인공 지구 위성의 궤도. 위성 궤도의 유형과 정의 위성 궤도 란 무엇입니까?
지구 위의 우주 공간에서 위성은 다음과 같은 특정 궤도를 따라 이동합니다. 인공 지구 위성의 궤도. 궤도는 작용하는 힘장의 구성을 고려하여 미리 결정된 공간 좌표 시스템을 따라 앞으로 이동하는 모든 물질 객체(우리의 경우 위성)의 이동(또는 라틴어 "경로, 도로"에서 번역)의 궤적입니다. 그것.
인공 지구 위성(AES)은 극, 경사, 적도(정지궤도)의 세 가지 궤도로 이동합니다.
극 궤도는 적도면을 기준으로 90°(영어 경사에서 문자 "i"로 표시)의 각도 경사를 갖습니다. 이 각도는 분과 초 단위로도 측정됩니다. 극궤도는 동기식 또는 준동기식일 수 있습니다.
기울어진 궤도는 극과 적도 사이에 위치합니다. 인공 지구 위성의 궤도, 변위된 예각을 형성합니다.
극궤도와 경사궤도의 주요 단점은 위성이 궤도에서 지속적으로 움직이기 때문에 위치를 추적하려면 위성 신호를 수신하도록 안테나를 지속적으로 조정해야 한다는 것입니다. 안테나를 위성 위치에 자동으로 조정하려면 설치 및 유지 관리가 매우 어려운 고가의 특수 장비가 필요합니다.
정지궤도(적도라고도 함)는 편차가 0이며 우리 행성의 적도면에 위치합니다. 그것을 따라 움직이는 위성은 지구가 축을 중심으로 회전하는 데 걸리는 시간과 동일한 완전한 회전을 만듭니다. 즉, 지상 관측자와 관련하여 이러한 위성은 한 지점에서 움직이지 않는 것처럼 보입니다.
1-정지궤도(GSO) 또는 적도 궤도.
2-경사 궤도.
3극 궤도.
정지 궤도의 지구 표면 위 높이( GSO)는 35876km, 반경은 42241km, 길이(길이)는 265409km입니다. 위성을 발사할 때 이러한 매개변수를 고려해야 합니다. GSO그러면 지구상에 있는 관찰자와 관련하여 그러한 부동성을 달성하는 것이 가능할 것입니다.
대부분의 상업용 위성을 발사하는 데 사용되는 정지 궤도입니다. 위성 속도 GSO대략 3000m/s와 같습니다.
정지 궤도에는 그 장점 외에도 약한 측면도 있습니다. 지구의 극지방에서는 지형 각도가 매우 작기 때문에 정지 궤도의 과포화로 인해 신호 전송이 불가능해집니다. 서로 짧은 거리에 여러 개의 위성이 축적됩니다.
위성 텔레비전의 경우 다음 위치에 있는 위성 GSO, 따라서 사용자의 안테나는 고정되어 있습니다. 위도가 북쪽에 가까울수록 수신할 수 있는 위성 수가 적어집니다.
일반적으로 위성 접시는 두 가지 좌표, 즉 방위각(시계 방향으로 결정되는 "북쪽" 방향과 수평선 평면에서 위성 자체의 편차)과 고도(수평면과 위성 방향 사이의 각도)에 따라 조정됩니다. ).
정지궤도란 무엇인가? 이것은 지구의 적도 위에 위치한 원형 필드로, 인공 위성이 축을 중심으로 행성 회전의 각속도로 회전합니다. 수평 좌표계에서 방향을 바꾸지 않고 하늘에 움직이지 않고 매달려 있습니다. 정지 지구 궤도(GEO)는 일종의 지구 동기 필드이며 통신, 텔레비전 방송 및 기타 위성을 배치하는 데 사용됩니다.
인공 장치를 사용한다는 아이디어
정지 궤도의 개념은 러시아 발명가 K. E. Tsiolkovsky에 의해 시작되었습니다. 그의 작품에서 그는 궤도 관측소의 도움으로 공간을 채울 것을 제안했습니다. 외국 과학자들은 또한 G. Oberth와 같은 우주 분야의 작업을 설명했습니다. 통신을 위해 궤도를 사용한다는 개념을 개발한 사람은 Arthur C. Clarke입니다. 1945년에 그는 Wireless World 잡지에 정지궤도 분야의 장점을 설명하는 기사를 게재했습니다. 이 분야에서의 그의 활발한 연구를 위해 과학자를 기리기 위해 궤도는 "클라크 벨트"라는 두 번째 이름을 받았습니다. 많은 이론가들은 고품질 의사소통을 구현하는 문제에 대해 생각해 왔습니다. 따라서 1928년 Herman Potochnik은 정지궤도 위성을 어떻게 사용할 수 있는지에 대한 아이디어를 표현했습니다.
'클라크 벨트'의 특징
정지 궤도라고 부르려면 다음과 같은 여러 매개변수를 충족해야 합니다.
1. 지리동시성. 이 특성에는 지구의 자전 주기에 해당하는 주기를 갖는 필드가 포함됩니다. 지구 동기 위성은 항성일(23시간 56분 4초)에 행성 주위의 궤도를 완료합니다. 지구는 고정된 공간에서 한 번의 회전을 완료하는 데 동일한 시간이 필요합니다.
2. 위성을 특정 지점에 유지하려면 정지 궤도는 경사가 0인 원형이어야 합니다. 타원형 필드는 우주선이 궤도의 특정 지점에서 다르게 움직이기 때문에 동쪽이나 서쪽으로 변위를 초래합니다.
3. 공간 메커니즘의 "호버링 지점"은 적도에 있어야 합니다.
4. 정지 궤도에 있는 위성의 위치는 통신용으로 사용되는 적은 수의 주파수로 인해 수신 및 전송 중에 서로 다른 장치의 주파수가 겹치거나 충돌을 방지할 수 있어야 합니다.
5. 공간 메커니즘의 일정한 위치를 유지하기에 충분한 양의 연료.
