Как найти радиус орбиты спутника

Вычисление параметров геостационарной орбиты Радиус орбиты и высота орбиты

На геостационарной орбите спутник не приближается к Земле и не удаляется от неё, и кроме того, вращаясь вместе с Землёй, постоянно находится над какой-либо точкой на экваторе. Следовательно, действующие на спутник силы гравитации и центробежная сила должны уравновешивать друг друга. Для вычисления высоты геостационарной орбиты можно воспользоваться методами классической механики и, перейдя в систему отсчета спутника, исходить из следующего уравнения:

где – сила инерции, а в данном случае, центробежная сила;– гравитационная сила. Величину гравитационной силы, действующую на спутник, можно определить по закону всемирного тяготения Ньютона:

где – масса спутника,– масса Земли в килограммах,– гравитационная постоянная, а– радиус орбиты (расстояние в метрах от спутника до центра Земли).

Величина центробежной силы равна:

где – центростремительное ускорение, возникающее при круговом движении по орбите.

Как можно видеть, масса спутника присутствует в выражениях и для центробежной силы, и для гравитационной силы. То есть, высота орбиты не зависит от массы спутника, что справедливо для любых орбит и является следствием равенства гравитационной и инертной массы. Следовательно, геостационарная орбита определяется лишь высотой, при которой центробежная сила будет равна по модулю и противоположна по направлению гравитационной силе, создаваемой притяжением Земли на данной высоте.

Центростремительное ускорение равно:

где – угловая скорость вращения спутника, в радианах в секунду.

Исходя из равенства гравитационной и центробежной сил, получаем:

Отсюда .

Угловая скорость ωвычисляется делением угла, пройденного за один оборот на период обращения (время, за которое совершается один полный оборот по орбите: один сидерический день, или 86 164 секунды). Получаем:рад/с

Расчетный радиус орбиты составляет 42 164 км. Вычитая экваториальный радиус Земли, 6 378 км, получаем высоту ГСО 35 786 км.

Орбитальная скорость

Скорость движения по геостационарной орбите вычисляется умножением угловой скорости на радиус орбиты: км/с

Это примерно в 2.5 раза меньше, чем первая космическая скорость равная 8 км/с для околоземной орбиты (с радиусом 6400 км). Так как квадрат скорости для круговой орбиты обратно пропорционален её радиусу, то уменьшение скорости по отношению к первой космической достигается увеличением радиуса орбиты более чем в 6 раз.

Длина орбиты

Длина геостационарной орбиты: . При радиусе орбиты 42 164 км получаем длину орбиты 264 924 км. Длина орбиты крайне важна для вычисления «точек стояния» спутников.

Удержание спутника в орбитальной позиции на геостационарной орбите. Спутник, обращающийся на геостационарной орбите, находится под воздействием ряда сил (возмущений), изменяющих параметры этой орбиты. В частности, к таким возмущениям относятся гравитационные лунно-солнечные возмущения, влияние неоднородности гравитационного поля Земли, эллиптичность экватора и т.д. Деградация орбиты выражается в двух основных явлениях:

1) Спутник смещается вдоль орбиты от своей первоначальной орбитальной позиции в сторону одной из четырёх точек стабильного равновесия, так называемых «потенциальных ям геостационарной орбиты» (их долготы 75,3°E, 104,7°W, 165,3°E, и 14,7°W) над экватором Земли;

2) Наклонение орбиты к экватору увеличивается (от первоначального =0) со скоростью порядка 0,85 градусов в год и достигает максимального значения 15 градусов за 26,5 лет.

Для компенсации этих возмущений и удержания спутника в назначенной точке стояния спутник оснащается двигательной установкой (химической или электроракетной). Периодическими включениями двигателей малой тяги (коррекция «север-юг» для компенсации роста наклонения орбиты и «запад-восток» для компенсации дрейфа вдоль орбиты) спутник удерживается в назначенной точке стояния. Такие включения производятся по нескольку раз в несколько (10—15) суток. Существенно, что для коррекции «север-юг» требуется значительно большее приращение характеристической скорости (около 45—50 м/с в год), чем для долготной коррекции (около 2 м/с в год). Для обеспечения коррекции орбиты спутника на протяжении всего срока его эксплуатации (12—15 лет для современных телевизионных спутников) требуется значительный запас топлива на борту (сотни килограммов, в случае применения химического двигателя). Химический ракетный двигатель спутника имеет вытеснительную систему подачи топлива (газ наддува – гелий), работает на долгохранимых высококипящих компонентах (обычно несимметричный диметилгидразин и азотный тетраксид). На ряде спутников устанавливаются плазменные двигатели. Их тяга существенно меньше, чем у химических, однако большая эффективность позволяет (за счет продолжительной работы, измеряемой десятками минут для единичного маневра) радикально снизить потребную массу топлива на борту. Выбор типа двигательной установки определяется конкретными техническими особенностями аппарата.

