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지구동기궤도

Geosynchronous orbit
지구 주위를 돌고 있는 지구 동기 위성을 보여주는 애니메이션(스케일링이 아닌 것)

지구동기궤도(Geosynchronous orbit, 때때로 줄여서 GSO)는 지구 중심의 궤도로, 지구의 자전 주기와 일치하는 궤도 주기를 축으로 23시간 56분 4초(한쪽 실제 하루)로 합니다. 회전과 궤도 주기의 동기화는 지구 표면의 관찰자에게, 지구 동시 궤도에 있는 물체가 하루 동안의 한 변의 시간 후에 하늘의 정확히 같은 위치로 돌아온다는 것을 의미합니다. 일반적으로 그림 8과 같은 형태로 하루 동안 하늘에서 물체의 위치는 정지해 있거나 경로를 추적할 수 있으며, 이들의 정확한 특성은 궤도의 기울기와 이심률에 따라 달라집니다. 원형 지구동기 궤도는 35,786 km (22,236 mi)의 일정한 고도를 가지고 있습니다.[1]

지구동기궤도의 특별한 경우는 지구 적도면에서 경사와 이심률이 모두 0인 원형 지구동기궤도인 정지궤도(GEO)입니다. 정지 궤도에 있는 위성은 하늘에서 표면의 관찰자들과 같은 위치에 있습니다.[1]

통신위성은 자신과 통신하는 위성 안테나가 움직이지 않고 위성이 나타나는 하늘의 고정된 위치를 영구적으로 가리킬 수 있도록 정지궤도나 정지궤도에 가까운 궤도를 부여하는 경우가 많습니다.[1]

역사

지구 동기 궤도는 공상과학 소설 작가 아서 C에 의해 대중화되었습니다. 클라크, 그래서 때때로 클라크 궤도라고 불립니다.

1929년에 헤르만 포토닉은 일반적으로 지구 동기 궤도와 특히 정지 지구 궤도의 특별한 경우를 모두 우주 정거장에 유용한 궤도라고 설명했습니다.[2] 대중적인 문헌에 지구 동기 궤도가 처음 등장한 것은 1942년 10월 조지 오의 첫 번째 금성 적도 이야기에서였습니다. 스미스,[3] 하지만 스미스는 자세한 내용은 말하지 않았습니다. 영국의 SF작가 아서 C. 클라크는 1945년 Wireless World 잡지에 발표된 "지상파 외 릴레이 – 로켓 스테이션은 전 세계적인 라디오 커버리지를 제공할 수 있습니까?"라는 제목의 논문에서 이 개념을 대중화하고 확장했습니다. Clarke는 The Complete Venus Equalial에 대한 그의 소개에서 그 연관성을 인정했습니다.[4][5] 클라크가 방송 및 중계 통신 위성에 유용하다고 처음 설명한 [5]이 궤도는 때때로 클라크 궤도라고 불립니다.[6] 마찬가지로, 이 궤도에 있는 인공 위성들의 집합체는 클라크 벨트라고 알려져 있습니다.[7]

Syncom 2 : 최초의 기능적 지구동기위성

기술 용어에서, 지구 동기 궤도는 대략 적도 위에 있는 경우 종종 정지 궤도라고 불리지만, 용어는 다소 상호 교환적으로 사용됩니다.[8][9] 구체적으로, 지구 동기 궤도(GEO)는 지구 동기 적도 궤도 [10]또는 정지 지구 궤도의 동의어일 수 있습니다.[11]

최초의 지구 동기 위성은 1959년 Hughes Aircraft에서 일하는 동안 Harold Rosen에 의해 설계되었습니다. 스푸트니크 1호에서 영감을 받아, 그는 통신을 세계화하기 위해 정지궤도 위성을 사용하기를 원했습니다. 그 후 미국과 유럽 사이의 통신은 한 번에 136명의 사람들 사이에서 가능했고, 고주파 라디오와 해저 케이블에 의존했습니다.[12]

