Una órbita geosincrónica (a veces abreviada GSO ) es una órbita centrada en la Tierra con un período orbital que coincide con la rotación de la Tierra sobre su eje, 23 horas, 56 minutos y 4 segundos (un día sidéreo ). La sincronización de la rotación y el período orbital significa que, para un observador en la superficie terrestre, un objeto en órbita geosincrónica regresa exactamente a la misma posición en el cielo después de un período de un día sidéreo. A lo largo de un día, la posición del objeto en el cielo puede permanecer inmóvil o trazar una trayectoria, normalmente en forma de 8 , cuyas características precisas dependen de la inclinación y la excentricidad de la órbita . Una órbita geosincrónica circular tiene una altitud constante de 35.786 km (22.236 millas). [1]
Un caso especial de órbita geosincrónica es la órbita geoestacionaria (a menudo abreviada GEO ), que es una órbita geosincrónica circular en el plano ecuatorial de la Tierra con inclinación y excentricidad iguales a 0. Un satélite en una órbita geoestacionaria permanece en la misma posición en el cielo para observadores en la superficie. [1]
Los satélites de comunicaciones suelen tener órbitas geoestacionarias o casi geoestacionarias, de modo que las antenas de satélite que se comunican con ellos no tienen que moverse, sino que pueden apuntar permanentemente al lugar fijo en el cielo donde aparece el satélite. [1]
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 . [2] La primera aparición de una órbita geosincrónica en la literatura popular fue en octubre de 1942, en la primera historia de Venus Equilátero de George O. Smith , [3] 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 . [4] [5] La órbita, que Clarke describió por primera vez como útil para satélites de comunicaciones de transmisión y retransmisión, [5] a veces se denomina órbita de Clarke. [6] De manera similar, el conjunto de satélites artificiales en esta órbita se conoce como Cinturón de Clarke. [7]
En terminología técnica, las órbitas geosincrónicas a menudo se denominan geoestacionarias si se encuentran aproximadamente sobre el ecuador, pero los términos se usan de manera algo intercambiable. [8] [9] Específicamente, órbita terrestre geosincrónica ( GEO ) puede ser sinónimo de órbita ecuatorial geosincrónica , [10] u órbita terrestre geoestacionaria . [11]
El primer satélite geosincrónico fue diseñado por Harold Rosen mientras trabajaba en Hughes Aircraft en 1959. Inspirándose en el Sputnik 1 , quería utilizar un satélite geoestacionario (geosincrónico ecuatorial) 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 . [12]
La opinión generalizada en ese momento era que se necesitaría demasiada potencia de cohete para colocar un satélite en una órbita geosincrónica y que no sobreviviría el tiempo suficiente para justificar el gasto, [13] por lo que los primeros esfuerzos se dirigieron a constelaciones de satélites en órbitas bajas o medias. Órbita terrestre. [14] El primero de ellos fueron los satélites pasivos de globo Echo en 1960, seguidos por Telstar 1 en 1962. [15] Aunque estos proyectos tenían dificultades con la intensidad de la señal y el seguimiento que podían resolverse mediante satélites geosincrónicos, el concepto se consideró poco práctico. , por lo que Hughes a menudo retenía fondos y apoyo. [14] [12]
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) y un peso de 11,3 kilogramos (25 libras); era liviano y pequeño, lo suficientemente pequeño como para ser colocado en órbita mediante cohetes disponibles en ese momento, estaba estabilizado por giro y usaba antenas dipolo que producían una forma de onda en forma de panqueque. [16] En agosto de 1961, fueron contratados para comenzar a construir el satélite en funcionamiento. [12] 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 aún requería antenas móviles, pudo retransmitir transmisiones de televisión y permitió que el presidente estadounidense John F. Kennedy para llamar al primer ministro nigeriano Abubakar Tafawa Balewa desde un barco el 23 de agosto de 1963. [14] [17]
