SATELITSKA GEODEZIJA IN NAVIGACIJA SEMINARSKA NALOGA VRSTE .../gstebe/Seminarji - končni/Miran/Zupancic/Vrste... · 3. VRSTE TIRNIC GLEDE NA VIŠINO LETENJA ... V nadaljevanju seminarske

SATELITSKA GEODEZIJA IN NAVIGACIJA

SEMINARSKA NALOGA

VRSTE TIRNIC UMETNIH ZEMLJINIH SATELITOV

LJUBLJANA 2012

Univerza v Ljubljani

Fakulteta za gradbeništvo in geodezijo

za

gradbeništvo in geodezijo

Zupančič, M. 2012. Vrste tirnic umetnih zemljinih satelitov. Seminarska naloga. – GiG II. Stop. Ljubljana, UL, FGG, Satelitska geodezija in navigacija I

KAZALO

1. UVOD .................................................................................................................................................... 1

2. VRSTE TIRNIC GLEDE NA LASTNOSTI TIRNICE ............................................................................... 2

2.1. SKORAJ POLARNE TIRNICE ...................................................................................................................................... 2

2.2. GEOSINHRONE TIRNICE ............................................................................................................................................ 2

2.3. SONČNO SINHRONE TIRNICE ................................................................................................................................... 3

3. VRSTE TIRNIC GLEDE NA VIŠINO LETENJA ..................................................................................... 4

3.1. NIZKE ZEMLJINE TIRNICE .......................................................................................................................................... 4

3.2. SREDNJE ZEMLJINE TIRNICE.................................................................................................................................... 6

3.3. GEOSTACIONARNE TIRNICE ..................................................................................................................................... 7

3.4. VISOKO ELIPTIČNE TIRNICE ..................................................................................................................................... 9

4. ZAKLJUČEK .........................................................................................................................................11

Zupančič, M. 2012. Vrste tirnic umetnih zemljinih satelitov. Seminarska naloga. – GiG II. Stop. Ljubljana, UL, FGG, Satelitska geodezija in navigacija 1

1. UVOD

Tirnica je navidezna pot v vesolju po kateri potuje nebesno telo. V seminarski nalogi bodo predstavljene

vrste tirnic umetnih zemljinih satelitov. Za izdelavo seminarske naloge je bilo preiskanih večje število

znanstvenih in poljudnoznanstvenih virov o vrstah tirnic. Med slovenskimi avtorji je bilo uporabljeno

znanstveno gradivo in sicer knjiga Hermana Potočnika z naslovom ''Problem vožnje v vesolju'' ter knjiga

Krištofa Oštirja z naslovom ''Daljinsko zaznavnaje''. V pomoč so bili tudi zapiski predavanj o tirnicah, ki jih je

v digitalni obliki objavil profesor s Fakultete za elektrotehniko doc. dr. Boštjan Batagelj. Tuji viri pa so po

večini poljudnoznanstveni, kar je vključevalo razne internetne strani, kjer so obrazložene lastnosti

posameznih vrst tirnic, podprte s slikovnim gradivom ter animacijami. O nekaterih vrstah tirnice je nekaj

napisano tudi na Wikipediji. Od tujih znanstevenih virov je bil uporabljen članek Nasinega znanstvenika

Nicholasa L. Johnsona in knjiga avtorjev Wright D., Grego L. in Gronlund L. z naslovom ''The Physics of

Space Security''. O tirnicah satelitov se lahko na netu pridobi tudi nekaj predstavitev v Power Pointu, ki so

dobro slikovno podprte in povzemajo bistvo. Po temeljiti preučitvi virov, sej je izoblikovala enotna slika o

vrstah umetnih zemljinih satelitov. Tako lahko vrste tirnic delimo glede na obliko, lastnosti in višino letenja

tirnice. Glede na obliko v osnovi ločimo:

krožne in

eliptične tirnice.

Po lastnostih tirnice ločimo tri vrste tiric, katerih lastnosti nam povedo v kakšnem odnosu so tirnice glede

na Zemljo ali Sonce. Tako poznamo:

skoraj polarne,

geosinhrone in

sončno sinhrone tirnice.

