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정지 궤도

Geostationary orbit
이 주제에 대한 자세한 내용은 지구 동기 궤도를 참조하십시오.
같은 궤도에 있는 두 개의 정지궤도 위성
정지 벨트의 일부에 대한 5° × 6°의 그림으로 정지 위성을 여러 개 보여줍니다.기울기가 0°인 물체는 이미지를 가로질러 대각선 벨트를 형성합니다. 적도에 대한 경사가 작은 물체는 이 선 위에 표시됩니다.이 위성들은 정확히 포착된 반면, 별들은 지구의 자전으로 인해 별자국을 만들어냈다.

정지궤도는 지구동기적도궤도[a](GEO)라고도 불리며 지구 적도 위 고도 35,786km(22,236mi)에서 지구 자전 방향을 따르는 원형의 지구동기궤도이다.

이러한 궤도에 있는 물체는 지구의 자전 주기, 즉 항성일과 같은 공전 주기를 가지고 있기 때문에 지상 관측자에게는 하늘의 고정된 위치에서 움직이지 않는 것으로 보입니다.정지궤도의 개념은 공상과학소설 작가 Arthur C에 의해 대중화 되었다. 1940년대 클라크는 통신 혁명을 위한 수단으로 1963년에 처음으로 위성을 발사했다.

통신위성은 정지궤도에 배치되는 경우가 많아 지구기반 위성안테나가 이를 추적하기 위해 회전할 필요가 없지만 위성이 위치한 하늘의 위치를 영구적으로 가리킬 수 있습니다.또한 기상 위성은 실시간 모니터링 및 데이터 수집을 위해 이 궤도에 배치되며, 내비게이션 위성은 알려진 보정 지점을 제공하고 GPS 정확도를 향상시킵니다.

정지궤도 위성은 임시 궤도를 통해 발사되며 지구 표면의 특정 지점 위에 있는 슬롯에 배치됩니다.궤도는 위치를 유지하기 위해 약간의 정거장 유지를 필요로 하며, 현대의 퇴역 위성은 충돌을 피하기 위해 더 높은 묘지 궤도에 배치된다.

역사

최초의 지구 동기 위성인 Syncom 2

1929년, 헤르만 포토치닉은 일반적으로 지구 동기 궤도와 특히 정지 지구 궤도의 특별한 경우를 우주 [1]정거장에 유용한 궤도로 묘사했다.대중 문학에서 정지 궤도의 첫 출현은 1942년 10월 조지 오의 첫 번째 금성 등변 이야기에서였다. 스미스,[2] 하지만 스미스는 자세히 말하지 않았다.영국의 공상 과학 소설 작가 아서 C. 클라크는 1945년 Wireless World 잡지에 발표된 "Extra-Terraphical Relays – Can Rocket Stations Give World Radio Coverage?"라는 논문에서 이 개념을 대중화하고 확장했습니다.클라크는 "The Complete Venus Equidal"[3][4]에 대한 그의 소개에서 그 연관성을 인정했다.클라크가 방송 및 중계 통신 [4]위성에 유용하다고 처음 설명한 궤도는 때때로 클라크 [5]궤도라고 불린다.마찬가지로, 이 궤도에 있는 인공위성의 집합은 클라크 [6]벨트라고 알려져 있다.

전문용어로 궤도는 정지궤도 또는 지구동기적도궤도라고 불리며 어느 정도 상호 교환이 가능하다.[7]

최초의 정지궤도 위성은 1959년 Hughes Aircraft에서 일하는 동안 Harold Rosen에 의해 설계되었다.스푸트니크 1호에서 영감을 받아 그는 정지 위성을 사용하여 통신을 세계화하기를 원했다.당시 미국과 유럽 간 통신도 한 번에 136명만 가능했으며 고주파 무선과 해저 [8]케이블에 의존했다.

그 당시 통념은 위성을 정지궤도에 올려놓기 위해서는 너무 많은 로켓 동력이 필요하고 비용을 [9]정당화할 만큼 충분히 오래 지속되지 않을 것이라는 것이었다. 그래서 초기 노력은 지구 [10]저궤도 또는 중궤도에 있는 위성들의 별자리를 향한 것이었다.그 중 첫 번째는 1960년 수동 에코 기구 위성이었고,[11] 그 다음으로는 1962년 텔스타 1호가 뒤를 이었다.이러한 프로젝트들은 정지궤도 위성을 통해 해결할 수 있는 신호 강도와 추적에 어려움을 겪었지만, 그 개념은 비현실적으로 보여서 Hughes는 종종 자금과 [10][8]지원을 보류했다.

