Una órbita geoestacionaria , también conocida como órbita ecuatorial geosincrónica [a] ( GEO ), es una órbita geosincrónica circular de 35.786 km (22.236 mi) de altitud sobre el ecuador de la Tierra , 42.164 km (26.199 mi) de radio desde el centro de la Tierra, y siguiendo la dirección de rotación de la Tierra .
Un objeto en dicha órbita tiene un período orbital igual al período de rotación de la Tierra, un día sidéreo , por lo que para los observadores terrestres parece inmóvil, en una posición fija en el cielo. El concepto de órbita geoestacionaria fue popularizado por el escritor de ciencia ficción Arthur C. Clarke en la década de 1940 como una forma de revolucionar las telecomunicaciones, y el primer satélite colocado en este tipo de órbita se lanzó en 1963.
Los satélites de comunicaciones a menudo se colocan en una órbita geoestacionaria para que las antenas de los satélites terrestres no tengan que girar para rastrearlos, sino que puedan apuntar permanentemente a la posición en el cielo donde se encuentran los satélites. También se colocan satélites meteorológicos en esta órbita para monitoreo y recopilación de datos en tiempo real, y satélites de navegación para proporcionar un punto de calibración conocido y mejorar la precisión del GPS.
Los satélites geoestacionarios se lanzan a través de una órbita temporal y se colocan en una ranura sobre un punto particular de la superficie de la Tierra. La órbita requiere cierto mantenimiento de la posición para mantener su posición, y los satélites retirados modernos se colocan en una órbita de cementerio más alta para evitar colisiones.
En 1929, Herman Potočnik describió tanto las órbitas geosincrónicas en general como el caso especial de la órbita terrestre geoestacionaria en particular como órbitas útiles para estaciones espaciales . [1] La primera aparición de una órbita geoestacionaria en la literatura popular fue en octubre de 1942, en la primera historia de Venus Equilátero de George O. Smith , [2] pero Smith no entró en detalles. El autor británico de ciencia ficción Arthur C. Clarke popularizó y amplió el concepto en un artículo de 1945 titulado Relés extraterrestres: ¿pueden las estaciones de cohetes dar cobertura de radio mundial? , publicado en la revista Wireless World . Clarke reconoció la conexión en su introducción a The Complete Venus Equilateral . [3] [4] La órbita, que Clarke describió por primera vez como útil para satélites de comunicaciones de transmisión y retransmisión, [4] a veces se denomina órbita de Clarke. [5] De manera similar, el conjunto de satélites artificiales en esta órbita se conoce como Cinturón de Clarke. [6]
En terminología técnica, la órbita se denomina órbita ecuatorial geoestacionaria o geosincrónica, y los términos se utilizan de forma algo intercambiable. [7]
El primer satélite geoestacionario fue diseñado por Harold Rosen mientras trabajaba en Hughes Aircraft en 1959. Inspirado por el Sputnik 1 , quería utilizar un satélite geoestacionario para globalizar las comunicaciones. Las telecomunicaciones entre Estados Unidos y Europa eran entonces posibles entre sólo 136 personas a la vez y dependían de radios de alta frecuencia y un cable submarino . [8]
La opinión generalizada en ese momento era que se necesitaría demasiada potencia de cohete para colocar un satélite en una órbita geoestacionaria y que no sobreviviría el tiempo suficiente para justificar el gasto, [9] por lo que los primeros esfuerzos se dirigieron a constelaciones de satélites en órbitas bajas o medias. Órbita terrestre. [10] El primero de ellos fueron los satélites pasivos de globo Echo en 1960, seguidos por Telstar 1 en 1962. [11] Aunque estos proyectos tuvieron dificultades con la intensidad de la señal y el seguimiento, problemas que podrían resolverse utilizando órbitas geoestacionarias, el concepto fue visto Como poco práctico, Hughes a menudo retenía fondos y apoyo. [10] [8]
