Введение
Орбита, удерживающая спутник на фиксированной долготе над экватором.
Геосинхронная орбита (иногда сокращаемая GSO) — это орбита, центрированная на Земле, с орбитальным периодом, совпадающим с периодом вращения Земли вокруг своей оси — 23 часа, 56 минут и 4 секунды (один звездный день). Синхронизация вращения и орбитального периода означает, что для наблюдателя на поверхности Земли объект на геосинхронной орбите возвращается в точно такую же точку на небе после периода, равного одному звездному дню. В течение дня положение объекта на небе может оставаться неподвижным или описывать траекторию, обычно в форме восьмерки, точные характеристики которой зависят от наклона и эксцентриситета орбиты. Особым случаем геосинхронной орбиты является геостационарная орбита (часто сокращаемая GEO) — круговая геосинхронная орбита, лежащая в экваториальной плоскости Земли, с наклоном и эксцентриситетом, равными нулю. Спутник на геостационарной орбите остается в одной и той же точке на небе для наблюдателей на Земле. Первое упоминание геосинхронной орбиты в популярной литературе относится к октябрю 1942 года, к первой повести Джорджа О. Смита «Равносторонние стороны Венеры», однако Смит не вдался в подробности. Британский писатель-фантаст Артур Кларк популяризировал и развил эту концепцию в статье 1945 года под названием «Внеземные ретрансляторы. Могут ли ракетные станции обеспечить всемирное радиовещание?», опубликованной в журнале Wireless World. Кларк признал эту связь во введении к «Полным равносторонним сторонам Венеры». Иногда её называют орбитой Кларка. Аналогично, совокупность искусственных спутников на этой орбите известна как пояс Кларка. В технической терминологии геосинхронные орбиты часто называют геостационарными, если они расположены примерно над экватором, однако эти термины используются как взаимозаменяемые. В частности, геосинхронная орбита Земли (GEO) может быть синонимом геосинхронной экваториальной орбиты или геостационарной орбиты Земли. В то время общепринятым было мнение, что для вывода спутника на геосинхронную орбиту потребуется слишком много ракетного топлива, и он не прослужит достаточно долго, чтобы оправдать затраты, поэтому первые усилия были направлены на создание группировок спутников на низкой или средней околоземной орбите. Хотя эти проекты сталкивались с трудностями в отношении силы сигнала и отслеживания, которые можно было решить с помощью геосинхронных спутников, концепция считалась непрактичной, поэтому Hughes часто отказывал в финансировании и поддержке. В августе 1961 года с ними заключили контракт на начало строительства рабочего спутника. Сегодня существуют сотни геосинхронных спутников, обеспечивающих дистанционное зондирование, навигацию и связь. Некоторые сельские и отдаленные районы в развитых странах по-прежнему зависят от спутниковой связи.
A special case of geosynchronous orbit is the geostationary orbit (often abbreviated GEO), which is a circular geosynchronous orbit in Earth's equatorial plane with both inclination and eccentricity equal to 0. A satellite in a geostationary orbit remains in the same position in the sky to observers on the surface. The first appearance of a geosynchronous 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 geosynchronous orbits are often referred to as geostationary if they are roughly over the equator, but the terms are used somewhat interchangeably. Specifically, geosynchronous Earth orbit (GEO) may be a synonym for geosynchronous equatorial orbit, or geostationary Earth orbit. Conventional wisdom at the time was that it would require too much rocket power to place a satellite in a geosynchronous 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 that could be solved through geosynchronous satellites, the concept was seen as impractical, so Hughes often withheld funds and support. In August 1961, they were contracted to begin building the working satellite. Today there are hundreds of geosynchronous satellites providing remote sensing, navigation and communications. some rural and remote areas in developed countries are still reliant on satellite communications.