위성의 정지 궤도는 해당 매개변수를 결합해야만 장치가 정지 상태를 유지할 수 있다는 점에서 독특합니다. 또 다른 특징은 우주장에 위치한 위성으로부터 17도 각도로 지구를 볼 수 있다는 것입니다. 각 장치는 궤도 표면의 약 1/3을 차지하므로 세 가지 메커니즘이 거의 행성 전체를 덮을 수 있습니다.
인공위성
위성은 많은 국가와 기업에서 발사되었습니다. 세계 최초의 인공 장치는 소련에서 제작되어 1957년 10월 4일에 우주로 날아갔습니다. 스푸트니크 1호로 명명됐다. 1958년 미국은 두 번째 우주선인 익스플로러 1호를 발사했다. 1964년 NASA가 발사한 최초의 위성은 Syncom-3으로 명명되었습니다. 인공기기는 대부분 반품이 불가하지만 일부 또는 전부 반품되는 경우도 있습니다. 이는 과학적 연구를 수행하고 다양한 문제를 해결하는 데 사용됩니다. 따라서 군사, 연구, 항법 위성 등이 있습니다. 대학 직원이나 라디오 아마추어가 만든 장치도 출시됩니다.
"서 있는 지점"
정지궤도 위성은 해발 35,786km 고도에 위치합니다. 이 고도는 별을 기준으로 한 지구의 자전 주기에 해당하는 궤도 주기를 제공합니다. 인공 차량은 정지되어 있으므로 정지 궤도에서의 위치를 "서 있는 지점"이라고 합니다. 호버링은 지속적인 장기 통신을 보장하며 일단 방향이 지정되면 안테나는 항상 원하는 위성을 향하게 됩니다.
움직임
위성은 지구 전달장(geotransfer field)을 사용하여 저고도 궤도에서 정지 궤도로 이동할 수 있습니다. 후자는 낮은 고도의 지점과 정지궤도권에 가까운 고도의 정점을 갖는 타원형 경로입니다. 추가 작업에 부적합해진 위성은 GEO 위 200-300km에 위치한 폐기 궤도로 보내집니다.
정지궤도 고도
특정 분야의 위성은 지구로부터 일정 거리를 유지하며 접근하거나 멀어지지 않습니다. 항상 적도의 특정 지점 위에 위치합니다. 이러한 특징을 바탕으로 중력과 원심력이 서로 균형을 이룹니다. 정지궤도의 고도는 고전 역학을 기반으로 한 방법을 사용하여 계산됩니다. 이 경우 중력과 원심력의 대응이 고려됩니다. 첫 번째 수량의 값은 뉴턴의 만유인력 법칙을 사용하여 결정됩니다. 원심력 표시기는 위성의 질량에 구심 가속도를 곱하여 계산됩니다. 중력 질량과 관성 질량이 동일하다는 결과는 궤도 고도가 위성의 질량에 의존하지 않는다는 결론입니다. 따라서 정지궤도는 주어진 고도에서 지구 중력에 의해 생성되는 중력과 원심력의 크기가 같고 방향이 반대인 고도에 의해서만 결정됩니다.
구심 가속도 계산 공식에서 각속도를 찾을 수 있습니다. 정지 궤도의 반경도 이 공식을 사용하거나 지구 중심 중력 상수를 각속도의 제곱으로 나누어 결정됩니다. 길이는 42,164km입니다. 지구의 적도 반경을 고려하면 35,786km에 해당하는 높이를 얻습니다.
계산은 행성의 회전 운동과 일치하는 위성의 각속도와 함께 지구 중심으로부터의 거리인 궤도 고도가 선형을 발생시킨다는 진술을 기반으로 다른 방식으로 수행될 수 있습니다. 주어진 고도에서의 첫 번째 우주 속도와 동일한 속도.
정지 궤도의 속도. 길이
이 표시기는 각속도에 필드 반경을 곱하여 계산됩니다. 궤도 속도의 값은 초당 3.07km로, 이는 지구 근처 경로의 첫 번째 우주 속도보다 훨씬 낮습니다. 속도를 줄이려면 궤도반경을 6배 이상 늘려야 한다. 길이는 Pi와 반지름에 2를 곱하여 계산됩니다. 264924km입니다. 위성의 "입장 지점"을 계산할 때 표시기가 고려됩니다.
힘의 영향
인공 메커니즘이 회전하는 궤도의 매개 변수는 달-태양 중력 교란, 지구 필드의 불균일성 및 적도의 타원율의 영향으로 변경될 수 있습니다. 현장의 변형은 다음과 같은 현상으로 표현됩니다.
- 정지 궤도의 잠재적인 구멍이라고 불리는 안정적인 평형 지점을 향해 궤도를 따라 위치에서 위성의 변위입니다.
- 적도에 대한 들판의 경사각은 일정한 속도로 증가하여 26년 5개월에 한 번씩 15도에 도달합니다.
위성을 원하는 "입장 지점"에 유지하기 위해 10~15일마다 여러 번 켜지는 추진 시스템이 장착되어 있습니다. 따라서 궤도 경사의 증가를 보상하기 위해 "북-남" 보정이 사용되며, 필드를 따른 드리프트를 보상하기 위해 "서-동" 보정이 사용됩니다. 전체 수명 동안 위성의 경로를 조절하려면 탑재된 대량의 연료 공급이 필요합니다.
추진 시스템
장치 선택은 위성의 개별 기술적 특징에 따라 결정됩니다. 예를 들어, 화학 로켓 엔진은 변위 연료 공급 장치를 갖추고 오랫동안 저장된 고비점 구성 요소(사산화이질소, 비대칭 디메틸히드라진)에서 작동합니다. 플라즈마 장치는 추력이 현저히 적지만 한 번의 이동에 수십 분에 걸쳐 측정되는 장시간 작동으로 인해 탑승 시 소비되는 연료의 양을 크게 줄일 수 있습니다. 이러한 유형의 추진 시스템은 위성을 다른 궤도 위치로 조종하는 데 사용됩니다. 장치 수명의 주요 제한 요소는 정지 궤도의 연료 공급입니다.
