Подобно тому, как места в театре позволяют по-разному взглянуть на представление, различные орбиты спутников дают перспективу, каждая из которых имеет свое назначение. Одни кажутся висящими над точкой поверхности, они обеспечивают постоянный обзор одной стороны Земли, в то время как другие кружат вокруг нашей планеты, за день проносясь над множеством мест.
Типы орбит
На какой высоте летают спутники? Различают 3 типа околоземных орбит: высокие, средние и низкие. На высокой, наиболее удаленной от поверхности, как правило, находятся многие погодные и некоторые спутники связи. Сателлиты, вращающиеся на средней околоземной орбите, включают навигационные и специальные, предназначенные для мониторинга конкретного региона. Большинство научных космических аппаратов, в том числе флот системы наблюдения за поверхностью Земли НАСА, находится на низкой орбите.
От того, на какой высоте летают спутники, зависит скорость их движения. По мере приближения к Земле гравитация становится все сильнее, и движение ускоряется. Например, спутнику НАСА Aqua требуется около 99 минут, чтобы облететь вокруг нашей планеты на высоте около 705 км, а метеорологическому аппарату, удаленному на 35 786 км от поверхности, для этого потребуется 23 часа, 56 минут и 4 секунды. На расстоянии 384 403 км от центра Земли Луна завершает один оборот за 28 дней.
Аэродинамический парадокс
Изменение высоты спутника также изменяет его скорость движения по орбите. Здесь наблюдается парадокс. Если оператор спутника хочет повысить его скорость, он не может просто запустить двигатели для ускорения. Это увеличит орбиту (и высоту), что приведет к уменьшению скорости. Вместо этого следует запустить двигатели в направлении, противоположном направлению движения спутника, т. е. совершить действие, которое на Земле бы замедлило движущееся транспортное средство. Такое действие переместит его ниже, что позволит увеличить скорость.
Характеристики орбит
В дополнение к высоте, путь движения спутника характеризуется эксцентриситетом и наклонением. Первый относится к форме орбиты. Спутник с низким эксцентриситетом движется по траектории, близкой к круговой. Эксцентричная орбита имеет форму эллипса. Расстояние от космического аппарата до Земли зависит от его положения.
Наклонение - это угол орбиты по отношению к экватору. Спутник, который вращается непосредственно над экватором, имеет нулевой наклон. Если космический аппарат проходит над северным и южным полюсами (географическими, а не магнитными), его наклон составляет 90°.
Все вместе - высота, эксцентриситет и наклонение - определяют движение сателлита и то, как с его точки зрения будет выглядеть Земля.
Высокая околоземная
Когда спутник достигает ровно 42164 км от центра Земли (около 36 тыс. км от поверхности), он входит в зону, где его орбита соответствует вращению нашей планеты. Поскольку аппарат движется с той же скоростью, что и Земля, т. е. его период обращения равен 24 ч, кажется, что он остается на месте над единственной долготой, хотя и может дрейфовать с севера на юг. Эта специальная высокая орбита называется геосинхронной.
Спутник движется по круговой орбите прямо над экватором (эксцентриситет и наклонение равны нулю) и относительно Земли стоит на месте. Он всегда расположен над одной и той же точкой на ее поверхности.
Орбита «Молния» (наклонение 63,4°) используется для наблюдения в высоких широтах. Геостационарные спутники привязаны к экватору, поэтому они не подходят для дальних северных или южных регионов. Эта орбита весьма эксцентрична: космический аппарат движется по вытянутому эллипсу с Землей, расположенной близко к одному краю. Так как спутник ускоряется под действием силы тяжести, он движется очень быстро, когда находится близко к нашей планете. При удалении его скорость замедляется, поэтому он больше времени проводит на вершине орбиты в самом дальнем от Земли краю, расстояние до которого может достигать 40 тыс. км. Период обращения составляет 12 ч, но около двух третей этого времени спутник проводит над одним полушарием. Подобно полусинхронной орбите сателлит проходит по одному и тому же пути через каждые 24 ч. Используется для связи на крайнем севере или юге.
Низкая околоземная
Большинство научных спутников, многие метеорологические и космическая станция находятся на почти круговой низкой околоземной орбите. Их наклон зависит от того, мониторингом чего они занимаются. TRMM был запущен для мониторинга осадков в тропиках, поэтому имеет относительно низкое наклонение (35°), оставаясь вблизи экватора.
Многие из спутников системы наблюдения НАСА имеют почти полярную высоконаклонную орбиту. Космический аппарат движется вокруг Земли от полюса до полюса с периодом 99 мин. Половину времени он проходит над дневной стороной нашей планеты, а на полюсе переходит на ночную.
По мере движения спутника под ним вращается Земля. К тому времени, когда аппарат переходит на освещенный участок, он находится над областью, прилегающей к зоне прохождения своей последней орбиты. За 24-часовой период полярные спутники покрывают большую часть Земли дважды: один раз днем и один раз ночью.
Солнечно-синхронная орбита
Подобно тому как геосинхронные спутники должны находиться над экватором, что позволяет им оставаться над одной точкой, полярно-орбитальные имеют способность оставаться в одном времени. Их орбита является солнечно-синхронной - при пересечении космическим аппаратом экватора местное солнечное время всегда одно и то же. Например, спутник Terra пересекает его над Бразилией всегда в 10:30 утра. Следующее пересечение через 99 мин над Эквадором или Колумбией происходит также в 10:30 по местному времени.
Солнечно-синхронная орбита необходима для науки, так как позволяет сохранять солнечного света на поверхность Земли, хотя он будет меняться в зависимости от сезона. Такое постоянство означает, что ученые могут сравнивать изображения нашей планеты одного времени года в течение нескольких лет, не беспокоясь о слишком больших скачках в освещении, которые могут создать иллюзию изменений. Без солнечно-синхронной орбиты было бы сложно отслеживать их с течением времени и собирать информацию, необходимую для изучения изменений климата.
