órbita geosíncrona

Animación (sin escala) que muestra un satélite geoestacionario orbitando la Tierra.

Una órbita geosíncrona (a veces abreviada como GEO ) es una órbita centrada en la Tierra con un período orbital que coincide con la rotación de la Tierra sobre su eje, 23 horas, 56 minutos y 4 segundos (un día sideral ). La sincronización de la rotación y el período orbital significa que, para un observador en la superficie terrestre, un objeto en órbita geosíncrona regresa exactamente a la misma posición en el cielo después de un día sideral. A lo largo del día, la posición del objeto en el cielo puede permanecer fija o trazar una trayectoria, generalmente en forma de ocho , cuyas características precisas dependen de la inclinación y la excentricidad de la órbita . Una órbita geosíncrona circular tiene una altitud constante de 35 786 km (22 236 millas) . ^[¹^]

Un caso especial de órbita geosíncrona es la órbita geoestacionaria (a menudo abreviada como GSO ), que es una órbita geosíncrona circular en el plano ecuatorial de la Tierra con inclinación y excentricidad iguales a 0. Un satélite en una órbita geoestacionaria permanece en la misma posición en el cielo para los observadores en la superficie. ^{[ 1 ]}

A los satélites de comunicaciones se les suelen asignar órbitas geoestacionarias o casi geoestacionarias, de modo que las antenas que se comunican con ellos no tengan que moverse, sino que puedan apuntar permanentemente a la ubicación fija en el cielo donde aparece el satélite. ^{[ 1 ]}

Historia

En 1929, Herman Potočnik describió tanto las órbitas geosíncronas en general como el caso especial de la órbita geoestacionaria terrestre en particular como órbitas útiles para estaciones espaciales . ^{[ 2 ]} La primera aparición de una órbita geosíncrona en la literatura popular fue en octubre de 1942, en el primer relato de Venus Equilateral de George O. Smith , ^{[ 3 ]} pero Smith no entró en detalles. El autor británico de ciencia ficción Arthur C. Clarke popularizó y amplió el concepto en un artículo de 1945 titulado Extra-Terrestrial Relays – Can Rocket Stations Give Worldwide Radio Coverage?, publicado en la revista Wireless World . Clarke reconoció la conexión en su introducción a The Complete Venus Equilateral . ^{[ 4 ]}^{[ 5 ]} La órbita, que Clarke describió por primera vez como útil para satélites de comunicaciones de radiodifusión y retransmisión, ^{[ 5 ]} a veces se denomina Órbita de Clarke. ^{[ 6 ]} De manera similar, el conjunto de satélites artificiales en esta órbita se conoce como el Cinturón de Clarke. ^{[ 7 ]}

En la terminología técnica, las órbitas geosíncronas suelen denominarse geoestacionarias si se encuentran aproximadamente sobre el ecuador, pero los términos se utilizan de forma algo intercambiable. ^{[ 8 ]}^{[ 9 ]} Específicamente, órbita terrestre geosíncrona ( GEO ) puede ser sinónimo de órbita geosíncrona ecuatorial , ^{[ 10 ]} u órbita terrestre geoestacionaria . ^{[ 11 ]}

El primer satélite geoestacionario fue diseñado por Harold Rosen mientras trabajaba en Hughes Aircraft en 1959. Inspirado por el Sputnik 1 , quería utilizar un satélite geoestacionario (geosíncrono ecuatorial) para globalizar las comunicaciones. En aquel entonces, las telecomunicaciones entre Estados Unidos y Europa solo eran posibles entre 136 personas a la vez y dependían de radios de alta frecuencia y un cable submarino . ^{[ 12 ]}

La opinión generalizada en aquel entonces era que se necesitaría demasiada potencia de cohete para colocar un satélite en una órbita geoestacionaria y que no sobreviviría el tiempo suficiente para justificar el gasto, ^{[ 13 ]} por lo que los primeros esfuerzos se centraron en constelaciones de satélites en órbita terrestre baja o media . ^{[ 14 ]} Los primeros de estos fueron los satélites pasivos Echo Balloon en 1960, seguidos por Telstar 1 en 1962. ^{[ 15 ]} Aunque estos proyectos tuvieron dificultades con la intensidad de la señal y el seguimiento que podrían resolverse mediante satélites geoestacionarios, el concepto se consideró poco práctico, por lo que Hughes a menudo retuvo fondos y apoyo. ^{[ 14 ]}^{[ 12 ]}

