Геостаціонарна супутникова орбіта (GEO)

1. У цьому матеріалі ми розглянемо базові принципи і поняття геостаціонарної орбіти (GEO). Дуже популярною...
2. Читайте також: Типи супутникових орбіт і їх визначення

У цьому матеріалі ми розглянемо базові принципи і поняття геостаціонарної орбіти (GEO).

Дуже популярною супутникової орбітою є геостаціонарна орбіта. Вона використовується для розміщення супутників багатьох типів, включаючи супутники, провідні пряме телерадіомовлення, супутники, що забезпечують зв'язок, а також релейні системи.

Перевагою геостаціонарної орбіти є те, що супутник, що знаходиться на ній, постійно розташовується в одній і тій же позиції, що дозволяє направляти на нього фіксовану антену наземної станції.

Читайте також: Високі еліптичні супутникові орбіти (HEO)

Цей фактор є надзвичайно важливим для організації таких систем, як пряме телерадіомовлення через супутник, де використання постійно рухається антени, наступного за супутником, було б вкрай непрактичним.

Необхідно уважно ставитися до використання скорочень, прийнятих для позначення геостаціонарної орбіти. Ми можемо зустріти абревіатури GEO і GSO, і обидві вони використовуються для позначення як геостаціонарній, так і геосинхронной орбіти.

Розвиток геостаціонарних орбіт

Ідеї ​​щодо можливості використання геостаціонарної орбіти для розміщення на ній супутників висувалися протягом багатьох років. В якості можливого учасника положень, що лежать в основі цієї ідеї, часто називають російського теоретика і наукового фантаста Костянтина Ціолковського. Однак вперше про можливість розміщення космічних апаратів на висоті 35 900 кілометрів над Землею з періодом обертання в 24 години, що дає їм можливість «парити» в одній точці над екватором, написали Герман Оберт і Герман Поточнік.

Наступний важливий крок на шляху до народження геостаціонарну орбіту був зроблений в жовтні 1945 року, коли науковий фантаст Артур Кларк написав серйозну статтю для Wireless World - провідного британського видання в області радіо і електроніки. Стаття була названа «Неземна релейний зв'язок: чи зможуть космічні ракети забезпечити охоплення сигналом усього світу?».

Кларк спробував екстраполювати те, що вже було можливо завдяки використанню існуючих на той момент ракетних технологій, розроблених німецькими вченими, на те, що могло б стати можливим у майбутньому. Він висловив думку про можливість покриття сигналом всієї Землі при використанні всього трьох геостаціонарних супутників.

У своїй статті Кларк вказав необхідні параметри орбіти, а також рівні потужності передавачів, можливості вироблення електроенергії за допомогою сонячних батарей і навіть розрахував можливий вплив сонячних затемнень.

Стаття Кларка значно випереджала час. Лише в 1963 році агентство NASA змогло запустити в космос супутники, здатні перевірити цю теорію на практиці. Першим повноцінним супутником, здатним почати практичні випробування теорії Кларка, став супутник Syncom 2, запущений 26 липня 1963 року (за правді кажучи, супутник Syncom 2 не зміг цього зробити, оскільки його не вдалося доставити на необхідну геостаціонарну орбіту).

Основи теорії геостаціонарну орбіту

Зі збільшенням висоти орбіти, на якій знаходиться супутник, збільшується і період його звернення по даній орбіті. На висоті 35 790 кілометрів над Землею супутнику потрібно 24 години для повного витка навколо планети. Така орбіта відома як геосинхронной, так як вона синхронізована з періодом обертання Землі навколо своєї осі.

Окремим випадком геосинхронной орбіти є геостаціонарна орбіта. При використанні такої орбіти напрямок руху супутника навколо Землі відповідає напрямку обертання самої планети, а період обертання космічного апарату приблизно дорівнює 24 годинам. Це означає, що супутник обертається з тією ж кутовою швидкістю, що і Земля, в тому ж напрямку і, отже, постійно знаходиться в одній і тій же точці відносно поверхні планети.

Читайте також: Низька навколоземну орбіту (LEO)

Щоб гарантувати те, що супутник обертається навколо Землі з тією ж швидкістю, з якою обертається навколо своєї осі сама планета, необхідно чітко усвідомити - який же насправді період обертання Землі навколо своєї осі. Більшість хронометражних пристроїв вимірює обертання Землі щодо поточного стану Сонця, а Земля обертається навколо своєї осі в поєднанні з її обертанням навколо Сонця дає тривалість дня. Однак це зовсім не той період обертання Землі, який цікавить нас з точки зору розрахунку геостаціонарної орбіти - час, необхідний для одного повного звернення. Цей відрізок часу відомий як «зоряна доба», тривалість яких становить 23 години 56 хвилин і 4 секунди.

Закони геометрії говорять нам про те, що єдиний варіант для того, щоб, роблячи один виток на добу, супутник завжди залишався над однією точкою земної поверхні, полягає в його зверненні в тому ж напрямку, в якому обертається сама Земля. Крім того, супутник не повинен зміщуватися на своїй орбіті ні на північ, ні на південь. Всього цього можна досягти лише в тому випадку, якщо орбіта супутника проходить над екватором.

На діаграмі показані різні типи орбіт. Оскільки площину будь орбіти повинна проходити через центр Землі, на малюнку представлені два можливих варіанти. При цьому навіть якщо звернення космічних апаратів на обох орбітах буде здійснюватися зі швидкостями, рівними швидкості обертання Землі навколо своєї осі, орбіта, позначена як «геосинхронной», буде півдня зміщуватися на північ відносно екватора, а що залишилися півдня - на південь і, отже, НЕ буде стаціонарною. Для того, щоб супутник став стаціонарним, він повинен розташовуватися над екватором.

