Órbita geosincrónica


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Animación (no a escala) que muestra un satélite geosincrónico orbitando la Tierra.

Una órbita geosincrónica (a veces abreviada GSO ) es una órbita centrada en la Tierra con un período orbital que coincide con la rotación de la Tierra sobre su eje, 23 horas, 56 minutos y 4 segundos (un día sideral ). La sincronización de la rotación y el período orbital significa que, para un observador en la superficie de la Tierra, un objeto en órbita geosincrónica regresa exactamente a la misma posición en el cielo después de un período de un día sideral. En el transcurso de un día, la posición del objeto en el cielo puede permanecer inmóvil o trazar un camino, generalmente en forma de 8 , cuyas características precisas dependen de la inclinación y excentricidad de la órbita.. Una órbita geosincrónica circular tiene una altitud constante de 35.786 km (22.236 millas), y todas las órbitas geosincrónicas comparten ese eje semi-mayor.

Un caso especial de órbita geosincrónica es la órbita geoestacionaria , que es una órbita geosincrónica circular en el plano ecuatorial de la Tierra . Un satélite en una órbita geoestacionaria permanece en la misma posición en el cielo para los observadores en la superficie.

Los satélites de comunicaciones a menudo reciben órbitas geoestacionarias o cercanas a geoestacionarias para que las antenas de satélite que se comunican con ellos no tengan que moverse, sino que puedan apuntar permanentemente a la ubicación fija en el cielo donde aparece el satélite.

Historia

La órbita geosincrónica fue popularizada por el autor de ciencia ficción Arthur C. Clarke y, por lo tanto, a veces se la llama la órbita de Clarke.

En 1929, Herman Potočnik describió tanto las órbitas geosincrónicas en general como el caso especial de la órbita geoestacionaria de la Tierra en particular como órbitas útiles para estaciones espaciales . [1] La primera aparición de una órbita geosincrónica en la literatura popular fue en octubre de 1942, en la primera historia de Venus Equilateral de George O. Smith , [2] pero Smith no entró en detalles. El autor británico de ciencia ficción Arthur C. Clarke popularizó y amplió el concepto en un artículo de 1945 titulado Relés extraterrestres: ¿Pueden las estaciones de cohetes brindar cobertura de radio mundial? , publicado enRevista Wireless World . Clarke reconoció la conexión en su introducción a The Complete Venus Equilateral . [3] [4] La órbita, que Clarke describió por primera vez como útil para satélites de comunicaciones de transmisión y retransmisión, [4] a veces se denomina Órbita de Clarke. [5] De manera similar, la colección de satélites artificiales en esta órbita se conoce como el Cinturón de Clarke. [6]

Syncom 2 : el primer satélite geosincrónico

En terminología técnica, las órbitas geosincrónicas a menudo se denominan geoestacionarias si se encuentran aproximadamente sobre el ecuador, pero los términos se usan de manera algo intercambiable. [7] [8] Específicamente, la órbita terrestre geosincrónica ( GEO ) puede ser sinónimo de órbita ecuatorial geosincrónica , [9] u órbita terrestre geoestacionaria . [10]

El primer satélite geosincrónico fue diseñado por Harold Rosen mientras trabajaba en Hughes Aircraft en 1959. Inspirado por el Sputnik 1 , quería utilizar un satélite geoestacionario (ecuatorial geosincrónico) para globalizar las comunicaciones. Las telecomunicaciones entre EE. UU. Y Europa eran posibles entre 136 personas a la vez y dependían de radios de alta frecuencia y un cable submarino . [11]

La sabiduría convencional en ese momento era que se requeriría demasiada potencia de cohete para colocar un satélite en una órbita geosincrónica y no sobreviviría lo suficiente para justificar el gasto, [12] por lo que los primeros esfuerzos se dirigieron hacia constelaciones de satélites en baja o media Órbita terrestre. [13] El primero de ellos fueron los satélites de globo pasivo Echo en 1960, seguidos por Telstar 1 en 1962. [14] Aunque estos proyectos tenían dificultades con la intensidad de la señal y el seguimiento que podían resolverse a través de satélites geosincrónicos, el concepto se consideró poco práctico. , por lo que Hughes a menudo retuvo fondos y apoyo. [13] [11]