Para 1961, Rosen y su equipo produjeron un prototipo cilíndrico con un diámetro de 76 centímetros (30 pulgadas) , una altura de 38 centímetros (15 pulgadas) y un peso de 11,3 kilogramos (25 libras) ; era ligero, lo suficientemente pequeño como para colocarlo en órbita con la tecnología de cohetes disponible en ese momento, estaba estabilizado por rotación y utilizaba antenas dipolo que producían una forma de onda plana. ^[¹⁶^] En agosto de 1961, fueron contratados para comenzar la construcción del satélite funcional. ^[¹²^] Perdieron Syncom 1 debido a una falla electrónica, pero Syncom 2 fue colocado con éxito en una órbita geoestacionaria en 1963. Aunque su órbita inclinada todavía requería antenas móviles, pudo retransmitir transmisiones de TV y permitió que el presidente de los Estados Unidos, John F. Kennedy, llamara por teléfono al primer ministro nigeriano Abubakar Tafawa Balewa desde un barco el 23 de agosto de 1963. ^[¹⁴^]^[¹⁷^]

Hoy en día, cientos de satélites geoestacionarios proporcionan teledetección , navegación y comunicaciones. ^{[ 12 ]}^{[ 1 ]}

Aunque la mayoría de las zonas terrestres pobladas del planeta cuentan ahora con infraestructuras de comunicaciones terrestres ( microondas , fibra óptica ), que suelen ofrecer ventajas en cuanto a latencia y ancho de banda, y el acceso telefónico cubre al 96 % de la población y el acceso a internet al 90 % a partir de 2018, ^{[ 18 ]} algunas zonas rurales y remotas de los países desarrollados siguen dependiendo de las comunicaciones por satélite. ^{[ 19 ]}^{[ 20 ]}

Tipos

Órbita geoestacionaria

El satélite geoestacionario (verde) permanece siempre sobre el mismo punto marcado en el ecuador (marrón).

Una órbita geoestacionaria (OGE) es una órbita geosíncrona circular (excentricidad cero) en el plano del ecuador terrestre (inclinación cero) con un radio de aproximadamente 42 164 km (26 199 mi) (medido desde el centro de la Tierra). ^[²¹^]^:¹⁵⁶ Un satélite en dicha órbita se encuentra a una altitud de aproximadamente 35 786 km (22 236 mi) sobre el nivel medio del mar. Mantiene la misma posición relativa a la superficie terrestre. Si se pudiera observar un satélite en órbita geoestacionaria, parecería flotar en el mismo punto del cielo, es decir, no presentaría movimiento diurno , mientras que el Sol, la Luna y las estrellas recorrerían el cielo detrás de él. Dichas órbitas son útiles para satélites de telecomunicaciones . ^[²²^]

Una órbita geoestacionaria perfectamente estable es un ideal que solo puede aproximarse. En la práctica, el satélite se desvía de esta órbita debido a perturbaciones como el viento solar , la presión de radiación , las variaciones en el campo gravitatorio de la Tierra y el efecto gravitatorio de la Luna y el Sol , y se utilizan propulsores para mantener la órbita en un proceso conocido como mantenimiento de posición . ^{[ 21 ]}^{: 156}

Finalmente, sin el uso de propulsores, la órbita se inclina, oscilando entre 0° y 15° cada 55 años. Al final de la vida útil del satélite, cuando el combustible se está agotando, los operadores pueden decidir omitir estas costosas maniobras para corregir la inclinación y controlar únicamente la excentricidad. Esto prolonga la vida útil del satélite, ya que consume menos combustible con el tiempo, pero entonces el satélite solo puede ser utilizado por antenas terrestres capaces de seguir el movimiento del satélite . ^{[ 21 ]}^{: 156}

Los satélites geoestacionarios también tienden a desviarse alrededor de una de las dos longitudes estables de 75° y 255° sin mantener una posición fija. ^{[ 21 ]}^{: 157}

Órbitas geosíncronas elípticas e inclinadas

Muchos objetos en órbitas geoestacionarias tienen órbitas excéntricas o inclinadas. La excentricidad hace que la órbita sea elíptica y parezca oscilar de este a oeste en el cielo desde el punto de vista de una estación terrestre, mientras que la inclinación inclina la órbita con respecto al ecuador y hace que parezca oscilar de norte a sur desde una estación terrestre. Estos efectos se combinan para formar un analema (figura de ocho). ^{[ 21 ]}^{: 122}

Los satélites en órbitas elípticas o excéntricas deben ser rastreados por estaciones terrestres orientables . ^{[ 21 ]}^{: 122}

