В течение последних десятилетий значение спутниковых технологий в построении передовых систем связи постоянно возрастает. Для базового понимания принципов работы спутниковой связи важно ориентироваться в основных понятиях, среди которых одним из определяющих является понятие орбиты.
Что такое орбита
Орбита ― криволинейная траектория, по которой один объект в космическом пространстве оборачивается вокруг другого объекта. В центральной части орбиты всегда находится крупное небесное тело, обладающее более высокой массой. Вокруг него вращается по орбите тело меньших размеров и меньшей массы. При этом крупный объект остаётся неподвижным, относительно меньшего объекта. Например, Земля и другие планеты вращаются по своим орбитам вокруг Солнца. Луна вращается вокруг Земли. Кроме того, вокруг планеты постоянно вращается огромное количество искусственных спутников Земли (ИСЗ). Каждый из них двигается по собственной орбите.
Почему искусственные спутники Земли держатся на орбите и не падают
Любое движущееся тело перемещается по траектории, направленной в сторону действия равнодействующей всех приложенных к нему сил. На спутник в космическом пространстве действует сила гравитации, которая притягивает его к Земле. Кроме того, на него действует полученный от ракеты импульс. Их равнодействующая и формирует орбиту ИСЗ.
Простыми словами, импульс толкает спутник в сторону от планеты с заданной скоростью. Гравитация же отклоняет траекторию его движения в сторону центра Земли. Таким образом, ИСЗ не может упасть потому, что импульс толкает его «мимо» Земли. С другой стороны, он не может и улететь от планеты, поскольку сила гравитации удерживает его. В результате формируется орбита, по которой спутник постоянно вращается вокруг Земли.
Простыми словами, импульс толкает спутник в сторону от планеты с заданной скоростью. Гравитация же отклоняет траекторию его движения в сторону центра Земли. Таким образом, ИСЗ не может упасть потому, что импульс толкает его «мимо» Земли. С другой стороны, он не может и улететь от планеты, поскольку сила гравитации удерживает его. В результате формируется орбита, по которой спутник постоянно вращается вокруг Земли.
Вывод ИСЗ на орбиту
Вывод на орбиту ИСЗ производится при помощи ракеты-носителя. Процесс состоит из двух этапов. На первом этапе ракета поднимает полезную нагрузку, состоящую из одного или нескольких аппаратов, на требуемую высоту относительно поверхности Земли. После этого, ракета придаёт спутнику горизонтальный импульс, необходимый для того, чтобы вывести его на заданную орбиту.
Типы спутниковых орбит по удалённости от Земли
Расстояние от поверхности Земли — один из ключевых критериев классификации спутниковых орбит.
VLEO ― очень низкая орбита
К этой категории относятся спутниковые орбиты, которые располагаются на высоте не более 400 км от земной поверхности. Они имеют ряд важных преимуществ, в том числе:
Эти преимущества делают VLEO очень перспективным типом орбит. Однако эксплуатации на них спутников препятствуют серьёзные ограничения в связи с сопротивлением со стороны атмосферы. Кроме этого, на орбитах VLEO существуют большие риски утраты в связи со вспышками на Солнце, которые могут «раздувать» верхние атмосферные слои.
- Близость к поверхности планеты, которая позволяет получать качественные спутниковые снимки, имеющие высокую степень разрешения.
- Улучшенное функционирование систем связи при меньших энергозатратах.
- Функция самоочистки орбиты, благодаря быстрому сгоранию вышедшего из строя оборудования в верхних слоях атмосферы.
- Небольшие затраты, необходимые для вывода на орбиту и спуска с неё.
Эти преимущества делают VLEO очень перспективным типом орбит. Однако эксплуатации на них спутников препятствуют серьёзные ограничения в связи с сопротивлением со стороны атмосферы. Кроме этого, на орбитах VLEO существуют большие риски утраты в связи со вспышками на Солнце, которые могут «раздувать» верхние атмосферные слои.
LEO ― низкая околоземная орбита
Околоземные орбиты этой категории располагаются на высоте до 2000 км от земной поверхности. Это наиболее «заполненный» тип спутниковых орбит. Здесь используется наибольшее количество эксплуатируемых спутников.
Важным плюсом LEO является небольшой уровень затрат энергии для вывода на орбиту. Кроме того, за счёт относительно небольшой высоты обеспечивается малая задержка связи и значительная пропускная способность. Также ИСЗ, находящиеся на низких орбитах, более просты в обслуживании. Ещё одно преимущество малой высоты ― возможность получения спутниковых снимков высокого разрешения.
Однако у LEO есть и серьёзные недостатки. К их числу относится малое поле обзора, что требует построения масштабных спутниковых сетей. Кроме этого, спутники на низких орбитах более подвержены влиянию атмосферы, что может сокращать срок их службы.
Важным плюсом LEO является небольшой уровень затрат энергии для вывода на орбиту. Кроме того, за счёт относительно небольшой высоты обеспечивается малая задержка связи и значительная пропускная способность. Также ИСЗ, находящиеся на низких орбитах, более просты в обслуживании. Ещё одно преимущество малой высоты ― возможность получения спутниковых снимков высокого разрешения.
Однако у LEO есть и серьёзные недостатки. К их числу относится малое поле обзора, что требует построения масштабных спутниковых сетей. Кроме этого, спутники на низких орбитах более подвержены влиянию атмосферы, что может сокращать срок их службы.
MEO ― средняя орбита
Диапазон высот средних орбит составляет от 2000 до 35 786 км. Спутники на MEO имеют период вращения вокруг Земли менее 24 часов. Минимальный период вращения не превышает 2 часов. Наиболее широко средние орбиты используются навигационными спутниками, которые оптимально работают на таких высотах.
