เช่นเดียวกับที่นั่งในโรงละครอนุญาตมองดูมุมมองที่แตกต่างกันวงโคจรของดาวเทียมที่แตกต่างกันให้มุมมองแต่ละดวงมีจุดประสงค์ที่แตกต่างกัน บางคนดูเหมือนจะแขวนอยู่เหนือจุดใดจุดหนึ่งบนพื้นผิวพวกเขาให้มุมมองที่คงที่ของด้านใดด้านหนึ่งของโลกในขณะที่คนอื่น ๆ วนรอบโลกของเรากวาดไปยังสถานที่ต่างๆมากมายในหนึ่งวัน
ดาวเทียมบินได้สูงแค่ไหน?วงโคจรใกล้โลกมี 3 ประเภท ได้แก่ สูงกลางและต่ำ บนที่สูงห่างจากพื้นผิวมากที่สุดตามกฎแล้วมีสภาพอากาศมากมายและดาวเทียมสื่อสารบางดวง ดาวเทียมที่หมุนอยู่ในวงโคจรของโลกขนาดกลางรวมถึงการนำทางและดาวเทียมพิเศษที่ออกแบบมาเพื่อตรวจสอบพื้นที่เฉพาะ ยานอวกาศทางวิทยาศาสตร์ส่วนใหญ่รวมถึงกองยานสำรวจระบบสังเกตการณ์โลกของ NASA อยู่ในวงโคจรต่ำ
ดาวเทียมบินขึ้นอยู่ที่ระดับความสูงใดความเร็วของการเคลื่อนไหว เมื่อคุณเข้าใกล้โลกมากขึ้นแรงโน้มถ่วงจะแข็งแกร่งขึ้นและการเคลื่อนไหวจะเร็วขึ้น ตัวอย่างเช่นดาวเทียม Aqua ของ NASA ใช้เวลาประมาณ 99 นาทีในการบินรอบโลกของเราที่ระดับความสูงประมาณ 705 กม. ในขณะที่เครื่องมือทางอุตุนิยมวิทยาที่อยู่ห่างจากพื้นผิว 35 786 กม. ใช้เวลา 23 ชั่วโมง 56 นาทีและ 4 วินาที ที่ระยะ 384,403 กม. จากใจกลางโลกดวงจันทร์จะทำการปฏิวัติหนึ่งครั้งใน 28 วัน
การเปลี่ยนระดับความสูงของดาวเทียมก็เปลี่ยนไปเช่นกันความเร็วในการโคจร มีความขัดแย้งที่นี่ หากผู้ควบคุมดาวเทียมต้องการเพิ่มความเร็วเขาไม่สามารถสตาร์ทเครื่องยนต์เพื่อเร่งความเร็วได้ สิ่งนี้จะเพิ่มวงโคจร (และระดับความสูง) ส่งผลให้ความเร็วลดลง แต่ควรสตาร์ทเครื่องยนต์ในทิศทางตรงกันข้ามกับทิศทางการเคลื่อนที่ของดาวเทียมกล่าวคือดำเนินการที่จะทำให้ยานพาหนะเคลื่อนที่บนโลกช้าลง การทำเช่นนี้จะเลื่อนให้ต่ำลงซึ่งจะเพิ่มความเร็ว
นอกจากความสูงแล้วเส้นทางของดาวเทียมโดดเด่นด้วยความเยื้องศูนย์กลางและความเอียง ประการแรกเกี่ยวข้องกับรูปร่างของวงโคจร ดาวเทียมที่มีความเบี้ยวต่ำเคลื่อนที่ไปตามวิถีโคจรใกล้กับวงกลม วงโคจรนอกรีตเป็นวงรี ระยะห่างจากยานอวกาศถึงโลกขึ้นอยู่กับตำแหน่งของมัน
ความเอียงคือมุมของวงโคจรที่เกี่ยวกับเส้นศูนย์สูตร. ดาวเทียมที่โคจรตรงเหนือเส้นศูนย์สูตรจะมีความเอียงเป็นศูนย์ ถ้ายานอวกาศเคลื่อนผ่านขั้วเหนือและขั้วใต้ (ทางภูมิศาสตร์แทนที่จะเป็นแม่เหล็ก) ยานจะเอียง 90 °
ความสูงความเยื้องศูนย์และความเอียงเป็นตัวกำหนดการเคลื่อนที่ของดาวเทียมและวิธีที่โลกจะมองจากมุมมองของมัน
เมื่อดาวเทียมไปถึง 42164 กม. จากศูนย์กลางโลก (ประมาณ 36,000 กม. จากพื้นผิว) มันเข้าสู่เขตที่วงโคจรของมันสอดคล้องกับการหมุนของโลกของเรา เนื่องจากยานอวกาศเคลื่อนที่ด้วยความเร็วเท่ากับโลกนั่นคือคาบการโคจรของมันคือ 24 ชั่วโมงดูเหมือนว่ามันจะยังคงอยู่เหนือลองจิจูดเดียวแม้ว่ามันจะสามารถล่องลอยจากเหนือไปใต้ได้ก็ตาม วงโคจรสูงพิเศษนี้เรียกว่า geosynchronous
