يظل المدار الثابت بالنسبة للأرض ذو الميل الصفري وارتفاعه 35756 كيلومترًا مدارًا مهمًا استراتيجيًا للأقمار الصناعية الأرضية حتى يومنا هذا. وتدور الأقمار الصناعية الموضوعة في هذا المدار حول مركز الأرض بنفس السرعة الزاوية لسطح الأرض. بفضل هذا، ليست هناك حاجة إلى هوائيات الأقمار الصناعية لتتبع الأقمار الصناعية المستقرة بالنسبة إلى الأرض - فالقمر الصناعي المستقر بالنسبة إلى الأرض لموقع معين على سطح الأرض يقع دائمًا في نقطة واحدة في السماء.
مثال لكوكبة أقمار الاتصالات الروسية المستقرة بالنسبة للأرض في عام 2005:
لكن التحقق من أحدث رسم بياني باستخدام موقع غونتر يظهر أنه لم يتم إطلاق أكثر من 40 قمرًا صناعيًا مستقرًا بالنسبة إلى الأرض في عام 2017، حتى لو كان هذا العدد يشمل إطلاق الأقمار الصناعية على GTO (مدار النقل الجغرافي)و مدارات من نوع مولنيا (الكون-2518). فيما يتعلق بهذا التناقض، حاولت إجراء تقييم مستقل لديناميكيات عمليات الإطلاق السنوية في المدار الثابت بالنسبة للأرض وديناميكيات التغيرات في الكتلة الإجمالية للأقمار الصناعية المستقرة بالنسبة للأرض التي تم إطلاقها باستخدام نفس موقع Gunter الإلكتروني.
يتم إطلاق معظم الأقمار الصناعية المستقرة بالنسبة إلى الأرض مدارات النقل الجغرافي (GTO)، ثم يستخدمون محركاتهم الخاصة للصعود إلى الحضيض الشمسي والدخول في المدار الثابت بالنسبة للأرض. ويرجع ذلك إلى الرغبة في تقليل تلوث المدار الثابت بالنسبة للأرض ذي الأهمية الاستراتيجية (تحترق المراحل العليا من مركبة الإطلاق عند GPO بشكل أسرع بكثير من تلك الموجودة في GSO بسبب انخفاض الحضيض الشمسي للمدارات). في هذا الصدد، غالبًا ما تتم الإشارة إلى كتلة إطلاق الأقمار الصناعية المستقرة بالنسبة إلى الأرض أثناء الإطلاق الأولي لـ GPO. لذلك، قررت حساب كتلة الأقمار الصناعية المستقرة بالنسبة إلى الأرض في GPO، وأيضًا تضمينها في الحساب الأقمار الصناعية التي كان من المفترض أصلاً أن تعمل في GPO أو مدارات إهليلجية أخرى تقع بين المدارات المنخفضة والمستقرة بالنسبة إلى الأرض (معظمها مدارات مولنيا). من ناحية أخرى، في بعض الحالات، يتم إطلاق الأقمار الصناعية مباشرة إلى المدار الثابت بالنسبة للأرض (على سبيل المثال، في حالة الأقمار الصناعية العسكرية السوفيتية والروسية والأمريكية)، بالإضافة إلى ذلك، بالنسبة للأقمار الصناعية العسكرية، غالبًا ما تكون الكتلة غير معروفة ببساطة (في في هذه الحالة، من الضروري الإشارة إلى الحد الأعلى لقدرات مركبة الإطلاق عند الإطلاق في GPO). وفي هذا الصدد، فإن الحسابات أولية فقط. لقد تمكنا حتى الآن من معالجة 35 سنة من أصل 60 سنة من عمر الفضاء، ويحدث الوضع التالي حسب السنة:
1) من حيث الكتلة التي تم إطلاقها في مداري GPO وMolniya، تم بالفعل تسجيل رقم قياسي جديد في عام 2017 (192 طنًا):
2) لا يوجد نمو معين ملحوظ في عدد المركبات التي يتم إطلاقها في هذه الأنواع من المدارات (الخط الأسود هو خط الاتجاه):
3) لوحظ موقف مماثل مع عدد مرات البدء:
وبشكل عام، هناك اتجاه نحو زيادة ثابتة في حركة البضائع إلى مدارات عالية بيضاوية الشكل. متوسط القيم حسب العقد:
بناءً على متوسط مساحة الأجسام الفضائية ( مساحة المقطع العرضي التراكمي(تقاس بالمتر المربع)، تعتبر الأقمار الصناعية المستقرة بالنسبة إلى الأرض أكثر تفوقًا على المركبات ذات المدار المنخفض (حتى لو أخذنا في الاعتبار المراحل العليا - ر.ب.):
وربما يرجع ذلك إلى العدد الكبير من الهياكل القابلة للنشر في الأقمار الصناعية المستقرة بالنسبة إلى الأرض (الهوائيات والألواح الشمسية وبطاريات التحكم الحراري).
على مر السنين، كان عدد الأقمار الصناعية العاملة في المدار الثابت بالنسبة للأرض يتزايد باستمرار. وفي هذا العقد وحده ارتفع عددهم من أربعمائة إلى خمسمائة:
وفقًا لقاعدة بيانات الأقمار الصناعية العاملة، فإن أقدم قمر صناعي عامل حاليًا في المدار المستقر بالنسبة إلى الأرض هو قمر التتابع تي دي آر إس-3، تم إطلاقه عام 1988. ويبلغ إجمالي عدد الأجهزة العاملة بهيئة التقييس حاليًا 40 جهازًا تجاوز عمرها 20 عامًا:
العدد الإجمالي للأقمار الصناعية المستقرة بالنسبة إلى الأرض، مع مراعاة مدارات الدفن، يتجاوز بالفعل ألف جهاز (مع الحد الأدنى لعدد المراحل العليا ( ر.ب.) الصواريخ في هذه المدارات):
أمثلة على كوكبات الأقمار الصناعية المستقرة بالنسبة إلى الأرض:
تؤدي زيادة الاكتظاظ في المدار الثابت بالنسبة للأرض إلى استمرار اتجاه الأقمار الصناعية الأثقل الموجودة في المدار الثابت بالنسبة للأرض. إذا كان الأول هيئة التقييس الخليجيةكان وزن الأقمار الصناعية 68 كجم فقط، ثم في عام 2017 الصينحاول إطلاق جهاز 7.6 طن. ومن الواضح أن الاكتظاظ المتزايد في المدار الثابت بالنسبة للأرض سيؤدي في المستقبل إلى إنشاء منصات كبيرة ثابتة بالنسبة للأرض تحتوي على عناصر قابلة لإعادة الاستخدام. ومن المحتمل أن تحل مثل هذه المنصات العديد من المشكلات في وقت واحد: الاتصال ومراقبة سطح الأرض لأغراض الأرصاد الجوية، واحتياجات الدفاع، وما إلى ذلك.
