مدار زمین ثابت (GSO). "ماهواره عکاسی"

یک مدار ماهواره ای بسیار محبوب، مدار زمین ثابت است. برای میزبانی بسیاری از انواع ماهواره ها از جمله ماهواره های پخش مستقیم، ماهواره های ارتباطی و سیستم های رله استفاده می شود.

مزیت مدار زمین ثابت این است که ماهواره واقع در آن به طور مداوم در همان موقعیت قرار دارد که به شما امکان می دهد یک آنتن ثابت ایستگاه زمینی را به سمت آن نشانه بگیرید.

همچنین بخوانید:

این عامل برای سیستم هایی مانند پخش مستقیم از طریق ماهواره، که در آن استفاده از آنتن دائماً در حال حرکت به دنبال ماهواره بسیار غیرعملی است، بسیار مهم است.

در استفاده از اختصارات برای مدار زمین ثابت باید دقت شود. ممکن است با اختصارات GEO و GSO برخورد کنیم و هر دو برای اشاره به مدار زمین ثابت و ژئوسنکرون استفاده می شوند.

توسعه مدارهای زمین ثابت

ایده هایی در مورد امکان استفاده از مدار زمین ثابت برای قرار دادن ماهواره ها در طول سال ها مطرح شده است. نظریه پرداز روسی و نویسنده داستان های علمی تخیلی کنستانتین تسیولکوفسکی اغلب به عنوان نویسنده احتمالی مفاد زیربنایی این ایده ذکر می شود. با این حال، برای اولین بار، هرمان اوبرث و هرمان پوتوچنیک در مورد امکان قرار دادن فضاپیما در ارتفاع 35900 کیلومتری از زمین با دوره گردش 24 ساعت نوشتند و به آنها این فرصت را می دهد که در یک نقطه از خط استوا شناور شوند. .

بعد گام مهمدر مسیر تولد مدار زمین ثابت در اکتبر 1945، زمانی که نویسنده علمی تخیلی آرتور چارلز کلارک مقاله مهمی را برای Wireless World، نشریه رادیویی و الکترونیکی بریتانیا، نوشت. عنوان مقاله «ارتباط رله فرازمینی: آیا موشک‌های فضایی می‌توانند پوشش سیگنالی را برای کل جهان فراهم کنند؟» بود.

کلارک تلاش کرد تا آنچه را که قبلاً ممکن بود از طریق استفاده از فناوری موشکی موجود که در آن زمان توسط دانشمندان آلمانی توسعه یافته بود، به آنچه ممکن است در آینده امکان پذیر شود، تعمیم دهد. او امکان پوشاندن کل زمین را با سیگنال تنها با استفاده از سه ماهواره زمین ثابت پیشنهاد کرد.

کلارک در مقاله خود مشخصات مورد نیاز مدار و همچنین سطوح توان فرستنده ها، امکان تولید برق با استفاده از صفحات خورشیدی را مشخص کرده و حتی تاثیر احتمالی خورشید گرفتگی را محاسبه کرده است.

مقاله کلارک بسیار جلوتر از زمان خود بود. تنها در سال 1963، ناسا توانست ماهواره هایی را به فضا پرتاب کند که بتوانند این نظریه را در عمل آزمایش کنند. اولین ماهواره تمام عیار که قادر به شروع آزمایشات عملی نظریه کلارک بود، ماهواره Syncom 2 بود که در 26 ژوئیه 1963 پرتاب شد (در حقیقت، ماهواره Syncom 2 نمی توانست این کار را انجام دهد، زیرا نمی توانست به مدار زمین ثابت مورد نیاز تحویل داده شود. ).

مبانی نظریه مدار زمین ساکن

با افزایش ارتفاع مداری که ماهواره در آن قرار دارد، دوره چرخش آن در این مدار نیز افزایش می یابد. در ارتفاع 35790 کیلومتری از زمین، این ماهواره 24 ساعت طول می کشد تا به دور سیاره بچرخد. چنین مداری به عنوان geosynchronous شناخته می شود، زیرا با دوره چرخش زمین به دور محور خود هماهنگ است.

یک مورد خاص از مدار ژئوسنکرون، مدار زمین ثابت است. هنگام استفاده از چنین مداری، جهت حرکت ماهواره به دور زمین مطابق با جهت چرخش خود سیاره است و دوره چرخش فضاپیما تقریباً برابر با 24 ساعت است. این بدان معناست که ماهواره با همان سرعت زاویه ای زمین، در یک جهت می چرخد و بنابراین، نسبت به سطح سیاره دائماً در همان نقطه است.

همچنین بخوانید:

برای اطمینان از اینکه ماهواره با همان سرعتی که خود سیاره حول محور خود می چرخد، به دور زمین می چرخد، باید به وضوح درک کرد که دوره چرخش زمین به دور محور خود در واقع چقدر است. اکثر دستگاه‌های زمان‌سنج دور زمین را نسبت به موقعیت فعلی خورشید اندازه‌گیری می‌کنند و چرخش زمین حول محور آن، همراه با چرخش آن به دور خورشید، طول روز را نشان می‌دهد. با این حال، این دوره از انقلاب زمین اصلاً مورد علاقه ما نیست از نظر محاسبه مدار زمین ثابت - زمان لازم برای یک چرخش کامل. این بازه زمانی به عنوان روز غیر طبیعی شناخته می شود که 23 ساعت و 56 دقیقه و 4 ثانیه طول می کشد.

قوانین هندسه به ما می گویند که تنها گزینه برای یک ماهواره که همیشه بالای یک نقطه از سطح زمین باقی می ماند و هر روز یک دور می چرخد، این است که در همان جهتی بچرخد که خود زمین در آن می چرخد. علاوه بر این، ماهواره نباید در مدار خود به سمت شمال یا جنوب حرکت کند. همه اینها تنها در صورتی امکان پذیر است که مدار ماهواره از خط استوا عبور کند.

نمودار نشان می دهد انواع مختلفمدارها از آنجایی که صفحه هر مداری باید از مرکز زمین عبور کند، شکل دو را نشان می دهد گزینه های ممکن. در این حالت، حتی اگر گردش فضاپیما در هر دو مدار با سرعتی برابر با سرعت چرخش زمین به دور محور آن انجام شود، مدار تعیین شده به عنوان "ژئوسنکرون" به مدت نیم روز نسبت به استوا به سمت شمال تغییر خواهد کرد. و نیمی از روز باقی مانده - به سمت جنوب و بنابراین ثابت نخواهد بود. برای اینکه یک ماهواره ثابت بماند، باید بالای استوا قرار گیرد.

رانش در مدار زمین ثابت

حتی اگر ماهواره در مدار زمین ثابت قرار داشته باشد، تحت تأثیر نیروهایی قرار می گیرد که می توانند به آرامی موقعیت خود را در طول زمان تغییر دهند.

عواملی مانند شکل بیضوی زمین، جاذبه خورشید و ماه و تعدادی دیگر، پتانسیل انحراف ماهواره از مدار خود را افزایش می دهند. به ویژه، شکل نه چندان گرد زمین در نزدیکی استوا منجر به این واقعیت می شود که ماهواره به دو نقطه تعادل پایدار جذب می شود - یکی از آنها در بالای اقیانوس هند قرار دارد و دومی تقریباً در طرف مقابل قرار دارد. زمین. در نتیجه پدیده ای به نام لیبراسیون از شرق به غرب یا حرکت رفت و برگشت به وجود می آید.

برای غلبه بر عواقب چنین حرکتی، ماهواره دارای مقدار مشخصی سوخت در هواپیما است که به آن اجازه می دهد "مانورهای پشتیبانی" را انجام دهد که دستگاه را به موقعیت دقیق مداری باز می گرداند. فاصله لازم بین زمان چنین "مانورهای تعمیر و نگهداری" مطابق با به اصطلاح تحمل انحراف ماهواره ای تعیین می شود که عمدتاً با در نظر گرفتن پهنای پرتو آنتن ایستگاه زمینی تنظیم می شود. این بدان معنی است که در عملکرد عادیماهواره نیازی به تنظیم آنتن ندارد.

همچنین بخوانید:

اغلب اوقات، دوره عملکرد فعال ماهواره از مقدار سوخت موجود در هواپیما محاسبه می شود که برای حفظ موقعیت ماهواره در یک موقعیت مداری ضروری است. اغلب، این دوره چندین سال است. پس از آن، ماهواره شروع به رانش در جهت یکی از نقاط تعادل می کند و پس از آن ممکن است فرود آید و متعاقبا وارد جو زمین شود. بنابراین، استفاده از آخرین سوخت موجود در هواپیما به منظور بالا بردن ماهواره به مدار بالاتر به منظور جلوگیری از تأثیر منفی احتمالی آن بر عملکرد فضاپیماهای دیگر، مطلوب است.