인공장의 단점
정지궤도 위성과의 상호작용에 있어 중요한 단점은 신호 전파가 크게 지연된다는 점입니다. 따라서 초당 30만km의 빛의 속도와 35,786km의 궤도고도에서 지구위성빔의 이동시간은 약 0.12초, 지구위성-지구빔의 이동시간은 0.24초가 소요된다. 지상파 서비스의 장비 및 케이블 전송 시스템의 신호 지연을 고려하면 "소스-위성-수신기" 신호의 총 지연은 약 2~4초에 이릅니다. 이 표시기는 전화 통신을 위한 궤도상의 장치 사용을 상당히 복잡하게 만들고 실시간 시스템에서 위성 통신을 사용하는 것을 불가능하게 만듭니다.
또 다른 단점은 고위도 지역에서는 정지 궤도가 보이지 않아 북극과 남극 지역의 통신 및 텔레비전 방송을 방해한다는 것입니다. 태양과 송신 위성이 수신 안테나와 일직선에 있는 상황에서는 신호가 감소하고 때로는 완전히 신호가 없는 경우도 있습니다. 정지 궤도에서는 위성의 부동성으로 인해 이 현상이 특히 명확하게 나타납니다.
도플러 효과
이 현상은 송신기와 수신기의 상호 움직임에 따른 전자기 진동 주파수의 변화로 구성됩니다. 이 현상은 시간에 따른 거리 변화와 궤도상의 인공 차량의 움직임으로 표현됩니다. 그 효과는 위성 반송파 주파수의 낮은 안정성으로 나타나며, 이는 온보드 중계기 및 지구국 주파수의 하드웨어 불안정성에 추가되어 신호 수신을 복잡하게 만듭니다. 도플러 효과는 제어할 수 없는 변조 진동 주파수의 변화에 기여합니다. 통신위성이나 텔레비전 직접방송을 궤도에서 사용하는 경우 이러한 현상은 실질적으로 제거된다. 즉, 수신점에서의 신호레벨에는 변화가 없다.
정지궤도 분야에 대한 세계의 태도
우주 궤도의 탄생은 많은 질문과 국제법적 문제를 야기했습니다. 다수의 위원회, 특히 유엔이 결의안에 참여합니다. 적도에 위치한 일부 국가는 영토 위에 위치한 우주 분야의 일부에 대한 주권 확장을 주장했습니다. 각 주에서는 정지궤도가 행성의 존재와 관련된 물리적 요소이며 지구의 중력장에 따라 달라지므로 필드 세그먼트는 자국 영토의 확장이라고 명시했습니다. 그러나 그러한 주장은 거부되었습니다. 왜냐하면 세계에는 우주 공간을 점유하지 않는다는 원칙이 있기 때문입니다. 궤도 및 위성 작동과 관련된 모든 문제는 글로벌 수준에서 해결됩니다.
이 섹션에서는 위성 궤도의 유형을 고려할 것입니다. 모든 위성은 지구를 초점 중 하나에 두고 타원 모양으로 움직입니다. 결과적으로 모든 유형의 궤도는 타원형입니다. 궤도의 주요 분할은 경사에 의해 이루어집니다. "나"궤도 및 장반경 값 "ㅏ". 또한, 이심률의 크기에 따라 구분이 가능하다. "이자형"- 낮은 타원형 및 높은 타원형 궤도. 다양한 이심률 값에서 궤도 모양의 변화를 시각적으로 표현한 내용은 다음과 같습니다. .경사에 따른 위성 궤도 분류
일반적으로 위성 궤도의 기울기는 0° "i" 범위에 있습니다. 12). 지구 표면 위 위성의 기울기와 고도에 따라 가시 영역의 위치는 위도 경계가 다르며 표면 위의 높이에 따라 해당 영역의 반경이 다릅니다. 경사도가 클수록 위성을 볼 수 있는 북위도가 늘어나고, 높을수록 가시성 영역이 넓어집니다. 그래서 성향은 "나"및 주요 축 "ㅏ"지구 표면과 그 폭에 대한 위성 가시 대역의 움직임을 결정합니다.일반적으로 궤도 매개변수는 기울기에 따라 달라집니다. "나", 반장축 "ㅏ"그리고 편심 "이자형".
적도 궤도
적도궤도는 경사가 있는 궤도의 극단적인 경우이다. "나"= 0°(참조 ). 이 경우 궤도의 세차 및 회전은 각각 최대 10°/일 및 최대 20°/일입니다. 적도를 따라 위치하는 위성의 가시성 대역 폭은 지구 표면 위의 높이에 따라 결정됩니다. 낮은 경사 궤도 "나"종종 "적도 근처"라고 불립니다.극궤도
극궤도는 궤도의 두 번째 극단적인 경우입니다. "나"= 90°(참조 ). 이 경우 궤도의 세차운동은 없으며 궤도의 회전은 위성의 회전과 반대 방향으로 일어나며 5°/일을 초과하지 않습니다. 유사한 극 위성이 지구 표면의 모든 영역을 순차적으로 통과합니다. 위성의 가시성 대역 폭은 지구 표면 위의 높이에 따라 결정되지만 조만간 어느 지점에서나 위성을 볼 수 있습니다. 경사가 있는 궤도 "나", 90°에 가까운 각도를 "아극성"이라고 합니다.태양 동기 궤도
태양동기궤도( MTR)는 지구 표면 사진을 찍는 위성이 자주 사용하는 특별한 유형의 궤도입니다. 이는 위성이 대략 동일한 현지 태양 시간에 지구 표면의 어느 지점이든 통과하는 매개변수를 갖는 궤도입니다. 이러한 위성의 움직임은 지구 표면을 따라 터미네이터 라인의 움직임과 동기화됩니다. 이로 인해 위성은 항상 조명이 있는 영역과 조명이 없는 영역의 경계 위로 또는 항상 조명이 있는 영역에서 또는 그 반대로 비행할 수 있습니다. - 항상 밤에, 지구의 같은 지점 위로 비행할 때의 조명 조건은 항상 동일합니다. 이 효과를 얻으려면 궤도는 태양 주위의 지구의 자전을 보상하기 위해 매년 360°씩 지구 자전의 반대 방향(즉, 동쪽)으로 움직여야 합니다. 이러한 조건은 특정 범위의 궤도 고도 및 기울기에 대해서만 충족됩니다. 일반적으로 고도 600-800km 및 기울기입니다. "나"약 98°여야 합니다. 즉, 태양 동기 궤도의 AES는 역방향 모션을 갖습니다(참조: 쌀. 15). 위성의 비행 고도가 높아질수록 기울기도 커져야 하기 때문에 극지방 상공을 비행하지 못하게 됩니다. 일반적으로 태양 동기 궤도는 원형에 가깝지만 눈에 띄게 타원형일 수도 있습니다.