위성을 지구 동기 궤도에 올려놓으려면 로켓 동력이 너무 많이 필요하고 비용을 정당화할 만큼 오래 살아남지 못한다는 것이 당시 통념이었기 [13]때문에 지구 저궤도 또는 중간궤도에 있는 위성의 별자리에 초기 노력을 기울였습니다.[14] 이 중 첫 번째는 1960년 수동형 에코 풍선 위성이었고, 1962년 텔스타 1호가 그 뒤를 이었습니다.[15] 이 프로젝트들은 신호 세기와 지구 동기 위성을 통해 해결할 수 있는 추적에 어려움이 있었지만, 그 개념은 비현실적으로 보여 휴즈는 종종 자금과 지원을 보류했습니다.[14][12]

1961년 로젠과 그의 팀은 지름 76cm, 높이 38cm, 무게 11.3kg, 무게 25파운드의 원통형 원형을 제작했습니다. 이 원형은 가볍고 작아서 당시 사용 가능한 로켓에 의해 궤도에 올려질 수 있을 정도로 작았으며 회전 안정화되어 팬케이크 모양의 파형을 만드는 다이폴 안테나를 사용했습니다. [16] 1961년 8월, 그들은 작동하는 위성을 만들기 시작하기로 계약되었습니다.[12] 그들은 전자 기기 고장으로 Syncom 1을 잃었지만, Syncom 2는 1963년 지구 동기 궤도에 성공적으로 올려졌습니다. 기울어진 궤도에는 여전히 움직이는 안테나가 필요했지만 TV 전송을 중계할 수 있었고 존 F 미국 대통령도 가능했습니다. 케네디는 1963년 8월 23일 배에서 나이지리아 총리 아부바카르 타파와 베일와에게 전화를 걸었습니다.[14][17]

오늘날 원격 감지, 항법 및 통신을 제공하는 수백 개의 지구 동기 위성이 있습니다.[12][1]

지구상의 대부분의 인구가 거주하는 육상 지역은 현재 대기 시간과 대역폭의 이점이 있는 지상 통신 시설(마이크로웨이브, 광섬유)을 보유하고 있으며, 2018년 기준으로 인구의 96%를 차지하는 전화 접속과 인터넷 접속의 90%를 차지하고 있습니다.[18] 선진국의 일부 시골과 외딴 지역은 여전히 위성 통신에 의존하고 있습니다.[19][20]

종류들

정지 궤도

주 기사: 정지 궤도
정지 위성(녹색)은 항상 적도의 같은 표시된 지점(갈색) 위에 남아 있습니다.

정지적 적도 궤도(GEO)는 지구 적도의 평면에 있는 원형의 지구 동기 궤도로, 지구 중심에서 측정하면 약 42,164 km (26,199 mi)의 반경을 가지고 있습니다.[21]: 156 이러한 궤도에 있는 위성은 평균 해수면보다 약 35,786 km (22,236 mi) 높은 고도에 있습니다. 그것은 지구 표면에 대해 같은 위치를 유지합니다. 정지 궤도에 있는 위성을 볼 수 있다면, 그것은 하늘의 같은 지점에서 맴도는 것처럼 보일 것입니다. 즉, 태양, 달, 그리고 별들은 그 뒤의 하늘을 가로지를 것입니다. 이러한 궤도는 통신 위성에 유용합니다.[22]

완벽하게 안정된 정지 궤도는 근사적으로만 알 수 있는 이상적인 것입니다. 실제로 위성은 태양풍, 복사압, 지구 중력장의 변화, 달과 태양의 중력 효과와 같은 섭동으로 인해 이 궤도를 벗어나며, 추력기는 스테이션 키핑(station-keeping)으로 알려진 과정에서 궤도를 유지하는 데 사용됩니다.[21]: 156

결국 추력기를 사용하지 않으면 궤도가 기울어져 55년마다 0°에서 15° 사이로 진동하게 됩니다. 위성 수명이 다하면 연료가 고갈될 때 위성 운영자는 기울기를 수정하고 편심만 제어하기 위해 이러한 값비싼 기동을 생략하기로 결정할 수 있습니다. 이것은 시간이 지남에 따라 연료를 덜 소비하기 때문에 위성의 수명을 연장시키지만, 그러면 N-S 움직임을 따라갈 수 있는 접지 안테나만 위성을 사용할 수 있습니다.[21]: 156

