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Órbita de Molniya

Figura 1: La órbita de Molniya. Normalmente se utiliza el periodo comprendido entre el perigeo +2 horas y el perigeo +10 horas para transmitir al hemisferio norte.
Figura 2: La constelación SDS , que utiliza satélites en una combinación de órbitas geoestacionarias y Molniya. La constelación de satélites en órbita Molniya utiliza tres satélites en diferentes planos orbitales, con apogeos comparables a los de los satélites geoestacionarios.

Una órbita de Molniya (ruso: Молния , IPA: [ˈmolnʲɪjə] ⓘ , "Lightning") es un tipo deórbitacoberturade comunicaciones yteledetecciónlatitudes. Se trata de unaórbita muy elípticacon unainclinaciónde 63,4grados, unargumento de perigeode 270 grados y unperiodo orbitalde aproximadamente mediodía sidéreo.[1]El nombre proviene de los satélites Molniya , una serie desatélites de comunicaciones civiles y militaressoviéticos/rusosque utilizan este tipo de órbita desde mediados de los años 1960.

La órbita de Molniya tiene un largo tiempo de permanencia sobre el hemisferio de interés, mientras que se mueve muy rápidamente sobre el otro. En la práctica, esto lo coloca sobre Rusia o Canadá durante la mayor parte de su órbita, proporcionando un alto ángulo de visión a los satélites de comunicaciones y monitoreo que cubren estas áreas de alta latitud. Las órbitas geoestacionarias , que están necesariamente inclinadas sobre el ecuador , sólo pueden observar estas regiones desde un ángulo bajo, lo que dificulta el rendimiento. En la práctica, un satélite en órbita Molniya cumple el mismo propósito para latitudes altas que un satélite geoestacionario para regiones ecuatoriales, excepto que se requieren múltiples satélites para una cobertura continua. [2]

Los satélites colocados en órbitas de Molniya se han utilizado para transmisiones de televisión, telecomunicaciones, comunicaciones militares, retransmisiones, vigilancia meteorológica, sistemas de alerta temprana y algunos fines clasificados.

Historia

La órbita Molniya fue descubierta por científicos soviéticos en la década de 1960 como una alternativa de comunicaciones en latitudes altas a las órbitas geoestacionarias , que requieren grandes energías de lanzamiento para lograr un perigeo alto y cambiar la inclinación a orbitar sobre el ecuador (especialmente cuando se lanza desde latitudes rusas). Como resultado, OKB-1 buscó una órbita que demandara menos energía. [3] Los estudios encontraron que esto podría lograrse utilizando una órbita altamente elíptica con un apogeo sobre el territorio ruso. [4] El nombre de la órbita hace referencia a la velocidad "del rayo" con la que el satélite pasa por el perigeo. [5]

El primer uso de la órbita Molniya fue por la serie de satélites de comunicaciones del mismo nombre . Después de dos lanzamientos fallidos y un fallo de satélite en 1964, el primer satélite exitoso en utilizar esta órbita, Molniya 1-1, se lanzó el 23 de abril de 1965. [4] [6] Los primeros satélites Molniya-1 se utilizaron para la televisión civil. telecomunicaciones y comunicaciones militares de largo alcance, pero también estaban equipados con cámaras utilizadas para monitorear el clima y posiblemente para evaluar áreas despejadas para los satélites espía Zenit . [3] [7] Los satélites Molniya originales tenían una vida útil de aproximadamente 1,5 años, ya que sus órbitas eran perturbadas por perturbaciones y tenían que ser reemplazados constantemente. [1]

La serie siguiente, Molniya-2, proporcionó transmisiones tanto militares como civiles y se utilizó para crear la red de televisión Orbita , que abarcaba toda la Unión Soviética. Estos, a su vez, fueron reemplazados por el diseño Molniya-3. [4] Se diseñó un satélite llamado Mayak para complementar y reemplazar los satélites Molniya en 1997, pero el proyecto fue cancelado, [8] y el Molniya-3 fue reemplazado por los satélites Meridian , el primero de los cuales se lanzó en 2006. [9 ] Los satélites soviéticos de alerta temprana US-K , que vigilan los lanzamientos de cohetes estadounidenses, fueron lanzados en órbitas Molniya desde 1967, como parte del sistema Oko . [10] [11] [12]

