太陽同期軌道

太陽同期軌道（SSO ）は太陽同期軌道とも呼ばれ、^[1]惑星の周りのほぼ極軌道であり、衛星は同じ地方平均太陽時で惑星表面の任意の地点を通過します。 ^{[2] [3]}より技術的には、これは1年に1回完全に公転するように配置された軌道であり、常に太陽と同じ関係を維持します 。

太陽同期軌道は、画像衛星、偵察衛星、気象衛星に有効です。^[4]なぜなら、衛星が頭上にあるときはいつでも、その下にある惑星の表面照明角度がほぼ同じだからです。この一貫した照明は、気象衛星やスパイ衛星など、可視光または赤外線波長で地球の表面を撮影する衛​​星や、太陽光を必要とする海洋や大気のリモートセンシング機器を搭載するその他のリモートセンシング衛星にとって有用な特性です。たとえば、太陽同期軌道にある衛星は、1日に12回、毎回平均現地時間で約15:00に赤道を横切って上昇することがあります。

太陽同期軌道の特殊なケースとしては、赤道緯度の地方平均太陽時刻が正午または真夜中頃となる正午/真夜中軌道と、赤道緯度の地方平均太陽時刻が日の出または日の入り頃となる夜明け/夕暮れ軌道があり、衛星は昼と夜の間で境界線上を通過する。境界線上を通過することは、能動型レーダー衛星にとって有用である。なぜなら、衛星の太陽電池パネルは、地球の影に隠れることなく、常に太陽を見ることができるからである。また、太陽の測定への影響を制限する必要がある受動型機器を搭載した一部の衛星にとっても有用である。なぜなら、機器を常に地球の夜側に向けることができるからである。夜明け/夕暮れ軌道は、TRACE、ひので、PROBA-2などの太陽観測科学衛星に使用されており、ほぼ連続的に太陽を観測することができる。

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  2021年現在、アクアの上昇軌道は現地時間13時30分に赤道を横切る。
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  アクアの軌道降下経路の2021が現地時間01:30に赤道を横切ると

太陽同期軌道は、接触軌道面を天球に対して毎日約1度東に歳差運動（回転）させ、地球が太陽の周りを回るのと歩調を合わせることで実現されます。^{[5]この歳差運動は、傾斜軌道を摂動させる地球の}赤道の膨らみによって宇宙船の軌道面が望ましい速度で歳差運動するように、軌道の高度に対する傾斜を調整することで実現されます（技術的な詳細を参照）。軌道面は遠くの星に対して空間的に固定されているわけではなく、地球の軸を中心にゆっくりと回転します。

地球を周回する典型的な太陽同期軌道は高度約600～800 km（370～500マイル）、周期96～100分、傾斜角約98°である。これは地球の自転方向に比べてわずかに逆行しており、0°は赤道軌道、90°は極軌道を表す。^[5]

太陽同期軌道は、火星などの他の扁平惑星の周りでも可能。金星のようにほぼ球形の惑星を周回する衛星は、太陽同期軌道を維持するために外部からの推進力が必要となる。

地球を周回する衛星の軌道 角歳差運動は、おおよそ次のように表される。

${\displaystyle \Delta \Omega =-3\pi {\frac {J_{2}R_{\text{E}}^{2}}{p^{2}}}\cos i,}$

どこ

J2 =_​1.082 63 × 10 ⁻³は地球の扁平率に関連する第2の帯状項の係数である

R _E ≈ 6378 kmは地球の平均半径であり、

pは眼窩の半直筋であり、

i は赤道に対する軌道の傾斜角です。

歳差運動速度ρが太陽同期軌道となるのは、dΩの/d t⁠ は 太陽の周りの地球の平均運動n _{E に}等しく、これは恒星年あたり360°です（1.990 968 71 × 10 ⁻⁷  rad /s）なので、n _E = ⁠と設定する必要があります。 ΔΩE​_​/テ_​⁠ = ρ = ⁠ΔΩ​/Tここ で、 T _Eは地球の公転周期、 T は宇宙船が地球を周回する周期です。

宇宙船の軌道周期は

${\displaystyle T=2\pi {\sqrt {\frac {a^{3}}{\mu }}},}$

ここで、aは軌道の長半径、 μは惑星の標準重力パラメータである（地球の場合、速度は398 600 .440 km ³ /s ^2である。円軌道またはほぼ円軌道の場合、 p ≈ aとなるので、

