Жердің экваторы үстіндегі тұрақты орбита

Кіріспе

Жердің экваторы үстіндегі және Жердің айналу бағытын ұстанатын дөңгелек орбита.

Геостационарлық орбита, сондай-ақ геосинхрондық экваторлық орбита (GEO) деп те аталады, Жердің экваторынан жоғары биіктікте орналасқан, Жер орталығынан бірдей радиустағы және Жердің айналу бағытын ұстанатын геосинхрондық орбита. Мұндай орбитадағы объектінің орбиталық периоды Жердің айналу периодына, бір жұлдыздық тәулікке тең, сондықтан жер бетіндегі бақылаушыларға ол қозғалмай, аспандағы белгілі бір нүктеде тұрғандай көрінеді. Геостационарлық орбита тұжырымын 1940 жылдары ғылыми-фантастика жазушысы Артур Кларк телекоммуникацияны революциялаудың бір жолы ретінде танымал етті, ал осы орбитаға орналастырылған алғашқы спутник 1963 жылы ұшырылды. Байланыс спутниктері көбінесе геостационарлық орбитаға орналастырылады, соның арқасында Жердегі спутник антенналары оларды іздеп айналудың қажеті болмайды, олар спутниктер орналасқан аспан нүктесіне тұрақты түрде бағытталады. Ауа-райы спутниктері де нақты уақыт режимінде бақылау және мәліметтерді жинау үшін осы орбитаға орналастырылады, ал навигациялық спутниктер – белгілі калибрлеу нүктесін қамтамасыз ету және GPS-тің дәлдігін арттыру үшін. Геостационарлық спутниктер уақытша орбита арқылы ұшырылып, Жер бетіндегі белгілі бір нүктеден жоғары орналасқан орынға қойылады. Орбитаның орнын сақтау үшін кейбір түзетулер қажет, ал ескірген спутниктер соқтығысудан сақтану үшін жоғарырақ «көлік орынға» (graveyard orbit) орналастырылады.

Тарих

1929 жылы Герман Поточник геосинхронды орбиталарды жалпы алғанда және геостационарлық Жер орбитасының ерекше жағдайын ғарыш станциялары үшін пайдалы орбиталар ретінде сипаттады. Геостационарлық орбита алғаш рет 1942 жылғы қазанда Джордж О. Смиттің «Венераның теңқабырлысы» әңгімесінде кездеседі, бірақ Смит бұл туралы егжей-тегжейлі айтпады. Британдық ғылыми-фантастика жазушысы Артур Кларк 1945 жылы «Wireless World» журналында жарияланған «Жерден тыс релелер – ракета станциялары бүкіл әлемдік радио хабарымен қамтамасыз ете ала ма?» атты мақаласында осы ұғымды танымал етіп, кеңейтті. Кларк «The Complete Venus Equilateral» кітабына жазған кіріспесінде осы байланысты мойындады. Осы орбита кейде Кларк орбитасы деп аталады. Сол сияқты, осы орбитадағы жасанды спутниктер жиынтығы Кларк белдеуі деп белгілі. Техникалық терминологияда бұл орбита геостационарлық немесе геосинхронды экваторлық орбита деп аталады, мұнда терминдер көбінесе бірін-бірі алмастырып қолданылады. Бірінші геостационарлық спутникті 1959 жылы «Hughes Aircraft» компаниясында жұмыс істеген Гарольд Розен жобалады. «Спутник-1» жобасынан шабыттанған ол геостационарлық спутник арқылы байланыс жүйесін жаһандануды мақсат етті. Сол кезде АҚШ пен Еуропа арасындағы телекоммуникация бір уақытта тек 136 адамға ғана қолжетімді болды және жоғары жиілікті радио және теңіз асты кабельге тәуелді болды. Сол кездегі басым пікір, спутникті геостационарлық орбитаға орналастыру үшін тым көп ракета қуаты қажет екендігі және ол шығынды ақтау үшін жеткілікті ұзақ өмір сүре алмайды, сондықтан алғашқы күш-жігер Жердің төменгі немесе орта орбитасындағы спутниктердің топтарына жұмсалды. Бұл жобалар геостационарлық орбиталарды пайдалану арқылы шешілетін сигнал күші және іздеу мәселелеріне тап болғанымен, бұл идея практикалық емес деп есептелді, сондықтан «Hughes» көбінесе қаржыландыруды және қолдауды тоқтатты. 1961 жылдың тамызында олармен нақты спутникті құрылысын бастауға келісім шарт жасалды. Геостационарлық орбитаға орналастырылған алғашқы спутник – 1964 жылы «Delta D» ракетасымен ұшырылған «Syncom 3». Ол Жапониядан Америкаға Жазғы Олимпиада ойындарының тікелей эфирін беруге мүмкіндік берді. Геостационарлық орбиталар содан бері, әсіресе спутниктік теледидар үшін кеңінен қолданылып келеді. Бүгінгі таңда планетадағы халқы көп шоғырланған жерлердің көп бөлігінде құрлықтағы байланыс инфрақұрылымы (микротолқынды, оптикалық талшықты) бар, телефон арқылы байланыс халықтың 96%-ын, ал интернет арқылы байланыс 90%-ын қамтиды. Дегенмен, дамыған елдердегі кейбір ауылдық және шалқары аймақтар әлі де спутниктік байланысқа тәуелді.