En 1961, Rosen y su equipo habían producido un prototipo cilíndrico con un diámetro de 76 centímetros (30 pulgadas), una altura de 38 centímetros (15 pulgadas) y un peso de 11,3 kilogramos (25 libras); era liviano y pequeño, lo suficientemente pequeño como para ser colocado en órbita mediante cohetes disponibles en ese momento, se estabilizó el giro y se utilizaron antenas dipolo que producían una forma de onda en forma de panqueque. [15] En agosto de 1961, fueron contratados para comenzar a construir el satélite en funcionamiento. [11] Perdieron Syncom 1 debido a una falla electrónica, pero Syncom 2 se colocó con éxito en una órbita geosincrónica en 1963. Aunque su órbita inclinada todavía requería antenas móviles, pudo retransmitir transmisiones de TV y permitió que el presidente de los Estados Unidos, John F. Kennedypara telefonear al primer ministro nigeriano Abubakar Tafawa Balewa desde un barco el 23 de agosto de 1963. [13] [16]

Hoy en día existen cientos de satélites geosincrónicos que proporcionan teledetección, navegación y comunicaciones. [11] [17]

Aunque la mayoría de las ubicaciones terrestres pobladas del planeta ahora tienen instalaciones de comunicaciones terrestres ( microondas , fibra óptica ), que a menudo tienen ventajas de latencia y ancho de banda, y acceso telefónico que cubre el 96% de la población y acceso a Internet al 90% en 2018, [18] algunas zonas rurales y remotas de los países desarrollados todavía dependen de las comunicaciones por satélite. [19] [20]

Tipos

Órbita geoestacionaria

El satélite geoestacionario (verde) siempre permanece sobre el mismo punto marcado en el ecuador (marrón).

Una órbita ecuatorial geoestacionaria (GEO) es una órbita geosincrónica circular en el plano del ecuador de la Tierra con un radio de aproximadamente 42,164 km (26,199 mi) (medido desde el centro de la Tierra). [21] : 156  Un satélite en dicha órbita se encuentra a una altitud de aproximadamente 35.786 km (22.236 millas) sobre el nivel medio del mar. Mantiene la misma posición con respecto a la superficie de la Tierra. Si uno pudiera ver un satélite en órbita geoestacionaria, parecería flotar en el mismo punto del cielo, es decir, no exhibir movimiento diurno , mientras que el Sol, la Luna y las estrellas atravesarían los cielos detrás de él. Estas órbitas son útiles para satélites de telecomunicaciones . [22]

Una órbita geoestacionaria perfectamente estable es un ideal que solo puede aproximarse. En la práctica, el satélite se sale de esta órbita debido a perturbaciones como el viento solar , la presión de radiación , las variaciones en el campo gravitacional de la Tierra y el efecto gravitacional de la Luna y el Sol , y se utilizan propulsores para mantener la órbita en un proceso conocido. como mantenimiento de posición . [21] : 156 

Eventualmente, sin el uso de propulsores, la órbita se inclinará, oscilando entre 0 ° y 15 ° cada 55 años. Al final de la vida útil del satélite, cuando el combustible se acerca al agotamiento, los operadores del satélite pueden decidir omitir estas costosas maniobras para corregir la inclinación y solo controlar la excentricidad. Esto prolonga la vida útil del satélite, ya que consume menos combustible con el tiempo, pero el satélite solo puede ser utilizado por antenas terrestres capaces de seguir el movimiento NS. [21] : 156 

Los satélites geoestacionarios también tenderán a desplazarse alrededor de una de las dos longitudes estables de 75 ° y 255 ° sin mantenimiento de posición. [21] : 157 

Órbitas geosincrónicas elípticas e inclinadas

Una órbita satelital cuasi cenital

Muchos objetos en órbitas geosincrónicas tienen órbitas excéntricas y / o inclinadas. La excentricidad hace que la órbita sea elíptica y parece oscilar EW en el cielo desde el punto de vista de una estación terrestre, mientras que la inclinación inclina la órbita en comparación con el ecuador y hace que parezca oscilar en sentido contrario a la de una estación terrestre. Estos efectos se combinan para formar un analema (figura 8). [21] : 122 

