Molniya orbit
A Molniya orbit (Russian: Молния , ВЛИЯНИЕ: [ˈmolnʲɪjə] «Молния») — тип спутниковой орбиты, предназначенный для обеспечения связи и покрытия дистанционного зондирования Земли в высоких широтах . Это высокоэллиптическая орбита с наклонением 63,4 градуса , аргументом перигея 270 градусов и периодом обращения примерно ползвездных суток . [ 1 ] Название происходит от спутников «Молния» , серии советских / российских гражданских и военных спутников связи , которые используют этот тип орбиты с середины 1960-х годов. Разновидностью орбиты Молнии является так называемая орбита Трех Апогеев (TAP), период которой составляет треть сидерических суток.
Орбита Молнии имеет длительное время пребывания над интересующим полушарием , но очень быстро движется над другим. На практике это размещает его над Россией или Канадой на большей части своей орбиты, обеспечивая высокий угол обзора для спутников связи и мониторинга, охватывающих эти высокоширотные районы. Геостационарные орбиты , которые обязательно наклонены над экватором , позволяют просматривать эти регионы только под низким углом, что ухудшает производительность. На практике спутник на орбите «Молния» служит той же цели в высоких широтах, что и геостационарный спутник в экваториальных регионах, за исключением того, что для непрерывного покрытия требуется несколько спутников. [ 2 ]
Спутники, размещенные на орбитах «Молнии», использовались для телевещания, телекоммуникаций, военной связи, ретрансляции, мониторинга погоды, систем раннего предупреждения и некоторых секретных целей.
История
[ редактировать ]Орбита «Молния» была открыта советскими учёными в 1960-х годах как высокоширотная альтернатива связи геостационарным орбитам , которые требуют больших энергий запуска для достижения высокого перигея и изменения наклона орбиты над экватором (особенно при запуске из российских широт). В результате ОКБ-1 искало менее энергозатратную орбиту. [ 3 ] Исследования показали, что этого можно достичь, используя высокоэллиптическую орбиту с апогеем над территорией России. [ 4 ] Название орбиты связано с «молниеносной» скоростью, с которой спутник проходит перигей. [ 5 ]
Впервые орбиту «Молния» использовала спутников связи серия одноименная . После двух неудачных запусков и одного отказа спутника в 1964 году 23 апреля 1965 года был запущен первый успешный спутник, использовавший эту орбиту, «Молния 1-1». [ 4 ] [ 6 ] Первые спутники «Молния-1» использовались для гражданского телевидения, телекоммуникаций и военной связи дальнего действия, но они также были оснащены камерами, используемыми для мониторинга погоды и, возможно, для оценки свободных зон для спутников-шпионов «Зенит» . [ 3 ] [ 7 ] Срок службы первоначальных спутников «Молния» составлял примерно 1,5 года, так как их орбиты нарушались возмущениями , и их приходилось постоянно заменять. [ 1 ]
Последующая серия, «Молния-2», обеспечивала как военное, так и гражданское вещание и использовалась для создания «Орбита» телевизионной сети , охватывающей Советский Союз. Они, в свою очередь, были заменены конструкцией «Молния-3». [ 4 ] Спутник «Маяк» был разработан для дополнения и замены спутников «Молния» в 1997 году, но проект был отменен. [ 8 ] а на смену «Молнии-3» пришли спутники «Меридиан» , первый из которых был запущен в 2006 году. [ 9 ] Советские US-K спутники раннего предупреждения , следящие за запусками американских ракет, были запущены на орбиты «Молния» с 1967 года в составе системы «Око» . [ 10 ] [ 11 ] [ 12 ]
С 1971 года на орбиты «Молнии» были запущены американские военные спутники Jumpseat и Trumpet (и, возможно, использовались для перехвата советских сообщений со спутников «Молния»). Подробная информация об обоих проектах по состоянию на 2019 год остается засекреченной. [update]. [ 13 ] За этим последовала американская группировка SDS , которая работает как на «Молнии», так и на геостационарной орбите. Эти спутники используются для ретрансляции сигналов от низколетящих спутников обратно на наземные станции в Соединенных Штатах и в некоторой степени активны с 1976 года. [ 14 ] Российская группировка спутников под названием «Тюльпан» была спроектирована в 1994 году для поддержки связи в высоких широтах, но дальше стадии планирования дело не продвинулось. [ 8 ]
В 2015 и 2017 годах Россия запустила на орбиту «Молнии» два спутника «Тундра» , несмотря на их название, в рамках своей системы раннего предупреждения «ЭКС» . [ 15 ] [ 16 ] [ 17 ]
Использование