قمر صناعي للاتصالات المستقرة بالنسبة إلى الأرض ويزن 7.6 طن، تم إنشاؤه على أساس منصة صينية جديدة دف-5
يسمى مسار القمر الاصطناعي بالمدار. أثناء الطيران الحر للقمر الصناعي، عندما يتم إيقاف تشغيل المحركات النفاثة الموجودة على متنه، تحدث الحركة تحت تأثير قوى الجاذبية والقصور الذاتي، حيث تتمثل القوة الرئيسية في جاذبية الأرض.
إذا اعتبرنا الأرض كروية تمامًا، وكان تأثير مجال الجاذبية الأرضية هو القوة الوحيدة المؤثرة على القمر الصناعي، فإن حركة القمر الصناعي تخضع لقوانين كيبلر المعروفة: فهي تحدث في مكان ثابت (في الفضاء المطلق) ) الطائرة التي تمر عبر مركز الأرض - المستوى المداري؛ يكون للمدار شكل قطع ناقص (الشكل ٣-١) أو دائرة (حالة خاصة من القطع الناقص).
عندما يتحرك القمر الصناعي، تظل الطاقة الميكانيكية الإجمالية (الحركية والمحتملة) دون تغيير، ونتيجة لذلك، مع تحرك القمر الصناعي بعيدًا عن الأرض، تنخفض سرعة حركته. في حالة المدار الإهليلجي، نقطة الحضيض هي نقطة المدار المقابلة لأصغر قيمة لمتجه نصف القطر r = rп، ونقطة الأوج هي النقطة المقابلة لأكبر قيمة r = ra (الشكل 3.2).
تقع الأرض في إحدى بؤرتي القطع الناقص. ترتبط الكميات المدرجة في الصيغة (3.1) بالعلاقات: المسافة بين البؤرتين ومركز القطع الناقص هي ae، أي تتناسب مع الانحراف. ارتفاع القمر الصناعي عن سطح الأرض
أين ص-نصف قطر الأرض. يسمى خط تقاطع المستوى المداري مع المستوى الاستوائي (أ - أ في الشكل 3.1) بخط العقد، والزاوية i بين المستوى المداري والمستوى الاستوائي هي الميل المداري. بناءً على الميل، المدارات الاستوائية (i = 0°)، والمدارات القطبية (i = 90°) والمدارات المائلة (0°)
ويتميز مدار القمر الصناعي أيضًا بخط طول الأوج d - خط طول نقطة القمر الفرعي (نقطة تقاطع متجه نصف القطر مع سطح الأرض) في لحظة مرور القمر الصناعي بالأوج والفترة المدارية T (الزمن بين ممرين متتاليين لنفس النقطة المدارية).
بالنسبة لأنظمة الاتصالات والإذاعة، من الضروري أن يكون هناك خط رؤية مباشر بين القمر الصناعي والمحطات الأرضية المرتبطة به لإجراء جلسة اتصال لمدة كافية. إذا لم تكن الجلسة على مدار الساعة، فمن الملائم تكرارها كل يوم في نفس الوقت. ولذلك، يفضل المدارات المتزامنة مع فترة دوران تساوي أو تضاعف الوقت الذي تدور فيه الأرض حول محورها، أي يوم فلكي (23 ساعة و 56 دقيقة و 4 ثوان).
تم استخدام مدار إهليلجي مرتفع بفترة مدارية مدتها 12 ساعة على نطاق واسع، عندما تم استخدام أقمار مولنيا لأنظمة الاتصالات والتعليق (ارتفاع الحضيض 500 كم، ارتفاع الأوج 40 ألف كم). تتباطأ حركة القمر الصناعي على ارتفاعات عالية – في منطقة الأوج – ويمر القمر الصناعي عبر منطقة الحضيض الواقعة فوق نصف الكرة الجنوبي للأرض بسرعة كبيرة. تعتبر منطقة الرؤية للقمر الاصطناعي في مدار من نوع مولنيا خلال معظم المدار كبيرة بسبب ارتفاعه الكبير. تقع في نصف الكرة الشمالي وبالتالي فهي مناسبة لدول الشمال. من الممكن خدمة كامل أراضي اتحاد الجمهوريات الاشتراكية السوفياتية السابق بواسطة أحد الأقمار الصناعية لمدة 8 ساعات على الأقل، لذلك كانت ثلاثة أقمار صناعية تحل محل بعضها البعض كافية للتشغيل على مدار الساعة. حاليًا، من أجل القضاء على الانقطاعات في الاتصالات والبث، وتبسيط أنظمة التوجيه لهوائيات المحطات الأرضية على الأقمار الصناعية وغيرها من المزايا التشغيلية، تم الانتقال إلى استخدام المدارات المستقرة بالنسبة إلى الأرض (GSO) للأقمار الصناعية الأرضية.
مدار القمر الصناعي المستقر بالنسبة إلى الأرض هو مدار دائري (انحراف المركز e = 0)، استوائي (الميل i = 0°)، مدار متزامن مع فترة مدارية مدتها 24 ساعة، مع تحرك القمر الصناعي في اتجاه شرقي. تم حساب المدار المستقر بالنسبة إلى الأرض في عام 1945 واقترح استخدامه في أقمار الاتصالات من قبل المهندس الإنجليزي آرثر كلارك، الذي عُرف فيما بعد بأنه كاتب خيال علمي. في إنجلترا والعديد من البلدان الأخرى، يُطلق على المدار الثابت بالنسبة للأرض اسم "حزام كلارك"
والمدار على شكل دائرة تقع في مستوى خط استواء الأرض ويبلغ ارتفاعه عن سطح الأرض 35786 كيلومترا. يتزامن اتجاه دوران القمر الصناعي مع اتجاه الدوران اليومي للأرض. لذلك، بالنسبة للراصد على الأرض، يبدو القمر الصناعي ساكنًا عند نقطة معينة في نصف الكرة السماوية.
