Геостационарная орбита

Геостационарная орбита (в масштабе):
коричневый = наблюдатель; зеленый = спутник

Железные дороги ИГСО с уклоном 30 ° и 63,4 °

Спутниковый трек QZSS над Японией и Австралией

След геостационарного спутника

Геостационарной орбите является спутник орбиты , в котором орбитальное время вокруг Земли точно совпадает с периодом вращения Земли ( сидерический день ); спутник вращается вокруг Земли синхронно с вращением Земли, но не обязательно синхронно в каждой точке времени. Поскольку синхронность не обязательно применяется к каждой точке орбиты во времени, спутник с эксцентриситетом 0 может временно опережать или отставать в сторону для наблюдателя на поверхности Земли и подниматься или опускаться при наклонах орбиты 0 °. Однако в частном случае геостационарной орбиты (наклон орбиты = 0 ° и эксцентриситет = 0) спутник всегда находится в одной и той же точке неба для наблюдателя.

Поскольку движение перед путешествием и после путешествия, а также движение вверх и вниз очень чувствительно реагируют на нарушения наклона и эксцентриситета орбиты, возмущения орбиты, вызванные гравитационными влияниями Солнца и Луны и анизотропией гравитационного поля Земли, особенно заметны на геостационарных орбитах. . Спутникам, находящимся там, нужно топливо для устранения сбоев на орбите . Только из-за этого у них ограниченная продолжительность жизни .

Использует геостационарные спутники , в основном , в области связи , а также метеорологические спутники воспользоваться этой орбитой.

Классы орбиты

Геостационарные орбиты имеют углы наклона от 0 ° (геостационарная) через 90 ° ( полярная орбита ) до 180 ° ( ретроградная , т.е. вращение в противоположном направлении вращению Земли).

Наклонная орбита

Если наклонение отличается от 0 °, орбита называется наклонной геосинхронной орбитой, англ. Наклонной геосинхронной орбитой (IGSO) .

В зависимости от наклона орбиты или угла наклона различают:

• Орбиты с низким наклонением известны как наклонные орбиты и используются бывшими геостационарными спутниками связи для продления срока их службы, когда их запасы топлива почти исчерпаны . Однако из-за того, что их положение в небе затем меняется, такие спутники можно принимать только с помощью профессиональных антенн с отслеживанием антенн.
• Quasi-Zenith Satellite System (QZSS) представляет собой четыре спутниковая система , используемая для улучшения спутниковых навигационных систем в Японии. Спутники находятся на орбите с наклоном 45 ° с эксцентриситетом 0,09 и углом перигея ( аргумент перигея ) 270 ° в течение восьми часов, почти вертикально над островом.
• Сильноэллиптические орбиты с большим наклонением также называют тундровыми орбитами .

Геостационарная орбита

Частный случай круговой орбиты с восточным направлением вращения и наклоном орбиты 0 ° называется геостационарной. Орбита скорость всегда 3.075 километров в секунду (11070 км / ч), а радиус орбиты 42164 км. После вычитания экваториального радиуса около 6378 км это соответствует расстоянию около 35 786 км до поверхности Земли.

Если смотреть с Земли, кажется, что геостационарный спутник неподвижно находится в небе (он «неподвижен»), потому что он движется с той же угловой скоростью, что и наблюдатель на Земле. Из-за этого эта орбита широко используется для спутников телевидения и связи. Антенны на земле могут быть прикреплены к определенной точке, и каждый спутник всегда покрывает одну и ту же область земли. Однако эти спутники обычно фокусируют свои антенны на отдельных регионах ( зонах покрытия ), так что сигналы обычно могут приниматься только в зонах вещания.

