Μάθηµα 4 ο : ορυφορικές τροχιές Στόχοι: Στο τέλος αυτού του µαθήµατος ο σπουδαστής θα γνωρίζει: Tις σηµαντικότερες κατηγορίες δορυφορικών τροχιών Τους παράγοντες που οδηγούν στην επιλογή συγκεκριµένης δορυφορικής τροχιάς Τις βασικές παραµέτρους µε τις οποίες περιγράφονται οι δορυφορικές τροχιές Να περιγράφει τη διαδικασία εγκατάστασης δορυφόρων σε γεωστατική τροχιά Τι κρατά το δορυφόρο σε τροχιά ; Ο δορυφόρος παραµένει σε τροχιά γύρω από τη γή ως αποτέλεσµα του συνδυασµού των δύο παρακάτω φαινοµένων: Βαρύτητα Τροχιά Ταχύτητα α) Ο δορυφόρος κινείται ευθύγραµµα λόγω της ταχύτητας που αποκτά µέσω των προωστικών πυραύλων. β) Ο δορυφόρος υφίσταται τη Νευτώνεια έλξη της γήινης σφαίρας. Μάθηµα 4 1
Σύµφωνα µε τη Νευτώνεια µηχανική και τους νόµους του Kepler οι τροχιές των δορυφόρων γύρω από τη γή είναι ελλείψεις, µε τη γη να καταλαµβάνει τη µια εστία της έλλειψης. H κυκλική τροχιά αποτελεί ειδική περίπτωση της ελλειπτικής και είναι η πλέον συνηθέστερη. ορυφόρος Το σηµείο όπου ο δορυφόρος πλησιάζει κοντύτερα τη γη ονοµάζεται περίγειο (perigee) και το σηµείο µέγιστης αποµάκρυνσης απόγειο (apogee). Περίγειο Γη Απόγειο Το σηµείο στο οποίο τέµνει την επιφάνεια της γης η ευθεία που ενώνει το δορυφόρο µε το κέντρο της γης καλείται υποδορυφορικό σηµείο (subsatellite point, SSP) Η ταχύτητα (υ) ενός δορυφόρου που κινείται σε ελλειπτική τροχιά (ως συνέπεια του δεύτερου νόµου του Kepler) µεταβάλλεται ανάλογα µε την απόσταση (r) του δορυφόρου από τη γή. H περίοδος περιστροφής (Τ) του δορυφόρου εξαρτάται από τον µεγάλο ηµιάξονα (α) της ελλειπτικής τροχιάς του. υ = µ [(2/r)-(1/a)] T = 2π (α 3 /µ) όπου: µ = GM = 3.986 10 14 m 3 s -2 G η σταθερά της παγκόσµιας έλξης και Μ η µάζα της γης Μάθηµα 4 2
Τροχιά ορυφόρος Ύψος δορυφόρου Ακτίνα γης R E = 6378 Km Κάθετος στο επίπεδο της τροχιάς Γη Γωνία κλίσης Βόρειος πόλος Επίπεδο τροχιάς Ισηµερινό επίπεδο Γη Ύψος δορυφόρου Η γωνία κλίσης µιας δορυφορικής τροχιάς Ύψος, ακτίνα, περίοδος και ταχύτητα για µερικές περιπτώσεις κυκλικών τροχιών Ύψος (Κm) Ακτίνα (Km) Περίοδος (h:m:s) Ταχύτητα (Km/h) 500 6878 01:34:37 27405 1000 7378 01:45:07 26461 10000 16378 05:47:39 17760 35786 42164 23:56:04 11069 Μάθηµα 4 3
Κατηγορίες δορυφορικών τροχιών Κυκλικές τροχιές µικρού ύψους (low earth orbit, LEO) Το ύψος του δορυφόρου είναι σταθερό και ίσο µε µερικές εκατοντάδες χιλιόµετρα και η περίοδος περιστροφής είναι της τάξης των 100 min. Οι τροχιές αυτής της κατηγορίας µε γωνία κλίσης σχεδόν 90 ο χαρακτηρίζονται ως πολικές και εξασφαλίζουν στο δορυφόρο που τις ακολουθεί διέλευση πάνω από κάθε περιοχή της γης. Ο δορυφόρος που ακολουθεί µια τροχιά LEO παραµένει ορατός από έναν επίγειο σταθµό για πολύ µικρό χρονικό διάστηµα (10-15min). Αυτό έχει σα συνέπεια να απαιτείται ολόκληρος αστερισµός µερικών δεκάδων δορυφόρων LEO για παροχή παγκόσµιας τηλεπικοινωνιακής κάλυψης σε πραγµατικό χρόνο. Για περίπου το 1/3 της τροχιάς του ο δορυφόρος LEO βρίσκεται στη σκιά της γης µε αποτέλεσµα να µην εκµεταλλεύεται πλήρως την ηλιακή ενέργεια, πράγµα που οδηγεί στη µικρή διάρκεια ζωής του δορυφόρου (5-7 χρόνια). Κυκλικές τροχιές µέσου ύψους (medium earth orbit, MEO) Οι τροχιές αυτές έχουν ύψος ίσο περίπου µε 10000 Km, περίοδο περιστροφής ίση περίπου µε 6 ώρες και γωνία κλίσης γύρω στις 50 ο. Η περίοδος περιστροφής των τροχιών αυτών επιτρέπει στο δορυφόρο να είναι ορατός από έναν επίγειο σταθµό για περίπου 60 min. Εποµένως µε συστήµατα 10-15 δορυφόρων, που κινούνται σε δύο επίπεδα µπορεί να επιτευχθεί παγκόσµια κάλυψη σε πραγµατικό χρόνο. Οι δορυφόροι ΜΕΟ έχουν µεγαλύτερη διάρκεια ζωής από τους LEO, αλλά απαιτούνται υψηλότερα επίπεδα ισχύος τόσο στο δορυφόρο όσο και στους επίγειους σταθµούς. Μάθηµα 4 4
