Тундра орбиты

Орбита Тундры ( русский язык : орбита «Тундра» ) — высокоэллиптическая геосинхронная орбита с большим наклонением (приблизительно 63,4 °), орбитальным периодом в один звездный день и типичным эксцентриситетом от 0,2 до 0,3. Спутник , размещенный на этой орбите, проводит большую часть своего времени над выбранной областью Земли . Это явление известно как пребывание в апогее , что делает его особенно подходящим для спутников связи, обслуживающих регионы высоких широт. Наземная траектория спутника на орбите Тундры представляет собой замкнутую восьмерку с меньшей петлей над северным или южным полушарием. ^[1]^[2] Это отличает их от орбит «Молния», предназначенных для обслуживания высокоширотных регионов, которые имеют такое же наклонение, но вдвое меньше периода и не задерживаются над одним регионом. ^[3]^[4]

Использование

Орбиты Тундра и Молния используются для предоставления пользователям высоких широт более высоких углов места , чем геостационарная орбита . Земли Это желательно, поскольку вещание на эти широты с геостационарной орбиты (над экватором ) требует значительной мощности из-за малых углов места , а также дополнительного расстояния и связанного с этим ослабления в атмосфере. Объекты, расположенные выше 81° широты, вообще не могут видеть геоцентрические спутники, и, как правило, углы места менее 10° могут вызвать проблемы, в зависимости от частоты связи. ^[5]^: 499^[6]

Высокоэллиптические орбиты представляют собой альтернативу геостационарным, поскольку в апогее они остаются над желаемыми высокоширотными регионами в течение длительных периодов времени. Однако их удобство снижается стоимостью: для обеспечения непрерывного покрытия с орбиты Тундры требуются два спутника (три — с орбиты Молнии). ^[3]

Наземная станция, получающая данные от группировки спутников на высокоэллиптической орбите, должна периодически переключаться между спутниками и иметь дело с различной мощностью сигнала, задержкой и доплеровскими сдвигами по мере изменения дальности действия спутника по всей его орбите. Эти изменения менее выражены для спутников на тундровой орбите, учитывая их увеличенное расстояние от поверхности, что делает отслеживание и связь более эффективными. ^[7] Кроме того, в отличие от орбиты Молнии, спутник на орбите Тундры избегает прохождения поясов Ван Аллена . ^[8]

Несмотря на эти преимущества, орбита Тундры используется реже, чем орбита Молнии. ^[8] отчасти из-за более высокой требуемой энергии запуска. ^[1]

Предлагаемое использование

В 2017 году офис космического мусора ЕКА опубликовал документ, в котором предлагалось использовать орбиту, подобную Тундре, в качестве орбиты захоронения для старых геосинхронных спутников с высоким наклонением, в отличие от традиционных орбит-кладбищ . ^[3]

Характеристики

Типичный ^[7] Орбита Тундры обладает следующими свойствами:

Наклон: 63,4°
Аргумент перигея: 270°.
Период: 1436 минут
Эксцентриситет: 0,24–0,4
Большая полуось: 42 164 км (26 199 миль)

Наклонение орбиты

В общем, сжатие Земли нарушает аргумент спутника о перигее ( $\omega$ ) так, что оно постепенно меняется со временем. ^[1] Если рассматривать только коэффициент первого порядка $J_{2}$ , перигей будет меняться в соответствии с уравнением 1 , если его постоянно не корректировать с помощью поддержания положения двигателя.

{\dot {\omega }}={\frac {3}{4}}nJ_{2}\left({\frac {R_{E}}{a}}\right)^{2}{\frac {4-5\sin ^{2}i}{(1-e^{2})^{2}}},

( 1 )

где $i$ - наклонение орбиты, $e$ это эксцентриситет, $n$ среднее движение в градусах в сутки, $J_{2}$ является возмущающим фактором, $R_{E}$ это радиус Земли, $a$ – большая полуось, а ${\dot {\omega }}$ составляет градусы в сутки.

Чтобы избежать такого расхода топлива, на орбите Тундры используется наклонение 63,4°, для которого коэффициент $(4-5\sin ^{2}i)$ равно нулю, так что положение перигея не меняется с течением времени. ^[9]^[10]^: 143^[7] Это называется критическим наклонением, а построенная таким образом орбита называется замороженной орбитой .

