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宇宙ミッション設計において、静止遷移軌道（GTO）または静止同期遷移軌道は、高度に楕円形の地球中心軌道であり、通常は近地点が低地球軌道（LEO）と同程度に低く、遠地点が静止軌道（GEO）と同程度に高い。静止同期軌道（GSO）またはGEOを目指す衛星は、最終軌道に到達するための中間段階としてGTOに投入されることが多い。[ 1 ]ロケットメーカーは、ロケットがGTOに搭載できるペイロードの量を宣伝することが多い。[ 2 ]
静止軌道と同期軌道は、多くの通信衛星や地球観測衛星にとって非常に望ましい軌道です。しかし、これらの軌道に宇宙船を投入するためのデルタV、ひいては費用は、軌道半径が大きいため非常に高額になります。GTOは、このプロセスをより効率的にするために使用される中間軌道です。衛星運用者は、衛星をGTOに投入するために、推力が高く効率の低いロケットを使用することが多く、その後、ロケットを分離した後、衛星自体に搭載された推力が低く効率の高いスラスタを使用して軌道を円形化（GEO）します。このミッション構成は、宇宙船がGEOに押し出す必要のある質量を最小限に抑え、オーベルト効果を利用して最大限に効率的な円形化噴射を可能にし、使用済みのロケットが近地点が低いため主にエアロブレーキによって軌道から離脱し、軌道寿命を最小限に抑えることができるため有用です。
GTOは、地球から最も遠い地点（月や衛星の軌道上で地球から最も遠い地点）が42,164 km（26,199マイル）[ 3 ]、または海抜35,786 km（22,236マイル）の高度を持つ、非常に楕円形の地球軌道です。この高度は静止高度に相当します。標準的な静止遷移軌道の周期は約10.5時間です。[ 4 ]近地点引数は、遠地点が赤道上またはその付近で発生するように設定されています。近地点は、大気圏上であればどこにでも存在し得ますが、通常は打ち上げロケットのデルタV（速度変化）を減らすために、地球表面から数百キロメートル上空に制限されます。 ）要件を満たし、使用済みブースターの軌道寿命を制限することで、宇宙ゴミを削減する。
電気推進などの低推力エンジンを使用して遷移軌道から静止軌道へ移行する場合、遷移軌道は超同期軌道（遠地点が最終静止同期軌道よりも高い）にすることができます。ただし、この方法は軌道に注入される推力が低いため、達成に非常に時間がかかります。[ 5 ] [ 6 ] 一般的な打ち上げロケットは、衛星を42,164 kmを超える遠地点を持つ超同期軌道に投入します。衛星の低推力エンジンは、静止遷移軌道の周りで連続的に推力を与えられます。推力の方向と大きさは、通常、ミッションの制約を満たしながら、遷移時間および/または期間を最適化するように決定されます。推力の面外成分は、初期遷移軌道によって設定された初期傾斜角を減らすために使用され、面内成分は同時に中間静止遷移軌道の近地点を上げ、遠地点を下げます。ホーマン遷移軌道を用いる場合、静止軌道に到達するのに必要な時間はわずか数日である。一方、低推力エンジンや電気推進を用いる場合は、衛星が最終軌道に到達するまでに数ヶ月を要する。
GTOの軌道傾斜角は、軌道面と地球の赤道面との間の角度です。これは、打ち上げ地点の緯度と打ち上げ方位角（方向）によって決まります。静止軌道を得るには、傾斜角と離心率の両方をゼロにする必要があります。軌道の離心率だけをゼロにした場合、静止同期軌道になる可能性はありますが、静止軌道にはなりません。機体平面の変更に必要な角度は瞬間速度に比例し、傾斜角と偏心率は通常、速度が最低となる遠地点で単一の操作で同時に変更される。
必要なもの軌道の昇交点または降交点における傾斜角の変化は次のように計算されます。 [ 7 ]
軌道長半径が24,582 kmの典型的なGTOの場合 、近地点速度は9.88 km/s、遠地点速度は1.64 km/sであり、遠地点での軌道傾斜角の変更は明らかにコストがはるかに低い。実際には、軌道傾斜角の変更は軌道円形化（または「遠地点キック」）噴射と組み合わせて、総エネルギー消費量を削減する。2つの操縦について。傾斜変化のベクトル和そして循環化三角形の2辺の長さの合計は常に残りの辺の長さを超えるので、合計複合機動では、2つの機動の場合よりも常に小さくなります。次のように計算できます。[ 7 ]