Путь спутника здесь очень ограничен. Если он находится на высоте 100 км, орбита должна иметь наклон 96°. Любое отклонение будет недопустимым. Поскольку сопротивление атмосферы и сила притяжения Солнца и Луны изменяют орбиту аппарата, ее необходимо регулярно корректировать.
Выведение на орбиту: запуск
Запуск спутника требует энергии, количество которой зависит от расположения места старта, высоты и наклона будущей траектории его движения. Чтобы добраться до удаленной орбиты, требуется затратить больше энергии. Спутники со значительным наклоном (например, полярные) более энергозатратны, чем те, которые кружат над экватором. Выведению на орбиту с низким наклоном помогает вращение Земли. движется под углом 51,6397°. Это необходимо для того, чтобы космическим челнокам и российским ракетам было легче добраться до нее. Высота МКС - 337-430 км. Полярные спутники, с другой стороны, от импульса Земли помощи не получают, поэтому им требуется больше энергии, чтобы подняться на такое же расстояние.
Корректировка
После запуска спутника необходимо приложить усилия, чтобы удержать его на определенной орбите. Поскольку Земля не является идеальной сферой, ее гравитация в некоторых местах сильнее. Эта неравномерность, наряду с притяжением Солнца, Луны и Юпитера (самой массивной планеты Солнечной системы), изменяет наклон орбиты. На протяжении всего своего срока службы положение спутников GOES корректировалось три или четыре раза. Низкоорбитальные аппараты НАСА должны регулировать свой наклон ежегодно.
Кроме того, на околоземные спутники оказывает воздействие атмосфера. Самые верхние слои, хотя и достаточно разрежены, оказывают достаточно сильное сопротивление, чтобы притягивать их ближе к Земле. Действие силы тяжести приводит к ускорению спутников. Со временем они сгорают, по спирали опускаясь все ниже и быстрее в атмосферу, или падают на Землю.
Атмосферное сопротивление сильнее, когда Солнце активно. Так же, как воздух в воздушном шаре расширяется и поднимается при нагревании, атмосфера поднимается и расширяется, когда Солнце дает ей дополнительную энергию. Разреженные слои атмосферы поднимаются, а их место занимают более плотные. Поэтому спутники на орбите Земли должны изменять свое положение примерно четыре раза в год, чтобы компенсировать сопротивление атмосферы. Когда солнечная активность максимальна, положение аппарата приходится корректировать каждые 2-3 недели.
Космический мусор
Третья причина, вынуждающая менять орбиту - космический мусор. Один из коммуникационных спутников Iridium столкнулся с нефункционирующим российским космическим аппаратом. Они разбились, образовав облако мусора, состоящее из более чем 2500 частей. Каждый элемент был добавлен в базу данных, которая сегодня насчитывает свыше 18000 объектов техногенного происхождения.
НАСА тщательно отслеживает все, что может оказаться на пути спутников, т. к. из-за космического мусора уже несколько раз приходилось менять орбиты.
Инженеры отслеживают положение космического мусора и сателлитов, которые могут помешать движению и по мере необходимости тщательно планируют маневры уклонения. Эта же команда планирует и выполняет маневры по регулировке наклона и высоты спутника.
Геостационарная орбита с нулевым наклонением и высотой в 35756 км и по сегодняшний день остаётся стратегически важной орбитой для искусственных спутников Земли. Размещенные на этой орбите спутники обращаются вокруг центра Земли с той же угловой скоростью, как и земная поверхность. Благодарю этому, для спутниковых антенн отсутствует необходимость слежения за геостационарными спутниками - геостационарный спутник для определенного места поверхности Земли всегда расположен в одной точке неба.
Пример группировки российских геостационарных спутников связи в 2005 году:
Но проверка последнего графика с помощью сайта Гюнтера показывает, что в 2017 году было запущено не более 40 геостационарных спутников, даже если в это число включать запуски спутников на ГПО (геопереходную орбиту) и орбиты типа Молния (Космос-2518 ). В связи с этим разночтением я попытался самостоятельно оценить динамику ежегодных запусков на геостационарную орбиту и динамику изменения общей массы запускаемых геостационарных спутников с помощью того же сайта Гюнтера.
Большинство геостационарных спутников запускаются на геопереходные орбиты (ГПО) , и затем уже осуществляют с помощью собственных двигателей подъем перигелия и выход на геостационарную орбиту. Это вызвано стремлением минимизировать засорение стратегически важной геостационарной орбиты (разгонные блоки РН на ГПО сгорают гораздо быстрее, чем на ГСО из-за низкого перигелия орбит). В связи с этим чаще всего указывается стартовая масса геостационарных спутников при первоначальном выводе на ГПО. Поэтому я решил подсчитывать массу геостационарных спутников на ГПО, а так же включать в расчет спутники, которые были изначально предназначены для работы на ГПО или других эллиптических орбитах, находящихся между низкими и геостационарными орбитами (в основном это орбиты типа Молния). С другой стороны в некоторых случаях осуществляется прямой вывод спутников на геостационарную орбиту (к примеру, в случае советских, российских и американских военных спутников), кроме того для военных спутников масса часто просто неизвестна (в этом случае приходится указывать верхний предел возможностей РН при запусках на ГПО). В связи с этим расчеты являются лишь предварительными. На данный момент удалось обработать 35 годов из 60 лет космической эры, и имеет место следующая ситуация по годам:
1) По выводимой массе на ГПО и Молния орбиты в 2017 году действительно был установлен новый рекорд (192 тонны):
2) По количеству запускаемых аппаратов на эти типы орбит особого роста не наблюдается (черная линия - это линия тренда):
3) Похожая ситуация наблюдается и с количеством запусков:
В целом наблюдается тенденция стабильного увеличения грузопотока на высокоэллиптические высокие орбиты. Средние значения по десятилетиям:
По средней площади космических объектов (cumulative cross sectional area , измеряется в квадратных метрах) геостационарные спутники ещё больше превосходят низкоорбитальные аппараты (даже если учитывать разгонные блоки - RB ):
Вероятно, это связано с большим количеством разворачиваемых конструкций у геостационарных спутников (антенн, солнечных батарей и батарей терморегуляции).
