförändringar, rymden, himlakroppar.

Vilka typer av satelliter finns i omloppsbana?

Jordens konstgjorda satelliter inkluderar alla kroppar som sattes i omloppsbana med hjälp av en bärraket. Detta inkluderar skyttlar, rymdstationer, forskningslaboratorier, autonoma fordon. Det är obemannade satelliter som är de främsta leverantörerna av kommunikation och vetenskaplig data. Sådana enheter kräver inte närvaro av en besättning, underhåll, speciella fack för livsuppehållande. Konstgjorda jordsatelliter klassificeras enligt deras avsedda syfte:

Forskning. De används för att studera atmosfärens struktur, rymden. De kan bära ett teleskop ombord för att studera avlägsna planeter;
Applicerad. Designad för att möta befolkningens behov, testutrustning, kommunikationssystem.

Satelliter utför sina funktioner autonomt, använder inte bränsle. Tillståndsövervakning och nödvändig manövrering utförs från ledningscentraler på jorden. Beroende på deras syfte förses satelliter med nödvändig utrustning och ett kommunikationssystem.

Enhetens volym beror direkt på dess funktionalitet och syfte. Det finns satelliter med en massa från 20 kg till flera hundra ton. Den första apparaten som lanserades av Sovjetunionen vägde bara 28 kilo och bar bara ett radiosändningssystem ombord.

På vilken höjd flyger satelliter?

Uppskjutningen av en satellit i omloppsbana utförs med hjälp av en flerstegsraket. Funktionsprincipen är enkel - enheten trycks ut ur atmosfären med en sådan kraft som räcker för att ställa in flygbanan. Den rör sig runt planeten på grund av tyngdkraften. Paketet tillhandahåller installation av växlingsmotorer för att justera banan. De gör det möjligt att undvika kollisioner med rymdskräp och andra satelliter.

Rörelsen utförs på en given bana. Avståndet från planeten beror på enhetens syfte, den givna banan. Flera typer av banor används:

Jordnära eller låg. Ger den närmaste platsen. Höjden är 300-500 km över havet. Den användes för driften av den första rymdfarkosten, nu finns det enheter för fjärravkänning av jordens yta och atmosfär;
Polär. Det är beläget i planet för jordens polära poler. Lutningsvinkeln är nära 90 grader. På grund av planetens oblatitet kan olika rotationshastigheter uppnås, vilket gör att satelliten kan passera samma latitud samtidigt;
Geostationär. Höjden på den är från 35 000 km, belägen i ekvatorns plan. Det finns bara två stabila punkter, på resten av banan är det nödvändigt att underhålla banan på konstgjord väg;
Starkt elliptisk. Banans kontur är en ellips. Höjden ändras beroende på vägpunkten. På grund av sin stora storlek kan du upprätthålla det antal satelliter som krävs samtidigt över ett land. Används främst för telekommunikationsändamål. Det finns också apparater med teleskop för att studera avlägsna föremål;
Runda. Sektionen av omloppsbanan är en cirkel. Höjdindikatorn är nära konstant vid varje given tidpunkt.

Flyghöjden för satelliterna ovanför jorden ställs in baserat på deras avsedda syfte och den valda omloppsbanan. Geostationär bana är den viktigaste och dyraste. Därför tas enheter som har förbrukat sin resurs från den. Används främst för vetenskapliga ändamål.

För globala positioneringssystem används cirkulära banor med konstant höjd. En sådan bana är optimal för signalöverföring. GPS-satelliternas omloppshöjd är 20 000 kilometer. En enhet per dag gör två varv runt planeten. Hastigheten gör att du kan använda 4 satelliter i ett plan för att säkerställa konstant dataöverföring.

På vilken höjd flyger rymdskepp?

Den största skillnaden mellan bemannade fordon är behovet av att upprätthålla liv och lämna tillbaka besättningen. Därför är flyghöjden för fartyg mycket lägre. Bemannade stationer används för att bedriva vetenskaplig forskning, studera effekten av tyngdlöshet, öppna utrymmen och observera rymdkroppar.