In 1929, Herman Potočnik described both geosynchronous orbits in general and the special case of the geostationary Earth orbit in particular as useful orbits for space stations. The first appearance of a geostationary orbit in popular literature was in October 1942, in the first Venus Equilateral story by George O. Smith, but Smith did not go into details. British science fiction author Arthur C. Clarke popularised and expanded the concept in a 1945 paper entitled Extra Terrestrial Relays – Can Rocket Stations Give Worldwide Radio Coverage?, published in Wireless World magazine. Clarke acknowledged the connection in his introduction to The Complete Venus Equilateral. is sometimes called the Clarke orbit. Similarly, the collection of artificial satellites in this orbit is known as the Clarke Belt. In technical terminology the orbit is referred to as either a geostationary or geosynchronous equatorial orbit, with the terms used somewhat interchangeably. The first geostationary satellite was designed by Harold Rosen while he was working at Hughes Aircraft in 1959. Inspired by Sputnik 1, he wanted to use a geostationary satellite to globalise communications. Telecommunications between the US and Europe was then possible between just 136 people at a time, and reliant on high frequency radios and an undersea cable. Conventional wisdom at the time was that it would require too much rocket power to place a satellite in a geostationary orbit and it would not survive long enough to justify the expense, so early efforts were put towards constellations of satellites in low or medium Earth orbit. Although these projects had difficulties with signal strength and tracking, issues that could be solved using geostationary orbits, the concept was seen as impractical, so Hughes often withheld funds and support. In August 1961, they were contracted to begin building the real satellite. The first satellite placed in a geostationary orbit was Syncom 3, which was launched by a Delta D rocket in 1964. With its increased bandwidth, this satellite was able to transmit live coverage of the Summer Olympics from Japan to America. Geostationary orbits have been in common use ever since, in particular for satellite television. Although most populated land locations on the planet now have terrestrial communications facilities (microwave, fiber optic), with telephone access covering 96% of the population and internet access 90%, some rural and remote areas in developed countries are still reliant on satellite communications.

Қолданылуы

Коммерциялық байланыс спутниктерінің, хабар тарату спутниктерінің және SBAS спутниктерінің көпшілігі геостационарлық орбиталарда жұмыс істейді.

Байланыс

Геостационарлық байланыс спутниктері пайдалы, себебі олар Жер бетінің кең аумағынан көрінеді, 81° ендікке және 77° бойлыққа дейін. Сондықтан геостационарлық байланыс спутниктері көбінесе бір бағытты ойын-сауық және төмен задергілі (latency) баламалары қолжетімді емес қолданыстар үшін пайдаланылады. Геостационарлық спутниктер экваторда тікелей жоғарыда орналасқан, ал полюстерге жақын тұрған бақылаушыға аспанда төмен көрінеді. Бақылаушының ендігі артқан сайын, атмосфералық рефракция, Жердің жылулық сәулеленуі, көру сызығының кедергілері және жер бетінен немесе жақын жердегі құрылыстардан сигналдың шағылысуы сияқты факторлар байланысты қиындатады. 81° ендіктен жоғарыда геостационарлық спутниктер көкжиектің астында болады және оларды мүлдем көруге болмайды. Осы себепті, кейбір ресейлік байланыс спутниктері жоғары ендіктерде жақсы көрінетін эллипстік "Молния" және "Тундра" орбиталарын пайдаланған.

Іске қосу

Геостационарлық спутниктер экватордың айналу жылдамдығымен сәйкес келетін проградтық орбитаға шығысқа қарай ұшырылады. Спутникті ұшыруға болатын ең төменгі бұрылыс – ұшыру алаңының ендігіне тең болады, сондықтан спутникті экваторға жақын жерден ұшырғанда кейіннен бұрылысты өзгерту қажеттілігі азаяды. Көптеген ұшыру құралдары геостационарлық спутниктерді тікелей геостационарлық трансферлік орбитаға (GTO) шығарады, ол GEO биіктігінде апогейі және төмен перигейі бар эллипстік орбита болып табылады. Спутниктік қозғалтқыштар бортында перигейді көтеру, орбитаны дөңгелектеу және GEO-ға жету үшін қолданылады.

