Геостационарная орбита

Геостационарная орбита (ГСО) — это круговая орбита, расположенная в плоскости земного экватора на высоте приблизительно 35 786 километров над уровнем моря, на которой период обращения спутника вокруг Земли равен периоду вращения Земли вокруг своей оси (23 часа 56 минут 4,09 секунды). Спутник на такой орбите кажется неподвижным относительно точки на поверхности Земли, что делает ГСО особенно ценной для телекоммуникаций, метеорологии и наблюдения.

Основные характеристики

Геостационарная орбита является частным случаем геосинхронной орбиты. Для того чтобы спутник оставался неподвижным относительно земной поверхности, необходимо соблюдение трёх условий:

• Круговая форма: орбита должна быть строго круговой (эксцентриситет равен нулю), иначе спутник будет смещаться по широте.
• Экваториальное расположение: наклонение орбиты должно быть равно нулю, то есть плоскость орбиты совпадает с плоскостью земного экватора.
• Период обращения: ровно одни звёздные сутки (23 ч 56 мин 4 с).

Высота ГСО рассчитывается из третьего закона Кеплера и гравитационной постоянной Земли. При массе Земли \(5,97 \times 10^{24}\) кг и гравитационной постоянной \(G = 6,674 \times 10^{-11} \, \text{м}^3 \text{кг}^{-1} \text{с}^{-2}\) радиус орбиты (расстояние от центра Земли) составляет около 42 164 км. Вычитая средний радиус Земли (6371 км), получаем высоту над поверхностью ~35 786 км.

Скорость движения спутника на ГСО составляет примерно 3,07 км/с (около 11 052 км/ч). Это значительно меньше первой космической скорости (7,9 км/с), что объясняется большим радиусом орбиты.

История

Идея использования геостационарной орбиты для связи впервые была предложена в 1945 году писателем-фантастом и учёным Артуром Кларком в статье «Внеземные ретрансляторы» (журнал Wireless World). Кларк описал систему из трёх спутников на геостационарной орбите, способных обеспечить глобальное радиовещание. Однако техническая реализация стала возможной лишь с развитием ракетной техники.

Первый искусственный спутник, выведенный на геостационарную орбиту, — американский «Syncom-2» (запущен 26 июля 1963 года). Он имел наклонение около 33°, поэтому не был строго геостационарным, а лишь геосинхронным. Первым полностью геостационарным спутником стал «Syncom-3», запущенный 19 августа 1964 года. Он использовался для трансляции Олимпийских игр в Токио.

В 1965 году СССР запустил спутники связи «Молния-1» на высокоэллиптическую орбиту, так как геостационарная орбита была менее доступна из-за географического положения страны (высокие широты). Первый советский геостационарный спутник «Радуга» (система «Горизонт») был запущен в 1975 году.

Размещение и управление

Зона геостационарной орбиты

ГСО представляет собой узкое кольцо в экваториальной плоскости. Из-за гравитационных возмущений (влияние Луны, Солнца, неоднородности гравитационного поля Земли) спутники дрейфуют. Для поддержания точного положения используются двигатели коррекции. Без коррекции спутник смещается на 0,85° в год по долготе.

Спутники на ГСО размещаются на определённых долготах (орбитальных позициях). Каждой позиции соответствует дуга в 0,1–0,5° (в зависимости от точности удержания). Международный союз электросвязи (МСЭ) координирует распределение орбитальных позиций и частот. Всего на ГСО может разместиться около 1800 спутников с учётом минимального углового разноса 0,1°.

Запуск

Вывод спутника на ГСО требует значительных энергетических затрат. Обычно используется схема с переходной геопереходной орбитой (ГПО): спутник сначала выводится на эллиптическую орбиту с апогеем на высоте ГСО, а затем собственным двигателем доразгоняется до круговой. Для этого требуется характеристическая скорость около 1,5 км/с (для апогейного двигателя). Ракеты-носители, способные выводить полезную нагрузку на ГСО, относятся к тяжёлому классу (например, «Протон-М», «Falcon 9», «Ариан-5»).