En 1961, Rosen y su equipo habían producido un prototipo cilíndrico con un diámetro de 76 centímetros (30 pulgadas), una altura de 38 centímetros (15 pulgadas), un peso de 11,3 kilogramos (25 libras), liviano y lo suficientemente pequeño como para colocarlo en órbita. Se estabilizó por giro con una antena dipolo que producía una forma de onda en forma de panqueque. [12] En agosto de 1961, fueron contratados para comenzar a construir el satélite real. [8] Perdieron el Syncom 1 por falla electrónica, pero el Syncom 2 fue colocado con éxito en una órbita geosincrónica en 1963. Aunque su órbita inclinada todavía requería antenas móviles, pudo retransmitir transmisiones de televisión y permitió que el presidente estadounidense John F. Kennedy en Washington DC, para llamar al primer ministro nigeriano Abubakar Tafawa Balewa a bordo del USNS Kingsport atracado en Lagos el 23 de agosto de 1963. [10] [13]
El primer satélite colocado en órbita geoestacionaria fue Syncom 3 , lanzado por un cohete Delta D en 1964. [14] Gracias a su mayor ancho de banda, este satélite pudo transmitir la cobertura en vivo de los Juegos Olímpicos de verano desde Japón a Estados Unidos. Desde entonces, las órbitas geoestacionarias han sido de uso común, en particular para la televisión por satélite. [10]
Hoy en día existen cientos de satélites geoestacionarios que proporcionan teledetección y comunicaciones. [8] [15]
Aunque la mayoría de las zonas terrestres pobladas del planeta cuentan ahora con instalaciones de comunicaciones terrestres ( microondas , fibra óptica ), con acceso telefónico que cubre al 96% de la población y acceso a Internet al 90%, [16] algunas zonas rurales y remotas de los países desarrollados todavía dependen de sobre comunicaciones por satélite. [17] [18]
La mayoría de los satélites de comunicaciones comerciales , satélites de transmisión y satélites SBAS operan en órbitas geoestacionarias. [19] [20] [21]
Los satélites de comunicaciones geoestacionarios son útiles porque son visibles desde una gran área de la superficie terrestre, extendiéndose a 81° de latitud y 77° de longitud. [22] Aparecen estacionarias en el cielo, lo que elimina la necesidad de que las estaciones terrestres tengan antenas móviles. Esto significa que los observadores terrestres pueden montar antenas pequeñas, económicas y estacionarias que siempre apuntan al satélite deseado. [23] : 537 Sin embargo, la latencia se vuelve significativa ya que una señal tarda unos 240 ms en pasar desde un transmisor terrestre en el ecuador al satélite y viceversa. [23] : 538 Este retraso presenta problemas para aplicaciones sensibles a la latencia, como las comunicaciones de voz, [24] por lo que los satélites de comunicación geoestacionarios se utilizan principalmente para entretenimiento unidireccional y aplicaciones donde no hay alternativas de baja latencia disponibles. [25]
Los satélites geoestacionarios están directamente sobre el ecuador y aparecen más abajo en el cielo para un observador más cercano a los polos. A medida que aumenta la latitud del observador, la comunicación se vuelve más difícil debido a factores como la refracción atmosférica , la emisión térmica de la Tierra , las obstrucciones en la línea de visión y los reflejos de señales desde el suelo o estructuras cercanas. En latitudes superiores a aproximadamente 81°, los satélites geoestacionarios están debajo del horizonte y no se pueden ver en absoluto. [22] Debido a esto, algunos satélites de comunicaciones rusos han utilizado órbitas elípticas Molniya y Tundra , que tienen una excelente visibilidad en latitudes altas. [26]