Основным негативным воздействием здесь является давление солнечного излучения. Кроме этого, на MEO аппараты могут подвергаться воздействию со стороны радиационных поясов Ван Аллена. Это требует оснащения спутников дополнительной защитой.
Основным негативным воздействием здесь является давление солнечного излучения. Кроме этого, на MEO аппараты могут подвергаться воздействию со стороны радиационных поясов Ван Аллена. Это требует оснащения спутников дополнительной защитой.
GEO ― геостационарная орбита
Геостационарные орбиты располагаются на высоте 35 786 км. Спутник на этой орбите вращается с периодом, равным периоду вращения Земли вокруг своей оси (23 часа 56 минут 4 секунды). Поэтому он постоянно находится над одной точкой поверхности и кажется наблюдателю на Земле неподвижным.
Геостационарные орбиты используются спутниками связи, телевизионного вещания, метеорологическими спутниками. Благодаря постоянному расположению ИСЗ над конкретной точкой поверхности планеты, наземную антенну не приходится перенастраивать. Её достаточно один раз направить в сторону спутника для устойчивого приёма или передачи сигнала. При этом система всего из трёх спутников способна обеспечить глобальное покрытие. Геостационарная орбита даёт возможность метеорологическим ИСЗ вести постоянное наблюдение за конкретной зоной земной поверхности.
Минусом орбит GEO по сравнению с VLEO, LEO и MEO является большая высота, что увеличивает время прохождения сигнала. Кроме того, геостационарные спутники более требовательны в обслуживании.
Геостационарные орбиты используются спутниками связи, телевизионного вещания, метеорологическими спутниками. Благодаря постоянному расположению ИСЗ над конкретной точкой поверхности планеты, наземную антенну не приходится перенастраивать. Её достаточно один раз направить в сторону спутника для устойчивого приёма или передачи сигнала. При этом система всего из трёх спутников способна обеспечить глобальное покрытие. Геостационарная орбита даёт возможность метеорологическим ИСЗ вести постоянное наблюдение за конкретной зоной земной поверхности.
Минусом орбит GEO по сравнению с VLEO, LEO и MEO является большая высота, что увеличивает время прохождения сигнала. Кроме того, геостационарные спутники более требовательны в обслуживании.
GSO ― геосинхронная орбита
Геосинхронные орбиты также располагаются на высоте 35 786 км. Спутники на GSO также имеют период обращения, равный периоду вращения Земли вокруг своей оси. Орбита ИСЗ может быть круговой, эллиптической или наклонной. Круговые орбиты являются геостационарными. Спутники на орбитах эллиптического или наклонного типа, относительно наблюдателя на Земле описывают траекторию, обычно в форме восьмерки.
Геостационарная орбита GEO — подвид GSO с круговой орбитой. Отличие GEO от GSO заключается в том, что на GEO спутники располагаются только вдоль экватора Земли. На GSO — как вдоль экватора, так и к северу или к югу от экватора.
Геостационарная орбита GEO — подвид GSO с круговой орбитой. Отличие GEO от GSO заключается в том, что на GEO спутники располагаются только вдоль экватора Земли. На GSO — как вдоль экватора, так и к северу или к югу от экватора.
HEO ― высокая околоземная орбита
Зона орбит HEO расположена на высоте более 35 786 км на несколько сотен километров. В эту область поднимаются спутники с истёкшим сроком эксплуатации. Здесь они становятся частью космического мусора и вращаются вокруг Земли до полного разрушения.
Сводная таблица
Все типы орбит и их высоты относительно поверхности Земли, приведены в таблице:
Точки Лагранжа
Точки Лагранжа ― особые области космического пространства, в которых уравновешивается гравитационное воздействие разных небесных тел, например, Земли и Луны, Земли и Солнца. В этих зонах располагаются космические аппараты, которые должны работать на большом отдалении от Земли, чтобы избегать её воздействия. Например, в точках Лагранжа располагаются космические телескопы.
Виды орбит по их расположению относительно Земли
Относительно Земли спутниковые орбиты могут иметь разное расположение. По этому параметру выделяют такие типы, как:
Экваториальная
Экваториальная орбита предполагает вращение объекта по линии экватора Земли с наклоном относительно него, равным 0 градусов. Спутники на орбите этого типа совершают движение относительно центра планеты.
Наклонная
Траектория движения ИСЗ расположена под наклоном к экватору и к полярным областям.
Полярная
Движение спутников происходит над Южным и Северным полюсами, в плоскости соединяющей их окружности. Полярная орбита имеет наклон к линии экватора равный 90 градусов.
Солнечно-синхронная
Это отдельный тип орбит: находящиеся на них ИСЗ имеют всегда одинаковую ориентацию по отношению к Солнцу. Такие спутники пролетают над определённой точкой земной поверхности в одно и то же солнечное время.
Виды орбит по направлению вращения
Орбиты космических аппаратов также различают по направлению их вращения относительно направления вращения Земли. По этому параметру различают два вида орбит: прямые и ретроградные.
Прямая или прогрессивная
Прямые орбиты также называют прогрессивными. Спутники, которые находятся на них, вращаются вокруг Земли в том же направлении, в котором она оборачивается вокруг своей оси. Большинство эксплуатируемых космических аппаратов вращаются именно по прогрессивным орбитам. Это связано с меньшим уровнем расходов, необходимых для запуска. Ракета-носитель получает дополнительный начальный импульс от вращения Земли. Благодаря этому для вывода полезной нагрузки на орбиту требуется меньше топлива.
Ретроградная
Космические аппараты на ретроградной орбите вращаются в направлении, противоположном направлению вращения Земли вокруг собственной оси. Их вывод требует более высоких расходов. Однако использование ретроградных траекторий может быть оправдано, например, соображениями безопасности ― для исключения падения отработанных ракетных ступеней в населённые области.
