По каким орбитам движутся искусственные спутники. Орбиты вокруг земли. Идея использования искусственных аппаратов
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.
Краткое описание
Искусственный спутник Земли (ИСЗ) - космический аппарат, вращающийся вокруг Земли по геоцентрической орбите.
Для движения по орбите вокруг Земли аппарат должен иметь начальную скорость, равную или немного большую первой космической скорости.
Введение …………………………………………………………………………...2
1 Классификации типов ИСЗ…………………………………………………......2
1.1. Спутник связи……………………………………………………………….…2
2.1Орбиты искусственных спутников Земли…………………………………...3
2.2 Деление орбит ИСЗ………………………………………………………….….6
2.2.1 Классификация орбит ИСЗ по наклонению……………………….……...6
2.2.1.1 Экваториальные орбиты…………………………………………………..7
2.2.1.2 Полярные орбиты…………………………………………………………..7
2.2.1.3 Солнечно-синхронные орбиты…………………………………………….8
2.2.2 Классификация орбит ИСЗ по величине большой полуоси………….….9
2.2.2.1 Низкоорбитальные ИСЗ (LEO)……………………………………………9
2.2.2.2 Среднеорбитальные ИСЗ(MEO)…………………………………………..9
2.2.2.3 Геостационарные и геосинхронные орбиты ИСЗ……………………....9
2.2.2.4 Высокоорбитальные ИСЗ (HEO)…………………………………………12
3 Заключение………………………………………………………………………..13
Список литературы………………………………………………………………...14
Файлы: 1 файл
Принцип действий одноразовой многоступенчатой ракеты-носителя состоит в следующем: пока работает первая ступень, можно рассматривать остальные вместе с истинной полезной нагрузкой в качестве полезной нагрузки первой ступени. После ее отделения начинает работать вторая, которая вместе с последующими ступенями и истинной полезной нагрузкой образует новую самостоятельную ракету. Для второй ступени все последующие (если они есть) вместе с истинным полезным грузом играют роль полезной нагрузки и так далее, т. е. полет ее характеризуется несколькими этапами, каждый из которых является как бы ступенью для сообщения начальной скорости другим одноступенчатым ракетам, входящим в ее состав. При этом начальная скорость каждой последующей одноступенчатой ракеты равна конечной скорости предыдущей. Отторжение первой и последующих ступеней носителя осуществляется после полного выгорания топлива в двигательной установке.
Путь, который проходит ракета-носитель при выведении ИСЗ на орбиту, называют траекторией полета. Он характеризуется активным и пассивным участками. Активный участок полета - это пролет ступеней носителя с работающими двигателями, пассивный участок - полет отработавших ракетных блоков после их отделения от ракеты-носителя.
Носитель, стартуя вертикально (Рис. 1.участок 1, расположенный на высоте 185... 250 км), выходит затем на криволинейный активный участок 2 в восточном направлении. На этом участке первая ступень обеспечивает постепенное уменьшение угла наклона ее оси по отношению к местному горизонту. Участки 3, 4 - соответственно активные участки полета второй и третьей ступеней, 5 - орбита ИСЗ, 6, 7 - пассивные участки полета ракетных блоков первой и второй ступеней
При выведении ИСЗ на соответствующую орбиту большую роль играют время и место запуска ракеты-носителя. Подсчитано, что космодром выгоднее располагать как можно ближе к экватору, так как при разгоне в восточном направлении ракета-носитель получает дополнительную скорость. Эта скорость называется окружной скоростью космодрома Vк, т. е. скорость его движения вокруг оси Земли благодаря суточному вращению планеты, т. е. на экваторе она равна 465 м/с, а на широте космодрома Байконур
316 м/с. Практически это означает, что с экватора той же ракетой-носителем может быть запушен более тяжелый ИСЗ. Завершающей стадией полета ракеты-носителя является вывод ИСЗ на орбиту, форма которой определяется кинетической энергией, сообщаемой ИСЗ ракетой, т. е. конечной скоростью носителя. В том случае, когда спутнику сообщается количество энергии, достаточное для его вывода на ГСО, ракета-носитель должна вывести в точку, удаленную от Земли на 35 875 км, и сообщить ему при этом скорость 3075 м/с.