Los satélites en órbitas elípticas / excéntricas deben ser rastreados por estaciones terrestres orientables . [21] : 122 

Órbita de la tundra

La órbita de la Tundra es una excéntrica órbita geosincrónica rusa, que permite que el satélite pase la mayor parte de su tiempo en una ubicación de alta latitud. Se encuentra en una inclinación de 63,4 °, que es una órbita congelada , lo que reduce la necesidad de mantener la estación . [23] Se necesitan al menos dos satélites para proporcionar una cobertura continua en un área. [24] Fue utilizado por la radio satelital Sirius XM para mejorar la intensidad de la señal en el norte de Estados Unidos y Canadá. [25]

Órbita cuasi-cenital

El sistema de satélites Quasi-Zenith (QZSS) es un sistema de tres satélites que opera en una órbita geosincrónica con una inclinación de 42 ° y una excentricidad de 0.075. [26] Cada satélite habita sobre Japón , lo que permite que las señales lleguen a los receptores en los cañones urbanos y luego pasen rápidamente sobre Australia. [27]

Lanzamiento

Un ejemplo de una transición de la Órbita de Transferencia Geoestacionaria (GTO) a la Órbita Geosincrónica (GSO). EchoStar XVII · Tierra .
      

Los satélites geosincrónicos se lanzan hacia el este en una órbita prograda que coincide con la velocidad de rotación del ecuador. La inclinación más pequeña en la que se puede lanzar un satélite es la de la latitud del lugar de lanzamiento, por lo que lanzar el satélite desde cerca del ecuador limita la cantidad de cambio de inclinación necesario más adelante. [28] Además, el lanzamiento desde cerca del ecuador permite que la velocidad de rotación de la Tierra dé un impulso al satélite. Un sitio de lanzamiento debe tener agua o desiertos al este, para que los cohetes fallidos no caigan sobre un área poblada. [29]

La mayoría de los vehículos de lanzamiento colocan satélites geosincrónicos directamente en una órbita de transferencia geosincrónica (GTO), una órbita elíptica con un apogeo a la altura de la OSG y un perigeo bajo . La propulsión por satélite a bordo se utiliza para elevar el perigeo, circularizar y alcanzar la OSG. [28] [30]

Una vez en una órbita geoestacionaria viable, las naves espaciales pueden cambiar su posición longitudinal ajustando su semieje mayor de modo que el nuevo período sea más corto o más largo que un día sideral, a fin de producir una "deriva" aparente hacia el este o hacia el oeste, respectivamente. Una vez en la longitud deseada, el período de la nave espacial se restaura a geosincrónico. [ cita requerida ]

Órbitas propuestas

Propuesta de estatita

Una estatita es un satélite hipotético que utiliza la presión de la radiación del sol contra una vela solar para modificar su órbita. [31]

Mantendría su ubicación sobre el lado oscuro de la Tierra a una latitud de aproximadamente 30 grados. Regresaría al mismo lugar en el cielo cada 24 horas desde la perspectiva de un espectador desde la Tierra, por lo que sería funcionalmente similar a una órbita geosincrónica. [31] [32]

Ascensor espacial

Otra forma de órbita geosincrónica es el ascensor espacial teórico . Cuando un extremo está unido al suelo, para altitudes por debajo del cinturón geoestacionario, el ascensor mantiene un período orbital más corto que por gravedad. [33]

Satélites retirados

Una imagen generada por computadora de desechos espaciales. Se muestran dos campos de escombros: alrededor del espacio geosincrónico y la órbita terrestre baja.

Los satélites geosincrónicos requieren cierto mantenimiento de la estación para mantener su posición, y una vez que se quedan sin combustible del propulsor y ya no son útiles, se mueven a una órbita cementerio más alta . No es factible desorbitar satélites geosincrónicos, ya que se necesitaría mucho más combustible que elevar ligeramente la órbita, y la resistencia atmosférica es insignificante, lo que da a las OSG una vida útil de miles de años. [34]

El proceso de retirada está cada vez más regulado y los satélites deben tener un 90% de posibilidades de moverse más de 200 km por encima del cinturón geoestacionario al final de su vida útil. [35]