پوشش از مدار زمین ثابت

کاملاً واضح است که یک ماهواره زمین ایستا قادر به پوشش سیگنال کامل سطح زمین نیست. با این حال، هر ماهواره زمین ایستا تقریباً 42 درصد از سطح زمین را "می بیند" و پوشش به سمت ماهواره ای که نمی تواند سطح را "دیدن" کند کاهش می یابد. این اتفاق در اطراف استوا و همچنین به سمت مناطق قطبی رخ می دهد.

با قرار دادن یک صورت فلکی از سه ماهواره در فاصله مساوی از یکدیگر در مدار زمین ایستا، می توان پوشش سیگنالی از کل سطح زمین از خط استوا و تا 81 درجه شمالی و جنوبی را فراهم کرد.

کمبود پوشش در مناطق قطبی برای اکثر کاربران مشکلی نیست، اما نیاز به پوشش پایدار عرض های جغرافیایی قطبی مستلزم استفاده از ماهواره هایی است که در مدارهای دیگر می چرخند.

مدار زمین ثابت
و طول مسیر سیگنال

یکی از مشکلاتی که هنگام استفاده از ماهواره ها در مدار زمین ثابت به وجود می آید تأخیر سیگنال ناشی از مسافتی است که باید طی کند.

حداقل فاصله تا هر یک از ماهواره های زمین ثابت 35790 کیلومتر است. و این تنها در صورتی است که کاربر مستقیماً زیر ماهواره باشد و سیگنال در کوتاه ترین مسیر به او برسد. در واقعیت، بعید است که کاربر دقیقاً در این نقطه باشد و بنابراین فاصله ای که سیگنال مجبور به پوشش آن می شود در واقعیت بسیار بیشتر است.

بر اساس طول کوتاه ترین فاصله از ایستگاه زمینی تا ماهواره، حداقل زمان تخمینی سفر سیگنال یک طرفه - یعنی از زمین به ماهواره یا ماهواره به زمین - تقریباً 120 میلی ثانیه است. و این بدان معنی است که زمان مسیر سیگنال کامل - از زمین به ماهواره و از ماهواره به زمین - حدود یک چهارم ثانیه است.

بنابراین، برای دریافت پاسخ در فرآیند گفتگوی عبور از ماهواره، نیم ثانیه لازم است، زیرا سیگنال باید دو بار از ماهواره عبور کند: یک بار در جهت شنونده از راه دور، و بار دوم به عقب با پاسخ. این تاخیر کار را سخت می کند مکالمات تلفنی، که برای آن استفاده می شود کانال ماهواره ایاتصالات خبرنگاری که از یک استودیو پخش سوالی دریافت می کند مدتی طول می کشد تا پاسخ دهد. این اثر تأخیر باعث شده است که بسیاری از پیوندهای راه دور استفاده شوند کانال های کابلیبه جای ماهواره، زیرا تاخیر در کابل بسیار کمتر است.

مزایا و معایب ماهواره ها
واقع در مدار زمین ثابت

اگرچه مدار زمین ثابت در عمل به طور گسترده برای استقرار فناوری های مختلف استفاده می شود، اما هنوز برای همه موقعیت ها مناسب نیست. هنگام فکر کردن به استفاده احتمالی از این مدار، باید تعدادی از مزایا و معایب آن را در نظر گرفت:

مزایای

ایرادات

ماهواره به طور مداوم در همان نقطه نسبت به زمین قرار دارد - بر این اساس، تغییر جهت آنتن مورد نیاز نیست

سیگنال در حال انجام است فاصله بیشتر، و بنابراین، در مقایسه با LEO یا MEO، ضررهای زیادی وجود دارد.
هزینه تحویل و قرار دادن ماهواره در مدار GEO به دلیل ارتفاع بیشتر از زمین بالاتر است.
فاصله زیاد زمین تا ماهواره باعث تاخیر در سیگنال می شود.
مدار زمین ثابت می تواند به طور انحصاری بر فراز استوا باشد و بنابراین هیچ پوششی از عرض های جغرافیایی قطبی وجود ندارد.

با این حال، علیرغم تمام معایب مدار زمین ایستا، ماهواره های واقع بر روی آن به دلیل مزیت اصلی آنها به طور گسترده در سراسر جهان مورد استفاده قرار می گیرند، که می تواند از تمام معایب آن بیشتر باشد: یک ماهواره زمین ثابت همیشه در موقعیت مداری یکسانی نسبت به یک یا دیگری قرار دارد. نقطه روی زمین

2007

ایده اصلی

این سایت به نظارت اختصاص داده شده است ماهواره های زمین مصنوعی(به علاوه ماهواره ). از آغاز عصر فضا (4 اکتبر 1957، اولین ماهواره، اسپوتنیک-1، پرتاب شد)، بشر تعداد زیادی ماهواره ایجاد کرده است که در مدارهای مختلف دور زمین می چرخند. تا به امروز، تعداد چنین اشیاء ساخته دست بشر از ده ها هزار نفر فراتر رفته است. اساساً این "آوارهای فضایی" است - قطعات ماهواره ها ، مراحل موشکی سپری شده و غیره. فقط بخش کوچکی از آنها ماهواره های فعال هستند.
از جمله آنها می توان به ماهواره های تحقیقاتی و هواشناسی و مخابراتی و مخابراتی و ماهواره های نظامی اشاره کرد. فضای اطراف زمین توسط آنها از ارتفاعات 200-300 کیلومتر و تا 40000 کیلومتر "ساکن" شده است. تنها بخشی از آنها برای رصد با استفاده از اپتیک های ارزان قیمت (دوربین، عینک جاسوسی، تلسکوپ آماتور) در دسترس است.

با ایجاد این سایت، نویسندگان هدف خود را جمع آوری اطلاعات در مورد روش های رصد و عکسبرداری از ماهواره ها، نشان دادن نحوه محاسبه شرایط برای پرواز آنها در یک منطقه خاص، توصیف کردند. جنبه های عملیمسئله مشاهده و فیلمبرداری این سایت عمدتاً مطالب نویسنده را ارائه می دهد که در طول مشاهدات شرکت کنندگان بخش "کیهان نوردی" باشگاه نجومی "hν" در سیاره نما مینسک (مینسک، بلاروس) به دست آمده است.

و با این حال، در پاسخ به سوال اصلی - "چرا؟"، باید موارد زیر را بگوییم. در میان انواع سرگرمی هایی که فرد به آن علاقه دارد، نجوم و فضانوردی وجود دارد. هزاران نفر از دوستداران نجوم سیارات، سحابی ها، کهکشان ها، ستارگان متغیر، شهاب ها و سایر اجرام نجومی را رصد می کنند، از آنها عکس می گیرند، کنفرانس ها و "کلاس های کارشناسی ارشد" خود را برگزار می کنند. برای چی؟ این فقط یک سرگرمی است، یکی از بسیاری. راهی برای رهایی از مشکلات روزمره. حتی زمانی که آماتورها کارهایی با ارزش علمی انجام می دهند، آماتورهایی باقی می مانند که این کار را برای لذت خود انجام می دهند. ستاره شناسی و فضانوردی سرگرمی های بسیار "فناوری" هستند که در آن می توانید دانش خود را در زمینه اپتیک، الکترونیک، فیزیک و سایر رشته های علوم طبیعی به کار ببرید. و شما نمی توانید اعمال کنید - و فقط از تفکر لذت ببرید. در مورد ماهواره ها همه چیز مشابه است. به خصوص جالب است که آن ماهواره ها را دنبال کنید، اطلاعاتی که در مورد آنها در منابع باز توزیع نشده است - اینها ماهواره های شناسایی نظامی هستند کشورهای مختلف. در هر صورت رصد ماهواره ای شکار است. اغلب می‌توانیم مکان و زمان نمایش ماهواره را از قبل مشخص کنیم، اما نه همیشه. و اینکه او چگونه "رفتار" خواهد کرد حتی دشوارتر است که پیش بینی شود.

با تشکر:

روش های توصیف شده بر اساس مشاهدات و تحقیقات ایجاد شد که در آن اعضای باشگاه نجوم "hν" سیاره نما مینسک (بلاروس) شرکت کردند:

بوزبی ماکسیم.
دریومین گنادی.
کنکو زویا.
مکینسکی ویتالی.