Орбитальную скорость геостационарного ИСЗ легко подсчитать. Высота ГСО над поверхностью Земли 35 786 км, радиус ГСО на 6366 км больше (средний радиус Земли), т. е. 42 241 км. Умножив значение радиуса ГСО на 2л (6,28), получим ее длину окружности - 265 409 км. Если разделить ее на длительность суток в секундах (86 400 с), получим орбитальную скорость ИСЗ - в среднем 3,075 км/с, или 3075 м/с.
Обычно вывод спутника ракетой-носителем осуществляется в четыре этапа: выход на начальную орбиту; выход на орбиту «ожидания» (парковочную орбиту); выход на переходную орбиту; выход на конечную орбиту.
2.2Деление орбит ИСЗ.
Основное деление орбит производят по величине наклонения "i" орбиты и по значению большой полуоси "a". Кроме того, можно выделить деление по величине эксцентриситета "e" - малоэллиптичные и высокоэллиптичные орбиты. Наглядное представление об изменении вида орбиты при различных значениях эксцентриситета дано на рис. 2.
Рис. 2. Изменение вида эллиптической орбиты при разных значениях эксцентриситета "e".
Классификация орбит ИСЗ по наклонению
В общем случае наклонение орбита ИСЗ лежит в диапазоне 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.
В общем случае пареметры орбиты будут эволюционировать в зависимости от наклонения "i", большой полуоси "a" и эксцентриситета "e".
Рис. 3. Общий случай орбиты спутника с наклонением 0° < "i" < 90°.
Экваториальные орбиты
Экваториальная орбита - крайний случай орбиты, когда наклонение "i" = 0° (рис. 4). 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".
Рис. 4. Экваториальная орбита.
Полярные орбиты
Полярная орбита - второй крайний случай орбиты, когда наклонение "i" = 90° (рис. 5). 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".
Рис. 5. Полярная орбита.
Солнечно-синхронные орбиты
Рис. 6. Солнечно-синхронная орбита.
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 (рис. 6). 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. 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. 7, 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. "Low Earth Orbit"). 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.
Рис. 7. Низкоорбитальные ИСЗ (а) и среднеорбитальные ИСЗ (б).
Среднеорбитальные ИСЗ(MEO)
Среднеорбитальными ИСЗ (СОС (рус.), или "MEO" - от англ. "Medium Earth Orbit") обычно считаются спутники с высотами от 2000 км до 35786 км над поверхностью Земли (рис. 7, б). Нижний предел определяется границей LEO, а верхний - орбитой геостационарных спутников. 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. "Geosynchronous Orbit") считаются спутники, имеющие период обращение вокруг Земли, равный звёздным (сидерическим) суткам - 23ч 56м 4,09с. Если наклонение "i" орбиты нулевое, то такие орбиты называют геостационарными (рис. 8, 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 (рис. 9). Если наклонение "i" не равно нулю, то такие ИСЗ называются геосинхронными (рис. 8, 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. 8. Геостационарный (а) и геосинхронный (б) ИСЗ.
Если говорить о виде траектории ГСС, то он определяется значением наклонения наклонения "i", эксцентриситета "e" и аргумента перигея "Wp орбиты спутника (рис. 10). Если эксцентриситет и наклонение орбиты нулевые, то подспутниковая точка неподвижна и проецируется в конкретную точку поверхности Земли. При ненулевом эксцентриситете и нулевом наклонени ГСС "рисует" на поверхности отрезок, перемещаясь с востока на запад и обратно, смещаясь от нулевого положения не более чем на ΔLmax = 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 ΔLmax вычисляется по формуле 0.044·i2 (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 ΔLmax = 114.6°·e, причём "восьмёрка" получается только в том случае, если аргумент перигея "Wp" орбиты равен 0° и 180°, в остальных случаях получается более сложная фигура что-то среднее между овалом и "восьмёркой".