V nadaljevanju seminarske bo opisana delitev tirnic glede na višino letenja umetnega zemljinega satelita.

Prostor v katerem se tirnice nahajajo lahko razdelimo na območja z različnimi višinami in v ta območja

razvrstimo tirnice ter jih poimenujemo po območju v katerem se nahajajo. Tako poznamo nizko območje,

srednje območje in geostacionarno območje. Iz tega sledi, da imamo nizke zemljine tirnice, srednje

zemljine tirnice in geostacionarne zemljine tirnice, ki se med seboj razlikujejo po višini, obhodnem času in

lastnostih. Četrta vrsta tirnice glede na višino leta pa ne pripada točno določenemu območju. Imenujemo jo

visoko eliptična tirnica in se zarad oblike lahko nahaja v enem, dveh ali vseh območjih. Sega lahko tudi

izven geostacionarnega območja.


2. VRSTE TIRNIC GLEDE NA LASTNOSTI TIRNICE

2.1. SKORAJ POLARNE TIRNICE

Kot že samo ime pove so to tirnice, ki so blizu polarnim tirnicam. Polarna tirnica ima kot nagiba t.i.

inklinacijo 90° in potuje točno nad obema poloma. Skoraj polarna tirnica pa je tirnica, ki ima tirnico

nagnjeno za kot do 20° glede na premico, ki povezuje pola. Večina skoraj polarnih tirnic je nizkih

zemljinih tirnic, ki jih bomo spoznali v nadaljevanju v poglavju 3.1..

Slika 1: Skoraj polarna tirnica

2.2. GEOSINHRONE TIRNICE

Geosinhrona tirnica je tirnica, ki ima obhodni čas 23 ur 56 min in 4 s ter je na višini 35786 km. Lahko

se vrti v nasprotno smer kot se vrti Zemlja in se ne rabi biti v ekvatorialni ravnini. Če se geosinhrona

tirnica vrti v smeri vrtenja Zemlje in leži v ekvatorialni ravnini ter je posledično satelit nad isto točko

Zemlje, tako tirnico imenujemo geostacionarna tirnica in jo podrobneje spoznamo v nadaljevanju v

poglavju 3.3. Poznamo tudi pol sinhrone tirnice (angl. semi-synchronus), kar pomeni, da je obhodni

čas tirnice pol krajši. Da satelit lahko obkroži Zemljo v tako kratkem času, mora biti tirnica na višini

približno 20200 km. Ta tirnica je zelo stabilna in predvidljiva, zato se uporablja v navigacijskih

sistemih GPS. Zaradi višine spada med srednje zemljine tirnice, ki jih podrobneje spoznamo v

poglavju 3.2.


Slika 2: Geosinhrona in geostacionarna tirnica

2.3. SONČNO SINHRONE TIRNICE

Da je tirnica sončno sinhrona pomeni, da iste dele površja Zemlje preleti vedno ob istem krajevnem

času. Prednost teh tirnic je, da je položaj sonca na določeni zemljepisni širini ob prehodu satelita v

enakih letnih časih vedno enak. Posledica tega je enaka osvetlitev površja, kar je pomembno pri

primerjavi zajetih podob, saj ni potrebno popravljati podoba zaradi različnih osvetlitev. Tako so te

tirnice primerne za satelite, namenjene v znanstvene raziskave, saj omogočajo večletno spremljanje

Zemlje pod istimi pogoji. Sončno sinhrona tirnica je ena izmed skoraj polarnih tirnic. Da je tirnica

sončno sinhrona mora biti njena inklinacija za približno 8° nagnjena od polarne tirnice. Satelit v tem

primeru ves čas kroži v ravnini Sonca in zato površje opazuje ob enakih krajevnih časih, torej sončno

sinhrono. Za ohranjanje satelita v tej tirnici so potrebni reakcijski motorji, ki spreminjajo smer in

hitrost satelita, da osatane v tirnici. Kakršne koli spremembe smeri satelita bi povzročile, da njegova

tirnica ne bi bila več sončno sinhrona tirnica.