ดาวเทียมเคลื่อนที่เป็นวงโคจรเป็นวงกลมเหนือเส้นศูนย์สูตรโดยตรง (ความเบี้ยวและความเอียงเป็นศูนย์) และหยุดนิ่งเมื่อเทียบกับโลก มันมักจะอยู่เหนือจุดเดิมบนพื้นผิวของมัน
Geostationary Orbit มีค่าอย่างยิ่งสำหรับการตรวจสอบสภาพอากาศเนื่องจากดาวเทียมบนดาวเทียมจะให้ภาพรวมที่คงที่ของพื้นที่เดียวกันของพื้นผิว ทุกๆสองสามนาทีเครื่องมือทางอุตุนิยมวิทยาเช่น GOES จะให้ข้อมูลเกี่ยวกับเมฆไอน้ำและลมและกระแสข้อมูลที่คงที่นี้ทำหน้าที่เป็นพื้นฐานในการตรวจสอบและพยากรณ์อากาศ
นอกจากนี้ยานพาหนะ geostationary สามารถมีประโยชน์สำหรับการสื่อสาร (โทรศัพท์โทรทัศน์วิทยุ) ดาวเทียม GOES ให้สัญญาณการค้นหาและกู้ภัยที่ใช้เพื่อช่วยในการค้นหาเรือและเครื่องบินที่ตกอยู่ในความทุกข์ยาก
ในที่สุดดาวเทียมที่โคจรสูงของโลกหลายดวงจะตรวจสอบกิจกรรมของแสงอาทิตย์และติดตามสนามแม่เหล็กและระดับรังสี
แรงสู่ศูนย์กลาง F กระทำต่อดาวเทียมค= (ม1v2) / R และแรงโน้มถ่วง Fเสื้อ= (GM1M2) / ร2... เนื่องจากแรงเหล่านี้เหมือนกันเราจึงสามารถทำให้ด้านขวาเท่ากันและลดลงด้วยมวล M1... ผลลัพธ์คือความเท่าเทียม v2= (GM2) / ร. ดังนั้นความเร็วในการเคลื่อนที่ v = ((GM2) / R)1/2
เนื่องจากวงโคจร geostationary เป็นวงกลม2πrความเร็วของวงโคจรจึงเป็น v = 2πR / T
ดังนั้น R3= ท2GM / (4π2)
ตั้งแต่ T = 8.64x104s, G = 6.673x10-11 N ม2/ กิโลกรัม2, M = 5.98x1024 กก. แล้ว R = 4.23x107 m ถ้าคุณลบออกจาก R รัศมีของโลกเท่ากับ 6.38x106 เมตรคุณจะพบว่าความสูงระดับใดที่ดาวเทียมบินผ่านจุดหนึ่งบนพื้นผิว - 3.59x107 ม.
วงโคจรที่น่าทึ่งอื่น ๆ คือจุดLagrange ซึ่งแรงโน้มถ่วงของโลกถูกหักล้างด้วยแรงโน้มถ่วงของดวงอาทิตย์ ทุกสิ่งที่อยู่ในนั้นดึงดูดเท่า ๆ กันกับวัตถุท้องฟ้าเหล่านี้และหมุนรอบโลกของเรารอบดาว
จากห้าจุด Lagrange ในระบบ Sun-Earthมีเพียงสองรายการสุดท้ายที่เรียกว่า L4 และ L5 เท่านั้นที่มีเสถียรภาพ ในส่วนที่เหลือเพื่อนร่วมทางเป็นเหมือนลูกบอลที่ทรงตัวอยู่บนยอดเขาที่สูงชัน: สิ่งรบกวนเล็กน้อยใด ๆ จะผลักมันออกไป เพื่อให้อยู่ในสภาพสมดุลยานอวกาศที่นี่จำเป็นต้องมีการปรับตัวตลอดเวลา ในสองจุด Lagrange ที่ผ่านมาดาวเทียมก็เหมือนลูกบอลในลูกบอลแม้ว่าจะมีความขุ่นเคืองอย่างรุนแรง แต่ก็จะกลับมา
L1 ตั้งอยู่ระหว่างโลกและดวงอาทิตย์ทำให้ดาวเทียมที่อยู่ในนั้นมีมุมมองที่คงที่ของดาวของเรา SOHO Solar Observatory ซึ่งเป็นดาวเทียมของ NASA และ European Space Agency ตรวจสอบดวงอาทิตย์จากจุดแรกของ Lagrange ซึ่งอยู่ห่างจากโลกของเรา 1.5 ล้านกม.