С годами непрерывно растет и количество работающих спутников на геостационарной орбите. Только в нынешнем десятилетии их число выросло с четырех до пяти сотен:
Согласно базе данных действующих спутников в настоящее время старейшим действующим спутником на ГСО является спутник-ретранслятор TDRS-3 , запущенный в 1988 году. Всего сейчас на ГСО работают 40 аппаратов, чей возраст превысил 20 лет:
Общее число геостационарных спутников с учетом орбит захоронения уже превышает тысячу аппаратов (при минимальном количестве разгонных блоков (RB ) ракет на этих орбитах):
Примеры геостационарных группировок спутников:
Растущая переполненность геостационарной орбиты приводит к продолжению тенденции утяжеления геостационарных спутников. Если первые ГСО спутники весили всего 68 кг, то в 2017 году Китай попытался запустить 7.6-тонный аппарат . Очевидно, что растущая переполненность геостационарной орбиты приведет в будущем к созданию там крупных геостационарных платформ с элементами многоразового использования. Вероятно, подобные платформы будут решать сразу несколько задач: связь и наблюдение за поверхностью Земли для метеорологии, оборонных нужд и так далее.
Геостационарный спутник связи массой в 7.6 тонн, созданный на базе новой китайской платформы DFH-5
Первый искусственный спутник Земли был запущен в 1957 году. С тех пор человечество сделало огромный технологический прорыв. На данный момент на околоземной орбите находится несколько десятков тысяч спутников. Они обеспечивают жителей планеты сотовой связью, интернетом, GPS-данными, телевидением, принимают активное участие в научно-исследовательской работе. Также они используются для военных целей. В зависимости от целевого назначения выбирается, на какой высоте летают спутники. Все это значительно облегчило жизнь, позволило поднять уровень связи. Наибольший вклад они внесли в науку – изучение строение атмосферы Земли, погодных изменений, космоса, небесных тел.
Какие виды спутников встречаются на орбите?
К искусственным спутникам Земли относятся все тела, которые были выведены на орбиту при помощи ракеты носителя. Сюда можно отнести шаттлы, космические станции, исследовательские лаборатории, автономные аппараты. Именно непилотируемые спутники являются главными поставщиками связи и научных данных. Такие аппараты не требуют наличия экипажа, обслуживания, специальных отсеков для обеспечения жизнедеятельности. Классифицируются искусственные спутники Земли по своему прямому назначению:- Научно-исследовательские. Применяются в целях изучения строения атмосферы, космоса. Могут нести на своем борту телескоп для изучения удаленных планет;
- Прикладные. Предназначены для удовлетворения нужд населения, испытания оборудования, систем связи.
Спутники выполняют свои функции автономно, не используют топливо. Мониторинг состояния и необходимое маневрирование выполняется из командных центров на Земле. В зависимости от своего назначения, спутники снабжаются необходимым оборудованием и системой связи.
Объем аппарата напрямую зависит от его функциональности и назначения. Встречаются спутники с массой от 20 кг до нескольких сотен тонн. Первый аппарат, запущенный СССР весил всего 28 килограмм и нес на борту только систему радиопередачи.
На какой высоте летают спутники?
Выведение на орбиту спутника осуществляется при помощи многоступенчатой ракеты. Принцип действия прост – аппарат выталкивается из атмосферы с такой силой, которой хватит для задания траектории полета. Движется вокруг планеты он за счет силы притяжения. Комплектацией предусмотрена установка маневровых двигателей для корректировки траектории. Они позволяют избегать столкновения с космическим мусором, другими спутниками.Движение осуществляется на заданной орбите. Удаленность от планеты зависит от назначения аппарата, заданной траектории. Используется несколько видов орбит:
- Околоземная или низкая. Обеспечивает наиболее приближенное расположение. Высота составляет 300-500 км над уровнем моря. Использовалась для работы первых космических аппаратов, сейчас там находятся аппараты для дистанционного зондирования земной поверхности и атмосферы;
- Полярная. Расположена в плоскости полярных полюсов Земли. Угол наклона близок к 90 градусам. Из-за сплюснутости планеты, можно добиться различной скорости вращения, которая позволит проходить спутнику одну и ту же широту в одинаковое время;
- Геостационарная. Высота на ней составляет от 35 000 км, расположена в плоскости экватора. Устойчивых точек всего две, на остальном пути необходимо поддерживать траекторию искусственно;
- Сильноэллиптическая. Контур орбиты представляет собой эллипс. Высота меняется в зависимости от точки траектории. Благодаря большому размеру, позволяет поддерживать необходимое количество спутников одновременно над одной страной. Используется преимущественно в телекоммуникационных целях. Также здесь работают аппараты с телескопами для изучения отдаленных объектов;
- Круглая. Сечение орбиты представляет собой круг. Показатель высоты близок к постоянному в любой момент времени.
Высота полета спутников над Землей задается на основании их целевого назначения и выбранной орбиты. Геостационарная орбита является наиболее важной и дорогой. Поэтому аппараты, выработавшие свой ресурс, удаляются с нее. Используется в основном в научных целях.
Для систем глобального позиционирования используются круглые орбиты с постоянной высотой. Такая траектория является оптимальной для передачи сигнала. Высота орбиты спутников GPS составляет 20 тысяч километров. Один аппарат за сутки совершает два витка вокруг планеты. Скорость позволяет использовать 4 спутника в одной плоскости для обеспечения постоянной передачи данных.
На какой высоте летают космические корабли?
