Geostasionêre Wentelbaan

Dit volg die rigting van die Aarde se rotasie.

'n Voorwerp in so 'n wentelbaan se omwentelingsperiode is net so lank as die Aarde se rotasieperiode, naamlik een sideriese dag. Vir waarnemers wat op die grond staan, lyk dit asof die satelliet bewegingloos in 'n vaste posisie in die lug bly hang. Die konsep van 'n geostasionêre wentelbaan is in die 1940's deur die wetenskapsfiksieskrywer Arthur C. Clarke gewild gemaak as 'n manier om telekommunikasie te rewolusioneer en die eerste satelliet in sy soort is in 1963 gelanseer.

Kommunikasiesatelliete word meestal in 'n geostasionêre wentelbaan geplaas sodat die aardstasie se paraboolantennes nie nodig het om te roteer om die satelliet te volg nie. Dit kan dus hulle antennes permanent direk op die satelliet gerig hou; waar dit ook al oor die ewenaar hang. Weersatelliete word ook in 'n geostasionêre wentelbaan geparkeer vir werkliketydmonitering en dataversameling. Navigasiesatelliete word ook hier geparkeer om 'n bekende, gekalibreerde punt en meer akkurate GPS-inligting te verskaf.

Geostasionêre satelliete word gelanseer en dan via 'n tydelike parkeerwentelbaan in die korrekte posisie bokant 'n spesifieke punt van die Aarde bo die ewenaar geplaas. Gedurende die satelliet se operasionele lewensduurte word klein aanpassings soms gedoen om dit in posisie te hou. Die moderne satelliete wat aan diens onttrek word, word hoër geskuif na die sogenaamde begraafplaaswentelbane om botsings te vermy.

 

In 1929 het Herman Potočnik beide die geosinchrone wentelbane in die algemeen en die spesiale geval van die geostasionêre aardwentelbaan beskryf as baie bruikbaar vir ruimtestasies.Die eerste vermelding van 'n geostasionêre wentelbaan in gewilde leesstof het in Oktober 1942 voorgekom in die eerste Venus Equilateral-storie deur George O. Smith, maar Smith het nie meer besonderhede gegee nie. Die Britse wetenskapsfiksieskrywer Arthur C. Clarke het die konsep gewild gemaak en daaroor uitgebrei in 'n dokument genaamd Extra-Terrestrial Relays – Can Rocket Stations Give Worldwide Radio Coverage? wat in 1945 in die tydskrif Wireless World gepubliseer is.Die wentelbaan, wat Clarke eerste as bruikbaar vir uitsending- en herhalerkommunikasiesatelliete beskryf het, word soms die Clarke-wentelbaan genoem. Net so is die versameling van kunsmatige satelliete in hierdie wentelbaan ook bekend as die Clarkegordel.

In tegniese terme word daar na die wentelbaan as die geostasionêre of geosinchrone ewenaarwentelbaan verwys, met die terme wat soms uitruilbaar is.

Die eerste geostasionêre satelliet is in 1959 deur Harold Rosen ontwerp terwyl hy by Hughes Aircraft werksaam was. Hy is geïnspireer deur Spoetnik 1 en wou die geostasionêre satelliet gebruik om kommunikasie wêreldwyd beskikbaar te maak. Telekommunikasie tussen Amerika en Europa was in daardie stadium slegs moontlik vir 136 persone op 'n keer en het hoëfrekwensieradio's en 'n ondersese kabel gebruik.

Die aanvaarde gedagterigting in daardie stadium was dat dit te veel vuurpylkrag sou vereis om 'n satelliet in 'n geostasionêre wentelbaan te plaas en dat die satelliet se operasionele lewe te kort sou wees om die uitgawes te regverdig. Die eerste projekte was om groepe satelliete in lae en mediumaardwentelbane te plaas.Die eerste poging was die passiewe Echo-ballonsatelliete in 1960, gevolg deur Telstar 1 in 1962.Hierdie projekte het probleme ondervind met seinsterkte en -opsporing, probleme wat oorkombaar is met geostasionêre wentelbane: Tog is die konsep steeds as onprakties beskou en soms het Hughes fondse en ondersteuning teruggehou.