どこは遷移軌道の遠地点における速度の大きさであり、これはGEOにおける速度です。
最高高度でも、軌道傾斜角をゼロにするために必要な燃料は相当な量になる可能性があり、赤道上の発射場は高緯度にある発射場よりも大きな利点がある。ロシアのバイコヌール宇宙基地（カザフスタン）は北緯46度にある。米国のケネディ宇宙センターは北緯28.5度にある。中国の文昌は北緯19.5度にある。インドのSDSCは北緯13.7度にある。ギアナ宇宙センター（欧州のアリアンロケットと欧州が運営するロシアのソユーズロケットの発射施設）は北緯5度にある。「無期限に停止」されているシーローンチは、太平洋の赤道直上の浮体式発射台から打ち上げられた。
使い捨てロケットは通常、静止トランスファ軌道（GTO）に直接到達しますが、すでに低地球軌道（LEO）にある宇宙船は、軌道方向に沿ってロケットを噴射して速度を上げることでGTOに突入することができます。これは、スペースシャトルから静止軌道宇宙船が打ち上げられた際に実際に行われていました。宇宙船に取り付けられた「近地点キックモーター」は、シャトルが宇宙船を切り離して安全な距離まで後退した後に点火されました。
ロケットによってはペイロードを静止軌道まで運ぶことができるものもありますが、ほとんどのロケットはペイロードを静止トランスファ軌道（GTO）に放出することでミッションを終えます。その後、宇宙船とその運用者は、最終的な静止軌道への軌道修正を担当します。最初の遠地点までの5時間の慣性飛行は、ロケットや宇宙船のバッテリー寿命よりも長くなる場合があり、軌道修正は後の遠地点で行われるか、複数の遠地点に分けて行われることもあります。ロケット分離後、宇宙船に搭載された太陽光発電がミッションを支えます。また、現在では多くのロケットがコスト削減のため、1回の打ち上げで複数の衛星を搭載しており、ペイロードが異なる軌道位置に向かう場合、この方法はミッションを簡素化します。
この慣例のため、ロケットの搭載能力は通常、静止トランスファ軌道（GTO）までの宇宙船の質量として示され、この数値は静止軌道（GEO）に直接投入できるペイロードよりも大きくなる。
例えば、デルタIVヘビー の積載能力（アダプターと宇宙船の質量）は、GTOまで14,200kg、静止軌道まで直接6,750kgである 。[ 2 ]
GTOからGEOへのマニューバを単一の固体ロケットモーターのように単一のインパルスで行う場合、遠地点は赤道通過時かつ同期軌道高度で発生しなければなりません。これは、近地点引数が0°または180°であることを意味します。近地点引数は地球の扁平率によって徐々に変化するため、通常は打ち上げ時に適切なタイミングで目的の値に達するように調整されます（例えば、アリアン5ロケットの打ち上げでは通常6回目の遠地点です[ 8 ] ）。シーローンチのようにGTOの軌道傾斜角がゼロの場合は、このことは当てはまりません。（また、63.4°の傾斜角を持つ非現実的なGTOにも当てはまりません。モルニヤ軌道を参照してください。）
これまでの議論は主に、LEOとGEO間の遷移が単一の中間遷移軌道で行われる場合に焦点を当ててきました。より複雑な軌道が使用される場合もあります。たとえば、プロトンMは、カザフスタンのバイコヌール宇宙基地の高傾斜サイトから衛星をGEOに投入するために、5回のロケット上段噴射を必要とする3つの中間軌道を使用します。[ 9 ] バイコヌールは高緯度であり、射程の安全性の考慮事項により真東への打ち上げが禁止されているため、遠地点（および遷移軌道傾斜角を減らすためのマヌーバ）が35,786 km（静止軌道高度）よりも高い高度にある超同期遷移軌道を使用することで、衛星をGEOに遷移させるのに必要なデルタVが少なくなります。プロトンは、打ち上げ後最大15時間まで超同期遠地点マヌーバを実行することも提案しています。[ 10 ]
静止軌道とは、地球の自転と同じ速度で衛星が地球を周回する、地球周回軌道の特殊な形態です。つまり、衛星は地球表面上の固定点に対して静止しているように見えます。静止軌道は、地球の赤道上空約35,786キロメートル（22,236マイル）の高度に位置しています。