Se utiliza una red mundial de satélites meteorológicos geoestacionarios operativos para proporcionar imágenes visibles e infrarrojas de la superficie y la atmósfera de la Tierra para la observación del tiempo, la oceanografía y el seguimiento atmosférico. En 2019 hay 19 satélites en funcionamiento o en espera. [27] Estos sistemas satelitales incluyen:
Estos satélites suelen capturar imágenes en el espectro visual e infrarrojo con una resolución espacial de entre 0,5 y 4 kilómetros cuadrados. [35] La cobertura suele ser de 70°, [35] y en algunos casos menos. [36]
Las imágenes de satélite geoestacionarios se han utilizado para rastrear cenizas volcánicas , [37] medir las temperaturas de las cimas de las nubes y el vapor de agua, oceanografía , [38] medir la temperatura terrestre y la cobertura vegetal, [39] [40] facilitar la predicción de la trayectoria de los ciclones , [34] y proporcionar Cobertura de nubes en tiempo real y otros datos de seguimiento. [41] Se ha incorporado cierta información a los modelos de predicción meteorológica , pero debido a su amplio campo de visión, monitoreo a tiempo completo y menor resolución, las imágenes de satélites meteorológicos geoestacionarios se utilizan principalmente para pronósticos a corto plazo y en tiempo real. [42] [40]
Los satélites geoestacionarios se pueden utilizar para aumentar los sistemas GNSS transmitiendo correcciones de reloj , efemérides y errores ionosféricos (calculados a partir de estaciones terrestres de una posición conocida) y proporcionando una señal de referencia adicional. [43] Esto mejora la precisión de la posición de aproximadamente 5 ma 1 mo menos. [44]
Los sistemas de navegación pasados y actuales que utilizan satélites geoestacionarios incluyen:
Los satélites geoestacionarios se lanzan hacia el este en una órbita progrado que coincide con la velocidad de rotación del ecuador. La inclinación más pequeña a la que se puede lanzar un satélite es la latitud del sitio de lanzamiento, por lo que lanzar el satélite desde cerca del ecuador limita la cantidad de cambio de inclinación necesario más adelante. [48] Además, el lanzamiento desde cerca del ecuador permite que la velocidad de rotación de la Tierra dé impulso al satélite. Un sitio de lanzamiento debe tener agua o desiertos al este, para que los cohetes fallidos no caigan en un área poblada. [49]
La mayoría de los vehículos de lanzamiento colocan los satélites geoestacionarios directamente en una órbita de transferencia geoestacionaria (GTO), una órbita elíptica con un apogeo a la altura de la GEO y un perigeo bajo . Luego se utiliza la propulsión satelital a bordo para elevar el perigeo, circularizar y alcanzar la GEO. [48] [50]
Todos los satélites en órbita geoestacionaria deben ocupar un solo anillo sobre el ecuador . El requisito de espaciar estos satélites para evitar interferencias dañinas de radiofrecuencia durante las operaciones significa que hay un número limitado de espacios orbitales disponibles y, por lo tanto, sólo un número limitado de satélites pueden funcionar en órbita geoestacionaria. Esto ha llevado a conflictos entre diferentes países que desean acceder a las mismas posiciones orbitales (países cerca de la misma longitud pero diferentes latitudes ) y frecuencias de radio . Estas disputas se abordan a través del mecanismo de asignación de la Unión Internacional de Telecomunicaciones según el Reglamento de Radiocomunicaciones . [51] [52] En la Declaración de Bogotá de 1976 , ocho países ubicados en el ecuador de la Tierra reclamaron soberanía sobre las órbitas geoestacionarias sobre su territorio, pero los reclamos no obtuvieron reconocimiento internacional. [53]
Una estatita es un satélite hipotético que utiliza la presión de la radiación del sol contra una vela solar para modificar su órbita.
