衛星地上軌道

衛星地上軌跡または衛星地上トレースは、衛星の軌道の真下にある惑星の表面上の経路です。これは、サブオービタルトラックまたはサブサテライトトラックとも呼ばれ、衛星の軌道を地球の表面（または衛星が周回している天体）に垂直に投影したものです。 ^[1] 衛星地上軌跡は、衛星と地球の中心を結ぶ仮想線の動きをトレースする、地球の表面に沿った経路と考えることができます。言い換えると、地上軌跡は、地上の観測者の基準フレーム内で、衛星が真上を通過する、または天頂を横切る点の集合です。^[2]

衛星の地上軌道は、衛星軌道の大きさ、形状、方向を定義するパラメータである軌道要素の値に応じて、さまざまな形をとることができますが、その識別は常に動いている物理的形状の認識に依存しています。 ^{[注 1]これは、問題となっている}物体の識別がさまざまな理論の対象となったベラ事件に関する憶測の際に強調されました。 ^[3]

通常、衛星はほぼ正弦波状の軌道を描いています。軌道傾斜角が0 度から 90 度の間である衛星は、順行軌道にあると言われ、惑星の自転と同じ方向に周回します。軌道傾斜角が 90 度から 180 度の間 (または、0 度から -90 度の間) である衛星は、逆行軌道にあると言われます。^{[注 2]}

軌道周期が 1 日未満の直進軌道にある衛星は、地上軌道に沿って西から東へ移動する傾向があります。これは「見かけの直進」運動と呼ばれます。軌道周期が1 日を超える直進軌道にある衛星は、地上軌道に沿って東から西へ移動する傾向があります。これは「見かけの逆行」運動と呼ばれます。この効果は、衛星の軌道が地球の自転速度よりも遅いために発生します。真の逆行軌道にある衛星は、軌道周期の長さに関係なく、常に地上軌道に沿って東から西へ移動します。

偏心軌道上の衛星は近地点付近ではより速く移動し、遠地点付近ではより遅く移動するため、衛星が軌道の一部では東向きに進み、別の部分では西向きに進む可能性があります。この現象により、以下で説明する静止軌道やモルニヤ軌道のように、単一の軌道内で交差する地上軌道が可能になります。

軌道周期が 1 日の整数分の 1 (24 時間、12 時間、8 時間など)である衛星は、毎日ほぼ同じ地上軌道をたどります。この地上軌道は、昇交点の経度に応じて東または西にシフトします。昇交点は、軌道の摂動により時間の経過とともに変化する可能性があります。衛星の周期が 1 日の整数分の 1 よりわずかに長い場合、地上軌道は時間の経過とともに西にシフトします。衛星の周期がわずかに短い場合、地上軌道は東にシフトします。^{[2] [4]}

衛星の軌道周期が長くなり、地球の自転周期に近づくと（つまり、衛星の平均軌道速度が地球の自転速度に近づくにつれて）、衛星の正弦波状の地上軌道は縦方向に圧縮され、つまり「ノード」（衛星が赤道を横切る点）が互いに接近し、静止軌道ではそれらが互いに直接重なることになります。地球の自転周期よりも長い軌道周期の場合、軌道周期の増加は（見かけ上逆行する）地上軌道の縦方向の伸長に相当します。

軌道周期が地球の自転周期に等しい衛星は、静止軌道にあると言われています。その地上軌道は、地球上の固定された場所の上空で「8の字」の形を描き、1日に2回赤道を横切ります。衛星は、軌道上で近地点に最も近いときは東向きに、遠地点に最も近いときは西向きに軌道を進みます。

静止軌道の特殊なケースである静止軌道は、離心率がゼロ（軌道が円形であることを意味する）で、地球中心、地球固定 座標系での傾斜がゼロ（軌道面が地球の赤道に対して傾いていないことを意味する）です。この場合の「地上軌道」は、地球の赤道上の 1 点で構成され、衛星は常にその上にあります。衛星は依然として地球の周りを周回していることに注意してください。衛星が見かけ上動いていないように見えるのは、地球が衛星の周回と同じ速度で 自身の質量中心の周りを回転しているからです。

軌道傾斜角は、軌道面と地球の赤道面との間に形成される角度です。地上経路がカバーする地理的緯度は、 iを軌道傾斜角とすると、-iからiの範囲になります。 ^[4]言い換えれば、衛星の軌道傾斜角が大きいほど、その地上経路はより北と南を通過します。傾斜角が正確に 90° の衛星は極軌道にあると言われ、地球の北極と南極の上を通過します。