Эта же двигательная установка используется, при необходимости, для маневра перевода спутника в другую орбитальную позицию. В некоторых случаях – как правило, в конце срока эксплуатации спутника, для сокращения расхода топлива коррекция орбиты «север-юг» прекращается, а остаток топлива используется только для коррекции «запад-восток». Запас топлива является основным лимитирующим фактором срока службы спутника на геостационарной орбите.

Как найти радиус орбиты спутника

Copyright © 2009 Студия "Креатив"

Расчет орбиты Искусственного Спутника Земли.

Траектория движения ИСЗ называется орбитой. Во время свободного полета спутника, когда его бортовые реактивные двигатели выключены, движение происходит под воздействием гравитационных сил и по инерции, причем главной силой является притяжение Земли.

Если считать Землю строго сферической, а действие гравитационного поля Земли — единственной силой, воздействующей на спутник, то движение ИСЗ подчиняется известным законам Кеплера: оно происходит в неподвижной (в абсолютном пространстве) плоскости, проходящей через центр Земли, — плоскости орбиты; орбита имеет форму эллипса (рис 3.1) или окружности (частный случай эллипса).

При движении спутника полная механическая энергия (кинетическая и потенциальная) остается неизменной, вследствие чего при удалении спутника от Земли скорость его движения уменьшается.

Уравнение эллиптической орбиты спутника Земли в полярной системе координат определяется формулой

В случае эллиптической орбиты точкой перигея называют точку орбиты, соответствующую наименьшему значению радиус-вектора r = rп, точкой апогея — точку, соответствующую наибольшему значению r = ra (рис. 3.2).

Земля находится в одном из фокусов эллипса. Входящие в формулу (3.1) величины связаны соотношениями:

Расстояние между фокусами и центром эллипса составляет ае, т. е. пропорционально эксцентриситету. Высота спутника над поверхностью Земли

где R — радиус Земли. Линия пересечения плоскости орбиты с плоскостью экватора (а — а на рис. 3.1) называется линией узлов, угол i между плоскостью орбиты и плоскостью экватора — наклонением орбиты. По наклонению различают экваториальные (i = 0°), полярные (i = 90°) и наклонные орбиты,(0°<i<90° 90°<i<180°).

Орбита спутника характеризуется также долготой апогея д — долгота подспутниковой точки (точка пересечения радиуса-вектора с поверхностью Земли) в момент прохождения спутником апогея и периодом обращения Т (время между двумя последовательными прохождениями одной и той же точки орбиты).

Для систем связи и вещания необходимо, чтобы имелась прямая видимость между спутником и соответствующими земными станциями в течение сеанса связи достаточной длительности. Если сеанс не круглосуточный, то удобно, чтобы он повторялся ежесуточно в одно и то же время. Поэтому предпочтительны синхронные орбиты с периодом обращения, равным или кратным времени оборота Земли вокруг оси, т. е. звездным суткам (23 ч 56 мин 4 с).

Широкое применение нашла высокая эллиптическая орбита с периодом обращения 12 ч, когда для систем связи и вешания использовались спутники «Молния» (высота перигея 500 км, апогея — 40 тыс. км). Движение ИСЗ на большой высоте — в области апогея — замедляется, а область перигея, расположенную над южным полушарием Земли, спутник проходит очень быстро. Зона видимости ИСЗ на орбите типа «Молния» в течение большей части витка вследствие значительной высоты велика. Она расположена в северном полушарии и поэтому удобна для северных стран. Обслуживание всей территории бывшего СССР одним из ИСЗ возможно в течение не менее 8 ч, поэтому трех ИСЗ, сменяющих друг друга, было достаточно для круглосуточной работы. В настоящее время ради исключения перерывов связи и вещания, упрощения систем наведения антенн земных станций на ИСЗ и других эксплуатационных преимуществ осуществлен переход на использование геостационарных орбит (ГСО) спутников Земли.

