Orbita geostaționară

Reprezentarea la scară a orbitei geostaționare

În astrodinamică, o orbită geostaționară (în engleză : Geostationary Earth Orbit sau GEO) este o orbită circulară și ecuatorială situată la o astfel de înălțime încât perioada de revoluție a unui satelit care îl traversează, în special a unui satelit artificial , coincide cu perioada de rotația Pământului . Este un caz special de orbită geosincronă .

Istorie

Impresia artistului asupra sateliților activi și a resturilor spațiale prezente în centura de orbită geostaționară.

Orbita geostaționară a Pământului se mai numește și Centura Clarke din numele scriitorului de science fiction Arthur C. Clarke care în 1945 a făcut prima ipoteză ^[1] folosirii acestei orbite pentru sateliții dedicați telecomunicațiilor.

Columbia , Brazilia , Ecuador , Indonezia , Kenya , Uganda și Republica Democrată Congo , țări situate pe ecuator, au revendicat supremația teritorială asupra orbitei geostaționare și și-au consacrat voința de a se declara suverane în declarația de la Bogota din 3 decembrie 1976, o declarație care rămâne pe hârtie și niciodată recunoscută de alte state. Statele au revendicat apartenența porțiunii orbitei geostaționare la țările pe care insistă pe o linie verticală, considerând-o ca parte integrantă a teritoriului național în sine. Afirmația s-a bazat pe faptul că orbita era o realitate fizică dependentă de pământ și de fenomenele gravitaționale produse de aceasta, deci a fost inclusă în conceptul de resursă naturală limitată. ^[2]

Descriere

O orbită a unui satelit este definită ca „geostacionară” dacă pentru un observator de pe Pământ satelitul apare staționar pe cer, întotdeauna suspendat deasupra aceluiași punct al ecuatorului pe măsură ce se rotește, cu o mișcare circulară uniformă, la aceeași viteză unghiulară ca pământul.

Pentru alte planete decât Pământul, această orbită este numită și izosincronă . Nu toate planetele au o orbită staționară, deoarece viteza lor de rotație poate necesita ca satelitul să fie pe o orbită prea aproape sau prea departe pentru a fi stabilă.

În cazul Pământului, satelitul artificial trebuie să călătorească prin orbita circulară într-un timp egal cu ziua siderală , _putregai = 23 h 56 min 4,09 s = 86 164 , 09 s .
Axa semi-majoră a acestei orbite, care în acest caz corespunde razei, poate fi determinată folosind a treia lege a lui Kepler :

r_{geos}={\sqrt[{3}]{\frac {GMT_{rot}^{2}}{4\pi ^{2}}}}=42\;164\;km

{\ displaystyle r_ {geos} = {\ sqrt [{3}] {\ frac {GMT_ {rot} ^ {2}} {4 \ pi ^ {2}}}} = 42 \; 164 \; km}

{\ displaystyle r_ {geos} = {\ sqrt [{3}] {\ frac {GMT_ {rot} ^ {2}} {4 \ pi ^ {2}}}} = 42 \; 164 \; km}

unde G = 6.67428 ± 0.00067 × 10 ⁻¹¹ m ³ kg ⁻¹ s ⁻² constanta gravitațională universală și M = 5.9736 × 10 ²⁴ kg masa Pământului. Formula anterioară poate fi de asemenea utilizat pentru a determina raza orbitei isosynchronous în jurul fiecărui corp ceresc introducând valorile corespunzătoare ale M și T _rot.
O metodă alternativă pentru calcularea razei este derivată direct din al doilea principiu al dinamicii prin impunerea unei mișcări circulare, deci cu accelerație ${\omega }^{2}r$ ${\ displaystyle {\ omega} ^ {2} r}$ ${\ omega} ^ {2} r$ :

m{\omega }^{2}r_{geos}=ma=m{\frac {M_{T}G}{{r_{geos}}^{2}}}

{\ displaystyle m {\ omega} ^ {2} r_ {geos} = ma = m {\ frac {M_ {T} G} {{r_ {geos}} ^ {2}}}}

m {\ omega} ^ {2} r _ {{geos}} = ma = m {\ frac {M_ {T} G} {{r _ {{geos}}} ^ {2}}}

