Высокая эллиптическая орбита

Типичная орбита КА «Молния». Красными точками отмечено время движения спутника по орбите

Высокая эллиптическая орбита (ВЭО) — это тип эллиптической орбиты у которой высота в апогее во много раз превышает высоту в перигее.

Предназначение

По законам Кеплера спутники, использующие высокие эллиптические орбиты, двигаются с очень высокой скоростью в перигее, а затем сильно замедляются в апогее. Когда КА находится близко от апогея, у наземного наблюдателя создаётся впечатление, что спутник почти не двигается в течение нескольких часов, то есть его орбита становится квази-геостационарной. В течение 3,5 часов сигнал с него можно принимать на антенну диаметром 0,6 м без использования поворотного устройства. С другой стороны, точка квазигеостационара может быть расположена над любой точкой земного шара, а не только над экватором, как у геостационарных спутников. Это свойство используется в северных и южных широтах, сильно удалённых от экватора (выше 76—78° с.ш./ю.ш.), где угол места геостационарных спутников может быть очень низким, или даже отрицательным^{[нет в источнике][1]}. В этих зонах приём с геостационарного спутника сильно затруднён или вовсе невозможен, и спутники на высокоэллиптических орбитах являются единственной возможностью обеспечить обслуживание. Углы мест у высокоэллиптических спутников превышают 40° на краях зоны обслуживания и достигают 90° в её центре.

Орбиты ВЭО могут иметь любое наклонение, но часто имеют наклонение близкое к $\arcsin (\sqrt{4/5}) \approx 63,435^\circ$ для обнуления возмущения вызванного неправильной формой Земли, похожей на сплюснутый эллипсоид. При использовании такого наклонения орбита стабилизируется.

У эллиптических орбит аргумент перигея, находящийся между 180° и 360°, означает, что апогей находится над Северным полушарием. Напротив, аргумент перигея между 0° и 180° означает, что апогей находится над Южным полушарием. Апогей орбиты с аргументом перигея 0° или 180° будет находится точно над экватором, что с практической точки зрения не имеет смысла, поскольку в этом случае дешевле и проще использовать КА на геостационарной орбите (понадобится всего лишь один спутник вместо трёх).

Достоинства и недостатки

Спутники на ВЭО обладают следующими достоинствами:

• Возможность обслуживания очень большой территории. Так, например, такая система может обслуживать всю территорию России;
• Обслуживание в высоких широтах. Угол места в этих зонах у систем на ВЭО гораздо больше, чем у геостационарных спутников;^[1]
• Широкое использование различных частотных диапазонов на ВЭО без регистрации (в отличие от геостационарной орбиты, где уже практически не осталось ни свободного места, ни свободных частот);
• более дешевый вывод на орбиту (примерно в 1,8 раза)^[2].

В то же время, в настоящее время у систем на высокоэллиптических орбитах больше недостатков чем достоинств. К недостаткам относятся:

• необходимость иметь по крайней мере три спутника на орбите (вместо одного геостационарного) для создания квазигеостационарной системы. В случае обеспечения круглосуточного непрерывного вещания, количество КА возрастает до семи^[2];
• приемная антенна должна обладать функцией слежения. Поэтому первоначальная стоимость такой антенны и стоимость её обслуживания будут выше, чем у простой фиксированной антенны;
• в высоких широтах плотность населения гораздо ниже чем в средних районах, поэтому вопрос окупаемости такой системы очень сомнителен;
• апогей спутников на ВЭО выше, чем у ГСО, поэтому мощность передатчиков должна быть выше, до 400—500 ватт. Это удорожает спутники;^[1]
• орбита спутников на ВЭО обычно пересекает радиационные пояса, что сильно сокращает срок службы КА. Для того чтобы избавиться от этой проблемы, необходимо иметь орбиту с апогеем около 50 тыс. км и перигеем около 20 тыс. км^[2] то есть использовать орбиту «Тундра»;
• так как КА движутся по орбите, эффект Доплера создает дополнительные трудности для приемников на Земле^[3];
• из-за большого времени распространения сигнала, возникают сложности при использовании приложений, работающих в реальном масштабе времени, такими как телефония^[3].

Примеры использования

Существует несколько известных систем, которые используют высокоэллиптические орбиты.