اعضای باشگاه نجوم "hν" نیز کمک بزرگی کردند. لبدوا تاتیانا, پوالیشف ولادیمیرو تکاچنکو الکسی. با تشکر ویژه الکساندر لاپشین(روسیه)، profi-s (اوکراین)، دانیل شستاکوف (روسیه) و آناتولی گریگوریف (روسیه) برای کمک آنها در ایجاد مورد II §1 "AES Photometry"، فصل 2 و فصل 5، و النا (تاو، روسیه)همچنین برای مشاوره و نوشتن چندین برنامه محاسباتی. نویسندگان نیز تشکر می کنند میخائیل آبگاریان (بلاروس)، یوری گوریاچکو (بلاروس)، آناتولی گریگوریف (روسیه)، لئونید یلنین (روسیه)، ویکتور ژوک (بلاروس)، ایگور مولوتوف (روسیه)، کنستانتین موروزوف (بلاروس)، سرگئی کری بابی (اوکراین)، ایوان پروکوپیوک (بلاروس)برای ارائه تصاویر برای برخی از بخش های سایت.

بخشی از مطالب در طول انجام سفارش UE "سیستم های اطلاعات جغرافیایی" آکادمی ملی علوم بلاروس دریافت شد. ارسال مطالب به صورت غیرتجاری به منظور محبوبیت برنامه فضایی بلاروس در بین کودکان و جوانان انجام می شود.

ویتالی مکینسکی، متصدی بخش "کیهان نوردی" باشگاه اخترشناسی "hν".

«اخبار سایت»:

09/01/2013: به طور قابل توجهی به روز شده زیر پاراگراف 2 "عکاسی از یک ماهواره بر فراز دهانه"بخش II §1 -- اطلاعاتی را در مورد دو روش فتومتری مسیرهای ماهواره ای (روش مشخصات مسیر فتومتریک و روش فتومتری ایزووفوت) اضافه کرد.
09/01/2013: به روز شده زیر پاراگراف II §1 - اطلاعاتی در مورد کار با برنامه "Highecl" برای محاسبه شعله های احتمالی از GSS اضافه شده است.
1392/01/30: به روز شد "فصل 3"- اطلاعات اضافه شده در مورد کار با برنامه "MagVision" برای محاسبه افت نفوذ نور خورشید و ماه.
2013/01/22: به روز رسانی فصل 2. اضافه شدن انیمیشن حرکت ماهواره ای در سراسر آسمان در یک دقیقه.
1392/01/19: فرعی به روز شد "مشاهدات بصری AES" p.1 "تعیین مدار ماهواره" §1 از فصل 5. اطلاعات اضافه شده در مورد دستگاه های گرمایش برای الکترونیک و اپتیک برای محافظت در برابر شبنم، یخ زدگی و خنک کننده بیش از حد.
1392/01/19: اضافه شده به "فصل 3"اطلاعاتی در مورد افت نفوذ در هنگام روشنایی از ماه و گرگ و میش.
1392/01/09: مورد فرعی اضافه شد "فلش های ماهواره لیدار "CALIPSO"زیر پاراگراف "عکاسی فلش" ص. II "فتومتری AES" §1 از فصل 5. اطلاعات در مورد ویژگی های مشاهدات شراره از ماهواره لیزر لیدار "CALIPSO" و روند آماده سازی برای آنها شرح داده شده است.
11/05/2012: قسمت مقدماتی §2 از فصل 5 به روز شد. اطلاعات اضافه شده در مورد حداقل لازمتجهیزات برای مشاهدات رادیویی ماهواره ای، و همچنین یک نمودار نشانگر LEDسطح سیگنال، که برای تنظیم سطح سیگنال صوتی ورودی ایمن برای ضبط کننده استفاده می شود.
11/04/2012: فرعی به روز شد "مشاهدات بصری AES" p.1 "تعیین مدارهای ماهواره" §1 از فصل 5. اطلاعات اضافه شده در مورد اطلس ستاره برنو و همچنین در مورد فیلم قرمز روی صفحه نمایش LCD لوازم برقیدر مشاهدات استفاده می شود.
1391/04/14: زیرمجموعه زیرمجموعه «عکس/فیلمبرداری از ماهواره ها» بند 1 «تعیین مدار ماهواره» §1 فصل 5 به روز شد.اطلاعات مربوط به کار با برنامه «SatIR» برای شناسایی ماهواره ها در عکس های با میدان دید وسیع و همچنین تعیین مختصات انتهای مسیرهای ماهواره ای بر روی آنها اضافه شده است.
2012/04/13: فرعی به روز شد "اخترسنجی AES روی تصاویر دریافتی: عکس و ویدئو"زیر پاراگراف "ضبط عکس/فیلم از ماهواره های مصنوعی" بند 1 "تعیین مدارهای ماهواره" §1 از فصل 5. اطلاعات اضافه شده در مورد کار با برنامه "AstroTortilla" برای تعیین مختصات مرکز میدان دید تصاویر قطعات از آسمان پر ستاره
2012/03/20: به روز شده زیر پاراگراف 2 "طبقه بندی مدارهای ماهواره بر اساس محور نیمه اصلی" §1 از فصل 2. اطلاعات اضافه شده در مورد بزرگی رانش GSS و اختلالات مدار.
1391/03/02: مورد فرعی اضافه شد "رصد و فیلمبرداری پرتاب موشک از راه دور"زیر پاراگراف "عکس / فیلمبرداری از ماهواره ها" ص I "تعیین مدار ماهواره ها" §1 از فصل 5. اطلاعات در مورد ویژگی های مشاهده پرواز وسایل نقلیه پرتاب در مرحله پرتاب شرح داده شده است.
"تبدیل اخترسنجی به فرمت IOD"زیر پاراگراف "عکس / فیلمبرداری از ماهواره ها" p.I "تعیین مدارهای ماهواره" §1 از فصل 5. اضافه شدن شرح کار با برنامه "ObsEntry for Window" برای تبدیل اخترسنجی ماهواره ای به فرمت IOD - آنالوگ "OBSENTRY" برنامه، اما برای سیستم عامل ویندوز.
2012/02/25: فرعی به روز شد "مدارهای همزمان با خورشید"بخش 1 "طبقه بندی مدارهای ماهواره بر اساس شیب" §1 از فصل 2. اطلاعات اضافه شده در مورد محاسبه مقدار شیب مدار ماهواره خورشیدی سنکرون بسته به گریز از مرکز و محور نیمه اصلی مدار.
2011/09/21: به روز شده زیر آیتم 2 "AES photometry over the span" از مورد II "AES photometry" §1 از فصل 5. اطلاعات اضافه شده در مورد اثر synodic، که تعیین چرخش ماهواره را مخدوش می کند. دوره زمانی.
1390/09/14: فرعی به روز شد "محاسبه عناصر مداری (کپلری) مدار ماهواره بر اساس داده های نجومی. One Flyby"زیر پاراگراف "عکس / فیلمبرداری از ماهواره های مصنوعی"، بند I "تعیین مدارهای ماهواره" §1 از فصل 5. اطلاعات اضافه شده در مورد برنامه "SatID" برای شناسایی ماهواره (با استفاده از TLE دریافتی) در بین ماهواره ها از یک TLE شخص ثالث پایگاه داده، و همچنین روشی را برای شناسایی ماهواره در برنامه "Heavensat" بر اساس گذر دیده شده در نزدیکی ستاره مرجع توصیف می کند.
1390/09/12: به‌روزرسانی شده «محاسبه عناصر مداری (کپلری) مدار ماهواره بر اساس داده‌های نجومی. " § 1 از فصل 5. اطلاعاتی در مورد موارد برنامه محاسبه مجدد TLE در تاریخ مورد نظر اضافه شد.
1390/09/12: مورد فرعی اضافه شد "ورود ماهواره ها به جو زمین"زیر پاراگراف "ضبط عکس/فیلم از ماهواره ها" ص I "تعیین مدار ماهواره" §1 از فصل 5. اطلاعات کار با برنامه "SatEvo" برای پیش بینی تاریخ ورود ماهواره ها به لایه های متراکم جو زمین است. شرح داده شده.
"فلش های ماهواره های زمین ثابت"زیر پاراگراف "عکاسی فلاش" ص II "فتومتری AES" §1 از فصل 5. اطلاعاتی در مورد دوره مشاهده شراره های GSS اضافه شده است.
09/08/2011: فرعی به روز شد "تغییر روشنایی ماهواره در طول پرواز"زیر پاراگراف 2 "فتومتری AES بر روی دهانه" بخش II "فتومتری AES" §1 از فصل 5. اطلاعاتی در مورد شکل تابع فاز برای چندین نمونه از سطوح بازتابنده اضافه شده است.
زیر پاراگراف 1 "مشاهده شراره های ماهواره ای" بند دوم "فتومتری AES" §1 از فصل 5. اطلاعاتی در مورد عدم یکنواختی مقیاس زمانی در امتداد تصویر مسیر ماهواره در ماتریس ردیاب عکس اضافه شده است.
09/07/2011: فرعی به روز شد "عکاسی از یک ماهواره بر فراز دهانه"بخش دوم "فوتومتری AES" §1 از فصل 5. نمونه ای از منحنی نور پیچیده ماهواره "NanoSail-D" (SCN:37361) و شبیه سازی چرخش آن اضافه شد.
"فلش از ماهواره های مدار پایین"زیر پاراگراف 1 "مشاهده شراره های ماهواره" بند دوم "عکاسی ماهواره ها" §1 از فصل 5. اضافه شده عکس و مشخصات فتومتریک شعله از ماهواره LEO "METEOR 1-29".
09/06/2011: فرعی به روز شد "مدارهای ماهواره ای زمین ثابت و ژئوسنکرون"§1 از فصل 2. اطلاعات اضافه شده در مورد طبقه بندی ماهواره های زمین ثابت، اطلاعات در مورد شکل مسیرهای GSS.
09/06/2011: فرعی به روز شد "تصویربرداری از پرواز یک ماهواره: تجهیزات برای تیراندازی. عناصر نوری"زیر پاراگراف "عکس / فیلمبرداری از ماهواره ها" ص. I "تعیین مدار ماهواره ها" §1 از فصل 5. پیوندهایی به بررسی لنزهای خانگی که برای ماهواره های تیراندازی اعمال می شود اضافه شده است.
09/06/2011: فرعی به روز شد "زاویه فاز"بخش II "AES Photometry" §1 از فصل 5. اضافه شده انیمیشن تغییر فاز ماهواره بسته به زاویه فاز.
13.07.2011: پر کردن تمام فصل ها و بخش های سایت.
07/09/2011: نوشتن قسمت مقدماتی پاراگراف II به پایان رسید "فتومتری AES"§1 فصل 5.
2011/07/05: نوشتن قسمت مقدماتی §2 به پایان رسید "Radio Observations AES"فصل 5.
07/04/2011: فرعی به روز شد "پردازش مشاهدات"ص I "دریافت تله متری ماهواره ای" § 2 از فصل 5.
07/04/2011: نگارش به پایان رسید ص دوم "به دست آوردن تصاویر ابری"§2 فصل 5.
07/02/2011: نگارش به پایان رسید ص اول "دریافت تله متری ماهواره ای"§2 فصل 5.
07/01/2011: زیر پاراگراف نگارش تکمیل شد "عکس / فیلمبرداری از ماهواره"مورد I §1 از فصل 5.
2011/06/25: نگارش به پایان رسید برنامه های کاربردی.
2011/06/25: نوشتن مقدمه فصل 5 به پایان رسید: "چه چیزی و چگونه باید مشاهده کرد؟"
2011/06/25: مقدمه §1 تکمیل شد "مشاهدات نوری"فصل 5.
2011/06/25: نوشتن قسمت مقدماتی پاراگراف I به پایان رسید "تعیین مدار ماهواره"§1 فصل 5.
2011/06/25: فصل 4 تکمیل شد: "درباره زمان".
2011/01/25: فصل 2 تکمیل شد: چه مدارها و ماهواره هایی وجود دارد؟.
01/07/2011: فصل 3 تکمیل شد: "آماده شدن برای مشاهدات".
01/07/2011: فصل 1 تکمیل شد: "ماهواره ها چگونه حرکت می کنند؟"