In 1961 het Rosen en sy span 'n silindriese prototipe ontwikkel met 'n deursnee van 76 cm, 'n hoogte van 38 cm en 'n massa van slegs 11,3 kg. Dit was klein genoeg om in 'n wentelbaan geplaas te word. Die satelliet was tol-gestabiliseer (dit het in die rondte gedraai) en toegerus met 'n dipoolantenne met 'n pannekoekagtige tipe golfvorm. In Augustus 1961 is die kontrak toegeken om die werklike satelliet te bou.Die Syncom 1-satelliet het ophou werk weens elektroniese probleme, maar Syncom 2 is in 1963 suksesvol in 'n geosinchroniese wentelbaan geplaas. Omdat dit 'n baanhelling gehad het, moes dit van beweegbare antennes voorsien word. Dit kon egter TV-sendings hanteer en die VSA se president John F. Kennedy kon op 23 Augustus 1963 van Washington D.C. af met die Nigeriese eerste minister Abubakar Tafawa Balewa praat, wat in daardie stadium aan boord van die USS Kingsport was wat voor anker in Lagos gelê het.

Die eerste satelliet wat in 'n geostasionêre wentelbaan geplaas is, was Syncom 3 wat in 1964 deur 'n Delta D-vuurpyl gelanseer is.Met sy verbeterde bandwydte was die satelliet in staat om lewende dekking van die Olimpiese Somerpele van Japan na die VSA te verskaf. Sedertdien het geostasionêre satellite algemeen in gebruik geraak en is hulle baie gewild vir televisieuitsendings.

Daar is tans honderde aktiewe geostasionêre satelliete wat inligting oor afgeleë opnames en kommunikasiedienste verskaf.

Alhoewel die meeste bewoonde landgebiede in die wêreld nou bedien word met streekkommunikasiegeriewe soos mikrogolf- en optieseveselstelsels, word net 96% van die wêreldbevolking bedien met telefone en slegs 90% met internettoegang.Daar is egter nog afgeleë gebiede in ontwikkelde lande wat op satellietkommunikasie staatmaak.

Die meeste kommunikasiesatelliete, uitsaaisatelliete en satellietondersteunde stelsels is in geostasionêre wentelbane geplaas.

Kommunikasie

Geostasionêre kommunikasiesatelliete is uiters bruikbaar, want hulle is van 'n groot gedeele van die Aarde se oppervlakte af sigbaar, van breedtegraad 81° en tot 77° lengtegraad.Vir die waarnemer op die grond vertoon die satelliet staties in die lug, wat die behoefte aan beweegbare antennes op die aardstasies uitskakel. Gevolglik kan aardstasies klein, goedkoop en vaste antennes oprig wat altyd op die verlangde satelliet gerig is.^:537 Maar tydvertraging word 'n groot probleem omrede dit die sein 240 ms neem van die aardstasie na die satelliet en dieselfde tyd terug na die aardstasie.^:538 Hierdie vertraging veroorsaak probleme vir vertragingsensitiewe toepassings soos spraakkommunikasie, en dus word geostasionêre satelliete hoofsaaklik gebruik vir eenrigtingvermaak (byvoorbeeld sportuitsendings) en ander toepassings waar daar geen kleinervertragingalternatiewe beskikbaar is nie.

Geostasionêre satelliete is direk bo die ewenaar en skyn laer in die lug soos 'n persoon nader na die pole beweeg. Soos 'n persoon se breedtegraad vergroot, word kommunikasie moeiliker as gevolg van atmosferiese refraksie, die Aarde se termiese uitstraling, siglynobstruksies en seinrefleksies van die grond of nabygeleë strukture. By breedtegrade groter as 81° is die satelliet onder die horison en kan dit glad nie meer gesien word nie. Om die probleem in Rusland te oorkom het die owerhede satelliete in eliptiese Molniya- en Tundra wentelbane geplaas wat sigbaar was op hoë breedtegrade.

