К параметрам орбиты спутника относится также период обращения Т-время между двумя последовательными прохождениями одной и той же точки орбиты

В рамках задачи Кеплера спутник движется в плоскости орбиты, проходящей через центр Земли. В так называемой абсолютной или звездной системе координат плоскость орбиты неподвижна. Абсолютная система-это декартова система координат с началом в центре Земли, неподвижная относительно звезд. Ось Z нaпpaвлeнa вдоль оси вращения Земли и указывает на север, ось X направлена на точку весеннего равноденствия, в которой находится Солнце 21 марта в 0 ч по всемирному времени, а ось Y перпендикулярна осям X и Z

Рис. 3. Элементы орбиты носителя съемочной аппаратуры

Выделяют два вида орбит: по отношению к Солнцу – cолнечно-синхронные и к Земле – геостационарную.

Орбиты подразделяют по величине наклона, направлению, периоду вращения и высотам полета космического летательного аппарата. Орбиты с перигеем 500 км, апогеем 71000 км и периодом обращения 24 часа называют геосинхронными.

По значению наклона орбиты подразделяют на: экваториальные, наклонные и полюсные (или полярные)

Экваториальная орбита, величина угла наклона орбиты (i=0°) космический летательный аппарат пролетает над экватором, и если высота аппарата над поверхностью Земли постоянна и равна Н=35786 км, то период обращения КЛА и период обращения Земли совпадут.

При угле наклона орбиты (i=180°), то КЛА вращается в противоположном направлении

КЛА, перемещаясь по орбите в направлении, совпадающем с направлением вращения Земли, будет как бы висеть над поверхностью Земли, находясь все время над одной и той же точкой планеты эта орбита называется геостационарной.

Орбиты наклонные, делятся на прямые и обратные, их траектория проектируется на поверхность Земли в пределах широт -i< φ < i. Прямой спутник движется с запада на восток, его орбита имеет наклонение 0<i<90°, обратные спутники движутся с востока на запад, наклонение орбиты находится в пределах 90° <i<180°.

а) б) в)

Рис. 4. а - общий случай орбиты спутника с наклонением 0° < "i" < 90°., б)- экваториальная орбит, в) - полярная орбита

Орбиты, проходящие над Северным и Южным полюсами Земли, и располагающие перпендикулярно экватору называют полярными ( полюсными ). Полярные КЛА (i=90°), субполярные (i~90°)) могут наблюдаться в любой точке земной поверхности. Вследствие вращения Земли проекция траектории полюсного КЛА на поверхность планеты при каждом новом обороте перемещается к западу. На данной орбите работает сеть спутниковой телефонии, наклонение 86,4 градусов и высота 780 км.

Орбиты спутников из-за гравитационного возмущения со стороны других планет, давления солнечного излучения, несферической формы Земли, ее магнитного поля и атмосферы заметно меняются во времени. Поэтому в ходе эксплуатации спутника регулярно проводятся траекторные измерения, и при необходимости его орбита корректируется.

Высота орбиты- это расстояние от спутника до поверхности Земли. Высота орбиты существенно влияет на результаты ДЗЗ. От нее зависят такие характеристики изображения, как полоса обзора и пространственное разрешение. Чем выше спутник находится над поверхностью Земли, тем больше потенциальная полоса обзора и тем ниже пространственное разрешение.

По высотам полета КЛА делятся до 500 км, от 500 до 2000 км, от 36000 до 40000 км. На высоты до 500 км – околоземные орбиты, запускают космические корабли, орбитальные станции и другие КЛА, обеспечивающие возможность детальной съемки в течение относительно короткого времени. До 2000 км от Земли- орбиты искусственных спутников Земли, запускают метеорологические, геодезические, астрономические спутники и другие ИСЗ.

На больших высотах от 36000 до 40000 км – орбиты геостационарных спутников, предназначенные для целей связи, для прослеживания земной поверхности и облачных образований.

Пилотируемые полеты совершаются не выше 600 км, т. к., радиационные пояса, окружающие нашу планету создают опасность для жизни космонавтов. Максимальная интенсивность облучения достигается на высоте около 3000 км.

Самые высокие околоземные орбиты, околосолнечные, лежат на высоте 1,5 миллиона км.

На низкоорбитальных орбитах проходят правительственные и коммерческие системы спутников связи. Для военных спутников-разведчиков высота примерно 150 км (низкоорбитальная) разрешение съемки 10-30 см. Среднеорбитальными ИСЗ обычно считаются спутники с высотами от 2000 км до 35786 км (рис. 5).

Рис. 5. Низкоорбитальные ИСЗ (а) и среднеорбитальные ИСЗ (б).

Для глобальной системы связи на геостационарных орбитах достаточно трех спутников, на орбитах средней высоты (5000-15 000 км) требуется уже от 8 до 12 космических аппаратов, для высот 500-2000 км нужно более 50 спутников.

Если наклонение "i" орбиты равно нулю, то такие орбиты геостационарные (рис. 6,а), не равно нулю, то такие ИСЗ называются геосинхронными (положение относительно Земли рис. 6, б), солнечно-синхронные орбиты (гелиосинхронные) имеют постоянную ориентацию относительно Солнца.

Ценность солнечно-синхронных орбит состоит в том, что, двигаясь по ней, спутники пролетает над земными объектами всегда в одно и то же время суток, что важно для проведения космической съемки.

Рис. 6. Геостационарный (а) и геосинхронный (б) ИСЗ.

Благодаря близости к полярным орбитам с них можно следить за всей земной поверхностью, что важно для метеорологических, картографических и разведывательных спутников, которые называют спутниками дистанционного зондирования Земли.

