Наземная колея - Ground track

Наземный путь Международной космической станции примерно на два периода . Светлые и темные области представляют собой области Земли днем ​​и ночью соответственно.

Заземления дорожки или заземление след является путем на поверхности планеты непосредственно под давал самолет «с или спутником » сек траектории . В случае спутников он также известен как суборбитальный трек и представляет собой вертикальную проекцию орбиты спутника на поверхность Земли (или на любое другое тело, вокруг которого находится спутник).

Наземный трек спутника можно представить как путь вдоль поверхности Земли, который отслеживает движение воображаемой линии между спутником и центром Земли. Другими словами, наземный трек - это набор точек, в которых спутник будет проходить прямо над головой или пересекать зенит в системе отсчета наземного наблюдателя.

Наземные гусеницы самолетов

В аэронавигации наземные пути обычно представляют собой дугу большого круга , являющегося кратчайшим расстоянием между двумя точками на поверхности Земли. Чтобы следовать по заданному маршруту, пилот должен скорректировать свой курс , чтобы компенсировать влияние ветра . Маршруты самолетов планируются таким образом, чтобы они не попадали в ограниченное воздушное пространство и опасные районы, а также проходили вблизи навигационных маяков .

Спутниковые наземные трассы

Наземный трек спутника может принимать различные формы, в зависимости от значений элементов орбиты , параметров, которые определяют размер, форму и ориентацию орбиты спутника. (В этой статье обсуждаются замкнутые орбиты или орбиты с эксцентриситетом меньше единицы и, таким образом, исключаются параболические и гиперболические траектории.)

Прямое и ретроградное движение

Обычно спутники имеют примерно синусоидальную дорожку на земле. Говорят, что спутник с наклонением орбиты от нуля до девяноста градусов находится на так называемой прямой или прямой орбите , что означает, что он вращается в том же направлении, что и вращение планеты. Говорят, что спутник с наклонением орбиты от 90 ° до 180 ° (или, что то же самое, от 0 ° до -90 °) находится на ретроградной орбите . (Прямые орбиты являются наиболее распространенными для искусственных спутников, поскольку начальная скорость, сообщаемая вращением Земли при запуске, уменьшает delta-v, необходимую для достижения орбиты.)

Спутник, находящийся на прямой орбите с периодом обращения менее суток, будет стремиться двигаться с запада на восток по своей наземной траектории. Это называется «очевидным прямым» движением. Спутник в прямой орбите с орбитальным периодом Большим , чем один день будет иметь тенденцию двигаться с востока на запад вдоль линии пути, в том, что называется «кажущаяся ретроградный» движение. Этот эффект возникает из-за того, что спутник вращается медленнее, чем скорость, с которой Земля вращается под ним. Любой спутник, находящийся на истинной ретроградной орбите, всегда будет двигаться с востока на запад по своему наземному пути, независимо от продолжительности его орбитального периода.

Поскольку спутник на эксцентрической орбите движется быстрее около перигея и медленнее около апогея, спутник может отслеживать на восток в течение одной части своей орбиты и на запад в течение другой части. Это явление допускает пересечение наземных треков на одной орбите, как на геостационарной орбите и орбите Молния, обсуждаемых ниже.

Влияние орбитального периода

Геостационарной орбиты, если смотреть сверху на Северный полюс

Спутник, орбитальный период которого составляет целую долю суток (например, 24 часа, 12 часов, 8 часов и т. Д.), Будет ежедневно следовать примерно по одной и той же наземной траектории. Этот наземный трек смещается на восток или запад в зависимости от долготы восходящего узла , которая может меняться со временем из-за возмущений орбиты. Если период спутника немного больше целой доли дня, наземный трек со временем сместится на запад; если он немного короче, дорожка сместится на восток.

По мере того как орбитальный период спутника увеличивается, приближаясь к периоду вращения Земли (другими словами, по мере того, как его средняя орбитальная скорость уменьшается в сторону скорости вращения Земли), его синусоидальный наземный трек будет сжиматься в продольном направлении, что означает, что "узлы «(точки, в которых он пересекает экватор ) станут ближе друг к другу, пока на геостационарной орбите они не будут лежать прямо друг на друге. Для орбитальных периодов дольше , чем период вращения Земли, увеличение орбитального периода соответствует продольной оси растяжения из (очевидной ретроградного) наземной трассы.

Говорят, что спутник, период обращения которого равен периоду вращения Земли, находится на геостационарной орбите . Его наземный путь будет иметь форму «восьмерки» над фиксированным местом на Земле, пересекая экватор дважды в день. Он будет следовать на восток, когда он находится на части своей орбиты, наиболее близкой к перигею , и на запад, когда он находится ближе всего к апогею .

Особый случай геостационарной орбиты, геостационарная орбита , имеет эксцентричность, равную нулю (это означает, что орбита является круговой), и нулевой наклон в системе координат, центрированной по центру Земли, фиксированной на Земле (что означает, что плоскость орбиты не наклонена относительно к экватору Земли). «Наземный трек» в этом случае состоит из единственной точки на экваторе Земли, над которой спутник всегда находится. Обратите внимание, что спутник все еще вращается вокруг Земли - его очевидное отсутствие движения связано с тем, что Земля вращается вокруг своего собственного центра масс с той же скоростью, что и спутник.

Эффект наклона

Орбитальный наклон представляет собой угол , образованный между плоскостью орбиты и экваториальной плоскости Земли. Географические широты, покрываемые наземной трассой, будут находиться в диапазоне от –i до i , где i - наклонение орбиты. Другими словами, чем больше наклон орбиты спутника, тем дальше на север и юг пройдет его наземный путь. Считается, что спутник с наклоном точно 90 ° находится на полярной орбите , то есть он проходит над северным и южным полюсами Земли .