مسیر حرکت فضاپیماهای مصنوعی با مدارهای اجرام آسمانی طبیعی متفاوت است: واقعیت این است که در مورد اول به اصطلاح "مناطق فعال" وجود دارد. این مناطق هستند مدارهای ماهواره ایکه با روشن کردن موتور جت روی آن حرکت می کنند. بنابراین، محاسبه مسیر حرکت فضاپیما یک کار پیچیده و مسئولانه است که توسط متخصصان در زمینه اختر دینامیک انجام می شود.

هر سیستم ماهواره ای بسته به هدف ماهواره، موقعیت مکانی آن، پوشش منطقه خدماتی، مالکیت خود فضاپیما و ایستگاه زمینی که سیگنال های آن را دریافت می کند، وضعیت خاصی دارد. بسته به وضعیت، سیستم های ماهواره ای عبارتند از:

بین المللی (منطقه ای یا جهانی)؛
ملی؛
دپارتمان.

علاوه بر این، تمام مدارها تقسیم بندی می شوندبر زمین ثابت و غیر زمین ثابت (به نوبه خود به LEO - مدار کم، MEO - ارتفاع متوسط و HEO - بیضی تقسیم می شود). بیایید نگاهی دقیق تر به این کلاس ها بیندازیم.

زمین ثابت مدارهای ماهواره ای

از این نوع مدار بیشتر برای جا دادن فضاپیماها استفاده می شود، زیرا چنین است مزایای قابل توجه: ارتباط مداوم 24/7 امکان پذیر است و تغییر فرکانس تقریباً وجود ندارد. ماهواره های زمین ایستا در ارتفاع حدود 36000 کیلومتری از سطح زمین قرار دارند و با سرعت چرخش آن حرکت می کنند، گویی بر روی نقطه خاصی از استوا، یعنی «نقطه زیرماهواره» «آویزان» هستند. با این حال، در واقع، موقعیت چنین ماهواره ای ثابت نیست: به دلیل تعدادی از عوامل، مقداری "رانش" را تجربه می کند، در نتیجه با گذشت زمان، مدار کمی تغییر می کند.

همانطور که قبلاً اشاره شد ، یک ماهواره زمین ایستا عملاً نیازی به وقفه در کار ندارد ، زیرا هیچ حرکت متقابل فضاپیما و ایستگاه زمینی آن وجود ندارد. سیستمی متشکل از سه ماهواره از این نوع قادر است تقریباً تمام سطح زمین را پوشش دهد.

در عین حال ، چنین سیستم هایی بدون اشکال نیستند که اصلی ترین آنها تأخیر سیگنال است. بنابراین، ماهواره ها در مدارهای زمین ایستا اغلب برای پخش رادیویی و تلویزیونی استفاده می شوند که در آن تأخیر در هر دو جهت 250 میلی ثانیه بر کیفیت سیگنال تأثیر نمی گذارد. تأخیر در سیستم ارتباط رادیویی تلفن بسیار قابل توجه تر است (با در نظر گرفتن پردازش سیگنال در شبکه های زمینی، کل زمان در حال حاضر حدود 600 میلی ثانیه است). علاوه بر این، منطقه پوشش چنین ماهواره هایی شامل مناطق با عرض جغرافیایی بالا (بالای 76.50 درجه شمالی و جنوبی) نمی شود، یعنی پوشش واقعاً جهانی تضمین نمی شود.

در ارتباط با توسعه سریع ارتباطات ماهواره ای، در دهه گذشته، مدار زمین ثابت "ازدحام" شده است و مشکلاتی با استقرار دستگاه های جدید به وجود می آید. واقعیت این است که طبق استانداردهای بین المللی نمی توان بیش از 360 ماهواره را در مدار نزدیک استوایی قرار داد، در غیر این صورت تداخل متقابل رخ می دهد.

ارتفاع متوسط مدارهای ماهواره ای

سیستم‌های ماهواره‌ای از این نوع توسط شرکت‌هایی که در ابتدا در تولید فضاپیماهای زمین‌ایستا بودند شروع به توسعه کردند. مدار ارتفاع متوسط عملکرد ارتباطی بهتری را برای مشترکین تلفن همراه فراهم می کند، زیرا هر کاربر تلفن همراه در زمینه دسترسی به چندین ماهواره به طور همزمان است. تاخیر کل - بیش از 130 میلی ثانیه نیست.

مکان یک ماهواره غیرزمین ایستا توسط به اصطلاح کمربندهای تشعشعی ون آلن محدود می شود، کمربندهای فضایی ذرات باردار که «گرفتار» شده اند. میدان مغناطیسیزمین. اولین کمربند پایدار تشعشع بالا در ارتفاع حدود 1500 کیلومتری از سطح سیاره قرار دارد، وسعت آن چندین هزار کیلومتر است. کمربند دوم با همان شدت بالا (10000 پالس در ثانیه) در فاصله 13000 تا 19000 کیلومتری زمین قرار دارد.

نوعی "مسیر" برای ماهواره های با ارتفاع متوسط بین کمربند تابشی اول و دوم، یعنی در ارتفاع 5000-15000 کیلومتری قرار دارد. این دستگاه ها ضعیف تر از دستگاه های زمین ثابت هستند، بنابراین، برای پوشش کامل سطح زمین به یک گروه مداری از 8-12 ماهواره نیاز است (به عنوان مثال، Spaceway NGSO، ICO، Rostelesat). هر ماهواره برای مدت کوتاهی، تقریباً 1.5-2 ساعت، در ناحیه دید رادیویی ایستگاه زمینی قرار دارد.