Weerkunde

'n Wêreldwye netwerk van operasionele geostasionêre satelliete word gebruik om sigbare en infrarooi beelde van die Aarde se oppervlak en atmosfeer te maak wat gebruik word vir weerwaarnemings, oseanografie en die navolging van atmosferiese toestande. Van 2019 af is daar 19 weersatelliete wat operasioneel of op bystand is.Die satellietstelsels sluit die volgende in:

• Die VSA se Geostationary Operational Environmental Satellite (GOES)-reeks, wat bedryf word deur die National Oceanic and Atmospheric Administration.
• Die Meteosat-reeks, gelanseer deur die Europese Ruimtevaartorganisasie en bedryf deur die Europese Organisasie vir die Ontginning van Meteorologiese Satelliete (EUMETSAT).
• Die Republiek Korea se COMS-1- en GK-2A-multisendingsatelliete.
• Die Russiese Elektro-L-satelliete
• Die Japannese Himawari-reeks
• Die Chinese Fengyun-reeks.
• Die Indiese INSAT-reeks

Hierdie satelliete neem normaalweg foto's in die sigbarelig- en infrarooibande met 'n ruimtelike resolusie van 0,5 tot 4 vierkante kilometer.Die dekking van elke satelliet is tipies 70° breedtegraad en lengtegraad en soms minder.

Geostasionêre satelliete se foto's is en word steeds gebruik vir die opsporing van vulkaniese as, die meting van die temperatuur en waterdamp van die wolke se boonste punte, oseanografie, die meting van landtemperature en die dekking van plantegroei, dit help met die volging van siklone se paaie, die dekking van wolke in werklike tyd en ander data. Van die inligting is geïnkorporeer in meteorologiese voorspellingsmodelle, maar as gevolg van die wye veld wat gedek word, intydse monitering en lae resolusie word geostasionêre satellietfoto's gebruik vir korttermyn- en intydse voorspellings.

Navigasie

 

Geostasionêre satelliete kan gebruik word om wêreldwye satellietnavigasiestelsels te verbeter en uit te brei deur inligting oor klok-, sterrekundige en atmosferiese foute oor te dra en ook te dien ook as 'n addisionele verwysingspunt. Dit kan die posisieakkuraatheid met tot 5 m verbeter.

Ou en bestaande navigasiestelsels wat geostasionêre satelliete gebruik, is:

• Die Wide Area Augmentation System (WAAS), bedryf deur die Amerikaanse Federale Lugvaartadministrasie (FAA);
• Die European Geostationary Navigation Overlay Service (EGNOS), bedryf deur European Satellite Services Provider (namens die Europese Unie se European GNSS Agency);
• Die Multi-functional Satellite Augmentation System (MSAS), bedryf deur Japan se departement van land, infrastruktuur, vervoer en toerisme;
• Die GPS Aided Geo Augmented Navigation (GAGAN)-stelsel, bedryf deur Indië.
• Die kommersiële StarFire-navigasiestelsel, bedryf deur John Deere en C-Nav Positioning Solutions (Oceaneering);
• Die kommersiële Starfix DGPS System en OmniSTAR-stelsel, bedryf deur Fugro.

Lansering

 

 

'n Voorbeeld van 'n oorgang van die tydelike Geostasionêre oorgang wentelbaan na die Geostasionêre wentelbaan.
     EchoStar XVII ·      Aarde.

Geostasionêre satelliete word in 'n oostelike rigting gelanseer om voort te bou op die rotasiespoed van die ewenaar. Die kleinste inklinasie wat 'n satelliet by lansering kan hê, word bepaal deur die plek van lansering se breedtegraad. Dus, om 'n satelliet so naby as moontlik van die ewenaar te lanseer verminder die inklinasieverandering wat later gedoen moet word. Lansering wat so na as moontlik aan die ewenaar geskied, verbeter die vuurpyl se aanvangspoed as gevolg van die Aarde se rotasie. Die lanseringplekke word ook so gekies dat dit woestyne of water aan die oostekant het sodat 'n vuurpyl wat faal nie op 'n beboude gebied val nie.

