Высокая эллиптическая орбита

Типичная орбита КА «Молния». Красными точками отмечено время движения спутника по орбите в часах

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. 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 $\arcsin({\sqrt {4/5}})\approx 63,435^{\circ }$ 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 орбиту «Тундра»;
• 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»	Тундра	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
Кластер		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	Тундра	Спутниковая система дифференциальной коррекции сигнала GPS	270°	40°	23 часа 56 мин. 04 сек.	около 32 000 км	около 40 000 км
ГЛОНАСС-В	Тундра	Спутниковая система дифференциальной коррекции		64,8°	23 часа 56 мин. 04 сек.

Орбита «Молния»

Наземная трасса КА «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»

Наземная трасса КА «QZSS»

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

Ссылки

• Высокоэллиптическая орбита Архивировано 13 июля 2012 года.
• О спутниковом вещании с высокоэллиптических орбит