Órbita geosíncrona
Una órbita geosíncrona (a veces abreviada como OSG) es una órbita centrada en la Tierra con un período orbital que coincide con la rotación de la Tierra sobre su eje, 23 horas, 56 minutos y 4 segundos (un día sideral). La sincronización de la rotación y el período orbital significa que, para un observador en la superficie de la Tierra, un objeto en órbita geosincrónica regresa exactamente a la misma posición en el cielo después de un período de un día sideral. En el transcurso de un día, la posición del objeto en el cielo puede permanecer inmóvil o trazar un camino, típicamente en forma de ocho, cuyas características precisas dependen de la inclinación y excentricidad de la órbita. Una órbita geosíncrona circular tiene una altitud constante de 35 786 km (22 236 mi).
Un caso especial de órbita geosíncrona es la órbita geoestacionaria, que es una órbita geosíncrona circular en el plano ecuatorial de la Tierra con inclinación y excentricidad iguales a 0. Un satélite en una órbita geoestacionaria permanece en la misma posición en el cielo a los observadores en la superficie.
Los satélites de comunicaciones suelen tener órbitas geoestacionarias o cercanas a las geoestacionarias para que las antenas de satélite que se comunican con ellos no tengan que moverse, sino que puedan apuntar de forma permanente a la ubicación fija en el cielo donde aparece el satélite.
Historia
En 1929, Herman Potočnik describió tanto las órbitas geosincrónicas en general como el caso especial de la órbita terrestre geoestacionaria en particular como órbitas útiles para las estaciones espaciales. La primera aparición de una órbita geosíncrona en la literatura popular fue en octubre de 1942, en la primera historia de Venus Equilateral de George O. Smith, pero Smith no entró en detalles. El autor británico de ciencia ficción Arthur C. Clarke popularizó y amplió el concepto en un artículo de 1945 titulado Extra-Terrestrial Relays - Can Rocket Stations Give Worldwide Radio Coverage?, publicado en Wireless World revista. Clarke reconoció la conexión en su introducción a The Complete Venus Equilateral. La órbita, que Clarke describió por primera vez como útil para los satélites de comunicaciones de transmisión y retransmisión, a veces se denomina órbita de Clarke. De manera similar, la colección de satélites artificiales en esta órbita se conoce como Clarke Belt.
En la terminología técnica, las órbitas geosíncronas a menudo se denominan geoestacionarias si se encuentran aproximadamente sobre el ecuador, pero los términos se usan de manera intercambiable. Específicamente, órbita terrestre geosincrónica (GEO) puede ser un sinónimo de órbita ecuatorial geosincrónica, u órbita terrestre geoestacionaria.
El primer satélite geosíncrono fue diseñado por Harold Rosen mientras trabajaba en Hughes Aircraft en 1959. Inspirado por el Sputnik 1, quería utilizar un satélite geoestacionario (geosíncrono ecuatorial) para globalizar las comunicaciones. Entonces, las telecomunicaciones entre EE. UU. y Europa eran posibles entre solo 136 personas a la vez y dependían de radios de alta frecuencia y un cable submarino.
La sabiduría convencional en ese momento era que se requeriría demasiada potencia de cohete para colocar un satélite en una órbita geosincrónica y que no sobreviviría lo suficiente como para justificar el gasto, por lo que los primeros esfuerzos se dirigieron hacia constelaciones de satélites en baja o media. órbita terrestre. El primero de ellos fueron los satélites pasivos de globo Echo en 1960, seguidos por Telstar 1 en 1962. Aunque estos proyectos tenían dificultades con la intensidad de la señal y el seguimiento que podían resolverse a través de satélites geosincrónicos, el concepto se consideró poco práctico, por lo que Hughes a menudo retenía los fondos. y apoyo.
Para 1961, Rosen y su equipo habían producido un prototipo cilíndrico con un diámetro de 76 centímetros (30 pulgadas), una altura de 38 centímetros (15 pulgadas) y un peso de 11,3 kilogramos (25 lb); era liviano y pequeño, lo suficientemente pequeño como para ser puesto en órbita por los cohetes disponibles en ese momento, estaba estabilizado por giro y usaba antenas dipolo que producían una forma de onda en forma de panqueque. En agosto de 1961, fueron contratados para comenzar a construir el satélite en funcionamiento. Perdieron Syncom 1 debido a una falla electrónica, pero Syncom 2 se colocó con éxito en una órbita geosincrónica en 1963. Aunque su órbita inclinada todavía requería antenas móviles, pudo retransmitir transmisiones de televisión y permitió que el presidente de los EE. UU., John F. Kennedy, llamara a Nigeria. primer ministro Abubakar Tafawa Balewa desde un barco el 23 de agosto de 1963.
