Геосинхронная орбита

Геосинхронная орбита — это орбита искусственного спутника Земли, период обращения по которой равен звёздным суткам Земли (примерно 23 часа 56 минут 4 секунды). Спутник на такой орбите совершает полный оборот вокруг планеты за то же время, за которое Земля делает один оборот вокруг своей оси. В результате для наблюдателя на поверхности Земли спутник в течение суток описывает на небе определённую траекторию, возвращаясь в исходную точку в одно и то же время каждый день. Частным случаем геосинхронной орбиты является геостационарная орбита (ГСО), которая лежит в плоскости экватора и имеет нулевое наклонение.

История

Идея использования орбит с периодом, равным земным суткам, впервые была предложена в 1920-х годах словенским инженером Германом Поточником (псевдоним Герман Ноордунг). В 1945 году британский писатель-фантаст и учёный Артур Кларк в статье «Внеземные ретрансляторы» (журнал Wireless World) детально описал концепцию геостационарной орбиты для глобальной системы связи. Кларк предложил разместить на высоте около 35 786 км три спутника, равномерно распределённых по экватору, что позволило бы обеспечить покрытие всей планеты, за исключением полярных областей.

Первый искусственный спутник, выведенный на геосинхронную орбиту, — американский спутник связи «Syncom 2» (запущен 26 июля 1963 года). Он имел наклонение орбиты 33°, что делало его геосинхронным, но не геостационарным. Первый геостационарный спутник — «Syncom 3» (запущен 19 августа 1964 года) — был использован для трансляции Олимпийских игр в Токио.

Характеристики

Орбитальные параметры

Основные параметры геосинхронной орбиты:

• Период обращения: 23 ч 56 мин 4,09 с (звёздные сутки).
• Большая полуось: около 42 164 км (от центра Земли). Высота над поверхностью при круговой орбите — примерно 35 786 км.
• Эксцентриситет: может варьироваться от 0 (круговая орбита) до значений, при которых орбита становится эллиптической. Для геостационарной орбиты эксцентриситет обычно близок к нулю.
• Наклонение: для геостационарной орбиты — 0° (плоскость совпадает с экватором). Для геосинхронных орбит с ненулевым наклонением (например, 63,4° — так называемая «орбита «Молния») спутник движется по траектории, напоминающей восьмёрку на небесной сфере.

Виды геосинхронных орбит

Геосинхронные орбиты делятся на несколько типов в зависимости от наклонения и формы:

• Геостационарная орбита (ГСО): круговая орбита с нулевым наклонением. Спутник неподвижен относительно точки на экваторе. Используется для связи, телевещания, метеорологии.
• Наклонная геосинхронная орбита: орбита с ненулевым наклонением. Спутник в течение суток смещается к северу и югу от экватора. Пример — орбиты спутников системы «Молния» (наклонение 63,4°), используемые для обеспечения связи в высоких широтах.
• Эллиптическая геосинхронная орбита: орбита с эксцентриситетом >0. Перигей может находиться на низкой высоте, апогей — на высоте ГСО. Такие орбиты применяются для спутников, которые должны длительное время находиться над определённым регионом (например, «Тундра»).

Применение

Связь и телевещание

Геосинхронные спутники — основа глобальных систем связи. Спутник на ГСО «висит» над одной точкой, что позволяет использовать неподвижные антенны на Земле. Это упрощает наземную инфраструктуру. Примеры: спутники Intelsat, Eutelsat, российские «Экспресс», «Ямал». Телевещание (спутниковое телевидение) также использует ГСО — например, спутники «Горизонт», «Экран».

Метеорология

Геостационарные метеоспутники (например, GOES (США), Meteosat (Европа), «Электро-Л» (Россия)) непрерывно наблюдают за одним и тем же полушарием Земли, обеспечивая получение снимков облачности, измерение температуры поверхности и атмосферы, мониторинг ураганов и тайфунов.

Навигация

Хотя спутники глобальных навигационных систем (GPS, ГЛОНАСС) находятся на средних околоземных орбитах, геосинхронные спутники используются в системах дифференциальной коррекции (например, WAAS, EGNOS, «СДКМ»). Они передают поправки для повышения точности навигации.

Военные и разведывательные задачи

Геосинхронные спутники применяются для раннего предупреждения о ракетном нападении (например, американская система SBIRS, российская система «Купол»), а также для радиотехнической разведки и связи.

Преимущества и недостатки

Преимущества

• Постоянная видимость спутника из заданной зоны (для ГСО — из почти половины земного шара).
• Неподвижная антенна на Земле (не требуется слежения за спутником).
• Возможность непрерывного мониторинга одного региона.

Недостатки

• Задержка сигнала: из-за высоты в 35 786 км время прохождения сигнала до спутника и обратно составляет около 0,24 секунды (для геостационарного спутника). Это создаёт заметную задержку в голосовой связи и делает невозможным использование для некоторых приложений реального времени (например, онлайн-игр).
• Полярные «мёртвые зоны»: спутники на ГСО плохо видны в приполярных областях (выше 70° широты). Для связи в Арктике и Антарктике используются наклонные геосинхронные орбиты (например, «Молния»).
• Сложность выведения: требуется мощная ракета-носитель для доставки спутника на высокую орбиту.
• Ограниченное количество точек стояния: на геостационарной орбите спутники должны быть разнесены по долготе, чтобы не создавать помех. Наиболее востребованные позиции (например, над Атлантикой, Индийским океаном) заняты.

Проблема космического мусора

Геосинхронная орбита, особенно её геостационарный сегмент, является ценным ресурсом. Из-за высокой плотности спутников и отработанных ступеней ракет возникает риск столкновений. Международные организации (МСЭ, IADC) разрабатывают правила по утилизации спутников в конце срока службы: их переводят на орбиту захоронения (на 200–300 км выше ГСО), чтобы освободить рабочую орбиту.

Правовой статус

Геостационарная орбита не является суверенной территорией какого-либо государства. Согласно Договору по космосу 1967 года, космическое пространство, включая Луну и другие небесные тела, не подлежит национальному присвоению. Однако орбитальные позиции на ГСО распределяются Международным союзом электросвязи (МСЭ) на основе заявок стран. Россия, как и другие государства, имеет закреплённые за ней позиции (например, 14° з.д., 36° в.д., 56° в.д., 80° в.д. и другие).

Интересные факты

• Орбита, на которой спутник движется синхронно с вращением Земли, называется «орбитой Кларка» в честь Артура Кларка.
• Геостационарная орбита находится на высоте, где гравитационное притяжение Земли и центробежная сила уравновешиваются. Это так называемая «точка Лагранжа L1» системы Земля-Солнце? Нет, это неверно. ГСО — это просто круговая орбита, где период обращения совпадает с периодом вращения Земли.
• Первый российский геостационарный спутник связи — «Радуга» (запущен в 1975 году).
• Спутники на ГСО видны невооружённым глазом как слабые звёзды, если они находятся в зените и освещены Солнцем.

Источники

• Артур Кларк. «Внеземные ретрансляторы» (1945).
• Основы космической техники / Под ред. В. П. Мишина. — М.: Машиностроение, 1985.
• Рекомендации МСЭ-R S.1003-2. «Характеристики геостационарных спутниковых систем».
• Договор о принципах деятельности государств по исследованию и использованию космического пространства, включая Луну и другие небесные тела (1967).
• Данные о спутниках на сайте Госкорпорации «Роскосмос» (раздел «Спутниковая связь»).