1961년까지 로젠과 그의 팀은 지름 76센티미터(30인치), 높이 38센티미터(15인치), 무게 11.3킬로그램(25파운드)의 가볍고 작은 원통형 프로토타입을 제작했다.팬케이크 모양의 [12]파형을 생성하는 다이폴 안테나를 통해 스핀 안정화되었습니다.1961년 8월, 그들은 진짜 [8]위성을 만드는 계약을 맺었다.그들은 전자제품 고장으로 Syncom 1을 잃었지만, 1963년 Syncom 2는 성공적으로 지구동기 궤도에 진입했다.기울어진 궤도는 여전히 움직이는 안테나가 필요했지만 TV 송신을 중계할 수 있어 존 F. 미국 대통령이 사용할 수 있었다. 케네디는 [10][13]1963년 8월 23일 배에서 나이지리아 총리 아부바카르 타파와 바일과에게 전화를 걸었다.

정지궤도에 오른 첫 번째 위성은 1964년 [14]델타 D 로켓에 의해 발사된 싱콤 3호였다.이 위성은 대역폭이 넓어지면서 일본에서 미국으로 하계올림픽 생중계를 할 수 있었다.정지궤도는 그 이후로, 특히 위성 [10]텔레비전에서 일반적으로 사용되어 왔다.

오늘날 원격 감지 및 [8][15]통신을 제공하는 정지궤도 위성은 수백 개입니다.

현재 지구상 대부분의 인구가 거주하는 육지에는 지상 통신 시설(마이크로웨이브, 광섬유)이 있으며, 전화 접속은 인구의 96%를 차지하며,[16] 인터넷 접속은 90%를 차지하고 있지만, 선진국의 일부 시골과 외딴 지역은 여전히 위성 [17][18]통신에 의존하고 있다.

사용하다

다음 항목도 참조하십시오.지구 동기 위성

대부분의 상용 통신 위성, 방송 위성 및 SBAS 위성은 정지 궤도에서 [19][20][21]작동합니다.

통신

정지궤도 통신위성은 위도와 [22]경도 모두 81° 떨어진 지구 표면의 넓은 영역에서 볼 수 있기 때문에 유용합니다.그것들은 하늘에 정지해 있기 때문에 지상국에 가동 안테나를 설치할 필요가 없어진다.이것은 지구에 있는 관측자들이 항상 원하는 [23]: 537 위성을 향해 작고 값싸고 고정된 안테나를 세울 수 있다는 것을 의미한다.그러나 적도에 있는 지상 송신기에서 위성으로 신호가 전달되었다가 [23]: 538 다시 돌아오는 데 약 240ms가 걸리기 때문에 대기 시간이 길어집니다.이 지연은 음성 통신 [24]등 지연에 민감한 애플리케이션에 문제를 일으키기 때문에 정지 상태의 통신 위성은 주로 단방향 엔터테인먼트 및 저지연 대체품을 사용할 [25]수 없는 애플리케이션에 사용됩니다.

정지궤도 위성은 적도 바로 위에 있고 극에 가까운 관측자에게는 하늘 아래쪽에 보입니다.관측자의 위도가 높아지면 대기 굴절, 지구의 열 방출, 가시선 장애, 지상 또는 인근 구조물로부터의 신호 반사 등의 요인으로 인해 통신이 더욱 어려워집니다.약 81° 이상의 위도에서 정지궤도 위성은 지평선 아래에 있어 전혀 [22]볼 수 없다.이 때문에 일부 러시아 통신위성은 고위도에서 [26]가시성이 뛰어난 타원형 몰니야와 툰드라 궤도를 사용했다.

기상학

다음 항목도 참조하십시오.기상 위성

지구 정지 기상 위성 네트워크는 기상 관측, 해양학 및 대기 추적을 위해 지구 표면과 대기의 가시적이고 적외선 이미지를 제공하기 위해 사용됩니다.2019년 현재 19개의 위성이 운영 중이거나 [27]대기 중이다.이러한 위성 시스템에는 다음이 포함됩니다.

이러한 위성은 일반적으로 0.5에서 4 평방 [35]킬로미터 사이의 공간 분해능으로 시각 및 적외선 스펙트럼의 이미지를 포착합니다.커버리지는 보통 70°[35]이며 경우에 따라서는 [36]그 이하입니다.