المدار الثابت بالنسبة للأرض فريد من نوعه لأنه مع عدم وجود مجموعة أخرى من المعلمات، من الممكن تحقيق عدم الحركة لقمر صناعي يتحرك بحرية بالنسبة لمراقب أرضي. ومن الضروري ملاحظة بعض مزايا الأقمار الصناعية المستقرة بالنسبة إلى الأرض. يتم الاتصال بشكل مستمر، على مدار الساعة، دون انتقالات (قمر صناعي يدخل إلى آخر)؛ في هوائيات المحطات الأرضية، تم تبسيط أنظمة التتبع التلقائي عبر الأقمار الصناعية، بل وتم إلغاء بعضها؛ آلية القيادة (الحركة) لهوائيات الإرسال والاستقبال خفيفة الوزن ومبسطة وأكثر اقتصادا؛ تم تحقيق قيمة أكثر استقرارًا لتوهين الإشارة على المسار أرض-فضاء؛ تبلغ منطقة الرؤية للقمر الصناعي المستقر بالنسبة إلى الأرض حوالي ثلث سطح الأرض؛ ثلاثة أقمار صناعية ثابتة بالنسبة للأرض كافية لإنشاء نظام اتصالات عالمي؛ لا يوجد تحول في التردد (أو يصبح صغيرًا جدًا) بسبب تأثير دوبلر.
تأثير دوبلر هو ظاهرة فيزيائية تتضمن تغيرًا في تردد التذبذبات الكهرومغناطيسية عالية التردد عندما يتحرك المرسل والمستقبل بشكل متبادل. يتم شرح تأثير دوبلر بواسطة
الفرق في المسافة في الوقت المناسب. يمكن أن يحدث هذا التأثير أيضًا عندما يتحرك القمر الصناعي في مداره. على خطوط الاتصال من خلال قمر صناعي للحمل بشكل صارم، لا يحدث انزياح دوبلر، وعلى الأقمار الصناعية الحقيقية المستقرة بالنسبة إلى الأرض، يكون ذا أهمية قليلة، وفي المدارات الإهليلجية الطويلة أو المدارات الدائرية المنخفضة يمكن أن يكون مهمًا. ويتجلى التأثير في عدم استقرار تردد الموجة الحاملة للتذبذبات التي ينقلها القمر الصناعي، والذي يضاف إلى عدم استقرار تردد الأجهزة الذي يحدث في معدات المكرر الموجود على متن الطائرة والمحطة الأرضية. يمكن أن يؤدي عدم الاستقرار هذا إلى تعقيد استقبال الإشارة بشكل كبير، مما يؤدي إلى انخفاض في مناعة ضوضاء الاستقبال.
ولسوء الحظ، فإن تأثير دوبلر يساهم في التغيرات في وتيرة تعديل التذبذبات. لا يمكن التحكم في هذا الضغط (أو التوسع) لطيف الإشارة المرسلة عن طريق طرق الأجهزة، لذلك إذا تجاوز تحول التردد الحدود المقبولة (على سبيل المثال، 2 هرتز لبعض أنواع معدات تقسيم التردد)، تصبح القناة غير مقبولة.
كما أن تأخير الإشارة الراديوية أثناء انتشارها على طول الخط الأرضي – القمر الصناعي – الأرضي له تأثير كبير على خصائص قنوات الاتصال.
عند إرسال رسائل بسيطة (أحادية الاتجاه) (البرامج التلفزيونية والبث الصوتي وغيرها من الرسائل المنفصلة (المتقطعة)، لا يشعر المستهلك بهذا التأخير. ومع ذلك، مع الاتصال المزدوج (ثنائي الاتجاه)، يكون التأخير لعدة ثوانٍ ملحوظًا بالفعل. على سبيل المثال، "تنتقل" موجة كهرمغنطيسية من الأرض إلى المدار المستقر بالنسبة إلى الأرض والعودة لمدة 2...4 ثانية (مع مراعاة تأخر الإشارة في المعدات الساتلية) وإلى المعدات الأرضية، وفي هذه الحالة، لا معنى لذلك إرسال إشارات الوقت المحدد.
عادةً ما يتم إطلاق قمر صناعي مستقر بالنسبة إلى الأرض إلى المدار بواسطة صاروخ متعدد المراحل عبر مدار متوسط. مركبة الإطلاق الحديثة هي مركبة فضائية معقدة تدفعها القوة التفاعلية لمحرك صاروخي.
تتكون مركبة الإطلاق من الصاروخ وكتل الرأس. وحدة الصاروخ هي جزء مستقل من صاروخ مركب مع حجرة وقود ونظام دفع وعناصر نظام فصل المرحلة. تشتمل الوحدة الرئيسية على حمولة وغطاء يحمي هيكل القمر الصناعي من التأثيرات الكهربائية والحرارية لتدفق الهواء القادم أثناء الطيران في الغلاف الجوي ويعمل على تركيب عناصر السطح الداخلي التي تشارك في التحضير للإطلاق، ولكن لا تعمل أثناء الطيران تتيح الواجهة الرئيسية تفتيح تصميم القمر الصناعي وهي عنصر سلبي تختفي الحاجة إليه بعد خروج مركبة الإطلاق من الطبقات الكثيفة من الغلاف الجوي حيث يتم إسقاطها. تتكون حمولة المركبة الفضائية من معدات الاتصالات والبث وأنظمة القياس عن بعد الراديوية وجسم القمر الصناعي نفسه مع جميع الأنظمة المساعدة والدعم.
