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静止軌道（GSO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（1恒星日）に一致する。自転と公転周期の同期は、地球表面の観測者にとって、静止軌道上の物体が 1 恒星日後に空のまったく同じ位置に戻ることを意味する。1 日を通して、物体の空の位置は静止したままか、通常は 8 の字型の軌跡を描くが、その正確な特徴は軌道の傾斜と離心率によって決まる。円形の静止軌道の高度は 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、地球の赤道面を周回する円形の静止軌道（GEOと略されることが多い）がある。この軌道では、傾斜角と離心率はともに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の同じ位置に留まる。[1]
通信衛星は、静止軌道またはそれに近い軌道に配置されることが多く、通信を行う衛星アンテナは移動する必要がなく、衛星が現れる空の固定位置に恒久的に向けることができます。[1]
歴史
1929年、ヘルマン・ポトチニクは、一般的な静止軌道と、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・スミスの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。英国の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発表された論文「地球外中継機 - ロケットステーションは世界中に無線を届けられるか?」でこの概念を広め、拡張した。クラークは「完全な金星正三角形」の序文でそ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有用であると説明した軌道は、[5]クラーク軌道と呼ばれることもある。[6]同様に、この軌道にある人工衛星の集合はクラークベルトとして知られている。[7]
技術用語では、静止軌道は赤道上空にある場合は静止軌道と呼ばれることが多いが、これらの用語はある程度互換的に使用されている。[8] [9]特に、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た。スプートニク1号に触発され、彼は静止衛星（静止赤道衛星）を使って通信をグローバル化したいと考えた。当時、米国とヨーロッパ間の通信は一度に136人の間でしかできず、高周波無線と海底ケーブルに依存していた。[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パワーが大きすぎる上に、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]最初のものは1960年の受動型エコー気球衛星で、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は信号強度と追跡に問題があったが、静止衛星なら解決できたが、そのコンセプトは非現実的とみなされ、ヒューズは資金と支援をしばしば差し控えた。[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）、重さ11.3キログラム（25ポンド）の円筒形のプロトタイプを製作した。これは、当時利用可能なロケットで軌道に乗せられるほど軽量で小型であり、スピン安定化されており、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、彼らは実用的な衛星の建造を開始する契約を結んだ。[12]彼らはシンコム1号を電子機器の故障で失ったが、シンコム2号は1963年に静止軌道にうまく投入された。傾斜軌道のためアンテナを移動させる必要があったが、テレビ放送を中継することができ、 1963年8月23日にジョン・F・ケネディ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を可能にした。 [14] [17]
現在、リモートセンシング、ナビゲーション、通信を提供する静止衛星が数百基存在します。 [12] [1]
地球上の人口密集地のほとんどには現在、遅延や帯域幅の利点があることが多い地上通信施設（マイクロ波、光ファイバー）があり、2018年現在、電話アクセスは人口の96％をカバーし、インターネットアクセスは90％をカバーしていますが、[18]先進国の一部の農村部や遠隔地では、依然として衛星通信に依存しています。[19] [20]
種類
静止軌道
静止赤道軌道（GEO）は、地球の赤道面上の半径約42,164 km（26,199 mi）（地球の中心から測定）の円形の静止軌道です。[21] : 156 このような軌道にある衛星は、平均海面から約35,786 km（22,236 mi）の高度にあります。地球の表面に対して同じ位置を維持します。静止軌道にある衛星を見ると、空の同じ地点に浮かんでいるように見えます。つまり、日周運動を示さず、その背後で太陽、月、星が空を横切ります。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、近似することしかできない。実際には、太陽風、放射圧、地球の重力場の変化、月と太陽の重力の影響などの摂動により、衛星はこの軌道から外れてしまうため、軌道維持と呼ばれるプロセスでスラスタが使用される。[21] ：156
最終的には、スラスタを使わなければ、軌道は傾き、55年ごとに0°から15°の間で振動するようになる。衛星の寿命が尽き、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が少なくなるため衛星の寿命が延びますが、衛星は南北運動に追従できる地上アンテナでのみ使用できるようになります。[21] : 156
静止衛星は、75°と255°の2つの安定した経度のいずれかの周りを、定位置を維持せずに漂う傾向があります。[21] : 157
楕円軌道と傾斜静止軌道
静止軌道上の多くの物体は、偏心軌道や傾斜軌道を持っています。偏心軌道は楕円軌道となり、地上局から見ると東西方向に振動しているように見えます。一方、傾斜軌道は赤道に対して軌道を傾け、地上局から見ると南北方向に振動しているように見えます。これらの効果が組み合わさってアナレマを形成します（図8）。[21] : 122