일반적으로 태양 동기 궤도에 필요한 기울기는 다음과 같습니다. 나 봄 여름 시즌다음 공식을 사용하여 계산할 수 있습니다.
여기서 "e"는 위성 궤도의 이심률이고, "a"는 위성 궤도의 장반경(km)입니다(a = h + R W, "h"는 지구 표면까지의 근지점 거리, "RW" = 6371km 반경은 지구이다).
~에 쌀. 16지구 표면 위 위성의 이심률 "e"와 근지점 높이 "h"의 다양한 값에 대해 위성이 태양 동기가 되기 위해 필요한 위성 궤도 경사의 그래프를 보여줍니다.
교란의 영향으로 위성은 점차 동기화 모드에서 벗어나므로 엔진을 사용하여 주기적으로 궤도를 수정해야 합니다.
장반경에 따른 위성 궤도 분류
두 번째 분류는 장반경의 크기, 보다 정확하게는 지구 표면 위의 높이를 기준으로 합니다.저지구궤도(LEO) 위성
저궤도 위성( 코(러시아인) 쌀. 17, 에이들어보세요))는 일반적으로 지구 표면 위 160km에서 2000km 사이의 고도를 가진 위성으로 간주됩니다. 영어 문헌에서 이러한 궤도 (및 위성)를 LEO라고합니다 (영어 " 엘아야 이자형아트 영형 rbit"). LEO 궤도는 지구 중력장과 상부 대기로 인해 최대 교란을 받습니다. LEO 위성의 각속도는 최대 0.2°/s ~ 2.8°/s, 궤도 주기는 87.6분 ~ 127분입니다. 분 .중궤도 위성(MEO)
중궤도 위성( 위급 신호(러시아어) 또는 "메오"- 영어로부터 " 중에디움 이자형아트 영형 rbit")는 일반적으로 지구 표면 위 2000km ~ 35786km의 고도를 가진 위성으로 간주됩니다( 쌀. 17, 비). 하한은 LEO 경계에 의해 결정되고 상한은 정지 위성의 궤도에 의해 결정됩니다(아래 참조). 이 구역은 주로 내비게이션 위성(GPS 시스템의 NAVSTAR 위성은 고도 20,200km에서 비행하고 GLONASS 시스템 위성은 고도 19,100km에서 비행)과 지구의 극을 포괄하는 통신으로 "밀집"됩니다. 순환주기는 127분부터 24시간까지이다. 각속도 - 초당 호분의 단위 및 분수.정지궤도 및 정지동기 위성 궤도
정지궤도 위성( GSS(러시아어) 또는 "GSO"- 영어로부터 " G어 에스동기식 영형 rbit")는 항성일(항성일)(23시간 56m 4.09초)과 동일한 지구 주위 공전 주기를 갖는 위성으로 간주됩니다. "나"궤도가 0이면 이러한 궤도를 정지궤도라고 합니다(참조. 쌀. 18, 에이). 정지궤도 위성은 지구 표면 위 35,786km 고도에서 비행합니다. 왜냐하면 회전 주기가 축을 중심으로 하는 지구의 회전 주기와 일치하기 때문에 이러한 위성은 한 곳의 하늘에 "매달려 있습니다"(그림 1 참조). 쌀. 19). 성향이 그렇다면 "나"가 0이 아닌 경우 이러한 위성을 정지동기 위성이라고 합니다(참조: 쌀. 18, 비). 실제로 많은 정지궤도 위성은 약간의 기울어짐이 있고 달과 태양의 교란을 받기 때문에 하늘에 남북 방향으로 긴 '8자' 형태로 형상을 나타냅니다.
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쌀. 18. 정지궤도(a) 및 정지동기(b) 위성. |
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쌀. 그림 19. 하늘 회전 배경에 정지해 있는 GEO 이미지: 1 - Eutelsat W4(NORAD No. 26369), 2 - Eutelsat W7(NORAD No. 36101). 획은 별의 궤적이다. 2010년 6월 6일 관측소에서 촬영 RS Jupiter 36B 렌즈와 Canon 30D DSLR 카메라에는 셔터 속도가 각각 30초인 12개의 프레임이 쌓였습니다. © V. Povalishev, V. Mechinsky. |
GSS 궤적의 유형에 대해 이야기하면 경사각 "i", 이심률 "e" 및 위성 궤도의 근지점 인수 "Wp"의 값에 의해 결정됩니다(참조. ). 궤도의 이심률과 기울기가 0이면 하위 위성 지점은 움직이지 않고 지구 표면의 특정 지점에 투영됩니다. 0이 아닌 편심률과 0 경사도를 사용하여 GSS는 동쪽에서 서쪽으로 이동하고 0 위치에서 ΔL max = 114.6° e 이하로 이동하면서 표면에 세그먼트를 "그립니다". 편심 e=0.01에서 변위는 1.2°를 넘지 않습니다. 경사가 0이 아니고 이심률이 0이면 GSS는 고전적인 "8"을 "그립니다". 그림의 각도 높이 2Θ는 궤도 경사 i 값의 두 배, 최대 너비 ΔL과 같습니다. max는 공식 0.044 i 2로 계산됩니다(기울기 "i"는 도 단위로 표시됨). 0이 아닌 "i"와 "e"를 갖는 가장 일반적인 경우, 지구 표면의 GSS 트랙은 "기울어진 숫자 8", 각도 높이 2Θ = i, 최대 폭 ΔL max = 114.6° e이며, "그림 8"은 궤도의 근지점 인수 "W p"가 0° 및 180°인 경우에만 얻어지며, 다른 경우에는 더 복잡한 그림(타원형과 숫자 8 사이)이 얻어집니다.