Аргумент перигея

Аргумент перигея 270° помещает апогей в самую северную точку орбиты. Аргумент перигея в 90° также подойдет для высоких южных широт. Аргумент перигея 0° или 180° привел бы к тому, что спутник остановился бы над экватором, но в этом было бы мало смысла, поскольку это можно было бы лучше сделать с помощью обычной геостационарной орбиты . ^[7]

Период

Период в один звездный день гарантирует, что спутники будут следовать по одной и той же траектории с течением времени. Это контролируется большой полуосью орбиты. ^[7]

Эксцентриситет

Эксцентриситет выбирается в зависимости от требуемого времени выдержки и меняет форму колеи. Орбита Тундры обычно имеет эксцентриситет около 0,2; орбита с эксцентриситетом около 0,4, меняющая траекторию движения с восьмерки на каплевидную, называется орбитой Супертундры . ^[11]

Большая полуось

Точная высота спутника на орбите Тундры варьируется в зависимости от миссии, но типичная орбита будет иметь перигей примерно 25 000 километров (16 000 миль) и апогей 39 700 километров (24 700 миль), для большой полуоси 46 000 километров. (29 000 миль). ^[7]

Космический корабль, использующий орбиты Тундры

Наземная траектория орбиты QZSS , которая имеет характеристики, аналогичные орбите Тундры, но меньшее наклонение.

С 2000 по 2016 год Sirius Satellite Radio , ныне являющаяся частью Sirius XM Holdings , управляла группировкой из трех спутников на орбитах Тундры для спутникового радио . ^[12]^[13] RAAN каждого спутника были смещены на 120° , и средняя аномалия так что, когда один спутник сошел с позиции, другой прошел перигей и был готов вступить во владение. Группировка была разработана для лучшего охвата потребителей в крайних северных широтах, уменьшения воздействия городских каньонов и требовала всего 130 ретрансляторов по сравнению с 800 для геостационарной системы. После слияния «Сириуса» с XM компания изменила конструкцию и орбиту спутника-заменителя FM-6 с тундровой на геостационарную. ^[14]^[15] Это дополнило уже геостационарный FM-5 (запущен в 2009 г.), ^[16] а в 2016 году Сириус прекратил вещание с тундровых орбит. ^[17]^[18]^[19] Спутники Сириуса были единственными коммерческими спутниками, использовавшими орбиту Тундры. ^[20]

Японская спутниковая система «Квазизенит» использует геостационарную орбиту, аналогичную орбите Тундры, но с наклонением всего 43°. Он включает в себя четыре спутника, движущихся по одной и той же наземной траектории. Он тестировался с 2010 года и вступил в полную эксплуатацию в ноябре 2018 года. ^[21]

Предлагаемые системы

Орбита Тундры рассматривалась для использования в рамках проекта ЕКА «Архимед» — системы вещания, предложенной в 1990-х годах. ^[13]^[22]