정지 위성 이미지는 화산재 [37]추적, 구름 꼭대기 온도 및 수증기 측정, 해양학,[38] 육상 온도 및 식생 [39][40]범위 측정, 사이클론 경로 예측,[34] 실시간 구름 범위 및 기타 추적 [41]데이터 제공에 사용되었다.일부 정보는 기상 예측 모델에 통합되었지만 시야가 넓고 상시 모니터링 및 낮은 분해능으로 인해 정지 기상 위성 이미지는 주로 단기 [42][40]및 실시간 예측에 사용된다.

내비게이션

상세정보: GNSS 확대
위성 기반 증강 시스템(SBAS)[20]의 서비스 영역.

정지궤도 위성은 클럭, 에페메리스 및 이온층 오류 보정(이미 알려진 위치의 지상국에서 계산)을 중계하고 추가 기준 [43]신호를 제공함으로써 GNSS 시스템을 증강하는 데 사용할 수 있습니다.따라서 위치 정확도가 약 5m에서 1m [44]이하로 향상됩니다.

정지 위성을 사용하는 과거와 현재의 내비게이션 시스템은 다음과 같습니다.

실행

시작하다

다음 항목도 참조하십시오.정지 이동 궤도
임시 GTO에서 GSO로의 이행 예.
EchoStar XVII 지구

정지궤도위성은 적도의 회전속도와 일치하는 순행궤도로 동쪽으로 발사된다.위성을 발사할 수 있는 가장 작은 기울기는 발사장의 위도이기 때문에 적도 부근에서 위성을 발사하는 것은 [48]나중에 필요한 기울기 변화를 제한한다.게다가, 적도 부근에서 발사하는 것은 위성에 힘을 실어주기 위해 지구의 자전 속도를 허용한다.발사장소에는 동쪽의 물이나 사막이 있어야 하며, 따라서 실패한 로켓이 인구 밀집 [49]지역에 떨어지지 않도록 해야 한다.

대부분의 발사체는 정지궤도를 정지궤도(GTO)에 직접 올려놓습니다. 정지궤도는 원점이 GEO 높이에 있고 근점이 낮은 타원궤도입니다.그 후, 선내 위성 추진 장치를 사용해 근지점을 상승시키고, 원형을 그리며,[48][50] GEO에 도달합니다.

궤도 할당

다음 항목도 참조하십시오.보고타 선언

정지궤도에 있는 위성들은 모두 적도 위에 있는 하나의 고리를 차지해야 한다.운용 중 유해한 무선주파수 간섭을 피하기 위해 이들 위성을 띄워야 한다는 것은 이용 가능한 궤도 슬롯의 수가 제한되어 정지궤도에서 작동할 수 있는 위성 수가 제한된다는 것을 의미한다.이로 인해 동일한 궤도 슬롯(경도는 동일하지만 위도는 다른 국가)과 무선 주파수에 대한 접근을 원하는 다른 국가 간에 충돌이 발생하였습니다.이러한 분쟁은 무선규정에 따른 [51][52]국제전기통신연합의 할당 메커니즘을 통해 해결된다.1976년 보고타 선언에서 지구 적도에 위치한 8개국이 자국 영토 위의 정지궤도에 대한 영유권을 주장했지만, 그 주장은 국제적으로 [53]인정받지 못했다.

Statite 제안

스타타이트는 궤도를 수정하기 위해 태양 돛에 대한 태양으로부터의 복사 압력을 사용하는 가상의 위성이다.

그것은 지구의 어두운 면 위에 위도 약 30도의 위치에 있을 것이다.정적은 지구 표면에 비해 지구 및 태양계에 상대적으로 정지해 있으며 정지 [54][55]고리의 혼잡을 완화시킬 수 있다.

퇴역 위성

정지궤도 위성은 위치를 유지하기 위해 약간의 기지 유지를 필요로 하며, 추진 연료가 떨어지면 일반적으로 폐기된다.트랜스폰더 및 기타 탑재 시스템은 종종 추진기 연료보다 오래 지속되며 위성이 자연스럽게 경사 지동기 궤도로 이동할 수 있도록 함으로써 일부 위성은 사용 [56]중인 상태로 유지되거나 묘지 궤도로 올라갈 수 있다.이 과정은 점점 더 규제되고 있으며 인공위성은 수명이 [57]다했을 때 정지대 상공 200km 이상 이동할 확률이 90%가 되어야 합니다.

