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静止軌道（GEOと略されることもある）は、地球を中心とする軌道で、その公転周期は地球の自転周期である 23 時間 56 分 4 秒（恒星日）と一致する。自転と公転周期が同期しているため、地球表面の観測者から見ると、静止軌道上の物体は恒星日が経過すると、空の全く同じ位置に戻る。1 日の間に、物体の空における位置は静止したままの場合もあれば、通常は 8 字型の軌跡を描く場合もあり、その正確な特性は軌道の傾斜角と離心率によって決まる。円形の静止軌道は、高度が35,786 km（22,236マイル）で一定である。[ 1 ]
静止軌道の特殊なケースとして、地球の赤道面にある円形の静止軌道（しばしばGSOと略される）があり、これは軌道傾斜角と離心率がともに 0 である。静止軌道上の衛星は、地上の観測者から見ると、空中で同じ位置にとどまる。[ 1 ]
通信衛星は、多くの場合、静止軌道または静止軌道に近い軌道に設定される。これは、衛星と通信する衛星アンテナが移動する必要がなく、衛星が見える空の固定位置に常に向けることができるためである。[ 1 ]
1929年、ヘルマン・ポトチュニクは、一般的に静止軌道と特に静止地球軌道の特殊なケースの両方を、宇宙ステーションにとって有用な軌道として説明した。[ 2 ]静止軌道が一般文学に初めて登場したのは、1942年10月、ジョージ・O・スミスによる最初の金星正三角形の物語であったが、[ 3 ]スミスは詳細には触れなかった。イギリスのSF作家アーサー・C・クラークは、1945年にワイヤレス・ワールド誌に掲載された「地球外中継 ― ロケット基地は世界規模のラジオ放送を提供できるか？」というタイトルの論文で、この概念を普及させ、拡大した。クラークは『完全版金星正三角形』の序文でこの関連性を認めている。[ 4 ] [ 5 ]クラークが最初に放送および中継通信衛星にとって有用であると説明したこの軌道は、[ 5 ]クラーク軌道と呼ばれることもある。[ 6 ]同様に、この軌道上の人工衛星の集まりはクラークベルトとして知られています。[ 7 ]
技術用語では、静止軌道は、おおよそ赤道上にある場合、静止軌道と呼ばれることが多いが、これらの用語は多少互換的に使用される。[ 8 ] [ 9 ]具体的には、静止地球軌道（GEO ）は、静止赤道軌道[ 10 ]または静止地球軌道[ 11 ]の同義語である可能性がある。
最初の静止衛星は、1959年にヒューズ・エアクラフト社で働いていたハロルド・ローゼンによって設計されました。スプートニク1号に触発された彼は、静止衛星（赤道静止衛星）を使って通信をグローバル化したいと考えていました。当時、米国とヨーロッパ間の通信は一度にわずか136人の間でしか不可能で、高周波無線と海底ケーブルに依存していました。[ 12 ]
当時の常識では、衛星を静止軌道に乗せるにはロケットの推力が大きすぎ、費用に見合うだけの寿命がないと考えられていたため、[ 13 ]初期の取り組みは低軌道または中軌道の衛星群に向けられた。 [ 14 ]その最初のものは1960年の受動型気球衛星エコーで、続いて1962年にテルスター1号が打ち上げられた。 [ 15 ]これらのプロジェクトには、静止衛星によって解決できる信号強度と追跡の問題があったが、この概念は非現実的だと考えられていたため、ヒューズはしばしば資金と支援を差し控えた。[ 14 ] [ 12 ]
1961年までに、ローゼンと彼のチームは、直径76センチメートル（30インチ）、高さ38センチメートル（15インチ）、重量11.3キログラム（25ポンド）の円筒形の試作機を製作した。これは軽量で、当時利用可能だったロケットで軌道に乗せるのに十分な大きさであり、スピン安定式で、パンケーキ型の波形を生成する ダイポールアンテナを使用していた。 [ 16 ] 1961年8月、彼らは実用衛星の製作を開始する契約を結んだ。[ 12 ]シンコム1は電子機器の故障で失われたが、シンコム2は1963年に静止軌道に投入された。傾斜軌道のためアンテナの移動が必要だったものの、テレビ放送を中継することができ、 1963年8月23日にはジョン・F・ケネディ米大統領が船上からナイジェリアのアブバカル・タファワ・バレワ首相に電話をかけることができた。 [ 14 ] [ 17 ]