Пусковые площадки на более низких широтах часто предпочтительны отчасти из-за гибкости, которую они допускают в отношении наклонения орбиты; начальное наклонение орбиты должно быть больше или равно широте запуска. Например, аппараты, запускаемые с мыса Канаверал , будут иметь начальное наклонение орбиты не менее 28 ° 27 ′, широту стартовой позиции, и для достижения этого минимума требуется запуск с правильным восточным азимутом , что не всегда возможно, учитывая другие ограничения запуска. В крайнем случае, стартовая площадка, расположенная на экваторе, может запускаться непосредственно под любым желаемым наклоном, в то время как гипотетическая стартовая площадка на северном или южном полюсе может запускаться только на полярные орбиты. (Хотя один раз на орбите можно выполнить маневр по изменению наклона орбиты, такие маневры обычно являются одними из самых затратных с точки зрения топлива из всех орбитальных маневров, и их обычно избегают или сводят к минимуму, насколько это возможно.)

Помимо обеспечения более широкого диапазона начальных наклонов орбиты, стартовые площадки на низких широтах предлагают преимущество, заключающееся в том, что для выхода на орбиту требуется меньше энергии (по крайней мере, для прямых орбит, которые составляют подавляющее большинство запусков), благодаря предоставленной начальной скорости. вращением Земли. Стремление к экваториальным стартовым площадкам в сочетании с геополитическими и логистическими реалиями способствовало развитию плавучих стартовых платформ, в первую очередь Sea Launch .

Эффект аргумента перигея

Наземный след орбиты "Молния"

Если аргумент перигея равен нулю, что означает, что перигей и апогей лежат в экваториальной плоскости, то наземный трек спутника будет одинаковым выше и ниже экватора (то есть он будет демонстрировать вращательную симметрию 180 ° относительно орбитальных узлов . Однако, если аргумент перигея не равен нулю, спутник будет вести себя по-разному в северном и южном полушариях. Орбита Молнии , с аргументом перигея около -90 °, представляет собой пример такого случая. На орбите Молнии апогей находится на высокой широте (63 °), а орбита сильно эксцентрична ( e = 0,72). Это заставляет спутник «зависать» над регионом северного полушария в течение длительного времени, при этом проводя очень мало времени над южным полушарием. Это явление известно как «пребывание в апогее» и желательно для связи в высокоширотных регионах.

Повторите орбиты

Поскольку орбитальные операции часто требуются для наблюдения за определенным местом на Земле, часто используются орбиты, которые периодически покрывают один и тот же наземный путь. На Земле эти орбиты обычно называют орбитами, повторяющими Землю. Эти орбиты используют эффект узловой прецессии, чтобы сместить орбиту таким образом, чтобы траектория земли совпадала с траекторией предыдущей орбиты, так что это по существу уравновешивает смещение при вращении орбитального тела. Продольное вращение планеты через определенный период времени определяется выражением:

${\ displaystyle \ Delta L_ {1} = - 2 \ pi {\ frac {T} {T_ {E}}}}$

куда

• ${\ displaystyle T}$ время прошло
• ${\ displaystyle T_ {E}}$- время полного вращения вращающегося тела, в случае Земли - один звездный день.

Эффект узловой прецессии можно количественно оценить как:

${\ displaystyle \ Delta L_ {2} = - {\ frac {3 \ pi J_ {2} R_ {e} ^ {2} cos (i)} {a ^ {2} (1-e ^ {2}) ^ {2}}}}$

куда

• ${\ displaystyle J_ {2}}$второй динамический форм-фактор корпуса
• ${\ displaystyle R_ {e}}$ это радиус тела
• ${\ displaystyle i}$является наклонение орбиты
• ${\ displaystyle a}$большая полуось орбиты
• ${\ displaystyle e}$является эксцентриситет орбиты

Эти два эффекта должны нейтрализоваться после установленных орбитальных оборотов и (звездных) дней. Следовательно, приравнивая прошедшее время к периоду обращения спутника и объединяя два приведенных выше уравнения, получаем уравнение, которое справедливо для любой орбиты, которая является повторяющейся орбитой: ${\ displaystyle j}$${\ displaystyle k}$

${\ displaystyle j \ left | \ Delta L_ {1} + \ Delta L_ {2} \ right | = j \ left | -2 \ pi {\ frac {2 \ pi {\ sqrt {\ frac {a ^ {3) }} {\ mu}}}} {T_ {E}}} - {\ frac {3 \ pi J_ {2} R_ {e} ^ {2} cos (i)} {a ^ {2} (1- e ^ {2}) ^ {2}}} \ right | = k2 \ pi}$

куда

• ${\ displaystyle \ mu}$является гравитационный параметр для тела будучи вращался
• ${\ displaystyle j}$ это количество орбитальных оборотов, после которых проходит тот же наземный путь.
• ${\ displaystyle k}$это количество звездных дней, по истечении которых тот же наземный путь пройден

Смотрите также

• Курс (навигация)
• Наземная станция слежения
• Pass (космический полет) , период, в течение которого космический корабль виден над местным горизонтом.
• Период повторного посещения спутника , время, прошедшее между наблюдениями спутником одной и той же точки на Земле.
• Спутниковое наблюдение , как хобби
• Терминатор (солнечный) , движущаяся линия, разделяющая освещенную дневную и темную ночную стороны планетарного тела.

использованная литература

• Лайл, С. и Капдеру, Мишель (2006) Спутники: орбиты и миссии Springer ISBN  9782287274695, стр 175–264

внешние ссылки

• Спутниковый трекер на eoPortal.org
• satview.org
• heavens-above.com
• https://isstracker.pl ISS Tracker
• программный код наземного отслеживания спутников на smallsats.org
• infosatellites.com
• n2yo.com