Orbita Molniyi - Molniya orbit

Rysunek 1: Orbita Molniya. Zazwyczaj do transmisji na półkulę północną stosuje się okres od perygeum +2 godziny do perygeum +10 godzin.

Rysunek 2: Konstelacja SDS , która wykorzystuje satelity na mieszance orbit geostacjonarnych i Molniya. Konstelacja satelitów krążących wokół Molniya wykorzystuje trzy satelity na różnych płaszczyznach orbitalnych, z apogeum porównywalnym z satelitami geostacjonarnymi.

Molniya orbita (ros Молния , IPA:  [molnʲɪjə] ( słuchać ) , „Błyskawica”) jest rodzajem satelitarną orbicie zaprojektowany, aby zapewnić komunikację i zasięg zdalnego pomiaru na wysokich szerokościach geograficznych . Jest to wysoce eliptyczna orbita z nachyleniem 63,4 stopnia , argumentem perygeum wynoszącym 270 stopni i okresem orbitalnym wynoszącym około pół dnia gwiezdnego . Nazwa pochodzi od satelitów Molniya , serii radzieckich / rosyjskich cywilnych i wojskowych satelitów komunikacyjnych, które wykorzystywały ten typ orbity od połowy lat 60. XX wieku.

Orbita Molniya ma długi czas przebywania na półkuli będącej przedmiotem zainteresowania, jednocześnie poruszając się bardzo szybko nad drugą. W praktyce oznacza to, że większość orbity znajduje się nad Rosją lub Kanadą, zapewniając duży kąt widzenia satelitom komunikacyjnym i monitorującym obejmującym te obszary o dużych szerokościach geograficznych. Orbity geostacjonarne , które z konieczności są nachylone nad równikiem , mogą oglądać te regiony tylko pod niskim kątem, co utrudnia wydajność. W praktyce satelita na orbicie Molniya służy temu samemu celowi na dużych szerokościach geograficznych, co satelita geostacjonarny w regionach równikowych, z tym wyjątkiem, że do ciągłego pokrycia potrzebnych jest wiele satelitów.

Satelity umieszczone na orbitach Molniya były wykorzystywane do transmisji telewizyjnych, telekomunikacji, łączności wojskowej, przekazywania, monitorowania pogody, systemów wczesnego ostrzegania i niektórych celów tajnych.

Historia

Orbita Molniya została odkryta przez radzieckich naukowców w latach 60. XX wieku jako alternatywa komunikacyjna na dużych szerokościach geograficznych dla orbit geostacjonarnych , które wymagają dużej energii wystrzelenia, aby osiągnąć wysokie perygeum i zmienić skłonność do orbitowania nad równikiem (zwłaszcza podczas startu z rosyjskich szerokości geograficznych). W rezultacie OKB-1 poszukiwało mniej wymagającej energii orbity. Badania wykazały, że można to osiągnąć za pomocą wysoce eliptycznej orbity z apogeum nad terytorium Rosji. Nazwa orbity odnosi się do „błyskawicznej” prędkości, z jaką satelita przechodzi przez perygeum.

Pierwsze użycie orbity Molniya miało miejsce przez serię satelitów komunikacyjnych o tej samej nazwie . Po dwóch niepowodzeniach wystrzelenia i awarii jednego satelity w 1964 r., 23 kwietnia 1965 r. wystrzelono pierwszego udanego satelitę na tej orbicie, Molniya 1-1. Wczesne satelity Molniya-1 były wykorzystywane w telewizji cywilnej, telekomunikacji i wojsku dalekiego zasięgu. łączności, ale były one również wyposażone w kamery służące do monitorowania pogody i prawdopodobnie do oceny czystych obszarów dla satelitów szpiegowskich Zenit . Pierwotne satelity Molniya miały żywotność około 1,5 roku, ponieważ ich orbity zostały zakłócone przez perturbacje i musiały być stale wymieniane.