Применение

Спутниковая связь

Главное применение ГСО — телекоммуникационные спутники. Один спутник на ГСО может «видеть» около трети земной поверхности (зона покрытия — до 42% поверхности). Три спутника, разнесённые на 120°, обеспечивают глобальное покрытие, кроме приполярных областей (выше 81° широты). Спутники на ГСО используются для:

• Телевещания (непосредственное спутниковое телевидение, например, «Триколор ТВ» в России).
• Телефонной связи (в том числе для морских и авиационных судов).
• Доступа в Интернет (системы VSAT, спутниковый интернет Starlink — не использует ГСО, а работает на низких орбитах).

Преимущество ГСО для связи — отсутствие необходимости в поворотных антеннах (антенна на земле направлена на неподвижную точку). Недостаток — большая задержка сигнала (время прохождения сигнала до спутника и обратно составляет около 0,24 секунды, что заметно при голосовой связи и в онлайн-играх).

Метеорология

Геостационарные метеоспутники (например, GOES (США), «Электро-Л» (Россия), Himawari (Япония)) ведут непрерывное наблюдение за облачностью, температурой поверхности, влажностью. Они позволяют отслеживать движение циклонов, ураганов и других погодных явлений в реальном времени. Снимки делаются каждые 10–30 минут.

Навигация

Хотя основные навигационные системы (GPS, ГЛОНАСС) используют средневысотные орбиты, геостационарные спутники применяются как дополнительные (например, спутники системы SBAS — EGNOS в Европе, WAAS в США). Они передают корректирующие сигналы для повышения точности.

Военное применение

ГСО используется для спутников-шпионов (оптическая и радиолокационная разведка), спутников раннего предупреждения о ракетном нападении (например, американская система SBIRS), а также для защищённой военной связи (спутники «Меридиан» в России, Milstar в США).

Ограничения и проблемы

Задержка сигнала

Из-за расстояния ~72 000 км (вверх и вниз) задержка составляет 240–280 мс. Для голосовой связи это вызывает эхо, для протоколов TCP/IP — снижение пропускной способности. Для решения применяются спутниковые модемы с большими буферами и специальные настройки протоколов.

Уязвимость

ГСО — ограниченный ресурс. Орбитальные позиции и частоты распределяются МСЭ, но возникают споры (например, между странами экваториальной зоны, которые претендуют на «суверенитет» над участками ГСО над своей территорией — Боготинская декларация 1976 года, не признанная международным сообществом).

Космический мусор

На ГСО находится около 500 действующих спутников и несколько тысяч объектов мусора (отработанные ступени, вышедшие из строя аппараты). Из-за отсутствия атмосферы мусор остаётся на орбите практически вечно. Столкновение может создать каскадный эффект (синдром Кесслера). Для утилизации спутники переводят на орбиту захоронения (на 200–300 км выше ГСО).

Солнечная интерференция

Дважды в год (весной и осенью) Солнце оказывается точно за спутником относительно Земли. Мощное радиоизлучение Солнца заглушает сигнал спутника на несколько минут в день в течение 1–2 недель. Операторы заранее планируют перерывы в работе.

Перспективы

Развитие ГСО связано с появлением спутников нового поколения с высокой пропускной способностью (HTS — High Throughput Satellite). Например, российские спутники «Ямал-401» и «Экспресс-АМУ» обеспечивают скорость до нескольких гигабит в секунду. Также ведутся работы по созданию спутниковых группировок на низких орбитах (Starlink, OneWeb), которые частично вытесняют ГСО в сегменте широкополосного доступа, но ГСО остаётся незаменимой для вещания и фиксированной связи.

Интересные факты

• Орбита Артура Кларка — неофициальное название геостационарной орбиты в честь её предсказателя.
• На ГСО находится кладбище спутников — зона захоронения на высоте ~36 100 км, куда переводят отработавшие аппараты.
• Первый в мире геостационарный спутник Syncom-3 до сих пор находится на орбите, хотя не работает.
• В 2017 году на ГСО был запущен спутник «Ангосат-1» (Ангола) — первый африканский геостационарный спутник.

Источники

• Артур Кларк, «Внеземные ретрансляторы», Wireless World, 1945.
• «Основы космической техники» под ред. В. П. Легостаева, 2010.
• Данные Международного союза электросвязи (ITU) по распределению орбитальных позиций.
• «Спутниковая связь и вещание» — учебник для вузов, 2015.
• Материалы Роскосмоса о спутниках «Электро-Л» и «Ямал».