Den första bemannade rymdfarkosten lanserades 1961. Rörelsen utfördes i en elliptisk bana. Perigeum var 175 km och apogeum var 320 km över havet. Under det senaste halvseklets forskning har höjden ökat avsevärt på grund av närvaron av en stor mängd rymdskräp i jordens omloppsbana. För tillfället används en omloppsbana med en perigeum på 400 km. Detta beror också på frånvaron av atmosfärens inflytande på rörelsebanan.

Få aspekter av eran av aktiv rymdutforskning har haft en så stark inverkan på mänsklighetens dagliga liv som konceptet med den geostationära omloppsbanan, nära förknippad med uppfinningen av kommunikationssatelliten. Dessa två faktorer visade sig vara ett verkligt tekniskt och vetenskapligt genombrott, vilket gav en enorm drivkraft till utvecklingen inte bara av telekommunikationsteknik, utan av all vetenskap i allmänhet, vilket gjorde det möjligt att föra människors liv till en kvalitativt ny nivå.

Detta gjorde det möjligt att täcka hela planeten med en tät väv av stabil radiosignal och koppla ihop även de mest avlägsna punkterna på planeten på ett sätt som tills nyligen var föremål för forskares drömmar och ett ämne för science fiction-författare. Idag kan du fritt prata i telefon med polarforskarna i Antarktis eller via Internet omedelbart kontakta vilken dator som helst på ytan, och allt detta tack vare den geostationära omloppsbanan och kommunikationssatelliterna.

Den geostationära omloppsbanan är en cirkulär bana som ligger precis ovanför planetens ekvator. Den geostationära omloppsbanan är unik genom att satelliterna som ligger på den har en rotation runt jorden som är lika med planetens rotationshastighet runt sin egen axel, vilket gör det möjligt för dem att hela tiden "sväva" över samma punkt på ytan . Detta säkerställer stabilitet och exceptionell kvalitet hos radiosignaler.

Den geostationära omloppsbanan, som är en slags geosynkron bana och har unika egenskaper, används i stor utsträckning för att rymma telekommunikation, tv-sändningar, meteorologiska, forskning och andra satelliter. Höjden på den geostationära omloppsbanan är 35 785 kilometer över havet. Det är denna exakt beräknade höjd som säkerställer rotationens synkronisering med planeten. Konstgjorda satelliter som finns på GEO roterar i samma riktning som jorden. Detta är den enda möjliga kombinationen av parametrar som uppnår effekten av synkron rörelse av satelliten och planeten.

Den geostationära omloppsbanan har också ett alternativt namn - Clark-bältet, efter namnet på den person som äger lejonparten av förtjänsterna i idéutvecklingen och utvecklingen av konceptet geostationära och geosynkrona banor. 1945, i sin publikation i tidskriften Wireless World, bestämde han omloppsegenskaperna för denna smala region i rymden nära jorden och föreslog en diskussion om de tekniska parametrar som krävs för ett jord-till-satellit-kommunikationssystem.

Med den snabba utvecklingen av telekommunikation och geostationär omloppsbana har blivit ett unikt band av yttre rymden med en oersättlig och i grunden extraordinär överbelastning av detta område med en mängd olika satelliter har blivit ett allvarligt problem. Experter förutspår att under 2000-talet förväntas den hårdaste konkurrenskraftiga ekonomiska och politiska konfrontationen för en plats i den geostationära omloppsbanan. Detta problem kan inte lösas genom internationella politiska överenskommelser. Det kommer att bli ett helt dödläge. Och under de kommande två decennierna, enligt kompetenta prognoser, kommer den geostationära omloppsbanan som den mest fördelaktiga platsen för den att helt uttömma sin resurs.

En av de mest troliga lösningarna skulle kunna vara byggandet av tunga multifunktionella plattformsstationer i omloppsbana. Med modern teknik kan en sådan station framgångsrikt ersätta dussintals satelliter. Dessa plattformar kommer att vara ekonomiskt mer lönsamma än satelliter och kommer att tjäna till att föra länder närmare varandra.

stående punkt

var är satellitens massa, är jordens massa i kilogram, är gravitationskonstanten och är avståndet i meter från satelliten till jordens centrum, eller, i det här fallet, omloppsbanans radie.