Die meeste vuurpyle plaas die satelliet eers in 'n tydelike geostasionêre oorgangwentelbaan; dit is 'n eliptiese wentelbaan met 'n apogeum wat so groot as die permanente wentelbaan s'n is en met 'n baie lae perigeum. Die stuwers aanboord verhoog dan die perigeum en maak die wentelbaan 'n sirkel totdat die finale geostasionêre wentelbaan bereik is.

Wentelbaantoekenning

Satelliete in 'n geostasionêre wentelbaan kom almal in 'n enkele ring bokant die ewenaar voor. Om radiofrekwensieversteuring van een satelliet op 'n ander te verhoed moet daar 'n minimum spasie tussen twee aangrensende salelliete wees wanneer hulle operasioneel is. Dit beteken daar is 'n beperkte getal posisies beskikbaar vir geostasionêre satelliete in die geostasionêre wentelbaan. Dit het tot konfliksituasies gelei tussen lande wat op dieselfde lengtegraad maar verskillende breedtegrade is, veral as hulle dieselfde radiofrekwensies wil gebruik. Hierdie tipe situasies word beredder deur die Internasionale Telekommunikasie Unie se ITU-R: Radiokommunikasiekomitee wat onder andere frekwensietoewysings aan sy lede maak. In die Bogotaverklaring van 1976 het agt lande wat op die ewenaar geleë is, eienaarskap geëis vir die geostasionêre satelliete wat bokant hulle hang, maar die eise het geen internasionale ondersteuining gekry nie.

Voorstel vir 'n statiese satelliet

'n Statiet is 'n hipotetiese satelliet wat stralingsdruk van die son teen 'n sonseil gebruik om sy wentelbaan te verander.

Die satelliet hou sy posisie oor die donker kant van die Aarde op 'n breedtegraad van ongeveer 30°. 'n Statiet vertoon stil in die Aarde/Son-stelsel eerder as om dit met 'n plek op die Aarde te vergelyk. Dit kan die druk van die geostasionêre ring verminder.

Aanpassings moet soms gedoen word om geostasionêre satelliete in hul korrekte posisie te hou. Wanneer hulle stuwers uit aandrywingsmiddel raak, word hulle aan diens onttrek. Die toerusting aan boord se lewensduurte is normaalweg langer as die aandrywingsmiddel s'n. Sommige satelliete kan in 'n hellende geostasionêre wentelbaan gebruik word en dus in diens bly, anders word hulle hoër gelig na 'n begraafplaaswentelbaan. Hierdie proses van uitdiensstelling word al hoe meer gereguleerd en satelliete moet 'n kans van 90% hê om 200 km bo die geostasionêre wentelbaan te gaan aan die einde van hul operasionele lewe.

Ruimterommel

Die hoofartikel vir hierdie afdeling is: Ruimterommel.

 

Ruimterommel in geostasionêre wentelbane het 'n laer botsingsnelheid as by lae aardewentelbane (die omwentelingsnelheid is hier baie hoër) omrede al die geostasionêre satelliete op dieselfde vlak, hoogte en snelheid wentel. Die aanwesigheid van satelliete in eksentriese wentelbane het tot gevolg dat botsings van tot 4 km/s voorkom. Alhoewel die kanse van botsings minimaal is, beskik geostasionêre satelliete oor beperkte vermoë om rommel te vermy.

Op geostasionêre hoogte kan voorwerpe met 'n deursnee van kleiner as 10 cm nie van die Aarde af gesien word nie, wat dit moeilik maak om hulle voorkoms te bereken.

Ten spyte van pogings om die risiko te verminder, kom botsings tussen ruimtetuie wel voor. Die Europese Ruimtevaartorganisasie se telekommunikasiesatelliet, Olympus-1, is op 11 Augustus 1993 deur 'n meteoriet getref en is uiteindelik na 'n begraafplaaswentelbaan geskuif. Die Russiese satelliet Express-AM11 is in 2006 deur 'n onbekende voorwerp getref en uiteindelik uit diens gestel.Gelukkig het die Russiese ingenieurs genoeg tyd gehad om dit na 'n begraafplaaswentelbaan te skuif. In 2017 het albei die satelliete AMC-9 en Telkom-1 om onbekende redes opgebreek.