Орбита геостационарного ИСЗ — это круговая (эксцентриситет е = 0), экваториальная (наклонение i = 0°), синхронная орбита с периодом обращения 24 ч, с движением спутника в восточном направлении.

Орбиту ГСО еще в 1945 г. рассчитал и предложил использовать для спутников связи английский инженер Артур Кларк, известный впоследствии как писатель-фантаст. В Англии и многих других странах геостационарную орбиту называют «Пояс Кларка» (рис. 3.3).

Орбита имеет форму окружности, лежащей в плоскости земного экватора с высотой над поверхностью Земли 35 786 км. Направление вращения ИСЗ совпадает с направлением суточного вращения Земли. Поэтому для земного наблюдателя спутник кажется неподвижным в определенной точке небесной полусферы.

Геостационарная орбита уникальна тем, что ни при каком другом сочетании параметров нельзя добиться неподвижности свободно движущегося ИСЗ относительно земного наблюдателя. Необходимо отметить некоторые достоинства геостационарных ИСЗ. Связь осуществляется непрерывно, круглосуточно, без переходов (заходящего ИСЗ на другой);

на антеннах земных станций упрощены, а на некоторых даже исключены системы автоматического сопровождения ИСЗ;

механизм привода (перемещения) передающей и приемной антенн облегчен, упрошен, сделан более экономичным; достигнуто более стабильное значение ослабления сигнала на трассе Земля — Космос; зона видимости геостационарного ИСЗ около одной трети земной поверхности; трех геостационарных ИСЗ достаточно для создания глобальной системы связи; отсутствует (или становится весьма малым) частотный сдвиг, обусловленный эффектом Доплера.

Эффектом Доплера называют физическое явление, заключающееся в изменении частоты высокочастотных электромагнитных колебаний при взаимном перемещении передатчика и приемника. Эффект Доплера объясняется изме

нением расстояния во времени. Этот эффект может возникнуть также и при движении ИСЗ на орбите. На линиях связи через строго гестационарный спутник доплеровский сдвиг не возникает, на реальных геостационарных ИСЗ — мало существен, а на сильно вытянутых эллиптических или низких круговых орбитах может быть значительным. Эффект проявляется как нестабильность несущей частоты ретранслируемых спутником колебаний, которая добавляется к аппаратурной нестабильности частоты, возникающей в аппаратуре бортового ретранслятора и земной станции. Эта нестабильность может существенно осложнять прием сигналов, приводя к снижению помехоустойчивости приема.

К сожалению, эффект Доплера способствует изменению частоты модулирующих колебаний. Это сжатие (или расширение) спектра передаваемого сигнала невозможно контролировать аппаратурными методами, так что если сдвиг частоты превысит допустимые пределы (например, 2 Гц для некоторых типов аппаратуры частотного разделения каналов), то канал оказывается неприемлемым.

Существенное влияние на свойства каналов связи оказывает и запаздывание радиосигнала при его распространении по линии Земля — ИСЗ — Земля.

При передаче симплексных (однонаправленных) сообщений (программ телевидения, звукового вешания и других дискретных (прерывистых) сообщений это запаздывание не ощущается потребителем. Однако при дуплексной (двусторонней) связи запаздывание на несколько секунд уже заметно. Например, электромагнитная волна от Земли на ГСО и обратно «путешествует» 2. 4 с (с учетом задержки сигнала в аппаратуре ИСЗ) и наземной аппаратуре. В этом случае не имеет смысла передавать сигналы точного времени.

Вывод геостационарного спутника на орбиту обычно осуществляется многоступенчатой ракетой через промежуточную орбиту. Современная ракета-носитель представляет собой сложный космический летательный аппарат, который приводится в движение реактивной силой ракетного двигателя.