Hoy en día existen cientos de satélites geosincrónicos que proporcionan teledetección , navegación y comunicaciones. [12] [1]
Aunque la mayoría de los lugares terrestres poblados del planeta ahora cuentan con instalaciones de comunicaciones terrestres ( microondas , fibra óptica ), que a menudo tienen ventajas de latencia y ancho de banda, y acceso telefónico que cubre al 96% de la población y acceso a Internet al 90% a partir de 2018, [18] Algunas zonas rurales y remotas de los países desarrollados todavía dependen de las comunicaciones por satélite. [19] [20]
Una órbita ecuatorial geoestacionaria (GEO) es una órbita geosincrónica circular en el plano del ecuador de la Tierra con un radio de aproximadamente 42.164 km (26.199 millas) (medido desde el centro de la Tierra). [21] : 156 Un satélite en dicha órbita se encuentra a una altitud de aproximadamente 35.786 km (22.236 millas) sobre el nivel medio del mar. Mantiene la misma posición con respecto a la superficie de la Tierra. Si uno pudiera ver un satélite en órbita geoestacionaria, parecería flotar en el mismo punto del cielo, es decir, no exhibiría movimiento diurno , mientras que el Sol, la Luna y las estrellas atravesarían los cielos detrás de él. Estas órbitas son útiles para los satélites de telecomunicaciones . [22]
Una órbita geoestacionaria perfectamente estable es un ideal que sólo puede aproximarse. En la práctica, el satélite se sale de esta órbita debido a perturbaciones como el viento solar , la presión de la radiación , las variaciones en el campo gravitacional de la Tierra y el efecto gravitacional de la Luna y el Sol , y se utilizan propulsores para mantener la órbita en un proceso conocido. como mantenimiento de estación . [21] : 156
Con el tiempo, sin el uso de propulsores, la órbita se inclinará, oscilando entre 0° y 15° cada 55 años. Al final de la vida útil del satélite, cuando el combustible se acerca al agotamiento, los operadores del satélite pueden decidir omitir estas costosas maniobras para corregir la inclinación y controlar únicamente la excentricidad. Esto prolonga la vida útil del satélite, ya que consume menos combustible con el tiempo, pero el satélite sólo puede ser utilizado por antenas terrestres capaces de seguir el movimiento NS. [21] : 156
Los satélites geoestacionarios también tenderán a desviarse alrededor de una de dos longitudes estables de 75° y 255° sin mantenimiento de posición. [21] : 157
Muchos objetos en órbitas geosincrónicas tienen órbitas excéntricas y/o inclinadas. La excentricidad hace que la órbita sea elíptica y parezca oscilar en dirección EW en el cielo desde el punto de vista de una estación terrestre, mientras que la inclinación inclina la órbita en comparación con el ecuador y hace que parezca oscilar en dirección NS desde una estación terrestre. Estos efectos se combinan para formar un analema (figura 8). [21] : 122
Los satélites en órbitas elípticas/excéntricas deben ser rastreados mediante estaciones terrestres orientables . [21] : 122
La órbita de la Tundra es una órbita geosincrónica excéntrica, que permite al satélite pasar la mayor parte de su tiempo en un lugar de alta latitud. Se encuentra en una inclinación de 63,4°, lo que es una órbita congelada , lo que reduce la necesidad de permanecer en posición . [23] Se necesitan al menos dos satélites para proporcionar una cobertura continua en un área. [24] Fue utilizado por la radio satelital Sirius XM para mejorar la intensidad de la señal en el norte de EE. UU. y Canadá. [25]
El sistema de satélites Quasi-Zenith (QZSS) es un sistema de cuatro satélites que opera en una órbita geosincrónica con una inclinación de 42° y una excentricidad de 0,075. [26] Cada satélite permanece sobre Japón , lo que permite que las señales lleguen a los receptores en los cañones urbanos y luego pasen rápidamente sobre Australia. [27]
Los satélites geosincrónicos 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. [28] 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. [29]