'n Tipiese geostasionêre wentelbaan het die volgende eienskappe:

• Baanhelling: 0°
• Periode: 1 436 minute (een sideriese dag.)^:121
• Eksentrisiteit: 0
• Argument van die apogeum: ongedefinieer
• Halwe lengteas: 42 164 km

Baanhelling

'n Baanhelling van nul grade verseker dat die wentelbaan te alle tye oor die ewenaar bly, wat dit vir 'n waarnemer op die grond laat lyk asof die satelliet bo hom hang.

Periode

Die omwentelingperiode is gelyk aan een sideriese dag. Dit beteken dat die satelliet elke sideriese dag sal terugkeer na dieselfde punt bo die Aarde se oppervlak, ongeag ander omwentelingseienskappe. Vir 'n geostasionêre satelliet, in besonder, beteken dit dat dit altyd op dieselfde breedtegraad oor tyd sal wees.^:121 Hierdie omwentelingsperiode, T, is in direkte verhouding met die halwe lengteas van die wentelbaan in die formule:

${\displaystyle T=2\pi {\sqrt {a^{3} \over \mu }}}$ 

waar:

• a is die lengte van die wentelbaan se halwe lengteas.
• μ is die standaardgravitasieparameter van die sentrale voorwerp.^:137

Eksentrisiteit

Die eksentrisiteit is nul, wat 'n sirkelvormige wentelbaan verseker. Dit beteken die satelliet beweeg nie verder of nader aan die Aarde nie.

'n Geostasionêre wentelbaan kan slegs bereik word op 'n hoogte van 35 786 km reg bo die ewenaar. Dit beteken dat 'n omwentelingsnelheid van 3,07 km/s gehandhaaf moet word met 'n omwentelingsperiode van 1 436 minute - een sideries dag. Dit sal verseker dat die satelliet die Aarde se rotasiesnelheid ewenaar en staties vanaf die Aarde lyk. Alle geostasionêre satelliete moet in hierdie ring wees.

'n Kombinasie van die Maan se gravitasie, die Son se gravitasie en die effek van afplatting van die Aarde by die pole veroorsaak 'n presessiebeweging van die wentelvlak van enige geostasionêre voorwerp, met 'n omwentelingsperiode van ongveer 53 jaar en 'n aanvanklike baanhellingsgradiënt van 0,85°. Dit bereik 'n maksimum baanhelling van 15° na 26,5 jaar.^:156 Om hierdie versteuring te korrigeer moet die snelheid in die wentelbaan jaarliks aangepas word met ongeveer 50 m/s.

'n Tweede effek wat die posisie van die geostasionêre satelliete beïnvloed, is lengtegraadskuiwing wat veroorsaak word deur die asimmetrie van die Aarde; die ewenaar is ietwat ellipties van vorm. Daar is twee stabiele ekwilibriumpunte by 75,3°O en 108°W en twee ooreenstemmende onstabiele punte by 165,3°O en 14,7°W. Enige geostasionêre voorwerp wat tussen die twee ekwilibriumpunte geplaas word, sal outomaties stadig versnel word (sonder enige aksie) na die stabiele ekwilibriumposisie, wat 'n periodiese lengtegraadvariasie veroorsaak. Om hierdie versteuring te korrigeer moet die snelheid aangepas word, tot 2 m/s per jaar afhangende van die betrokke lentgtegraad.

Sonwind en uitstralingdruk oefen ook klein kragte op die satelliete uit en oor tyd kan dit veroorsaak dat hulle stadig wegdryf van hul beplande wentelbane.