Главное отличие пилотируемых аппаратов – необходимость поддержание жизнедеятельности и возвращения экипажа. Поэтому высота полета кораблей значительно ниже. Пилотируемые станции используются для проведения научных исследований, изучения влияния невесомости, открытого космоса, наблюдения за космическими телами.Первый пилотируемый космический корабль был запущен в 1961 году. Движение осуществлялось по эллиптической орбите. Перигей составлял 175 км, а апогей – 320 км над уровнем моря. За прошедшие полвека исследований высота значительно увеличилась из-за присутствия большого количества космического мусора на околоземной орбите. На данный момент используется орбита с перигеем в 400 км. Обусловлено это также и отсутствием влияния атмосферы на траекторию движения.
Классификация орбит ИСЗ по наклонению
В общем случае наклонение орбита ИСЗ лежит в диапазоне 0° "i" рис. 12). 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.В общем случае пареметры орбиты будут эволюционировать в зависимости от наклонения "i" , большой полуоси "a" и эксцентриситета "e" .
Экваториальные орбиты
Экваториальная орбита - крайний случай орбиты, когда наклонение "i" = 0° (см. ). В этом случае прецессия и поворот орбиты будут максимальны - до 10°/сутки и до 20°/сутки соответственно. Ширина полосы видимости спутника, которая расположена вдоль экватора, определяется его высотой над поверхностью Земли. Орбиты с малым наклонением "i" часто называют "около экваториальными".Полярные орбиты
Полярная орбита - второй крайний случай орбиты, когда наклонение "i" = 90° (см. ). В этом случае прецессия орбиты отсутствует, а поворот орбиты происходит в сторону, обратную относительно вращения ИСЗ, и не превышает 5°/сутки. Подобный полярный ИСЗ последовательно проходит над всеми участками поверхности Земли. Ширина полосы видимости спутника определяется его высотой над поверхностью Земли, но спутник рано или поздно можно увидеть из любой точки. Орбиты с наклонением "i" , близким к 90°, называют "приполярными".Солнечно-синхронные орбиты
Солнечно-синхронная орбита (ССО ) - особый вид орбиты, часто используемый спутникам, которые производят съёмку поверхности Земли. Представляет собой орбиту с такими параметрами, что спутник проходит над любой точкой земной поверхности приблизительно в одно и то же местное солнечное время . Движение такого спутника синхронизировано с движением линии терминатора по поверхности Земли - за счёт этого спутник может лететь всегда над границей освещённой и неосвещённой солнцем территории, или всегда в освещённой области, или наоборот - всегда в ночной, причём условия освещённости при пролёте над одной и той же точкой Земли всегда одинаковые. Для достижения этого эффекта орбита должна прецессировать в сторону, обратную вращения Земли (т.е. на восток) на 360° в год, чтобы компенсировать вращение Земли вокруг Солнца. Такие условия соблюдаются только для определённого диапазона высот орбит и наклонений - как правило, это высоты 600-800 км и наклонение "i" должно быть порядка 98°, т.е. ИСЗ на солнечно-синхронных орбитах имеют обратное движение (см. рис. 15 ). При увеличении высоты полёта ИСЗ наклонение должно увеличиваться, из-за чего он не будет пролетать над полярными районами. Как правило, солнечно-синхронные орбиты близки к круговым, но могут быть и заметно эллиптичными.
В общем случае необходимое для солнечной-синхронной орбиты наклонение i ss можно вычислить по формуле :
где "e" -- эксцентриситет орбиты ИСЗ, "a" -- большая полуось орбиты ИСЗ в километрах (a = h + R З, "h" -- перигейное расстояние до поверхности Земли, "R З " = 6371 км -- радиус Земли).
На Рис. 16
показан график необходимого наклонения орбиты ИСЗ, чтобы она была солнечно-синхронной -- для разных значений эксцентриситета "e" и перигейной высоты "h" ИСЗ над поверхностью Земли.
Из-за влияния возмущений спутник постепенно выходит из режима синхронизации, в связи с чем он периодически нуждается в коррекции своей орбиты при помощи двигателей.
Классификация орбит ИСЗ по величине большой полуоси
Вторая классификация - по величине большой полуоси, и точнее, по высоте над поверхностью Земли.Низкоорбитальные ИСЗ (LEO)
Низкоорбитальными ИСЗ (НОС (рус.), рис. 17, а ) обычно считаются спутники с высотами от 160 км до 2000 км над поверхностью Земли . Такие орбиты (и спутники) в англоязычной литературе называют LEO (от англ. "L ow E arth O rbit"). Орбиты LEO подвержены максимальным возмущениям со стороны гравитационного поля Земли и её верхней атмосферы. Угловая скорость спутников LEO максимальна - от 0,2°/с до 2,8°/с, периоды обращения от 87,6 минут до 127 минут.Среднеорбитальные ИСЗ(MEO)
Среднеорбитальными ИСЗ (СОС (рус.), или "MEO" - от англ. "M edium E arth O rbit") обычно считаются спутники с высотами от 2000 км до 35786 км над поверхностью Земли (рис. 17, б ). Нижний предел определяется границей LEO, а верхний - орбитой геостационарных спутников (см. ниже). Эту зону в основном "заселяют" спутники навигации (ИСЗ "NAVSTAR" системы "GPS" летают на высоте 20200 км , ИСЗ системы "ГЛОНАСС" - на высоте 19100 км ) и связи, которые покрывают полюса Земли . Период обращения - от 127 минут до 24 часов. Угловая скорость - единицы и доли угловой минуты в секунду.Геостационарные и геосинхронные орбиты ИСЗ
Геостационарные ИСЗ (ГСС (рус.), или "GSO" - от англ. "G eos ynchronous O rbit") считаются спутники, имеющие период обращение вокруг Земли, равный звёздным (сидерическим) суткам - 23 ч 56 м 4,09 с. Если наклонение "i" орбиты нулевое, то такие орбиты называют геостационарными (см. рис. 18, а ). Геостационарные ИСЗ летают на высоте 35786 км над поверхностью Земли . Т.к. их период обращение совпадает с периодом обращения Земли вокруг своей оси, то такие ИСЗ "висят" в небе на одном месте (см. рис. 19 ). Если наклонение "i" не равно нулю, то такие ИСЗ называются геосинхронными (см. рис. 18, б ). В реальности многие геостационарные спутники имеют небольшое наклонение и подвержены возмущениям со стороны Луны и Солнца, в связи с чем они описывают на небе фигуры в виде "восьмёрок", вытянутых в направлении север-юг.