Гражданские спутники дистанционного зондирования Земли обычно работают на высотах 500-600 км с разрешением съемки 1 м.

При глобальном метеорологическом мониторинге спутники обычно размещают на геостационарной или высокой солнечно-синхронной, а при региональном – на орбите сравнительно-небольшой высоты (500-1000 км) с наклонением, позволяющим регулярно проводить съемку выбранного района.

Так с геостационарной орбиты можно обозревать значительную часть земной поверхности, ее «заселяют» не только аппараты связи и метеоспутники, но и системы предупреждения о ракетном нападении. Согласно международной конвенции по мирному использованию космического пространства при ООН, и требованиям международного радиочастотного комитета, во избежание радиопомех, угловое расстояние между геостационарными спутниками не должно быть менее 0.5°. Теоретически количество cпутников, находящихся на безопасном расстоянии на геостационарных орбитах, должно быть не более 720 штук. В последнее десятилетие это расстояние между ГСС не выдерживается.

Параметры орбиты для спутниковых навигационных систем:

ГЛОНАСС – 19 100 км с наклонением около 64 градус (рис. 7);

Рис. 7 Группировка спутников ГЛОНАСС

GPS (США), Galileo (Европа), Бэйдоу (Китай) – спутниковые группировки располагаются на круговых орбитах высотой 20 000- 23 500 км с наклонением 55-56 градусов.

Рис.8. Группировка спутников GPS

Спутник, движущийся в земной атмосфере, испытывает аэродинамическое торможение, зависящее от плотности атмосферы на высоте Полета, от скорости спутника, площади его поперечного сечения и массы. Возмущение орбиты за счет аэродинамического торможения содержит регулярную и нерегулярную составляющие. К регулярным возмущениям приводит суточный эффект (ночью, т.е. в конусе земной тени, Плотность атмосферы на данной высоте меньше, чем днем). Движение воздушных масс, влияние потоков заряженных частиц, выбрасываемых солнцем, приводят к нерегулярным возмущениям. Для природоведческих спутников сопротивление атмосферы играет заметную роль только при низких орбитах; при высоте перигея более 500-600 км возмущающее ускорение от неравномерности распределения масс превышает на два порядка и более ускорение от торможения в атмосфере.

При высоте перигея от 500-600 до нескольких тысяч километров к основному возмущающему фактору добавляется давление солнечного света (вместо сопротивления атмосферы). Влияние этого давления проявляется в дополнительных малых периодических возмущениях элементов орбиты. Если же спутник движется так, что регулярно попадает в конус земной тени, то имеют место также и небольшие постоянные изменения элементов. Но ускорение за счет давления света на несколько порядков меньше возмущающего ускорения за счет основного фактора. Еще слабее влияние притяжения Луны и Солнца

Форма Земли – это геоид, полярный радиус которого R_П = 6356,8 км, а экваториальный - R_Э = 6378,2 км, т.е. экваториальный радиус больше полярного на 21,4 км. Из-за несферичности Земли, плоскость орбиты медленно поворачивается вокруг земной оси в направлении, противоположном вращению ИСЗ (рис. 9).

Рис. 9. Прецессия орбиты ИСЗ

Этот процесс называется абсолютной прецессией. За счёт прецессии орбита спутника может смещаться с угловой скоростью до 9°/сутки, а за счёт поворота эллиптической орбиты - до 15°/сутки. Величина абсолютной прецессии, зависящая от наклонения орбиты, высоты полета, радиуса Земли за сутки составляет [Новаковский]

Солнечная прецессия возникает в связи с тем, что за одни звездные сутки, равные 23^h53^m, Земля поворачивается вокруг своей оси на 360° + 0,9856°.

Cкорость космических летательных аппаратов.

Для искусственного спутника Земли, движущегося у самой поверхности Земли, т.е. когда высота точки орбиты H =0, а любое расстояние r от центра Земли, равно среднему радиусу Земли, r _о = 6371 км, круговая скорость будет равна 7,91 км/с.

В связи с влиянием на движение КЛА сопротивления атмосферы круговая орбита вблизи Земли неосуществима.

Скорость КЛА на высоте 200 км над Землей, равная 7,79 км/с т.е. минимальная скорость аппарата движущееся горизонтально над поверхностью планеты по круговой орбите и необходимая для выведения его на геоцентрическую орбиту называется первой космической скоростью (кругова́я ско́рость). Данную скорость берут для расчета интервала фотографирования при выполнении космических съемок, определения геометрического сдвига изображения и др.

Втора́я косми́ческая ско́рость (параболи́ческая ско́рость, ско́рость освобожде́ния, ско́рость убега́ния) — минимальная скорость, которую необходимо придать космическому аппарату, масса которого пренебрежимо мала по сравнению с массой небесного тела (например, планеты), для преодоления гравитационного притяжения этого небесного тела и покидания замкнутой орбиты вокруг него.

Вторая космическая скорость своя для каждого небесного тела (для каждой планеты) и является его характеристикой. Для Земли вторая космическая скорость равна 11,2 км/с. Тело, имеющее около Земли такую скорость, покидает окрестности Земли и становится спутником Солнца. Для Солнца вторая космическая скорость составляет 617,7 км/с.

Минимальная скорость, которую необходимо придать находящемуся вблизи поверхности Земли телу, для преодоления гравитационного притяжение Земли и Солнца и уйти за пределы Солнечной системы называют тре́тьей косми́ческой ско́ростью.

Минимально необходимая скорость тела, позволяющая преодолеть притяжение галактики в данной точке называется четвёртой косми́ческой ско́ростью.