Omrede daar nie 'n hervullingsdiens van die Aarde af is of hernieubare aandrywingsmetodes bestaan nie, bepaal die verbruik van die aandrywingsmiddel die leeftyd van die satelliet. Hall-effekaandrywers, wat tans gebruik word, het die vermoë om die leeftyd van satelliete te verleng deur die hoë-effektiewe elektriese aandrywing wat dit verskaf.

 

Vir sirkelvormige wentelbane om 'n voorwerp moet die middelpuntsoekende krag benodig om die baan te volhou (F_c) gelyk wees aan die gravitasiekrag wat op die satelliet uitgeoefen word (F_g):

${\displaystyle F_{\text{c}}=F_{\text{g}}}$ 

Van Isaac Newton se swaartekragwet,

${\displaystyle F_{\text{g}}=G{\frac {M_{\text{E}}m_{\text{s}}}{r^{2}}}}$ ,

waar F_g die gravitasiekrag tussen twee massas is, M_E die massa van die Aarde is 5,9736×10²⁴kg, m_s die massa van die satelliet is, r die afstand tussen die middelpunte van die twee massas is en G die gravitasiekonstante is (6,67428±0,00067)×10⁻¹¹ m³ kg⁻¹ s⁻².

Die grote van die versnelling, a, van 'n voorwerp wat in 'n sirkel beweeg, is:

${\displaystyle a={\frac {v^{2}}{r}}}$ 

met v wat die grote van die versnelling is, dus die snelheid van die satelliet. Van Newton se tweede wet is die middelpuntsoekende krag F_c

${\displaystyle F_{\text{c}}=m_{\text{s}}{\frac {v^{2}}{r}}}$ .

As F_c = F_g,

dan is: ${\displaystyle m_{\text{s}}{\frac {v^{2}}{r}}=G{\frac {M_{\text{E}}m_{\text{s}}}{r^{2}}}}$ ,

...en na vereenvoudiging: ${\displaystyle v^{2}=G{\frac {M_{\text{E}}}{r}}}$ 

Vervang v met die vergelyking van 'n voorwerp wat in 'n sirkel beweeg gee:

${\displaystyle \left({\frac {2\pi r}{T}}\right)^{2}=G{\frac {M_{\text{E}}}{r}}}$ 

waar T die oorsprinklike periode is (een sideriese dag) of 86 164,09054 sekondes. Dit gee 'n vergelyking van r:

${\displaystyle r={\sqrt[{3}]{\frac {GM_{\text{E}}T^{2}}{4\pi ^{2}}}}}$ 

Die produk GM_E is bekend met groot akkuraatheid; dit staan bekend as die geosentriese gravitasiekonstante μ = 398600.4418±0.0008 km³ s⁻².

Dus: ${\displaystyle r={\sqrt[{3}]{\frac {\mu T^{2}}{4\pi ^{2}}}}}$ 

Die resultaat is dat die radius 42 164 kilometer is. Deur die Aarde se radius (6 378 kilometer) by die ewenaar af te trek word die wentelbaanhoogte verkry naamlik: 35 786 km.

Die omwentelingsnelheid word bereken deur die hoeksnelheid met die wentelbaan se radius te vermenigvuldig: : ${\displaystyle v=\omega r\quad \approx 3074.6~{\text{m/s}}}$ 

Deur dieselfde metode te gebruik kan die omwentelingshoogte vir enige soortgelyke voorwerpe bereken word, insluitend die sinchroniese wentelbaan vir 'n voorwerp in verhouding met Mars – as aangeneem word dat Mars perfek rond is, wat dit nie is nie. Die gravitasiekonstante GM (μ) vir Mars se waarde is 42 830 km³s⁻², die radius by die ewenaar is 3 389,50 km en die omwentelingsperiode bekend (T) van die planeet is 1,02595676 Aarddae (88 642,66 s). Deur die waardes te gebruik kan bewys word dat Mars se stasionêre omwentelingshoogte 17 039 km is.

• Heliosentriese wentelbaan
• Lae aardwentelbaan
• Sinchroniese rotasie
• Sinchroniese wentelbaan
• Subsinchroniese wentelbaan
• Supersinchroniese wentelbaan