دورهای کم مدارهای ماهواره ای

ماهواره ها در مدارهای پایین (700-1500 کیلومتر) نسبت به سایر فضاپیماها از نظر عملکرد انرژیبا این حال، در طول جلسات ارتباط و همچنین عمر کلی سرویس از دست می دهند. دوره مداری ماهواره به طور متوسط 100 دقیقه است، در حالی که تقریباً 30 درصد از این زمان در سمت سایه سیاره می ماند. باتری های قابل شارژ داخلی می توانند حدود 5000 چرخه شارژ / دشارژ را در سال تجربه کنند، در نتیجه - عمر آنها از 5-8 سال تجاوز نمی کند.

انتخاب محدوده مشابهی از ارتفاعات برای مدارهای پایین سیستم های ماهواره ایتصادفی نیست در ارتفاع کمتر از 700 کیلومتر نسبت به تراکم بالاجو، که باعث "تخریب" مدار می شود - انحراف تدریجی از مسیر، برای حفظ آن، افزایش هزینه سوخت مورد نیاز است. در ارتفاع 1500 کیلومتری، اولین کمربند ون آلن آغاز می شود که در منطقه تشعشع آن، عملیات تجهیزات روی هواپیما عملاً غیرممکن است.

با این حال، به دلیل ارتفاع کم مدار، یک صورت فلکی مداری حداقل 48 فضاپیما لازم است تا تمام قلمرو زمین را پوشش دهد. دوره چرخش در این مدارها 90 دقیقه-2 ساعت است، در حالی که حداکثر زماناقامت ماهواره در منطقه دید رادیویی - فقط 10-15 دقیقه.

مدارهای بیضوی

بیضوی مدارهای ماهواره زمینهمزمان هستند، یعنی به مدار پرتاب می شوند، با سرعت سیاره می چرخند و دوره انقلاب مضرب روز است. در حال حاضر، چندین نوع از چنین مدارهایی استفاده می شود: Archi-medes، Borealis، "Tundra"، "Lightning".

سرعت یک ماهواره بیضوی در اوج (هنگام رسیدن به بالای "بیضی") کمتر از حضیض است، بنابراین در این مدت دستگاه می تواند در منطقه دید رادیویی یک منطقه خاص طولانی تر از یک ماهواره با مدار دایره ای باشد. . به عنوان مثال، جلسات ارتباطی در مولنیا 8-10 ساعت طول می کشد و یک سیستم سه ماهواره ای قادر به حفظ ارتباطات جهانی شبانه روزی است.

با سرعت زاویه ای برابر با سرعت زاویه ای چرخش زمین به دور محور خود. در سیستم مختصات افقی، جهت به ماهواره نه در آزیموت و نه در ارتفاع بالای افق تغییر نمی کند، ماهواره بی حرکت در آسمان "آویزان" می شود. از همین رو آنتن ماهوارهزمانی که به سمت چنین ماهواره ای هدایت شود، تمام وقت به سمت آن هدایت می شود. مدار زمین ثابت نوعی مدار ژئوسنکرون است و برای قرار دادن ماهواره های مصنوعی (ارتباطات، پخش و غیره) استفاده می شود.

ماهواره باید در جهت چرخش زمین و در ارتفاع 35786 کیلومتری از سطح دریا رو به رو باشد. این ارتفاع است که یک دوره چرخشی برابر با دوره چرخش زمین نسبت به (روزهای ستاره ای: 23 ساعت و 56 دقیقه و 4.091 ثانیه) برای ماهواره فراهم می کند.

ایده استفاده از ماهواره های زمین ایستا برای اهداف ارتباطی توسط نظریه پرداز اسلوونیایی هرمان پوتوکنیک در سال 1928 بیان شد.

مزایای مدار زمین ثابت پس از انتشار مقاله علمی عمومی آرتور سی کلارک در مجله Wireless World در سال 1945 به طور گسترده ای شناخته شد، به همین دلیل است که در غرب گاهی اوقات به مدارهای زمین ثابت و ژئوسنکرون می گویند: مدارهای کلارک"، آ " کمربند کلارک» مساحت فضای بیرونی را در فاصله 36000 کیلومتری از سطح دریا در صفحه استوای زمین، جایی که پارامترهای مدارها نزدیک به زمین ثابت هستند، نام ببرید. اولین ماهواره ای که با موفقیت به GSO پرتاب شد Syncom-3در اوت 1964 توسط ناسا پرتاب شد.

نقطه ایستاده

یک ماهواره در مدار زمین ثابت نسبت به سطح زمین ثابت است، بنابراین مکان آن در مدار، ایستگاه نامیده می شود. در نتیجه یک آنتن جهت دار جهت یابی به ماهواره و ثابت می تواند برای مدت طولانی ارتباط ثابتی با این ماهواره داشته باشد.

قرار دادن ماهواره ها در مدار

یک مدار زمین ایستا فقط روی دایره ای درست بالای استوا با ارتفاع بسیار نزدیک به 35786 کیلومتر با دقت قابل دستیابی است.

اگر ماهواره های زمین ثابت در آسمان با چشم غیرمسلح قابل رویت بودند، خطی که روی آن قابل رویت خواهند بود با "کمربند کلارک" برای این منطقه منطبق خواهد بود. ماهواره های زمین ایستا، به لطف نقاط ایستاده موجود، برای استفاده برای ارتباطات ماهواره ای مناسب هستند: پس از جهت گیری، آنتن همیشه به ماهواره انتخاب شده هدایت می شود (اگر موقعیت آن تغییر نکند).

برای انتقال ماهواره ها از یک مدار کم ارتفاع به یک مدار زمین ایستا، از مدارهای انتقالی زمین ثابت (GPO) استفاده می شود - مدارهای بیضی شکل با حضیض در ارتفاع کم و اوج در ارتفاع نزدیک به مدار زمین ثابت.

پس از اتمام عملیات فعال بر روی سوخت باقی مانده، ماهواره باید به، واقع در 200-300 کیلومتر بالاتر از GSO منتقل شود.

محاسبه پارامترهای مدار زمین ثابت

شعاع مدار و ارتفاع مدار

در مدار زمین ثابت، ماهواره به زمین نزدیک نمی شود و از آن دور نمی شود و علاوه بر این، در حین چرخش با زمین، دائماً بالای هر نقطه از خط استوا قرار می گیرد. بنابراین، نیروهای وارد بر ماهواره و نیروی گریز از مرکز باید یکدیگر را متعادل کنند. برای محاسبه ارتفاع مدار زمین ایستا می توان از روش های مکانیک کلاسیک استفاده کرد و با تغییر به چارچوب مرجع ماهواره، از معادله زیر عمل کرد:

نیروی اینرسی کجاست و در این مورد، نیروی گریز از مرکز؛ - نیروی گرانش. قدر نیروی گرانشی وارد بر ماهواره را می توان با قانون گرانش جهانی نیوتن تعیین کرد:

جرم ماهواره کجاست، جرم زمین بر حسب کیلوگرم است، ثابت گرانش است و فاصله ماهواره تا مرکز زمین بر حسب متر یا در این مورد، شعاع مدار است.

مقدار نیروی گریز از مرکز عبارت است از:

شتاب مرکزگرا که در حین حرکت دایره ای در مدار اتفاق می افتد کجاست.

همانطور که می بینید، جرم ماهواره به عنوان عاملی در عبارات نیروی گریز از مرکز و برای نیروی گرانش وجود دارد، یعنی ارتفاع مدار به جرم ماهواره بستگی ندارد، که برای آن درست است. هر مداری باشد و نتیجه برابری جرم های گرانشی و اینرسی است. در نتیجه، مدار زمین ثابت تنها با ارتفاعی تعیین می شود که در آن نیروی گریز از مرکز از نظر مقدار مطلق برابر و در جهت مخالف نیروی گرانشی ایجاد شده توسط جاذبه زمین در یک ارتفاع معین خواهد بود.

شتاب گریز از مرکز عبارت است از:

سرعت زاویه ای ماهواره بر حسب رادیان بر ثانیه کجاست.

اجازه دهید یک توضیح مهم را بیان کنیم. در واقع شتاب گریز از مرکز فقط در چارچوب مرجع اینرسی معنای فیزیکی دارد، در حالی که نیروی گریز از مرکز به اصطلاح نیروی خیالی است و منحصراً در چارچوب های مرجع (مختصات) که با اجسام در حال چرخش مرتبط هستند صورت می گیرد. نیروی مرکزگرا (در این مورد نیروی گرانش) باعث شتاب مرکزگرا می شود. مقدار مطلق شتاب گریز از مرکز در چارچوب مرجع اینرسی برابر است با گریز از مرکز در چارچوب مرجع مرتبط در مورد ما با ماهواره. بنابراین، در ادامه با عنایت به تذکری که بیان شد، می‌توان از اصطلاح «شتاب مرکز» در کنار عبارت «نیروی گریز از مرکز» استفاده کرد.