مبدأ التشغيل لمركبة الإطلاق متعددة المراحل القابلة للاستهلاك هو كما يلي: أثناء تشغيل المرحلة الأولى، يمكن اعتبار الباقي، إلى جانب الحمولة الحقيقية، بمثابة حمولة المرحلة الأولى. وبعد انفصاله، يبدأ الثاني في العمل، والذي يشكل، مع المراحل اللاحقة والحمولة الفعلية، صاروخًا مستقلاً جديدًا. أما المرحلة الثانية فكل المراحل اللاحقة (إن وجدت) مع الحمولة الفعلية تلعب دور الحمولة، وهكذا، أي أن طيرانها يتميز بعدة مراحل، كل مرحلة منها بمثابة مرحلة نقل المعرفة. السرعة الأولية للصواريخ الأخرى ذات المرحلة الواحدة المدرجة في تركيبتها. في هذه الحالة، فإن السرعة الأولية لكل صاروخ لاحق أحادي المرحلة تساوي السرعة النهائية للصاروخ السابق. يتم رفض المرحلتين الأولى واللاحقة من الناقل بعد الاحتراق الكامل للوقود في نظام الدفع.
يُطلق على المسار الذي تسلكه مركبة الإطلاق عند إطلاق قمر صناعي في مداره اسم مسار الرحلة. يتميز بالأقسام النشطة والسلبية. المرحلة النشطة من الرحلة هي مراحل طيران مركبة الإطلاق مع تشغيل المحركات، المرحلة السلبية هي رحلة وحدات الصاروخ المستهلكة بعد انفصالها عن مركبة الإطلاق.
تبدأ الحاملة عموديا (القسم 1، وتقع على ارتفاع 185...250 كم)، ثم تدخل القسم النشط المنحني 2 في الاتجاه الشرقي. وفي هذا القسم تضمن المرحلة الأولى الانخفاض التدريجي في زاوية ميل محورها بالنسبة للأفق المحلي. الأقسام 3، 4 هي أقسام الطيران النشطة للمرحلتين الثانية والثالثة، على التوالي، 5 هي مدار القمر الصناعي، 6، 7 هي أقسام الطيران السلبي لوحدات الصواريخ في المرحلتين الأولى والثانية (الشكل 3.4). عند إطلاق قمر صناعي إلى المدار المناسب، يلعب وقت ومكان إطلاق مركبة الإطلاق دورًا مهمًا. لقد تم حساب أنه من الأفضل تحديد موقع Cosmodrome في أقرب مكان ممكن من خط الاستواء، لأنه عند التسارع في الاتجاه الشرقي، تكتسب مركبة الإطلاق سرعة إضافية. وتسمى هذه السرعة بالسرعة المحيطية للكوكب Vk، أي سرعة حركته حول محور الأرض بسبب الدوران اليومي للكوكب، أي. أي أنها عند خط الاستواء تبلغ 465 م/ث، وعند خط عرض قاعدة بايكونور الفضائية - 316 م/ث. ومن الناحية العملية، يعني هذا أنه يمكن إطلاق قمر صناعي أثقل من خط الاستواء بواسطة نفس مركبة الإطلاق.
المرحلة الأخيرة من رحلة مركبة الإطلاق هي إطلاق القمر الصناعي في المدار، والذي يتم تحديد شكله من خلال الطاقة الحركية التي ينقلها الصاروخ إلى القمر الصناعي، أي السرعة النهائية لمركبة الإطلاق. وفي حالة إعطاء القمر الصناعي كمية من الطاقة الكافية لإطلاقه في المدار المستقر بالنسبة إلى الأرض، فيجب على مركبة الإطلاق إطلاقه إلى نقطة تبعد عن الأرض 35875 كيلومتراً وإعطائه سرعة 3075 م/ث.
من السهل حساب السرعة المدارية للقمر الصناعي المستقر بالنسبة إلى الأرض. يبلغ ارتفاع المدار الأرضي المستقر عن سطح الأرض 35,786 كم، ونصف قطر المرصد الأرضي المستقر أكبر بـ 6366 كم (متوسط نصف قطر الأرض)، أي 42,241 كم. بضرب قيمة نصف قطر الأرض في 2 لتر (6.28)، نحصل على محيطها - 265409 كم. وإذا قسمناها على طول اليوم بالثواني (86400 ثانية)، نحصل على السرعة المدارية للقمر الصناعي - في المتوسط 3.075 كم/ث، أو 3075 م/ث.
عادة، يتم إطلاق القمر الصناعي بواسطة مركبة الإطلاق على أربع مراحل: الدخول إلى المدار الأولي؛ الدخول إلى مدار "الانتظار" (مدار التوقف)؛ الدخول إلى مدار النقل؛ دخول المدار النهائي (الشكل 3.5). تتوافق الأرقام مع المراحل التالية لإطلاق القمر الصناعي إلى مدار الأرض: 1 - مدار النقل الأولي؛ 2 - التنشيط الأول لمحرك الأوج للدخول في مدار نقل متوسط؛ 3 - تحديد الموقع في المدار؛ 4 - التنشيط الثاني لمحرك الأوج للدخول في مدار الانجراف الأولي؛ 5 - إعادة توجيه المستوى المداري وتصحيح الخطأ؛ 6 - التوجه عموديا على المستوى المداري وتصحيح الخطأ؛ 7 - إيقاف منصة القمر الصناعي، وفتح الألواح، والانفصال الكامل عن الصاروخ؛ 8 - فتح الهوائيات وتشغيل مثبت الجيروسكوب. 9 - تثبيت الموقع: توجيه الهوائيات إلى النقطة المطلوبة على الأرض، وتوجيه الألواح الشمسية نحو الشمس، وتشغيل المكرر الموجود على متن الطائرة وتحديد وضع التشغيل الاسمي الخاص بها.
يسمى مسار القمر الصناعي مداره. تحت تأثير مجال الجاذبية الأرضية، تخضع حركة القمر الصناعي لقوانين كيبلر. ويحدث في مستوى يمر عبر مركز الأرض - المستوى المداري. المدار له شكل القطع الناقص (أو الدائرة).
ويظل إجمالي الطاقة الميكانيكية (الحركية والمحتملة) للقمر الصناعي أثناء الحركة دون تغيير. ونتيجة لذلك، كلما ابتعد القمر الصناعي عن الأرض، انخفضت سرعة حركته.