Формулы

Чтобы удерживать тело массы с угловой скоростью на круговой траектории с радиусом , центростремительная сила является силой ${\ displaystyle m}$ ${\ displaystyle \ omega}$${\ displaystyle r}$

${\ Displaystyle F_ {1} = м \ омега ^ {2} г}$

необходимо. На круговой орбите вокруг планеты гравитация является приблизительно единственной эффективной силой. На расстоянии - начиная с центра планеты - вы можете использовать формулу ${\ displaystyle r}$

${\ displaystyle F_ {2} = {\ frac {GMm} {r ^ {2}}}}$

рассчитываться. Это означает , с гравитационной постоянной и массы планеты. ${\ displaystyle G}$${\ displaystyle M}$

Поскольку гравитация - единственная сила, удерживающая тело на круговой траектории, ее значение должно соответствовать центростремительной силе. Таким образом, применяется следующее:

${\ displaystyle F_ {1} = F_ {2}}$

Вставив это, вы получите:

${\ displaystyle m \ omega ^ {2} r = {\ frac {GMm} {r ^ {2}}}}$

Решение дает: ${\ displaystyle r}$

${\ displaystyle r = {\ sqrt [{3}] {G {\ frac {M} {\ omega ^ {2}}}}}}$

Угловая частота определяется периодом вращения как: ${\ displaystyle \ omega}$${\ displaystyle t}$

${\ displaystyle \ omega = {\ frac {2 \ pi} {t}}}$

Подставив его в формулу для, вы получите: ${\ displaystyle r}$

${\ displaystyle r = {\ sqrt [{3}] {{\ frac {G} {4 \ pi ^ {2}}} Mt ^ {2}}}}$

Эта формула теперь определяет радиус геостационарной орбиты центра масс, начиная с центра рассматриваемой планеты.

Чтобы получить расстояние орбиты от поверхности планеты - например, высоту геостационарного спутника над поверхностью земли - его радиус необходимо вычесть из результата. Итак, у нас есть:

${\ displaystyle h = {\ sqrt [{3}] {{\ frac {G} {4 \ pi ^ {2}}} Mt ^ {2}}} - R_ {P}}$

где обозначает радиус планеты. ${\ displaystyle R_ {P}}$

Если на планете есть спутник (например, луна) с известными данными об орбите, третий закон Кеплера также можно использовать в качестве альтернативы.

${\ displaystyle {\ frac {T _ {\ text {Sat}} ^ {2}} {T _ {\ text {Moon}} ^ {2}}} = {\ frac {r _ {\ text {Sat} } ^ {3}} {r _ {\ text {moon}} ^ {3}}}}$

применяются к спутнику и геостационарному спутнику.

В примере с спутником Земли можно использовать данные об орбите Луны (длительность орбиты T _moon ≈ 655 ч, большая полуось лунной орбиты r _moon ≈ 384000 км, T _Sat = 23 ч 56 мин). Решенный для радиуса орбиты геостационарного спутника, который равен радиусу орбиты из-за круговой орбиты, это приводит к:

${\ displaystyle r _ {\ text {Sat}} = {\ sqrt [{3}] {\ frac {r _ {\ text {moon}} ^ {3} \ cdot T _ {\ text {Sat}} ^ {2}} {T _ {\ text {moon}} ^ {2}}}} \ приблизительно 42000 \, \ mathrm {km}}$

Высота над поверхностью планеты, в данном случае Земли, снова получается путем вычитания радиуса планеты.

история

Скорость циркуляции в зависимости от высоты полотна

Идея геостационарного спутника была впервые опубликована Германом Поточником в его книге 1928 года «Проблема навигации в космосе - ракетный двигатель» .

В 1945 году писатель-фантаст Артур Кларк предложил разместить спутники на геостационарной орбите. Радиосвязь по всему миру будет возможна с тремя спутниками, каждый со смещением на 120 °. Он предположил, что спутники могут быть размещены там в течение ближайших 25 лет. С Syncom 2 на геостационарной орбите в 1963 году и Syncom 3 на геостационарной орбите в 1964 году его идея была реализована гораздо быстрее, примерно через 19 лет.

На картинке справа показана диаграмма, на которой Кларк впервые представил свои идеи публике в журнале Wireless World .

Смотри тоже

• Список геостационарных спутников

веб ссылки

• Орбита спутника на ГСО ( памятная записка от 2 марта 2009 г. в Интернет-архиве )
• Книжный скан: проблема навигации в космосе. Ракетный двигатель. Автор: Герман Поточник, псевдоним Герман Нордунг. доступ 21 января 2020 г.

Индивидуальные доказательства

1. ^ Предложение 1945 года Артура Кларка по геостационарной спутниковой связи