با یکسان سازی عبارات نیروهای گرانشی و گریز از مرکز با جایگزینی شتاب مرکز، به دست می آوریم:

با کاهش، ترجمه به چپ و راست، دریافت می کنیم:

یا

می توانید این عبارت را متفاوت بنویسید و آن را با ثابت گرانشی زمین مرکزی جایگزین کنید:

سرعت زاویه ای با تقسیم زاویه پیموده شده در یک دور (رادیان) بر دوره چرخش (زمان لازم برای یک دور کامل در مدار: یک روز غیر طبیعی یا 86164 ثانیه) محاسبه می شود. ما گرفتیم:

راد/ثانیهشعاع مداری حاصل 42164 کیلومتر است. با کم کردن شعاع استوایی زمین، 6378 کیلومتر، ارتفاع 35786 کیلومتری به دست می آید.

شما می توانید محاسبات را به روش های دیگری انجام دهید. ارتفاع مدار زمین ایستا فاصله ای از مرکز زمین است که در آن سرعت زاویه ای ماهواره که با سرعت زاویه ای چرخش زمین منطبق است، سرعت مداری (خطی) برابر با اولین سرعت فضایی ایجاد می کند (برای اطمینان از آن). یک مدار دایره ای) در یک ارتفاع معین.

سرعت خطی ماهواره ای که با سرعت زاویه ای در فاصله ای از مرکز چرخش حرکت می کند.

اولین سرعت فرار در فاصله از یک جسم جرمی است

با مساوی کردن سمت راست معادلات به عبارت قبلی می رسیم. شعاع GSO:

سرعت مداری

سرعت حرکت در مدار زمین ثابت با ضرب سرعت زاویه ای در شعاع مدار محاسبه می شود:

کیلومتر بر ثانیهاین حدود 2.5 برابر کمتر از اولین سرعت فرار 8 کیلومتر بر ثانیه در مدار نزدیک زمین (با شعاع 6400 کیلومتر) است. از آنجایی که مجذور سرعت یک مدار دایره ای با شعاع آن نسبت معکوس دارد،

این کاهش سرعت نسبت به اولین فضا با افزایش شعاع مدار بیش از 6 برابر حاصل می شود.

طول مدار

طول مدار زمین ایستا: . با شعاع مدار 42164 کیلومتر، طول مداری 264924 کیلومتری به دست می آید.

طول مدار برای محاسبه "نقاط ایستگاه" ماهواره ها بسیار مهم است.

نگهداری ماهواره در موقعیت مداری در مدار زمین ثابت

ماهواره ای که در یک مدار زمین ثابت در گردش است تحت تأثیر تعدادی نیرو (آشفتگی) است که پارامترهای این مدار را تغییر می دهد. به طور خاص، چنین آشفتگی هایی شامل آشفتگی های گرانشی قمری-خورشیدی، تأثیر ناهمگنی میدان گرانشی زمین، بیضی بودن خط استوا و غیره است. تخریب مدار در دو پدیده اصلی بیان می شود:

1) ماهواره در طول مدار از موقعیت مداری اولیه خود به سمت یکی از چهار نقطه تعادل پایدار حرکت می کند که اصطلاحاً نامیده می شود. «گودال‌های بالقوه مدار زمین‌ایستا» (طول جغرافیایی آنها 75.3 درجه شرقی، 104.7 درجه غربی، 165.3 درجه شرقی و 14.7 درجه غربی) بر فراز استوای زمین است.

2) شیب مدار به استوا (از صفر اولیه) با سرعتی در حدود 0.85 درجه در سال افزایش می یابد و به آن می رسد. حداکثر مقدار 15 درجه در 26.5 سال.

برای جبران این اختلالات و نگه داشتن ماهواره در موقعیت تعیین شده، ماهواره به یک سیستم رانش (موشک شیمیایی یا الکتریکی) مجهز شده است. روشن شدن دوره ای رانشگرها (تصحیح "شمال-جنوب" برای جبران رشد شیب مدار و "غرب به شرق" برای جبران رانش در طول مدار) ماهواره را در موقعیت تعیین شده نگه می دارد. چنین اجزاء چندین بار در 10-15 روز ساخته می شوند. قابل توجه است که اصلاح شمال به جنوب به افزایش بسیار بیشتری در سرعت مشخصه (حدود 50-45 متر بر ثانیه در سال) نسبت به اصلاح طولی (حدود 2 متر بر ثانیه در سال) نیاز دارد. برای اطمینان از تصحیح مدار ماهواره در کل دوره عملکرد آن (12-15 سال برای مدرن ماهواره های تلویزیونی) به ذخیره قابل توجهی سوخت در کشتی نیاز دارد (صدها کیلوگرم در مورد موتورهای شیمیایی). موتور موشک شیمیایی ماهواره دارای منبع سوخت جابه‌جایی (گاز تحت فشار - هلیوم) است، بر روی اجزای بلندمدت با جوش بالا (معمولا دی متیل هیدرازین نامتقارن و تتروکسید دیتروژن) کار می‌کند. تعدادی از ماهواره ها مجهز به موتورهای پلاسما هستند. رانش آنها به طور قابل توجهی در رابطه با مواد شیمیایی کمتر است، با این حال، راندمان بیشتر اجازه می دهد (به دلیل کار مداوم، در ده ها دقیقه برای یک مانور اندازه گیری می شود) تا به طور اساسی جرم سوخت مورد نیاز در کشتی کاهش یابد. انتخاب نوع پیشرانه با توجه به موارد خاص تعیین می شود ویژگی های فنیدستگاه

در صورت لزوم از همین پیشرانه برای مانور دادن ماهواره به موقعیت مداری دیگر استفاده می شود. در برخی موارد، معمولاً در پایان عمر ماهواره، برای کاهش مصرف سوخت، تصحیح مدار شمال به جنوب متوقف می شود و سوخت باقی مانده فقط برای اصلاح غرب به شرق استفاده می شود.

ظرفیت سوخت اصلی ترین عامل محدود کننده در طول عمر یک ماهواره در مدار زمین ثابت است.

معایب مدار زمین ثابت

تاخیر سیگنال

ارتباط از طریق ماهواره های زمین ایستا مشخص می شود تاخیرهای طولانیدر انتشار سیگنال با ارتفاع مداری 35786 کیلومتر و سرعت نور در حدود 300000 کیلومتر بر ثانیه، مسیر پرتو زمین-ماهواره به حدود 0.12 ثانیه نیاز دارد. مسیر پرتو "زمین (فرستنده) → ماهواره → زمین (گیرنده)" ≈0.24 ثانیه. تأخیر کل (اندازه گیری شده توسط ابزار Ping) هنگام استفاده از ارتباطات ماهواره ای برای دریافت و ارسال داده تقریباً نیم ثانیه خواهد بود. با در نظر گرفتن تاخیر سیگنال در تجهیزات ماهواره ای، در تجهیزات و در سیستم های کابلیانتقال خدمات زمینی، کل تاخیر سیگنال در مسیر "منبع سیگنال → ماهواره → گیرنده" می تواند به 2-4 ثانیه برسد. چنین تاخیری استفاده از ماهواره های GSO در تلفن را دشوار می کند و استفاده از ارتباطات ماهواره ای با استفاده از GSO را غیرممکن می کند. خدمات مختلفزمان واقعی (به عنوان مثال، در بازی های آنلاین).

نامرئی بودن GSO از عرض های جغرافیایی بالا

از آنجایی که مدار زمین ثابت از عرض های جغرافیایی بالا (تقریباً 81 درجه تا قطب ها) قابل مشاهده نیست و در عرض های جغرافیایی بالاتر از 75 درجه بسیار پایین در بالای افق مشاهده می شود. شرایط واقعیماهواره ها به سادگی توسط اجسام بیرون زده و زمین پنهان می شوند و تنها بخش کوچکی از مدار قابل مشاهده است ( جدول را ببینید، سپس ارتباط و پخش تلویزیونی با استفاده از GSO در مناطق با عرض جغرافیایی بالا شمال دور (منطقه قطبی) و قطب جنوب غیرممکن است. به عنوان مثال، كاوشگران قطبي آمريكايي در ايستگاه آموندسن- اسكات براي ارتباط با دنياي خارج (تلفن، اينترنت) از يك كابل فيبر نوري به طول 1670 كيلومتر استفاده مي كنند كه در عرض جغرافيايي 75 درجه جنوبي قرار دارد. ایستگاه فرانسوی Concordia، که از آن چندین ماهواره زمین ثابت آمریکایی در حال حاضر قابل مشاهده است.

جدول بخش مشاهده شده مدار زمین ثابت بسته به عرض جغرافیایی مکان
تمام داده ها در درجه و کسری آورده شده است.