${\displaystyle {\begin{aligned}\rho &\approx -{\frac {3J_{2}R_{\text{E}}^{2}{\sqrt {\mu }}\cos i}{2a^{7/2}}}\\&=-(360^{\circ }{\text{ 年間}})\times \left({\frac {a}{12\,352{\text{ km}}}}\right)^{-7/2}\cos i\\&=-(360^{\circ }{\text{ 年間}})\times \left({\frac {T}{3.795{\text{ h}}}}\right)^{-7/3}\cos i,\end{aligned}}}$

またはρが1年あたり360°の場合、

${\displaystyle \cos i\approx -{\frac {2\rho }{3J_{2}R_{\text{E}}^{2}{\sqrt {\mu }}}}a^{7/2}=-\left({\frac {a}{12\,352{\text{ km}}}}\right)^{7/2}=-\left({\frac {T}{3.795{\text{ h}}}}\right)^{7/3}.}$

例えば、=7200 km、つまり高度a − R _E ≈宇宙船が地球の表面から 800 km上空を飛行する場合、この式により太陽同期傾斜角は 98.7° になります。

この近似によれば、半径が等しいとき、cos iは−1に等しいことに注意されたい。12 352  km であり、これはより低い軌道のみが太陽同期軌道となることを意味する。周期は、非常に低い軌道（a =6554 km、i = 96°）から3.8時間（a =12 352  kmですが、この軌道は赤道軌道で、 i = 180°です。p < 12 352 km の偏心軌道を使用すると、3.8時間を超える周期が可能になります。12 352  kmですが、>12,352 キロ。 ​

毎日同じ時間に地球上の特定の地点の上空を衛星が飛ぶようにしたい場合、衛星は 1 日に整数回の軌道を周回する必要があります。円軌道を想定すると、これは 1 日に 7 ～ 16 回の軌道になります。7 回未満の軌道を周回するには、太陽同期軌道の最高高度を超える必要があり、16 回を超える軌道を周回するには、地球の大気圏内または地表内の軌道が必要になるためです。結果として得られる有効な軌道を次の表に示します。(表は、与えられた周期を前提として計算されています。実際に使用すべき軌道周期は、これよりわずかに長くなります。たとえば、24 時間後に同じ地点の上空を通過する逆行赤道軌道の実際の周期は約⁠です。365/364⁠ ≈ 1.0027 倍、オーバーパス間の時間より長くなります。赤道軌道以外の軌道の場合、係数は 1 に近くなります。

太陽同期軌道が毎回同じ現地時間に地球上の一点を通過すると言う場合、これは平均太陽時を指し、見かけの太陽時を指しているわけではありません。太陽は一年を通して空の上でまったく同じ位置にあるわけではありません (均時差とアナレンマを参照)。

地球観測衛星には主に太陽同期軌道が選択され、高度は通常600～太陽同期軌道は、地球表面から1000 km上空を周回する。しかし、軌道が太陽同期のままであっても、地球の重力場の高次摂動、太陽光の圧力、その他の原因により、近点引数や軌道離心率などの他の軌道パラメータは変化する。特に、地球観測衛星は、同じ場所を通過するときに高度が一定である軌道を好む。離心率と近地点の位置を慎重に選択すると、摂動の変化率が最小になり、したがって軌道が比較的安定する特定の組み合わせ、つまり近点の位置の動きが安定する凍結軌道が明らかになる。 ^[6]欧州宇宙機関のERS -1、ERS-2、Envisat、およびEUMETSATのMetOp宇宙船とカナダ宇宙機関のRADARSAT-2はすべて、このような太陽同期凍結軌道で運用されている。^[7]

• サンドウェル、デイビッド・T.、地球の重力場 - パート 1 (2002) (p. 8)
• 太陽同期軌道辞書の項目、米国飛行100周年記念委員会より
• NASA Q&A
• Boain, Ronald J. (2004 年 2 月)。「太陽同期軌道設計の AB-C」(PDF) 。宇宙飛行力学会議。2007年 10 月 25 日のオリジナル(PDF)からアーカイブ。

• 太陽同期軌道上の衛星一覧