A partir de 1971, los satélites militares estadounidenses Jumpseat y Trumpet se lanzaron a las órbitas de Molniya (y posiblemente se utilizaron para interceptar las comunicaciones soviéticas desde los satélites Molniya). La información detallada sobre ambos proyectos permanece clasificada a partir de 2019 . [13] A esto le siguió la constelación estadounidense SDS , que opera con una mezcla de órbitas Molniya y geoestacionarias. Estos satélites se utilizan para transmitir señales desde satélites que vuelan a menor altura a estaciones terrestres en los Estados Unidos y han estado activos en cierta medida desde 1976. [14] Una constelación de satélites rusa llamada Tyulpan fue diseñada en 1994 para soportar comunicaciones en latitudes altas, pero no pasó de la fase de planificación. [8]

En 2015 y 2017, Rusia lanzó dos satélites Tundra a la órbita Molniya, a pesar de su nombre, como parte de su sistema de alerta temprana EKS . [15] [16] [17]

Animación de EKS
   Cosmos 2510  ·    Cosmos 2518  ·    Cosmos 2541  ·    Cosmos 2546  ·   Tierra

Usos

Figura 3: Trayectoria terrestre de una órbita Molniya. En la parte operativa de la órbita (cuatro horas a cada lado del apogeo), el satélite se encuentra al norte de 55,5° N (latitud de, por ejemplo, el centro de Escocia, Moscú y la parte sur de la Bahía de Hudson). Un satélite en esta órbita pasa la mayor parte de su tiempo sobre el hemisferio norte y pasa rápidamente sobre el hemisferio sur.

Gran parte del área de la antigua Unión Soviética , y de Rusia en particular, está situada en altas latitudes septentrionales. Transmitir a estas latitudes desde una órbita geoestacionaria (sobre el ecuador de la Tierra ) requiere una potencia considerable debido a los bajos ángulos de elevación y la distancia adicional y la atenuación atmosférica que conlleva. Los sitios ubicados por encima de los 81° de latitud no pueden ver satélites geoestacionarios en absoluto y, como regla general, los ángulos de elevación de menos de 10° pueden causar problemas, dependiendo de la frecuencia de las comunicaciones. [2] : 499  [18]

Un satélite en una órbita Molniya se adapta mejor a las comunicaciones en estas regiones, porque las mira más directamente durante grandes partes de su órbita. Con una altitud de apogeo de hasta 40.000 kilómetros (25.000 millas) y un punto de apogeo subsatelital de 63,4 grados norte, pasa una parte considerable de su órbita con excelente visibilidad en el hemisferio norte, tanto desde Rusia como desde el norte de Europa. Groenlandia y Canadá. [2]

Si bien los satélites en órbitas Molniya requieren considerablemente menos energía de lanzamiento que aquellos en órbitas geoestacionarias (especialmente desde latitudes altas), [4] sus estaciones terrestres necesitan antenas orientables para rastrear la nave espacial, los enlaces deben conmutarse entre satélites en una constelación y los cambios de alcance causan variaciones en la amplitud de la señal. Además, existe una mayor necesidad de mantenimiento de la posición , [19] [20] [21] y la nave espacial pasará por el cinturón de radiación de Van Allen cuatro veces al día. [22]

Propuestas del hemisferio sur

Órbitas similares con un argumento de perigeo de 90° podrían permitir una cobertura en latitudes altas en el hemisferio sur. Una constelación propuesta, el Programa Antártico de Banda Ancha , habría utilizado satélites en una órbita Molniya invertida para proporcionar servicio de Internet de banda ancha a las instalaciones en la Antártida . [23] [24] Inicialmente financiado por el ahora desaparecido Programa de Investigación Espacial Australiano , no avanzó más allá del desarrollo inicial. [25] [26]

Constelaciones de Molnia

La cobertura permanente a gran altitud de una gran zona de la Tierra (como toda Rusia, donde algunas partes están tan al sur como 45°  N) requiere una constelación de al menos tres naves espaciales en órbitas Molniya. Si se utilizan tres naves espaciales, cada una de ellas estará activa durante un período de ocho horas por órbita, centrada alrededor del apogeo, [2] como se ilustra en la figura 4. La figura 5 muestra el campo de visión del satélite alrededor del apogeo.

La Tierra completa media rotación en doce horas, por lo que los apogeos de las sucesivas órbitas de Molniya se alternarán entre una mitad del hemisferio norte y la otra. Para la órbita Molniya original, los apogeos se ubicaron sobre Rusia y América del Norte, pero cambiando la ascensión recta del nodo ascendente esto se puede variar. [19] La cobertura de un satélite en órbita Molniya sobre Rusia se muestra en las figuras 6 a 8, y sobre América del Norte en las figuras 9 a 11.