Сравнение орбиты Тундры, орбиты QZSS и орбиты Молнии - экваториальный вид

Вид спереди

Вид сбоку

Вид спереди, фиксированная рама с заземлением

Вид сбоку, фиксированная рама с заземлением

Тундра Орбита · Орбита QZSS · Molniya orbit · Земля

См. также

Ссылки

^ Jump up to: ^а ^б ^с Фортескью, ПВ; Моттерсхед, LJ; Свинерд, Г.; Старк, JPW (2003). «Раздел 5.7: высокоэллиптические орбиты». Системотехника космических аппаратов . Джон Уайли и сыновья. ISBN 978-0-471-61951-2 .
^ Дикинсон, Дэвид (2018). Полное руководство «Вселенная сегодня» по наблюдению за космосом: все, что вам нужно знать, чтобы стать астрономом-любителем . Издательство Пейдж Стрит. п. 203. ИСБН 9781624145452 .
^ Jump up to: ^а ^б ^с Дженкин, AB; Маквей, JP; Уилсон, младший; Зорге, Мэн (2017). Исследование орбиты утилизации тундры . 7-я Европейская конференция по космическому мусору. Управление космического мусора ЕКА. Архивировано из оригинала 2 октября 2017 г. Проверено 2 октября 2017 г.
^ Мортари, Д.; Уилкинс, член парламента; Брукколери, К. (2004). Цветочные созвездия (PDF) (Отчет). п. 4. Архивировано из оригинала (PDF) 9 августа 2017 г. Проверено 2 октября 2017 г.
^ Ильчев, Стойче Димов (2017). Теория глобальных спутниковых метеорологических наблюдений (GSMO) . Том. 1. Международное издательство Спрингер. п. 57. Бибкод : 2018gsmo.book.....I . ISBN 978-3-319-67119-2 . Проверено 16 апреля 2019 г.
^ 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 . Архивировано (PDF) из оригинала 4 марта 2016 года . Проверено 16 апреля 2019 г.
^ Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж Марал, Жерар; Буске, Мишель (24 августа 2011 г.). «2.2.1.2 Тундровые орбиты». Системы спутниковой связи: системы, методы и технологии . Джон Уайли и сыновья. ISBN 9781119965091 .
^ Jump up to: ^а ^б Капдеру, Мишель (2005). Спутники . Спрингер. п. 228. ИСБН 9782287213175 .
^ 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 .
^ 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 978-1-881883-10-4 .
^ Капдеру, Мишель (16 января 2006 г.). Спутники: Орбиты и миссии (PDF) . Спрингер. п. 224. ИСБН 978-2-287-27469-5 . Архивировано (PDF) из оригинала 17 мая 2018 г. Проверено 30 апреля 2019 г.
^ «Взлет Сириуса: «Протон-М» готов вывести на орбиту цифровой радиоспутник» . АмерикаКосмос . 18 октября 2013 г. Архивировано из оригинала 28 июня 2017 года . Проверено 8 июля 2017 г.
^ Jump up to: ^а ^б Капдеру, Мишель (23 апреля 2014 г.). Справочник по орбитам спутников: от Кеплера до GPS . Спрингер. п. 290. Бибкод : 2014hso..book.....C . ISBN 9783319034164 .
^ Селдинг, Питер Б. де (5 октября 2012 г.). «Sirius XM необходимо установить 600 новых наземных ретрансляторов» . SpaceNews.com .
^ Бинковиц, Лия (24 октября 2012 г.). «Спутник Сириус приходит в Удвар-Хази» . Смитсоновский институт . Архивировано из оригинала 8 мая 2019 года . Проверено 8 мая 2019 г.
^ Кларк, Стивен (30 июня 2009 г.). «Новый радиоспутник Sirius XM выведен на орбиту» . Space.com . Архивировано из оригинала 8 мая 2019 года . Проверено 8 мая 2019 г.
^ Уайли Рейн (19 ноября 2009 г.). Заявление о внесении изменений (Отчет). Федеральная комиссия по связи . Архивировано из оригинала 2 октября 2017 года . Проверено 2 февраля 2017 г.
^ Мейер, Джеймс Э.; Фрир, Дэвид Дж., ред. (2 февраля 2016 г.). Годовой отчет Sirius XM Holdings 10-K за 2015 год (PDF) (Отчет). Сириус ХМ Холдингс. Архивировано (PDF) из оригинала 29 августа 2016 года . Проверено 2 февраля 2017 г.
^ Мейер, Джеймс Э.; Фрир, Дэвид Дж., ред. (2 февраля 2017 г.). Sirius XM Holdings Inc. 10-K, 2 февраля 2017 г., 11:57 . В поисках Альфа (Отчет). Сириус XM Holdings Inc.
^ Бруно, Майкл Дж.; Перницка, Генри Дж. (2005). «Проектирование и содержание тундрового созвездия» . Журнал космических кораблей и ракет . 42 (5): 902–912. Бибкод : 2005JSpRo..42..902B . дои : 10.2514/1.7765 .
^ «Квазизенитная спутниковая орбита (QZO)» . Архивировано из оригинала 9 марта 2018 г. Проверено 10 марта 2018 г.
^ Хохер, П.; Швейкерт, Р.; Верц, Т.; Шмидбауэр, А.; Фрэнк, Дж.; Гросскопф, Р.; Шрамм, Р.; Гейл, ПКТ; Харрис, Р.А. (1996). «Цифровое аудиовещание (DAB) через спутники Archimedes / Media Star HEO». Мобильная и персональная спутниковая связь 2 . стр. 150–161. дои : 10.1007/978-1-4471-1516-8_13 . ISBN 978-3-540-76111-2 .

[fortescue-1] Jump up to: ^а ^б ^с Фортескью, ПВ; Моттерсхед, LJ; Свинерд, Г.; Старк, JPW (2003). «Раздел 5.7: высокоэллиптические орбиты». Системотехника космических аппаратов . Джон Уайли и сыновья. ISBN 978-0-471-61951-2 .

[2] Дикинсон, Дэвид (2018). Полное руководство «Вселенная сегодня» по наблюдению за космосом: все, что вам нужно знать, чтобы стать астрономом-любителем . Издательство Пейдж Стрит. п. 203. ИСБН 9781624145452 .

[jenkin-3] Jump up to: ^а ^б ^с Дженкин, AB; Маквей, JP; Уилсон, младший; Зорге, Мэн (2017). Исследование орбиты утилизации тундры . 7-я Европейская конференция по космическому мусору. Управление космического мусора ЕКА. Архивировано из оригинала 2 октября 2017 г. Проверено 2 октября 2017 г.

