Введение

Геостационарная орбита, также называемая геосинхронной экваториальной орбитой (GEO), представляет собой круговую геосинхронную орбиту, расположенную на высоте над экватором Земли, на расстоянии от центра Земли и совпадающую по направлению с вращением Земли. Объект на такой орбите имеет орбитальный период, равный периоду вращения Земли – одному звездному дню, – и поэтому для наземных наблюдателей он кажется неподвижным, зафиксированным в определенной точке на небе. Концепция геостационарной орбиты была популяризирована писателем-фантастом Артуром Кларком в 1940-х годах как способ совершить революцию в области телекоммуникаций, а первый спутник, выведенный на такую орбиту, был запущен в 1963 году. Спутники связи часто размещают на геостационарной орбите, чтобы наземным спутниковым антеннам не требовалось вращаться для их отслеживания, а можно было постоянно направлять их в ту точку на небе, где находятся спутники. Метеорологические спутники также выводят на эту орбиту для мониторинга и сбора данных в реальном времени, а навигационные – для обеспечения известной точки калибровки и повышения точности GPS. Геостационарные спутники запускаются сначала на переходную орбиту, а затем выводятся в определенный слот над конкретной точкой на поверхности Земли. Для поддержания орбиты требуется коррекция положения, а отслужившие свой срок современные спутники выводятся на более высокую «орбиту захоронения», чтобы избежать столкновений.

История

В 1929 году Герман Поточник описал как геосинхронные орбиты в целом, так и особый случай геостационарной орбиты Земли в частности как полезные орбиты для космических станций. Первое упоминание геостационарной орбиты в популярной литературе относится к октябрю 1942 года, к первой повести Джорджа О. Смита «Равносторонние стороны Венеры», однако Смит не вдался в детали. 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». Геостационарная орбита иногда называется орбитой Кларка. Аналогично, совокупность искусственных спутников на этой орбите известна как пояс Кларка. В технической терминологии эта орбита называется либо геостационарной, либо геосинхронной экваториальной орбитой, причем эти термины используются как взаимозаменяемые. Первый геостационарный спутник был разработан Гарольдом Розеном в 1959 году, когда он работал в Hughes Aircraft. Вдохновленный запуском «Спутника-1», он стремился использовать геостационарный спутник для глобализации коммуникаций. В то время телекоммуникация между США и Европой была возможна лишь для 136 человек одновременно и зависела от высокочастотных радиостанций и подводного кабеля. В то время общепринятым было мнение, что для вывода спутника на геостационарную орбиту потребуется слишком много ракетной энергии, и он не прослужит достаточно долго, чтобы оправдать затраты, поэтому первоначальные 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, проблемы, которые можно было решить с помощью геостационарных орбит, концепция считалась непрактичной, поэтому Hughes часто отказывала в финансировании и поддержке. В августе 1961 года был заключен контракт на начало строительства реального спутника. Первым спутником, выведенным на геостационарную орбиту, был Syncom 3, запущенный ракетой Delta D в 1964 году. Благодаря увеличенной пропускной способности этот спутник смог обеспечить прямую трансляцию летних Олимпийских игр из Японии в Америку. С тех пор геостационарные орбиты широко используются, особенно для спутникового телевидения. Хотя большинство населенных пунктов на планете теперь располагают наземной инфраструктурой связи (микроволновой, волоконно-оптической), с телефонной связью, охватывающей 96% населения, и доступом в Интернет – 90%, некоторые сельские и отдаленные районы в развитых странах по-прежнему зависят от спутниковой связи.

Применение

Большинство коммерческих спутников связи, спутников вещания и спутников SBAS работают на геостационарных орбитах.

