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モルニヤ軌道(ロシア語: Молния、IPA: [ ˈmoɫnʲɪjə ])ⓘ（「ライトニング」）は、高緯度地域に通信とリモートセンシングのカバレッジを提供するように設計された衛星軌道の一種です。これは、傾斜角が 63.4 度、近地点引数が 270 度、軌道周期が恒星日の約 1/2 日という非常に楕円形の軌道です。[1]この名前は、1960年代半ばからこのタイプの軌道ソ連/ロシアの民間および軍事通信衛星のシリーズであるモルニヤ衛星に由来しています。モルニヤ軌道のバリエーションとして、周期が恒星日の 3 分の 1 である 三遠点軌道があります。
モルニヤ軌道は、対象となる半球上空に長時間滞留する一方、もう一方の半球上空を非常に速く移動します。実際には、この軌道はロシアまたはカナダ上空をほとんど通過するため、これらの高緯度地域をカバーする通信衛星や監視衛星に高い視野角を提供します。赤道上で必然的に傾斜している静止軌道では、これらの地域を低い角度からしか見ることができないため、性能が制限されます。実際には、モルニヤ軌道上の衛星は、高緯度地域において、赤道地域における静止衛星と同じ役割を果たしますが、連続的なカバーには複数の衛星が必要となります。[ 2 ]
モルニヤ軌道に配置された衛星は、テレビ放送、電気通信、軍事通信、中継、気象観測、早期警報システム、機密監視などの目的で使用されてきた。
モルニヤ軌道は、1960年代にソ連の科学者によって、高緯度通信用の静止軌道の代替案として発見されました。静止軌道は、高い近地点を達成し、軌道傾斜角を変更して赤道上を周回するために大きな打ち上げエネルギーを必要とします（特にロシアの緯度から打ち上げられる場合）。そのため、OKB-1はよりエネルギー消費の少ない軌道を模索しました。[ 3 ]研究により、ロシア領上空に遠地点を持つ非常に楕円形の軌道を使用することでこれが実現できることがわかりました。[ 4 ]軌道の名前は、衛星が近地点を通過する「稲妻」のような速さに由来しています。[ 5 ]
モルニヤ軌道の最初の使用は、同名の通信衛星シリーズによるものでした。1964年に2回の打ち上げ失敗と1回の衛星の故障の後、この軌道を使用した最初の成功した衛星であるモルニヤ1-1は、1965年4月23日に打ち上げられました。[ 4 ] [ 6 ]初期のモルニヤ1衛星は、民間のテレビ、電気通信、長距離軍事通信に使用されましたが、気象監視に使用されるカメラも搭載されており、おそらくゼニット偵察衛星のためのクリアエリアを評価するためにも使用されました。[ 3 ] [ 7 ]オリジナルのモルニヤ衛星の寿命は約1.5年で、軌道が摂動によって乱され、常に交換する必要がありました。[ 1 ]
後継のモルニヤ-2シリーズは、軍事放送と民間放送の両方を提供し、ソビエト連邦全土に広がるオルビタテレビネットワークの構築に使用されました。これらはさらにモルニヤ-3設計に置き換えられました。 [ 4 ] 1997年にモルニヤ衛星を補完および置き換えるためにマヤクと呼ばれる衛星が設計されましたが、プロジェクトは中止され、[ 8 ]モルニヤ-3はメリディアン衛星に置き換えられ、最初の衛星は2006年に打ち上げられました。[ 9 ]アメリカのロケット発射を監視するソビエト連邦のUS-K早期警戒衛星は、オコシステムの一部として1967年からモルニヤ軌道に打ち上げられました。[ 10 ] [ 11 ] [ 12 ]
1971年から、アメリカの軍事衛星ジャンプシートとトランペットがモルニヤ軌道に打ち上げられた（そしておそらくモルニヤ衛星からのソ連の通信を傍受するために使用された）。両プロジェクトに関する詳細情報は、2019年現在も機密扱いとなっている。[ 13 ]これに続いて、モルニヤ軌道と静止軌道を組み合わせた運用を行うアメリカのSDS衛星コンステレーションが登場しました。これらの衛星は、低高度を飛行する衛星からの信号を米国の地上局に中継するために使用され、1976年から何らかの形で運用されています。[ 14 ]ロシアのTyulpanと呼ばれる衛星コンステレーションは、高緯度での通信をサポートするために1994年に設計されましたが、計画段階から進展しませんでした。[ 8 ]
2015年と2017年に、ロシアはEKS早期警戒システムの一部として、その名前とは裏腹に、2機のツンドラ衛星をモルニヤ軌道に打ち上げた。 [ 15 ] [ 16 ] [ 17 ]
旧ソ連の地域の大部分、特にロシアは、北緯の高い地域に位置しています。これらの緯度に静止軌道（地球の赤道上空）から放送するには、仰角が低いこと、およびそれに伴う距離と大気減衰のため、かなりの電力が必要です。北緯81度より北に位置する場所では、静止衛星を全く見ることができません。経験則として、通信周波数によっては、仰角が10度未満だと問題が発生する可能性があります。[ 2 ]： 499 [ 18 ]