В состав ракеты-носителя входят ракетный и головной блоки. Ракетный блок является автономной частью составной ракеты с топливным отсеком, двигательной установкой и элементами системы разделения ступеней. Головной блок включает в себя полезную нагрузку и обтекатель, защищающий конструкцию ИСЗ от силового и теплового воздействий набегающего потока воздуха при полете в атмосфере и служащего для монтажа на его внутренней поверхности элементов, которые участвуют в подготовке к пуску, но не функционируют в полете. Главный обтекатель позволяет облегчить конструкцию ИСЗ и является пассивным элементом, надобность в котором отпадает после выхода ракеты-носителя из плотных слоев атмосферы, где он сбрасывается. Полезная нагрузка космического аппарата состоит из ретрансляционного оборудования связи и вещания, радиотелеметрических систем, собственно корпуса ИСЗ со всеми вспомогательными и обеспечивающими системами.

Принцип действий одноразовой многоступенчатой ракеты-носителя состоит в следующем: пока работает первая ступень, можно рассматривать остальные вместе с истинной полезной нагрузкой в качестве полезной нагрузки первой ступени. После ее отделения начинает работать вторая, которая вместе с последующими ступенями и истинной полезной нагрузкой образует новую самостоятельную ракету. Для второй ступени все последующие (если они есть) вместе с истинным полезным грузом играют роль полезной нагрузки и так далее, т. е. полет ее характеризуется несколькими этапами, каждый из которых является как бы ступенью для сообщения начальной скорости другим одноступенчатым ракетам, входящим в ее состав. При этом начальная скорость каждой последующей одноступенчатой ракеты равна конечной скорости предыдущей. Отторжение первой и последующих ступеней носителя осуществляется после полного выгорания топлива в двигательной установке.

Путь, который проходит ракета-носитель при выведении ИСЗ на орбиту, называют траекторией полета. Он характеризуется активным и пассивным участками. Активный участок полета — это пролет ступеней носителя с работающими двигателями, пассивный участок — полет отработавших ракетных блоков после их отделения от ракеты-носителя.

Носитель,стартуя вертикально (участок 1, расположенный на высоте 185. 250 км), выходит затем на криволиней

ный активный участок 2 в восточном направлении. На этом участке первая ступень обеспечивает постепенное уменьшение угла наклона ее оси по отношению к местному горизонту. Участки 3, 4 — соответственно активные участки полета второй и третьей ступеней, 5 — орбита ИСЗ, 6, 7 — пассивные участки полета ракетных блоков первой и второй ступеней (рис. 3.4).

При выведении ИСЗ на соответствующую орбиту большую роль играют время и место запуска ракеты-носителя. Подсчитано, что космодром выгоднее располагать как можно ближе к экватору, так как при разгоне в восточном направлении ракета-носитель получает дополнительную скорость. Эта скорость называется окружной скоростью космодрома Vк, т. е. скорость его движения вокруг оси Земли благодаря суточному вращению планеты.

т. е. на экваторе она равна 465 м/с, а на широте космодрома Байконур — 316 м/с. Практически это означает, что с экватора той же ракетой-носителем может быть запушен более тяжелый ИСЗ.

Завершающей стадией полета ракеты-носителя является вывод ИСЗ на орбиту, форма которой определяется кинетической энергией, сообщаемой ИСЗ ракетой, т. е. конечной скоростью носителя. В том случае, когда спутнику сообщается количество энергии, достаточное для его вывода на ГСО, ракета-носитель должна вывести в точку, удаленную от Земли на 35 875 км, и сообщить ему при этом скорость 3075 м/с.

Орбитальную скорость геостационарного ИСЗ легко подсчитать. Высота ГСО над поверхностью Земли 35 786 км, радиус ГСО на 6366 км больше (средний радиус Земли), т. е. 42 241 км. Умножив значение радиуса ГСО на 2л (6,28), получим ее длину окружности — 265 409 км. Если разделить ее на длительность суток в секундах (86 400 с), получим орбитальную скорость ИСЗ — в среднем 3,075 км/с, или 3075 м/с.

Обычно вывод спутника ракетой-носителем осуществляется в четыре этапа: выход на начальную орбиту; выход на орбиту «ожидания» (парковочную орбиту); выход на переходную орбиту; выход на конечную орбиту (рис. 3.5). Цифрам соответствуют следующие этапы вывода спутника на ГСО: 1 — первоначальная переходная орбита; 2 — первое

включение апогейного двигателя для выхода на промежуточную переходную орбиту; 3 — определение положения на орбите;

4 — второе включение апогейного двигателя для выхода на первоначальную орбиту дрейфа; 5 — переориентация плоскости орбиты и коррекция ошибок; 6 — ориентация перпендикулярно к плоскости орбиты и коррекция ошибок; 7 —

остановка платформы спутника, раскрытие панелей, полная расстыковка с ракетой; 8 — раскрытие антенн, включение гиростабилизатора; 9 — стабилизация положения: ориентация антенн на нужную точку Земли, ориентация солнечных батарей на Солнце, включение бортового ретранслятора и установление номинального режима его работы.