 |
|
Рис. 18. Геостационарный (а) и геосинхронный (б) ИСЗ. |
 |
|
Рис. РРис 19. Снимок GEO, неподвижных на фоне вращения неба: 1 - Eutelsat W4 (NORAD №26369), 2 - Eutelsat W7 (NORAD №36101). Штрихи - треки звёзд. Снято 06.06.2010 с точки наблюдения RS на объектив "Юпитер 36Б" и DSLR-камеру "Canon 30D", сложено 12 кадров с выдержкой 30 с каждый. © В. Повалишев, В. Мечинский. |
Если говорить о виде траектории ГСС, то он определяется значением наклонения наклонения "i", эксцентриситета "e" и аргумента перигея "W p орбиты спутника (см. ). Если эксцентриситет и наклонение орбиты нулевые, то подспутниковая точка неподвижна и проецируется в конкретную точку поверхности Земли. При ненулевом эксцентриситете и нулевом наклонении ГСС "рисует" на поверхности отрезок, перемещаясь с востока на запад и обратно, смещаясь от нулевого положения не более чем на ΔL max = 114.6°·e, т.е. при эксцентриситете e=0.01 смещение будет не более чем на 1.2°. Если наклонение ненулевое, а эксцентриситет нулевой, то ГСС "рисует" классические "восьмёрки" -- угловая высота 2Θ фигуры равна удвоенному значению наклонения i орбиты, максимальная ширина ΔL max вычисляется по формуле 0.044·i 2 (наклонение "i" задаётся в градусной мере). В самом общем случае при ненулевых "i" и "e" трек ГСС на поверхности Земли представляет собой "наклонённую восьмёрку", угловая высота 2Θ = i, максимальная ширина ΔL max = 114.6°·e, причём "восьмёрка" получается только в том случае, если аргумент перигея "W p " орбиты равен 0° и 180°, в остальных случаях получается более сложная фигура -- что-то среднее между овалом и "восьмёркой".
Как уже становится понятным, вопреки расхожему мнению, ГСС не "висят" на небе точно в одной точке - наклонение, эксцентриситет и аргумент перигея орбиты спутника определяют вид и размер довольно замысловатых фигур траектории ГСС на небе. Более того - если спутник не активный, т.е. не корректирует свою орбиты, он начинает смещаться на фоне звёзд с довольно значительной скоростью. Приведём цитату из : "Необходимость в корректирующей двигательной установке на борту стационарных ИСЗ вызвана как задачами выведения на стационарную орбиту, так и тем, что, находясь на ней, он постоянно претерпевает ряд возмущений. К последним относятся возмущения за счёт неоднородности гравитационного поля Земли, возмущающее действие гравитационных полей Луны и Солнца и даже давление света. Например, давление света вызывает долгопериодические движения ИС3 вдоль орбиты до 100 км и по высоте до нескольких десятков километров для сравнительно лёгких, но крупных ИС3 (чем больше масса ИС3 и меньше его размеры, тем меньше воздействие давления света на его орбиту). Сплюснутость Земли у полюсов вызывает перемещение ИС3 вдоль стационарной орбиты почти до 9,8 о в год, приводит к периодическим возмущениям по высоте и наклонению с амплитудой до 3 км и к изменению других параметров орбиты. В результате отклонений земного экватора от идеальной окружности (см. рисунок ниже - Lupus ) стационарный ИС3 лишь за 2 месяца смещается примерно на 3,3 о вдоль орбиты, а его положение по высоте колеблется более чем на 8 км. Причём максимальное возмущение вследствие экваториального сжатия достигается вблизи точек "стояния" 30 о и 20 о в. д., 60 о и 150 о з. д. И наоборот, наиболее устойчивыми точками «стояния» стационарных ИС3 являются 75 о в д. и 105 о з. д." (подробнее про точки стояния см. ниже).
 |
|
Рис 21. Форма земного геоида по данным ИСЗ "GOCE" . |
И ещё оттуда же: "Ряд вековых возмущений положения ИС3 на стационарной орбите может быть устранен коррекцией, проведённой после вывода ИС3 на орбиту. Например, вековые возмущения положения в плоскости орбиты, обусловленные влиянием полярного сжатия, могут быть компенсированы увеличением высоты орбиты и соответствующим приращением скорости движения спутника. Однако при этом остаётся неустранённым воздействие остальных возмущающих факторов (особенно за счёт экваториального сжатия Земли), приводящих, в частности, почти всегда к изменению долготы точки "стояния" стационарного ИС3. Следовательно, необходима эпизодическая коррекция движения стационарного ИС3, подправляющая его орбиту. Количество коррекций зависит от допустимой величины смещения стационарного ИС3 по долготе за год. В общем случае если допустимое смещение ИС3 не должно превышать 1 о -4 о, то необходимо проводить до 6 коррекций за год. В точках устойчивого положения стационарных ИС3 потребуется не больше одной коррекции в год".
Получается, что без обязательной коррекции орбиты ГСС не сможет оставаться на геостационарной орбите - требуется периодическая коррекция. Поэтому на каждом ГСС есть запас горючего для коррекции, а когда он подходит к концу, ГСС переводится на орбиту захоронения и отключается (см. ниже), чтобы освободить тесную орбиту для нового спутника, и не создавать опасность столконовения с дейсвующими ГСС при дрейфе.
