Una órbita de Molniya (en ruso: Молния , IPA: [ˈmolnʲɪjə] ( escuchar ) , "Rayo") es un tipo de órbita satelital diseñada para proporcionar comunicaciones y cobertura de detección remota en latitudes altas . Es una órbita muy elíptica con una inclinación de 63,4 grados , un argumento de perigeo de 270 grados y un período orbital de aproximadamente medio día sideral . [1] El nombre proviene de los satélites Molniya , una serie de satélites soviéticos /Satélites de comunicaciones civiles y militares rusos que han utilizado este tipo de órbita desde mediados de la década de 1960.
La órbita de Molniya tiene un tiempo de permanencia prolongado sobre el hemisferio de interés, mientras se mueve muy rápidamente sobre el otro. En la práctica, esto lo coloca sobre Rusia o Canadá durante la mayor parte de su órbita, proporcionando un alto ángulo de visión para los satélites de comunicaciones y monitoreo que cubren estas áreas de alta latitud. Las órbitas geoestacionarias , que necesariamente están inclinadas sobre el ecuador , solo pueden ver estas regiones desde un ángulo bajo, lo que dificulta el rendimiento. En la práctica, un satélite en la órbita de Molniya tiene el mismo propósito para las latitudes altas que un satélite geoestacionario para las regiones ecuatoriales, excepto que se requieren múltiples satélites para una cobertura continua. [2]
Los satélites colocados en las órbitas de Molniya se han utilizado para transmisiones de televisión, telecomunicaciones, comunicaciones militares, retransmisiones, vigilancia meteorológica, sistemas de alerta temprana y algunos fines clasificados.
Historia
La órbita de Molniya fue descubierta por científicos soviéticos en la década de 1960 como una alternativa de comunicaciones de alta latitud a las órbitas geoestacionarias , que requieren grandes energías de lanzamiento para lograr un perigeo alto y cambiar la inclinación a orbitar sobre el ecuador (especialmente cuando se lanzan desde latitudes rusas). Como resultado, OKB-1 buscó una órbita que requiriera menos energía. [3] Los estudios encontraron que esto podría lograrse utilizando una órbita altamente elíptica con un apogeo sobre el territorio ruso. [4] El nombre de la órbita se refiere a la velocidad del "rayo" con la que el satélite pasa a través del perigeo. [5]
El primer uso de la órbita de Molniya fue por la serie de satélites de comunicaciones del mismo nombre . Después de dos fallos de lanzamiento y de un satélite en 1964, el primer satélite exitoso en utilizar esta órbita, Molniya 1-1, se lanzó el 23 de abril de 1965. [4] [6] Los primeros satélites Molniya-1 se utilizaron para la televisión civil. telecomunicaciones y comunicaciones militares de largo alcance, pero también estaban equipados con cámaras utilizadas para el monitoreo del clima y posiblemente para evaluar áreas despejadas para los satélites espías Zenit . [3] [7] Los satélites Molniya originales tenían una vida útil de aproximadamente 1,5 años, ya que sus órbitas fueron interrumpidas por perturbaciones y tuvieron que ser reemplazadas constantemente. [1]
La serie siguiente, Molniya-2, proporcionó transmisiones tanto militares como civiles y se utilizó para crear la red de televisión Orbita , que abarca la Unión Soviética. Estos a su vez fueron reemplazados por el diseño Molniya-3. [4] Un satélite llamado Mayak fue diseñado para complementar y reemplazar los satélites Molniya en 1997, pero el proyecto fue cancelado, [8] y el Molniya-3 fue reemplazado por los satélites Meridian , el primero de los cuales se lanzó en 2006. [9] ] Los satélites soviéticos de alerta temprana US-K , que vigilan los lanzamientos de cohetes estadounidenses, se lanzaron en las órbitas de Molniya desde 1967, como parte del sistema Oko . [10] [11] [12]
A partir de 1971, los satélites militares estadounidenses Jumpseat y Trumpet se lanzaron a las órbitas de Molniya (y posiblemente se utilizaron para interceptar las comunicaciones soviéticas de los satélites Molniya). La información detallada sobre ambos proyectos permanece clasificada a partir de 2019[actualizar]. [13] A esto le siguió la constelación estadounidense SDS , que opera con una mezcla de Molniya y órbitas geoestacionarias. Estos satélites se utilizan para retransmitir señales de satélites de vuelo más bajo a estaciones terrestres en los Estados Unidos y han estado activos en cierta capacidad desde 1976. [14] Una constelación de satélites rusa llamada Tyulpan fue diseñada en 1994 para soportar comunicaciones en latitudes altas, pero no pasó de la fase de planificación. [8]
En 2015 y 2017, Rusia lanzó dos satélites Tundra a la órbita de Molniya, a pesar de su nombre, como parte de su sistema de alerta temprana EKS . [15] [16] [17]
Usos