이미 명확해지고 있는 바와 같이, 대중적인 믿음과는 달리 GSS는 정확히 한 지점에서 하늘에 "매달려 있지" 않습니다. 위성 궤도의 경사, 이심률 및 근지점 인수에 따라 GSS 궤적의 다소 복잡한 수치의 유형과 크기가 결정됩니다. 하늘. 또한 위성이 활성화되지 않은 경우, 즉 궤도를 조정하지 않고 별의 배경을 향해 상당히 빠른 속도로 이동하기 시작합니다. 다음 내용을 인용해 보겠습니다. “고정 위성에 탑재된 수정 추진 시스템의 필요성은 고정 궤도에 삽입하는 작업과 그 안에 있는 동안 지속적으로 여러 가지 방해를 받는다는 사실로 인해 발생합니다. 지구 중력장의 불균일성으로 인한 교란, 달과 태양의 중력장의 작용을 방해하는 교란, 심지어 빛의 압력도 포함됩니다. 예를 들어, 빛의 압력은 궤도를 따라 IS3의 장기간 움직임을 유발합니다. 상대적으로 가볍지만 큰 IS3의 경우 높이는 최대 100km이고 높이는 수십 킬로미터입니다(IS3의 질량이 클수록 크기가 작을수록 빛의 압력이 궤도에 미치는 영향은 작아집니다). 극지방의 지구로 인해 IS3는 고정 궤도를 따라 연간 최대 9.8°까지 이동하게 되며, 이로 인해 최대 3km의 진폭으로 고도 및 경사도가 주기적으로 교란되고 편차로 인해 다른 궤도 매개변수가 변경됩니다. 이상적인 원으로부터의 지구의 적도( 아래 사진 참조 - 낭창 ) 정지 상태의 IS3는 단 2개월 만에 궤도를 따라 약 3.3° 이동했으며, 고도 위치는 8km 이상 변동했습니다. 게다가 적도 압축으로 인한 최대 교란은 30°와 20°의 “서 있는” 지점 근처에서 발생합니다. d., 60 o 및 150 o w. d. 그리고 그 반대의 경우도, 고정된 IS3의 가장 안정적인 "서 있는" 지점은 북쪽이 75o이고 서쪽이 105o입니다. 등(스탠딩 포인트에 대한 자세한 내용은 아래를 참조하세요).
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그림 21. GOCE 위성 데이터에 따른 지구 지오이드의 모양. |
그리고 같은 장소에서: “IS3가 궤도에 진입한 후 수행되는 수정을 통해 고정 궤도에서 IS3 위치의 여러 가지 영속적 교란을 제거할 수 있습니다. 예를 들어, 궤도 평면 위치의 영속적 교란은 극지 압축의 영향으로 인해 발생하는 궤도 고도의 증가와 그에 따른 속도의 증가로 보상될 수 있습니다. 그러나 다른 교란 요인의 영향은 해결되지 않은 채 남아 있습니다(특히 지구의 적도 압축으로 인해). , 거의 항상 고정된 IS3의 "서 있는" 지점의 경도가 변경됩니다. 따라서 고정된 IS3의 운동에 대한 일시적인 수정이 필요하며 수정 횟수는 고정된 IS3의 허용 변위에 따라 달라집니다. 일반적으로 IS3의 허용 변위가 1o -4o를 초과하면 안 되며 고정된 IS3 조정 위치에서 연간 최대 6회 수정을 수행해야 합니다. 연간."
필수 궤도 수정 없이는 GSS가 정지 궤도에 머무를 수 없으므로 주기적인 수정이 필요합니다. 따라서 각 GSS에는 수정을 위한 예비 연료가 있으며, 연료가 끝나면 GSS는 폐기 궤도로 전환되고 꺼집니다(아래 참조). 드리프트 중 기존 GSS와 충돌 위험이 있습니다.
현재 16,000개 이상의 인공 기원 우주 물체가 지구 근처 및 정지 궤도에 등록되어 있습니다. 이 중 약 6%만이 "활성" 상태입니다. 작동. GSO는 많은 과학, 경제, 군사, 항해, 상업 및 기타 문제를 해결하는 데 가장 매력적이고 유익합니다. 활성 상태로 작동하는 위성의 약 80%가 정지궤도에 배치되어 있습니다. 일반적으로 이것은 모든 위성이 지구 표면의 한 지점 위에 지속적으로 매달리는 특수 궤도입니다.
물리학과 천체 역학의 관점에서 GEO의 존재는 두 가지 이유로 설명될 수 있습니다.
천체(이 경우 GSS)에 작용하는 모든 힘의 결과는 0입니다.
지구와 위성의 회전 각속도는 동일합니다.
, (**)
여기서 m 위성은 위성의 질량, M ⊕은 지구의 질량, G는 중력 상수, r은 위성에서 지구 중심까지의 거리 또는 궤도 반경입니다. 원심력의 크기는 다음과 같습니다.
. (***)
방정식 (**)과 (***)로부터 원형 궤도에서 위성의 속도를 결정할 수 있습니다.
.
지구와 위성의 회전 각속도가 같을 때 독특한 특성을 지닌 지역이 나타납니다. 그러한 평등은 천구의 적도 평면에서만 가능합니다. 위성이 적도면을 벗어나 회전하는 경우 지구와 위성의 회전 동기화를 보장하는 것은 불가능합니다. 지구 T 주위를 도는 위성의 궤도 주기는 궤도 길이 2πr을 위성의 속도 v로 나눈 값과 같습니다.
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위성의 궤도 주기 T가 자체 축을 중심으로 하는 지구의 회전 주기(23h 56m 04s)와 같을 때 위성은 지구의 동일한 영역 위에 "매달려" 있고 원형 궤도는 놓여 있습니다. 이 지역에서는 정지궤도라고 불립니다.