L2 ตั้งอยู่ห่างจากโลกเท่ากัน แต่อยู่ข้างหลังเธอ ดาวเทียมในตำแหน่งนี้ต้องการเกราะป้องกันความร้อนเพียงอันเดียวเพื่อป้องกันตัวเองจากแสงและความร้อนของดวงอาทิตย์ นี่เป็นตำแหน่งที่ดีสำหรับกล้องโทรทรรศน์อวกาศที่ใช้ในการศึกษาธรรมชาติของจักรวาลโดยการสังเกตพื้นหลังของรังสีไมโครเวฟ
จุดลาเกรนจ์ที่สามอยู่ตรงข้ามโลกอีกด้านหนึ่งของดวงอาทิตย์เพื่อให้ดาวฤกษ์อยู่ระหว่างดาวดวงนี้กับโลกของเราเสมอ ดาวเทียมในตำแหน่งนี้จะไม่สามารถสื่อสารกับโลกได้
จุดลากรองจ์ที่สี่และห้ามีความเสถียรอย่างมากในวิถีการโคจรของโลก 60 °ทั้งด้านหน้าและด้านหลังโลก
ดาวเทียมเคลื่อนที่เร็วขึ้น มีวงโคจรของโลกกลางสองวง: เซมิซิงโครนัสและ "สายฟ้า"
ดาวเทียมบินไปที่ระดับความสูงใดวงโคจรกึ่งซิงโครนัส? มีลักษณะเกือบเป็นวงกลม (ความเยื้องศูนย์ต่ำ) และอยู่ห่างจากใจกลางโลก 26,560 กม. (เหนือพื้นผิวประมาณ 20,200 กม.) ดาวเทียมที่ความสูงนี้ทำการปฏิวัติเต็มรูปแบบใน 12 ชั่วโมงขณะที่เคลื่อนที่โลกจะหมุนอยู่ข้างใต้ ภายใน 24 ชั่วโมงจะข้ามจุดที่เหมือนกัน 2 จุดบนเส้นศูนย์สูตร วงโคจรนี้สอดคล้องและคาดเดาได้สูง ใช้โดย GPS Global Positioning System
ใช้วงโคจร "สายฟ้า" (ความเอียง 63.4 °)สำหรับการสังเกตในละติจูดสูง ดาวเทียม Geostationary ยึดกับเส้นศูนย์สูตรดังนั้นจึงไม่เหมาะสำหรับพื้นที่ทางเหนือหรือทางใต้ วงโคจรนี้ค่อนข้างผิดปกติ: ยานอวกาศเคลื่อนที่เป็นวงรียาวโดยให้โลกใกล้กับขอบด้านหนึ่ง เนื่องจากดาวเทียมถูกเร่งด้วยแรงโน้มถ่วงจึงเคลื่อนที่เร็วมากเมื่ออยู่ใกล้กับโลกของเรา เมื่อเคลื่อนที่ออกไปความเร็วของมันจะช้าลงดังนั้นจึงใช้เวลามากขึ้นที่ด้านบนสุดของวงโคจรในขอบที่ไกลที่สุดจากโลกซึ่งเป็นระยะทางถึง 40,000 กม. คาบการโคจรคือ 12 ชั่วโมง แต่ดาวเทียมใช้เวลาประมาณสองในสามของเวลานี้ในหนึ่งซีกโลก เช่นเดียวกับวงโคจรแบบเซมิซิงโครนัสดาวเทียมจะเดินตามเส้นทางเดิมทุก ๆ 24 ชั่วโมงใช้สำหรับการสื่อสารในทิศเหนือหรือใต้ที่ไกลออกไป
ดาวเทียมทางวิทยาศาสตร์ส่วนใหญ่หลาย ๆสถานีอุตุนิยมวิทยาและอวกาศอยู่ในวงโคจรใกล้โลกต่ำ ความชันของพวกเขาขึ้นอยู่กับสิ่งที่พวกเขากำลังตรวจสอบ TRMM เปิดตัวเพื่อตรวจสอบปริมาณน้ำฝนในเขตร้อนดังนั้นจึงมีความเอียงค่อนข้างต่ำ (35 °) ในขณะที่อยู่ใกล้กับเส้นศูนย์สูตร