Storleken på centrifugalkraften är:

var är den centripetalacceleration som uppstår under cirkulär rörelse i omloppsbana.

Som du kan se är satellitens massa närvarande som en faktor i uttrycken för centrifugalkraften och för gravitationskraften, det vill säga banans höjd beror inte på satellitens massa, vilket är sant för alla banor och är en konsekvens av likheten mellan gravitations- och tröghetsmassan. Därför bestäms den geostationära omloppsbanan endast av den höjd vid vilken centrifugalkraften kommer att vara lika i absolut värde och motsatt i riktning mot gravitationskraften som skapas av jordens attraktion på en given höjd.

Centripetalaccelerationen är:

var är satellitens vinkelhastighet, i radianer per sekund.

Låt oss göra ett viktigt förtydligande. I själva verket har centripetalacceleration en fysisk betydelse endast i tröghetsreferensramen, medan centrifugalkraften är den så kallade imaginära kraften och sker uteslutande i referensramar (koordinater) som är associerade med roterande kroppar. Centripetalkraften (i detta fall tyngdkraften) orsakar centripetalacceleration. Det absoluta värdet av centripetalaccelerationen i tröghetsreferensramen är lika med centrifugalen i referensramen som i vårt fall är associerad med satelliten. Därför kan vi vidare, med hänsyn till den gjorda anmärkningen, använda termen "centripetalacceleration" tillsammans med termen "centrifugalkraft".

Genom att utjämna uttrycken för gravitations- och centrifugalkrafter med substitution av centripetalacceleration får vi:

Genom att reducera , översätta till vänster och till höger får vi:

Du kan skriva det här uttrycket annorlunda och ersätta det med - geocentrisk gravitationskonstant:

Vinkelhastigheten beräknas genom att dividera vinkeln förflyttad i ett varv (radianer) med rotationsperioden (den tid det tar för ett helt varv i omloppsbanan: en siderisk dag, eller 86 164 sekunder). Vi får:

rad/s

Den resulterande omloppsradien är 42 164 km. Att subtrahera jordens ekvatorialradie, 6 378 km, ger oss en höjd på 35 786 km.

Du kan göra beräkningarna på andra sätt. Höjden på den geostationära omloppsbanan är det avstånd från jordens centrum där satellitens vinkelhastighet, som sammanfaller med vinkelhastigheten för jordens rotation, genererar en omloppshastighet (linjär) lika med den första rymdhastigheten (för att säkerställa en cirkulär bana) på en given höjd.

Den linjära hastigheten för en satellit som rör sig med en vinkelhastighet på ett avstånd från rotationscentrum är

Den första flykthastigheten på avstånd från ett föremål med massa är

Genom att likställa de högra sidorna av ekvationerna med varandra kommer vi fram till det tidigare erhållna uttrycket radie GSO:

Orbital hastighet

Rörelsehastigheten i den geostationära omloppsbanan beräknas genom att multiplicera vinkelhastigheten med banans radie:

km/s

Detta är cirka 2,5 gånger mindre än den första flykthastigheten på 8 km/s i en omloppsbana nära jorden (med en radie på 6400 km). Eftersom kvadraten på hastigheten för en cirkulär bana är omvänt proportionell mot dess radie,

då uppnås en minskning av hastigheten med avseende på den första rymdhastigheten genom att öka omloppsbanans radie med mer än 6 gånger.

Banlängd

Geostationär banlängd: . Med en omloppsradie på 42 164 km får vi en omloppslängd på 264 924 km.

Banans längd är extremt viktig för att beräkna satelliternas "stationspunkter".