今日では、数百の静止衛星がリモートセンシング、航法、通信を提供している。[ 12 ] [ 1 ]
現在、地球上の人口密集地のほとんどには、遅延や帯域幅の面で優位性のある地上通信設備（マイクロ波、光ファイバー）があり、2018年時点で人口の96%が電話にアクセスでき、90%がインターネットにアクセスできているが[ 18 ] 、先進国の農村部や遠隔地の一部では依然として衛星通信に依存している[ 19 ] [ 20 ]。
静止軌道 (GSO) は、地球の赤道面 (軌道傾斜角 0) にある円形 (離心率 0) の静止同期軌道で、半径は約42,164 km (26,199 mi) (地球の中心から測定) です。[ 21 ] : 156このような軌道上の衛星は、平均海面から約35,786 km (22,236 mi)の高度にあります。地球表面に対して同じ位置を維持します。静止軌道上の衛星を見ることができれば、空の同じ点に静止しているように見え、つまり日周運動を示さず、太陽、月、星は衛星の後ろの空を横切ることになります。このような軌道は通信衛星に役立ちます。[ 22 ]
完全に安定した静止軌道は理想であり、近似的にしか実現できない。実際には、衛星は太陽風、放射圧、地球の重力場の変動、月と太陽の重力の影響などの摂動によってこの軌道からずれてしまうため、軌道維持と呼ばれるプロセスでスラスタを使用して軌道を維持する。[ 21 ]： 156
最終的に、スラスタを使用しないと、軌道は傾斜し、55年ごとに0°から15°の間で振動する。衛星の寿命末期、燃料が枯渇に近づくと、衛星運用者は、傾斜を修正するためのこれらの高価な操作を省略し、離心率のみを制御することを決定する可能性がある。これにより、時間の経過とともに燃料消費量が少なくなるため、衛星の寿命は延びるが、衛星は南北方向の動きを追跡できる地上アンテナでのみ利用できるようになる。[ 21 ]： 156
静止衛星は、位置保持を行わなくても、75°と255°の2つの安定した経度のいずれかを中心に漂流する傾向がある。[ 21 ]： 157
静止軌道上の多くの天体は、偏心軌道または傾斜軌道を持つ。偏心軌道は軌道を楕円形にし、地上局から見ると空で東西方向に振動しているように見える。一方、傾斜軌道は軌道を赤道に対して傾け、地上局から見ると南北方向に振動しているように見える。これらの効果が組み合わさってアナレンマ（図8）を形成する。[ 21 ]： 122
楕円軌道または偏心軌道上の衛星は、操縦可能な地上局によって追跡されなければならない。[ 21 ]： 122
ツンドラ軌道は、衛星がほとんどの時間を高緯度地域の一箇所にとどまることができる偏心静止軌道です。軌道傾斜角は63.4°で、これは凍結軌道であり、位置維持の必要性を軽減します。[ 23 ]エリアを継続的にカバーするには、少なくとも2つの衛星が必要です。[ 24 ]これは、米国北部とカナダの信号強度を向上させるために、Sirius XM衛星ラジオによって使用されました。 [ 25 ]
準天頂衛星システム（QZSS）は、軌道傾斜角42°、離心率0.075の静止軌道で運用される4つの衛星システムです。[ 26 ]各衛星は日本上空に留まり、信号が都市部の峡谷にある受信機に届くようにした後、オーストラリア上空を素早く通過します。[ 27 ]
静止衛星は、赤道の自転速度に一致する順行軌道に乗せるため、東向きに打ち上げられます。衛星を打ち上げることができる最小の軌道傾斜角は、打ち上げ地点の緯度と同じなので、赤道付近から打ち上げると、後で必要となる軌道傾斜角の変更量を抑えることができます。[ 28 ]さらに、赤道付近から打ち上げると、地球の自転速度を利用して衛星に推進力を与えることができます。打ち上げ地点の東側には水域や砂漠があるべきで、ロケットの失敗が人口密集地に落下しないようにする必要があります。[ 29 ]
ほとんどの打ち上げロケットは、静止衛星を直接静止遷移軌道（GTO）に投入します。GTOは、遠地点がGSOの高さにあり、近地点が低い楕円軌道です。その後、衛星搭載の推進装置を使用して近地点を上昇させ、軌道を円形化してGSOに到達させます。[ 28 ] [ 30 ]