عرض جغرافیایی زمین	بخش قابل مشاهده مدار
عرض جغرافیایی زمین	نظری بخش	واقعی (از جمله تسکین) بخش
90	—	—
82	—	—
81	29,7	—
80	58,9	—
79	75,2	—
78	86,7	26,2
75	108,5	77
60	144,8	132,2
50	152,8	143,3
40	157,2	149,3
20	161,5	155,1
0	162,6	156,6

از جدول بالا می توان مشاهده کرد که به عنوان مثال، اگر در عرض جغرافیایی سنت پترزبورگ (~ 60 درجه) بخش قابل مشاهده مدار (و بر این اساس، تعداد ماهواره های دریافتی) 84٪ باشد. حداکثر ممکن (در خط استوا)، سپس در عرض جغرافیایی شبه جزیره تایمیر (~ 75 درجه) بخش قابل مشاهده 49٪ است و در عرض جغرافیایی سوالبارد و کیپ چلیوسکین (~78 درجه) تنها 16٪ از آنچه مشاهده شده است. در خط استوا 1-2 ماهواره در این بخش از مدار در منطقه سیبری (نه همیشه کشور ضروری) قرار می گیرند.

تداخل خورشیدی

یکی از ناخوشایندترین معایب مدار زمین ثابت کاهش و عدم وجود کامل سیگنال در شرایطی است که ماهواره فرستنده با آنتن گیرنده (موقعیت "خورشید پشت ماهواره") در یک راستا قرار دارد. این پدیده در مدارهای دیگر نیز ذاتی است، اما در مدار زمین ثابت است، زمانی که ماهواره در آسمان "ایستا" است، به طور خاص خود را به وضوح نشان می دهد. در عرض های جغرافیایی میانی نیمکره شمالی، تداخل خورشیدی در دوره های 22 فوریه تا 11 مارس و از 3 تا 21 اکتبر با حداکثر مدت زمان تا ده دقیقه خود را نشان می دهد. در چنین لحظاتی در هوای صاف اشعه های خورشیدآنتن هایی که با یک پوشش سبک متمرکز شده اند می توانند به تجهیزات فرستنده گیرنده دیش ماهواره آسیب بزنند (ذوب شوند یا بیش از حد گرم شوند).

وضعیت حقوقی بین المللی GSO

استفاده از مدار زمین ایستا تعدادی از مشکلات نه تنها فنی، بلکه حقوقی بین المللی را نیز به همراه دارد. کمک قابل توجهی به قطعنامه آنها توسط سازمان ملل متحد و همچنین کمیته های آن و سایر آژانس های تخصصی انجام شده است.

برخی از کشورهای استوایی در زمان متفاوتادعاهایی (به عنوان مثال، اعلامیه ایجاد حاکمیت در بخش GEO، که در بوگوتا توسط برزیل، کلمبیا، کنگو، اکوادور، اندونزی، کنیا، اوگاندا و زئیر در 3 دسامبر 1976 امضا شد) مبنی بر گسترش حاکمیت خود به این بخش ارائه کردند. فضای بیرونی واقع در بالای قلمروهای آنها، که در آن ماهواره های زمین ایستا در مدار قرار می گیرند. به طور خاص، بیان شد که مدار زمین ثابت یک عامل فیزیکی مرتبط با وجود سیاره ما و کاملاً وابسته به میدان گرانشی زمین است و بنابراین بخش‌های مربوط به فضا (بخش‌های مدار زمین‌ایستا) همان‌گونه هستند که بودند، گسترش قلمروهایی که در آن قرار دارند. ماده مربوطه در قانون اساسی کلمبیا ذکر شده است.

این ادعای کشورهای استوایی به دلیل مغایرت با اصل عدم تصاحب فضای بیرونی رد شد. در کمیته فضایی سازمان ملل، چنین اظهاراتی به طور موجهی مورد انتقاد قرار گرفته است. اولاً، نمی توان ادعا کرد که قلمرو یا فضایی که در چنین فاصله قابل توجهی از قلمرو کشور مربوطه قرار دارد، تصاحب شده است. دوم، فضای بیرونی مشمول تصرف ملی نیست. ثالثاً، از نظر فنی صحبت در مورد هرگونه رابطه فیزیکی بین قلمرو ایالتی و چنین منطقه دورافتاده ای از فضا ناتوان است. در نهایت، در هر مورد جداگانه، پدیده یک ماهواره زمین‌ایستا با یک شی فضایی خاص مرتبط است. اگر ماهواره وجود نداشته باشد، پس مدار زمین ثابت وجود ندارد.

: 23 ساعت 56 دقیقه 4.091 ثانیه).

ایده استفاده از ماهواره های زمین ایستا برای اهداف ارتباطی توسط نظریه پرداز اسلوونیایی هرمان پوتوچنیک در سال 1928 بیان شد.

مزایای مدار زمین ثابت پس از انتشار مقاله علمی محبوب آرتور کلارک در مجله Wireless World در سال 1945 به طور گسترده ای شناخته شد، بنابراین، در غرب، گاهی اوقات به مدارهای زمین ثابت و ژئوسنکرون می گویند. مدارهای کلارک"، آ " کمربند کلارک» مساحت فضای بیرونی را در فاصله 36000 کیلومتری از سطح دریا در صفحه استوای زمین، جایی که پارامترهای مدارها نزدیک به زمین ثابت هستند، نام ببرید. اولین ماهواره ای که با موفقیت به GSO پرتاب شد Syncom-3، توسط ناسا در اوت 1964 پرتاب شد.

یوتیوب دایره المعارفی

1 / 5

درس 64 ماهواره های مصنوعیزمین. اولین سرعت کیهانی مدار زمین ثابت

اتصال ماهواره ای مدار زمین ثابت

استریم با طراح ماهواره های ارتباطی زمین ثابت

ماهواره های زمین ایستا / ماهواره های زمین ایستا

محاسبه پارامترهای مدار زمین ثابت

زیرنویس

نقطه ایستاده

پس از اتمام عملیات فعال بر روی سوخت باقیمانده، ماهواره باید به مدار دفع واقع در 200-300 کیلومتر بالاتر از GSO منتقل شود.

محاسبه پارامترهای مدار زمین ثابت

شعاع مدار و ارتفاع مدار

در مدار زمین ثابت، ماهواره به زمین نزدیک نمی شود و از آن دور نمی شود و علاوه بر این، در حین چرخش با زمین، دائماً بالای هر نقطه از خط استوا قرار می گیرد. در نتیجه، نیروهای گرانشی و گریز از مرکز وارد بر ماهواره باید یکدیگر را متعادل کنند. برای محاسبه ارتفاع مدار زمین ایستا می توان از روش های مکانیک کلاسیک استفاده کرد و با تغییر به چارچوب مرجع ماهواره، از معادله زیر عمل کرد:

F u = F Γ (\displaystyle F_(u)=F_(\Gamma)),

جایی که F u (\displaystyle F_(u))- نیروی اینرسی، و در این مورد، نیروی گریز از مرکز. F Γ (\displaystyle F_(\Gamma))- نیروی گرانش. بزرگی نیروی گرانشی وارد بر ماهواره را می توان از قانون گرانش جهانی نیوتن تعیین کرد:

F Γ = G ⋅ M 3 ⋅ m c R 2 (\displaystyle F_(\Gamma)=G\cdot (\frac (M_(3)\cdot m_(c))(R^(2)))),

جرم ماهواره کجاست M 3 (\displaystyle M_(3))جرم زمین بر حسب کیلوگرم است، G (\displaystyle G)ثابت گرانشی است و R (\displaystyle R)فاصله ماهواره تا مرکز زمین بر حسب متر یا در این مورد شعاع مدار است.

مقدار نیروی گریز از مرکز عبارت است از:

F u = m c ⋅ a (\displaystyle F_(u)=m_(c)\cdot a),

جایی که a (\displaystyle a)- شتاب گریز از مرکز که در حین حرکت دایره ای در مدار رخ می دهد.

همانطور که می بینید، جرم ماهواره m c (\displaystyle m_(c))به عنوان عاملی در عبارات نیروی گریز از مرکز و برای نیروی گرانش وجود دارد، یعنی ارتفاع مدار به جرم ماهواره بستگی ندارد، که برای هر مداری صادق است و نتیجه برابری جرم گرانشی و اینرسی. در نتیجه، مدار زمین ثابت تنها با ارتفاعی تعیین می شود که در آن نیروی گریز از مرکز از نظر مقدار مطلق برابر و در جهت مخالف نیروی گرانشی ایجاد شده توسط جاذبه زمین در یک ارتفاع معین خواهد بود.

شتاب گریز از مرکز عبارت است از:

a = ω 2 ⋅ R (\displaystyle a=\omega ^(2)\cdot R),

سرعت زاویه ای ماهواره بر حسب رادیان بر ثانیه کجاست.

با یکسان سازی عبارات نیروهای گرانشی و گریز از مرکز با جایگزینی شتاب مرکز، به دست می آوریم:

m c ⋅ ω 2 ⋅ R = G ⋅ M 3 ⋅ m c R 2 (\displaystyle m_(c)\cdot \omega ^(2)\cdot R=G\cdot (\frac (M_(3)\cdot m_(c ))(R^(2)))).