órbita de la tundra

La órbita Tundra es una órbita geosíncrona excéntrica que permite que el satélite permanezca la mayor parte del tiempo sobre una ubicación de alta latitud. Se encuentra a una inclinación de 63,4°, lo que constituye una órbita congelada , reduciendo así la necesidad de mantenimiento de posición . ^{[ 23 ]} Se necesitan al menos dos satélites para proporcionar cobertura continua sobre un área. ^{[ 24 ]} Fue utilizada por Sirius XM Satellite Radio para mejorar la intensidad de la señal en el norte de Estados Unidos y Canadá. ^{[ 25 ]}

Órbita cuasi-cenital

El Sistema de Satélites Cuasi-Cenitales (QZSS) es un sistema de cuatro satélites que opera en una órbita geosíncrona con una inclinación de 42° y una excentricidad de 0,075. ^{[ 26 ]} Cada satélite permanece sobre Japón , lo que permite que las señales lleguen a los receptores en cañones urbanos , y luego pasa rápidamente sobre Australia. ^{[ 27 ]}

Lanzamiento

Un ejemplo de transición de órbita de transferencia geoestacionaria (GTO) a órbita geosíncrona (GSO): EchoStar XVII · Tierra

Los satélites geoestacionarios se lanzan hacia el este en una órbita prograda que coincide con la velocidad de rotación del ecuador. La inclinación mínima a la que se puede lanzar un satélite es la latitud del sitio de lanzamiento, por lo que lanzarlo cerca del ecuador limita la cantidad de cambio de inclinación necesario posteriormente. ^{[ 28 ]} Además, lanzar desde cerca del ecuador permite que la velocidad de rotación de la Tierra impulse el satélite. Un sitio de lanzamiento debe tener agua o desiertos al este, para que cualquier cohete fallido no caiga en una zona poblada. ^{[ 29 ]}

La mayoría de los vehículos de lanzamiento colocan satélites geoestacionarios directamente en una órbita de transferencia geoestacionaria (GTO), una órbita elíptica con un apogeo a la altura de la órbita geoestacionaria (GSO) y un perigeo bajo . La propulsión a bordo del satélite se utiliza para elevar el perigeo, circularizar la órbita y alcanzar la GSO. ^{[ 28 ]}^{[ 30 ]}

Una vez en una órbita geoestacionaria viable, las naves espaciales pueden cambiar su posición longitudinal ajustando su semieje mayor de manera que el nuevo período sea más corto o más largo que un día sideral para producir una aparente "deriva" hacia el este o el oeste, respectivamente. Una vez en la longitud deseada, el período de la nave espacial se restablece a la órbita geosíncrona. ^{[ 31 ]}

Órbitas propuestas

Propuesta estatal

Un statite es un satélite hipotético que utiliza la presión de radiación del Sol contra una vela solar para modificar su órbita. ^{[ 32 ]}

Mantendría su posición sobre el lado oscuro de la Tierra a una latitud de aproximadamente 30 grados. Regresaría al mismo punto en el cielo cada 24 horas desde la perspectiva de un observador terrestre, por lo que sería funcionalmente similar a una órbita geosíncrona. ^{[ 32 ]}^{[ 33 ]}

ascensor espacial

Otra forma de órbita geosíncrona es el ascensor espacial teórico . Si una masa que orbita sobre el cinturón geoestacionario se sujeta a la superficie terrestre mediante un cable, y se acelera para mantener un período orbital igual a un día sideral, entonces, dado que la órbita ahora requiere una fuerza descendente mayor que la que proporciona la gravedad por sí sola, el cable se tensa debido a la fuerza centrípeta adicional requerida, y esta tensión mantiene estable la estructura del cable mientras un vehículo transporta objetos hacia arriba y hacia abajo a lo largo de él. ^{[ 34 ]}

Satélites retirados

La Tierra vista desde el espacio, rodeada de pequeños puntos blancos. — Imagen generada por ordenador de basura espacial. Se muestran dos campos de escombros: uno alrededor del espacio geosíncrono y otro en órbita terrestre baja.