Gran parte del área de la ex Unión Soviética , y Rusia en particular, se encuentra en latitudes altas del norte. Para transmitir a estas latitudes desde una órbita geoestacionaria (por encima del ecuador de la Tierra ) se requiere una potencia considerable debido a los bajos ángulos de elevación y la distancia adicional y la atenuación atmosférica que conlleva. Los sitios ubicados por encima de los 81 ° de latitud no pueden ver los satélites geoestacionarios y, como regla general, los ángulos de elevación de menos de 10 ° pueden causar problemas, dependiendo de la frecuencia de las comunicaciones. [2] : 499 [18]
Un satélite en la órbita de Molniya se adapta mejor a las comunicaciones en estas regiones, porque mira más directamente hacia abajo durante grandes porciones de su órbita. Con una altitud de apogeo de hasta 40.000 kilómetros (25.000 millas) y un punto subsatelital de apogeo de 63,4 grados norte, pasa una parte considerable de su órbita con excelente visibilidad en el hemisferio norte, tanto desde Rusia como desde el norte de Europa. Groenlandia y Canadá. [2]
Si bien los satélites en las órbitas de Molniya requieren considerablemente menos energía de lanzamiento que los de las órbitas geoestacionarias (especialmente cuando se lanzan desde altas latitudes), [4] sus estaciones terrestres necesitan antenas orientables para rastrear la nave espacial, los enlaces deben conmutarse entre satélites en una constelación y los cambios de alcance causan variaciones en la amplitud de la señal. Además, existe una mayor necesidad de mantenimiento en posición , [19] [20] [21] y la nave espacial pasará a través del cinturón de radiación de Van Allen cuatro veces al día. [22]
Propuestas del hemisferio sur
Órbitas similares con un argumento de perigeo de 90 ° podrían permitir una cobertura de alta latitud en el hemisferio sur. Una constelación propuesta, el Programa de Banda Ancha Antártica , habría utilizado satélites en una órbita Molniya invertida para proporcionar servicio de Internet de banda ancha a las instalaciones de la Antártida . [23] [24] Inicialmente financiado por el ahora desaparecido Programa de Investigación Espacial de Australia , no progresó más allá del desarrollo inicial. [25] [26]
Constelaciones de Molniya
La cobertura permanente a gran altura de una gran área de la Tierra (como toda Rusia, donde algunas partes están tan al sur como 45 ° N) requiere una constelación de al menos tres naves espaciales en las órbitas de Molniya. Si se utilizan tres naves espaciales, cada nave estará activa durante un período de ocho horas por órbita, centrada alrededor del apogeo, [2] como se ilustra en la figura 4. La figura 5 muestra el campo de visión del satélite alrededor del apogeo.
La Tierra completa media rotación en doce horas, por lo que los apogeos de sucesivas órbitas de Molniya se alternarán entre una mitad del hemisferio norte y la otra. Para la órbita original de Molniya, los apogeos se colocaron sobre Rusia y América del Norte, pero al cambiar la ascensión recta del nodo ascendente, esto puede variar. [19] La cobertura de un satélite en la órbita de Molniya sobre Rusia se muestra en las figuras 6 a 8, y sobre América del Norte en las figuras 9 a 11.
Las órbitas de las tres naves espaciales deberían tener los mismos parámetros orbitales, pero diferentes ascensiones rectas de los nodos ascendentes, con sus pasos sobre los apogeos separados por 7,97 horas. [2] [27] Dado que cada satélite tiene un período operativo de aproximadamente ocho horas, cuando una nave espacial viaja cuatro horas después de su apogeo (ver figura 8 o figura 11), el siguiente satélite entrará en su período operativo, con la vista de la tierra que se muestra en la figura 6 (o figura 9), y la conmutación puede tener lugar. Tenga en cuenta que las dos naves espaciales en el momento del cambio están separadas por unos 1.500 kilómetros (930 millas), por lo que las estaciones terrestres solo tienen que mover sus antenas unos pocos grados para adquirir la nueva nave espacial. [28]
Diagramas
Figura 4: Una constelación de tres naves espaciales Molniya que prestan servicio al hemisferio norte. P es el período orbital. Una línea verde corresponde al servicio para Asia y Europa con la visibilidad de las figuras 6–8. Una línea roja corresponde al servicio para América del Norte con la visibilidad de las figuras 9-11.
Figura 5: Zonas de iluminación (al menos 10 ° de elevación) desde una órbita de Molniya. En el apogeo, se aplica la zona de iluminación verde. Tres horas antes o después del apogeo, se aplica la zona roja. Cuatro horas antes o después del apogeo, se aplica la zona azul. El plano de la figura es el plano longitudinal de apogeo que gira con la Tierra. En el período de ocho horas centrado en el paso del apogeo, el plano longitudinal es casi fijo, la longitud del satélite varía solo en ± 2,7 °. Las vistas de la Tierra desde estos tres puntos se muestran en las figuras 6-11.
Figura 6: Vista de la Tierra cuatro horas antes del apogeo desde una órbita de Molniya bajo el supuesto de que la longitud del apogeo es 90 ° E. La nave espacial se encuentra a una altitud de 24 043 km sobre el punto 92,65 ° E 47,04 ° N.