Kolejna seria, Molniya-2, zapewniała zarówno wojskowe, jak i cywilne nadawanie i została wykorzystana do stworzenia sieci telewizyjnej Orbita , obejmującej cały Związek Radziecki. Te z kolei zostały zastąpione przez projekt Molniya-3. Satelita nazywa Mayak został zaprojektowany w celu uzupełnienia i zastąpienie satelitów Molniya w 1997 roku, ale projekt został anulowany, a Molniya-3 został zastąpiony przez Meridian satelitów, z których pierwsza rozpoczęła się w 2006 roku radziecka US-K wczesnego ostrzegania Satelity, które obserwują starty amerykańskich rakiet, zostały wystrzelone na orbity Molniya od 1967 roku, jako część systemu Oko .

Od 1971 amerykańskie satelity wojskowe Jumpseat i Trumpet były wystrzeliwane na orbity Molniya (i prawdopodobnie wykorzystywane do przechwytywania sowieckich komunikatów z satelitów Molniya). Szczegółowe informacje o obu projektach pozostają niejawne od 2019 r. Następnie pojawiła się amerykańska konstelacja SDS , która działa na mieszance orbity Molniya i geostacjonarnej. Satelity te są używane do przekazywania sygnałów z niższych satelitów latających z powrotem do stacji naziemnych w Stanach Zjednoczonych i działają w pewnym stopniu od 1976 roku. Rosyjska konstelacja satelitów o nazwie Tyulpan została zaprojektowana w 1994 roku do obsługi komunikacji na dużych szerokościach geograficznych, ale nie postęp poza fazę planowania.

W 2015 i 2017 roku Rosja wystrzeliła dwa satelity Tundra na orbitę Molniya, pomimo swojej nazwy, w ramach systemu wczesnego ostrzegania EKS .

Animacja EKS

Widok równikowy

Widok biegunowy

Ziemia stała rama , widok z przodu

Ziemia stała rama , widok z boku

   Kosmos 2510  ·    Kosmos 2518  ·    Kosmos 2541  ·    Kosmos 2546  ·   Ziemia

Zastosowania

Rysunek 3: Droga naziemna orbity Molniya. W operacyjnej części orbity (cztery godziny po każdej stronie apogeum) satelita znajduje się na północ od 55,5° N (szerokość geograficzna np. środkowej Szkocji, Moskwy i południowej części Zatoki Hudsona). Satelita na tych orbitach spędza większość czasu nad półkulą północną i szybko przelatuje nad półkulą południową.

Znaczna część obszaru byłego Związku Radzieckiego , aw szczególności Rosji , znajduje się na wysokich północnych szerokościach geograficznych. Nadawanie na te szerokości geograficzne z orbity geostacjonarnej (powyżej równika Ziemi ) wymaga znacznej mocy ze względu na małe kąty elewacji oraz dodatkową odległość i tłumienie atmosferyczne, które się z tym wiąże. Miejsca położone powyżej 81° szerokości geograficznej w ogóle nie są w stanie oglądać satelitów geostacjonarnych, a kąty elewacji mniejsze niż 10° mogą powodować problemy, w zależności od częstotliwości komunikacji.

Satelita na orbicie Molniya lepiej nadaje się do komunikacji w tych regionach, ponieważ patrzy na nie bardziej bezpośrednio podczas dużych części swojej orbity. Z wysokością apogeum sięgającą 40 000 kilometrów (25 000 mil) i punktem apogeum pod satelitą 63,4 stopnia na północ, spędza znaczną część swojej orbity z doskonałą widocznością na półkuli północnej, zarówno z Rosji, jak i z północnej Europy. Grenlandia i Kanada.

Podczas gdy satelity na orbitach Molniya wymagają znacznie mniej energii do wystrzelenia niż te na orbitach geostacjonarnych (zwłaszcza z dużych szerokości geograficznych), ich stacje naziemne potrzebują sterowalnych anten do śledzenia statku kosmicznego, łącza muszą być przełączane między satelitami w konstelacji, a zmiany zasięgu powodują zmiany sygnału amplituda. Ponadto istnieje większa potrzeba utrzymywania stacji , a statek kosmiczny będzie przechodził przez pas radiacyjny Van Allena cztery razy dziennie.