우주 잔해

주요 기사 : 스페이스 파편 » 캐릭터라이제이션
Earth from space, surrounded by small white dots
우주 파편의 컴퓨터로 생성된 이미지입니다.정지 공간 주변과 지구 저궤도라는 두 가지 파편장이 표시됩니다.

정지궤도의 우주 잔해는 모든 GEO 위성이 동일한 평면, 고도 및 속도로 궤도를 돌기 때문에 일반적으로 LEO보다 충돌 속도가 느리다. 그러나 편심 궤도에 위성이 존재하면 최대 4km/s까지 충돌할 수 있다.충돌 가능성은 비교적 낮지만 GEO 위성은 파편을 [58]피할 수 있는 기능이 제한적입니다.

지구에서는 지름 10cm 미만의 파편이 보이지 않아 유병률을 [59]가늠하기 어렵다.

위험을 줄이려는 노력에도 불구하고, 우주선 충돌은 일어났다.유럽 우주 연합 통신 위성이 Olympus-1 유성체에 의해 8월 11일 1993년에 쌓여 결국 공동 묘지에서 orbit,[60]으로 끌려갔고, 2006년에 러시아 Express-AM11 통신 인공 위성 비용은 알려지지 않은 개체에서 비록 그것의 엔지니어들은 위성을 보낼 충분한 접촉 시간을 보냈다 inoperable,[61]게 놀랐다 맞았다.한 grav아이아드 궤도2017년에는 AMC-9과 Telkom-1이 원인을 [62][59][63]알 수 없는 상태에서 분리되었습니다.

특성.

일반적인 정지궤도에는 다음과 같은 특성이 있습니다.

  • 경사: 0°
  • 기간 : 1436분 (반성은 1일)[23]: 121
  • 편심률: 0
  • 근지점 인수: 정의되지 않았습니다.
  • 반장축: 42,164km

기울기

기울기가 0이면 궤도가 항상 적도 위에 유지되므로 지상 관측자(및 지구 중심 고정 기준 프레임)[23]: 122 의 관점에서 위도에 대해 정지합니다.

기간

공전 주기는 정확히 하나의 항성일과 같다.이것은 위성이 다른 궤도 특성과 상관없이 매일 지구 표면 위의 같은 지점으로 돌아온다는 것을 의미한다.특히 정지궤도의 경우 시간이 [23]: 121 지남에 따라 동일한 경도를 유지합니다.이 궤도 주기 T는 다음 공식을 통해 궤도의 반장축과 직접 관련이 있다.

여기서:

  • a는 궤도의 반장축 길이입니다.
  • μ는 중심체의[23]: 137 표준 중력 파라미터입니다.

편심

이심률은 0으로, 원궤도를 형성합니다.이것은 위성이 지구로부터 더 가까이 또는 더 멀리 이동하지 않도록 하고,[23]: 122 이것은 위성이 하늘을 가로질러 앞뒤로 추적하게 할 것이다.

궤도 안정성

정지궤도는 적도 바로 위 35,786 킬로미터에 매우 가까운 고도에서만 달성될 수 있습니다.이는 공전속도가 초속 3.07km(초속 1.91마일)이고 공전주기는 항성일 기준 1,436분에 해당한다.이것은 위성이 지구의 자전 주기와 일치하고 지상에 정지된 발자국을 갖게 한다.모든 정지궤도 위성은 이 링 위에 위치해야 합니다.

달의 중력, 태양 중력, 극지에서의 지구의 평탄화의 조합은 궤도 주기가 약 53년이고 초기 기울기 경사가 약 0.85°인 정지 상태의 물체의 궤도면의 세차 운동을 유발하며, 26.[64][23]: 156 5년 후 최대 기울기는 15°이다.이러한 교란을 보정하기 위해서는 연간 [65]약 50m/s의 델타-v에 달하는 정기적인 궤도 정지 유지 기동이 필요하다.

고려해야 할 두 번째 효과는 지구의 비대칭성에 의해 야기되는 종방향 드리프트입니다. 즉, 적도는 약간 [23]: 156 타원형입니다.두 가지 안정적인 평형 지점이 있다(75.3에서).°E 및 108°W) 및 두 개의 해당 불안정 지점(165.3에서)°E 및 14.7평형점 사이에 배치된 정지 상태의 물체는 (동작 없이) 안정된 평형 위치를 향해 천천히 가속되어 주기적인 경도 변화를 [64]일으킨다.이 효과를 보정하려면 원하는 [65]경도에 따라 연간 약 2m/s의 최대 델타-v를 갖는 관측소 유지 기동이 필요하다.