Γεωστατικές τροχιές (geostationary earth orbit, GEO) Πρόκειται για κυκλικές τροχιές µηδενικής κλίσης (ισηµερινές τροχιές). Οι δορυφόροι περιστρέφονται µε την ίδια φορά και µε την ίδια περίοδο περιστροφής της γης σε ύψος 35.786 Km. Οι δορυφόροι GEO παραµένουν ακίνητοι στην ουράνια σφαίρα σε σχέση µε τους επίγειους σταθµούς, οι οποίοι δε χρειάζονται ειδικά συστήµατα παρακολούθησης των. Ένας δορυφόρος GEO είναι ορατός πρακτικά από το 38% της γης. Εποµένως µε τρεις τέτοιους δορυφόρους µπορεί να εξασφαλισθεί παγκόσµια κάλυψη (εκτός των πολικών περιοχών). Οι τροχιές αυτές είναι οι δηµοφιλέστερες και χρησιµοποιούνται σε µεγάλο ποσοστό από τους τηλεπικοινωνιακούς δορυφόρους. Το βασικό µειονέκτηµα των γεωστατικών δορυφόρων σε σχέση µε τους δορυφόρους LEO και MEO είναι η µεγάλη χρονική καθυστέρηση του σήµατος κατά τη µετάδοσή του (238 ms για κατακόρυφη πορεία µετάδοσης). Στην τηλεφωνία αυτή η καθυστέρηση προκαλεί το ενοχλητικό φαινόµενο της ηχούς το οποίο απαιτεί ειδικά κυκλώµατα καταστολής. Ένα άλλο µειονέκτηµα των δορυφόρων GEO είναι ότι λόγω της µεγάλης απόστασής τους από τη γη απαιτείται υψηλή RF ισχύς, καθώς και κεραίες υψηλής κατευθυντικότητας, για τους δορυφόρους και τους επίγειους σταθµούς. Ελλειπτικές τροχιές µε µεγάλη γωνία κλίσης (64 ο ) Αυτός ο τύπος τροχιάς είναι ιδιαίτερα σταθερός όσον αφορά τις διακυµάνσεις του βαρυτικού δυναµικού, και λόγω της µεγάλης κλίσης, επιτρέπει στο δορυφόρο να καλύψει περιοχές µε µεγάλο γεωγραφικό πλάτος για µεγάλο κλάσµα της περιόδου της τροχιάς, καθώς αυτός περνά από το απόγειο. Οι δορυφόροι του συστήµατος MOLNIYA που χρησιµοποιούνται από τις χώρες της πρώην ΕΣΣ κινούνται σε τέτοιες τροχιές και εξασφαλίζουν συνεχή τοπική κάλυψη µε τρεις δορυφόρους που κινούνται σε διαφορετικές τροχιές. Η περίοδος περιστροφής τους είναι περίπου 12 ώρες Έχουν µικρό κόστος εκτόξευσης, αλλά απαιτούν πολύπλοκο σύστηµα ελέγχου και παρακολούθησης από τους σταθµούς ελέγχου. Μάθηµα 4 5
Παράγοντες που καθορίζουν την επιλογή δορυφορικής τροχιάς Η έκταση και το γεωγραφικό πλάτος της περιοχής που πρόκειται να καλυφθεί από το δορυφόρο Η γωνία ανύψωσης του δορυφόρου ως προς τους επίγειους σταθµούς της υπό κάλυψη περιοχής Ο χρόνος µετάδοσης του σήµατος µεταξύ των επίγειων σταθµών Το επίπεδο των παρεµβολών στις ραδιοζεύξεις Η απόδοση του οχήµατος εκτόξευσης ορυφορικές τροχιές LEO και GEO Μάθηµα 4 6
Θέση του δορυφόρου Ουράνια σφαίρα Βορράς ύση Αζιµούθιο Ανύψωση Ανατολή Νότος Ορίζοντας Για την ανίχνευση του δορυφόρου στην ουράνια σφαίρα χρησιµοποιούντα οι γωνίες ανύψωσης και αζιµουθίου (elevation and azimuth angles). H γωνία ανύψωσης είναι η γωνία που σχηµατίζουν οι ευθείες που ενώνουν την κεραία του επίγειου σταθµού µε το δορυφόρο και τον ορίζοντα (η γωνία µετριέται στο επίπεδο που ορίζεται από την κεραία του σταθµού, το δορυφόρο και το κέντρο της γης) Η γωνία αζιµουθίου είναι η γωνία που που µετράµε στο επίπεδο της τοποθεσίας του δορυφορικού σταθµού, µεταξύ του τοπικού µεσηµβρινού επιπέδου και του επιπέδου που ορίζεται από το δορυφόρο και την κατακόρυφο του τόπου Μάθηµα 4 7
Εκτόξευση και τοποθέτηση δορυφόρου σε γεωστατική τροχιά ορυφόρος έτοιµος για λειτουργία Γεωστατική τροχιά 2 ο στάδιο αποχωρισµού φορέα Μικροδιορθώσεις της θέσης και της τροχιάς Προώθηση σε σχεδόν γεωστατική τροχιά Τροχιά στάθµευσης Προώθηση στη τροχιά µεταφοράς 1 ο στάδιο αποχωρισµού φορέα Ανάπτυξη των συστοιχιών ηλιακών κυψελίδων Προσανατολισµός κεραιών και ηλιακών κυψελίδων Μάθηµα 4 8