いったん静止軌道に入ると、宇宙船は軌道長半径を調整して新しい周期を恒星日よりも短くしたり長くしたりすることで経度位置を変更し、それぞれ東または西への見かけ上の「ドリフト」を引き起こすことができる。目的の経度に達すると、宇宙船の周期は静止軌道周期に戻る。[ 31 ]
スタタイトとは、太陽からの放射圧をソーラーセイルに利用して軌道を変える仮想衛星のことである。 [ 32 ]
それは地球の暗い側の緯度約30度の位置を維持するだろう。地球上の観測者から見ると、24時間ごとに空の同じ場所に戻ってくるので、機能的には静止軌道に似ている。[ 32 ] [ 33 ]
静止軌道のもう1つの形態は、理論上の宇宙エレベーターである。静止軌道帯の上空を周回する質量が地球表面にテザーで繋がれ、その質量が恒星日と同じ周期の軌道を維持するように加速されると、軌道には重力だけでは供給できないより大きな下向きの力が必要になるため、テザーは必要な追加の向心力によって張られ、この張力によってクローラーが物体を上下に運ぶ間、テザー構造が安定する。[ 34 ]
静止衛星は位置を維持するためにある程度の軌道維持が必要であり、スラスタの燃料が尽きて役に立たなくなると、より高い墓場軌道に移動されます。静止衛星を軌道から外すことは現実的ではありません。軌道をわずかに上げるのに必要な燃料よりもはるかに多くの燃料が必要になるためです。また、大気抵抗は無視できるほど小さいため、静止衛星の寿命は数千年にも及びます。[ 35 ]
衛星の廃棄プロセスはますます規制されるようになり、衛星は 寿命の終わりに静止軌道帯から200km以上上空を移動する確率が90％以上でなければならない。[ 36 ]
静止軌道上の宇宙デブリは、ほとんどのGSO衛星が同じ平面、高度、速度で軌道を周回するため、LEO（低地球軌道）よりも衝突速度が一般的に低いですが、偏心軌道上の衛星の存在により、最大4 km/sの衝突が発生する可能性があります。衝突は比較的起こりにくいものの、GSO衛星はデブリを回避する能力が限られています。[ 37 ]
直径10cm未満の破片は 地上から検出するのが非常に難しく、定期的に追跡されていないため、その発生頻度を評価することは困難である。[ 38 ] [ 39 ]
リスクを軽減するための努力にもかかわらず、宇宙船の衝突は発生している。欧州宇宙機関の通信衛星オリンパス1号は1993年8月11日に流星体の衝突を受け、最終的に墓場軌道に移動した[ 40 ]。また、2006年にはロシアの通信衛星エクスプレスAM11号が未知の物体に衝突され、機能しなくなった[ 41 ]が、技術者たちは衛星との十分な通信時間を確保し、墓場軌道に送ることができた。2017年にはAMC-9とテルコム1号の両方が原因不明で分離した[ 42 ] [ 38 ] [ 43 ] 。
静止軌道には以下の特性があります。
すべての静止軌道は、軌道周期がちょうど恒星日と等しい。[ 44 ]これは、他の軌道特性に関係なく、衛星が（恒星）日ごとに地球表面上の同じ地点に戻ることを意味する。[ 45 ] [ 21 ]： 121この軌道周期Tは、次の式によって軌道の長半径と直接関係している。
どこ：
静止軌道は、どのような傾斜角でも持つことができる。
人工衛星は一般的に軌道傾斜角がゼロであり、軌道が常に赤道上に留まるようにすることで、地上観測者（およびECEF基準座標系）の視点から見て緯度に対して静止しているように見える。[ 21 ]： 122
もう一つの一般的な軌道傾斜角は、ツンドラ軌道の場合63.4°で、これにより軌道の近地点引数が時間とともに変化しないことが保証されます。[ 23 ]
静止軌道の特殊な場合、衛星の地上軌跡は赤道上の一点となる。軌道傾斜角または離心率がゼロでない静止同期軌道の一般的な場合、地上軌跡は多かれ少なかれ歪んだ8の字となり、恒星日ごとに同じ場所に戻る。[ 21 ]： 122
地球上のどこかに固定されているように見える衛星は、静止地球軌道（GEO）にあります。GEOに向かう衛星は、まず遠地点が約23,000マイルの楕円軌道に入ります。その後、遠地点でロケットエンジンを噴射して軌道を円形にします。静止軌道は、静止軌道とも呼ばれます。
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