Геостационарная орбита
Геостационарная экваториальная орбита (ГЭО) — это круговая геосинхронная орбита, лежащая в плоскости земного экватора, с радиусом приблизительно (измеряемым от центра Земли). Абсолютно стабильная геостационарная орбита — это идеал, которого можно лишь приблизиться. На практике спутник отклоняется от этой орбиты под воздействием возмущений, таких как солнечный ветер, давление излучения, вариации гравитационного поля Земли и гравитационное влияние Луны и Солнца, поэтому для поддержания орбиты используются двигатели в процессе, известном как удержание на станции. В конечном итоге, без использования двигателей орбита начнет наклоняться, колеблясь между 0° и 15° каждые 55 лет. В конце срока службы спутника, при истощении запасов топлива, операторы спутника могут отказаться от этих дорогостоящих маневров для коррекции наклона, ограничиваясь контролем эксцентриситета. Это продлевает срок службы спутника, поскольку он потребляет меньше топлива, но тогда спутник может использоваться только наземными антеннами, способными отслеживать движение с севера на юг. Для обеспечения непрерывного покрытия определенной территории требуется как минимум два спутника. Sirius XM Satellite Radio использовала эту технологию для улучшения силы сигнала на севере США и в Канаде.
Почти зенитная орбита
Спутниковая система "Квази-зенит" (QZSS) — это система из четырех спутников, работающих на геосинхронной орбите с наклоном 42° и эксцентриситетом 0,075. Каждый спутник задерживается над Японией, обеспечивая прием сигналов в условиях плотной городской застройки, после чего быстро перемещается над Австралией.
Запуск
Геосинхронные спутники запускаются на восток на проградную орбиту, соответствующую скорости вращения экватора. Минимальный наклон, на который может быть выведен спутник, равен широте площадки запуска, поэтому запуск со стартовой позиции вблизи экватора минимизирует необходимые изменения наклона в дальнейшем. Большинство ракет-носителей выводят геосинхронные спутники непосредственно на геосинхронную переходную орбиту (GTO) – эллиптическую орбиту с апогеем на высоте геосинхронной орбиты и низким перигеем. Затем бортовые двигательные установки используются для повышения перигея, перевода на круговую орбиту и выхода на геосинхронную орбиту. Достигнув рабочей геостационарной орбиты, космические аппараты могут изменять свою продольную позицию, регулируя большую полуось так, чтобы новый период обращения был короче или длиннее звездного дня, вызывая тем самым видимое "смещение" на восток или на запад соответственно. По достижении требуемой долготы период обращения космического аппарата возвращается к геосинхронному.
Предложение о статуте
Статит — это гипотетический спутник, использующий давление солнечного излучения на солнечный парус для коррекции своей орбиты.
Космический лифт
Еще одна форма геосинхронной орбиты — теоретический космический лифт. При закреплении одного конца на Земле, на высотах ниже геостационарного пояса лифт имеет орбитальный период короче, чем если бы он находился под воздействием только гравитации.
Выведенные на пенсию спутники
Геосинхронные спутники нуждаются в коррекции орбиты для поддержания своей позиции, и когда запас топлива для двигателей исчерпан и они становятся непригодными для использования, их перемещают на более высокую орбиту захоронения. Сведение геосинхронных спутников с орбиты не представляется возможным, поскольку для этого потребовалось бы значительно больше топлива, чем для незначительного повышения орбиты; а атмосферное сопротивление пренебрежимо мало, что обеспечивает ГСО срок службы в тысячи лет. Процесс вывода из эксплуатации становится все более регламентированным, и спутники должны иметь 90%-ную вероятность перемещения более чем на 200 км выше геостационарной орбиты к концу срока службы.
Космический мусор
Космический мусор на геосинхронных орбитах обычно имеет меньшую скорость столкновения, чем на НОО, поскольку большинство спутников ГСО вращаются в одной плоскости, на одной высоте и с одной скоростью; однако наличие спутников на эксцентрических орбитах допускает столкновения со скоростью до 4 км/с. Хотя столкновение сравнительно маловероятно, спутники ГСО обладают ограниченными возможностями уклонения от обломков. Обломки диаметром менее 10 см не видны с Земли, что затрудняет оценку их распространенности. Несмотря на предпринимаемые усилия по снижению риска, происходили столкновения космических аппаратов. 11 августа 1993 года телекоммуникационный спутник Европейского космического агентства Olympus 1 был поражен метеороидом и впоследствии был переведен на орбиту захоронения, а в 2006 году российский спутник связи Express AM11 был поражен неопознанным объектом и вышел из строя, хотя у его инженеров было достаточно времени для связи со спутником, чтобы вывести его на орбиту захоронения. В 2017 году AMC 9 и Telkom 1 распались по неизвестной причине.