太陽同期軌道

太陽同期軌道（SSO）は、ヘリオシンクロナス軌道とも呼ばれ、^{[ 1 ]}惑星の周りを周回するほぼ極軌道であり、衛星は惑星表面の任意の地点を同じ地方平均太陽時に通過します。^{[ 2 ] [ 3 ]}より技術的には、惑星が太陽の周りを一周するごとに、その軌道面（特に昇交点の経度）が惑星の周りを一周するように配置された軌道です。

太陽同期軌道は、画像撮影、偵察、気象衛星にとって有用です^{[ 4 ]。}なぜなら、衛星が真上を通過するたびに、その下にある惑星の表面照明角度がほぼ一定になるからです。この一定の照明は、気象衛星やスパイ衛星のように可視光や赤外線波長で地球表面を撮影する衛​​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した衛星など、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、太陽同期軌道上の衛星は、1日に12回赤道を通過し、そのたびに平均地方時でおよそ15:00になります。

太陽同期軌道の特殊なケースとして、赤道緯度における局所平均太陽通過時刻が正午または真夜中頃となる正午/真夜中軌道と、赤道緯度における局所平均太陽通過時刻が日の出または日没頃となる夜明け/夕暮れ軌道があり、衛星は昼と夜の間の明暗境界線上を飛行します。明暗境界線上を飛行することは、アクティブレーダー衛星にとって有用です。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観測できるからです。また、受動観測機器を搭載した衛星の中には、測定に対する太陽の影響を制限する必要があるものもあり、常に観測機器を地球の夜側に向けることができるため、この軌道は有用です。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、これらの衛星はほぼ連続的に太陽を観測することができます。

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  2021年現在、アクアの上昇軌道は現地時間13時30分に赤道を通過する。
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  2021年現在、アクアの降下軌道は現地時間午前1時30分に赤道を通過する。

太陽同期軌道は、地球の太陽周回運動に追随するために、接触軌道面が天球に対して毎日約 1 度東に歳差運動 (回転) することによって実現されます。 [ 5 ]この歳差運動^は、軌道の高度に対する傾斜角を調整することによって実現されます (技術的な詳細を参照)。これにより、傾斜軌道を摂動させる地球の赤道膨らみが、宇宙船の軌道面を所望の速度で歳差運動させるようになります。軌道面は遠方の恒星に対して宇宙空間に固定されているのではなく、地球の自転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、高度が約600～800 km (370～500マイル) 、周期が96～100分、軌道傾斜角が約98°です。これは地球の自転方向に対してわずかに逆行しています。0°は赤道軌道、90°は極軌道を表します。^{[ 5 ]}  

火星のような扁平な惑星の周りでは、太陽同期軌道が可能だ。金星のようにほぼ球形の惑星の周りを公転する衛星は、太陽同期軌道を維持するために追加の摂動が必要となる。

地球周回衛星の軌道ごとの 角歳差は、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

• J ₂ =1.082 63 × 10 ⁻³は、地球の扁平率に関連する第 2 帯状項の係数です
• R _E ≈ 6378 kmは地球の平均半径です。
• pは軌道の半正距円筒線（km単位）であり、
• iは軌道の赤道面に対する傾斜角である。

歳差率ρ = dΩ / d tが地球の太陽の周りの平均運動n _Eに等しいとき、軌道は太陽同期軌道になります。n Eは恒星年あたり 360° です(1.990 968 71 × 10 ⁻⁷ rad /s  ) なので、n _E = ⁠ ΔΩ _E / T _E ⁠ = ρ = ⁠ ΔΩ / T ⁠と設定する必要があります。ここで、 T _Eは地球の公転周期、Tは地球の周りを回る宇宙船の周期です。

宇宙船の軌道周期は $${\displaystyle T=2\pi {\sqrt {\frac {a^{3}}{\mu }}},}$$

ここで、aは軌道の長半径であり、 μは惑星の標準重力パラメータである( 地球の場合、398 600 .440 km ³ /s ² ）であり、円軌道またはほぼ円軌道の場合、 p ≈ aとなるため、$${\displaystyle {\begin{aligned}\rho &\approx -{\frac {3J_{2}R_{\text{E}}^{2}{\sqrt {\mu }}\cos i}{2a^{7/2}}}\\&=-(360^{\circ }{\text{ 1 年あたり}})\times \left({\frac {a}{12\,352{\text{ km}}}}\right)^{-7/2}\cos i\\&=-(360^{\circ }{\text{ 1 年あたり}})\times \left({\frac {T}{3.795{\text{ h}}}}\right)^{-7/3}\cos i,\end{aligned}}}$$

またはρが年間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、a  =7200  km、つまり高度a − R _E  ≈ 宇宙船が地球表面から800km上空にある場合、この式を用いると、太陽同期軌道傾斜角は98.7°となる。

この近似によれば、長半径が等しいとき、cos i は−1 に等しくなります。12 352  kmであり、これはより低い軌道のみが太陽同期軌道になり得ることを意味します。周期は、 非常に低い軌道 ( a  = 12 352 km) の場合 88 分から、6554  km、i  = 96°）から 3.8 時間（a  =12 352  kmだが、この軌道は赤道軌道で、 i = 180°となる 。3.8 時間より長い周期は、p < の偏心軌道を使用することで可能になるかもしれない。 12,352 km だが、>​ 12,352 km 。​

衛星が毎日同じ時刻に地球上の特定の地点上空を通過するためには、衛星は1日に整数回の周回を完了する必要があります。円軌道を想定すると、これは1日あたり7～16周回となります。7周回未満では太陽同期軌道の最大高度を超える高度が必要となり、16周回を超えると地球の大気圏内または地表付近の軌道が必要となるためです。結果として得られる有効な軌道は表に示されています。（この表は当初、与えられた軌道周期を使用して計算されました。ただし、太陽同期軌道の場合、使用すべき周期は公称（節点）周期よりわずかに長くなります。赤道を一方向に横断する太陽同期軌道は、${\displaystyle T_{\text{nodal}}}$分は、約${\displaystyle T_{\rm {true}}\approx T_{\rm {nodal}}\left(1+2.74003\times 10^{-6}\,T_{\rm {nodal}}\right)}$（なお、地球の扁平率によって生じる軌道要素の短周期変動が全軌道周期に影響を与えるため、軌道長半径の正確な値は表に示されている値と若干異なることに注意してください。）

太陽同期軌道が地球上の特定の地点を毎回同じ地方時に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すのではありません。太陽は一年を通して空の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）。

SSOは限られたリソースです。合体のリスクを最小限に抑えるために軌道を標準化する「スロット」システムが提案されています。^{[ 7 ] [ 12 ]}

• サンドウェル、デイビッド・T、『地球の重力場 - パート1』（2002年）（8ページ）
• 太陽同期軌道に関する辞書項目（米国飛行100周年記念委員会より）
• NASAに関する質疑応答
• ボアイン、ロナルド・J.（2004年2月）「太陽同期軌道設計の基本」（PDF）。宇宙飛行力学会議。 2007年10月25日にオリジナル（PDF）からアーカイブ済み。

• 太陽同期軌道上の衛星一覧