정지 위성은 또한 75°와 255°의 안정적인 경도 두 곳 중 한 곳을 떠다니는 경향이 있습니다.[21]: 157

타원형 및 경사형 지구동기궤도

준제니스 위성 궤도

지구 동기 궤도의 많은 물체는 편심 및/또는 경사 궤도를 가지고 있습니다. 편심은 궤도를 타원형으로 만들고 지상국의 관점에서 하늘에서 E-W를 진동시키는 것처럼 보이지만 경사는 적도에 비해 궤도를 기울이며 지상국에서 N-S를 진동시키는 것처럼 보입니다. 이러한 효과가 결합하여 하나의 영역을 형성합니다(그림-8).[21]: 122

타원 궤도/편심 궤도에 있는 위성은 조종 가능한 지상국에 의해 추적되어야 합니다.[21]: 122

툰드라 궤도

주 기사: 툰드라 궤도

툰드라 궤도는 편심 지구 동기 궤도로, 위성은 대부분의 시간을 위도가 높은 한 곳에 머물게 해줍니다. 63.4°의 경사도에 위치하며, 이는 얼어붙은 궤도이므로 정거장 유지의 필요성이 줄어듭니다.[23] 지역에 대한 지속적인 커버리지를 제공하려면 최소 2개의 위성이 필요합니다.[24] Sirius XM Satellite Radio는 미국 북부와 캐나다의 신호 강도를 향상시키기 위해 사용했습니다.[25]

준제니스 궤도

QZSS(Quasi-Zenith Satellite System)는 경사 42°, 이심률 0.075의 지구 동기 궤도에서 작동하는 4개 위성 시스템입니다.[26] 각각의 위성은 일본에 거주하고 있어, 신호가 도시 협곡의 수신기에 도달한 다음 호주 상공을 빠르게 통과할 수 있습니다.[27]

시작하다

참고 항목: 정지 이동 궤도
정지 전이 궤도(GTO)에서 지구 동기 궤도(GSO)로의 전환의 예:
EchoStar XVII· Earth.

지구 동기 위성은 동쪽으로 적도의 자전 속도와 일치하는 진행 궤도로 발사됩니다. 위성을 발사할 수 있는 가장 작은 기울기는 발사 장소의 위도이므로 적도 근처에서 위성을 발사하면 나중에 필요한 기울기 변화량이 제한됩니다.[28] 또한 적도 부근에서 발사하면 지구의 자전 속도가 빨라져 위성에 힘을 실어줍니다. 발사장에는 동쪽으로 물이나 사막이 있어야 하므로 실패한 로켓이 사람이 사는 지역에 떨어지지 않습니다.[29]

대부분의 발사체는 지구 동기 위성을 직접 지구 동기 전송 궤도(GTO), 즉 GSO 높이에 위치하고 주변이 낮은 타원 궤도에 배치합니다. 그런 다음 탑재 위성 추진을 사용하여 주변을 상승시키고 순환시켜 GSO에 도달합니다.[28][30]

일단 생존 가능한 정지 궤도에 진입하면 우주선은 새로운 주기가 하루보다 짧거나 길도록 반 장축을 조정하여 각각 동쪽 또는 서쪽으로 "드리프트"되는 것을 효과적으로 볼 수 있습니다. 원하는 경도에 도달하면 우주선의 주기가 지구 동기로 복원됩니다.[31]

제안 궤도

상태 제안

스타이트는 태양 돛에 대한 태양의 복사 압력을 사용하여 궤도를 수정하는 가상의 위성입니다.[32]

이 행성은 지구의 어두운 면 위에서 위도 약 30도의 위치를 유지할 것입니다. 그것은 지구에 있는 시청자의 관점에서 볼 때 24시간마다 하늘의 같은 지점으로 되돌아갈 것이므로 기능적으로 지구 동기 궤도와 유사합니다.[32][33]

우주 엘리베이터

지구 동기 궤도의 또 다른 형태는 이론적인 우주 엘리베이터입니다. 한쪽 끝이 지면에 부착되어 있을 때 정지 벨트 아래의 고도의 경우, 엘리베이터는 중력 단독보다 짧은 궤도 주기를 유지합니다.[34]

퇴역한 위성

Earth from space, surrounded by small white dots
컴퓨터로 생성된 우주 파편의 이미지입니다. 지구 동기 우주 주변과 지구 저궤도 두 개의 잔해장이 표시됩니다.