低緯度の発射場は、軌道傾斜角の柔軟性という理由から、しばしば好まれる。軌道の初期傾斜角は、発射緯度以上という制約がある。例えば、ケープカナベラルから発射されるロケットの初期軌道傾斜角は、発射場の緯度である28°27′以上になる。この最小値を達成するには、真東方位で発射する必要があるが、他の発射制約を考えると、これが常に実行可能であるとは限らない。極端な場合、赤道上にある発射場は、任意の傾斜角で直接発射できるが、北極または南極にある仮想の発射場は、極軌道にしか発射できない。（軌道上で一度軌道傾斜角変更操作を実行することは可能であるが、そのような操作は、通常、すべての軌道操作のうち、燃料の点で最もコストがかかる操作の1つであり、通常は回避されるか、可能な限り最小限に抑えられる。）

低緯度発射場は、初期軌道傾斜角の範囲が広いことに加え、地球の自転によって初期速度が決まることにより、軌道に乗るのに必要なエネルギーが少なくて済むという利点がある（少なくとも、発射の大部分を占める順行軌道の場合）。赤道上の発射場を求める要望と、地政学的および物流上の現実が相まって、浮体式発射プラットフォームの開発が促進され、最も有名なのはシー・ローンチである。

近地点引数がゼロの場合、つまり近地点と遠地点が赤道面にある場合、衛星の地上軌道は赤道の上下で同じになります（つまり、軌道交点を中心に180°回転対称になります）。ただし、近地点引数がゼロでない場合は、衛星は北半球と南半球で異なる動作をします。近地点引数が -90° に近いモルニヤ軌道は、このようなケースの例です。モルニヤ軌道では、遠地点は高緯度（63°）で発生し、軌道の離心率は高くなります（e = 0.72）。これにより、衛星は北半球の領域の上を長時間「ホバリング」しますが、南半球の上を過ごす時間は非常に短くなります。この現象は「遠地点滞留」として知られており、高緯度地域での通信に適しています。^[4]

地球上の特定の場所を監視するために軌道操作が必要になることが多いため、同じ地上軌道を定期的にカバーする軌道がよく使用されます。地球では、これらの軌道は一般に地球繰り返し軌道と呼ばれ、安定した（時間による変化が最小限の）軌道要素を持つ繰り返し地上軌道軌道を実現するために、「凍結軌道」パラメータを使用して設計されることがよくあります。^[5]これらの軌道は、節歳差効果を使用して軌道をシフトし、地上軌道が前の軌道と一致するようにすることで、軌道を周回する天体の公転のオフセットを本質的にバランスさせます。惑星の一定期間後の経度回転は、次の式で与えられます。

${\displaystyle \Delta L_{1}=-2\pi {\frac {T}{T_{E}}}}$

どこ

• ${\displaystyle T}$経過時間は
• ${\displaystyle T_{E}}$軌道を回る天体が一周するのにかかる時間。地球の場合は1恒星日である。

節歳差運動の影響は次のように定量化できます。

${\displaystyle \Delta L_{2}=-{\frac {3\pi J_{2}R_{e}^{2}cos(i)}{a^{2}(1-e^{2})^{2}}}}$

どこ

• ${\displaystyle J_{2}}$体の2番目の動的形状因子である
• ${\displaystyle R_{e}}$体の半径
• ${\displaystyle i}$軌道傾斜角は
• ${\displaystyle a}$軌道の長半径である
• ${\displaystyle e}$軌道離心率

これら 2 つの効果は、一定の軌道回転数と(恒星) 日数後には相殺されるはずです。したがって、経過時間を衛星の軌道周期と等しくし、上記の 2 つの式を組み合わせると、繰り返し軌道である任意の軌道に当てはまる式が得られます。 ${\displaystyle j}$${\displaystyle k}$

${\displaystyle j\left|\Delta L_{1}+\Delta L_{2}\right|=j\left|-2\pi {\frac {2\pi {\sqrt {\frac {a^{3}}{\mu }}}}{T_{E}}}-{\frac {3\pi J_{2}R_{e}^{2}cos(i)}{a^{2}(1-e^{2})^{2}}}\right|=k2\pi }$

どこ

• ${\displaystyle \mu }$周回する物体の標準的な重力パラメータである
• ${\displaystyle j}$同じ地上軌道を周回する軌道回転数である。
• ${\displaystyle k}$同じ地上経路がカバーされるまでの恒星日数である。

• コース（ナビゲーション）
• 地上追跡ステーション
• パス（宇宙飛行）、宇宙船が地平線より上に見える期間
• 衛星の再訪周期、衛星による地球上の同じ地点の観測間の経過時間
• 趣味としての衛星観測
• 太陽の真下
• 太陽の境界線、惑星の明るい昼側と暗い夜側を分ける動く線

• Lyle, S. および Capderou, Michel (2006) 衛星: 軌道とミッション Springer ISBN 9782287274695 pp 175–264 

• eoPortal.org の衛星トラッカー
• satview.org より
• 天上
• https://isstracker.pl ISSトラッカー
• 衛星地上軌道、GPS BII-10、Wayback Machineより(2020-09-30 アーカイブ) 小型衛星 (ソフトウェア コード)
• インフォサテライト
• 翻訳元