モルニヤ軌道上の衛星は、軌道の大部分においてこれらの地域をより直接的に見下ろすことができるため、これらの地域での通信に適しています。遠地点高度は40,000キロメートル（25,000マイル）にも達し、遠地点の衛星直下点は北緯63.4度であるため、軌道のかなりの部分で、ロシアだけでなく北ヨーロッパ、グリーンランド、カナダからも北半球で優れた視界を確保できます。[ 2 ]
モルニヤ軌道の衛星は静止軌道の衛星よりも打ち上げに必要なエネルギーがかなり少ない（特に高緯度から打ち上げる場合）が、[ 4 ]地上局は宇宙船を追跡するために可動アンテナが必要であり、衛星群間でリンクを切り替える必要があり、距離の変化によって信号振幅が変動する。さらに、位置保持の必要性が高まり、[ 19 ] [ 20 ] [ 21 ]宇宙船は1日に4回ヴァン・アレン放射線帯を通過する。[ 22 ]
近地点引数が 90° の同様の軌道は、南半球の高緯度地域をカバーすることを可能にする可能性がある。提案された衛星コンステレーションである南極ブロードバンドプログラムでは、逆モルニヤ軌道の衛星を使用して、南極の施設にブロードバンドインターネットサービスを提供することになっていた。[ 23 ] [ 24 ]当初は、現在は廃止されたオーストラリア宇宙研究プログラムによって資金提供されていたが、初期開発を超えて進展することはなかった。[ 25 ] [ 26 ]
地球の広範囲（例えば、南端が北緯約45度のロシア全土 ）を恒久的に高緯度でカバーするには、モルニヤ軌道上に少なくとも3機の宇宙機を配置する必要があります。3機の宇宙機を使用する場合、各宇宙機は図4に示すように、遠地点を中心とした軌道ごとに8時間稼働します[ 2 ]。図5は、遠地点付近の衛星の視野を示しています。
地球は12時間で半回転するため、モルニヤ軌道の連続する遠地点は北半球の片側ともう片側で交互になります。オリジナルのモルニヤ軌道では、遠地点はロシアと北アメリカの上空に配置されていましたが、昇交点の赤経を変更することでこれを変更できます。[ 19 ]モルニヤ軌道上の衛星によるロシア上空のカバー範囲を図6～8に、北アメリカのカバー範囲を図9～11に示します。
3機の宇宙機の軌道は同じ軌道パラメータを持つが、昇交点の赤経は異なり、遠地点通過は7.97時間離れている。[ 2 ] [ 27 ]各衛星の運用期間は約8時間であるため、1機の宇宙機が遠地点通過後4時間経過すると（図8または図11を参照）、次の衛星が運用期間に入り、地球の眺めは図6（または図9）に示され、切り替えが行われる。切り替え時の2機の宇宙機は約1,500キロメートル（930マイル）離れているため、地上局はアンテナを数度動かすだけで新しい宇宙機を捕捉できる。[ 28 ]
典型的なモルニヤ軌道は、以下の特性を持つ。
近地点引数は270°に設定されており、衛星は軌道の最北端で遠地点を経験する。南半球での今後の用途では、代わりに90°に設定される。[ 24 ]
一般的に、地球の扁平性は近地点引数を乱します（）なので、時間とともに徐々に変化します。一次係数のみを考慮すると位置保持スラスタ噴射によって常に補正されない限り、近地点は式1に従って変化します。
どこ軌道傾斜角は、奇抜さ、は1日あたりの平均移動度数です。は摂動要因であり、は地球の半径です。は長半径であり、単位は1日あたりの度数です。
この燃料消費を避けるため、モルニヤ軌道は63.4°の傾斜角を使用し、はゼロなので、近地点の位置は時間とともに変化しません。[ 20 ] [ 19 ]： 143このように設計された軌道は凍結軌道と呼ばれます。
地上局に対する幾何学的関係が24時間ごとに繰り返されるようにするには、遠地点の経度を一定に保ちながら、周期を恒星日のおよそ半日にする必要がある。
しかし、地球の扁平性は昇交点の赤経も乱す（)節周期が変化し、式2に示す速度で地上軌道が時間とともにドリフトする。
どこは1日あたりの度数で表される。[ 19 ]： 143
モルニヤ軌道の傾斜角は固定されているため（上記のように）、この摂動は1日あたり度。これを補正するために、遠地点の経度が十分に変化してこの影響を打ち消すように軌道周期が調整される。[ 20 ]
軌道の離心率は、遠地点と近地点の高度の差に基づいて決定されます。衛星が遠地点上空に滞在する時間を最大化するには、離心率をできるだけ高く設定する必要があります。ただし、近地点は、衛星が大気圏から十分に高い位置にあるようにして抗力を最小限に抑える（約600km）必要があり、軌道周期は恒星日のおよそ半分に抑える必要があります（上記参照）。これらの2つの要因により離心率が制限され、約0.737になります。[ 20 ]
モルニヤ軌道上の衛星の正確な高度はミッションごとに異なりますが、典型的な軌道では近地点高度が約600キロメートル（370マイル）、遠地点高度が39,700キロメートル（24,700マイル）となり、軌道長半径は26,600キロメートル（16,500マイル）になります。[ 20 ]
モルニヤ軌道を使用して衛星を追跡するために、科学者はSDP4簡略化摂動モデルを使用します。このモデルは、軌道形状、抗力、放射、太陽と月からの重力の影響、および地球共鳴項に基づいて衛星の位置を計算します。[ 29 ]
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