Высокая эллиптическая орбита (также Высокоэллиптическая 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 космический аппарат (КА) находится вблизи 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 ]} . 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 ${\displaystyle \arcsin({\sqrt {4/5}})\approx 63,435^{\circ }}$ 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 находиться 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;
• 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) .

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 ;
• приемная антенна должна обладать функцией слежения (привод для разворота). 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;
• 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 то есть использовать ;
• так как КА движутся по орбите, эффект Доплера создает дополнительные трудности для приемников на Земле ;
• из-за большого времени распространения сигнала, возникают сложности при использовании программ, работающих в реальном масштабе времени , такими как телефония .

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 часов 57 мин. 45 сек.	около 500 км	около 40 000 км
« Sirius XM Radio »		Спутниковое радио	269°	62,1538°	23 часа 56 мин. 04 сек.	24 475 км	47 093 км
Интеграл		Космическая обсерватория	300°	51,6° (в начале миссии)	4309,6 мин.	9743,2 км	152 963,8 км
		Научный КА		101,5°	3427,6 мин.	8585,9 км	129 281,5 км
Орбитальная Геофизическая обсерватория		Космическая обсерватория		101,5°	3839 мин.	около 300 км	около 150 000 км
Advanced Composition Explorer		Научный КА		28,7°	1398 часов (58,25 дня)	145 700 000 км	150 550 000 км
Quazi-Zenith Satellite System		Спутниковая система дифференциальной коррекции сигнала GPS	270°	40°	23 часа 56 мин. 04 сек.	около 32 000 км	около 40 000 км
ГЛОНАСС -В		Спутниковая система дифференциальной коррекции		64,8°	23 часа 56 мин. 04 сек.

Орбита «Молния»

Орбита «Молния» названа в честь серии советских и российских спутников связи двойного назначения « Молния », впервые использовавших в своей работе этот вид орбиты. Её параметры:

• аргумент широты перигея — 280°;
• наклонение — 62,8°;
• драконический период обращения — 11 часов 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 часов). КА были разделены на четыре пары, в каждой из которых спутники двигались вдоль одной наземной трассы с интервалом в 6 часов друг за другом. Трассы пар были смещены друг относительно друга на 90° по долготе , то есть восемь 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 часов на одном витке .

В данный момент ^{[ когда? ]} группировка спутников « Молния-1Т » и « Молния-3 » заменяется на группировку КА « Меридиан ».

Орбита «Тундра»

• период обращения — 23 часа 56 мин. 04 сек. (1 Звёздный день );
• большая полуось ( ${\displaystyle a}$ ): 42 164 км;
• эксцентриситет ( ${\displaystyle e}$ ): от 0,25 до 0,4;
• высота в перигее: ${\displaystyle a\cdot (1-e)-R_{e}}$ , где ${\displaystyle R_{e}=6371}$ (средний радиус Земли) — от 18 900 до 25 240 км;
• высота в апогее: ${\displaystyle a\cdot (1+e)-R_{e}}$ — от 46 330 до 52 660 км;
• наклонение ( ${\displaystyle i}$ ): 62,15° — 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 ^{[ когда? ]} 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

Ссылки

• 13 июля 2012 года.