楕円軌道や偏心軌道にある衛星は、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
ツンドラ軌道は偏心した静止軌道で、衛星はほとんどの時間を高緯度の一地点にとどまることができます。傾斜角63.4°の静止軌道にあるため、軌道維持の必要性が減ります。[23]一定地域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]シリウスXM衛星ラジオは、この軌道を米国北部とカナダの信号強度を改善するために使用しました。 [25]
準天頂軌道
準天頂衛星システム（QZSS）は、傾斜角42°、離心率0.075の静止軌道で動作する4機の衛星システムです。[26]各衛星は日本上空に留まり、信号が都市の谷間の受信機に届き、その後オーストラリア上空を素早く通過します。[27]
打ち上げ
静止衛星は、赤道の自転速度に一致する順行軌道に東から打ち上げられる。衛星を打ち上げることができる最小の傾斜は、打ち上げ場所の緯度の傾斜であるため、赤道に近い場所から衛星を打ち上げると、後で必要となる傾斜の変更量が制限される。 [28]さらに、赤道に近い場所から打ち上げると、地球の自転速度で衛星を加速させることができる。打ち上げ場所の東側には水域または砂漠があり、失敗したロケットが人口密集地に落下することはない。[29]
ほとんどの打ち上げロケットは、静止衛星を静止トランスファー軌道（GTO）に直接投入します。GTOは、GSO高度の遠地点と低い近地点を持つ楕円軌道です。その後、衛星搭載の推進力を使用して近地点を上げ、円軌道を描いてGSOに到達します。[28] [30]
静止軌道に乗った後、宇宙船は半長軸を調整して新しい周期が恒星日よりも短くなったり長くなったりするように経度位置を変更し、それぞれ東または西への見かけの「ドリフト」を生じさせることができる。目的の経度に達すると、宇宙船の周期は静止軌道に戻る。[31]
提案された軌道
Statite提案
スタタイトは、太陽からの放射圧をソーラーセイルに利用して軌道を修正する仮想衛星である。 [32]
この衛星は、地球の暗黒面上空約30度の緯度に留まります。地球から見ると、24時間ごとに同じ地点に戻ってくるため、機能的には静止軌道に似ています。[32] [33]
宇宙エレベーター
静止軌道のもう一つの形態は、理論上の宇宙エレベーターである。エレベーターの一端が地面に固定されると、静止ベルト以下の高度では、重力のみの場合よりも短い軌道周期を維持する。[34]
退役した衛星
静止衛星は定位置に留まるためにある程度の軌道維持を必要とし、スラスタ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る。静止衛星を軌道から外すのは現実的ではない。軌道をわずかに高くするよりもはるかに多くの燃料が必要になるからだ。また、大気抵抗は無視できるため、静止衛星の寿命は数千年になる。[35]
退役プロセスはますます規制が厳しくなってきており、衛星は寿命の終わりに静止軌道上200km以上を移動する確率が90％でなければならない。[36]
宇宙ゴミ
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、速度で周回するため、通常、LEOよりも衝突速度が低くなります。しかし、偏心軌道上の衛星が存在すると、最大4km/sで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ですが、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未満のデブリは地球からは見えないため、その存在範囲を評価することは困難である。[38]
リスクを軽減する努力にもかかわらず、宇宙船の衝突は起きている。欧州宇宙機関の通信衛星オリンパス1号は1993年8月11日に隕石に衝突され、最終的に墓場軌道に移動した。[39]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、動作不能になったが、[40]技術者らは衛星と接触するのに十分な時間があったため、衛星を墓場軌道に送ることができた。2017年にはAMC-9号とテルコム1号の両方が原因不明で分解した。[41] [38] [42]
プロパティ
静止軌道には次のような特性があります。
期間
すべての静止軌道の軌道周期は、ちょうど1恒星日に等しい。[43]これは、衛星が他の軌道特性に関係なく、地球の表面上の同じ地点に毎恒星日に戻ってくることを意味します。[44] [21] : 121 この軌道周期Tは、次の式を通じて軌道の半長軸と直接関係しています。
どこ：
- aは軌道の長半径の長さである
- は中心天体の標準重力パラメータである[21] ：137
傾斜
静止軌道は任意の傾斜角を持つことができます。
衛星の軌道傾斜角は一般的にゼロであり、軌道は常に赤道上にあり、地上観測者の観点からは緯度に対して静止している（ECEF基準系）。[21] : 122
もう一つの一般的な傾斜角はツンドラ軌道の63.4°であり、これにより軌道の近地点引数が時間の経過とともに変化しないことが保証されます。[23]
地上トラック
静止軌道の特殊なケースでは、衛星の地上軌道は赤道上の一点となる。傾斜角または離心率がゼロでない静止軌道の一般的なケースでは、地上軌道は多かれ少なかれ歪んだ8の字となり、恒星日に一度同じ場所に戻る。[21] : 122
参照
参考文献
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地球上のどこかの地点に取り付けら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進みます。遠地点でロケット エンジンを点火すると、軌道は円形になります。静止軌道は静止軌道とも呼ばれます。
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外部リンク
- 現在静止軌道上にある衛星のリストは毎日更新されます
- サイエンス@NASA – 静止軌道
- NASA – 惑星の軌道
- 静止軌道に関するサイエンス プレスのデータ (履歴データと打ち上げ統計を含む)
- 軌道力学（ロケットと宇宙技術）
- NASA 天文写真集: アルプス山脈の向こうの静止衛星のタイムラプス (2012 年 4 月 11 日)