يسمى خط تقاطع المستوى المداري مع المستوى الاستوائي بمستوى العقد. الزاوية i بين المستوى المداري والمستوى الاستوائي تسمى الميل المداري.
تتميز المدارات التالية بالميل:
استوائي - i = 0 0 ,
القطبية - ط = 90 0
مائل - 0 0< i < 90 0 ; 90 0 < i < 180 0 .
تسمى نقطة تقاطع ناقل نصف القطر مع سطح الأرض في لحظة مرور أقمار الأوج بخط طول الأوج وخط طول نقطة القمر الفرعي.
الفترة المدارية T هي الزمن بين مرورين متتاليين لنفس النقطة المدارية.
بالنسبة لأنظمة الاتصالات والإذاعة الراديوية، من الضروري أن تكون هناك رؤية مباشرة بين القمر الصناعي والأقمار الصناعية المقابلة خلال جلسة اتصال لمدة كافية.
إذا لم تكن الجلسة على مدار الساعة، فمن المستحسن أن تكرر كل يوم في نفس الوقت. لذلك، بالنسبة لأنظمة الاتصالات، يتم استخدام مدارات متزامنة ذات فترة دوران تساوي أو تضاعف الوقت الذي تدور فيه الأرض حول محورها (اليوم الفلكي):
T = T 3 *(m/n)، حيث m,n z.
عدد دورات الأقمار الصناعية يوميا:
ن = تي 3 / تي = م / ن.
معلمات المدارات المتزامنة:
تُستخدم ثلاثة أنواع من المدارات لنظام SSS: مدارات إهليلجية للغاية، ومدارات ساتلية منخفضة الطيران، ومدار ثابت بالنسبة للأرض.
1. مدار بيضاوي الشكل للغاية مع فترة مدارية T=12 ساعات. ميل المستوى المداري i = 63.4. يتم عرض القمر الصناعي للاتصالات والبث Moltsia عليه. تتباطأ حركة القمر الصناعي على ارتفاعات عالية في منطقة الأوج، ويمر القمر الصناعي عبر منطقة الأوج بسرعة كبيرة. منطقة رؤية القمر الصناعي في هذا المدار خلال معظم المدار كبيرة. تقع في نصف الكرة الشمالي، مما يجعلها مناسبة لدول الشمال. الخدمة في جميع أنحاء روسيا ممكنة لمدة ثماني ساعات على الأقل. ولذلك، فإن استبدال ثلاثة أقمار صناعية ببعضها البعض يكفي لضمان التشغيل دون انقطاع طوال اليوم. هوائيات تتبع GS. هناك تحول كبير في التردد في النظام بسبب تأثير دوبلر.
2. مدارات الأقمار الصناعية التي تحلق على ارتفاع منخفض. هناك دائرية متزامنة وغير متزامنة
جديد من الممكن أن يكون هناك مدار إهليلجي منخفض، وتكون الفترة المدارية له 4 ساعات (T=4). هوائيات تتبع GS. هناك تحول كبير في التردد في النظام بسبب تأثير دوبلر.
3. المدار الثابت بالنسبة للأرض. مدار استوائي دائري متزامن مع الفترة
العلاج 24 ساعة (T = 24). حركة القمر الصناعي في الاتجاه الشرقي القمر الصناعي المستقر بالنسبة إلى الأرض ثابت بالنسبة لسطح الأرض. ويقع فوق خط الاستواء على ارتفاع 35875 كيلومتراً، مع خط طول ثابت معين للنقطة الفرعية.
مزايا الأقمار الصناعية المستقرة بالنسبة إلى الأرض لأنظمة الاتصالات.
يتم الاتصال بشكل مستمر وعلى مدار الساعة دون الانتقال من قمر صناعي إلى آخر.
تكون هوائيات GS ثابتة وموجهة إلى نقطة واحدة في المدار.
يتم تحقيق قيمة أكثر استقرارًا لتوهين الإشارة على المسار فضاء-أرض.
لا يوجد أي تحول في التردد أو لا يذكر بسبب تأثير دوبلر. تبلغ منطقة الرؤية للقمر الصناعي المستقر بالنسبة إلى الأرض حوالي ثلث سطح الأرض.
تكفي ثلاثة أقمار صناعية مستقرة بالنسبة إلى الأرض لإنشاء نظام اتصالات.
المدار الثابت بالنسبة للأرض فريد من نوعه. ومع عدم وجود مجموعة أخرى من المعلمات، من الممكن تحقيق عدم الحركة لقمر صناعي يتحرك بحرية بالنسبة لسطح الأرض. يستخدم المدار الثابت بالنسبة للأرض على نطاق واسع بواسطة أقمار الاتصالات وفي العديد من مجالات الترددات الراديوية يكون مشبعًا بالأقمار الصناعية إلى الحد الأقصى.
وفي الوقت نفسه، فإن المدار الثابت بالنسبة للأرض له عيب كبير بالنسبة لبلدنا. عند خطوط العرض العليا، يكون القمر الصناعي المستقر بالنسبة إلى الأرض مرئيًا عند زوايا ارتفاع منخفضة، مما يؤدي إلى تظليل القمر الصناعي بواسطة الأجسام المحلية ويزيد من ضوضاء الهوائي الناتجة عن ضوضاء انبعاثات الراديو من الأرض. تتناقص زوايا الارتفاع بالنسبة إلى الساتل المستقر بالنسبة إلى الأرض أيضًا مع المسافة في خط الطول من نقطة الاستقبال إلى خط طول الساتل. ومن ثم، لكي يخدم المناطق الواقعة عند خطوط العرض العليا، ينبغي أن يقع الساتل المستقر بالنسبة إلى الأرض في أقرب مكان ممكن من خط الطول المركزي لمنطقة الخدمة. تسمى المنطقة الأرضية التي يمكن من خلالها تغيير نقطة تحديد موقع القمر الصناعي الاصطناعي مع الحفاظ على منطقة الخدمة المطلوبة بقوس الخدمة.