Рис. 10. Виды треков ГСС на поверхности Земли в зависимости от наклонения "i", эксцентриситета "e" и аргумента перигея "Wp" орбиты.
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 12ч и амплитудой, пропорциональной квадрату угла наклонения орбиты), и широты (с периодом 24ч и амплитудой, равной самому наклонению "i"). Вследствие этого подспутниковая точка описывает на поверхности Земли известную "восьмерку".
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. Сюда можно добавить более 600 высокоэллиптических объектов, периодически пересекающих ГСО и более 200 военных спутников, запущенных на ГСО в интересах Министерства обороны и разведки разных стран, которые не содержатся в публично доступном каталоге объединенного командования СПРН США и Канады (NORAD).
К геостационарным спутникам принято относить спутники с периодами от 22ч до 26ч, 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.
Высокоорбитальные ИСЗ (HEO)
Высокоорбитальными ИСЗ (ВОС (рус.), или "HEO" - от англ. "High Earth Orbit") считаются спутники, достигающие высот более 35786 км над поверхностью Земли , т.е. залетающие выше геостационарных спутников (см. рис. 10). 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. 13. Орбита ВЭС.
Искусственные спутники Земли (ИСЗ) представляют собой выведенные на орбиты Земли КА. Орбиты ИСЗ различаются:
- формой : круговая и эллиптическая;
- наклоном по отношению к плоскости экватора (рис. 2.38): 1 - экваториальные (угол наклона к плоскости экватора равен нулю), 2 - полярные (угол наклона равен 90"), 3, 4 - наклонные;
- направлением вращения : 3 - прямые (направление совпадает с вращением Земли), 4 - обратные (противоположны вращению Земли);
- высотой над поверхностью Земли : низкоорбитальные (с высотой перигея 200 - 400 км), высокоорбитальные (с высотой перигея более 1000 км), геостационарные (с радиусом круговой орбиты около 42160 км и расстоянием от поверхности Земли 35880 км).
Рис. 1.1. Орбиты искусственных спутников Земли:
1 - экваториальная; 2 - полярная; 3 - наклонная (прямая); 4 - наклонная (обратная)
Геостационарные ИСЗ имеют экваториальную прямую орбиту, что позволяет им постоянно находиться над определенной точкой экватора Земли.
Движение ИСЗ рассматривается в гравитационном поле Земли. На движение спутников и их орбиту оказывают влияние ряд возмущающих факторов:
Нецентральность (несферичность) гравитационного поля Земли;
Гравитационные поля Луны, Солнца и других небесных тел;
Аэродинамические силы, создаваемые атмосферой Земли (особенно для низкоорбитальных спутников).
Орбиты лунных и межпланетных КА
Полет КА к Луне и другим планетам солнечной системы требует рассмотрения движения КА в пространстве двух или более притягивающих центров. Для такого полета КА должна быть сообщена скорость, превышающая вторую космическую. Поэтому траектория на определенном участке становится близкой к гиперболической с фокусом в центре Земли (либо соответствующей пролетной планеты).
Траектория движения КА к Луне или планете обычно состоит из нескольких участков (в зависимости от поставленной задачи: посадки, облета или пролета):
Выведение КА и разгонной ступени на промежуточную орбиту спутника Земли;
Разгон КА с помощью разгонной ступени до скорости, достаточной для перелета к Луне или соответствующей планете;
Движение КА в окрестности Луны или планеты назначения с совершением посадки либо переходом на орбиту искусственного спутника, либо пролетом «а определенном расстоянии от поверхности. В последнем случае формируется новая траектория для полета к следующей планете либо для возвращения КА на Землю.
Траектория движения ИСЗ называется орбитой. Во время свободного полета спутника, когда его бортовые реактивные двигатели выключены, движение происходит под воздействием гравитационных сил и по инерции, причем главной силой является притяжение Земли.
Если считать Землю строго сферической, а действие гравитационного поля Земли - единственной силой, воздействующей на спутник, то движение ИСЗ подчиняется известным законам Кеплера: оно происходит в неподвижной (в абсолютном пространстве) плоскости, проходящей через центр Земли, - плоскости орбиты; орбита имеет форму эллипса (рис 3.1) или окружности (частный случай эллипса).
