Геостационарные спутники

Это фото ночного неба, сделанное с длительной выдержкой на зеркальную камеру и небольшой телескоп, установленный на неподвижный штатив. Из-за вращения Земли звезды растянулись в треки, а геостационарные спутники остались точками благодаря особенностям своей орбиты. На фото попали российские спутники связи Экспресс АМ5 и Экспресс-АТ2, спутник Амос-7 (см. AsiaSat 8), арендованный израильским оператором связи у гонконгской компании AsiaSat, и японский метеоспутник Химавари-8.

Видимые на фотографии геостационарные спутники. Фото Марии Сырцовой

Геостационарные спутники запускаются на геостационарную орбиту (или геосинхронную экваториальную орбиту) — круговую орбиту, пролегающую над экватором на высоте около 36 000 км. Спутники на ней движутся со скоростью вращения Земли (23 часа 56 минут 4,091 секунды). Благодаря этому они находятся над одним и тем же местом и остаются неподвижной точкой для земного наблюдателя. В Северном полушарии геостационары видны над южным горизонтом. Чем выше градус северной широты, тем они будут ниже. Визуально их сложно отличить от обычных звезд, но на фотографиях, сделанных с длинной выдержкой, они сразу выделяются среди «поехавших» звезд. Определить, какие объекты видны на небе, удобно, например, с помощью программы Stellarium.

Программа Stellarium — хороший помощник в наблюдении далекого космоса и околоземных космических объектов. На изображении хорошо просматривается сплошная полоса из спутников на геостационарной орбите (серого цвета)

Идеи о геостационарной орбите высказывали еще Константин Циолковский и словенский теоретик космонавтики Герман Поточник. Циолковский в повести 1895 года «Грезы о земле и небе и эффекты всемирного тяготения» описал космический лифт — башню, стоящую на экваторе и доставляющую людей фактически на геостационарную орбиту. А Поточник в 1928 году рассчитал параметры орбиты, на которой период вращения небесного тела вокруг Земли составлял 24 часа.

Но настоящую популярность идее геостационарной орбиты придал писатель-фантаст, ученый и изобретатель Артур Кларк, описав ее характеристики и возможности применения в своей статье 1945 года «Внеземные ретрансляторы: Могут ли ракетные станции обеспечить всемирное радиопокрытие?» (Extra-terrestial relays: Can rocket stations give world-wide radio coverage?). За 12 лет до запуска первого искусственного спутника Земли (см. статью Ненастоящие спутники) Артур Кларк обосновал возможность размещения как минимум трех космических станций с ретрансляторами радиосигнала на геостационарной орбите. В западных странах геостационарную орбиту иногда называют «орбитой Кларка».

Рисунок Кларка из статьи Extra-terrestial relays: Can rocket stations give world-wide radio coverage?

Освоение геостационарной орбиты началось в 1964 году, когда NASA успешно запустило и вывело на геостационарную орбиту спутник Syncom 3. Его первый прототип Syncom 1 не был выведен на орбиту из-за сбоев в электронике, следующий — Syncom 2 — был гораздо успешнее и показал возможности спутниковой связи: NASA тестировало спутниковую передачу голосовых сообщений, факсимильную связь и телетайп. Многие тесты были проведены публично для демонстрации возможностей. Аппарат Syncom 2 был запущен 26 июля 1963 года, а уже в августе президент США Джон Ф. Кеннеди позвонил из Вашингтона премьер-министру Нигерии Абубакару Тафаве Балеве (Abubakar Tafawa Balewa), находящемуся на борту судна USNS Kingsport, пришвартованного в гавани Лагоса. Это был первый телефонный разговор по спутниковой связи между главами государств. Также проводилась первая спутниковая ретрансляция телевизионных передач из штата Нью-Джерси в штат Мэн. Видео было еще очень низкого качества и без звука.

Спутник Syncom 2. Фото с сайта nssdc.gsfc.nasa.gov

Технически Syncom 2 находился на геосинхронной орбите. Он вращался синхронно с Землей, но наклон его оси составлял 33° и он выписывал на небе вытянутую восьмерку.

Схема, демонстрирующая различия геостационарной и геосинхронной орбит. Геостационарная пролегает строго над экватором. Изображение с сайта gisgeography.com

Так что уже Syncom 3 стал первым спутником именно на геостационарной орбите. Он использовался в различных тестах связи, имел широкополосный канал и использовался для трансляции XVII летних Олимпийских игр 1964 года в Токио на территории США. В конце 1964 года NASA завершили эксперименты и передали спутники Syncom 2 и Syncom 3 Министерству обороны.

Спутник Syncom 3 и его разработчики Дональд Уильямс (слева), Томас Хадспет (в центре) и Хэролд Розен. Фото с сайта latimes.com

Сегодня на геостационарной орбите находятся более 500 спутников с разными назначениями — телекоммуникационные, навигационные, метеорологические, военные, научные. Привлекательность именно геостационарной орбиты для спутников связи состоит в том, что спутник постоянно находится над одной территорией, что позволяет принимать сигналы наземной станцией, единожды настроенной в сторону такого спутника, и нет необходимости постоянного слежения. Например, свою спутниковую тарелку мы настраиваем один раз и нам не требуется ее регулировать в течение дня. Метеорологическим и исследовательским спутникам такое расположение позволяет постоянно мониторить один и тот же участок поверхности Земли, что важно для прогнозирования погоды, отслеживания штормов, экологических и других исследований.

Снимки снежной бури над Восточным побережьем США в январе 2011 года, сделанные в видимом (слева) и инфракрасном (в центре) диапазоне, а также изображение водяного пара в инфракрасном диапазоне (справа). Снимки сняты спутником GOES (Geostationary Operational Environmental Satellite — «Геостационарный эксплуатационный спутник наблюдения за окружающей средой»). Фото с сайта public.wmo.int

Однако у использования геостационарной орбиты есть и недостатки. Находящиеся на ней спутники не видны в высоких широтах начиная примерно с 81° (но самом деле не видны уже с 75°, так как находятся очень низко над горизонтом и скрыты за рельефом). Из-за большой высоты данной орбиты задержка сигнала может составлять 2–4 секунды. И третий недостаток — солнечная засветка, или солнечная интерференция: передача сигнала портится или даже становится невозможной, когда приемная спутниковая антенна, спутник на орбите и Солнце находятся на одной прямой. Это происходит, когда Солнце пересекает плоскость экватора, и случается в районе весеннего и осеннего равноденствий. может длиться от одной до десяти минут.

Схематичное изображение солнечной интерференции. Рисунок с сайта oreol.tv

Находясь на орбите, спутник испытывает влияние некоторых возмущений, таких как солнечная и лунная гравитация, неоднородность гравитационного поля Земли, из-за чего смещается со своей первоначальной позиции, и его орбита нуждается в регулярной корректировке. Для удержания в нужном положении и корректировки орбиты спутники оснащены электроракетными, химическими и плазменными двигательными установками.

Геостационарные спутники не слишком долговечны: их срок службы составляет всего 10–15 лет. Кроме поломки, окончание топлива — главный фактор, ограничивающий срок работоспособности. Заканчивающие свою работу аппараты с геостационарной орбиты переводят на орбиту захоронения, которая находится на 200–300 км выше. Но это получается только в том случае, если не происходит преждевременный отказ спутника. Брошенные и нерабочие спутники занимают место на орбите и увеличивают вероятность столкновений с другими аппаратами, становясь космическим мусором (карту действующих спутников и космического мусора можно найти здесь).

Фото Марии Сырцовой, Московская область, 13–14 мая 2023 года.

Мария Сырцова