Hoy en día hay cientos de satélites geosincrónicos que proporcionan detección remota, navegación y comunicaciones.
Aunque la mayoría de las ubicaciones terrestres pobladas del planeta ahora tienen instalaciones de comunicaciones terrestres (microondas, fibra óptica), que a menudo tienen ventajas de latencia y ancho de banda, y acceso telefónico que cubre el 96 % de la población y acceso a Internet del 90 % a partir de 2018, algunas áreas rurales y remotas en los países desarrollados todavía dependen de las comunicaciones por satélite.
Tipos
Órbita geoestacionaria
Una órbita ecuatorial geoestacionaria (GEO) es una órbita geosíncrona circular en el plano del ecuador de la Tierra con un radio de aproximadamente 42 164 km (26 199 mi) (medido desde el centro de la Tierra). Un satélite en una órbita de este tipo se encuentra a una altitud de aproximadamente 35 786 km (22 236 mi) sobre el nivel medio del mar. Mantiene la misma posición relativa a la superficie de la Tierra. Si uno pudiera ver un satélite en órbita geoestacionaria, parecería flotar en el mismo punto en el cielo, es decir, no exhibiría movimiento diurno, mientras que el Sol, la Luna y las estrellas atravesarían los cielos detrás de él. Tales órbitas son útiles para los satélites de telecomunicaciones.
Una órbita geoestacionaria perfectamente estable es un ideal que solo se puede aproximar. En la práctica, el satélite se sale de esta órbita debido a perturbaciones como el viento solar, la presión de la radiación, las variaciones en el campo gravitatorio de la Tierra y el efecto gravitatorio de la Luna y el Sol, y se utilizan propulsores para mantener la órbita. en un proceso conocido como mantenimiento de la estación.
Eventualmente, sin el uso de propulsores, la órbita se inclinará, oscilando entre 0° y 15° cada 55 años. Al final de la vida útil del satélite, cuando el combustible se acerca al agotamiento, los operadores de satélites pueden decidir omitir estas costosas maniobras para corregir la inclinación y solo controlar la excentricidad. Esto prolonga la vida útil del satélite ya que consume menos combustible con el tiempo, pero el satélite solo puede ser utilizado por antenas terrestres capaces de seguir el movimiento N-S.
Los satélites geoestacionarios también tenderán a desviarse alrededor de una de dos longitudes estables de 75° y 255° sin mantenimiento de posición.
Órbitas geosincrónicas elípticas e inclinadas
Muchos objetos en órbitas geosincrónicas tienen órbitas excéntricas y/o inclinadas. La excentricidad hace que la órbita sea elíptica y parezca oscilar de este a oeste en el cielo desde el punto de vista de una estación terrestre, mientras que la inclinación inclina la órbita en comparación con el ecuador y hace que parezca oscilar de norte a sur desde una estación terrestre. Estos efectos se combinan para formar un analema (figura 8).
Los satélites en órbitas elípticas/excéntricas deben ser rastreados por estaciones terrestres orientables.
Órbita de la tundra
La órbita Tundra es una órbita geosíncrona excéntrica, lo que permite que el satélite pase la mayor parte de su tiempo en una ubicación de alta latitud. Tiene una inclinación de 63,4°, que es una órbita congelada, lo que reduce la necesidad de mantener la posición. Se necesitan al menos dos satélites para proporcionar cobertura continua sobre un área. Fue utilizado por la radio satelital Sirius XM para mejorar la intensidad de la señal en el norte de EE. UU. y Canadá.
Órbita casi cenital
El Quasi-Zenith Satellite System (QZSS) es un sistema de cuatro satélites que opera en una órbita geosíncrona con una inclinación de 42° y una excentricidad de 0,075. Cada satélite habita sobre Japón, lo que permite que las señales lleguen a los receptores en los cañones urbanos y luego pasa rápidamente sobre Australia.
Lanzamiento
Echo Estrella XVII· Tierra.
Los satélites geosíncronos se lanzan hacia el este en una órbita progresiva que coincide con la tasa de rotación del ecuador. La inclinación más pequeña en la que se puede lanzar un satélite es la de la latitud del sitio de lanzamiento, por lo que lanzar el satélite desde cerca del ecuador limita la cantidad de cambio de inclinación necesario más adelante. Además, el lanzamiento desde cerca del ecuador permite que la velocidad de rotación de la Tierra impulse al satélite. Un sitio de lanzamiento debe tener agua o desiertos al este, para que los cohetes fallidos no caigan en un área poblada.
La mayoría de los vehículos de lanzamiento colocan los satélites geosíncronos directamente en una órbita de transferencia geosíncrona (GTO), una órbita elíptica con un apogeo a la altura de la OSG y un perigeo bajo. A continuación, se utiliza la propulsión del satélite a bordo para elevar el perigeo, circularizar y llegar a la OSG.
