Tundrabana

Animation av tundrabanor med en lutning på 63,4° i jordens fasta ram . 0,2 excentricitet · 0,3 excentricitet · Jorden

En tundrabana ( ryska : орбита «Тундра» ) är en hög elliptisk geosynkron bana med en hög lutning (ungefär 63,4°), en omloppsperiod på en siderisk dag och en typisk excentricitet mellan 0,2 och 0,3. En satellit som placeras i denna omloppsbana tillbringar större delen av sin tid över ett utvalt område på jorden , ett fenomen som kallas apogee dwell , vilket gör dem särskilt väl lämpade för kommunikationssatelliter som betjänar områden på hög latitud. Markspåret för en satellit i en tundrabana är en sluten figur 8 med en mindre slinga över antingen norra eller södra halvklotet . Detta skiljer dem från Molniya-banor som är utformade för att betjäna regioner på hög latitud, som har samma lutning men halva perioden och inte svävar över en enda region.

Används

Tundra- och Molniya -banor används för att ge användare på hög latitud högre höjdvinklar än en geostationär bana . Detta är önskvärt eftersom sändning till dessa breddgrader från en geostationär omloppsbana (ovanför jordens ekvator ) kräver avsevärd kraft på grund av de låga höjdvinklarna och det extra avståndet och den atmosfäriska dämpningen som följer med det. Platser som ligger över 81° latitud kan inte alls se geocentriska satelliter och som en tumregel kan höjdvinklar på mindre än 10° orsaka problem, beroende på kommunikationsfrekvensen.

Mycket elliptiska banor ger ett alternativ till geostationära, eftersom de förblir över sina önskade höglatitudregioner under långa tidsperioder vid apogeum. Deras bekvämlighet minskas dock av kostnaden: två satelliter krävs för att ge kontinuerlig täckning från en tundrabana (tre från en Molniya-bana).

En markstation som tar emot data från en satellitkonstellation i en mycket elliptisk omloppsbana måste periodiskt växla mellan satelliter och hantera varierande signalstyrkor, latens och dopplerförskjutningar när satellitens räckvidd ändras genom hela dess omloppsbana. Dessa förändringar är mindre uttalade för satelliter i en tundrabana, med tanke på deras ökade avstånd från ytan, vilket gör spårning och kommunikation mer effektiv. Dessutom, till skillnad från Molniya-banan, undviker en satellit i en tundrabana att passera genom Van Allen-bälten .

Trots dessa fördelar används Tundra-banan mindre ofta än en Molniya-bana, delvis på grund av den högre uppskjutningsenergin som krävs.

Föreslagna användningsområden

År 2017 släppte ESA Space Debris-kontoret ett dokument som föreslog att en tundraliknande bana skulle användas som bortskaffningsbana för gamla geosynkrona satelliter med hög lutning, i motsats till traditionella kyrkogårdsbanor .

Egenskaper

En typisk tundrabana har följande egenskaper:

Lutning: 63,4°
Argument för perigeum: 270°
Period: 1436 minuter
Excentricitet: 0,24–0,4
Halvstor axel: 42 164 km (26 199 mi)

Orbital lutning

I allmänhet stör jordens oblatitet en satellits argument om perigeum ( $\omega$ ) så att den gradvis förändras med tiden. Om vi bara betraktar första ordningens koefficient $J_{2}$ kommer perigeum att ändras enligt ekvation 1 , såvida den inte ständigt korrigeras med stationshållande propellerbränning.

{\dot {\omega }}={\frac {3}{4} }nJ_{2}\left({\frac {R_{E}}{a}}\right)^{2}{\frac {4-5\sin ^{2}i}{(1-e^{ 2})^{2}}},

()

där $i$ är orbitallutningen, $e$ är excentriciteten, $n$ är genomsnittlig rörelse i grader per dag, $J_{2}$ är den störande faktorn , $R_{E}$ är jordens radie, $a$ är halvhuvudaxeln och ${\dot {\omega }}$ är i grader per dag.

För att undvika denna förbrukning av bränsle använder Tundrabanan en lutning på 63,4°, för vilken faktorn $(4-5\sin ^{2}i)$ är noll, så att det inte sker någon förändring i perigees position över tiden. Detta kallas den kritiska lutningen, och en bana som är utformad på detta sätt kallas en frusen bana .

Argument för perigeum

Ett argument om perigeum på 270° placerar apogeum vid den nordligaste punkten av omloppsbanan. Ett argument om perigeum på 90° skulle likaså tjäna de höga sydliga breddgraderna. Ett argument om perigeum på 0° eller 180° skulle få satelliten att bo över ekvatorn, men det skulle inte ha någon mening med detta eftersom detta skulle kunna göras bättre med en konventionell geostationär bana .

Period

Perioden på en siderisk dag säkerställer att satelliterna följer samma markspår över tiden. Detta styrs av banans halvstora axel.

Excentricitet

Excentriciteten väljs för den uppehållstid som krävs och ändrar formen på markbanan. En tundrabana har i allmänhet en excentricitet på cirka 0,2; en med en excentricitet på cirka 0,4, som ändrar markspåret från en figur 8 till en tår, kallas en Supertundrabana .

Halvstor axel

Den exakta höjden på en satellit i en tundrabana varierar mellan uppdragen, men en typisk bana kommer att ha en perigeum på cirka 25 000 kilometer (16 000 mi) och en apogeum på 39 700 kilometer (24 700 mi), för en halvstor axel på 46 000 kilometer (29 000 mi).

Rymdfarkoster som använder tundrabanor

Grundspåret för QZSS- bana, som har liknande egenskaper som en tundrabana, men en lägre lutning

Från 2000 till 2016 drev Sirius Satellite Radio , nu en del av Sirius XM Holdings , en konstellation av tre satelliter i tundrabanor för satellitradio . RAAN och medelanomali för varje satellit kompenserades med 120° så att när en satellit flyttade sig ur position hade en annan passerat perigeum och var redo att ta över . Konstellationen utvecklades för att bättre nå konsumenter på långt nordliga breddgrader, minska påverkan av urbana kanjoner och krävde endast 130 repeatrar jämfört med 800 för ett geostationärt system. Efter Sirius sammanslagning med XM ändrade den designen och omloppsbanan för FM-6-ersättningssatelliten från en tundra till en geostationär. Detta kompletterade den redan geostationära FM-5 (lanserad 2009), och 2016 upphörde Sirius att sända från tundrabanor. Sirius-satelliterna var de enda kommersiella satelliterna som använde en tundrabana.

Det japanska Quasi-Zenith satellitsystemet använder en geosynkron bana som liknar en tundrabana, men med en lutning på endast 43°. Den inkluderar fyra satelliter som följer samma markspår. Den testades från 2010 och togs i drift i november 2018.