[ редактировать ]Большая часть территории бывшего Советского Союза и России в частности расположена в высоких северных широтах. Земли Для вещания на эти широты с геостационарной орбиты (над экватором ) требуется значительная мощность из-за малых углов места , а также дополнительного расстояния и связанного с этим ослабления в атмосфере. Площадки, расположенные выше 81° широты, вообще не могут видеть геостационарные спутники, и, как правило, углы места менее 10° могут вызвать проблемы, в зависимости от частоты связи. [ 2 ] : 499 [ 18 ]
Спутник на орбите Молнии лучше подходит для связи в этих регионах, поскольку на большей части своей орбиты он смотрит на них прямо сверху. Имея высоту апогея до 40 000 километров (25 000 миль) и подспутниковую точку апогея 63,4 градуса северной широты, он проводит значительную часть своей орбиты с отличной видимостью в северном полушарии, как из России, так и из Северной Европы. Гренландия и Канада. [ 2 ]
Хотя спутники на орбитах Молнии требуют значительно меньше энергии для запуска, чем спутники на геостационарных орбитах (особенно при запуске с высоких широт), [ 4 ] их наземным станциям нужны управляемые антенны для отслеживания космического корабля, каналы связи должны переключаться между спутниками в созвездии, а изменения дальности вызывают изменения в амплитуде сигнала. Кроме того, существует большая потребность в содержании станции , [ 19 ] [ 20 ] [ 21 ] и космический корабль будет проходить через радиационный пояс Ван Аллена четыре раза в день. [ 22 ]
Предложения Южного полушария
[ редактировать ]Подобные орбиты с аргументом перигея 90° могли бы обеспечить покрытие высоких широт южного полушария. Предлагаемая группировка, Антарктическая широкополосная программа , будет использовать спутники на перевернутой орбите «Молния» для предоставления широкополосных интернет-услуг объектам в Антарктиде . [ 23 ] [ 24 ] Первоначально финансируемая ныне несуществующей Австралийской программой космических исследований , она не продвинулась дальше первоначальной разработки. [ 25 ] [ 26 ]
Molniya constellations
[ редактировать ]Для постоянного высокоширотного покрытия большой территории Земли (например, всей России, южные части которой находятся примерно на 45° с.ш.) требуется группировка из как минимум трех космических аппаратов на орбитах «Молнии». Если используются три космических корабля, то каждый космический корабль будет активен в течение восьми часов на орбите с центром вокруг апогея. [ 2 ] как показано на рисунке 4. На рисунке 5 показано поле зрения спутника в районе апогея.
Земля совершает половину оборота за двенадцать часов, поэтому апогеи последовательных орбит Молнии будут чередоваться то в одной половине северного полушария, то в другой. Для исходной орбиты Молнии апогеи располагались над Россией и Северной Америкой, но, изменяя прямое восхождение восходящего узла, это можно изменить. [ 19 ] Зона действия спутника на орбите «Молния» над Россией показана на рисунках 6–8, а над Северной Америкой – на рисунках 9–11.
Тогда орбиты трех космических кораблей должны иметь одинаковые параметры орбит, но разные прямые восхождения восходящих узлов с прохождением их апогеев с интервалом 7,97 часа. [ 2 ] [ 27 ] Поскольку рабочий период каждого спутника составляет примерно восемь часов, то когда один космический корабль проходит четыре часа после прохождения апогея (см. рисунок 8 или рисунок 11), то следующий спутник войдет в свой рабочий период, с видом Земли, показанным на рисунке. 6 (или рисунок 9), и можно осуществить переключение. Обратите внимание, что два космических корабля во время переключения разделены примерно 1500 километрами (930 миль), так что наземным станциям нужно всего лишь повернуть свои антенны на несколько градусов, чтобы обнаружить новый космический корабль. [ 28 ]
Диаграммы
[ редактировать ]-
Рисунок 4: Группировка из трех космических кораблей «Молния», обслуживающих Северное полушарие. P — орбитальный период. Зеленая линия соответствует обслуживанию Азии и Европы с отображением цифр 6–8. Красная линия соответствует обслуживанию Северной Америки с отображением цифр 9–11.
-
Рисунок 5: Зоны освещения (угол не менее 10°) с орбиты «Молния». В апогее применяется зеленая зона освещения. За три часа до или после апогея применяется красная зона. За четыре часа до или после апогея применяется синяя зона. Плоскость рисунка — продольная плоскость апогея, вращающегося вместе с Землей. В восьмичасовой период с центром в прохождении апогея продольная плоскость практически фиксирована, долгота спутника изменяется всего на ±2,7°. Виды Земли из этих трех точек показаны на рисунках 6–11.