Примеры высокоэллиптических орбит
Системы использующие ВЭО	Название орбиты	Предназначение	Аргумент широты перигея	Наклонение	Период обращения КА	Высота в перигее	Высота в апогее.
«Молния-1Т», «-3», «-3К», «Меридиан»	Молния	Спутниковая связь	280°	62.8°	11 час 57 мин 45 сек	около 500 км	около 40 000 км
«Sirius XM Radio»[3]	Тундра	Спутниковое радио	269°	62.1538°	23 часа 56 мин 04 сек	24 475 км	47 093 км
Интеграл[3][4][5]		Космическая обсерватория	300°	51.6° (в начале миссии)	4 309.6 мин	9 743.2 км	152 963.8 км
Кластер[3]		Научный КА		101.5°	3 427.6 мин	8 585.9 км	129 281.5 км
Орбитальная Геофизическая обсерватория		Космическая обсерватория		101.5°	3 839 мин	около 300 км	около 150 000 км
Advanced Composition Explorer		Научный КА		28.7°	1 398 часов (58.25 дней)	179 км	1 256 768 км
Quazi-Zenith Satellite System	Тундра	Спутниковая система дифференциальной коррекции сигнала GPS	270°	40°	23 часа 56 мин 04 сек	около 32 000 км	около 40 000 км

Орбита «Молния»

Наземная трасса КА «Молния»

Орбита «Молния» названа в честь серии советских и российских спутников связи двойного назначения «Молния». Её параметры:

• аргумент широты перигея — 280°;
• наклонение — 62,8°;
• драконический период обращения — 11 час 57 мин 45 сек;
• высота — от 500 км в перигее до 40 000 км в апогее.

Полная группировка КА «Молния» состояла из восьми аппаратов на высокоэллиптических орбитах с апогеем в Северном полушарии, время обращения которых равнялось половине звёздных суток (то есть, чуть меньше 12-и часов). КА были разделены на четыре пары, в каждой из которых спутники двигались вдоль одной наземной трассы с интервалом в 6 час друг за другом. Трассы пар были смещены друг относительно друга на 90° по долготе, то есть, 8 спутников обеспечивали покрытие во всём мире. Апогеи суточных витков КА первой группы находились над территорией Центральной Сибири и над Северной Америкой, а у КА второй группы — над Западной Европой и Тихим океаном.

Спутники должны были обеспечивать проведение сеансов связи суммарной длительностью до 13 часов в сутки и до 7,5 часа на одном витке^[6].

В данный момент группировка спутников «Молния-1Т» и «Молния-3» заменяется на группировку КА «Меридиан».

Орбита «Тундра»

Наземная трасса КА «QZSS»

• период обращения — 23 часа 56 мин 04 сек (1 Звёздный день);
• большая полуось ($a\,\!$): 42 164 км;
• эксцентриситет ($e\,\!$): от 0,25 до 0,4;
• высота в перигее: $a \cdot (1-e)-R_e\,\!$, где $R_e=6 371\,\!$ (средний радиус Земли) — от 18 900 до 25 240 км;
• высота в апогее: $a \cdot (1+e)-R_e\,\!$ — от 46 330 до 52 660 км;
• наклонение ($i\,\!$): 62,15°^[3] — 63,4°;

Орбита «Тундра» концептуально схожа с орбитой «Молния», но является геосинхронной: вместо 12 часов спутники делают полный виток за одни звёздные сутки (23 часа 56 мин). Апогей этой орбиты обычно лежит значительно выше, чем у Молнии, в районе 46 000-52 000 км. В теории это может показаться лучше, так как эффективность использования спутников на орбите «Тундра» значительно повышается: они могут обслуживать выбранную территорию более 12 часов на каждом витке, а для организации круглосуточной связи достаточно двух аппаратов. Однако мощность передатчиков на таком КА должна быть значительно выше, так как он находится значительно дальше от Земли.

В данный момент такая орбита используется компанией «Sirius XM Radio», которая эксплуатирует на этой орбите систему «Sirius XM» состоящую из трёх КА, а также японской навигационной системой QZSS.

См. также

Спутники связи на высокоэллиптических орбитах:

• Меридиан
• Молния-1
• Молния-1+
• Молния-1Т
• Молния-2
• Молния-3
• Молния-3К

Примечания

1. ↑ ^{1 2 3} О спутниковом вещании с высокоэллиптических орбит. broadcasting.ru. Архивировано из первоисточника 14 июля 2012. Проверено 17 февраля 2011.
2. ↑ ^{1 2 3} Высокоэллиптическая орбита. Радиогалактику. Архивировано из первоисточника 14 июля 2012. Проверено 5 февраля 2011.
3. ↑ ^{1 2 3 4 5 6} Tipos de órbitas. Constelaciones de satélites. Universidad Politecnica de Madrid. Архивировано из первоисточника 31 мая 2012. Проверено 5 февраля 2011.
4. ↑ Под знаком «Интеграла». Журнал «Новости Космонавтики», 12.2002. Архивировано из первоисточника 14 июля 2012. Проверено 20 сентября 2011.
5. ↑ ESA Integral. ESA. Архивировано из первоисточника 14 июля 2012. Проверено 20 сентября 2011.
6. ↑ Новая «Молния» красноярцев. Журнал «Новости Космонавтики», 09.2001. Архивировано из первоисточника 10 марта 2012. Проверено 21 января 2011.

Ссылки

• Высокоэллиптическая орбита
• О спутниковом вещании с высокоэллиптических орбит