При движении спутника полная механическая энергия (кинетическая и потенциальная) остается неизменной, вследствие чего при удалении спутника от Земли скорость его движения уменьшается. В случае эллиптической орбиты точкой перигея называют точку орбиты, соответствующую наименьшему значению радиус-вектора r = rп, точкой апогея - точку, соответствующую наибольшему значению r = ra (рис. 3.2).
Земля находится в одном из фокусов эллипса. Входящие в формулу (3.1) величины связаны соотношениями:Расстояние между фокусами и центром эллипса составляет ае, т. е. пропорционально эксцентриситету. Высота спутника над поверхностью Земли
где R -
радиус Земли. Линия пересечения плоскости орбиты с плоскостью экватора (а - а на рис. 3.1) называется линией узлов, угол i между плоскостью орбиты и плоскостью экватора - наклонением орбиты. По наклонению различают экваториальные (i = 0°), полярные (i = 90°) и наклонные орбиты,(0°
Орбита спутника характеризуется также долготой апогея д - долгота подспутниковой точки (точка пересечения радиуса-вектора с поверхностью Земли) в момент прохождения спутником апогея и периодом обращения Т (время между двумя последовательными прохождениями одной и той же точки орбиты).
Для систем связи и вещания необходимо, чтобы имелась прямая видимость между спутником и соответствующими земными станциями в течение сеанса связи достаточной длительности. Если сеанс не круглосуточный, то удобно, чтобы он повторялся ежесуточно в одно и то же время. Поэтому предпочтительны синхронные орбиты с периодом обращения, равным или кратным времени оборота Земли вокруг оси, т. е. звездным суткам (23 ч 56 мин 4 с).
Широкое применение нашла высокая эллиптическая орбита с периодом обращения 12 ч, когда для систем связи и вешания использовались спутники «Молния» (высота перигея 500 км, апогея - 40 тыс. км). Движение ИСЗ на большой высоте - в области апогея - замедляется, а область перигея, расположенную над южным полушарием Земли, спутник проходит очень быстро. Зона видимости ИСЗ на орбите типа «Молния» в течение большей части витка вследствие значительной высоты велика. Она расположена в северном полушарии и поэтому удобна для северных стран. Обслуживание всей территории бывшего СССР одним из ИСЗ возможно в течение не менее 8 ч, поэтому трех ИСЗ, сменяющих друг друга, было достаточно для круглосуточной работы. В настоящее время ради исключения перерывов связи и вещания, упрощения систем наведения антенн земных станций на ИСЗ и других эксплуатационных преимуществ осуществлен переход на использование геостационарных орбит (ГСО) спутников Земли.
Орбита геостационарного ИСЗ - это круговая (эксцентриситет е = 0), экваториальная (наклонение i = 0°), синхронная орбита с периодом обращения 24 ч, с движением спутника в восточном направлении. Орбиту ГСО еще в 1945 г. рассчитал и предложил использовать для спутников связи английский инженер Артур Кларк, известный впоследствии как писатель-фантаст. В Англии и многих других странах геостационарную орбиту называют «Пояс Кларка»
Орбита имеет форму окружности, лежащей в плоскости земного экватора с высотой над поверхностью Земли 35 786 км. Направление вращения ИСЗ совпадает с направлением суточного вращения Земли. Поэтому для земного наблюдателя спутник кажется неподвижным в определенной точке небесной полусферы.
Геостационарная орбита уникальна тем, что ни при каком другом сочетании параметров нельзя добиться неподвижности свободно движущегося ИСЗ относительно земного наблюдателя. Необходимо отметить некоторые достоинства геостационарных ИСЗ. Связь осуществляется непрерывно, круглосуточно, без переходов (заходящего ИСЗ на другой); на антеннах земных станций упрощены, а на некоторых даже исключены системы автоматического сопровождения ИСЗ; механизм привода (перемещения) передающей и приемной антенн облегчен, упрошен, сделан более экономичным; достигнуто более стабильное значение ослабления сигнала на трассе Земля - Космос; зона видимости геостационарного ИСЗ около одной трети земной поверхности; трех геостационарных ИСЗ достаточно для создания глобальной системы связи; отсутствует (или становится весьма малым) частотный сдвиг, обусловленный эффектом Доплера.