Las órbitas de las tres naves espaciales deberían tener entonces los mismos parámetros orbitales, pero diferentes ascensiones rectas de los nodos ascendentes, con sus pasos sobre los apogeos separados por 7,97 horas. [2] [27] Dado que cada satélite tiene un período operativo de aproximadamente ocho horas, cuando una nave espacial viaja cuatro horas después de su paso por el apogeo (ver figura 8 o figura 11), entonces el siguiente satélite entrará en su período operativo, con la vista de la tierra que se muestra en la figura 6 (o figura 9), y se puede realizar la conmutación. Tenga en cuenta que las dos naves espaciales en el momento del cambio están separadas por unos 1.500 kilómetros (930 millas), de modo que las estaciones terrestres sólo tienen que mover sus antenas unos pocos grados para adquirir la nueva nave espacial. [28]

Diagramas

  • Figura 4: Constelación de tres naves espaciales Molniya que prestan servicio en el hemisferio norte. P es el período orbital. Una línea verde corresponde al servicio para Asia y Europa con la visibilidad de las figuras 6 a 8. Una línea roja corresponde al servicio para América del Norte con la visibilidad de las figuras 9 a 11.
    Figura 4: Constelación de tres naves espaciales Molniya que prestan servicio en el hemisferio norte. P es el período orbital. Una línea verde corresponde al servicio para Asia y Europa con la visibilidad de las figuras 6 a 8. Una línea roja corresponde al servicio para América del Norte con la visibilidad de las figuras 9 a 11.
  • Figura 5: Zonas de iluminación (al menos 10° de elevación) desde una órbita de Molniya. En el apogeo se aplica la zona de iluminación verde. Tres horas antes o después del apogeo, se aplica la zona roja. Cuatro horas antes o después del apogeo, se aplica la zona azul. El plano de la figura es el plano longitudinal de apogeo que gira con la Tierra. En el período de ocho horas centrado en el paso del apogeo, el plano longitudinal es casi fijo, la longitud del satélite varía sólo ±2,7°. Las vistas de la Tierra desde estos tres puntos se muestran en las figuras 6 a 11.
    Figura 5: Zonas de iluminación (al menos 10° de elevación) desde una órbita de Molniya. En el apogeo se aplica la zona de iluminación verde. Tres horas antes o después del apogeo, se aplica la zona roja. Cuatro horas antes o después del apogeo, se aplica la zona azul. El plano de la figura es el plano longitudinal de apogeo que gira con la Tierra. En el período de ocho horas centrado en el paso del apogeo, el plano longitudinal es casi fijo, la longitud del satélite varía sólo ±2,7°. Las vistas de la Tierra desde estos tres puntos se muestran en las figuras 6 a 11.
  • Figura 6: Vista de la Tierra cuatro horas antes del apogeo desde una órbita Molniya bajo el supuesto de que la longitud del apogeo es 90° E. La nave espacial se encuentra a una altitud de 24.043 km sobre el punto 92,65° E 47,04° N.
    Figura 6: Vista de la Tierra cuatro horas antes del apogeo desde una órbita Molniya bajo el supuesto de que la longitud del apogeo es 90°  E. La nave espacial se encuentra a una altitud de 24.043 km sobre el punto 92,65°  E 47,04°  N.
  • Figura 7: Vista de la Tierra desde el apogeo de una órbita Molniya bajo el supuesto de que la longitud del apogeo es 90° E. La nave espacial se encuentra a una altitud de 39.867 km sobre el punto 90° E 63,43° N.
    Figura 7: Vista de la Tierra desde el apogeo de una órbita Molniya bajo el supuesto de que la longitud del apogeo es 90°  E. La nave espacial se encuentra a una altitud de 39.867 km sobre el punto 90°  E 63,43°  N.
  • Figura 8: Vista de la Tierra cuatro horas después del apogeo desde una órbita Molniya bajo el supuesto de que la longitud del apogeo es 90° E. La nave espacial se encuentra a una altitud de 24.043 km sobre el punto 87,35° E 47,04° N
    Figura 8: Vista de la Tierra cuatro horas después del apogeo desde una órbita Molniya bajo el supuesto de que la longitud del apogeo es 90° E. La nave espacial se encuentra a una altitud de 24.043 km sobre el punto 87,35°  E 47,04°  N
  • Figura 9: Vista de la Tierra cuatro horas antes del apogeo desde una órbita Molniya bajo el supuesto de que la longitud del apogeo es 90° W. La nave espacial se encuentra a una altitud de 24.043 km sobre el punto 87,35° W 47,04° N.
    Figura 9: Vista de la Tierra cuatro horas antes del apogeo desde una órbita Molniya bajo el supuesto de que la longitud del apogeo es 90°  W. La nave espacial se encuentra a una altitud de 24.043 km sobre el punto 87,35°  W 47,04°  N.
  • Figura 10: Vista de la Tierra desde el apogeo de una órbita Molniya bajo el supuesto de que la longitud del apogeo es 90° W. La nave espacial se encuentra a una altitud de 39.867 km sobre el punto 90° W 63,43° N.
    Figura 10: Vista de la Tierra desde el apogeo de una órbita Molniya bajo el supuesto de que la longitud del apogeo es 90°  W. La nave espacial se encuentra a una altitud de 39.867 km sobre el punto 90°  W 63,43°  N.
  • Figura 11: Vista de la Tierra 4 horas después del apogeo desde una órbita Molniya bajo el supuesto de que la longitud del apogeo es 90° W. La nave espacial se encuentra a una altitud de 24.043 km sobre el punto 92,65° W 47,04° N.
    Figura 11: Vista de la Tierra 4 horas después del apogeo desde una órbita Molniya bajo el supuesto de que la longitud del apogeo es 90°  W. La nave espacial se encuentra a una altitud de 24.043 km sobre el punto 92,65°  W 47,04°  N.
Comparación de la órbita Tundra , la órbita QZSS y la órbita Molniya - vista ecuatorial
   Órbita de la tundra  ·    Órbita QZSS  ·   Órbita de Molniya  ·   Tierra