Орбиталық бөліну

Геостационарлық орбитадағы спутниктердің бәрі экватордың үстіндегі бір сақинада орналасуы керек. Осы спутниктерді операция кезінде зиянды радиожиілікті кедергілерден сақтау үшін бір-бірінен белгілі қашықтықта ұстау талабы, орбиталық слоттардың саны шектеулі екенін білдіреді, демек геостационарлық орбитада қолданылатын спутниктердің саны да шектеулі. Бұл бірдей бойлықта, бірақ әртүрлі ендікте орналасқан елдердің, сондай-ақ радиожиіліктерге қол жеткізуді қалаған елдер арасында қақтығысқа алып келді. Бұл даулар Халықаралық телекоммуникация одағының Радиорегламент бойынша бөлу механизмі арқылы реттеледі. 1976 жылғы Богота декларациясында Жер шарының экваторында орналасқан сегіз ел өз аумақтарының үстіндегі геостационарлық орбиталарға егемендік құқығын жариялады, бірақ бұл талаптар халықаралық деңгейде мойындалмады.

Статиттік ұсыныс

Статит – орбитасын өзгерту үшін күн сәулесінен туындайтын сәулелену қысымын күн қандаты (күн желкесі) арқылы пайдаланатын гипотетикалық спутник. Ол Жердің қараңғы жағында, шамамен 30 градус ендікте орналасады. Статит Жер бетімен салыстырғанда емес, Жер-Күн жүйесіне қатысты тұрақты болып табылады және геостационарлық орбитадағы қалыңдықты азайтуға мүмкіндік береді.

Қызметтен шығарылған спутниктер

Геостационарлық спутниктер өз орнын сақтау үшін белгілі бір түзетулер қажет етеді, ал қозғалтқыш отыны таусылған соң, олар әдетте пайдаланудан шығарылады. Транспондерлер мен басқа да бортындағы жүйелер көбінесе қозғалтқыш отынынан ұзақ өмір сүреді, сондықтан спутникке табиғи түрде еңіс геосинхронды орбитаға өтуге рұқсат ету арқылы кейбір спутниктерді пайдалануды жалғастыруға болады немесе оларды «көмесу» орбитасына көтеруге болады. Бұл процеске қатысты реттеулер күшейіп келеді және спутниктердің қызмет мерзімі аяқталғанда геостационарлық белдеуден 200 км-ден жоғары жылжу мүмкіндігі 90% болуы тиіс.

Ғарыш қалдықтары

Геостационарлық орбитадағы ғарыш қалдықтарының соқтығысу жылдамдығы, Жердің төменгі орбитасына (ЖТO) қарағанда төмендеу болады, себебі барлық GEO спутниктері бір жазықтықта, бір биіктікте және бір жылдамдықпен айналады; бірақ эксцентрлі орбитадағы спутниктердің болуы 4 км/с дейін жылдамдықпен соқтығысуға мүмкіндік береді. Соқтығысу салыстырмалы түрде сирек болғанымен, GEO спутниктерінің кез келген қалдықтан қашу мүмкіндігі шектеулі. Геосинхрондық биіктікте 10 см-ден кішкентай диаметрлі объектілерді Жерден көру мүмкін емес, осыдан олардың қаншалықты таралуын бағалау қиын. Қауіпті азайтуға жасалған барлық күш-жігерге қарамастан, ғарыш аппараттарының соқтығысу жағдайлары болды. 1993 жылдың 11 тамызында Еуропалық ғарыш агенттігінің телекоммуникациялық спутнигі «Олимп-1» метеороидқа шағылысып, соңында «көмесу орбитасына» жылжытылды, ал 2006 жылы ресейлік «Экспресс AM11» байланыс спутнигі белгісіз объектіге шағылысып, жұмыс істемей қалды, бірақ инженерлер спутникпен байланыс уақытын жеткілікті деңгейде сақтап, оны «көмесу орбитасына» жіберді. 2017 жылы «AMC 9» және «Telkom 1» спутниктері белгісіз себептермен ыдырады.

Басқа планеталарда

Сол әдіспен біз кез келген ұқсас денелер жұбының орбиталық биіктігін анықтай аламыз, соның ішінде объектінің Марсқа қатысты ареостационарлық орбитасын да, егер ол шар тәрізді деп есептесек (бірақ ол толығымен шар емес). Марстың гравитациялық тұрақтысы GM (μ) 42830-ға тең, оның экваторлық радиусы 3389,50 және планетаның белгілі айналу периоды (T) 1,02595676 (88642,66) секундты құрайды. Осы мәндерді қолданып, Марстың орбиталық биіктігі 17039 км-ге тең.