Att bibehålla en satellit i omloppsbana i geostationär omloppsbana

En satellit som cirkulerar i en geostationär bana är under påverkan av ett antal krafter (störningar) som ändrar parametrarna för denna bana. I synnerhet inkluderar sådana störningar gravitationella mån-solstörningar, påverkan av inhomogeniteten hos jordens gravitationsfält, ekvatorns ellipticitet etc. Försämringen av omloppsbanan uttrycks i två huvudfenomen:

1) Satelliten rör sig längs omloppsbanan från sin ursprungliga omloppsbana mot en av de fyra stabila jämviktspunkterna, den så kallade. "Geostationära omloppspotentialgropar" (deras longituder är 75,3°E, 104,7°W, 165,3°E och 14,7°W) över jordens ekvator;

2) Banans lutning mot ekvatorn ökar (från initial 0) med en hastighet av cirka 0,85 grader per år och når ett maximalt värde på 15 grader på 26,5 år.

För att kompensera för dessa störningar och hålla satelliten på den angivna positionen är satelliten utrustad med ett framdrivningssystem (kemisk eller elektrisk raket). Periodisk påslagning av thrusters (korrigering "nord-syd" för att kompensera för ökningen av orbitallutningen och "väst-öst" för att kompensera för drift längs omloppsbanan) håller satelliten vid den angivna positionen. Sådana inneslutningar görs flera gånger på flera (10-15) dagar. Det är signifikant att nord-sydlig korrigering kräver en mycket större ökning av den karakteristiska hastigheten (ca 45-50 m/s per år) än för den longitudinella korrigeringen (ca 2 m/s per år). För att säkerställa korrigeringen av satellitens omloppsbana under hela dess driftperiod (12-15 år för moderna tv-satelliter) krävs en betydande tillgång på bränsle ombord (hundratals kilo, i fallet med en kemisk motor). Satellitens kemiska raketmotor har en deplacement bränsletillförsel (boost gas-helium), körs på långvariga högkokande komponenter (vanligtvis asymmetrisk dimetylhydrazin och dikvävetetroxid). Ett antal satelliter är utrustade med plasmamotorer. Deras dragkraft är betydligt mindre i förhållande till kemiska, men deras större effektivitet gör det möjligt (på grund av långvarig drift, mätt i tiotals minuter för en enda manöver) att radikalt minska den erforderliga massan av bränsle ombord. Valet av typ av framdrivningssystem bestäms av apparatens specifika tekniska egenskaper.

Samma framdrivningssystem används vid behov för att manövrera satelliten till en annan omloppsbana. I vissa fall, vanligtvis i slutet av satellitens livslängd, för att minska bränsleförbrukningen, stoppas korrigeringen av nord-sydlig omloppsbana, och det återstående bränslet används endast för den väst-östliga korrigeringen.

Bränslekapaciteten är den främsta begränsande faktorn i livslängden för en satellit i geostationär omloppsbana.

Nackdelar med geostationär bana

signalfördröjning

Kommunikation via geostationära satelliter kännetecknas av stora förseningar i signalutbredningen. Med en omloppshöjd på 35 786 km och en ljushastighet på cirka 300 000 km/s kräver banan för jordsatellitstrålen cirka 0,12 s. Strålväg "Jord (sändare) → satellit → Jord (mottagare)" ≈0,24 s. Ping (svar) kommer att vara en halv sekund (mer exakt 0,48 s). Med hänsyn till signalfördröjningen i satellitutrustning och marktjänstutrustning kan den totala signalfördröjningen på rutten "Jord → satellit → Jord" uppgå till 2-4 sekunder. En sådan fördröjning gör det omöjligt att använda satellitkommunikation med GSO i olika realtidstjänster (till exempel i onlinespel).

GSO osynlighet från höga breddgrader

Eftersom den geostationära omloppsbanan inte är synlig från höga breddgrader (ungefär från 81 ° till polerna), och på breddgrader över 75 ° observeras den mycket lågt över horisonten (under verkliga förhållanden är satelliter helt enkelt dolda av utskjutande föremål och terräng) och endast en liten del av omloppsbanan är synlig ( se bordet), är kommunikation och tv-sändningar med GSO i höglatitudområdena i Fjärran Norden (Arktis) och Antarktis omöjligt. Till exempel använder amerikanska polarforskare vid Amundsen-Scott-stationen för kommunikation med omvärlden (telefoni, Internet) en fiberoptisk kabel som är 1670 kilometer lång för att placeras på 75 ° S. latitud. den franska stationen Concordia, från vilken flera amerikanska geostationära satelliter redan är synliga.