Propozycje dotyczące półkuli południowej

Podobne orbity z argumentem perygeum 90° mogą pozwolić na pokrycie dużych szerokości geograficznych na półkuli południowej. Proponowana konstelacja, Antarktyczny Program Szerokopasmowy , wykorzystywałaby satelity na odwróconej orbicie Molniya do świadczenia usług szerokopasmowego Internetu obiektom na Antarktydzie . Początkowo finansowany przez nieistniejący już Australijski Program Badań Kosmicznych , nie wyszedł poza początkowy rozwój.

Gwiazdozbiory Molniya

Stałe pokrycie dużego obszaru Ziemi na dużych wysokościach (jak cała Rosja, gdzie niektóre jej części znajdują się na południe do 45°  N) wymaga konstelacji co najmniej trzech statków kosmicznych na orbitach Molniya. Jeśli używane są trzy statki kosmiczne, każdy statek kosmiczny będzie aktywny przez okres ośmiu godzin na orbitę, wyśrodkowany wokół apogeum, jak pokazano na rysunku 4. Rysunek 5 przedstawia pole widzenia satelity wokół apogeum.

Ziemia wykonuje pół obrotu w ciągu dwunastu godzin, więc apogeum kolejnych orbit Molniya będzie się następowało naprzemiennie między jedną połową półkuli północnej a drugą. W przypadku pierwotnej orbity Molniya apogeum znajdowało się nad Rosją i Ameryką Północną, ale zmieniając rektascencję węzła wstępującego można to zmienić. Zasięg z satelity na orbicie Molniya nad Rosją pokazano na rysunkach 6 do 8, a nad Ameryką Północną na rysunkach 9 do 11.

Orbity trzech statków kosmicznych powinny wtedy mieć te same parametry orbitalne, ale różne rektascencje węzłów wstępujących, z ich przelotami przez apogeum w odstępie 7,97 godziny. Ponieważ czas działania każdego satelity wynosi około ośmiu godzin, podczas gdy jeden statek kosmiczny podróżuje cztery godziny po przejściu apogeum (patrz rysunek 8 lub rysunek 11), następny satelita wejdzie w okres eksploatacji z widokiem Ziemi pokazanym na rysunku 6 (lub rysunek 9) i przełączenie może nastąpić. Zauważ, że dwa statki kosmiczne w momencie przełączenia są od siebie oddalone o około 1500 kilometrów (930 mil), tak że stacje naziemne muszą tylko przesunąć swoje anteny o kilka stopni, aby uzyskać nowy statek kosmiczny.

Schematy

Porównanie Tundra orbicie , QZSS orbicie i Molniya orbicie - równikowy widok

Przedni widok

Widok z boku

Rama stała na ziemi , widok z przodu

Ziemia stała rama , widok z boku

   Orbita tundry  ·    Orbita QZSS  ·   Orbita Molniya  ·   Ziemia

Nieruchomości

Typowa orbita Molniya ma następujące właściwości:

• Argument perygeum: 270°
• Nachylenie: 63,4°
• Okres: 718 minut
• Ekscentryczność: 0,74
• Półoś wielka : 26600 km (16500 mil)

Argument perygeum

Argument perygeum jest ustawiony na 270°, co powoduje, że satelita doświadcza apogeum w najbardziej wysuniętym na północ punkcie swojej orbity. W przypadku jakichkolwiek przyszłych zastosowań na półkuli południowej, zamiast tego byłby ustawiony na 90°.