Slika 3: Sončno sinhrona tirnica


3. VRSTE TIRNIC GLEDE NA VIŠINO LETENJA

Satelit, ki kroži po določeni tirinici, leti ne neki višini nad zemeljskim površjem. Glede na to višino poznamo

naslednje vrste tirnic:

LEO (angl. Low Earth Orbit) nizke zemljine tirnice

MEO (angl. Medium Earth Orbit) srednje zemljine tirnice

GEO (angl. Geostationary Earth Orbit) geostacionarne zemljine tirnice

HEO (angl. Highly Elliptical Orbit) visoko eliptične tirnice (Molniya in Tundra tirnici)

Slika 4: Vrste tirnic z lastnostmi Slika 5: Vrste tirnic

3.1. NIZKE ZEMLJINE TIRNICE

Nizka zemljina tirnica se uporablja za veliko večino satelitov, ki se nahajajo v vesolju. Kot nam ime

pove gre za tirnico z relativno nizko višino tirnice. Po definiciji se nizka zemljina tirnica nahaja na

višini od 200 km do 2000 km nad zemljinim površjem. Višina tirnice je relativno nizka, čeprav je

precej nad višino, ki jo dosežejo običajna letala. Vendar so tirnice še zmeraj blizu zemlje v primerjavi

z ostalimi oblikami satelitskih tirnic. Večina nizkih zemljinih tirnic je skoraj polarnih in sončno

sinhronih.

Značilnosti nizkih zemljinih tirnic so:

Obodni čas tirnice je veliko manjši od ostalih oblik tirnic. Nižja višina pomeni večjo hitrost

satelita za uskladitev z zemeljskim težnostnim poljem. Tipična hitrost satelitov na tej tirnici je


okoli 7,8 km/s kadar je obodni čas 90 min. Hitrost in obodni čas se spreminjata glede na

detajle posamezne tirnice.

Nizka tirnica pomeni krajšo razdaljo med satelitom in uporabnikom ter posledično manjše

izgube signala na poti do uporabnika, kot pri ostalih tirnicah.

Povratni čas radijskega signala je veliko manjši kot pri geostacionarnih tirnicah. Povratni čas

je odvisen od višine tirnice in od položaja uporabnika glede na satelit.

Raven sevanja je praktično nižja kot pri višjih tirnicah.

Potrebno je manj energije za namestitev satelita v tirnico.

Nekateri popravki hitrosti so posledica trenja nizke ampak izmerljive vrednosti plinov, zlasti

na nižjih višinah tirnic. Višina tirnice 300 km je ponavadi sprejeta kot minimalna višina, kar je

posledica vse večjega upora zaradi prisotnosti plinov pri nižjih višinah tirnice.

Nizke zemljine tirnice so preproste in najbolj stroškovno učinkovite za namestitev satelita in

zagotavljajo visoko pasovno širino ter kratek čas med oddajenjem in sprejemanjem signala.

Slika 6: Nizka zemljina tirnica (pot ki jo opravi satelit v 4 dneh)

Slika 7: Nizka zemljina tirnica (pot ki jo opravi satelit v enem dnevu)

Različni tipi satelitov uporabljajo nizke zemljine tirnice. Po tirnicah krožijo sateliti nekateri sateliti za

komunikacije in sateliti za opazovanje Zemlje, ki jih uporabljajo različne stroke. V nizki zemljini tirnici

se nahaja tudi mednarodna vesoljska postaja. Poleg splošne prenatrpanosti v nizki zemljini tirnici,

situacijo zelo poslabša še raven vesoljskih odpadkov, ki se nahajajo v nizki zemljini tirnici. Obstaja

nevarnost trčenja in večjih poškodb, katera pa se še povečuje. Sami trki pa ustvarijo še več

vesoljskih odpadkov. Zaradi načrtovanih novih izstrelitev, satelite praviloma pred koncem delovanja

odstranimo iz ''delovnih'' tirnic. Tako satelite spustimo na višino 100 do 200 km, kjer satelit iztiri,


pade v atmosfero in zgori v 24 urah. Ker je za ta premik potrebno veliko energije, pogosteje satelite

spustij na višino 600 km, kjer se sateliti naravno iztirijo v približno 25 letih (K. Oštir, 2006).