تحت تأثير عدد من العوامل المزعجة، يختلف القمر الصناعي الحقيقي عن القمر الصناعي الثابت بالنسبة للأرض. يؤدي الانحراف عن خط الاستواء الدقيق إلى تأرجح القمر الصناعي في خطوط الطول والعرض. يمكن أن يكون التغير في الانحراف على مدار عام درجة واحدة، بحيث بعد مرور عام أو عامين على إطلاق القمر الصناعي في المدار، ستؤثر تقلباته بشكل كبير على تشغيل نظام الاتصالات بأكمله (يتم تقليل منطقة الخدمة، والتوجيه التلقائي للهوائيات الأرضية مطلوب، الخ).
وللحفاظ على استقرار الأقمار الصناعية المستقرة بالنسبة إلى الأرض، من الضروري تصحيح حركتها بشكل دوري باستخدام محركات تصحيح خاصة.
تستخدم الأنظمة الفضائية التي تحل مشاكل الاتصالات الشخصية أقمارًا صناعية يمكن أن تكون في مدارات مختلفة.
يتم تصنيف مدارات المركبات الفضائية (SC) وفقًا لشكلها، وتكرار مرورها فوق نقاط على سطح الأرض، وميلها.
تتميز الأنواع التالية من المدارات بالشكل:
1. التعميم - يصعب تنفيذه عمليًا ويتطلب تصحيحًا متكررًا باستخدام المحركات التصحيحية الموجودة على متن المركبة الفضائية.
2. قريب من التعميم. هذا هو النوع الأكثر شيوعًا من المدارات في أنظمة الاتصالات عبر الأقمار الصناعية. في مثل هذه المدارات، مرتفعات الأوج والحضيض. تختلف بعدة عشرات من الكيلومترات.
3. بيضاوي الشكل. مرتفعات ن(الأوج) و ن(الحضيض) يمكن أن تختلف بشكل كبير (على سبيل المثال. نأ = 38000-40000 كم, نن = 400-500 كم) كما تستخدم هذه المدارات على نطاق واسع في أنظمة الاتصالات عبر الأقمار الصناعية.
4. ثابتة بالنسبة للأرض. وهي مدارات استوائية دائرية تكون الفترة المدارية للقمر الصناعي مساوية للفترة المدارية للأرض ( ر = 23 ح 56 دقيقة). وفي مثل هذا المدار، يقع القمر الصناعي على ارتفاع 36000 كمويقع باستمرار فوق نقطة معينة على خط استواء الأرض. تتمتع المركبات الفضائية الموجودة في المدار الثابت بالنسبة للأرض بمساحة عرض كبيرة للأرض، مما يسمح باستخدامها بنجاح في أنظمة الاتصالات عبر الأقمار الصناعية.
5. القطع المكافئ والزائد. وعادة ما تستخدم لدراسة كواكب النظام الشمسي.
بناءً على تردد مرور المركبات الفضائية فوق نقاط على سطح الأرض، يمكن تمييز أنواع المدارات التالية:
1. متزامن. وهي، بدورها، مقسمة إلى مسار iso متزامن وشبه مسار متزامن. تتميز مدارات Isoroute بحقيقة أن إسقاطات مدار الأقمار الصناعية الأرضية الاصطناعية (AES) على سطح (مسارات) الأرض تتزامن يوميًا. وتتميز المدارات شبه المسارية بأن إسقاطات المدار على سطح الأرض تتزامن مرة كل بضعة أيام.
2. تتميز غير المتزامنة بحقيقة أن المسارات المقابلة لأي دورتين للمركبة الفضائية حول الأرض لا تتطابق.
يشير الميل المداري إلى الزاوية بين مستويات خط استواء الأرض ومدار المركبة الفضائية. يتم قياس الميل من المستوى الاستوائي إلى المستوى المداري عكس اتجاه عقارب الساعة. يمكن أن تختلف من 0 إلى 180 درجة.
تتميز الأنواع التالية من المدارات بالميل:
المباشر (الميل المداري< 90°)
عكسي (الميل المداري> 90 درجة)
قطبي (الميل المداري = 90°)
· خط استوائي (الميل المداري 0 أو 180 درجة)
المبادرة المدارية
يؤدي عدم كروية الأرض والتوزيع غير المتساوي لكتلتها إلى تغيير (المبادرة) في مستوى مدار المركبة الفضائية، مما يستلزم مبادرة الخط المقلوب (أي الخط الذي يربط بين الأوج والحضيض) للأرض مدار. وفي هذه الحالة، تعتمد سرعة هذه المبادرات على شكل المدار، وارتفاع الأوج والحضيض، وكذلك على الميل. تؤدي حركة المستوى المداري إلى إزاحة الزوايا الصاعدة والهابطة بالنسبة إلى الموضع الأولي (في لحظة إطلاق المركبة الفضائية إلى المدار).
يعتمد حجم مبادرة المستوى المداري للمركبة الفضائية على قوة مجال الجاذبية الأرضية. وتؤدي زيادة التوتر إلى "استقامة" المدار القريب من خط الاستواء بسبب زيادة سرعة القمر الصناعي في اتجاه خط الاستواء. في هذه الحالة، يبدأ القمر الصناعي الذي يتحرك في مدار أمامي بالانحراف إلى اليسار في اتجاه السفر، والقمر الصناعي الذي يتحرك في مدار عكسي، على العكس من ذلك، إلى اليمين في اتجاه السفر.
وهكذا، في الحالة الأولى، يتحرك المستوى المداري في الاتجاه الغربي، وفي الثانية - في الاتجاه الشرقي. المستويات المدارية القطبية (التي لها ميل = 90 درجة) لا تتقدم.
ارتفاع مدارات الأقمار الصناعية المتصلة
حاليًا، تستخدم الأنظمة الفضائية لحل مشاكل الاتصالات الراديوية الشخصية الأقمار الصناعية، والتي يمكن أن تكون موجودة في المدارات التالية: منخفضة (دائرية أو قريبة من دائرية)، متوسطة الارتفاع (دائرية أو بيضاوية) ومستقرة بالنسبة إلى الأرض.