کاهش می دهد m c (\displaystyle m_(c))، ترجمه R 2 (\displaystyle R^(2))به سمت چپ، و ω 2 (\displaystyle \omega ^(2))در سمت راست، دریافت می کنیم:

R 3 = G ⋅ M 3 ω 2 (\displaystyle R^(3)=G\cdot (\frac (M_(3))(\omega ^(2))) R = G ⋅ M 3 ω 2 3 (\displaystyle R=(\sqrt[(3)](\frac (G\cdot M_(3))(\omega ^(2)))).

می توانید این عبارت را متفاوت بنویسید و جایگزین کنید G ⋅ M 3 (\displaystyle G\cdot M_(3))بر µ (\displaystyle \mu)- ثابت گرانشی زمین مرکزی:

R = μ ω 2 3 (\displaystyle R=(\sqrt[(3)](\frac (\mu )(\omega ^(2))))

سرعت زاویهای ω (\displaystyle \omega)با تقسیم زاویه طی شده در یک دور محاسبه می شود ( 360 ∘ = 2 ⋅ π (\displaystyle 360^(\circ )=2\cdot \pi)رادیان) در هر دوره چرخش (زمان لازم برای تکمیل یک مدار کامل: یک روز غیر طبیعی یا 86164 ثانیه). ما گرفتیم:

ω = 2 ⋅ π 86164 = 7 , 29 ⋅ 10 − 5 (\displaystyle \omega =(\frac (2\cdot \pi )(86164))=7.29\cdot 10^(-5)) راد/ثانیه

شعاع مداری حاصل 42164 کیلومتر است. با کم کردن شعاع استوایی زمین، 6378 کیلومتر، ارتفاع 35786 کیلومتری به دست می آید.

شما می توانید محاسبات را به روش های دیگری انجام دهید. ارتفاع مدار زمین ثابت فاصله ای از مرکز زمین است که در آن سرعت زاویه ای ماهواره، همزمان با سرعت زاویه ای چرخش زمین، سرعت مداری (خطی) برابر با اولین سرعت کیهانی ایجاد می کند (برای اطمینان از مدار دایره ای) در یک ارتفاع معین.

سرعت خطی ماهواره ای که با سرعت زاویه ای حرکت می کند ω (\displaystyle \omega)در فاصله R (\displaystyle R)از مرکز چرخش است

v l = ω ⋅ R (\displaystyle v_(l)=\omega \cdot R)

اولین سرعت فضایی در فاصله R (\displaystyle R)از یک جسم جرمی M (\displaystyle M)برابر است با

v k = G M R ; (\displaystyle v_(k)=(\sqrt (G(\frac (M)(R))))؛)

با مساوی کردن سمت راست معادلات به عبارت قبلی می رسیم. شعاع GSO:

R = G M ω 2 3 (\displaystyle R=(\sqrt[(3)](G(\frac (M)(\omega ^(2)))))

سرعت مداری

سرعت حرکت در مدار زمین ثابت با ضرب سرعت زاویه ای در شعاع مدار محاسبه می شود:

v = ω ⋅ R = 3، 07 (\displaystyle v=\omega \cdot R=3(,)07) کیلومتر بر ثانیه

این تقریباً 2.5 برابر کمتر از اولین سرعت کیهانی برابر با 8 کیلومتر بر ثانیه در مدار نزدیک زمین (با شعاع 6400 کیلومتر) است. از آنجایی که مجذور سرعت یک مدار دایره ای با شعاع آن نسبت معکوس دارد،

v = G M R ; (\displaystyle v=(\sqrt (G(\frac (M)(R))))؛)

سپس کاهش سرعت نسبت به اولین سرعت فضایی با افزایش شعاع مدار بیش از 6 برابر حاصل می شود.

R ≈ 6400 ⋅ (8 3، 07) 2 ≈ 43000 (\displaystyle R\approx \,\!(6400\cdot \left((\frac (8)(3(,)07))\راست)^(2 ))\تقریبا\,\!43000)

طول مدار

طول مدار زمین ایستا: 2 ⋅ π ⋅ R (\displaystyle (2\cdot \pi \cdot R)). با شعاع مدار 42164 کیلومتر، طول مداری 264924 کیلومتری به دست می آید.

طول مدار برای محاسبه "ایستگاه-ایستگاه" ماهواره ها بسیار مهم است.

نگهداری ماهواره در موقعیت مداری در مدار زمین ثابت

2) شیب مدار به استوا (از صفر اولیه) با سرعتی در حدود 0.85 درجه در سال افزایش می یابد و در 26.5 سال به حداکثر مقدار 15 درجه می رسد.

برای جبران این اختلالات و نگه داشتن ماهواره در موقعیت تعیین شده، ماهواره به یک سیستم رانش (موشک شیمیایی یا الکتریکی) مجهز شده است. روشن شدن دوره ای رانشگرها (تصحیح "شمال-جنوب" برای جبران رشد شیب مدار و "غرب به شرق" برای جبران رانش در طول مدار) ماهواره را در موقعیت تعیین شده نگه می دارد. چنین آخال‌هایی چندین بار در چند روز (10-15) انجام می‌شود. قابل توجه است که اصلاح شمال به جنوب به افزایش بسیار بیشتری در سرعت مشخصه (حدود 50-45 متر بر ثانیه در سال) نسبت به اصلاح طولی (حدود 2 متر بر ثانیه در سال) نیاز دارد. برای اطمینان از تصحیح مدار ماهواره در کل دوره کارکرد آن (12-15 سال برای ماهواره های تلویزیونی مدرن)، عرضه قابل توجهی سوخت در کشتی مورد نیاز است (صدها کیلوگرم، در مورد موتورهای شیمیایی). موتور موشک شیمیایی ماهواره دارای منبع سوخت جابه‌جایی (گاز تقویت‌کننده هلیوم) است، بر روی اجزای بلندمدت با جوش بالا (معمولاً دی متیل هیدرازین نامتقارن و تترااکسید دیتروژن) کار می‌کند. تعدادی از ماهواره ها مجهز به موتورهای پلاسما هستند. رانش آنها در رابطه با مواد شیمیایی به طور قابل توجهی کمتر است، با این حال، راندمان بیشتر آنها اجازه می دهد (به دلیل کار طولانی، که در ده ها دقیقه برای یک مانور اندازه گیری می شود) جرم مورد نیاز سوخت را به شدت کاهش دهد. انتخاب نوع پیشرانه توسط ویژگی های فنی خاص دستگاه تعیین می شود.

ظرفیت سوخت اصلی ترین عامل محدود کننده در طول عمر یک ماهواره در مدار زمین ثابت است.

معایب مدار زمین ثابت

تاخیر سیگنال

ارتباط از طریق ماهواره های زمین ایستا با تاخیر زیاد در انتشار سیگنال مشخص می شود. با ارتفاع مداری 35786 کیلومتر و سرعت نور در حدود 300000 کیلومتر بر ثانیه، مسیر پرتو زمین-ماهواره به حدود 0.12 ثانیه نیاز دارد. مسیر پرتو "زمین (فرستنده) → ماهواره → زمین (گیرنده)" ≈0.24 ثانیه. تأخیر کل (اندازه گیری شده توسط ابزار Ping) هنگام استفاده از ارتباطات ماهواره ای برای دریافت و ارسال داده تقریباً نیم ثانیه خواهد بود. با در نظر گرفتن تاخیر سیگنال در تجهیزات ماهواره ای، در تجهیزات و در سیستم های انتقال کابلی خدمات زمینی، کل تاخیر سیگنال در طول مسیر "منبع سیگنال → ماهواره → گیرنده" می تواند به 2-4 ثانیه برسد. چنین تاخیری استفاده از ماهواره های GSO در تلفن را دشوار می کند و استفاده از ارتباطات ماهواره ای با استفاده از GSO را در سرویس های مختلف بلادرنگ (مثلاً در بازی های آنلاین) غیرممکن می کند.

نامرئی بودن GSO از عرض های جغرافیایی بالا

از آنجایی که مدار زمین ثابت از عرض های جغرافیایی بالا (تقریباً از 81 درجه تا قطب ها) قابل مشاهده نیست و در عرض های جغرافیایی بالای 75 درجه بسیار پایین بالای افق مشاهده می شود (در شرایط واقعی، ماهواره ها به سادگی توسط اجسام بیرون زده و زمین پنهان می شوند) فقط بخش کوچکی از مدار قابل مشاهده است ( جدول را ببینیدپس از آن ارتباط و پخش تلویزیونی با استفاده از GSO در مناطق با عرض جغرافیایی بالا شمال دور (منطقه قطبی) و قطب جنوب غیرممکن است.