3.2. SREDNJE ZEMLJINE TIRNICE

Srednje zemljine tirnice so tirnice, ki spadajo v območje med nizke zemljine tirnice in geostacionarne

zemljine tirnice. Teoretično je to od višine 2000 km do višine 35586 km. Te tirnice so večinoma

namenjene navigacijskim satelitom. To so sateliti sistemov kot so: GPS, GLONASS, GALILEO, itd.

Praktično so te tirnice na višini od 19000 km do 24000 km. Srednje zemljine tirnice uporabljajo tudi

komunikacijski sateliti za pokrivanje severnega in južnega pola. Obhodni čas srednjih zemljinih tirnic

je od dveh do skoraj 24-ih ur. Tirnice navigacijskih satelitov so pol - sinhrone in imajo obhodni čas

pol zvezdnega dneva in traja 11 ur 58 min in 2 s. To pomeni, da vsak dan satelit doseže isti položaj 4

minute prej. Hitrost srednjih zemljinih tirnic namenjenih za navigacijo je okoli 3,9 km/s.

Prednosti srednjih zemljinih tirnic:

visoka višina pomeni večji komunikacijski doseg in

prenos v tirnico je možen s cenejše nizke zemljine tirnice.

Slabosti srednjih zemljinih tirnic:

direktna umestitev je malo verjetna – velike pogonske zahteve,

večja masa goriva pomeni manj opreme in

Van Allen – ovi obroči sevanja predstavljajo tveganje za okvaro elektronike

Slika 8: Srednja zemljina tirnica, ki jo opravi GPS satelit v enem dnevu

Slika 9: Srednja zemljina tirnica, ki jo opravi GALILEO satelit v treh dneh


3.3. GEOSTACIONARNE TIRNICE

Geostacionarna tirnica je tirnica na višini 35786 km ±200 km nad zemljsko površino v ravnini

ekvatorja. Satelit, ki potuje po tirnici, se giblje s hitrostjo, ki ustreza hitrosti kroženja Zemlje in se

nahaja nad isto točko Zemlje. Tako je ta tirnica primerna za vremenske in telekomunikacijske

satelite.

Slika 10: Geostacionarna tirnica s satelitom (točka 1)

Ideja o geostacionarnih tirnicah je bila mnogo let domneva. Eden od možnih začetnikov ideje je ruski

teoretik in pisec znastvene fantastike Konstantin Tsiolkovsky. Vendar sta bila prva, ki sta pisala o

postajah v vesolju na višini 35900 km nad Zemljo z obhodnim časom 24 ur in ki lebdijo nad določeno

točko na ekvatorju, Slovenec Herman Potočnik in Herman Oberth. Bila sta prva, ki sta izračunala

višino in določila položaj geostacionarne tirnice. Herman Potočnik je napisal knjigo z naslovom

''Problem vožnje v vesolju''. Izdana je bila leta 1928. Kasnej so Potočnika uvrstili med pionirje

vesoljskega programa. Njegova knjiga je bila učbenik, znanstevikom, ki so razvijali tehnologijo.

Naslednji pomemben korak v razvoju je bil članek, ki ga je napisal Arthur C Clarke, leta 1945.

Razložil je kaj bi lahko v prihodnosti dosegli z nemško raketno tehnologijo. Domneval je da bi lahko

zagotovili popolno pokritost Zemlje samo s tremi sateliti. V članku je določil tudi lastnosti tirnice,

oddajno moč signala ter pridobivanje sončne energije z upoštevanjem sončnih mrkov. V letu 1963 je

NASA izstrelila satelit s katerim bi testirali teorijo. Prvi uporabni satelit za testiranje teorije je bil

Syncom 2, ki je bil izstreljen 26 Julija 1963. Syncom 1 je bil satelit s katerim niso uspeli doseči

geostacionarne tirnice.