Tabell över den observerade sektorn av den geostationära omloppsbanan beroende på platsens latitud
Alla data anges i grader och bråk.

Latitud terräng	Synlig sektor av omloppsbanan
Latitud terräng	Teoretisk sektor	Verklig (inklusive lättnad) sektor
90	--	--
82	--	--
81	29,7	--
80	58,9	--
79	75,2	--
78	86,7	26,2
75	108,5	77
60	144,8	132,2
50	152,8	143,3
40	157,2	149,3
20	161,5	155,1
0	162,6	156,6

Från ovanstående tabell kan det till exempel ses att om den synliga sektorn för omloppsbanan (och följaktligen antalet mottagna satelliter) på latituden St. Petersburg (~ 60 °) är 84 % av maximalt möjligt (vid ekvatorn), då på Taimyrhalvöns latitud (~75°) är den synliga sektorn 49 %, och på Svalbards och Kap Chelyuskins latitud (~78°) endast 16% av den som observerades vid ekvator. 1-2 satelliter faller in i denna sektor av omloppsbanan i regionen Sibirien (inte alltid det nödvändiga landet).

solstörningar

En av de mest obehagliga nackdelarna med den geostationära omloppsbanan är minskningen och fullständig frånvaro av en signal i en situation där solen och sändarsatelliten är i linje med mottagarantennen (positionen "solen bakom satelliten"). Detta fenomen är också inneboende i andra banor, men det är i den geostationära omloppsbanan, när satelliten är "stationär" på himlen, som den manifesterar sig särskilt tydligt. På norra halvklotets mellersta breddgrader visar sig solstörningar under perioderna från 22 februari till 11 mars och från 3 till 21 oktober, med en maximal varaktighet på upp till tio minuter. Vid klart väder kan solens strålar som fokuseras av den ljusa beläggningen av antennen skada (smälta) parabolantennens mottagnings- och sändningsutrustning.

se även

Kvasi-geostationär bana

Anteckningar

Nordung Hermann Problemet med rymdresor. - DIANE Publishing, 1995. - P. 72. - ISBN 978-0788118494
Utomjordiska reläer - Kan raketstationer ge radiotäckning över hela världen? (eng.) (pdf). Arthur C. Clark (oktober 1945). Arkiverad
Kravet på att satelliter ska förbli stationära i förhållande till jorden i sina omloppspositioner i geostationär omloppsbana, liksom ett stort antal satelliter i denna omloppsbana vid dess olika punkter, leder till en intressant effekt när man observerar och fotograferar stjärnor med ett teleskop med hjälp av guidning - att hålla teleskopets orientering vid en given punkt på stjärnhimlen för att kompensera för jordens dagliga rotation (uppgift omvänd till geostationär radiokommunikation). Om du observerar stjärnhimlen med ett sådant teleskop nära himmelsekvatorn, där den geostationära omloppsbanan passerar, så kan du under vissa förhållanden se hur satelliterna passerar en efter en mot bakgrund av fixstjärnor i en smal korridor, som bilar längs en trafikerad motorväg. Detta är särskilt märkbart i fotografier av stjärnor med lång exponering, se till exempel: Babak A. Tafreshi. GeoStationary Highway. (Engelsk) . The World At Night (TWAN). Arkiverad från originalet den 23 augusti 2011. Hämtad 25 februari 2010. En källa: Babak Tafreshi (Nattvärlden). geostationär motorväg. (ryska). Astronet.ru. Arkiverad från originalet den 23 augusti 2011. Hämtad 25 februari 2010.
för banor för satelliter vars massa är försumbar jämfört med massan av det astronomiska objekt som attraherar det
Banor av konstgjorda jordsatelliter. Sätta satelliter i omloppsbana
Teledesic Network: Använda satelliter med låg omloppsbana om jorden för att tillhandahålla bredband, trådlöst, realtidsinternetåtkomst över hela världen
Tidningen "Vokrug Sveta". № 9 september 2009. Banor som vi väljer
Mosaik. Del II
överskottet av horisonten av satelliten tas vid 3 °
Uppmärksamhet! Perioden med aktiv solstörning kommer!
solstörningar

Länkar

Banor

Typer

Main	Box orbit Capture orbit Elliptisk bana /

: 23 timmar 56 minuter 4,091 sekunder).