يتم تحديد ارتفاع مدارات المركبة الفضائية بناءً على تحليل العديد من العوامل، بما في ذلك خصائص الطاقة للوصلات الراديوية، والتأخير في انتشار الموجات الراديوية، والقرب من مدار أحزمة فان ألين الإشعاعية، وحجم وموقع المركبة الفضائية. المناطق المخدومة. وبالإضافة إلى ذلك، يتأثر الارتفاع المداري بطريقة تنظيم الاتصالات ومتطلبات التأكد من القيمة المطلوبة لزاوية ارتفاع المركبة الفضائية.
ومن خلال تحليل الكوكبات ذات المدارات المنخفضة لمختلف الأنظمة الفضائية، يمكن ملاحظة أن ارتفاعات المدارات الدائرية للمركبات الفضائية لمعظم هذه الكوكبات تتراوح بين 700 إلى 1500 كم.ويرجع ذلك إلى العوامل التالية:
· في مدارات أقل من 700 كم، كثافة الغلاف الجوي عالية جدًا، مما يؤدي إلى انخفاض في الانحراف المركزي وانخفاض تدريجي في ارتفاع الأوج. ويؤدي الانخفاض الإضافي في ارتفاع المدار إلى زيادة استهلاك الوقود وزيادة وتيرة المناورات للحفاظ على مدار معين.
· على ارتفاعات فوق 1500 كميقع أول حزام إشعاعي لـ Van Allen حيث يكون تشغيل المعدات الإلكترونية الموجودة على متن الطائرة مستحيلاً.
مدارات الارتفاع المتوسط (5000 - 15000). كمفوق سطح الأرض) تقع بين حزامي فان آلن الإشعاعيين الأول والثاني. وفي الأنظمة التي تستخدم المركبات الفضائية الموجودة في مثل هذه المدارات، يبلغ التأخير في نشر الإشارة عبر القمر الصناعي للترحيل حوالي 130 آنسة، وهو أمر غير محسوس تقريبًا للسمع البشري، وبالتالي يسمح باستخدام مثل هذه الأقمار الصناعية للاتصالات الهاتفية اللاسلكية.
الأنظمة التي تستخدم الأقمار الصناعية ذات الارتفاع المداري 700 - 1500 كم، تتمتع بخصائص طاقة أفضل للوصلات الراديوية مقارنة بالأنظمة ذات الارتفاع المداري للساتل الذي يبلغ حوالي 10000 كمولكنها أدنى منهم في مدة الوجود النشط للمركبة الفضائية. والحقيقة هي أن الفترة المدارية للمركبة الفضائية تبلغ حوالي 100 دقيقة(للمدارات المنخفضة) متوسط 30 دقيقةوالتي تقع على جانب الظل من الأرض. لذلك، تواجه البطاريات الموجودة على متن الطائرة ما يقرب من 5000 دورة شحن/تفريغ سنويًا من الألواح الشمسية. للمدارات الدائرية بارتفاع 10000 كمالفترة المدارية حوالي 6 حوالتي تقضيها المركبة الفضائية في ظل الأرض بضع دقائق فقط.
تجدر الإشارة أيضًا إلى أن القمر الصناعي الموجود في مدار منخفض يقع في خط رؤية المشترك لمدة 8-12 فقط دقيقة. وهذا يعني أنه لضمان الاتصال المستمر لأي مشترك، ستكون هناك حاجة إلى العديد من الأقمار الصناعية، والتي يجب أن توفر بشكل تسلسلي (باستخدام محطات البوابة أو الاتصال بين الأقمار الصناعية) اتصالاً مستمرًا. مع زيادة ارتفاع مدار المركبة الفضائية، تزداد منطقة خط البصر للقمر الصناعي والمشترك، مما يؤدي إلى انخفاض عدد الأقمار الصناعية اللازمة لضمان الاتصال المستمر. وبالتالي، مع زيادة الارتفاع المداري، يزداد وقت وحجم منطقة التغطية، وبالتالي، يلزم عدد أقل من الأقمار الصناعية لتغطية نفس المنطقة.
تتمتع الأنظمة الفضائية المستقرة بالنسبة إلى الأرض ذات الارتفاعات المدارية الساتلية بحوالي 36000 كيلومتر بميزتين مهمتين:
· النظام، الذي يتكون من ثلاثة أقمار صناعية مستقرة بالنسبة إلى الأرض، يقدم عمليا نظرة عامة عالمية على سطح الأرض.
· توجد الأقمار الصناعية دائمًا فوق نقطة معينة على الأرض، مما يتيح لك توفير معدات تتبع المركبات الفضائية.
بالنسبة لنظام الاتصالات لدينا، من الأفضل استخدام قمر صناعي في مدار ثابت بالنسبة للأرض، مما سيسمح لنا بتغطية المنطقة المطلوبة من سطح الأرض والتخلص من استخدام معدات تتبع الأقمار الصناعية المعقدة.
في المدار الثابت بالنسبة للأرض، لا يقترب القمر الصناعي من الأرض ولا يبتعد عنها، بالإضافة إلى أنه يدور مع الأرض، فهو يقع باستمرار فوق أي نقطة على خط الاستواء. وبالتالي، فإن قوى الجاذبية وقوى الطرد المركزي المؤثرة على القمر الصناعي يجب أن توازن بعضها البعض. لحساب ارتفاع المدار الثابت بالنسبة للأرض، يمكنك استخدام طرق الميكانيكا الكلاسيكية، وبالانتقال إلى الإطار المرجعي للقمر الصناعي، تابع من المعادلة التالية:
أين هي قوة القصور الذاتي، وفي هذه الحالة، قوة الطرد المركزي هي قوة الجاذبية. يمكن تحديد حجم قوة الجاذبية المؤثرة على القمر الصناعي من خلال قانون نيوتن للجذب العام:
حيث كتلة القمر الصناعي، هي كتلة الأرض بالكيلوجرام، هي ثابت الجاذبية، وهي نصف قطر المدار (المسافة بالأمتار من القمر الصناعي إلى مركز الأرض).
حجم قوة الطرد المركزي يساوي:
أين هو تسارع الجذب المركزي الذي يحدث أثناء الحركة الدائرية في المدار.