В настоящее время на околоземных и геостационарных орбитах каталогизировано более 16000 космических объектов искусственного происхождения. Из них только около 6% являются "активными", т.е. функционирующими. ГСО является наиболее привлекательной, выгодной для решения многих научных, народнохозяйственных, военных, навигационных, коммерческих и иных задач. Около 80% активных, функционирующих ИСЗ дислоцируются на ГСО. В общем, это специальная орбита, на которой любой спутник будет висеть постоянно над одной точкой поверхности Земли.
C точки зрения физики и небесной механики наличие ГСО можно объяснить двумя причинами:
Равнодействующая всех сил действующих на небесное тело (в нашем случае ГСС) равна нулю.
Угловая скорость вращения Земли и спутника равны.
, (**)
где m ИСЗ -- масса спутника, M ⊕ -- масса Земли, G -- гравитационная постоянная, а r -- расстояние от спутника до центра Земли, или радиус орбиты. Величина центробежной силы равна:
. (***)
Из уравнений (**) и (***) можно определить скорость движения спутника по круговой орбите:
.
При равенстве угловой скорости вращения Земли и спутника появляется область, обладающая уникальными свойствами. Такое равенство возможно только в плоскости небесного экватора. При вращении ИСЗ не в плоскости экватора, синхронность вращения Земли и ИСЗ обеспечить невозможно. Период обращения спутника вокруг Земли T ИСЗ равен длине орбиты 2πr, делённой на скорость движения спутника v:
.
Когда орбитальный период T ИСЗ будет равен периоду вращения Земли вокруг собственной оси (23 ч 56 м 04 с), то спутник будет "висеть" над одним и тем же районом Земли, а круговая орбита, лежащая в этой области, называется геостационарной.
Геостационарная орбита ограничена в размерах и лежит в плоскости экватора Земли. Её радиус составляет 42164 км от центра Земли. Небесные координаты геостационарного спутника на геостационарной орбите теоретически будут постоянными. Основными причинами, искажающими кеплеровское движение пассивного геостационарного спутника, являются гравитационные возмущения (несферичность геопотенциала, лунно-солнечные возмущения), а для ГСС с большим отношением площади поверхности к массе -- еще и негравитационный (световое давление) фактор. В результате действия возмущающих сил появляется дрейф спутника, изменяющий период вращения вокруг Земли. Отличие периода вращения ГСС от теоретического приводит к тому, что средняя долгота ГСС меняется со временем: спутник медленно дрейфует с запада на восток, если его период обращения вокруг Земли меньше звездных суток, и с востока на запад в противном случае. Отличие эксцентриситета "e" от нуля также приводит к тому, что подспутниковая долгота ГСС меняется. Происходит незначительное изменение долготы (с периодом около 12 ч и амплитудой, пропорциональной квадрату угла наклонения орбиты), и широты (с периодом 24 ч и амплитудой, равной самому наклонению "i"). Вследствие этого подспутниковая точка описывает на поверхности Земли известную "восьмерку" (см. ).
 |
|
Рис. 22. Суточная траектория ГСС "RAGUGA 22" (SCN: 19596). |
Резонансные влияния долготных членов в разложении геопотенциала Земли (неоднородность гравитационного поля Земли) приводит к тому, чтона геостационарной орбите имеются два устойчивых положения (точки) равновесия с долготами 75° в.д. (точка либрации L 1 ) и 255° в.д. (точка либрации L 2 ) . И два неустойчивых, отстоящих от устойчивых точек примерно на 90°. Эти точки либрации на ГСО не следует отождествлять с точками либрации в небесной механике при решении задачи "n" тел.
Геостационарная орбита вокруг Земли одна. Запуски спутников на ГСО начались с 1963 года. На начало 21 века более 40 стран планеты имеют свои геостационарные спутники. Ежегодно на ГСО запускается десятки спутников, орбита к тому же постепенно заполняется отработавшими спутниками. На ГСО постоянно происходят взрывы отработанных аппаратов и их ракет-носителей. Эти взрывы порождают десятки-сотни космических осколков, которые могут вывести из строя работающие аппараты. Засорение космическим мусором этой орбиты может привести к необратимым последствиям -- невозможности стабильного функционирования спутников. Космический мусор на ГСО, в отличие от близких околоземных орбит, может вращаться вокруг Земли тысячелетиями, угрожая столкновением с работающими КА. С конца 20 века проблема загрязнения ГСО стала общепланетарной, масштабной экологической проблемой.
Согласно международной конвенции по мирному использованию космического пространства при ООН, и требованиям международного радиочастного комитета (во избежании радиопомех на соседние ГСС), угловое расстояние между ГСС не должно быть менее 0.5°. Таким образом, теоретически количество ГСС, находящихся на безопасном расстоянии на ГСО, должно быть не более 720 штук. В последнее десятилетие это расстояние между ГСС не выдерживается. На 2011 год количество каталогизированных ГСС уже превысило более 1500.
К геостационарным спутникам принято относить спутники с периодами от 22 ч до 26 ч, эксцентриситетами "e" не более 0.3 и наклонами плоскости орбиты к плоскости экватора "i" до 15°, но в некоторых источниках можно встретить и более подробную классификацию, и более жесткие границы.
Классификацию ГСС можно провести по нескольким признакам: по степени "активности", по функциональному назначению, по орбитальному движению. По первому признаку все ГСС можно разделить на 2 класса:
"Активные" -- имеющие энергетический ресурс и управляемые по командам с Земли.
"Пассивные" -- неуправляемые с Земли искусственные объекты, выработавшие ракетное топливо и перешедшие в категорию космического мусора. Это ракеты-носители, фрагменты ступеней, выводившие спутники на орбиту, многочисленные детали, сопутствующие запуску, осколки спутников, образовавшиеся после взрывов аппарата на орбите, или столкновений между собой, либо с метеороидными телами.