태양풍과 방사선 압력은 또한 인공위성에 작은 힘을 가한다: 시간이 지남에 따라 인공위성이 정해진 [66]궤도에서 서서히 멀어지는 원인이 된다.

지구로부터의 임무 수행이나 재생 가능한 추진 방식이 없는 경우, 기지 유지를 위한 추진 추진제의 소비는 위성의 수명에 제한을 가한다.현재 사용되고 있는 홀 이펙트 스러스터는 고효율 전기 [65]추진력을 제공함으로써 인공위성의 수명을 연장할 수 있는 잠재력을 가지고 있다.

정지 고도 유도

정지궤도와 GPS, GLONASS, 갈릴레오, 나침반(중간 지구궤도) 위성항법시스템과 국제우주정거장, 허블우주망원경, 이리듐 별자리 궤도 및 지구의 [b]공칭 크기 비교.달의 궤도는 정지궤도보다 약 9배 크다.[c]

물체 주위의 원형 궤도의 경우 궤도(Fc)를 유지하는 데 필요한 구심력은 위성(Fg)[67]에 작용하는 중력(F)과 같다.

아이작 뉴턴의 만유인력의 법칙에 따르면

여기서g F는 두 물체 사이에 작용하는 중력, M은E 지구의 질량, 5.9736×1024 kg, m은s 위성의 질량, r은 질량의 중심 사이의 거리, G는 중력 상수, (6.67428±0.00067)×10−113 m kg−1−2 [67]s이다.

원을 그리며 움직이는 물체의 가속도 a의 크기는 다음과 같이 구한다.

여기서 v는 위성의 속도(즉, 속도)의 크기이다.뉴턴의 운동 제2법칙에서 구심력c F는 다음과 같이 주어진다.

c 2 {\}}=[67]

Fc = F로서g

하도록

v를 원을 중심으로 움직이는 물체의 속도에 대한 방정식으로 대체하면 다음과 같은 결과가 나옵니다.

여기서 T는 공전 주기(즉, 1개의 항성일)이며 86164.09054초와 [68]같다.r에 [69]대한 방정식을 얻을 수 있습니다.

GME 제품은 어느 요인보다 훨씬 더 정밀하게 알려져 있다. 즉, 지심 중력 상수 μ = 398600.4418±0.0008 km3−2 s로 알려져 있다.이런 이유로

결과적으로 생기는 궤도 반경은 42,164 킬로미터(26,199 마일)입니다.지구의 적도 반지름 6,378km를 빼면 35,786km의 [70]고도가 나온다.

궤도 속도는 각 속도에 궤도 반지름을 곱하여 계산됩니다.

화성

같은 방법으로 화성에 대한 물체의 정지궤도를 포함한 유사한 물체 쌍에 대한 궤도 고도를 결정할 수 있다. 만약 물체가 [71]구면이라고 가정한다면(화성에 대한 정지궤도를 포함)화성의 중력 상수 GM(μ)은 42830kms3−2, 적도 반지름은 3389.50km, 행성의 알려진 자전 주기(T)는 1.02595676일(88642.66초)이다.이 값을 사용하여 화성의 궤도 고도는 17039 km와 [72]같다.

「 」를 참조해 주세요.

설명 메모

  1. ^ 정지궤도와 지구동기(적도) 궤도는 선원에서 어느 정도 상호 교환이 가능하다.
  2. ^ 궤도 주기와 속도는 4µR23 = TGM2 및 VR2 = GM 관계를 사용하여 계산한다. 여기서 R은 궤도의 반지름(미터 단위), T는 초 단위 궤도 주기, V는 m/s 단위 궤도 속도, G는 중력 상수 θ 6.673−11×10224 Nm2/kg, M은 지구 질량 598kg이다.
  3. ^ 달의 궤도는 완벽한 원형이 아니며 달이 근지점에 있을 때 정지환(363 104km 42 42164km)보다 지구로부터 약 8.6배, 달이 원지점에 있을 때 9.6배 더 멀리 떨어져 있다(405,696km 42 42,164km)

레퍼런스

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  3. ^ "따라서 이 이야기들이 무의식적으로 영향을 미쳤을 가능성이 꽤 있습니다.동기통신위성의 원리를 알아냈다.
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