정지 궤도는 크기가 제한되어 있으며 지구의 적도 평면에 있습니다. 반경은 지구 중심에서 42164km입니다. 정지궤도에 있는 정지궤도 위성의 천체 좌표는 이론적으로 일정합니다. 수동 정지궤도 위성의 케플러 운동을 왜곡하는 주된 이유는 중력 교란(비구형 지구 전위, 달-태양 교란)이며, 표면적 대 질량 비율이 큰 GSS의 경우에도 비중력(광압)입니다. ) 요인. 교란 세력의 작용으로 인해 위성의 표류가 나타나 지구 주위의 회전주기가 변경됩니다. GSS의 회전 주기와 이론적인 회전 주기의 차이는 GSS의 평균 경도가 시간에 따라 변한다는 사실로 이어집니다. 위성의 회전 주기가 항성일보다 작으면 위성은 서쪽에서 동쪽으로 천천히 표류합니다. , 그렇지 않으면 동쪽에서 서쪽으로. 이심률 "e"와 0의 차이로 인해 GSS의 하위 위성 경도도 변경됩니다. 경도(약 12시간의 주기와 궤도 경사각의 제곱에 비례하는 진폭)와 위도(24시간의 주기와 기울기 "i" 자체와 동일한 진폭)에는 약간의 변화가 있습니다. 결과적으로 하위 위성 지점은 지구 표면의 잘 알려진 "8자 모양"을 나타냅니다(그림 1 참조). ).
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쌀. 22. GSS "RAGUGA 22"(SCN: 19596)의 일일 궤적. |
지구의 지구 전위(지구 중력장의 이질성) 확장에서 세로 항의 공진 영향은 다음과 같은 사실로 이어집니다. 정지 궤도에는 동쪽 경도가 75°인 두 개의 안정적인 평형 위치(점)가 있습니다. (해방점 엘 1 ) 및 255°E. (해방점엘 2 ) . 그리고 두 개의 불안정한 지점은 안정된 지점에서 약 90° 간격으로 떨어져 있습니다. "n" 물체 문제를 풀 때 GEO의 이러한 해방점은 천체 역학의 해방점과 식별되어서는 안 됩니다.
지구 주위에는 정지 궤도가 하나만 있습니다. GEO로의 위성 발사는 1963년에 시작되었습니다. 21세기 초, 지구상 40개 이상의 국가가 자체 정지궤도 위성을 보유하고 있습니다. 매년 수십 개의 위성이 GEO로 발사되고, 궤도도 점차적으로 소모된 위성으로 채워집니다. GSO에서는 중고 차량과 발사 차량의 폭발이 지속적으로 발생합니다. 이러한 폭발은 작동 장치를 비활성화할 수 있는 수십 또는 수백 개의 공간 조각을 생성합니다. 우주 잔해로 인해 이 궤도가 막히면 돌이킬 수 없는 결과, 즉 위성의 안정적인 작동이 불가능해질 수 있습니다. GEO의 우주 쓰레기는 가까운 지구 궤도와 달리 수천 년 동안 지구 주위를 돌면서 작동하는 우주선과 충돌할 위험이 있습니다. 20세기 말부터 GSO 오염 문제는 지구적, 대규모 환경 문제가 되었다.
UN의 우주 공간의 평화적 이용에 관한 국제 협약과 국제 전파 위원회의 요구 사항(인접 GSS와의 무선 간섭을 피하기 위해)에 따라 GSS 사이의 각도 거리는 0.5° 이상이어야 합니다. 따라서 이론적으로 GSO에서 안전한 거리에 위치한 GSS의 개수는 720개를 넘지 않아야 합니다. 지난 10년 동안 GSS 간의 이러한 거리는 유지되지 않았습니다. 2011년 현재, 등록된 GSS의 수는 이미 1,500개를 넘어섰습니다.
정지궤도 위성은 일반적으로 주기가 22시간에서 26시간이고 이심률 "e"가 0.3 이하이고 적도면 "i"에 대한 궤도면의 기울기가 최대 15°인 위성으로 분류되지만 일부 출처에서는 다음을 찾을 수 있습니다. 더 자세한 분류와 더 엄격한 경계.
GSS의 분류는 "활동" 정도, 기능적 목적, 궤도 운동 등 여러 기준에 따라 수행될 수 있습니다. 첫 번째 기호에 따라 모든 GSS는 두 가지 클래스로 나눌 수 있습니다.
"활성" - 에너지 자원이 있고 지구의 명령에 의해 제어됩니다.
패시브(Passive)란 로켓 연료가 고갈되어 우주 쓰레기로 분류되는 지구에서 통제할 수 없는 인공 물체를 말합니다. 발사체, 위성을 궤도에 올려놓는 단계의 파편, 발사에 수반되는 수많은 부품, 궤도에서 장치가 폭발하거나 서로 또는 유성체와 충돌한 후 형성된 위성의 파편입니다.
과학적.
측지.
기상.
탐색.
군사 목적은 여러 하위 클래스(광학, 무선, 레이더 정찰, 핵 미사일 공격 경고 - 조기 경보 시스템)로 구분됩니다.
무선 통신 위성(상용 위성 포함)
공학.
고지구궤도(HEO) 위성
고궤도 위성( VOS(러시아어) 또는 "허"- 영어로부터 " 시간에잇 이자형아트 영형 rbit")는 지구 표면 위 35,786km 이상의 고도에 도달하는 위성, 즉 정지궤도 위성 위를 비행하는 위성으로 간주됩니다(참조: 그림 23). 궤도는 상당한 이심률을 가질 수 있습니다(예: Meridian 및 Molniya 시리즈의 위성). 이 경우 궤도는 매우 타원형이라고 합니다( WPP) 거의 원형입니다(예: Vela 위성(20세기 후반에 감마선 폭발이 발견된 위성)).
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쌀. 23. 풍력 발전소 궤도. |
각 GSS 위성에 대해 매장 궤도는 별도로 계산되며 최소 근지점 ΔH는 다음과 같습니다.
, (1)
어디 "씨 아르 자형 " - 가벼운 압력 계수), "에스"- 위성 지역, "중"- 질량.
원자로를 탑재한 저궤도 위성의 매몰궤도 고도는 약 1000km로, 원자로 노심은 가동이 완료된 후 옮겨진다.
우주선의 궤도(그림 2.7)는 중력의 영향에 의해 결정되는 중심력 분야에서의 경로이며, 우주선 자체는 질량이 질량에 비해 너무 작은 극소체로 간주됩니다. 중앙 몸체는 중앙 몸체에 끌리는 것으로 간주될 수 있지만 후자를 끌지는 않습니다. 인력장은 일반적으로 균질하고 구형인 물체에 의해 생성되는 중력장으로 정의됩니다. 인공위성과 관련하여 그러한 몸체는 중력장이 있는 지구입니다.
