Средняя околоземная орбита

Средняя околоземная орбита (СОО, англ. Medium Earth Orbit, MEO) — это область космического пространства вокруг Земли, расположенная между низкой околоземной орбитой (НОО) и геостационарной орбитой (ГСО). В соответствии с общепринятой классификацией, к средней околоземной орбите относят орбиты с высотой от 2000 до 35 786 километров над уровнем моря. Данный диапазон характеризуется особыми физическими условиями, существенно отличающимися от условий на низких и высоких орбитах, что определяет его специфическое применение, в первую очередь — для навигационных спутниковых систем и спутниковой связи.

Определение и границы

Чёткое определение границ средней околоземной орбиты не является универсальным и может варьироваться в зависимости от контекста. Наиболее распространённым является диапазон высот от 2000 км до 35 786 км. Нижняя граница (2000 км) отделяет СОО от низкой околоземной орбиты. Выше 2000 км заметно снижается влияние атмосферного торможения, что позволяет спутникам находиться на орбите значительно дольше без необходимости коррекции высоты. Верхняя граница (35 786 км) соответствует высоте геостационарной орбиты, на которой период обращения спутника равен звёздным суткам Земли (23 часа 56 минут 4 секунды). Орбиты, расположенные выше ГСО, относятся к высокой околоземной орбите (ВОО).

В некоторых классификациях, особенно в западной литературе, среднюю орбиту определяют как диапазон от 10 000 до 20 000 км, что связано с практическим использованием именно этого участка для навигационных систем. Однако в российской космонавтике и астрономии более распространён широкий диапазон 2000–35 786 км.

Физические характеристики

Радиационная обстановка

Одной из ключевых особенностей средней околоземной орбиты является прохождение через внутренний радиационный пояс Ван Аллена. Этот пояс, состоящий в основном из протонов высоких энергий, представляет серьёзную опасность для электроники космических аппаратов и экипажа (при пилотируемых полётах, которые на СОО не осуществлялись). Наиболее интенсивное излучение наблюдается на высотах от 2000 до 12 000 км. Для снижения радиационного воздействия спутники на СОО требуют усиленной радиационной защиты бортовой аппаратуры и применения специальных радиационно-стойких компонентов.

Период обращения

Период обращения спутника на средней орбите варьируется в широких пределах. На высоте 2000 км он составляет около 127 минут, а на высоте 20 000 км — около 12 часов. На высоте 35 786 км период достигает 24 часов (геосинхронная орбита). Именно период обращения около 12 часов является наиболее востребованным для навигационных систем, так как обеспечивает оптимальное сочетание зоны покрытия и частоты пролёта над заданной точкой земной поверхности.

Гравитационные возмущения

На средних орбитах гравитационное поле Земли оказывает меньшее влияние, чем на низких, но остаётся значимым. Основными возмущающими факторами являются несферичность Земли (её сжатие у полюсов) и гравитационное воздействие Луны и Солнца. Эти возмущения приводят к медленному изменению параметров орбиты (прецессии линии узлов и повороту линии апсид), что требует периодических коррекций для поддержания заданной орбитальной конфигурации.

Классификация и типы орбит

Круговая орбита (MEO)

Наиболее распространённый тип орбиты в диапазоне СОО. Спутники движутся по окружности с постоянной высотой и скоростью. Круговые орбиты используются для большинства навигационных и коммуникационных спутниковых группировок.

Эллиптическая орбита (HEO)

В некоторых случаях используются эллиптические орбиты с высокой степенью вытянутости, апогей которых может находиться в диапазоне СОО, а перигей — на низкой орбите. Примером является орбита «Молния» (высокоэллиптическая орбита с апогеем около 40 000 км и перигеем около 500 км), используемая для связи в высоких широтах. Однако такие орбиты формально пересекают несколько зон (НОО, СОО, ВОО).

Геосинхронная орбита (GSO)

Орбита с периодом обращения, равным звёздным суткам Земли (24 часа). Высота геосинхронной орбиты составляет 35 786 км. Она является верхней границей СОО. Частным случаем геосинхронной орбиты является геостационарная орбита (GEO), которая является круговой и лежит в плоскости экватора. Спутник на GEO неподвижен относительно точки на поверхности Земли.

Применение

Навигационные спутниковые системы

Средняя околоземная орбита является основной рабочей орбитой для глобальных навигационных спутниковых систем (ГНСС). К ним относятся:

• ГЛОНАСС (Россия) — высота орбиты около 19 100 км, период обращения 11 часов 15 минут. Система использует 24 спутника в трёх орбитальных плоскостях.
• GPS (США) — высота орбиты около 20 200 км, период обращения 11 часов 58 минут. Система использует 31 спутник в шести орбитальных плоскостях.
• BeiDou (Китай) — часть спутников системы (BeiDou-2 и BeiDou-3) размещена на СОО на высоте около 21 500 км.
• Galileo (Европейский союз) — высота орбиты около 23 222 км, период обращения 14 часов 4 минуты.