Научные.
Геодезические.
Метеорологические.
Навигационные.
Военного назначения, которые делятся на несколько подклассов (оптическая, радиотехническая, радиолокационная разведка, предупреждение ракетно-ядерного нападения -- СПРН).
Спутники радио-телесвязи (в том числе коммерческие).
Инженерные.
Высокоорбитальные ИСЗ (HEO)
Высокоорбитальными ИСЗ (ВОС (рус.), или "HEO" - от англ. "H igh E arth O rbit") считаются спутники, достигающие высот более 35786 км над поверхностью Земли , т.е. залетающие выше геостационарных спутников (см. рис.23 ). Орбиты могут иметь значительный эксцентриситет (например, спутники серии "Меридиан", "Молния") - в этом случае они называются высокоэллиптичными (ВЭС ), так и быть почти круговыми (пример - ИСЗ "Vela"(те самые ИСЗ, на которых в конце 60-х гг. ХХ в. были открыты гамма-всплески)).
 |
|
Рис. 23. Орбита ВЭС. |
Для каждого ГСС спутника орбита захоронения расчитывается отдельно, причём минимальный перигей ΔH равен:
, (1)
где "C R " - коэффициент давления света), "S" - площадь ИСЗ, "m" - его масса.
Низкоорбитальные спутники с ядерными реакторами на борту имеют высоту орбиты захоронения порядка 1000 км, куда переводится активная зона ядерного реактора после окончания ее работы.
Запуск первого в мире советского искусственного спутника Земли 4 октября 1957 г. положил начало эры создания искусственных небесных тел. При запуске первых искусственных спутников Земли (ИСЗ) ставилась задача получить сведения, касающиеся плотности и температуры верхних слоев атмосферы и распределения массы в пределах Земли. Запуски ИСЗ позволили установить, что на больших высотах плотность воздуха во много раз больше, чем предполагалось до запуска спутников, что она сильно меняется в течение суток. По данным наблюдения за движением ИСЗ, ученые более точно определили форму и размеры Земли, а также расстояния между материками. Диапазон задач, которые ставятся и решаются с помощью ИСЗ, непрерывно расширяется. К настоящему времени число запущенных ИСЗ достигает нескольких тысяч. Спутники запускаются теперь не только для научных целей, но и для решения многих практических задач.
Например, в ряде стран запускаются метеорологические спутники и спутники связи. В течение нескольких лет военно-морские силы США используют в опытном порядке спутниковую систему навигации «Транзит», состоящую из пяти ИСЗ.
В связи с бурным ростом воздушного движения начали проводиться разработки по применению ИСЗ для предотвращения столкновения самолетов в воздухе, управления воздушным движением и обеспечения самолетовождения.
Внедрение спутниковых систем самолетовождения и связи должно разрешить проблему надежного УВД и навигационного обеспечения полетов в условиях ожидаемого роста движения самолетов к концу нынешнего столетия. Применение спутниковых систем самолетовождения и связи позволит обеспечивать полеты самолетов в любых погодных условиях. Учитывая исключительную надежность этих систем, можно будет уменьшить нормативы бокового и вертикального эшелонирования и тем самым улучшить использование воздушного пространства. Авиадиспетчеры и пилоты получат возможность связываться с любой точкой Земли и воздушного пространства.
В настоящее время можно создать единую мировую навигационную систему. Но для этого необходимо международное сотрудничество. Использование ИСЗ для самолетовождения является дальнейшим развитием методов авиационной астрономии. Рассмотрим некоторые понятия, связанные с навигационным использованием ИСЗ.
Элементы орбиты ИСЗ.
Искусственным спутником Земли принято считать космический аппарат, выведенный в космическое пространство, движение которого по своей орбите подчиняется естественным силам. Путь ИСЗ в пространстве называется орбитой. В соответствии с законами небесной механики плоскость орбиты спутника Земли всегда проходит через центр масс Земли и спутника. Поэтому все возможные орбиты спутника располагаются в плоскостях сечения Земли по большому кругу. Вследствие этого ИСЗ может двигаться, например, в плоскости экватора, но не может перемещаться в плоскостях параллелей Земли.
Чтобы тело стало ИСЗ, необходимо придать ему скорость относительно Земли не меньше круговой, которую называют первой космической скоростью. Для спутника, движущегося по окружности у поверхности Земли, она равна 7,912 км/с. Круговая скорость с увеличением высоты уменьшается. Например, на высоте 1000 км круговая скорость спутника равна 7,356 км/с. Если искусственный спутник получит скорость больше круговой, соответствующей его высоте над земной поверхностью, то он будет двигаться по эллиптической орбите. При орбитальной скорости 11,19 км/с искусственный спутник выходит на эллиптическую орбиту относительно Солнца, т. е. перестает быть спутником Земли.
Для навигационных целей используют стационарные, синхронные и несинхронные ИСЗ.
Спутник, имеющий экваториальную круговую орбиту с периодом обращения, равным периоду вращения Земли, называется стационарным. Он расположен в пространстве всегда над одной и той же точкой экватора. Чтобы добиться указанного условия, спутник должен двигаться с запада на восток на высоте 35 800 км со скоростью 3,076 км/с. В этом случае угловая скорость спутника будет равна угловой скорости вращения Земли.
Спутник, имеющий период обращения в целое число раз меньший или больший, чем период вращения Земли, называется синхронным. Такой спутник характерен тем, что при первом условии он ежесуточно проходит над одной и той же точкой Земли в одно и то же время.
Спутник, у которого период обращения не кратнен периоду вращения Земли, называется несинхронным.