ดาวเทียมสังเกตการณ์หลายดวงของ NASA มีวงโคจรที่มีความลาดเอียงสูง ยานอวกาศเคลื่อนที่รอบโลกจากเสาหนึ่งไปอีกขั้วหนึ่งด้วยระยะเวลา 99 นาที ครึ่งหนึ่งของเวลาที่มันเคลื่อนผ่านด้านกลางวันของโลกของเราและที่ขั้วมันจะข้ามไปยังด้านกลางคืน
ขณะที่ดาวเทียมเคลื่อนที่โลกจะหมุนอยู่ข้างใต้เมื่อยานอวกาศเข้าสู่พื้นที่สว่างยานอวกาศจะอยู่เหนือพื้นที่ที่อยู่ติดกับโซนของวงโคจรสุดท้าย ในช่วงเวลา 24 ชั่วโมงดาวเทียมขั้วโลกครอบคลุมพื้นที่ส่วนใหญ่ของโลกสองครั้ง: หนึ่งครั้งในตอนกลางวันและหนึ่งครั้งในเวลากลางคืน
เช่นเดียวกับที่ดาวเทียม geosynchronous ต้องที่จะอยู่เหนือเส้นศูนย์สูตรซึ่งทำให้พวกมันอยู่เหนือจุดหนึ่งการโคจรของขั้วโลกมีความสามารถในการอยู่ในเวลาเดียวกัน วงโคจรของพวกมันเป็นแบบซิงโครนัสเมื่อยานอวกาศข้ามเส้นศูนย์สูตรเวลาสุริยะในท้องถิ่นจะเท่ากันเสมอ ตัวอย่างเช่นดาวเทียม Terra พาดผ่านบราซิลเสมอเวลา 10.30 น. การข้ามครั้งต่อไปหลังจาก 99 นาทีเหนือเอกวาดอร์หรือโคลอมเบียจะเกิดขึ้นในเวลา 10.30 น. ตามเวลาท้องถิ่น
วงโคจรของดวงอาทิตย์เป็นสิ่งสำคัญสำหรับวิทยาศาสตร์เนื่องจากช่วยให้คุณสามารถรักษามุมตกกระทบของแสงแดดบนพื้นผิวโลกได้แม้ว่าจะเปลี่ยนแปลงไปตามฤดูกาล ความสอดคล้องนี้หมายความว่านักวิทยาศาสตร์สามารถเปรียบเทียบภาพของโลกของเราในช่วงเวลาเดียวกันของปีในช่วงหลายปีโดยไม่ต้องกังวลว่าแสงจะกระโดดมากเกินไปซึ่งอาจสร้างภาพลวงตาของการเปลี่ยนแปลง หากไม่มีวงโคจรแบบซิงโครนัสดวงอาทิตย์จะเป็นการยากที่จะติดตามพวกมันเมื่อเวลาผ่านไปและรวบรวมข้อมูลที่จำเป็นในการศึกษาการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศ
เส้นทางของดาวเทียมมี จำกัด มากที่นี่ถ้าอยู่ที่ระดับความสูง 100 กม. วงโคจรควรมีความเอียง 96 ° การเบี่ยงเบนใด ๆ จะไม่สามารถยอมรับได้ เนื่องจากการลากในชั้นบรรยากาศและแรงดึงดูดของดวงอาทิตย์และดวงจันทร์ทำให้วงโคจรของยานเปลี่ยนไปจึงจำเป็นต้องมีการปรับเปลี่ยนอย่างสม่ำเสมอ
การปล่อยดาวเทียมต้องใช้พลังงานจำนวนซึ่งขึ้นอยู่กับตำแหน่งของสถานที่ปล่อยความสูงและความลาดชันของวิถีการเคลื่อนที่ในอนาคต ต้องใช้พลังงานมากกว่าเพื่อไปยังวงโคจรที่ห่างไกล ดาวเทียมที่มีความเอียงอย่างมีนัยสำคัญ (เช่นมีขั้ว) มีพลังงานเข้มข้นกว่าดาวเทียมที่วงกลมเหนือเส้นศูนย์สูตร การขึ้นสู่วงโคจรด้วยความเอียงต่ำได้รับความช่วยเหลือจากการหมุนของโลก สถานีอวกาศนานาชาติกำลังเคลื่อนที่ทำมุม 51.6397 ° นี่เป็นสิ่งจำเป็นเพื่อให้รถรับส่งอวกาศและจรวดของรัสเซียเข้าถึงได้ง่ายขึ้น ระดับความสูง ISS - 337-430 กม. ในทางกลับกันดาวเทียมขั้วโลกไม่ได้รับความช่วยเหลือจากแรงกระตุ้นของโลกดังนั้นพวกมันจึงต้องการพลังงานมากขึ้นเพื่อปีนขึ้นไปในระยะทางเดียวกัน