Los satélites geoestacionarios requieren cierto mantenimiento de posición para permanecer en órbita, y una vez que se agota el combustible de sus propulsores y dejan de ser útiles, se trasladan a una órbita cementerio más alta . No es factible desorbitar los satélites geoestacionarios, ya que hacerlo requeriría mucho más combustible que el que se usaría elevando ligeramente la órbita; además, la resistencia atmosférica es insignificante, lo que les confiere una vida útil de miles de años. ^{[ 35 ]}

El proceso de retiro está cada vez más regulado y los satélites deben tener una probabilidad del 90% de moverse a más de 200 km por encima del cinturón geoestacionario al final de su vida útil. ^{[ 36 ]}

desechos espaciales

Los desechos espaciales en órbitas geoestacionarias suelen tener una velocidad de colisión menor que en órbitas terrestres bajas (LEO), ya que la mayoría de los satélites en órbitas geoestacionarias orbitan en el mismo plano, altitud y velocidad; sin embargo, la presencia de satélites en órbitas excéntricas permite colisiones a velocidades de hasta 4 km/s. Aunque una colisión es relativamente improbable, los satélites en órbitas geoestacionarias tienen una capacidad limitada para evitar cualquier tipo de desechos. ^{[ 37 ]}

Los escombros de menos de 10 cm de diámetro son muy difíciles de detectar desde el suelo y no se rastrean regularmente, lo que dificulta evaluar su prevalencia. ^{[ 38 ]}^{[ 39 ]}

A pesar de los esfuerzos por reducir el riesgo, se han producido colisiones de naves espaciales. El satélite de telecomunicaciones Olympus-1 de la Agencia Espacial Europea fue impactado por un meteoroide el 11 de agosto de 1993 y finalmente fue trasladado a una órbita cementerio , ^[⁴⁰^] y en 2006 el satélite de comunicaciones ruso Express-AM11 fue impactado por un objeto desconocido y quedó inoperable, ^[⁴¹^] aunque sus ingenieros tuvieron suficiente tiempo de contacto con el satélite para enviarlo a una órbita cementerio. En 2017, tanto el AMC-9 como el Telkom-1 se desintegraron por una causa desconocida. ^[⁴²^]^[³⁸^]^[⁴³^]

Propiedades

Una órbita geoestacionaria tiene las siguientes propiedades:

Periodo: 1436 minutos (un día sideral )
Semieje mayor : 42.164 km ^{[ 21 ]}^{: 121}

Período

Todas las órbitas geosíncronas tienen un período orbital igual a un día sideral exacto. ^{[ 44 ]} Esto significa que el satélite regresa al mismo punto sobre la superficie de la Tierra cada día (sideral), independientemente de otras propiedades orbitales. ^{[ 45 ]}^{[ 21 ]}^{: 121} Este período orbital, T, está directamente relacionado con el semieje mayor de la órbita mediante la fórmula:

$T=2\pi {\sqrt {a^{3} \over \mu }}$

dónde:

Inclinación

Una órbita geoestacionaria puede tener cualquier inclinación.

Los satélites suelen tener una inclinación de cero grados, lo que garantiza que la órbita permanezca siempre sobre el ecuador, lo que la hace estacionaria con respecto a la latitud desde el punto de vista de un observador terrestre (y en el marco de referencia ECEF ). ^{[ 21 ]}^{: 122}

Otra inclinación popular es de 63,4° para una órbita de tundra, lo que garantiza que el argumento del perigeo de la órbita no cambie con el tiempo. ^{[ 23 ]}

Pista terrestre

En el caso especial de una órbita geoestacionaria, la trayectoria terrestre de un satélite es un único punto en el ecuador . En el caso general de una órbita geosíncrona con una inclinación o excentricidad distinta de cero , la trayectoria terrestre es una figura de ocho más o menos distorsionada, que regresa a los mismos lugares una vez por día sideral. ^{[ 21 ]}^{: 122}

Véase también

Referencias

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Enlaces externos

Satélites actualmente en órbita geosíncrona; la lista se actualiza diariamente.
Ciencia en la NASA: Órbita geoestacionaria
NASA – Órbitas planetarias
Datos de Science Presse sobre órbitas geoestacionarias (incluidos datos históricos y estadísticas de lanzamientos).
Mecánica orbital (Tecnología espacial y de cohetes)
Imagen astronómica del día de la NASA: Vídeo a cámara rápida de satélites geoestacionarios más allá de los Alpes (11 de abril de 2012)

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[clarke-5] 1 2 Clarke, Arthur C. (octubre de 1945). "Relés extraterrestres: ¿pueden las estaciones de cohetes brindar cobertura de radio mundial?" (PDF) . Wireless World . págs. 305–308 . Archivado del original (PDF) el 18 de marzo de 2009. Recuperado el 4 de marzo de 2009 .

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