Propiedades

Una órbita típica de Molniya tiene las siguientes propiedades:

Argumento del perigeo

El argumento del perigeo se fija en 270°, lo que hace que el satélite experimente el apogeo en el punto más al norte de su órbita. Para cualquier aplicación futura sobre el hemisferio sur, se establecería en 90°. [24]

Inclinación orbital

En general, el achatamiento de la Tierra perturba el argumento del perigeo ( ), de modo que cambia gradualmente con el tiempo. Si solo consideramos el coeficiente de primer orden , el perigeo cambiará de acuerdo con la ecuación 1 , a menos que se corrija constantemente con encendidos de los propulsores de mantenimiento de la posición.

donde es la inclinación orbital, es la excentricidad, es el movimiento medio en grados por día, es el factor de perturbación, es el radio de la Tierra, es el semieje mayor y está en grados por día.

Para evitar este gasto de combustible, la órbita de Molniya utiliza una inclinación de 63,4°, cuyo factor es cero, de modo que no hay cambios en la posición del perigeo a lo largo del tiempo. [20] [19] : 143  Una órbita diseñada de esta manera se llama órbita congelada .

Periodo orbital

Para garantizar que la geometría relativa a las estaciones terrestres se repita cada 24 horas, el período debe ser aproximadamente medio día sidéreo , manteniendo constantes las longitudes de los apogeos.

Sin embargo, el achatamiento de la Tierra también perturba la ascensión recta del nodo ascendente ( ), cambiando el período nodal y provocando que la trayectoria del terreno se desvíe con el tiempo a la velocidad que se muestra en la ecuación 2 .

donde está en grados por día. [19] : 143 

Dado que la inclinación de una órbita de Molniya es fija (como arriba), esta perturbación es de grados por día. Para compensar, el período orbital se ajusta de modo que la longitud del apogeo cambie lo suficiente como para anular este efecto. [20]

Excentricidad

La excentricidad de la órbita se basa en las diferencias de altitudes de su apogeo y perigeo. Para maximizar la cantidad de tiempo que el satélite pasa sobre el apogeo, la excentricidad debe establecerse lo más alta posible . Sin embargo, el perigeo debe ser lo suficientemente alto para mantener al satélite sustancialmente por encima de la atmósfera y minimizar la resistencia (~600 km), y el período orbital debe mantenerse en aproximadamente medio día sidéreo (como se indicó anteriormente). Estos dos factores limitan la excentricidad, que llega a ser aproximadamente 0,737. [20]

Semieje mayor

La altura exacta de un satélite en una órbita Molniya varía entre misiones, pero una órbita típica tendrá una altitud de perigeo de aproximadamente 600 kilómetros (370 millas) y una altitud de apogeo de 39.700 kilómetros (24.700 millas), para un semieje mayor de 26.600 kilómetros (16.500 millas). [20]

Modelado

Para rastrear satélites que utilizan órbitas Molniya, los científicos utilizan el modelo de perturbaciones simplificado SDP4 , que calcula la ubicación de un satélite en función de la forma orbital, la resistencia, la radiación, los efectos de la gravitación del Sol y la Luna y los términos de resonancia de la Tierra. [29]

Ver también

Referencias

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enlaces externos