Как найти радиус орбиты спутника

Дано: Решение
Т = 86400 c⁻¹
G = 6,67*10⁻¹¹ Нм²/кг² Предположим, что спутник движется
M = 6*10²⁴ кг по окружности.
——————————— В этом случае он движется только под
Найти: R = ? действием силы притяжения Земли:
$$ \displaystyle F=G\frac> $$
где G — гравитационная постоянная,
M — масса Земли
m — масса спутника
R — радиус орбиты спутника

Ускорение тела, движущегося по окружности, радиусом R и периодом T:

Так как F = m*a, то: $$ \displaystyle \frac>= \frac<4 \pi ^<2>R>> $$

Какие бывают околоземные орбиты? ⁠ ⁠

Во время наших прямых трансляций (а транслируем мы космические запуски) у людей часто возникают вопросы вида: «А что такое геостационарная орбита?», «А на какой высоте находится МКС?», «Орбита «Молния»? Это как!?». Мы решили перевести для вас замечательный каталог орбит NASA, а начнём как раз с околоземных орбит!

Высокие орбиты

Когда спутник достигает высоты ровно в 42164 километров от центра Земли (около 36 000 километров от поверхности Земли), он попадает в своеобразное орбитально «яблочко», место, где скорость его вращения вокруг Земли совпадает со скоростью вращения Земли вокруг своей оси. Поскольку эти скорости одинаковы, аппарат «зависает» вдоль одной долготы, хотя и может дрейфовать с севера на юг. Такая высокая орбита называется геосинхронной.

Спутник на круговой геосинхронной орбите непосредственно над экватором (эксцентриситет и наклонение равны нулю) будет иметь геостационарную орбиту, которая не перемещается относительно Земли вообще. Он всегда находится прямо над одним и тем же местом на поверхности Земли.

Геостационарная орбита чрезвычайно важна для мониторинга погоды, поскольку спутники на этой орбите обеспечивают постоянное наблюдение одной и той же области планеты. Когда вы заходите на любимый сайт проверить погоду и смотрите на спутниковые снимки своего родного города, изображение, которое вы видите, пришло от спутника на геостационарной орбите. Каждые несколько минут геостационарные спутники, такие как аппараты Geostationary Operational Environmental Satellite (GOES), отправляют информацию об облаках, водяном паре и ветре, и этот почти постоянный поток информации служит основой для большинства метеорологических наблюдений и прогнозирования.

Спутники на геостационарной орбите вращаются непосредственно над экватором, постоянно находясь над одной и той же областью. Это положение позволяет спутникам наблюдать за погодой и другими явлениями, которые часто меняются. Credit: NASA/Marit Jentoft-Nilsen and Robert Simmon.

Поскольку геостационарные спутники всегда находятся в одном месте, они также могут быть полезны для телефонной, теле- и радиосвязи. Созданные и запущенные NASA и управляемые Национальным управлением океанических и атмосферных исследований (NOAA), спутники GOES обеспечивают связь с поисково-спасательными маяками, которые помогают находить суда и самолеты, терпящие крушение.

Наконец, многие спутники на высокой орбите контролируют солнечную активность. Спутники GOES несут на себе большой набор инструментов для исследования «космической погоды»: они получают изображения Солнца и отслеживают магнитные и радиационные уровни в космосе вокруг аппаратов.

Есть и другие орбитальные «яблочки», расположенные непосредственно за пределами высокой околоземной орбиты — это точки Лагранжа. В точках Лагранжа земное притяжение компенсирует притяжение Солнца. Все, что находится в этих точках, притягивается к Земле и к Солнцу с одинаковой силой. Это такой баланс, в котором нам не нужно тратить топливо, чтобы удерживать орбиту аппарата постоянной.