Idén om att använda geostationära satelliter för kommunikationsändamål uttrycktes av den slovenske kosmonautikteoretikern Herman Potočnik 1928.

Fördelarna med den geostationära omloppsbanan blev allmänt kända efter publiceringen av Arthur Clarks populärvetenskapliga artikel i tidskriften Wireless World 1945, därför kallas geostationära och geosynkrona banor i väst ibland för " Clarks banor", men" Clarks bälte» kalla området för yttre rymden på ett avstånd av 36 000 km över havet i planet för jordens ekvator, där parametrarna för banorna är nära geostationära. Den första satellit som framgångsrikt lanserades in i GSO var Syncom-3, lanserad av NASA i augusti 1964.

Encyklopedisk YouTube

1 / 5

Lektion 64 Första kosmiska hastigheten. geostationär bana

Satellitanslutning. geostationär bana

Streama med designern av geostationära kommunikationssatelliter

Geostationära satelliter / Geostationära satelliter

Beräkning av geostationära omloppsparametrar

undertexter

stående punkt

En geostationär bana kan bara uppnås exakt på en cirkel precis ovanför ekvatorn, med en höjd mycket nära 35 786 km.

Om geostationära satelliter var synliga på himlen med blotta ögat, skulle linjen där de skulle vara synliga sammanfalla med "Clark-bältet" för detta område. Geostationära satelliter, tack vare de tillgängliga stående punkterna, är bekväma att använda för satellitkommunikation: när den väl är orienterad kommer antennen alltid att riktas mot den valda satelliten (om den inte ändrar position).

För att överföra satelliter från en låghöjdsbana till en geostationär, används geostationära överföringsbanor (geotransitionella) (GPO) - elliptiska banor med perigeum på låg höjd och apogeum på en höjd nära den geostationära omloppsbanan.

Efter avslutad aktiv drift på det återstående bränslet måste satelliten överföras till en bortskaffningsbana som ligger 200-300 km ovanför GEO.

Beräkning av parametrar för den geostationära omloppsbanan

Banradie och omloppshöjd

I geostationär omloppsbana närmar sig satelliten inte jorden och rör sig inte bort från den, och dessutom, medan den roterar med jorden, är den ständigt belägen ovanför någon punkt på ekvatorn. Följaktligen måste gravitations- och centrifugalkrafterna som verkar på satelliten balansera varandra. För att beräkna höjden på den geostationära omloppsbanan kan man använda metoderna för klassisk mekanik och, efter att ha bytt till satellitreferensramen, gå vidare från följande ekvation:

F u = F Γ (\displaystyle F_(u)=F_(\Gamma )),

var F u (\displaystyle F_(u))- tröghetskraften och i detta fall centrifugalkraften; F Γ (\displaystyle F_(\Gamma ))- gravitationskraften. Storleken på gravitationskraften som verkar på satelliten kan bestämmas utifrån Newtons universella gravitationslag:

F Γ = G ⋅ M 3 ⋅ m c R 2 (\displaystyle F_(\Gamma )=G\cdot (\frac (M_(3)\cdot m_(c))(R^(2)))),

var är satellitens massa, M 3 (\displaystyle M_(3))är jordens massa i kilogram, G (\displaystyle G)är gravitationskonstanten, och R (\displaystyle R)är avståndet i meter från satelliten till jordens centrum eller, i det här fallet, omloppsbanans radie.

Storleken på centrifugalkraften är:

F u = m c ⋅ a (\displaystyle F_(u)=m_(c)\cdot a),

var a (\displaystyle a)- centripetalacceleration som uppstår under cirkulär rörelse i omloppsbana.