지구 동기 위성은 위치를 유지하기 위해 약간의 정거장 유지가 필요하며, 일단 추진 연료가 다 떨어져 더 이상 쓸모가 없어지면 더 높은 묘지 궤도로 이동합니다. 궤도를 약간 높이는 것보다 훨씬 더 많은 연료가 필요하고 대기 항력은 무시할 수 있어 GSO의 수명이 수천 년이기 때문에 지구 동기 위성의 궤도 이탈은 실현 가능하지 않습니다.[35]

은퇴 과정은 점점 더 규제되고 있으며 위성은 수명이 다하면 정지 벨트 위에서 200km 이상 이동할 확률이 90%에 달해야 합니다.[36]

우주 파편

주 기사: 우주 파편 § 특성화

대부분의 GSO 위성이 동일한 평면, 고도 및 속도로 궤도를 돌기 때문에 지구 동기 궤도의 우주 파편은 일반적으로 LEO보다 충돌 속도가 낮지만 편심 궤도에 위성이 있으면 최대 4km/s의 속도로 충돌할 수 있습니다. 충돌 가능성은 상대적으로 낮지만 GSO 위성은 파편을 피할 수 있는 능력이 제한적입니다.[37]

지름 10cm 미만의 잔해는 지구에서 볼 수 없어 유병률을 평가하기 어렵습니다.[38]

위험을 줄이기 위한 노력에도 불구하고 우주선 충돌이 발생했습니다. 유럽우주국 통신위성 올림푸스-1호는 1993년 8월 11일 유성체에 부딪혀 결국 묘지 궤도로 이동했고,[39] 2006년에는 러시아 익스프레스-AM11 통신위성이 미지의 물체에 부딪혀 작동 불능 상태가 됐습니다.[40] 비록 그것의 기술자들이 위성을 묘지 궤도로 보내기에 충분한 접촉 시간을 가졌지만. 2017년 AMC-9와 텔콤-1은 원인을 알 수 없는 상태에서 분리되었습니다.[41][38][42]

특성.

지구 밖 관측자(ECI)의 관점과 지구 주위를 회전하는 관측자(ECEF)의 관점에서 볼 때, 경사면에서의 지구 동기 위성의 궤도.

지구 동기 궤도는 다음과 같은 특성을 갖습니다.

기간

모든 지구 동기 궤도는 정확히 하루 한 변과 같은 궤도 주기를 가지고 있습니다.[43] 이는 위성이 다른 궤도 특성에 관계없이 매일 지구 표면 위의 같은 지점으로 되돌아간다는 것을 의미합니다.[44][21]: 121 이 궤도 주기 T는 다음 공식을 통해 궤도의 반장축과 직접적인 관련이 있습니다.

위치:

a는 궤도의 반 장축의 길이입니다.
는 중심체의[21]: 137 표준 중력 파라미터입니다.

성향

지구 동기 궤도는 어떤 기울기도 가질 수 있습니다.

위성은 일반적으로 0의 기울기를 가지므로 궤도가 항상 적도 위에 유지되고 지상 관측자의 관점에서 (그리고 ECEF 기준 프레임에서) 위도에 대해 정지 상태를 유지합니다.[21]: 122

툰드라 궤도의 63.4°는 시간이 지남에 따라 궤도의 경계에 대한 논쟁이 변하지 않도록 보장하는 또 다른 인기 있는 경사입니다.[23]

지상궤도

정지 궤도의 특수한 경우, 위성의 지상 궤도는 적도의 한 점입니다. 기울기나 이심률이 0이 아닌 지동시 궤도의 일반적인 경우, 지상 궤도는 다소 왜곡된 8자 형태로 하루에 한 번씩 같은 장소로 되돌아갑니다.[21]: 122