Figura 7: Vista de la Tierra desde el apogeo de una órbita de Molniya bajo el supuesto de que la longitud del apogeo es 90 ° E. La nave espacial se encuentra a una altitud de 39,867 km sobre el punto 90 ° E 63,43 ° N.
Figura 8: Vista de la Tierra cuatro horas después del apogeo desde una órbita de Molniya bajo el supuesto de que la longitud del apogeo es 90 ° E. La nave espacial se encuentra a una altitud de 24 043 km sobre el punto 87,35 ° E 47,04 ° N
Figura 9: Vista de la Tierra cuatro horas antes del apogeo desde una órbita de Molniya bajo el supuesto de que la longitud del apogeo es 90 ° W. La nave espacial se encuentra a una altitud de 24,043 km sobre el punto 87,35 ° W 47,04 ° N.
Figura 10: Vista de la Tierra desde el apogeo de una órbita de Molniya bajo el supuesto de que la longitud del apogeo es 90 ° W. La nave espacial se encuentra a una altitud de 39,867 km sobre el punto 90 ° W 63,43 ° N.
Figura 11: Vista de la Tierra 4 horas después del apogeo desde una órbita de Molniya bajo el supuesto de que la longitud del apogeo es 90 ° W. La nave espacial se encuentra a una altitud de 24,043 km sobre el punto 92,65 ° W 47,04 ° N.
Propiedades
Una órbita típica de Molniya tiene las siguientes propiedades:
- Argumento del perigeo: 270 °
- Inclinación: 63,4 ° [20]
- Duración: 718 minutos [1]
- Excentricidad: 0,74
- Semieje mayor : 26.600 km (16.500 millas)
Argumento de perigeo
El argumento del perigeo se establece en 270 °, lo que hace que el satélite experimente un apogeo en el punto más al norte de su órbita. Para cualquier aplicación futura en el hemisferio sur, en cambio, se establecería en 90 °. [24]
Inclinación orbital
En general, el achatamiento de la Tierra perturba el argumento del perigeo (), de modo que cambie gradualmente con el tiempo. Si solo consideramos el coeficiente de primer orden, el perigeo cambiará de acuerdo con la ecuación 1 , a menos que se corrija constantemente con quemaduras de propulsor de mantenimiento de posición.
( 1 )
dónde es la inclinación orbital, es la excentricidad, es el movimiento medio en grados por día, es el factor perturbador, es el radio de la tierra, es el semieje mayor, y está en grados por día.
Para evitar este gasto de combustible, la órbita de Molniya utiliza una inclinación de 63,4 °, por lo que el factor es cero, por lo que no hay cambio en la posición del perigeo con el tiempo. [20] [19] : 143 Una órbita diseñada de esta manera se llama órbita congelada .
Periodo orbital
Para asegurar que la geometría relativa a las estaciones terrestres se repita cada 24 horas, el período debe ser de medio día sideral , manteniendo constantes las longitudes de los apogeos.
Sin embargo, el achatamiento de la Tierra también perturba la ascensión recta del nodo ascendente (), cambiando el período nodal y haciendo que la trayectoria terrestre se desvíe con el tiempo a la velocidad que se muestra en la ecuación 2 .
( 2 )
dónde está en grados por día. [19] : 143
Dado que la inclinación de una órbita de Molniya es fija (como arriba), esta perturbación es grados por día. Para compensar, el período orbital se ajusta de modo que la longitud del apogeo cambie lo suficiente como para cancelar este efecto. [20]
Excentricidad
La excentricidad de la órbita se basa en las diferencias en altitudes de su apogeo y perigeo. Para maximizar la cantidad de tiempo que el satélite pasa durante el apogeo, la excentricidad debe establecerse lo más alta posible . Sin embargo, el perigeo debe ser lo suficientemente alto para mantener el satélite sustancialmente por encima de la atmósfera para minimizar la resistencia (~ 600 km), y el período orbital debe mantenerse en aproximadamente medio día sidéreo (como se indicó anteriormente). Estos dos factores limitan la excentricidad, que se convierte en aproximadamente 0,737. [20]
Semieje mayor
La altura exacta de un satélite en una órbita de Molniya varía entre misiones, pero una órbita típica tendrá un perigeo de aproximadamente 600 kilómetros (370 millas) y un apogeo de 39,700 kilómetros (24,700 millas), para un eje semi-mayor de 26,600 kilómetros. (16,500 millas). [20]
Modelado
Para rastrear satélites utilizando las órbitas de Molniya, los científicos utilizan el modelo de perturbaciones simplificado SDP4 , que calcula la ubicación de un satélite en función de la forma orbital, el arrastre, la radiación, los efectos de la gravitación del sol y la luna y los términos de resonancia terrestre. [29]
Ver también
- Lista de órbitas
- Órbita de la tundra
Referencias
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enlaces externos
- Ilustración de la geometría de comunicación proporcionada por satélites en órbitas Molniya de 12 horas (video)