Из пяти точек Лагранжа в системе Солнце-Земля только последние две, называемые L4 и L5, являются стабильными. Спутник в трех других точках подобен шару, оставленному на вершине крутого холма: любое небольшое возмущение выталкивает спутник из точки Лагранжа, словно мяч, который при малейшем взаимодействии скатится по холму вниз. Спутники в этих трех точках нуждаются в постоянной корректировке, чтобы оставаться сбалансированными. Аппараты в последних двух точках Лагранжа больше похожи на шар в глубокой тарелке: даже если их немного подтолкнуть, они вернутся в точку Лагранжа (в центр тарелки в нашей аналогии).

Точки Лагранжа — это специальные места, где спутник останется неподвижным относительно Земли, пока и спутник и Земля вращаются вокруг Солнца. L1 и L2 расположены выше дневных и ночных сторон Земли соответственно. L3 находится по обратную сторону Солнца, напротив Земли. L4 и L5 — в 60° впереди и позади Земли на одной орбите. Credit: NASA/Robert Simmon.

Ближайшие к Земле точки Лагранжа находятся примерно в 5 раз дальше, чем Луна. L1 находится между Солнцем и Землей и всегда обращена к дневной стороне Земли. L2 находится напротив солнца, всегда на ночной стороне. Credit: NASA/Robert Simmon.

Первая точка Лагранжа расположена между Землей и Солнцем, что позволяет спутникам в этой точке постоянного наблюдать за нашей звездой. Солнечная и гелиосферная обсерватория (SOHO), спутник НАСА и Европейского космического агентства, которому поручено контролировать Солнце, обращается вокруг первой точки Лагранжа примерно в 1,5 миллионах километров от Земли.

Вторая точка Лагранжа находится примерно на том же расстоянии от Земли, но расположена за Землей относительно Солнца — Земля всегда находится между второй точкой Лагранжа и звездой. Поскольку Солнце и Земля находятся на одной линии, спутники в этом месте нуждаются только в одном тепловом щите, который будет блокировать тепло и свет, исходящие от Солнца и Земли. Это хорошее место для космических телескопов, в том числе для будущего космического телескопа им. Джеймса Уэбба (запуск ожидается в 2021 году). В этой же точке, например, работал зонд WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe), исследовавший реликтовое излучение Вселенной с 2001 по 2009 год — именно его наблюдения помогли значительно продвинуться в теории тёмной материи и тёмной энергии.

Третья точка Лагранжа находится по другую сторону Солнца от Земли, так что Солнце всегда находится между ней и Землей. Без специальных ретрансляторов спутник в таком положении не сможет общаться с Землей — Солнце заблокирует прямые сигналы.

Крайне стабильные четвертая и пятая точки Лагранжа находятся на орбите Земли вокруг Солнца, на 60 градусов впереди и позади нашей планеты. Двойная солнечная обсерватория (STEREO) на своём пути к противоположным сторонам Солнца проходили именно четвертую и пятую точки Лагранжа — это позволяет создавать стереоскопические изображения звезды.

5 июля 2009 года два аппарата Двойной солнечной обсерватории (STEREO) на пути к точкам L4 и L5 сделали эти снимки солнечного пятна 1024. Виды Солнца в 60 градусов позади (на изображении — слева) и впереди (справа) от орбиты Земли показывают области поверхности Солнца, которые иначе были бы скрыты от зрения. Credit: NASA/STEREO.

Средние орбиты

Ближе к Земле спутники начинают вращаться быстрее. Стоит отметить две средние околоземные орбиты: полусинхронная орбита и Молния.

Полусинхронная орбита представляет собой околокруговую орбиту (с низким эксцентриситетом) на высоте 26 560 километров от центра Земли (около 20 200 км над поверхностью). Один полный оборот вокруг планеты на такой орбите происходит за 12 часов. Однако пока полусинхронный спутник вращается, Земля под ним тоже движется вокруг своей оси. Ежедневно такой аппарат пролетает над одними и теми же двумя точками на экваторе. Эта орбита является постоянной и очень предсказуемой. Именно она используется спутниками глобальной системы позиционирования (GPS).

Вторая известная средняя орбита Земли — орбита Молнии. Впервые она была использована Советским Союзом, а её особенность помогает наблюдать за высокими широтами. Геостационарная орбита полезна и удобна для постоянного наблюдения, но спутники на геостационарной орбите «подвешены» над экватором, поэтому они плохо работают в отдаленных северных или южных районах, которые всегда находятся на краю обзора геостационарных аппаратов. Орбита Молния является удобной альтернативой.