Выбор высоты около 20 000 км обусловлен компромиссом: спутники находятся достаточно высоко для обеспечения широкой зоны покрытия (каждый спутник виден примерно с трети поверхности Земли), но при этом сигнал не слишком ослаблен, как с геостационарной орбиты. Орбитальный период около 12 часов обеспечивает повторяемость геометрии созвездия каждые 24 часа, что упрощает навигационные алгоритмы.

Спутниковая связь

Средняя орбита используется для некоторых систем спутниковой связи, особенно для обеспечения глобального покрытия в средних и высоких широтах, где геостационарные спутники видны под низким углом. Примером является система O3b (ныне часть SES), которая работает на высоте около 8062 км. Спутники на СОО обеспечивают меньшую задержку сигнала (латентность) по сравнению с геостационарными (около 40–50 мс против 250–600 мс), что критично для голосовой связи и интерактивных приложений. Однако для полного глобального покрытия требуется большее количество спутников, чем на ГСО, но меньшее, чем на НОО.

Научные исследования

Средняя орбита используется для некоторых научных миссий, в частности для изучения радиационных поясов Земли, магнитосферы и космической погоды. Спутники, движущиеся по СОО, пересекают внутренний радиационный пояс, что позволяет проводить прямые измерения потоков энергичных частиц. Примером является миссия Van Allen Probes (NASA, 2012–2019), которая исследовала радиационные пояса на высокоэллиптических орбитах, проходящих через СОО.

Преимущества и недостатки

Преимущества

• Широкая зона покрытия: один спутник на СОО виден с большей части поверхности Земли, чем спутник на НОО.
• Умеренная задержка сигнала: латентность значительно ниже, чем на геостационарной орбите, что делает СОО пригодной для голосовой связи и реального времени.
• Долговечность: из-за отсутствия атмосферного торможения спутники на СОО могут работать десятилетиями без существенного снижения высоты орбиты.
• Устойчивость к помехам: для навигационных систем СОО обеспечивает стабильную геометрию созвездия и высокую точность позиционирования.

Недостатки

• Радиационная опасность: прохождение через радиационные пояса требует усиленной защиты электроники, что увеличивает массу и стоимость спутников.
• Сложность выведения: для вывода спутника на СОО требуется больше энергии, чем на НОО, что увеличивает стоимость запуска.
• Стоимость инфраструктуры: для обеспечения глобального покрытия требуется больше спутников, чем на ГСО, но меньше, чем на НОО.
• Утилизация: после окончания срока службы спутники на СОО остаются на орбите на длительное время (сотни и тысячи лет), что создаёт проблему космического мусора. Для снижения рисков применяются манёвры увода на орбиту захоронения (выше ГСО) или на орбиту с ограниченным сроком существования.

Интересные факты

• Первые спутники на СОО: Первым искусственным спутником Земли, вышедшим на среднюю орбиту, стал советский «Луна-1» (1959 год), который был выведен на траекторию к Луне, проходящую через СОО. Однако первым целенаправленно выведенным на СОО спутником считается американский «Explorer 6» (1959 год), который работал на высокоэллиптической орбите с апогеем около 42 000 км.
• Спутники-шпионы: Некоторые разведывательные спутники США (например, серия «Misty») предположительно работают на средних орбитах, что позволяет им сочетать широкий обзор с достаточным разрешением.
• Связь с полярными регионами: Спутники на СОО (например, системы «Молния» и «O3b») обеспечивают надёжную связь в Арктике и Антарктике, где геостационарные спутники видны низко над горизонтом или не видны вовсе.
• Космический мусор: На средних орбитах находится значительно меньше космического мусора, чем на низких, но каждый фрагмент представляет большую опасность из-за высокой скорости столкновения (до 7–8 км/с). Крупные объекты на СОО (например, отработавшие спутники ГЛОНАСС и GPS) могут оставаться на орбите тысячи лет.

Источники

• «Основы космической баллистики» (В. И. Левантовский, 1970)
• «Космонавтика: Энциклопедия» (под ред. В. П. Глушко, 1985)
• «Orbital Mechanics» (J. E. Prussing, B. A. Conway, 2013)
• «Space Mission Analysis and Design» (J. R. Wertz, W. J. Larson, 1999)
• Материалы Роскосмоса (раздел «Орбиты космических аппаратов»)
• Данные Международного союза электросвязи (ITU) по спутниковым системам