Orbita geostacjonarna. Sztuczne satelity Ziemi

Co to jest orbita geostacjonarna? Jest to okrągłe pole, które znajduje się ponad równikiem Ziemi, przez niego przyciąga się sztuczny satelita prędkość kątowa obrót planety wokół osi. Nie zmienia swojego kierunku w układzie współrzędnych horyzontalnych, ale wisi nieruchomo na niebie. Geostacjonarna orbita Ziemi (GSO) Jest to rodzaj geosynchronicznego pola i służy do umieszczania komunikacji, telewizji i innych satelitów.

Idea wykorzystania sztucznych urządzeń

Koncepcja orbity geostacjonarnej została zainicjowana przez rosyjskiego wynalazcę K. E. Ciołkowskiego. W swoich pracach zaproponował kolonizację kosmosu za pomocą stacji orbitalnych. Zagraniczni naukowcy opisali także pracę pól kosmicznych, na przykład G. Obert. Osobą, która rozwinęła koncepcję wykorzystania orbity do komunikacji, jest Arthur Clark. W 1945 roku umieścił artykuł w czasopiśmie "Wireless World", w którym opisał zalety prowadzenia pola geostacjonarnego. Za aktywną pracę w tej dziedzinie na cześć naukowca orbita otrzymała swoją drugą nazwę - "Pas Clarka". Nad problemem wdrażania wysokiej jakości komunikacji pomyślało wielu teoretyków. Tak więc Herman Potochnik w 1928 roku zasugerował, w jaki sposób można wykorzystać satelity geostacjonarne.

Funkcja paska Clarke

Aby orbita mogła być nazywana geostacjonarną, musi spełniać kilka parametrów:

1. Geosynchrony. Ta charakterystyka obejmuje pole, które ma okres odpowiadający okresowi ziemskiej rewolucji. Geosynchroniczny satelita zakończył rewolucję na całym świecie w dzień gwiazdowy, czyli 23 godziny 56 minut i 4 sekundy. W tym samym czasie Ziemia musi wykonać jeden obrót w ustalonej przestrzeni.

2. Aby utrzymać satelitę w określonym punkcie, orbita geostacjonarna musi być okrągła z zerowym nachyleniem. Pole eliptyczne doprowadzi do przesunięcia albo na wschód, albo na zachód, ponieważ urządzenie porusza się w pewnych punktach na orbicie na różne sposoby.

3. "Punkt zawisu" mechanizmu kosmicznego powinien znajdować się na równiku.

4. Położenie satelitów na orbicie geostacjonarnej powinno być takie, że niewielka liczba częstotliwości przeznaczonych do komunikacji nie prowadzi do narzucania częstotliwości różnych urządzeń podczas odbioru i nadawania, a także do zapobiegania ich kolizji.

5. Wystarczająco dużo paliwa, aby utrzymać pozycję mechanizmu kosmicznego.

Satelitarna orbita geostacjonarna charakteryzuje się tym, że tylko przy połączeniu jej parametrów pojazd może być nieruchomy. Kolejną cechą jest zdolność widzenia Ziemi pod kątem siedemnastu stopni od satelitów znajdujących się na polu kosmicznym. Każde urządzenie chwyta około jednej trzeciej powierzchni orbitalnej, więc trzy mechanizmy są w stanie pokryć prawie całą planetę.

Sztuczne satelity

Samolot obraca się wokół Ziemi w sposób geocentryczny. Aby go wypuścić, użyj wielostopniowej rakiety. Jest to kosmiczny mechanizm, który napędza siłę reakcji silnika. Aby poruszać się po orbicie, sztuczne satelity Ziemi muszą mieć początkową prędkość, która odpowiada pierwszej przestrzeni. Ich loty odbywają się na wysokości nie mniejszej niż kilkaset kilometrów. Okres obiegu urządzenia może wynosić kilka lat. Sztuczne satelity Ziemi mogą być uruchamiane z desek innych urządzeń, na przykład stacji orbitalnych i statków. UAV mają masę do dwóch dziesiątek ton i wielkość do kilkudziesięciu metrów. XXI wiek był naznaczony narodzinami urządzeń o wyjątkowo niskiej wadze - do kilku kilogramów.