Сообщения

Геостационарные спутники связи полезны, поскольку они видны с большой территории земной поверхности, простирающейся на 81° по широте и 77° по долготе. Поэтому геостационарные спутники связи в основном используются для одностороннего вещания и приложений, где недоступны альтернативы с малой задержкой. Геостационарные спутники находятся непосредственно над экватором и кажутся ниже на небе для наблюдателя, расположенного ближе к полюсам. С увеличением широты наблюдателя связь становится более затруднительной из-за таких факторов, как атмосферная рефракция, тепловое излучение Земли, препятствия прямой видимости и отражения сигнала от земли или близлежащих сооружений. На широтах выше примерно 81° геостационарные спутники находятся ниже горизонта и не видны вовсе. В связи с этим некоторые российские спутники связи используют эллиптические орбиты "Молния" и "Тундра", обеспечивающие отличную видимость на высоких широтах.

Запуск

Геостационарные спутники запускаются на восток по прямой орбите, соответствующей скорости вращения экватора. Минимальный наклон, на который может быть выведен спутник, равен широте площадки запуска, поэтому запуск со стартовой позиции вблизи экватора снижает необходимое изменение наклона в дальнейшем. Большинство ракет-носителей выводят геостационарные спутники непосредственно на геостационарную переходную орбиту (GTO) – эллиптическую орбиту с апогеем на высоте геостационарной орбиты и низким перигеем. Затем бортовые двигательные установки спутника используются для повышения перигея, перевода на круговую орбиту и выхода на геостационарную орбиту.

Распределение орбиты

Спутники на геостационарной орбите должны располагаться в одном кольце над экватором. Необходимость разделять эти спутники для предотвращения вредоносных радиочастотных помех во время работы означает, что количество доступных орбитальных позиций ограничено, и, следовательно, только ограниченное число спутников может функционировать на геостационарной орбите. Это привело к конфликтам между разными странами, стремящимися получить доступ к одним и тем же орбитальным позициям (странам, расположенным вблизи одной долготы, но на разных широтах) и радиочастотам. Эти споры разрешаются посредством механизма распределения Международного союза электросвязи в соответствии с Регламентом радиосвязи. В Боготской декларации 1976 года восемь стран, расположенных на экваторе Земли, заявили о суверенитете над геостационарными орбитами над своей территорией, однако эти претензии не получили международного признания.

Предложение о статуте

Статит – это гипотетический спутник, использующий давление солнечного излучения на солнечный парус для коррекции своей орбиты. Он удерживался бы в фиксированной позиции над темной стороной Земли на широте около 30 градусов. Статит стационарен относительно системы Земля-Солнце, а не относительно поверхности Земли, и может снизить перегруженность геостационарной орбиты.

Выведенные на пенсию спутники

Геостационарные спутники нуждаются в коррекции орбиты для поддержания своей позиции, и после исчерпания запаса топлива двигателей они обычно выводятся из эксплуатации. Транспондеры и другие бортовые системы зачастую функционируют дольше, чем хватает топлива, и, позволяя спутнику естественным образом перейти на наклонную геосинхронную орбиту, некоторые спутники могут оставаться в использовании или быть переведены на орбиту захоронения. Этот процесс становится все более регламентированным, и спутники должны иметь 90%-ную вероятность ухода более чем на 200 км выше геостационарного пояса к концу срока службы.

Космический мусор

Космический мусор на геостационарных орбитах обычно имеет меньшую скорость столкновения, чем на низкой околоземной орбите (LEO), поскольку все спутники GEO 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 GEO обладают ограниченными возможностями уклонения от обломков. На геосинхронной высоте объекты диаметром менее 10 см не видны с Земли, что затрудняет оценку их распространенности. Несмотря на предпринимаемые усилия по снижению риска, происходили столкновения космических аппаратов. Телекоммуникационный спутник Европейского космического агентства Olympus 1 был поражен метеороидом 11 августа 1993 года 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 отправить его на орбиту захоронения. В 2017 году AMC 9 и Telkom 1 распались по неизвестной причине.

На других планетах

По тому же методу мы можем определить орбитальную высоту для любой подобной пары тел, включая ареостационарную орбиту объекта относительно Марса, если предположить, что он сферический (что не совсем верно). Гравитационная постоянная GM (μ) для Марса равна 42830, его экваториальный радиус составляет 3389,50, а известный период вращения (T) планеты — 1,02595676 (88642,66). Используя эти значения, орбитальная высота для Марса равна 17039.