كما يمكن أن نرى، فإن كتلة القمر الصناعي موجودة في تعبيرات كل من قوة الطرد المركزي وقوة الجاذبية. أي أن ارتفاع المدار لا يعتمد على كتلة القمر الصناعي، وهو ما ينطبق على أي مدارات وهو نتيجة لتساوي كتلة الجاذبية والقصور الذاتي. وبالتالي، يتم تحديد المدار الثابت بالنسبة للأرض فقط من خلال الارتفاع الذي ستكون فيه قوة الطرد المركزي مساوية في الحجم ومعاكسة في الاتجاه لقوة الجاذبية الناتجة عن جاذبية الأرض على ارتفاع معين.
التسارع المركزي يساوي:
أين هي السرعة الزاوية لدوران القمر الصناعي، بوحدة الراديان في الثانية.
وباعتماد تساوي قوى الجاذبية والطرد المركزي نحصل على:
السرعة الزاوية ω
يتم حسابه بقسمة الزاوية التي يتم اجتيازها في دورة واحدة على الفترة المدارية (الوقت المستغرق لإكمال دورة كاملة في المدار: يوم فلكي واحد، أو 86,164 ثانية). نحصل على: 
راد / ث
ويبلغ نصف القطر المداري المقدر 42,164 كم. بطرح نصف القطر الاستوائي للأرض، وهو 6378 كيلومترًا، نحصل على ارتفاع بالنسبة إلى الأرض يبلغ 35786 كيلومترًا.
السرعة المدارية
يتم حساب سرعة الحركة في المدار الثابت بالنسبة للأرض عن طريق ضرب السرعة الزاوية في نصف قطر المدار: كم/ث
وهذا أقل بحوالي 2.5 مرة من سرعة الإفلات الأولى البالغة 8 كم/ثانية للمدار القريب من الأرض (بنصف قطر 6400 كم). وبما أن مربع السرعة لمدار دائري يتناسب عكسيا مع نصف قطره، يتم تحقيق انخفاض في السرعة بالنسبة للسرعة الكونية الأولى عن طريق زيادة نصف القطر المداري بأكثر من 6 مرات.
طول المدار
طول المدار الثابت بالنسبة للأرض: . وبنصف قطر مداري يبلغ 42,164 كم، نحصل على طول مداري يبلغ 264,924 كم. يعد طول المدار مهمًا للغاية لحساب "نقاط الوقوف" للأقمار الصناعية.
الحفاظ على القمر الصناعي في موقع مداري في مدار ثابت بالنسبة للأرض يكون القمر الصناعي الذي يدور في مدار ثابت بالنسبة للأرض تحت تأثير عدد من القوى (الاضطرابات) التي تغير معالم هذا المدار. على وجه الخصوص، تشمل هذه الاضطرابات اضطرابات الجاذبية القمرية والشمسية، وتأثير عدم تجانس مجال الجاذبية الأرضية، وإهليلجية خط الاستواء، وما إلى ذلك. يتم التعبير عن التدهور المداري في ظاهرتين رئيسيتين:
1) يتحرك القمر الصناعي على طول المدار من موقعه المداري الأصلي نحو إحدى نقاط التوازن المستقر الأربع، ما يسمى "الثقوب المحتملة للمدار الثابت بالنسبة للأرض" (خطوط الطول هي 75.3 درجة شرقًا، و104.7 درجة غربًا، و165.3 درجة شرقًا، و 14.7° غربًا) فوق خط استواء الأرض؛
2) يزداد ميل المدار إلى خط الاستواء (من الابتدائي = 0) بمعدل حوالي 0.85 درجة سنوياً ويصل إلى قيمة قصوى تبلغ 15 درجة خلال 26.5 سنة.
وللتعويض عن هذه الاضطرابات وإبقاء القمر الصناعي في نقطة الثبات المحددة، تم تجهيز القمر الصناعي بنظام دفع (صاروخ كيميائي أو كهربائي). من خلال التشغيل الدوري للمحركات ذات الدفع المنخفض (التصحيح "شمال جنوب" للتعويض عن الزيادة في الميل المداري و"غرب شرق" للتعويض عن الانحراف على طول المدار)، يتم الاحتفاظ بالقمر الصناعي في نقطة ثابتة محددة. يتم إجراء هذه التضمينات عدة مرات كل بضعة (10-15) يومًا. ومن المهم أن التصحيح من الشمال إلى الجنوب يتطلب زيادة أكبر بكثير في السرعة المميزة (حوالي 45-50 م/ث في السنة) مقارنة بالتصحيح الطولي (حوالي 2 م/ث في السنة). لضمان تصحيح مدار القمر الصناعي طوال فترة خدمته بالكامل (12-15 سنة للأقمار الصناعية التلفزيونية الحديثة)، يلزم توفر كمية كبيرة من الوقود على متن الطائرة (مئات الكيلوجرامات، في حالة استخدام محرك كيميائي). يحتوي المحرك الصاروخي الكيميائي للقمر الصناعي على نظام إمداد وقود الإزاحة (غاز معزز - هيليوم) ويعمل على مكونات طويلة الأمد وعالية الغليان (عادةً ثنائي ميثيل هيدرازين غير متماثل ورباعي أكسيد النيتروجين). تم تجهيز عدد من الأقمار الصناعية بمحركات البلازما. إن قوة دفعها أقل بكثير من تلك الكيميائية، لكن كفاءتها الأكبر تسمح (بسبب التشغيل المطول، الذي يتم قياسه بعشرات الدقائق لمناورة واحدة) بتقليل كتلة الوقود المطلوبة على متن الطائرة بشكل جذري. يتم تحديد اختيار نوع نظام الدفع من خلال الميزات التقنية المحددة للجهاز.
ويستخدم نفس نظام الدفع، إذا لزم الأمر، لتحريك القمر الصناعي إلى موقع مداري آخر. في بعض الحالات، عادة في نهاية عمر القمر الصناعي، لتقليل استهلاك الوقود، يتم إيقاف تصحيح المدار بين الشمال والجنوب، ويستخدم الوقود المتبقي فقط للتصحيح بين الغرب والشرق. احتياطي الوقود هو العامل المحدد الرئيسي في عمر خدمة القمر الصناعي في المدار الثابت بالنسبة للأرض.