หลังจากเปิดตัวดาวเทียมคุณต้องแนบความพยายามที่จะทำให้มันอยู่ในวงโคจรที่แน่นอน เนื่องจากโลกไม่ใช่ทรงกลมที่สมบูรณ์แบบแรงโน้มถ่วงของโลกจึงแข็งแกร่งขึ้นในบางแห่ง ความไม่สม่ำเสมอนี้พร้อมกับแรงดึงดูดของดวงอาทิตย์ดวงจันทร์และดาวพฤหัสบดี (ดาวเคราะห์ที่ใหญ่ที่สุดในระบบสุริยะ) ทำให้ความเอียงของวงโคจรเปลี่ยนไป ตลอดอายุการใช้งานดาวเทียม GOES ได้รับการแก้ไขสามหรือสี่ครั้ง LEO ของ NASA ต้องปรับความเอียงเป็นประจำทุกปี
นอกจากนี้ดาวเทียมใกล้โลกยังได้รับผลกระทบจากบรรยากาศกระทบ ชั้นบนสุดแม้จะบางพอ แต่ก็มีความต้านทานเพียงพอที่จะดึงให้เข้าใกล้โลกมากขึ้น การกระทำของแรงโน้มถ่วงทำให้ดาวเทียมเร่งความเร็ว เมื่อเวลาผ่านไปพวกมันจะลุกเป็นไฟหมุนวนต่ำลงและเร็วขึ้นสู่ชั้นบรรยากาศหรือตกลงมายังโลก
การลากชั้นบรรยากาศจะแข็งแกร่งขึ้นเมื่อดวงอาทิตย์อย่างแข็งขัน. เช่นเดียวกับที่อากาศในบอลลูนอากาศร้อนขยายตัวและสูงขึ้นเมื่อมันร้อนขึ้นบรรยากาศก็จะเพิ่มขึ้นและขยายตัวเมื่อดวงอาทิตย์ให้พลังงานพิเศษ ชั้นบรรยากาศที่บางลงจะเพิ่มขึ้นและชั้นที่หนาแน่นขึ้นก็เข้ามาแทนที่ ดังนั้นดาวเทียมในวงโคจรของโลกจะต้องเปลี่ยนตำแหน่งประมาณสี่ครั้งต่อปีเพื่อชดเชยการลากของชั้นบรรยากาศ เมื่อกิจกรรมแสงอาทิตย์ถึงจุดสูงสุดตำแหน่งของอุปกรณ์จะต้องได้รับการแก้ไขทุก 2-3 สัปดาห์
เหตุผลประการที่สามที่ทำให้วงโคจรเปลี่ยนไปคือเศษอวกาศ หนึ่งในดาวเทียมสื่อสาร Iridium ชนกับยานอวกาศของรัสเซียที่ไม่ทำงาน พวกมันแตกเป็นเสี่ยง ๆ กลายเป็นเศษเมฆกว่า 2,500 ชิ้น แต่ละองค์ประกอบถูกเพิ่มลงในฐานข้อมูลซึ่งในปัจจุบันมีวัตถุที่มนุษย์สร้างขึ้นมากกว่า 18,000 ชิ้น
NASA ตรวจสอบทุกสิ่งที่อาจอยู่ในเส้นทางของดาวเทียมอย่างระมัดระวังเนื่องจากเศษซากอวกาศต้องเปลี่ยนวงโคจรหลายครั้ง
วิศวกรศูนย์ควบคุมภารกิจติดตามตำแหน่งของเศษซากอวกาศและดาวเทียมที่สามารถรบกวนการเคลื่อนไหวและวางแผนการหลบหลีกอย่างระมัดระวังตามความจำเป็น ทีมเดียวกันวางแผนและดำเนินการซ้อมรบเพื่อปรับความเอียงและระดับความสูงของดาวเทียม