쌀. 2.7. 중앙체 분야의 우주선 궤도:
1 - 중앙 기관;
2- 중앙 몸체의 역장;
3- 원형 궤도;
4 - 타원형 궤도;
5 - 포물선 궤도; 6- 쌍곡선 궤도
중심 힘의 역장은 구형 대칭이며 각 지점의 인력은 인력 중심을 향해 방사형으로 향합니다 (그림 2.7, 화살표 크기는 중심에 접근 할 때 중력의 증가를 보여줍니다) 거리의 제곱에 반비례하는 법칙에 따라 중심체의 질량이 증가합니다.
1강의 자료를 통해 우리는 다른 물체 주위의 궤도를 따라 움직이는 물체가 케플러의 세 가지 법칙을 따른다는 것을 알고 있습니다. 이 경우 우리는 첫 번째와 세 번째 두 가지에만 관심이 있습니다.
에 따르면 케플러의 제1법칙, 지구를 중심으로 회전하는 몸체(우리의 경우)는 초점 중 하나가 지구 중심인 타원을 따라 움직입니다(그림 2.8). 우리는 여기서 물체가 타원, 쌍곡선, 포물선의 세 가지 유형의 궤도에서 움직일 수 있다는 점을 구체적으로 언급하지 않았습니다. 우리는 주기적인 궤도에만 관심이 있으며 나열된 것 중 하나가 타원입니다.
쌀. 2.8. 위성 궤도
타원의 요소는 그림 1에 나와 있습니다. 2.9. F1과 F2는 타원의 초점입니다. ㅏ– 반장축; 비– 반단축; 이자형– 타원의 이심률은 다음과 같이 결정됩니다.
따라서 첫 번째 중요한 점은 위성이 지구 주위를 타원으로 이동한다는 것입니다.
에 따르면 케플러의 제3법칙, 혁명 기간의 제곱 티위성은 장반경의 큐브와 관련되어 있습니다.
쌀. 2.9. 타원 요소
가장 일반적인 경우, 우주선의 궤적 방정식은 극좌표에서 원뿔 단면 방정식의 형태를 갖는 중심 힘 분야에서 자유 물체의 운동 방정식입니다 (그림 2.10) :
원뿔 단면의 매개변수는 어디에 있습니까?
이자형 =PC 1 – 원추형 단면의 편심;
와 함께그리고 와 함께 1 - 적분 상수.
쌀. 2.10. 지구 중심력 분야에서 우주선의 움직임:
1 - 중앙체(지구); 2 - 우주선 궤도;
3 - CA; 4 - 근지점 궤도; 아르 자형-우주선 반경 벡터;
V-총 속도; VR -반경 속도;
V ψ - 횡단 속도
식 (2.1)은 이심률 값에 따라 특정 모양이 결정되는 2차 곡선 방정식입니다. 이자형= 원의 경우 0, 이자형< 타원의 경우 1(그림 2.11), 전자 =포물선의 경우 1, 이자형> 쌍곡선의 경우 1입니다.
쌀. 2.11. 값이 증가함에 따라 타원 궤도의 모양이 변경됩니다.
이심률
발사체 비행의 마지막 단계는 우주선을 궤도로 발사하는 것이며, 그 모양은 발사체에 의해 우주선에 전달된 운동 에너지의 양, 즉 후자의 최종 속도 값에 의해 결정됩니다. 이 경우 우주선이 전달하는 운동에너지의 크기는 일정 거리에 존재하는 중심체의 장에너지 크기와 일정한 비율을 이루어야 한다. 아르 자형그 중심에서. 이 관계는 지속적인 에너지를 특징으로 합니다. 시간, 중앙 몸체의 필드 에너지와 멀리 떨어져 있는 이 필드에서 자유롭게 움직이는 우주선의 운동 에너지 간의 차이를 나타냅니다. 아르 자형그 중심에서, 즉
편심의 크기에 따라 이자형원에 대해 상수, 시간< 0 для эллипса, 시간= 포물선의 경우 0이고 시간> 쌍곡선의 경우 0입니다.
발사체의 최종 속도는 중력장에서 우주선의 궤도 진입을 보장하며,
일정한 에너지량 분석 시간, 우주선 궤도의 다양한 형태에 해당하며 의존성 (2.3)을 통해 발사체의 최종 속도 값을 설정하여 특정 궤도의 중력장에서 우주선의 비행을 보장할 수 있습니다.
발사체의 최종 속도는 우주선을 원형 궤도로 발사하는 것과 같아야 하며, - 타원형으로, - 포물선에 그리고 - 쌍곡선으로.
값이 있는 원형 궤도에 적용됨 아르 자형,지구 반경에 가깝습니다. 아르 자형= 6,371km, 우주선을 원형 궤도로 발사하기 위한 발사체의 최종 속도 V 0 ~ 7900m/s. 이것이 소위 1차 탈출 속도이다. 타원 궤도의 경우 종단 속도 V음 = 7,900 ~ 11,200m/초.
원형 및 타원형 궤도로 이동하는 우주선은 중력장에 있으며 수명이 제한되어 있습니다. 대기 잔해 및 기타 물질 입자의 존재는 시간이 지남에 따라 발사체에 의해 우주선에 전달되는 우주선의 속도를 감소시키고 지구의 역장을 제동하면 대기의 조밀한 층으로 들어가 파괴됩니다. 원형 및 타원형 궤도에서 우주선의 수명을 결정하는 주요 요인은 주요 감속이 발생하는 첫 번째 고도와 두 번째 근지점 고도입니다.
에너지 관점에서 포물선을 따라 우주선이 비행하는 것은 소위 두 번째 탈출 속도가 특징입니다. V p ≒ 11,200m/s, 이는 중력을 극복할 수 있게 해줍니다. 지구를 기준으로 포물선을 따라 이동하는 것은 중력 이외의 충격력이 없는 경우에만 가능합니다.