Орбита Молния сочетает в себе высокое наклонение (63,4°) с высоким эксцентриситетом (0,722), чтобы максимизировать время наблюдений в высоких широтах. Каждый оборот длится 12 часов, поэтому медленная, высотная часть орбиты повторяется в одном и том же месте каждую день и ночь. В настоящее время этот тип орбиты используют российские спутники связи и аппараты Sirius (Адаптированное цитирование книги «Основы космических систем» Винсента Л. Писакана, 2005 г.)

У Молнии высокий эксцентриситет: спутник движется по очень вытянутому эллипсу, ближе к одному из краёв которого находится Земля. Поскольку такой аппарат ускоряется силой притяжения нашей планеты, спутник движется очень быстро, когда он приближается к Земле. Когда он отдаляется, его скорость замедляется, поэтому он проводит больше времени на вершине своей орбиты, наиболее удаленной от Земли. Один полный оборот на такой орбите занимает 12 часов, но две трети этого времени аппарат видит лишь одно полушарие. Как и в случае полусинхронной орбиты, аппарат на Молнии проходит один и тот же путь каждые 12 часов. Это может быть полезно для связи на крайнем севере или юге.

Низкая околоземная орбита

Большинство научных спутников и множество метеорологических спутников находятся на почти круговой низкой околоземной орбите. Наклонение спутника зависит от того, с какой целью он запускается. Спутник TRMM, например, был запущен в 1997 году для мониторинга осадков в тропиках. Поэтому он имел относительно низкое наклонение (35 градусов) и оставался вблизи экватора, исправно выполняя свою миссию вплоть до 2015 года.

Низкое наклонение орбиты TRMM (всего 35° от экватора) позволяло его инструментам концентрироваться на тропиках. На этом изображении показана половина наблюдений, которые TRMM производил за один день. Credit: NASA/TRMM.

Многие спутники программы NASA по наблюдению за Землёй имеют почти полярную орбиту. На этой сильно наклоненной орбите спутник перемещается вокруг Земли от полюса к полюсу, совершая один оборот примерно за 99 минут. На одной половине орбиты спутник наблюдает дневную сторону Земли. На полюсе он пересекает ночную сторону.

Пока спутники летят наверху, Земля под ними тоже поворачивается. К тому времени, когда спутник снова перейдет в «дневную» область, он уже будет находиться над районом, прилегающим к той области, которую он наблюдал во время прошлого оборота. В течение суток полярные орбитальные спутники успевают рассмотреть большую часть Земли дважды: один раз при дневном свете и один раз в темноте.

Аппараты на солнечной синхронной орбите пересекают экватор примерно в одно и то же местное время каждый день (и ночь). Эта орбита позволяет проводить последовательные научные наблюдения, при этом угол между Солнцем и поверхностью Земли остается относительно постоянным. На этих иллюстрациях показаны 3 последовательные оборота солнечно-синхронного спутника с экваториальным временем пересечения 13:30. Последняя орбита спутника обозначена темно-красной линией, а предыдущие — более светлыми. Credit: NASA/Robert Simmon.

В то время как «яблочко» геосинхронных спутников находится над экватором (это место позволяет им оставаться в одной и той же позиции над Землёй), у полярно-орбитальных спутников есть своё «яблочко», которое позволяет наблюдать одну и ту же область. Эта орбита синхронизирована по Солнцу, что означает, что всякий раз, когда спутник пересекает экватор, локальное солнечное время на земле всегда одно и то же. Например, для спутника Terra это всегда около 10:30 утра, в это время спутник пересекает экватор в Бразилии. Когда спутник сделает полный оборот вокруг Земли через 99 минут, он пересечёт экватор в Эквадоре или Колумбии, примерно в те же 10:30 по местному времени.

Солнечно-синхронная орбита крайне важна для науки, потому что она удерживает угол падения солнечного света на поверхность Земли более-менее постоянным, хотя угол и будет меняться вместе со сменой времён года. Это постоянство означает, что ученые в течение нескольких лет могут сравнивать изображения одной и той же области в одно и то же время года, не беспокоясь слишком сильно об изменениях углов теней и освещения, которые могли бы создавать иллюзии изменений. Без солнечно-синхронной орбиты было бы очень сложно отслеживать изменения с течением времени. Было бы просто невозможно собрать информацию, необходимую для изучения изменений климата.