Basura espacial

Los desechos espaciales en órbitas geosincrónicas suelen tener una velocidad de colisión más baja que en LEO, ya que la mayoría de los satélites OSG orbitan en el mismo plano, altitud y velocidad; sin embargo, la presencia de satélites en órbitas excéntricas permite colisiones de hasta 4 km / s. Aunque una colisión es relativamente poco probable, los satélites OSG tienen una capacidad limitada para evitar cualquier tipo de escombros. [36]

Los escombros de menos de 10 cm de diámetro no pueden verse desde la Tierra, lo que dificulta evaluar su prevalencia. [37]

A pesar de los esfuerzos por reducir el riesgo, se han producido colisiones de naves espaciales. El satélite de telecomunicaciones Olympus-1 de la Agencia Espacial Europea fue alcanzado por un meteoroide el 11 de agosto de 1993 y finalmente se trasladó a una órbita cementerio , [38] y en 2006 el satélite de comunicaciones Russian Express-AM11 fue golpeado por un objeto desconocido y quedó inoperativo. [39] aunque sus ingenieros tuvieron suficiente tiempo de contacto con el satélite para enviarlo a una órbita cementerio. En 2017, tanto AMC-9 como Telkom-1 se separaron por una causa desconocida. [40] [37] [41]

Propiedades

La órbita de un satélite geosincrónico con una inclinación, desde la perspectiva de un observador fuera de la tierra ( ECI ) y de un observador que gira alrededor de la tierra a su velocidad de giro ( ECEF ).

Una órbita geosincrónica tiene las siguientes propiedades:

  • Duración: 1436 minutos (un día sidéreo )
  • Semieje mayor : 42.164 km [21] : 121 

Período

Todas las órbitas geosincrónicas tienen un período orbital igual a exactamente un día sideral. [42] Esto significa que el satélite volverá al mismo punto sobre la superficie de la Tierra todos los días (sidéreos), independientemente de otras propiedades orbitales. [43] [21] : 121  Este período orbital, T, está directamente relacionado con el semieje mayor de la órbita a través de la fórmula:

dónde:

a es la longitud del semieje mayor de la órbita
es el parámetro gravitacional estándar del cuerpo central [21] : 137 

Inclinación

Una órbita geosincrónica puede tener cualquier inclinación.

Los satélites comúnmente tienen una inclinación de cero, lo que garantiza que la órbita permanezca sobre el ecuador en todo momento, haciéndola estacionaria con respecto a la latitud desde el punto de vista de un observador terrestre (y en el marco de referencia ECEF ). [21] : 122 

Otra inclinación popular es 63,4 ° para una órbita de Tundra, lo que asegura que el argumento de perigeo de la órbita no cambie con el tiempo. [23]

Pista de tierra

En el caso especial de una órbita geoestacionaria, la trayectoria terrestre de un satélite es un solo punto en el ecuador . En el caso general de una órbita geosincrónica con una inclinación o excentricidad distinta de cero , la trayectoria terrestre es una figura en ocho más o menos distorsionada, volviendo a los mismos lugares una vez por día sideral. [21] : 122 

Ver también

  • Órbita supersincrónica
  • Órbita subsincrónica
  • Órbita sincrónica
  • Órbita geoestacionaria
  • Satélite geosincrónico
  • Órbita del cementerio
  • Órbita terrestre alta
  • Lista de órbitas
  • Lista de satélites en órbita geosincrónica
  • Orbita terrestre baja
  • Órbita terrestre media
  • Órbita de Molniya

Referencias

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  3. ^ "Por lo tanto, es muy posible que estas historias me hayan influido subconscientemente cuando ... desarrollé los principios de los satélites de comunicaciones sincrónicas ...", McAleer, Neil (1992). Arthur C. Clarke . Libros contemporáneos. pag. 54. ISBN 978-0-809-24324-2.
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enlaces externos

  • Satélites actualmente en órbita geosincrónica, lista actualizada diariamente
  • Science @ NASA - Órbita geosincrónica
  • NASA - Órbitas planetarias
  • Datos de Science Presse sobre órbitas geosincrónicas (incluidos datos históricos y estadísticas de lanzamiento)
  • Mecánica orbital (tecnología espacial y de cohetes)
  • Imagen astronómica del día de la NASA: lapso de tiempo de satélites geoestacionarios más allá de los Alpes (11 de abril de 2012)
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