Mantendría su ubicación sobre el lado oscuro de la Tierra a una latitud de aproximadamente 30 grados. Una estatita es estacionaria en relación con los sistemas Tierra y Sol en lugar de compararla con la superficie de la Tierra, y podría aliviar la congestión en el anillo geoestacionario. [54] [55]
Los satélites geoestacionarios requieren cierto mantenimiento en posición para mantener su posición, y una vez que se quedan sin combustible para sus propulsores, generalmente se retiran. Los transpondedores y otros sistemas a bordo a menudo sobreviven al combustible del propulsor y, al permitir que el satélite se mueva naturalmente a una órbita geosincrónica inclinada, algunos satélites pueden permanecer en uso [56] o elevarse a una órbita de cementerio . Este proceso está cada vez más regulado y los satélites deben tener un 90% de posibilidades de desplazarse a más de 200 kilómetros por encima del cinturón geoestacionario al final de su vida. [57]
Los desechos espaciales en órbitas geoestacionarias suelen tener una velocidad de colisión más baja que en la órbita terrestre baja (LEO), ya que todos los satélites GEO orbitan en el mismo plano, altitud y velocidad; sin embargo, la presencia de satélites en órbitas excéntricas permite colisiones de hasta 4 km/s. Aunque una colisión es comparativamente improbable, los satélites GEO tienen una capacidad limitada para evitar escombros. [58]
En altitudes geosincrónicas, los objetos de menos de 10 cm de diámetro no pueden verse desde la Tierra, lo que dificulta evaluar su prevalencia. [59]
A pesar de los esfuerzos por reducir el riesgo, se han producido colisiones de naves espaciales. El satélite de telecomunicaciones Olympus-1 de la Agencia Espacial Europea fue golpeado por un meteoroide el 11 de agosto de 1993 y finalmente pasó a una órbita de cementerio , [60] y en 2006 el satélite de comunicaciones ruso Express-AM11 fue golpeado por un objeto desconocido y quedó inoperable. [61] aunque sus ingenieros tuvieron suficiente tiempo de contacto con el satélite para enviarlo a una órbita de cementerio. En 2017, tanto AMC-9 como Telkom-1 se separaron por una causa desconocida. [62] [59] [63]
Una órbita geoestacionaria típica tiene las siguientes propiedades:
Una inclinación de cero asegura que la órbita permanezca sobre el ecuador en todo momento, haciéndola estacionaria con respecto a la latitud desde el punto de vista de un observador terrestre (y en el marco de referencia fijo centrado en la Tierra ). [23] : 122
El período orbital es exactamente igual a un día sidéreo. Esto significa que el satélite regresará al mismo punto sobre la superficie de la Tierra cada día (sideral), independientemente de otras propiedades orbitales. En el caso de una órbita geoestacionaria en particular, garantiza que mantenga la misma longitud a lo largo del tiempo. [23] : 121 Este período orbital, T , está directamente relacionado con el semieje mayor de la órbita mediante la fórmula:
dónde:
La excentricidad es cero, lo que produce una órbita circular . Esto garantiza que el satélite no se acerque ni se aleje de la Tierra, lo que provocaría que se desplazara hacia adelante y hacia atrás a través del cielo. [23] : 122
Una órbita geoestacionaria sólo puede alcanzarse a una altitud muy cercana a los 35.786 kilómetros (22.236 millas) y directamente sobre el ecuador. Esto equivale a una velocidad orbital de 3,07 kilómetros por segundo (1,91 millas por segundo) y un período orbital de 1.436 minutos, un día sidéreo . Esto asegura que el satélite coincidirá con el período de rotación de la Tierra y tendrá una huella estacionaria en el suelo. Todos los satélites geoestacionarios deben ubicarse en este anillo.