Эффектом Доплера называют физическое явление, заключающееся в изменении частоты высокочастотных электромагнитных колебаний при взаимном перемещении передатчика и приемника. Эффект Доплера объясняется изме
нением расстояния во времени. Этот эффект может возникнуть также и при движении ИСЗ на орбите. На линиях связи через строго гестационарный спутник доплеровский сдвиг не возникает, на реальных геостационарных ИСЗ - мало существен, а на сильно вытянутых эллиптических или низких круговых орбитах может быть значительным. Эффект проявляется как нестабильность несущей частоты ретранслируемых спутником колебаний, которая добавляется к аппаратурной нестабильности частоты, возникающей в аппаратуре бортового ретранслятора и земной станции. Эта нестабильность может существенно осложнять прием сигналов, приводя к снижению помехоустойчивости приема.
К сожалению, эффект Доплера способствует изменению частоты модулирующих колебаний. Это сжатие (или расширение) спектра передаваемого сигнала невозможно контролировать аппаратурными методами, так что если сдвиг частоты превысит допустимые пределы (например, 2 Гц для некоторых типов аппаратуры частотного разделения каналов), то канал оказывается неприемлемым.
Существенное влияние на свойства каналов связи оказывает и запаздывание радиосигнала при его распространении по линии Земля - ИСЗ - Земля.
При передаче симплексных (однонаправленных) сообщений (программ телевидения, звукового вешания и других дискретных (прерывистых) сообщений это запаздывание не ощущается потребителем. Однако при дуплексной (двусторонней) связи запаздывание на несколько секунд уже заметно. Например, электромагнитная волна от Земли на ГСО и обратно «путешествует» 2...4 с (с учетом задержки сигнала в аппаратуре ИСЗ) и наземной аппаратуре. В этом случае не имеет смысла передавать сигналы точного времени.
Вывод геостационарного спутника на орбиту обычно осуществляется многоступенчатой ракетой через промежуточную орбиту. Современная ракета-носитель представляет собой сложный космический летательный аппарат, который приводится в движение реактивной силой ракетного двигателя.
В состав ракеты-носителя входят ракетный и головной блоки. Ракетный блок является автономной частью составной ракеты с топливным отсеком, двигательной установкой и элементами системы разделения ступеней. Головной блок включает в себя полезную нагрузку и обтекатель, защищающий конструкцию ИСЗ от силового и теплового воздействий набегающего потока воздуха при полете в атмосфере и служащего для монтажа на его внутренней поверхности элементов, которые участвуют в подготовке к пуску, но не функционируют в полете. Главный обтекатель позволяет облегчить конструкцию ИСЗ и является пассивным элементом, надобность в котором отпадает после выхода ракеты-носителя из плотных слоев атмосферы, где он сбрасывается. Полезная нагрузка космического аппарата состоит из ретрансляционного оборудования связи и вещания, радиотелеметрических систем, собственно корпуса ИСЗ со всеми вспомогательными и обеспечивающими системами.
Принцип действий одноразовой многоступенчатой ракеты-носителя состоит в следующем: пока работает первая ступень, можно рассматривать остальные вместе с истинной полезной нагрузкой в качестве полезной нагрузки первой ступени. После ее отделения начинает работать вторая, которая вместе с последующими ступенями и истинной полезной нагрузкой образует новую самостоятельную ракету. Для второй ступени все последующие (если они есть) вместе с истинным полезным грузом играют роль полезной нагрузки и так далее, т. е. полет ее характеризуется несколькими этапами, каждый из которых является как бы ступенью для сообщения начальной скорости другим одноступенчатым ракетам, входящим в ее состав. При этом начальная скорость каждой последующей одноступенчатой ракеты равна конечной скорости предыдущей. Отторжение первой и последующих ступеней носителя осуществляется после полного выгорания топлива в двигательной установке.