-
Рисунок 6: Вид Земли за четыре часа до апогея с орбиты «Молния» в предположении, что долгота апогея равна 90° восточной долготы. Космический корабль находится на высоте 24 043 км над точкой 92,65° восточной долготы и 47,04° северной широты.
-
Рисунок 7: Вид Земли из апогея орбиты Молнии в предположении, что долгота апогея равна 90° восточной долготы. Космический корабль находится на высоте 39 867 км над точкой 90° восточной долготы 63,43° северной широты.
-
Рисунок 8: Вид Земли через четыре часа после апогея с орбиты «Молния» в предположении, что долгота апогея равна 90° восточной долготы. Космический корабль находится на высоте 24 043 км над точкой 87,35° восточной долготы 47,04° северной широты.
-
Рисунок 9: Вид Земли за четыре часа до апогея с орбиты «Молния» в предположении, что долгота апогея равна 90° з.д. Космический корабль находится на высоте 24 043 км над точкой 87,35° з.д. и 47,04° с.ш.
-
Рисунок 10: Вид Земли из апогея орбиты «Молния» в предположении, что долгота апогея равна 90° з.д. Космический аппарат находится на высоте 39 867 км над точкой 90° з.д. и 63,43° с.ш.
-
Рисунок 11: Вид Земли через 4 часа после апогея с орбиты «Молния» в предположении, что долгота апогея равна 90° з.д. Космический корабль находится на высоте 24 043 км над точкой 92,65° з.д. и 47,04° с.ш.
Характеристики
[ редактировать ]Типичная орбита Молнии обладает следующими свойствами:
- Аргумент перигея: 270°.
- Наклон: 63,4° [ 20 ]
- Продолжительность: 718 минут [ 1 ]
- Эксцентриситет: 0,74
- Большая полуось : 26 600 км (16 500 миль)
Аргумент перигея
[ редактировать ]Аргумент перигея установлен на уровне 270°, в результате чего спутник достигает апогея в самой северной точке своей орбиты. Для любых будущих применений в южном полушарии вместо этого он будет установлен на 90°. [ 24 ]
Наклонение орбиты
[ редактировать ]В общем, сжатие Земли нарушает аргумент о перигее ( ), так что оно постепенно меняется со временем. Если рассматривать только коэффициент первого порядка , перигей будет меняться в соответствии с уравнением 1 , если его постоянно не корректировать с помощью поддержания положения двигателя.
( 1 ) |
где - наклонение орбиты, это эксцентриситет, среднее движение в градусах в сутки, является возмущающим фактором, это радиус земли, – большая полуось, а составляет градусы в сутки.
Чтобы избежать такого расхода топлива, на орбите Молнии используется наклонение 63,4°, для которого коэффициент равно нулю, так что положение перигея не меняется с течением времени. [ 20 ] [ 19 ] : 143 Орбита, спроектированная таким образом, называется замороженной орбитой .
Орбитальный период
[ редактировать ]Чтобы гарантировать, что геометрия относительно наземных станций повторяется каждые 24 часа, период должен составлять около половины звездных суток , сохраняя постоянную долготу апогеев.
Однако сжатие Земли также нарушает прямое восхождение восходящего узла ( ), изменяя узловой период и вызывая смещение пути пути со временем со скоростью, показанной в уравнении 2 .
( 2 ) |
где составляет градусы в сутки. [ 19 ] : 143
Поскольку наклонение орбиты Молнии фиксировано (как указано выше), это возмущение равно градусов в день. Чтобы компенсировать это, орбитальный период корректируется так, чтобы долгота апогея менялась настолько, чтобы нейтрализовать этот эффект. [ 20 ]
Эксцентриситет
[ редактировать ]Эксцентриситет орбиты основан на разнице высот ее апогея и перигея. Чтобы максимизировать время, которое спутник проводит в апогее, эксцентриситет должен быть установлен как можно выше . Однако перигей должен быть достаточно высоким, чтобы спутник оставался существенно выше атмосферы и минимизировал сопротивление (~600 км), а орбитальный период должен поддерживаться примерно на уровне половины звездных суток (как указано выше). Эти два фактора ограничивают эксцентриситет, который становится примерно 0,737. [ 20 ]
Большая полуось
[ редактировать ]Точная высота спутника на орбите Молнии варьируется в зависимости от миссии, но типичная орбита будет иметь высоту перигея примерно 600 километров (370 миль) и высоту апогея 39 700 километров (24 700 миль) для большой полуоси 26 600 километров (16 500 миль). [ 20 ]
Моделирование
[ редактировать ]SDP4 Для отслеживания спутников по орбитам «Молнии» ученые используют упрощенную модель возмущений , которая рассчитывает местоположение спутника на основе формы орбиты, сопротивления, радиации, гравитационного воздействия Солнца и Луны, а также условий земного резонанса. [ 29 ]
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Перейти обратно: а б с Колюка, Ю. Ф.; Иванов, Н.М.; Афанасьева Т.И.; Гридчина, Т. А. (28 сентября 2009 г.). Исследование особенностей времени жизни, эволюции и повторного входа в атмосферу орбит типа «Молния» (PDF) . 21-й Международный симпозиум по динамике космических полетов. Тулуза, Франция: Центр управления полетами 4, Королев, Москва. п. 2 . Проверено 22 мая 2018 г.