Una combinación de gravedad lunar , gravedad solar y el aplanamiento de la Tierra en sus polos provoca un movimiento de precesión del plano orbital de cualquier objeto geoestacionario, con un período orbital de unos 53 años y un gradiente de inclinación inicial de unos 0,85° por año. , logrando una inclinación máxima de 15° después de 26,5 años. [64] [23] : 156 Para corregir esta perturbación , son necesarias maniobras regulares de mantenimiento de estaciones orbitales , lo que equivale a un delta-v de aproximadamente 50 m/s por año. [sesenta y cinco]
Un segundo efecto a tener en cuenta es la deriva longitudinal, provocada por la asimetría de la Tierra: el ecuador es ligeramente elíptico ( excentricidad ecuatorial ). [23] : 156 Hay dos puntos de equilibrio estables (a 75,3°E y 108°W) y dos puntos inestables correspondientes (a 165,3°E y 14,7°W). Cualquier objeto geoestacionario colocado entre los puntos de equilibrio sería (sin ninguna acción) acelerado lentamente hacia la posición de equilibrio estable, provocando una variación periódica de longitud. [64] La corrección de este efecto requiere maniobras de mantenimiento de posición con un delta-v máximo de aproximadamente 2 m/s por año, dependiendo de la longitud deseada. [sesenta y cinco]
El viento solar y la presión de la radiación también ejercen pequeñas fuerzas sobre los satélites: con el tiempo, hacen que se alejen lentamente de sus órbitas prescritas. [66]
A falta de misiones de mantenimiento desde la Tierra o de un método de propulsión renovable, el consumo de propulsor para el mantenimiento en posición limita la vida útil del satélite. Los propulsores de efecto Hall , que se utilizan actualmente, tienen el potencial de prolongar la vida útil de un satélite al proporcionar propulsión eléctrica de alta eficiencia . [sesenta y cinco]
Para órbitas circulares alrededor de un cuerpo, la fuerza centrípeta requerida para mantener la órbita ( F c ) es igual a la fuerza gravitacional que actúa sobre el satélite ( F g ): [67]
De la ley universal de gravitación de Isaac Newton ,
donde F g es la fuerza gravitacional que actúa entre dos objetos, M E es la masa de la Tierra,5,9736 × 10 24 kg , m s es la masa del satélite, r es la distancia entre los centros de sus masas y G es la constante gravitacional ,(6,674 · 28 ± 0,000 · 67 ) × 10 −11 m 3 kg −1 s −2 . [67]
La magnitud de la aceleración, a , de un cuerpo que se mueve en círculo está dada por:
donde v es la magnitud de la velocidad (es decir, la velocidad) del satélite. De la segunda ley del movimiento de Newton , la fuerza centrípeta Fc viene dada por:
Como F c = F g ,
de modo que
Reemplazar v con la ecuación de la velocidad de un objeto que se mueve alrededor de un círculo produce:
donde T es el período orbital (es decir, un día sidéreo), y es igual a86 164 .090 54 s . [68] Esto da una ecuación para r : [69]
El producto GM E se conoce con mucha mayor precisión que cualquiera de los factores por separado; se conoce como constante gravitacional geocéntrica μ =398 600 ,4418 ± 0,0008 km 3 s −2 . Por eso
El radio orbital resultante es de 42.164 kilómetros (26.199 millas). Restando el radio ecuatorial de la Tierra , 6.378 kilómetros (3.963 millas), se obtiene la altitud de 35.786 kilómetros (22.236 millas). [70]
La velocidad orbital se calcula multiplicando la velocidad angular por el radio orbital:
Por el mismo método, podemos determinar la altitud orbital de cualquier par similar de cuerpos, incluida la órbita areostacionaria de un objeto en relación con Marte , si se supone que es esférico (lo cual no lo es del todo). [71] La constante gravitacional GM ( μ ) para Marte tiene el valor de42 830 km 3 s −2 , su radio ecuatorial es3 389,50 km y el período de rotación conocido ( T ) del planeta es1.025 956 76 días terrestres (88 642 ,66 s ). Usando estos valores, la altitud orbital de Marte es igual a17 039 kilómetros . [72]
Este artículo incorpora material de dominio público de la Norma Federal 1037C. Administración de Servicios Generales . Archivado desde el original el 22 de enero de 2022. (en apoyo de MIL-STD-188 ).
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