[flower-constellations-4] Мортари, Д.; Уилкинс, член парламента; Брукколери, К. (2004). Цветочные созвездия (PDF) (Отчет). п. 4. Архивировано из оригинала (PDF) 9 августа 2017 г. Проверено 2 октября 2017 г.

[gsmo-5] Ильчев, Стойче Димов (2017). Теория глобальных спутниковых метеорологических наблюдений (GSMO) . Том. 1. Международное издательство Спрингер. п. 57. Бибкод : 2018gsmo.book.....I . ISBN 978-3-319-67119-2 . Проверено 16 апреля 2019 г.

[6] 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 . Архивировано (PDF) из оригинала 4 марта 2016 года . Проверено 16 апреля 2019 г.

[scs-7] Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж Марал, Жерар; Буске, Мишель (24 августа 2011 г.). «2.2.1.2 Тундровые орбиты». Системы спутниковой связи: системы, методы и технологии . Джон Уайли и сыновья. ISBN 9781119965091 .

[satellites-8] Jump up to: ^а ^б Капдеру, Мишель (2005). Спутники . Спрингер. п. 228. ИСБН 9782287213175 .

[art-9] 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 .

[smad-10] 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 978-1-881883-10-4 .

[11] Капдеру, Мишель (16 января 2006 г.). Спутники: Орбиты и миссии (PDF) . Спрингер. п. 224. ИСБН 978-2-287-27469-5 . Архивировано (PDF) из оригинала 17 мая 2018 г. Проверено 30 апреля 2019 г.

[Sirius_Launch-12] «Взлет Сириуса: «Протон-М» готов вывести на орбиту цифровой радиоспутник» . АмерикаКосмос . 18 октября 2013 г. Архивировано из оригинала 28 июня 2017 года . Проверено 8 июля 2017 г.

[hso-13] Jump up to: ^а ^б Капдеру, Мишель (23 апреля 2014 г.). Справочник по орбитам спутников: от Кеплера до GPS . Спрингер. п. 290. Бибкод : 2014hso..book.....C . ISBN 9783319034164 .

[14] Селдинг, Питер Б. де (5 октября 2012 г.). «Sirius XM необходимо установить 600 новых наземных ретрансляторов» . SpaceNews.com .

[15] Бинковиц, Лия (24 октября 2012 г.). «Спутник Сириус приходит в Удвар-Хази» . Смитсоновский институт . Архивировано из оригинала 8 мая 2019 года . Проверено 8 мая 2019 г.

[16] Кларк, Стивен (30 июня 2009 г.). «Новый радиоспутник Sirius XM выведен на орбиту» . Space.com . Архивировано из оригинала 8 мая 2019 года . Проверено 8 мая 2019 г.

[17] Уайли Рейн (19 ноября 2009 г.). Заявление о внесении изменений (Отчет). Федеральная комиссия по связи . Архивировано из оригинала 2 октября 2017 года . Проверено 2 февраля 2017 г.

[18] Мейер, Джеймс Э.; Фрир, Дэвид Дж., ред. (2 февраля 2016 г.). Годовой отчет Sirius XM Holdings 10-K за 2015 год (PDF) (Отчет). Сириус ХМ Холдингс. Архивировано (PDF) из оригинала 29 августа 2016 года . Проверено 2 февраля 2017 г.

[19] Мейер, Джеймс Э.; Фрир, Дэвид Дж., ред. (2 февраля 2017 г.). Sirius XM Holdings Inc. 10-K, 2 февраля 2017 г., 11:57 . В поисках Альфа (Отчет). Сириус XM Holdings Inc.

[20] Бруно, Майкл Дж.; Перницка, Генри Дж. (2005). «Проектирование и содержание тундрового созвездия» . Журнал космических кораблей и ракет . 42 (5): 902–912. Бибкод : 2005JSpRo..42..902B . дои : 10.2514/1.7765 .

[QZSO-21] «Квазизенитная спутниковая орбита (QZO)» . Архивировано из оригинала 9 марта 2018 г. Проверено 10 марта 2018 г.

[22] Хохер, П.; Швейкерт, Р.; Верц, Т.; Шмидбауэр, А.; Фрэнк, Дж.; Гросскопф, Р.; Шрамм, Р.; Гейл, ПКТ; Харрис, Р.А. (1996). «Цифровое аудиовещание (DAB) через спутники Archimedes / Media Star HEO». Мобильная и персональная спутниковая связь 2 . стр. 150–161. дои : 10.1007/978-1-4471-1516-8_13 . ISBN 978-3-540-76111-2 .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]

[16]

[17]

[18]

[19]

[20]

[21]

[22]