- ^ Перейти обратно: а б с д и Ильчев, Стойче Димов (2017). Теория глобальных спутниковых метеорологических наблюдений (GSMO) . Том. 1. Международное издательство Спрингер. п. 57. ИСБН 978-3-319-67119-2 . Проверено 16 апреля 2019 г.
- ^ Перейти обратно: а б Комитет истории Американского астронавтического общества (23 августа 2010 г.). Джонсон, Стивен Б. (ред.). Исследование космоса и человечество: Историческая энциклопедия . Том. 1. Издательская группа Гринвуд. п. 416. ИСБН 978-1-85109-514-8 . Проверено 17 апреля 2019 г.
- ^ Перейти обратно: а б с д Мартин, Дональд Х. (2000). Спутники связи (4-е изд.). Американский институт аэронавтики и астронавтики . стр. 215–232. ISBN 978-1-884989-09-4 . Проверено 17 апреля 2019 г.
- ^ Капдеру, Мишель (23 апреля 2014 г.). Справочник по орбитам спутников: от Кеплера до GPS . Спрингер Наука и бизнес. п. 393. Бибкод : 2014hso..book.....C . ISBN 978-3-319-03416-4 . Проверено 16 апреля 2019 г.
- ^ Предварительный анализ первого успешного советского спутника связи (PDF) (Отчет). ЦРУ : Управление научной разведки. 12 декабря 2003 г. с. 3. Архивировано из оригинала (PDF) 23 января 2017 года . Проверено 16 апреля 2016 г.
- ^ Хендрикс, Барт (2004). «История советских/российских метеорологических спутников» (PDF) . Журнал Британского межпланетного общества . 57 (Приложение 1): 66. Архивировано из оригинала (PDF) 27 марта 2018 г. Проверено 27 марта 2018 г.
- ^ Перейти обратно: а б Хейман, Джос (декабрь 2015 г.). Хейман, Джос (ред.). Отмененные проекты: Российские спутники (PDF) (Отчет). Том. 41. IAC 2017: Бюллетень новостей космической информации Тироса. п. 4. Архивировано из оригинала (PDF) 5 марта 2019 года . Проверено 16 апреля 2019 г.
{{cite report}}
: CS1 maint: местоположение ( ссылка ) - ^ Грэм, Уильям (4 мая 2011 г.). «Союз-2-1а» запускается с российским военным спутником «Меридиан-4» . NASASpaceflight.com . Проверено 16 апреля 2019 г.
- ^ Форден, Джеффри (3 мая 2001 г.). «Уменьшение общей опасности: совершенствование российской системы раннего предупреждения» (PDF) . Анализ политики Катона № 399 : 5 . Проверено 16 апреля 2019 г.
- ^ Подвиг, Павел (2002). «История и современное состояние российской системы раннего предупреждения» (PDF) . Наука и глобальная безопасность . 10 (1): 21–60. Бибкод : 2002S&GS...10...21P . CiteSeerX 10.1.1.692.6127 . дои : 10.1080/08929880212328 . ISSN 0892-9882 . S2CID 122901563 . Архивировано из оригинала (PDF) 15 марта 2012 г.
- ^ «Россия ослеплена потерей спутника обнаружения ракет» . Москва Таймс. 26 июня 2014 года . Проверено 16 апреля 2019 г.
- ^ Грэм, Уильям (23 сентября 2017 г.). «Атлас V запускает спутник-шпион NROL-42» . NASASpaceflight.com . Проверено 16 апреля 2019 г.