Geostacionarna tirnica je ena izmed geosinhronih tirnic. Pri geostacionarnih tirnicah se satelit vrti v

smeri vrtenja Zemlje in ima obhodni čas 24 ur. To pomeni, da se vrti z isto kotno hitrostjo kot Zemlja


in v isti smeri ter tako ostaja v enakem položaju glede na Zemljo. Da bi zagotovili vrtenje satelita s

točno isto kotno hitrostjo kot se vrti Zemlja, je potrebno pojasniti kakšen je čas rotacije Zemlje. Ta

čas je poznan kot zvezdni dan in traja 23 ur 56 min in 4 s. Posledično je hitrost tirnice 3.07 km/s.

Tudi takrat, ko je satelit vtirjen v geostacionarno tirnico, deluje več sil, ki lahko sčasoma spremenijo

položaj satelita. Ti dejavniki so delovanje tretjih teles, atmosfersko trenje, nesferičnost Zemlje in

sevanje Sonca. Ker Zemlja na ekvatorju ni okrogla se posledično satelit giblje naprej ali nazaj po

tirnici. Za odpravljanje teh gibanj sateliti nosijo gorivo za pogon reakcijskih motorjev, ki izvajajo

popravke in ohranjajo satelit v pravem položaju. Življenska doba satelita je povezana s količino

goriva, ki omogoča nekajletno usmerjanje. Nekaj goriva mora ostati za premik satelita v višje tirice,

da bi preprečili trke z drugimi sateliti na geostacionarni tirnici. Satelit premaknemo za 300 km višje

od Zemlje v tako imenovano ''pokopališko'' tirnico.

Satelit na geostacionarni tirnici ne more zagotoviti popolne globalne pokritosti. En sam satelit lahko

vidi 42% zemljske površine. So obmobčja okoli polov, ki jih satelit ne vidi. S tremi enakomerno

razporejenimi sateliti je mogoče zagotoviti popolno pokritost okoli ekvatorja do zemljepisne širine 81°

severno in južno.

Slika 11: Pokritost zemeljskega površja z geostacionarnega satelita


Slika 12: Pokritost zemeljskega površja z geostacionarnega satelita

Prednosti geostacionarnih tirnic so:

sateliti so vedno na istem položaju glede na Zemljo. Anten za sprejem signala ni potrebno

obračati in

neprekinjeno opazovanje istega območja.

Slabosti geostacionarnih tirnic so:

dolga pot signala in s tem povezane izgube,

dražja namestitev satelita v tirnico,

zamude v signalu zaradi dolgega potovanja in

nepokritost polarnih območij.

3.4. VISOKO ELIPTIČNE TIRNICE

Visoko eliptične tirnice so tirnice elipsaste oblike z nizkim Perigejem (okoli 1000 km) in visokim

Apogejem (več kot 35986 km). Te tirnice imajo inklinacijo okoli 50° do 70° . Prednost teh tirnic je

pokritost na polih in višjih zemljepisnih širinah, kjer ni pokritosti z geostacionatnih tinic. Zato države

kot so Rusija razvijajo satelite za te tirnice, da pokrijejo območja svoje države na severu. Kot ime

pove je oblika te tirnice elipsaste oblike. Glavna značilnost teh tirnic je, da se satelit v območju blizu

Zemlje giblje hitreje in počsneje, ko je v območju dlje od Zemlje. Vsaka tirica ima dve karakteristični

točki (gorišči) in tako kot pri vsaki tirnici je tudi pri eliptični tirnici eno izmed teh gorišč v masnem

središču Zemlje. Visoka eliptična tirnica ima še dve značilni točki. To sta, najbolj oddaljena točka od

Zemlje Apogej in najbližja točka Zemlji Perigej.


Slika 13: Visoka eliptična tirnica z značilnimi točkami

Zaradi teh značilnsti se satelit večino obhodnega časa nahaja v območju Apogeja. To pomeni, da je

satelit večino časa v operativen območju in malo časa v območji na slepi strani Zemlje, ko ni

operativen. S postavitvijo večih satelitov v isto tirnico, ki so enakomerno porazdeljeni lahko

zagotovimo trajno pokritost območja. Prednost te tirnice je, da lahko pokrije katerokoli mesto na

zemeljskem površju. Visoka eliptična tirnica ni omejena na ekvatorialno ravnino kot je omejena

geostacionarna tirnica. Glavna pomankljivost je da položaj satelita ni nad isto točko Zemlje.