Путь, который проходит ракета-носитель при выведении ИСЗ на орбиту, называют траекторией полета. Он характеризуется активным и пассивным участками. Активный участок полета - это пролет ступеней носителя с работающими двигателями, пассивный участок - полет отработавших ракетных блоков после их отделения от ракеты-носителя.
Носитель,стартуя вертикально (участок 1, расположенный на высоте 185... 250 км), выходит затем на криволиней ный активный участок 2 в восточном направлении. На этом участке первая ступень обеспечивает постепенное уменьшение угла наклона ее оси по отношению к местному горизонту. Участки 3, 4 - соответственно активные участки полета второй и третьей ступеней, 5 - орбита ИСЗ, 6, 7 - пассивные участки полета ракетных блоков первой и второй ступеней (рис. 3.4). При выведении ИСЗ на соответствующую орбиту большую роль играют время и место запуска ракеты-носителя. Подсчитано, что космодром выгоднее располагать как можно ближе к экватору, так как при разгоне в восточном направлении ракета-носитель получает дополнительную скорость. Эта скорость называется окружной скоростью космодрома Vк, т. е. скорость его движения вокруг оси Земли благодаря суточному вращению планеты.т. е. на экваторе она равна 465 м/с, а на широте космодрома Байконур - 316 м/с. Практически это означает, что с экватора той же ракетой-носителем может быть запушен более тяжелый ИСЗ.
Завершающей стадией полета ракеты-носителя является вывод ИСЗ на орбиту, форма которой определяется кинетической энергией, сообщаемой ИСЗ ракетой, т. е. конечной скоростью носителя. В том случае, когда спутнику сообщается количество энергии, достаточное для его вывода на ГСО, ракета-носитель должна вывести в точку, удаленную от Земли на 35 875 км, и сообщить ему при этом скорость 3075 м/с.
Орбитальную скорость геостационарного ИСЗ легко подсчитать. Высота ГСО над поверхностью Земли 35 786 км, радиус ГСО на 6366 км больше (средний радиус Земли), т. е. 42 241 км. Умножив значение радиуса ГСО на 2л (6,28), получим ее длину окружности - 265 409 км. Если разделить ее на длительность суток в секундах (86 400 с), получим орбитальную скорость ИСЗ - в среднем 3,075 км/с, или 3075 м/с.
Обычно вывод спутника ракетой-носителем осуществляется в четыре этапа: выход на начальную орбиту; выход на орбиту «ожидания» (парковочную орбиту); выход на переходную орбиту; выход на конечную орбиту (рис. 3.5). Цифрам соответствуют следующие этапы вывода спутника на ГСО: 1 - первоначальная переходная орбита; 2 - первое включение апогейного двигателя для выхода на промежуточную переходную орбиту; 3 - определение положения на орбите; 4 - второе включение апогейного двигателя для выхода на первоначальную орбиту дрейфа; 5 - переориентация плоскости орбиты и коррекция ошибок; 6 - ориентация перпендикулярно к плоскости орбиты и коррекция ошибок; 7 - остановка платформы спутника, раскрытие панелей, полная расстыковка с ракетой; 8 - раскрытие антенн, включение гиростабилизатора; 9 - стабилизация положения: ориентация антенн на нужную точку Земли, ориентация солнечных батарей на Солнце, включение бортового ретранслятора и установление номинального режима его работы.
В этом параграфе мы рассмотрим типы орбит ИСЗ. Все ИСЗ движутся по эллипсам, в одном из фокусов которых находится Земля. Следовательно, все типы орбит - эллиптичные. Основное деление орбит производят по величине наклонения "i" орбиты и по значению большой полуоси "a" . Кроме того, можно выделить деление по величине эксцентриситета "e" - малоэллиптичные и высокоэллиптичные орбиты. Наглядное представление об изменении вида орбиты при различных значениях эксцентриситета дано на .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.