Дрейф на геостаціонарній орбіті

Навіть якщо супутник розташований на геостаціонарній орбіті, на нього впливають деякі сили, здатні повільно змінювати його позицію протягом часу.

Такі фактори, як еліптична форма Землі, тяжіння Сонця і Місяця, а також ряд інших збільшують потенційну можливість відхилення супутника від своєї орбіти. Зокрема, не зовсім кругла форма Землі в районі екватора призводить до того, що супутник притягує до двох стійким точкам рівноваги - одна з них знаходиться над Індійським океаном, а друга - приблизно на протилежній частині Землі. В результаті має місце явище, що отримало назву лібрації зі сходу на захід, або рух вперед і назад.

Для того щоб подолати наслідки такого руху, на борту супутника є певний запас палива, який дозволяє йому проводити «підтримують маневри», які повертають апарат чітко в необхідну орбітальну позицію. Необхідний проміжок між часом проведення таких «підтримують маневрів» визначається відповідно до так званим допуском відхилення супутника, який встановлюється, головним чином, з урахуванням ширини променя антени наземної станції. Це означає, що при нормальній роботі супутника не потрібно ніякої підстроювання антени.

Читайте також: Типи супутникових орбіт і їх визначення

Дуже часто період активної експлуатації супутника розраховується з кількості палива на його борту, необхідного для підтримки розташування супутника в одній орбітальній позиції. Найчастіше цей період становить кілька років. Після чого супутник починає дрейфувати в напрямку однієї з точок рівноваги, після чого можливо його зниження і подальше входження в атмосферу Землі. Тому бажано використовувати останнім наявне у нього на борту паливо для того, щоб підняти супутник на більш високу орбіту, щоб уникнути його можливого негативного впливу на роботу інших космічних апаратів.

Покриття з геостаціонарної орбіти

Цілком очевидним є той факт, що один геостаціонарній супутник не здатний забезпечити повного покриття сигналом поверхні Землі. Однак, кожен геостаціонарній супутник «бачить» приблизно 42% земної поверхні, при цьому охоплення падає у напрямку до супутника, який не може «бачити» поверхню. Це відбувається навколо екватора і також в напрямку полярних регіонів.

Розташувавши на геостаціонарній орбіті угруповання з трьох рівновіддалених один від одного супутників, можна забезпечити покриття сигналом всієї поверхні Землі від екватора і аж до 81 ° північної і південної широти.

Відсутність покриття в полярних регіонах не є проблемою для більшості користувачів, однак при необхідності забезпечення стабільного покриття полярних широт потрібно використання супутників, що обертаються на інших орбітах.

геостаціонарна орбіта
і довжина шляху сигналу

Однією з проблем, що виникають при використанні супутників, що знаходяться на геостаціонарній орбіті, є затримка сигналу, викликана відстанню, яке він змушений проробляти.

Мінімальна відстань до будь-якого з геостаціонарних супутників становить 35790 км. І це лише в тому випадку, якщо користувач знаходиться безпосередньо під супутником, і сигнал потрапляє до нього по найкоротшому шляху. Насправді ж користувач навряд чи буде знаходитися точно в даній точці, а отже відстань, яке змушений буде виконати сигнал, в реальності набагато більше.

Виходячи з довжини найкоротшого відстані від наземної станції до супутника, розрахункове мінімальний час руху сигналу в одну сторону - тобто, з Землі на супутник або з супутника на Землю - становить приблизно 120 мілісекунд. А це означає, що час повного маршруту сигналу - з Землі на супутник і з супутника назад на Землю - становить приблизно чверть секунди.

Таким чином, для того, щоб отримати відповідь в процесі діалогу, що проходить через супутник, потрібно півсекунди, оскільки сигнал повинен пройти через супутник двічі: один раз - в русі в напрямку віддаленого слухача, а другий раз назад - з відповіддю. Ця затримка ускладнює телефонні розмови, для проведення яких використовується супутниковий канал зв'язку. Репортеру, який отримав питання зі студії мовлення, потрібен якийсь час на те, щоб відповісти. Наявність такого ефекту затримки стало причиною того, що багато ліній телекомунікації використовують кабельні канали замість супутникових, бо затримки в кабелі набагато менші.

Переваги та недоліки супутників,
розташованих на геостаціонарній орбіті

Незважаючи на те, що геостаціонарна орбіта широко використовується на практиці для розгортання різних технологій, вона все ж підходить не для всіх ситуацій. Розмірковуючи над можливим використанням даної орбіти слід врахувати цілий ряд її переваг і недоліків:

перевагиНедоліки

• Супутник постійно знаходиться в одній точці відносно Землі - відповідно, не потрібно перенаправлення антен

• Сигнал проробляє більшу відстань, а отже, спостерігаються великі, в порівнянні з LEO або MEO, втрати.
• Вартість доставки та розміщення супутника на GEO-орбіту вище - в силу більшої висоти над Землею.
• Довгу відстань від Землі до супутника призводить до затримок сигналу.
• Геостаціонарна супутникова орбіта може пролягати виключно над екватором, в зв'язку з чим відсутня покриття полярних широт.

Однак, незважаючи на всі наявні недоліки геостаціонарної орбіти, супутники, розташовані на ній, широко використовуються у всьому світі завдяки головному їх перевазі, яке здатне переважити всі недоліки: геостаціонарній супутник завжди знаходиться в одній орбітальній позиції щодо тієї чи іншої точки на Землі.

Якщо ви знайшли помилку, будь ласка, виділіть фрагмент тексту і натисніть Ctrl + Enter.

Сподобалося нас читати?