쌍곡선 궤도는 속도를 특징으로 합니다. V g > 11,200 m/s, 그중 소위 세 번째 탈출 속도가 중요합니다. V g ≒ 16,700m/s는 우주선이 지구 중력뿐만 아니라 태양 중력도 극복하고 태양계를 떠날 수 있는 가장 낮은 초기 속도입니다.
우주 비행 이론에서 쌍곡선 궤도는 우주선이 한 중심 몸체의 중력장에서 다른 중심 몸체의 중력장으로 전환되는 동시에 우주선이 하나의 중력 영역에서 벗어나 다른 중력 영역으로 들어가는 것처럼 보일 때 발생합니다.
일반적으로 발사체는 첫 번째 탈출 속도만 우주선에 전달하고 이를 원형 또는 타원형 궤도로 발사합니다. 두 번째 및 세 번째 우주 속도를 달성하는 것은 위성의 기준 궤도에서 시작하는 우주선 자체의 에너지로 인해 더 수익성이 높습니다.
포물선 궤적- 천체 역학 및 천체 역학에서 이심률이 1인 케플러 궤도. 몸체가 인력 중심에서 멀어지면 이러한 궤도를 탈출 궤도라고 하며, 접근하는 경우 이를 포획 궤도라고 합니다. 때때로 그러한 궤도를 궤도라고 부릅니다. C3 = 0(특성 에너지 참조)
표준 가정에 따르면 탈출 궤도에서 움직이는 물체는 포물선 모양으로 무한대로 이동하는 반면 중심 물체에 대한 상대 속도는 0이 되는 경향이 있습니다. 따라서 회전체는 중앙 회전체로 돌아 가지 않습니다. 포물선 궤도는 최소 에너지 탈출 궤도로, 쌍곡선 궤도를 타원형 궤도에서 분리합니다.
속도
표준 가정 하에서 궤도 속도 ( v (\디스플레이스타일 v\,)) 포물선 궤적을 따라 움직이는 신체의 는 다음과 같이 계산할 수 있습니다.
v = 2 μ r , (\displaystyle v=(\sqrt (2\mu \over (r))),)포물선 궤적의 어느 지점에서든 몸체는 주어진 지점에 대해 탈출 속도로 움직입니다.
물체가 지구에 대해 탈출 속도를 가지고 있다면 이 속도는 태양계를 떠나기에 충분하지 않습니다. 따라서 지구 근처의 궤도는 포물선 모양을 가지지만 지구에서 더 먼 거리에서는 궤도가 태양 주위의 타원 궤도로 변합니다.
신체 속도 ( v (\디스플레이스타일 v\,)) 포물선 궤도에서는 원형 궤도의 속도와 관련이 있으며, 그 반경은 궤도의 몸체와 중앙 몸체를 연결하는 반경 벡터의 길이와 같습니다.
v = 2 ⋅ v o , (\displaystyle v=(\sqrt (2))\cdot v_(o),)어디 v o (\displaystyle v_(o)\,)-원형 궤도에서 신체의 궤도 속도.
운동 방정식
표준 가정 하에서 포물선 궤도에서 움직이는 물체의 경우 궤도 방정식은 다음과 같은 형식을 취합니다.
r = h 2 μ 1 1 + cos ν , (\displaystyle r=((h^(2)) \over (\mu ))((1) \over (1+\cos \nu )),)에너지
포물선 궤적에 있는 신체의 에너지( ϵ (\디스플레이스타일\엡실론\,))는 주어진 몸체의 단위 질량당 0과 같으므로 주어진 궤도에 대한 에너지 보존 법칙은 다음과 같은 형식을 갖습니다.
ϵ = v 2 2 − μ r = 0 , (\displaystyle \epsilon =(v^(2) \over 2)-(\mu \over (r))=0,)이 동등성은 0 특성 에너지와 완전히 동일합니다.
C 3 = 0. (\displaystyle C_(3)=0.)바커의 방정식
Barker의 방정식은 이동 시간을 포물선 궤적에 있는 점의 실제 이상과 관련시킵니다.
T − T = 12 p 3 μ (D + 1 3 D 3) , (\displaystyle t-T=(\frac (1)(2))(\sqrt (\frac (p^(3))(\mu ) ))\왼쪽(D+(\frac (1)(3))D^(3)\오른쪽),)
보다 일반적으로 궤도에 있는 물체의 두 위치 사이의 시간 간격은 다음과 같이 표현될 수 있습니다. t f − t 0 = 1 2 p 3 μ (D f + 1 3 D f 3 − D 0 − 1 3 D 0 3) . (\displaystyle t_(f)-t_(0)=(\frac (1)(2))(\sqrt (\frac (p^(3))(\mu )))\left(D_(f)+ (\frac (1)(3))D_(f)^(3)-D_(0)-(\frac (1)(3))D_(0)^(3)\right).)
포물선 궤적 r p = p/2의 경우 중심 중심 거리를 기준으로 방정식을 다르게 작성할 수 있습니다.
T − T = 2 r p 3 μ (D + 1 3 D 3) . (\displaystyle t-T=(\sqrt (\frac (2r_(p)^(3))(\mu )))\left(D+(\frac (1)(3))D^(3)\right). )
A = 3 2 μ 2 r p 3 (t − T) , (\displaystyle A=(\frac (3)(2))(\sqrt (\frac (\mu )(2r_(p)^(3))) )(t-T),)두 물체의 상대 속도가 항상 탈출 속도와 동일한 방사형 궤적입니다. 두 가지 경우가 있습니다. 몸이 서로 멀어지거나 가까워지는 것입니다.
시간에 대한 위치의 의존성은 매우 간단한 형태를 갖습니다.
r = (4.5 μ t 2) 1 / 3 , (\displaystyle r=(4.5\mu t^(2))^(1/3)\!\,)어느 시점에서든 이후의 평균 속도는 현재 속도의 1.5배입니다.
순간을 만들기 위해 t = 0 (\표시스타일 t=0\!\,)궤도를 도는 몸체와 중앙 몸체의 표면의 접촉에 대응하여 시간 이동이 적용될 수 있습니다. 예를 들어 지구(및 평균 밀도가 동일한 기타 구형 대칭 몸체)의 경우 중앙 몸체와 동일한 시간 이동을 6분 20초에 적용해야 합니다.