참고 항목

참고문헌

  1. ^ a b c d Howell, Elizabeth. "What Is a Geosynchronous Orbit?". Space.com. Retrieved July 15, 2022.
  2. ^ Noordung, Hermann (1929). Das Problem der Befahrung des Weltraums: Der Raketen-Motor (PDF). Berlin: Richard Carl Schmidt & Co. pp. 98–100.
  3. ^ "(코르부스의 메시지가 전송됩니다) 노던 랜딩 외곽에 있는 작고 쪼그려 앉은 건물로. 그것은 하늘을 향해 던져졌습니다. 노스랜딩시 상공 500마일 밖에 안 되는 우주정거장에 도착했을 때, 그것은 지치고 닳아서 중계소에 도착했습니다."
  4. ^ "그러므로 이런 이야기들이 무의식적으로 저에게 영향을 미쳤을 가능성이 높습니다. 동기통신 위성의 원리를 알아냈습니다...",
  5. ^ a b Clarke, Arthur C. (October 1945). "Extra-Terrestrial Relays – Can Rocket Stations Give Worldwide Radio Coverage?" (PDF). Wireless World. pp. 305–308. Archived from the original (PDF) on March 18, 2009. Retrieved March 4, 2009.
  6. ^ Phillips Davis (ed.). "Basics of Space Flight Section 1 Part 5, Geostationary Orbits". NASA. Retrieved August 25, 2019.
  7. ^ Mills, Mike (August 3, 1997). "Orbit Wars: Arthur C. Clarke and the Global Communications Satellite". The Washington Post Magazine. pp. 12–13. Retrieved August 25, 2019.
  8. ^ Kidder, S.Q. (2015). "Satellites and satellite remote senssing:[vague] --> Orbits". In North, Gerald; Pyla, John; Zhang, Fuqing (eds.). Encyclopedia of Atmospheric Sciences (2 ed.). Elsiver. pp. 95–106. doi:10.1016/B978-0-12-382225-3.00362-5. ISBN 978-0-12-382225-3.
  9. ^ Brown, C. D. (1998). Spacecraft Mission Design (2nd ed.). AIAA Education Series. p. 81. ISBN 978-1-60086-115-4.
  10. ^ "Ariane 5 User's Manual Issue 5 Revision 1" (PDF). Ariane Space. July 2011. Archived from the original (PDF) on October 4, 2013. Retrieved July 28, 2013.
  11. ^ "What is orbit?". NASA. October 25, 2001. Archived from the original on April 6, 2013. Retrieved March 10, 2013. Satellites that seem to be attached to some location on Earth are in Geosynchronous Earth Orbit (GEO)...Satellites headed for GEO first go to an elliptical orbit with an apogee about 23,000 miles. Firing the rocket engines at apogee then makes the orbit round. Geosynchronous orbits are also called geostationary.
  12. ^ a b c d McClintock, Jack (November 9, 2003). "Communications: Harold Rosen – The Seer of Geostationary Satellites". Discover Magazine. Retrieved August 25, 2019.
  13. ^ Perkins, Robert (January 31, 2017). Harold Rosen, 1926–2017. Caltech. Retrieved August 25, 2019.
  14. ^ a b c Vartabedian, Ralph (July 26, 2013). "How a satellite called Syncom changed the world". Los Angeles Times. Retrieved August 25, 2019.
  15. ^ Glover, Daniel R. (1997). "Chapter 6: NASA Experimental Communications Satellites, 1958-1995". In Andrew J Butrica (ed.). Beyond The Ionosphere: Fifty Years of Satellite Communication. NASA. Bibcode:1997bify.book.....B.
  16. ^ David R. Williams (ed.). "Syncom 2". NASA. Retrieved September 29, 2019.
  17. ^ "World's First Geosynchronous Satellite Launched". History Channel. Foxtel. June 19, 2016. Archived from the original on December 7, 2019. Retrieved August 25, 2019.
  18. ^ "ITU releases 2018 global and regional ICT estimates". International Telecommunication Union. December 7, 2018. Retrieved August 25, 2019.
  19. ^ Thompson, Geoff (April 24, 2019). "Australia was promised superfast broadband with the NBN. This is what we got". ABC. Retrieved August 25, 2019.
  20. ^ Tibken, Shara (October 22, 2018). "In farm country, forget broadband. You might not have internet at all. 5G is around the corner, yet pockets of America still can't get basic internet access". CNET. Retrieved August 25, 2019.