Satelity zostały uruchomione przez wiele krajów i firm. Pierwszy sztuczny aparat na świecie powstał w ZSRR i poleciał w kosmos 4 października 1957 roku. Nosił on imię "Sputnik-1". W 1958 roku Stany Zjednoczone uruchomiły drugą jednostkę - Explorer 1. Pierwszy satelita, który został wypuszczony przez NASA w 1964 roku, otrzymał nazwę Syncom-3. Sztuczne urządzenia są w większości bezzwrotne, ale są też takie, które są zwracane częściowo lub całkowicie. Służą do prowadzenia badań i rozwiązywania różnych problemów. Są więc satelity wojskowe, badawcze, nawigacyjne i inne. Produkowane są również urządzenia tworzone przez pracowników uczelni lub radioamatorów.

"Punkt stałego stania"

Satelity geostacjonarne znajdują się na wysokości 35786 kilometrów nad poziomem morza. Ta wysokość zapewnia okres rewolucji, który odpowiada okresowi krążenia Ziemi w stosunku do gwiazd. Sztuczne urządzenie jest nieruchome, dlatego jego położenie na orbicie geostacjonarnej nazywa się "punktem stałym". Hangup zapewnia stałą, długoterminową komunikację, gdy zorientowana antena zawsze będzie skierowana do pożądanego satelity.

Ruch

Satelity mogą być przesyłane z orbity o małej wysokości do geostacjonarnej za pomocą pól geostatycznych. Te ostatnie są eliptyczną ścieżką z punktem na małej wysokości i szczytem na wysokości zbliżonej do koła geostacjonarnego. Satelita, który stał się nieprzydatny do dalszej pracy, jest wysyłany na orbitę pogrzebową, znajdującą się 200-300 kilometrów nad GSO.

Wysokość orbity geostacjonarnej

Satelita na tym polu jest trzymany w pewnej odległości od Ziemi, bez zbliżania się lub oddalania. Znajduje się zawsze nad dowolnym punktem równikowym. Na podstawie tych cech wynika, że ​​siły grawitacyjne i siła odśrodkowa równoważą się nawzajem. Wysokość orbity geostacjonarnej jest obliczana metodami opartymi na mechanice klasycznej. Uwzględnia to zgodność sił grawitacyjnych i odśrodkowych. Wartość pierwszej ilości określa się przez prawo świata Newton. Wskaźnik siły odśrodkowej oblicza się, obliczając masę satelity według przyspieszenie dośrodkowe. Wynikiem równości masy grawitacyjnej i bezwładności jest wniosek, że wysokość orbity nie zależy od masy satelity. Dlatego też orbita geostacjonarna jest określona jedynie przez wysokość, na której siła odśrodkowa jest równa wielkości i przeciwna w kierunku siły grawitacyjnej wytworzonej przez przyciąganie Ziemi na tej wysokości.

Na podstawie wzoru do obliczenia przyspieszenia dośrodkowego można znaleźć prędkość kątową. Promień orbity geostacjonarnej jest również określony przez tę formułę lub przez podzielenie geocentrycznego stała grawitacyjna na kwadratowej prędkości kwadratu. To jest 42164 kilometrów. Biorąc pod uwagę równikowy promień Ziemi, otrzymujemy wysokość równą 35786 kilometrów.

Obliczenia można przeprowadzić w inny sposób, na podstawie stwierdzenia, że ​​wysokość orbity, reprezentująca odległość od środka Ziemi, z prędkością kątową satelity, która pokrywa się z ruchem obrotu planety, tworzy liniową prędkość, która jest równa pierwszej prędkości przestrzeni na danej wysokości.

Prędkość na orbicie geostacjonarnej. Długość

Wskaźnik ten oblicza się, mnożąc prędkość kątową przez promień pola. Wartość prędkości na orbicie wynosi 3,07 km na sekundę, czyli znacznie mniej niż pierwsza kosmiczna prędkość na ścieżce w pobliżu Ziemi. Aby zmniejszyć szybkość, konieczne jest zwiększenie promienia orbity o ponad sześć razy. Długość jest obliczana przez pomnożenie liczby pi przez promień pomnożone przez dwa. To jest 264924 kilometrów. Wskaźnik brany jest pod uwagę przy obliczaniu "punktów stałych" satelitów.

Wpływ sił

Parametry orbity, wzdłuż której sztuczny mechanizm się rysuje, mogą zmieniać się pod wpływem grawitacyjnych zaburzeń księżycowo-słonecznych, niejednorodności pola Ziemi i eliptyczności równika. Transformacja pola wyraża się w takich zjawiskach jak:

1. Przesunięcie satelity od jego położenia wzdłuż orbity w kierunku punktów stabilnej równowagi, które nazywane są potencjalnymi odwiertami orbity geostacjonarnej.
2. Kąt nachylenia pola do równika rośnie z pewną prędkością i osiąga 15 stopni raz na 26 lat i 5 miesięcy.