Dacă valoarea lui G și a masei pământului nu este disponibilă, se poate scrie alternativ ultima expresie în funcție de accelerația gravitațională a pământului la suprafața pământului și a razei Pământului :

m{\frac {M_{T}G}{R_{T}^{2}}}{\frac {R_{T}^{2}}{{r_{geos}}^{2}}}=mg{\frac {R_{T}^{2}}{{r_{geos}}^{2}}}

{\ displaystyle m {\ frac {M_ {T} G} {R_ {T} ^ {2}}} {\ frac {R_ {T} ^ {2}} {{r_ {geos}} ^ {2}} } = mg {\ frac {R_ {T} ^ {2}} {{r_ {geos}} ^ {2}}}}

m {\ frac {M_ {T} G} {R_ {T} ^ {2}}} {\ frac {R_ {T} ^ {2}} {{r _ {{geos}}} ^ {2}} } = mg {\ frac {R_ {T} ^ {2}} {{r _ {{geos}}} ^ {2}}}

fiind g = 9.80665 m / s² accelerația gravitațională a pământului la suprafață, $R_{T}\approx$ ${\ displaystyle R_ {T} \ approx}$ $R_ {T} \ aprox$ 6 378 km raza Pământului e $\omega =2\pi /T_{rot}$ ${\ displaystyle \ omega = 2 \ pi / T_ {rot}}$ $\ omega = 2 \ pi / T _ {{rot}}$ = 7.2921 × 10 ⁻⁵ s ⁻¹ viteza unghiulară a rotației pământului .
Rezolvând găsim:

r_{geos}={\sqrt[{3}]{\frac {M_{T}G}{\omega ^{2}}}}={\sqrt[{3}]{\frac {gR_{T}^{2}}{\omega ^{2}}}}

{\ displaystyle r_ {geos} = {\ sqrt [{3}] {\ frac {M_ {T} G} {\ omega ^ {2}}}} = {\ sqrt [{3}] {\ frac {gR_ {T} ^ {2}} {\ omega ^ {2}}}}}

r _ {{geos}} = {\ sqrt [{3}] {{\ frac {M_ {T} G} {\ omega ^ {2}}}}} = {\ sqrt [{3}] {{\ frac {gR_ {T} ^ {2}} {\ omega ^ {2}}}}}

Orbita geostaționară are deci o rază de 42 168 km , egal cu aprox 6,6 r _⊕ . Deoarece raza orbitei este măsurată de la centrul planetei și raza medie a Pământului este de aproximativ 6 371 km, orbita geostaționară este situată la aproximativ 36 000 km deasupra suprafeței Pământului.

Sateliți geostaționari

Punctele verzi și maronii sunt întotdeauna în linie cu centrul pământului pe o orbită geostaționară

Altitudinea orbitei geostaționare este fixă și derivă din faptul că orbitele la diferite altitudini au perioade diferite de revoluție , din ce în ce mai lungi pe măsură ce ne îndepărtăm de planetă. Orbita cu o perioadă de revoluție de 23 ore, 56 minute și 4,09 secunde (o zi siderală ) se află la o altitudine de 35 790 km și un satelit care trece prin el se mișcă cu aprox 3 km / s , egal cu 11 000 km / h . Pentru orice observator de la sol este ca și cum satelitul ar fi întotdeauna staționar în aceeași poziție unghiulară care depinde de longitudinea și latitudinea poziției observatorului; de aici și expresia geostationary referită la satelit și geostationary referită la orbită.

Orbita geostaționară este foarte căutată pentru un număr de sateliți artificiali , de exemplu pentru telecomunicații și prognozele meteo; pe de altă parte, sateliții spion ocupă de obicei o orbită mult mai aproape de pământ pentru a obține imagini cu rezoluție suficientă. Datorită aglomerării, orbita este împărțită în bucăți mici și se ține cont de care sunt libere și care sunt ocupate; după câțiva ani, la sfârșitul vieții sale operaționale, un satelit trebuie să-și părăsească locul deplasându-se pe o orbită superioară sau inferioară.

Zona suprafeței terestre observabilă de pe orbita geostaționară

Un satelit plasat pe această orbită poate observa aproape o întreagă emisferă terestră, deoarece lățimea orizontului său este echivalentă cu un cerc cu un diametru de aproximativ 11 500 km centrat pe ecuator . Această dimensiune corespunde cu 81,4 grade de latitudine sau longitudine în fiecare direcție.