Зная элементы орбиты ИСЗ, можно определить его положение в пространстве для любого момента времени. Эллиптическая орбита ИСЗ показана на рис. 7.20. На этом рисунке Я - перигей орбиты (ближайшая к Земле точка орбиты спутника); А - апогей орбиты (наиболее удаленная от Земли точка орбиты спутника); i - угол наклона плоскости орбиты спутника к плоскости небесного экватора; - восходящий узел орбиты (точка на орбите, в которой ИСЗ пересекает плоскость небесного экватора, переходя из Южного полушария в Северное); 15 - нисходящий узел орбиты; Т - точка весеннего равноденствия; Q - прямое восхождение восходящего узла орбиты; со - угловое расстояние перигея по орбите от восходящего узла; а - прямое восхождение спутника; - склонение спутника. Чтобы полностью определить орбиту спутника, необходимо знать шесть элементов. Элементы Q, i, со называют угловыми элементами. К пространственным элементам орбиты относятся: большая полуось эллипса а и эксцентриситет орбиты , т.е. отношение фокусного расстояния К большой полуоси эллипса. Большая полуось и эксцентриситет характеризуют размеры и форму эллиптической орбиты. Шестым элементом является время прохождения перигея.
Положение спутника на небесной сфере определяется склонением и прямым восхождением. Но эти элементы очень быстро изменяются, так как ИСЗ имеет малый период обращения. Если бы на движение ИСЗ не оказывали действия возмущающие силы, то положение его орбиты в пространстве, а также размеры и форма орбиты оставались бы неизменными.
Рис. 7.20. Элементы орбиты ИСЗ
В действительности движение спутника испытывает сложные и разнообразные возмущения. Влияние сил притяжения Солнца, Луны и планет, неоднородность поля тяготения Земли, влияние сил сопротивления атмосферы и электромагнитных сил изменяют параметры орбиты ИСЗ.
Без знания элементов траектории и координат ИСЗ нельзя использовать его для самолетовождения. Поэтому в состав спутниковых навигационных систем входит ЭВМ, которая вычисляет эфемериды (координаты) ИСЗ. Вычисленные координаты передаются на спутник, а оттуда на самолет, где они используются при обработке результатов измерений.
Спутниковые навигационные системы.
Основная задача самолетовождения сводится к определению места самолета. В современных условиях эту задачу можно решить с помощью ИСЗ, которые являются новыми перспективными средствами самолетовождения. Искусственные спутники, являясь небесными телами, имеют ряд преимуществ перед естественными небесными светилами - они оснащены приемопередающей аппаратурой, что позволяет измерять не только угловые координаты ИСЗ, но и использовать свойства радиоволн для определения дальности до них.
Рассмотрим кратко принцип работы спутниковой навигационной системы на примере спутниковой системы навигации «Навстар». В ее состав (рис. 7.21) входят: один или несколько ИСЗ; сеть следящих станций; вычислительный центр; передающий центр; самолетное бортовое оборудование. Количество спутников, их высота и положение орбит определяется практическими соображениями по обеспечению полетов в необходимых районах.
Сеть следящих станций обеспечивает слежение за спутниками и определение точного их положения. Число станций зависит от необходимой продолжительности слежения. Станции располагаются в пунктах с точно известными координатами. Данные станций слежения поступают в вычислительный центр, где с помощью ЭВМ производится вычисление эфемерид ИСЗ, которые
затем передаются передающим центром на спутник, а оттуда посылаются абонентам в виде части навигационного сигнала.
Бортовое оборудование в зависимости от типа самолета может включать самолетный приемопередатчик, радиосекстант, оборудование доплеровской системы для работы с ИСЗ, радиолокационный приемник для угломерно-дальномерной системы и цифровую вычислительную машину (ЦВМ) с помощью которой производится обработка спутниковых сигналов и автоматическое определение места самолета с выдачей его на индикатор.
Рис. 7.21. Общий принцип работы спутниковой навигационной системы
Для снижения стоимости бортового оборудования в некоторых системах предусматривается определение места самолета производить на земле с помощью ЭВМ. Затем данные о месте самолета через релейные станции на ИСЗ передаются диспетчером УВД на борт самолета для решения экипажем навигационных задач.
Спутниковые навигационные системы могут быть следующих типов: угломерные, дальномерные и доплеровские.
Угломерные спутниковые системы основаны на измерении бортовым устройством угловых высот двух спутников. В процессе измерения высот аппаратура, установленная на спутниках, передает на самолет их координаты. Измеренные высоты и поступившая информация о положении спутников автоматически обрабатываются бортовой вычислительной аппаратурой, которая выдает текущие географические координаты места самолета.
Дальномерные спутниковые системы основаны на измерении дальности до двух спутников и высоты полета самолета. Измерение дальностей до двух спутников позволяет получить на земной поверхности два круга равных дальностей. Пересечение этих кругов дает место самолета. Центром круга равных дальностей является географическое место ИСЗ. Место самолета определяется бортовым автоматическим вычислительным устройством по известным траекторным элементам спутников, высоте полета и дальностям до двух спутников.
Доплеровские спутниковые системы основаны на принципе определения доплеровского сдвига частоты принятых на самолете сигналов ИСЗ. Такая система состоит из одного или нескольких спутников, положение орбит которых во времени точно известно. На спутнике установлен передатчик со строго стабилизированной частотой излучения навигационных сигналов. Эти сигналы передаются через установленный интервал времени. С помощью приемника на самолете определяется доплеровский сдвиг частоты. Интегрирование полученного сдвига частоты обеспечивает нахождение дальности до спутника. Три таких измерения позволяют определить место самолета, как и в дальномерной системе. В доплеровской системе не обеспечивается непрерывное определение места самолета. Но при этом можно обойтись без угловых измерений, требующих стабилизации платформы антенны на самолете, значительно усложняющей бортовую аппаратуру.
Спутниковые навигационные системы имеют неоспоримые преимущества перед другими системами и их внедрение позволит повысить надежность и безопасность выполнения полетов над любыми районами земного шара.