Una vez en una órbita geoestacionaria viable, la nave espacial puede cambiar su posición longitudinal ajustando su eje semi-mayor de modo que el nuevo período sea más corto o más largo que un día sideral, con el fin de efectuar una aparente 'deriva'; Hacia el este o hacia el oeste, respectivamente. Una vez en la longitud deseada, el período de la nave espacial se restaura a geosíncrono.
Órbitas propuestas
Propuesta de estado
Una estatita es un satélite hipotético que utiliza la presión de radiación del sol contra una vela solar para modificar su órbita.
Mantendría su ubicación sobre el lado oscuro de la Tierra a una latitud de aproximadamente 30 grados. Regresaría al mismo lugar en el cielo cada 24 horas desde la perspectiva de un espectador basado en la Tierra, por lo que sería funcionalmente similar a una órbita geosincrónica.
Ascensor espacial
Otra forma de órbita geosíncrona es el ascensor espacial teórico. Cuando un extremo está conectado al suelo, para altitudes por debajo del cinturón geoestacionario, el ascensor mantiene un período orbital más corto que solo por gravedad.
Satélites retirados
Los satélites geosincrónicos requieren cierto mantenimiento de la estación para mantener su posición, y una vez que se quedan sin combustible para los propulsores y ya no son útiles, se mueven a una órbita de cementerio más alta. No es factible sacar de órbita a los satélites geosíncronos, ya que se necesitaría mucho más combustible que elevar ligeramente la órbita, y la resistencia atmosférica es insignificante, lo que otorga a las OSG una vida útil de miles de años.
El proceso de retiro se regula cada vez más y los satélites deben tener un 90 % de posibilidades de moverse más de 200 km por encima del cinturón geoestacionario al final de su vida útil.
Desechos espaciales
Los desechos espaciales en órbitas geosincrónicas suelen tener una velocidad de colisión más baja que en LEO, ya que la mayoría de los satélites OSG orbitan en el mismo plano, altitud y velocidad; sin embargo, la presencia de satélites en órbitas excéntricas permite colisiones de hasta 4 km/s. Aunque una colisión es comparativamente improbable, los satélites OSG tienen una capacidad limitada para evitar los desechos.
Los desechos de menos de 10 cm de diámetro no se pueden ver desde la Tierra, lo que dificulta evaluar su prevalencia.
A pesar de los esfuerzos por reducir el riesgo, se han producido colisiones de naves espaciales. El satélite de telecomunicaciones de la Agencia Espacial Europea Olympus-1 fue golpeado por un meteoroide el 11 de agosto de 1993 y finalmente se movió a una órbita de cementerio, y en 2006 el satélite de comunicaciones Russian Express-AM11 fue golpeado por un objeto desconocido y quedó inoperable, aunque sus ingenieros tuvo suficiente tiempo de contacto con el satélite para enviarlo a una órbita de cementerio. En 2017, tanto AMC-9 como Telkom-1 se separaron por una causa desconocida.
Propiedades
Una órbita geosíncrona tiene las siguientes propiedades:
- Período: 1436 minutos (un día sidereal)
- eje semi-major: 42,164 km
Período
Todas las órbitas geosíncronas tienen un período orbital igual a exactamente un día sideral. Esto significa que el satélite regresará al mismo punto sobre la superficie de la Tierra cada día (sideral), independientemente de otras propiedades orbitales. Este período orbital, T, está directamente relacionado con el semieje mayor de la órbita a través de la fórmula:
- T=2π π a3μ μ {displaystyle T=2pi {sqrt {a^{3} over mu}}}
donde:
- a es la longitud del eje semi-major de la órbita
- μ μ {displaystyle mu } es el parámetro gravitacional estándar del cuerpo central
Inclinación
Una órbita geosíncrona puede tener cualquier inclinación.
Los satélites suelen tener una inclinación de cero, lo que garantiza que la órbita permanezca sobre el ecuador en todo momento, haciéndola estacionaria con respecto a la latitud desde el punto de vista de un observador terrestre (y en el marco de referencia ECEF).
Otra inclinación popular es 63,4° para una órbita Tundra, lo que garantiza que el argumento de perigeo de la órbita no cambie con el tiempo.
Pista de tierra
En el caso especial de una órbita geoestacionaria, la trayectoria terrestre de un satélite es un único punto en el ecuador. En el caso general de una órbita geosíncrona con una inclinación o excentricidad distinta de cero, la trayectoria terrestre es una forma de ocho más o menos distorsionada, volviendo a los mismos lugares una vez por día sideral.
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