Pluto și Caron

Caronul , satelitul lui Pluton , are o orbită izosincronă față de planeta sa. De asemenea, are o orbită sincronă , ceea ce înseamnă că un observator ipotetic de pe suprafața planetară a lui Pluto nu numai că ar vedea pe Caron nemișcat pe cer, dar ar vedea și întotdeauna aceeași față. În mod evident, același lucru s-ar întâmpla și atunci când privim de la satelit spre planetă.

În cazul sistemului pământ-lună, situația este diferită: Luna arată întotdeauna aceeași față față de Pământ, dar poziția sa pe cer nu este fixă, deoarece luna nu se află pe o orbită geostaționară.

Telecomunicații

Comunicațiile care utilizează un satelit geostaționar suferă o întârziere deloc neglijabilă din cauza distanței mari pe care semnalul electromagnetic trebuie să o parcurgă de la stația terestră la satelit și înapoi. Acest timp este de aproximativ un sfert de secundă. Pentru a o calcula exact, se poate utiliza teorema cosinusului ; de exemplu, dacă o stație terestră este situată la o latitudine de φ = ± 45 °, pe același meridian cu satelitul, întârzierea suferită de semnal este egală cu:

2{\frac {\sqrt {{r_{geos}}^{2}+R_{T}^{2}-2r_{geos}R_{T}\cos \varphi }}{c}}\approx 253\,\mathrm {ms}

{\ displaystyle 2 {\ frac {\ sqrt {{r_ {geos}} ^ {2} + R_ {T} ^ {2} -2r_ {geos} R_ {T} \ cos \ varphi}} {c}} \ aproximativ 253 \, \ mathrm {ms}}

2 {\ frac {{\ sqrt {{r _ {{geos}}} ^ {2} + R_ {T} ^ {2} -2r _ {{geos}} R_ {T} \ cos \ varphi}}} c} \ approx 253 \, {\ mathrm {ms}}

c fiind viteza luminii . Pentru unele aplicații, cum ar fi telefonia și jocurile interactive de realitate , această întârziere nu este neglijabilă și determină performanțe mai slabe decât cele ale canalelor de comunicații terestre. Primele sisteme de telefonie bazate pe sateliți geostaționari au fost afectați enervant de efectul de ecou care a rezultat; primele supresoare de ecou datează din anii șaptezeci și în timp au fost dezvoltate tehnici care au eliminat efectele negative introduse de o întârziere atât de lungă ( optzeci ).

Un satelit geostaționar oferă acoperirea a aproximativ o treime din suprafața pământului. Trei sateliți GEO distanțați la 120 ° pot acoperi întreaga suprafață a globului, excluzând latitudinile mari. Spre deosebire de rețelele de satelit mai moderne pe orbită joasă, constelațiile geostaționare necesită un număr mic de sateliți, dar suferă o întârziere puternică de propagare, iar terminalele terestre necesită puteri mai mari și antene mai mari.

Transmisie TV

Transmisiile de televiziune prin satelit utilizează sateliți geostaționari care permit utilizatorilor să utilizeze antene cu indicare fixă simple.

Notă

^ Relee extra-terestre - Pot stațiile de rachete să ofere acoperire radio la nivel mondial? - Lumea fără fir din 1945
^ Karl-Heinz Bockstiegel și Marietta Benko, Drept spațial: documente juridice de bază .

Bibliografie

( EN ) Brij N. Agrawal, Design of Geosynchronous Spacecraft , Englewood Cliffs, NJ, Prentice-Hall Inc., 1986, ISBN 0-13-200114-4 .
( EN ) Jehangir J. Pocha, An Introduction to Mission Design for Geostationary Satellites , Springer Science & Business Media, 2012, ISBN 9789400938571 .

Elemente conexe

linkuri externe

( EN )Orbită geostaționară , în Encyclopedia Britannica , Encyclopædia Britannica, Inc.
( RO ) Calculul parametrilor orbitei , pe hyperphysics.phy-astr.gsu.edu .

Portalul astronauticii : accesați intrările Wikipedia care se ocupă de astronautică

[1] Relee extra-terestre - Pot stațiile de rachete să ofere acoperire radio la nivel mondial? - Lumea fără fir din 1945

[2] Karl-Heinz Bockstiegel și Marietta Benko, Drept spațial: documente juridice de bază .

[1]

[2]