Som du kan se, massan av satelliten m c (\displaystyle m_(c))är närvarande som en faktor i uttrycken för centrifugalkraften och för gravitationskraften, det vill säga banans höjd beror inte på satellitens massa, vilket är sant för alla banor och är en konsekvens av jämlikheten mellan gravitations- och tröghetsmassan. Därför bestäms den geostationära omloppsbanan endast av den höjd vid vilken centrifugalkraften kommer att vara lika i absolut värde och motsatt i riktning mot gravitationskraften som skapas av jordens attraktion på en given höjd.

Centripetalaccelerationen är:

a = ω 2 ⋅ R (\displaystyle a=\omega ^(2)\cdot R),

var är satellitens vinkelhastighet, i radianer per sekund.

Genom att utjämna uttrycken för gravitations- och centrifugalkrafter med substitution av centripetalacceleration får vi:

mc ⋅ ω 2 ⋅ R = G ⋅ M 3 ⋅ mc R 2 (\displaystyle m_(c)\cdot \omega ^(2)\cdot R=G\cdot (\frac (M_(3)\cdot m_(c) ))(R^(2)))).

Reducerar m c (\displaystyle m_(c)), översätta R 2 (\displaystyle R^(2)) till vänster, och ω 2 (\displaystyle \omega ^(2)) till höger får vi:

R 3 = G ⋅ M 3 ω 2 (\displaystyle R^(3)=G\cdot (\frac (M_(3))(\omega ^(2)))) R = G ⋅ M 3 ω 2 3 (\displaystyle R=(\sqrt[(3)](\frac (G\cdot M_(3))(\omega ^(2))))).

Du kan skriva detta uttryck annorlunda, ersätta G ⋅ M 3 (\displaystyle G\cdot M_(3)) på µ (\displaystyle \mu)- geocentrisk gravitationskonstant:

R = μ ω 2 3 (\displaystyle R=(\sqrt[(3)](\frac (\mu )(\omega ^(2)))))

Vinkelhastighet ω (\displaystyle \omega ) beräknas genom att dividera den tillryggalagda vinkeln i ett varv ( 360 ∘ = 2 ⋅ π (\displaystyle 360^(\circ )=2\cdot \pi ) radianer) per varvperiod (tiden det tar att slutföra en hel omloppsbana: en siderisk dag, eller 86 164 sekunder). Vi får:

ω = 2 ⋅ π 86164 = 7 , 29 ⋅ 10 − 5 (\displaystyle \omega =(\frac (2\cdot \pi )(86164))=7.29\cdot 10^(-5)) rad/s

Den resulterande omloppsradien är 42 164 km. Att subtrahera jordens ekvatorialradie, 6 378 km, ger oss en höjd på 35 786 km.

Du kan göra beräkningarna på andra sätt. Höjden på den geostationära omloppsbanan är avståndet från jordens centrum där satellitens vinkelhastighet, som sammanfaller med vinkelhastigheten för jordens rotation, genererar en omloppshastighet (linjär) lika med den första kosmiska hastigheten (för att säkerställa en cirkulär bana) på en given höjd.

Linjär hastighet för en satellit som rör sig med vinkelhastighet ω (\displaystyle \omega ) på distans R (\displaystyle R) från rotationscentrum är

v l = ω ⋅ R (\displaystyle v_(l)=\omega \cdot R)

Första rymdhastighet på avstånd R (\displaystyle R) från ett föremål med massa M (\displaystyle M)är lika med

vk = GMR; (\displaystyle v_(k)=(\sqrt (G(\frac (M)(R)))));)

Genom att likställa de högra sidorna av ekvationerna med varandra kommer vi fram till det tidigare erhållna uttrycket radie GSO:

R = G M ω 2 3 (\displaystyle R=(\sqrt[(3)](G(\frac (M)(\omega ^(2))))))