  21. ^ a b c d e f g h i j k Wertz, James Richard; Larson, Wiley J. (1999). Larson, Wiley J.; Wertz, James R. (eds.). Space Mission Analysis and Design. Microcosm Press and Kluwer Academic Publishers. Bibcode:1999smad.book.....W. ISBN 978-1-881883-10-4.
  22. ^ "Orbits". ESA. October 4, 2018. Retrieved October 1, 2019.
  23. ^ a b Maral, Gerard; Bousquet, Michel (August 24, 2011). "2.2.1.2 Tundra Orbits". Satellite Communications Systems: Systems, Techniques and Technology. John Wiley & Sons. ISBN 978-1-119-96509-1.
  24. ^ Jenkin, A.B.; McVey, J.P.; Wilson, J.R.; Sorge, M.E. (2017). Tundra Disposal Orbit Study. 7th European Conference on Space Debris. ESA Space Debris Office. Archived from the original on October 2, 2017. Retrieved October 2, 2017.
  25. ^ "Sirius Rising: Proton-M Ready to Launch Digital Radio Satellite Into Orbit". AmericaSpace. October 18, 2013. Archived from the original on June 28, 2017. Retrieved July 8, 2017.
  26. ^ Japan Aerospace Exploration Agency (July 14, 2016), Interface Specifications for QZSS, version 1.7, pp. 7–8, archived from the original on April 6, 2013
  27. ^ "Quasi-Zenith Satellite Orbit (QZO)". Archived from the original on March 9, 2018. Retrieved March 10, 2018.
  28. ^ a b Farber, Nicholas; Aresini, Andrea; Wauthier, Pascal; Francken, Philippe (September 2007). A general approach to the geostationary transfer orbit mission recovery. 20th International Symposium on Space Flight Dynamics. p. 2.
  29. ^ "Launching Satellites". EUMETSAT. Archived from the original on December 21, 2019. Retrieved January 26, 2020.
  30. ^ Davis, Jason (January 17, 2014). "How to get a satellite to geostationary orbit". The Planetary Society. Retrieved October 2, 2019.
  31. ^ "Repositioning geostationary satellites". Satellite Signals. February 22, 2022. Archived from the original on November 27, 2022. Retrieved May 23, 2023.
  32. ^ a b 미국 특허 5183225, 포워드, 로버트 "상태: 1993년 2월 2일 발행된 시각압력과 사용방법을 이용한 우주선"
  33. ^ "Science: Polar 'satellite' could revolutionise communications". New Scientist. No. 1759. March 9, 1991. Retrieved October 2, 2019.
  34. ^ Edwards, Bradley C. (March 1, 2003). "The Space Elevator NIAC Phase II Final Report" (PDF). NASA Institute for Advanced Concepts. p. 26. Archived (PDF) from the original on October 9, 2022.
  35. ^ "Frequently Asked Questions: Orbital Debris". NASA. September 2, 2011. Archived from the original on March 23, 2020. Retrieved February 9, 2020.
  36. ^ EUMETSAT (April 3, 2017). "Where old satellites go to die". phys.org.
  37. ^ Stephens, Marric (December 12, 2017). "Space debris threat to geosynchronous satellites has been drastically underestimated". Physics World.
  38. ^ a b Henry, Caleb (August 30, 2017). "ExoAnalytic video shows Telkom-1 satellite erupting debris". SpaceNews.com.
  39. ^ "N° 40–1993: OLYMPUS: End of mission" (Press release). ESA. August 26, 1993. 40–1993. Archived from the original on October 31, 2022. Retrieved May 23, 2023.
  40. ^ "Notification for Express-AM11 satellite users in connection with the spacecraft failure". Russian Satellite Communications Company. April 19, 2006 – via Spaceref.[영구적 데드링크]
  41. ^ Dunstan, James E. (January 30, 2018). "Do we care about orbital debris at all?". SpaceNews.com.
  42. ^ "AMC 9 Satellite Anomaly associated with Energetic Event & sudden Orbit Change – Spaceflight101". spaceflight101.com. June 20, 2017.
  43. ^ Chobotov, Vladimir, ed. (1996). Orbital Mechanics (2nd ed.). Washington, DC: AIAA Education Series. p. 304. ISBN 9781563471797. OCLC 807084516.
  44. ^ Vallado, David A. (2007). Fundamentals of Astrodynamics and Applications. Hawthorne, CA: Microcosm Press. p. 31. OCLC 263448232.

외부 링크