- ^ Ришельсон, Джеффри Т (2002). Волшебники Лэнгли. Внутри Управления науки и технологий ЦРУ . Боулдер: Вествью Пресс . ISBN 978-0-8133-4059-3 . Проверено 17 апреля 2019 г.
- ^ Томаш Новаковски (17 ноября 2015 г.). «Российская ракета «Союз-2.1б» успешно запустила спутник «Тундра» . Космический полет Инсайдер.
- ^ Курт Годвин (25 мая 2017 г.). «Ракета «Союз» успешно доставила на редкую орбиту спутник дальнего радиолокационного обнаружения «ЭКС-2» . Космический полет Инсайдер.
- ^ Кларк, Стивен (25 мая 2017 г.). «Россия отправляет на орбиту военный спутник для предупреждения о ракетном ударе – Spaceflight Now» .
- ^ Солер, Томас; Эйземанн, Дэвид В. (август 1994 г.). «Определение углов обзора геостационарных спутников связи» (PDF) . Журнал геодезической инженерии . 120 (3): 123. doi : 10.1061/(ASCE)0733-9453(1994)120:3(115) . ISSN 0733-9453 . Проверено 16 апреля 2019 г.
- ^ Перейти обратно: а б с д Вертц, Джеймс Ричард; Ларсон, Уайли Дж. (1999). Ларсон, Уайли Дж.; Вертц, Джеймс Р. (ред.). Анализ и проектирование космических миссий . Microcosm Press и Kluwer Academic Publishers. Бибкод : 1999smad.book.....W . ISBN 1-881883-10-8 .
- ^ Перейти обратно: а б с д и ж Киддер, Стэнли К.; Вондер Хаар, Томас Х. (18 августа 1989 г.). «Об использовании спутников на орбитах «Молния» метеорологических наблюдений средних и высоких широт» . Журнал атмосферных и океанических технологий . 7 (3): 517. Бибкод : 1990JAtOT...7..517K . doi : 10.1175/1520-0426(1990)007<0517:OTUOSI>2.0.CO;2 .
- ^ Кинг-Хеле, генеральный директор (январь 1975 г.). «Орбитальная жизнь спутников Молния» . Журнал Британского межпланетного общества . 28 : 783–796. Бибкод : 1975JBIS...28..783K .
- ^ ван дер Ха, Йозеф К., изд. (ноябрь 1997 г.). Проектирование миссий и внедрение спутниковых группировок: материалы международного семинара, состоявшегося в Тулузе, Франция . Спрингер-Сайенс. п. 67. ИСБН 9401061378 . Проверено 16 апреля 2019 г.
- ^ «Программа широкополосной связи в Антарктике» . rsaa.anu.edu.au. Австралийский национальный университет . Проверено 12 апреля 2019 г.
- ^ Перейти обратно: а б Бонин, Грант; Зи, Роберт; Бретт, Майкл; Кинг, Ян; Фабер, Дэниел (октябрь 2012 г.). Широкополосная связь в Антарктике: быстрый Интернет для нижней части Земли . МАК 2012 . Проверено 12 апреля 2019 г.
- ^ Берд, Кэмерон, изд. (17 ноября 2015 г.). Окончательная оценка Австралийской программы космических исследований (PDF) (Отчет). Департамент промышленности, инноваций и науки. Архивировано из оригинала (PDF) 5 марта 2019 года . Проверено 12 апреля 2019 г.
- ^ Демпстер, Эндрю (15 мая 2018 г.). «По мере появления подробностей о новом космическом агентстве Австралии мы (возможно), наконец-то сможем запуститься» . Разговор . Проверено 12 апреля 2019 г.
- ^ Киддер, Стэнли К.; Вондер Хаар, Томас Х. (июнь 1990 г.). «О применении спутников на орбитах «Молния» для метеорологических наблюдений средних и высоких широт» . Журнал атмосферных и океанических технологий . 7 (3): 519. Бибкод : 1990JAtOT...7..517K . doi : 10.1175/1520-0426(1990)007<0517:OTUOSI>2.0.CO;2 .
- ^ Стердивант, РЛ; Чон, ЕКП (2016). «Системная инженерия спутника на терабитной эллиптической орбите и наземной станции с фазированной решеткой для подключения Интернета вещей и потребительского доступа в Интернет» . Доступ IEEE . 4 : 9947. дои : 10.1109/ACCESS.2016.2608929 .
- ^ Хутс, Феликс Р.; Рерих, Рональд Л. (31 декабря 1988 г.). Модели распространения наборов элементов NORAD (PDF) (Отчет). Отчет Министерства обороны США о космической трассе . Проверено 16 июня 2010 г.