Nachylenie orbity

W ogóle, spłaszczenia Ziemi zaburza ten argument perygeum ( ), tak że stopniowo zmienia się z upływem czasu. Jeśli weźmiemy pod uwagę tylko współczynnik pierwszego rzędu , perygeum zmieni się zgodnie z równaniem 1 , chyba że jest on stale korygowany przez przepalenia pędnika utrzymującego stację. ${\ Displaystyle \ omega}$${\displaystyle J_{2}}$

${\ Displaystyle {\ kropka {\ omega}} = {\ Frac {3}{4}} \ cdot nJ_ {2} \ cdot \ lewo ({\ Frac {R_ {E}} {a}} \ po prawej) ^ {2}{\frac {4-5\sin ^{2}{i}}{(1-e^{2})^{2}}}}$

( 1 )

gdzie to nachylenie orbity, mimośród, to średni ruch w stopniach na dzień, to czynnik zakłócający, to promień ziemi, to półoś wielka i jest w stopniach na dzień. ${\displaystyle i}$${\displaystyle e}$${\ Displaystyle n}$${\displaystyle J_{2}}$${\displaystyle R_{E}}$${\displaystyle a}$${\displaystyle {\kropka {\omega}}}$

Aby uniknąć tego wydatku paliwa, orbita Molniya wykorzystuje nachylenie 63,4°, dla którego współczynnik wynosi zero, dzięki czemu nie ma zmiany położenia perygeum w czasie. Orbita zaprojektowana w ten sposób nazywana jest orbitą zamrożoną . ${\ Displaystyle 4-5 \ grzech ^ {2} {i}}$

Okres orbitalny

Aby zapewnić, że geometria względem stacji naziemnych powtarza się co 24 godziny, okres ten powinien wynosić około pół dnia gwiezdnego , przy zachowaniu stałych długości apogeum.

Jednak spłaszczenie Ziemi zaburza również rektascencję węzła wstępującego ( ), zmieniając okres węzłowy i powodując dryfowanie toru naziemnego w czasie w tempie pokazanym w równaniu 2 . ${\ Displaystyle \ Omega}$

${\ Displaystyle {\ kropka {\ Omega}} = - {\ Frac {3}{2}} \ cdot nJ_ {2} \ cdot \ lewo ({\ Frac {R_ {E}} {a}} \ po prawej) ^{2}{\frac {\cos {i}}{(1-e^{2})^{2}}}}$

( 2 )

gdzie jest w stopniach na dzień. ${\displaystyle {\kropka {\omega}}}$

Ponieważ nachylenie orbity Molniyi jest stałe (jak wyżej), perturbacja ta wynosi stopnie na dzień. Aby to skompensować, okres orbitalny jest dostosowywany tak, aby długość apogeum zmieniała się na tyle, aby zniwelować ten efekt. ${\ Displaystyle {\ kropka {\ Omega}} = -0,3}$

Ekscentryczność

Ekscentryczność orbity opiera się na różnicach wysokości jej apogeum i perygeum. Aby zmaksymalizować czas, jaki satelita spędza w apogeum, mimośród należy ustawić tak wysoko, jak to możliwe . Jednak perygeum musi być wystarczająco wysokie, aby utrzymać satelitę znacznie nad atmosferą, aby zminimalizować opór (~600 km), a okres orbitalny musi być utrzymywany przez około pół dnia gwiezdnego (jak wyżej). Te dwa czynniki ograniczają mimośród, który wynosi około 0,737.

Półoś wielka

Dokładna wysokość satelity na orbicie Molniya różni się w zależności od misji, ale typowa orbita będzie miała perygeum około 600 kilometrów (370 mil) i apogeum 39 700 kilometrów (24 700 mil), dla wielkiej półosi 26 600 kilometrów (16500 mil).

Modelowanie

Aby śledzić satelity za pomocą orbit Molniya, naukowcy używają uproszczonego modelu perturbacji SDP4 , który oblicza położenie satelity na podstawie kształtu orbity, oporu, promieniowania, efektów grawitacyjnych od Słońca i Księżyca oraz rezonansu Ziemi.

Zobacz też

• Lista orbit
• Orbita tundry

Bibliografia

Zewnętrzne linki

• Ilustracja geometrii komunikacyjnej zapewnianej przez satelity na 12-godzinnych orbitach Molniya (wideo)