Orbital hastighet

Rörelsehastigheten i den geostationära omloppsbanan beräknas genom att multiplicera vinkelhastigheten med banans radie:

v = ω ⋅ R = 3 , 07 (\displaystyle v=\omega \cdot R=3(,)07) km/s

Detta är ungefär 2,5 gånger mindre än den första kosmiska hastigheten lika med 8 km/s i en omloppsbana nära jorden (med en radie på 6400 km). Eftersom kvadraten på hastigheten för en cirkulär bana är omvänt proportionell mot dess radie,

v = GMR; (\displaystyle v=(\sqrt (G(\frac (M)(R)))));)

då uppnås en minskning av hastigheten med avseende på den första rymdhastigheten genom att öka omloppsbanans radie med mer än 6 gånger.

R ≈ 6400 ⋅ (8 3 , 07) 2 ≈ 43000 (\displaystyle R\approx \,\!(6400\cdot \left((\frac (8)(3(,)07))\right)^(2) ))\approx\,\!43000)

Banlängd

Geostationär banas längd: 2 ⋅ π ⋅ R (\displaystyle (2\cdot \pi \cdot R)). Med en omloppsradie på 42 164 km får vi en omloppslängd på 264 924 km.

Banans längd är extremt viktig för att beräkna satelliternas ”station station”.

Att bibehålla en satellit i omloppsbana i geostationär omloppsbana

2) Banans lutning mot ekvatorn ökar (från initial 0) med en hastighet av cirka 0,85 grader per år och når ett maximalt värde på 15 grader på 26,5 år.

För att kompensera för dessa störningar och hålla satelliten på den angivna positionen är satelliten utrustad med ett framdrivningssystem (kemisk eller elektrisk raket). Periodisk påslagning av thrusters (korrigering "nord-syd" för att kompensera för ökningen av orbitallutningen och "väst-öst" för att kompensera för drift längs omloppsbanan) håller satelliten vid den angivna positionen. Sådana inneslutningar görs flera gånger på flera (10-15) dagar. Det är signifikant att nord-sydlig korrigering kräver en mycket större ökning av den karakteristiska hastigheten (ca 45-50 m/s per år) än för den longitudinella korrigeringen (ca 2 m/s per år). För att säkerställa korrigeringen av satellitens omloppsbana under hela dess driftperiod (12-15 år för moderna tv-satelliter) krävs en betydande tillgång på bränsle ombord (hundratals kilo, i fallet med en kemisk motor). Satellitens kemiska raketmotor har en deplacement bränsletillförsel (boost gas-helium), arbetar på långvariga högkokande komponenter (vanligtvis osymmetrisk-dimetylhydrazin och dikväve-tetraoxid). Ett antal satelliter är utrustade med plasmamotorer. Deras dragkraft är betydligt mindre i förhållande till kemiska, men deras större effektivitet gör det möjligt (på grund av långvarig drift, mätt i tiotals minuter för en enda manöver) att radikalt minska den erforderliga massan av bränsle ombord. Valet av typ av framdrivningssystem bestäms av apparatens specifika tekniska egenskaper.

Bränslekapaciteten är den främsta begränsande faktorn i livslängden för en satellit i geostationär omloppsbana.

Nackdelar med geostationär bana

signalfördröjning

Kommunikation via geostationära satelliter kännetecknas av stora förseningar i signalutbredningen. Med en omloppshöjd på 35 786 km och en ljushastighet på cirka 300 000 km/s kräver banan för jordsatellitstrålen cirka 0,12 s. Strålväg "Jord (sändare) → satellit → Jord (mottagare)" ≈0,24 s. Den totala latensen (mätt av Ping-verktyget) när du använder satellitkommunikation för att ta emot och överföra data kommer att vara nästan en halv sekund. Med hänsyn till signalfördröjningen i satellitutrustning, i utrustning och i kabelöverföringssystem för markbundna tjänster, kan den totala signalfördröjningen längs vägen "signalkälla → satellit → mottagare" uppgå till 2-4 sekunder. En sådan fördröjning gör det svårt att använda GSO-satelliter i telefoni och gör det omöjligt att använda satellitkommunikation med GSO i olika realtidstjänster (till exempel i onlinespel).