Za visoko eliptične tirinice so značilna dva sistema. To sta sistema Molniya in Tundra, po katerih se

tirnici tudi imenujeta. Molniya je sistem treh satelitov na treh 12 urnih tirnicah, ki so enakomerno

razporejeni za kot 120° okoli Zemlje z razdaljo v Apogeju 39354 km in razdaljo v Perigeju 1000 km.

Molniya sistem je razvila Rusija in v ruščini pomeni strela. Tundra je sistem dveh satelitov na dveh

24 urnih tirnicah, ki sta ločena za kot 180° okoli Zemlje in z razdaljo v Apogeju 53622 km in razdaljo

v Perigeju 17951 km. Tudi ta sistem je Ruski in kot ime pove je namenjeno raziskavam Tundre.

Slika 14: Tirnica satelita sistema Molniya, ki jo opravi v enem dnevu

Slika 15: Molniya tirnice njenih treh satelitov


4. ZAKLJUČEK

Skozi seminarsko nalogo spoznamo vrste tirnic umetnih zemljinih satelitov, ki se razlikujejo po obliki

lastnostih in višini leta. Glede na višino leta tirnic poznamo štiri vrste tirnic in sicer nizke, srednje,

geostacionarne in visoko eliptične tirnice. Tirnice relativno blizu Zemlje so nizke zemljine tirnice in večino

teh tirnic je po lastnostih skoraj polarnih tirnic, katerih kot naklona (inklinacija) je med 70° in 90°.

Podskupina skoraj polarnih tirnic so sončno sinhrone tirnice, ki so nagnjene za določen kot (okoli 8°) od

premice med poloma, za katere pa je značilno, da iste dele površja pokrijejo ob istem krajevnem času.

Tirnice namenjene navigaciji, po višini spadajo med srednje zemljine tirnice, za katere je značilno, da so

pol – sinhrone. Višina geostacionarnih tirnic je zelo ozek pas v primerjavi z nižjimi in srednjimi zemljinimi

tirnicami, kar je posledica pogojev, da je tirnica geostacionarna. Pogoji so, da tirnica leži v ekvatorialni

ravnini in je nad isto točko zemeljskega površja. Geostacionarna tirnica je posebna oblika goesinhronih

tirnic za katere je značilna višina 35786 km in obhodni čas enega zvezdnega dne, ki traja 23 ur 56 min 4 s.

Neglede na vrsto tirnice, mora ravnina tirnice potekati skozi masno središče Zemlje in eno izmed gorišč

tirnice je v masnem središču Zemlje.

Pri dosedaj opisanih tinicah ni bilo problema klasifikacije po razredih, saj so vsi viri navajali identično

razporeditev. Pri HEO tirnicah pa se je pojavil problem, ker so določeni viri to kratico navajali kot visoke

zemljine tirnice (angl. High Earth Orbit) in v njih uvrščali geosinhrone tirnice. Spet drugi viri so navajali, da

so visoke zemljine tirnice, tirnice z višino nad geosinhronimi tirnicami in v to skupino uvrstili visoko eliptične

tirnice. Za visoko eliptične tirnice pa je značilno, da spreminjajo svojo višino in ne pripadajo nobenemu

območju. Neglede na različno poimenovanje in navajanje virov lahko zaključimo, da glede na višino leta

poznamo štiri vrste tirnic in sicer na tirnice, ki imajo približno konstantno višino in se nahajajo v treh

različnih območjih glede na višinio leta in tirnico, ki se lahko nahaja v treh, dveh ali samo enem območju.

Ta tirnica je visoko eliptična tirnica, katere sprememba višine je odvisna od Perigeja in Apogeja.

Documents

SATELITSKA GEODEZIJA IN NAVIGACIJA SEMINARSKA NALOGA VRSTE .../gstebe/Seminarji - končni/Miran/Zupancic/Vrste... · 3. VRSTE TIRNIC GLEDE NA VIŠINO LETENJA ... V nadaljevanju seminarske