Aby utrzymać satelitę w pożądanym "punkcie stojącym", jest wyposażony w układ napędowy, który obejmuje kilka razy w ciągu 10-15 dni. Aby zrekompensować wzrost nachylenia orbity, stosuje się korektę północ-południe, a w celu zrekompensowania dryfu wzdłuż pola stosuje się korektę zachód-wschód. Aby uregulować trasę satelity podczas całego okresu jego eksploatacji, na pokładzie wymagana jest duża ilość paliwa.

Systemy napędowe

Wybór adaptacji zależy od indywidualnych cech technicznych satelity. Na przykład, rakieta chemiczna ma wypierające paliwo i działa na długo przechowywanych składnikach wysokowrzących (tetratlenek diazotyczny, asymetryczna dimetylohydrazyna). Urządzenia plazmowe mają znacznie mniej zachcianek, ale kosztem długiej pracy, która jest mierzona w dziesiątkach minut dla jednego ruchu, może znacznie zmniejszyć ilość paliwa zużywanego na pokładzie. Ten typ układu napędowego służy do manewrowania przeniesieniem satelity do innej pozycji orbitalnej. Głównym czynnikiem ograniczającym żywotność urządzenia jest zapasy paliwa na orbicie geostacjonarnej.

Wady sztucznego pola

Znaczącą wadą interakcji z satelitami geostacjonarnymi jest duże opóźnienie w propagacji sygnału. Tak więc, z prędkością światła 300 tysięcy kilometrów na sekundę i wysokości orbity 35786 kilometrów, ruch promienia "Ziemi-satelity" zajmuje około 0,12 sekundy, a "Ziemia-satelita - Ziemia" - 0,24 sekundy. Biorąc pod uwagę opóźnienie sygnału w sprzęcie i systemach kablowych transmisji naziemnych, całkowite opóźnienie sygnału źródłowego satelity-odbiornika osiąga około 2-4 sekundy. Liczba ta znacznie komplikuje korzystanie z urządzeń na orbicie w telefonii i uniemożliwia korzystanie z komunikacji satelitarnej w systemach czasu rzeczywistego.

Inną wadą jest niewidzialność orbity geostacjonarnej z wysokich szerokości geograficznych, która zakłóca przewodnictwo komunikacyjne i telewizyjne w regionach Arktyki i Antarktydy. W sytuacjach, gdy słońce i nadajnik satelitarny są w linii z anteną odbiorczą, następuje spadek, a czasem całkowity brak sygnału. Na orbitach geostacjonarnych ze względu na unieruchomienie satelity zjawisko to przejawia się najwyraźniej.

Efekt Dopplera

Zjawisko to polega na zmianie częstotliwości drgań elektromagnetycznych przy wzajemnym zaawansowaniu nadajnika i odbiornika. Zjawisko to wyraża zmiana odległości w czasie, a także ruch sztucznych pojazdów na orbicie. Efekt ten przejawia się jako niestabilność częstotliwości nośnej oscylacji satelitarnych, która jest dodawana do instrumentalnej niestabilności częstotliwości pokładowego wzmacniacza i stacji naziemnej, co komplikuje odbiór sygnałów. Efekt Dopplera przyczynia się do zmiany częstotliwości wibracji modulujących, której nie można kontrolować. W przypadku, gdy satelity telekomunikacyjne i bezpośrednie satelity telewizyjne są wykorzystywane na orbicie, zjawisko to jest praktycznie wyeliminowane, to znaczy, że nie ma zmian poziomu sygnału w punkcie odbioru.

Postawa w świecie na polach geostacjonarnych

Kosmiczna orbita narodzin stworzył wiele pytań i międzynarodowych problemów prawnych. Zajmuje się nimi wiele komitetów, w szczególności Organizacja Narodów Zjednoczonych. Niektóre kraje położone na równiku, twierdziły, że rozszerzają swoją suwerenność na część pola kosmicznego znajdującego się nad ich terytorium. Państwa twierdziły, że orbita geostacjonarna jest fizycznym czynnikiem związanym z istnieniem planety i zależy od pola grawitacyjnego Ziemi, dlatego segmenty pola są kontynuacją terytorium ich krajów. Ale takie twierdzenia zostały odrzucone, ponieważ świat ma zasadę nieprzywiązywania się do przestrzeni kosmicznej. Wszystkie problemy związane z działaniem orbit i satelitów są rozwiązywane na poziomie światowym.