La mayoría de los vehículos de lanzamiento colocan los satélites geosincrónicos directamente en una órbita de transferencia geosincrónica (GTO), una órbita elíptica con un apogeo a la altura de la OSG y un perigeo bajo . Luego se utiliza la propulsión satelital a bordo para elevar el perigeo, circularizar y alcanzar la OSG. [28] [30]
Una vez en una órbita geoestacionaria viable, las naves espaciales pueden cambiar su posición longitudinal ajustando su semieje mayor de modo que el nuevo período sea más corto o más largo que un día sidéreo, para efectuar una aparente "deriva" hacia el Este o el Oeste, respectivamente. Una vez en la longitud deseada, el período de la nave espacial vuelve a ser geosincrónico. [31]
Una estatita es un satélite hipotético que utiliza la presión de la radiación del Sol contra una vela solar para modificar su órbita. [32]
Mantendría su ubicación sobre el lado oscuro de la Tierra a una latitud de aproximadamente 30 grados. Regresaría al mismo lugar en el cielo cada 24 horas desde la perspectiva de un observador desde la Tierra, por lo que sería funcionalmente similar a una órbita geosincrónica. [32] [33]
Otra forma de órbita geosincrónica es el ascensor espacial teórico . Cuando un extremo está unido al suelo, para altitudes por debajo del cinturón geoestacionario, el ascensor mantiene un período orbital más corto que solo por gravedad. [34]
Los satélites geosincrónicos requieren cierto mantenimiento en posición para permanecer en posición, y una vez que se quedan sin combustible para sus propulsores y ya no son útiles, se trasladan a una órbita de cementerio más alta . No es factible desorbitar satélites geosincrónicos, ya que hacerlo requeriría mucho más combustible del que se utilizaría elevando ligeramente la órbita; y la resistencia atmosférica es insignificante, lo que da a las OSG una vida útil de miles de años. [35]
El proceso de retirada 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. [36]
Los desechos espaciales en órbitas geosincrónicas suelen tener una velocidad de colisión más baja que en LEO, ya que la mayoría de los satélites OSG 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 OSG tienen una capacidad limitada para evitar cualquier residuo. [37]
Los desechos de menos de 10 cm de diámetro no pueden verse desde la Tierra, lo que dificulta evaluar su prevalencia. [38]
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 , [39] y en 2006 el satélite de comunicaciones ruso Express-AM11 fue golpeado por un objeto desconocido y quedó inoperable. , [40] 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. [41] [38] [42]
Una órbita geosincrónica tiene las siguientes propiedades:
Todas las órbitas geosincrónicas tienen un período orbital igual a exactamente un día sidéreo. [43] Esto significa que el satélite regresará al mismo punto sobre la superficie de la Tierra cada día (sideral), independientemente de otras propiedades orbitales. [44] [21] : 121 Este período orbital, T, está directamente relacionado con el semieje mayor de la órbita mediante la fórmula:
dónde:
Una órbita geosincrónica puede tener cualquier inclinación.
Los satélites suelen tener una inclinación cero, lo que garantiza que la órbita permanezca sobre el ecuador en todo momento, lo que la hace estacionaria con respecto a la latitud desde el punto de vista de un observador terrestre (y en el marco de referencia ECEF ). [21] : 122
Otra inclinación popular es la de 63,4° para una órbita de tundra, lo que garantiza que el argumento del perigeo de la órbita no cambie con el tiempo. [23]
En el caso especial de una órbita geoestacionaria, la trayectoria terrestre de un satélite es un único punto en el ecuador . En el caso general de una órbita geosincrónica con una inclinación o excentricidad distinta de cero , la trayectoria terrestre es una figura de ocho más o menos distorsionada, regresando a los mismos lugares una vez por día sidéreo. [21] : 122
Los satélites que parecen estar conectados a algún lugar de la Tierra están en la Órbita Terrestre Geosincrónica (GEO)... Los satélites que se dirigen a la GEO primero entran en una órbita elíptica con un apogeo de aproximadamente 23,000 millas.
Al encender los motores del cohete en el apogeo, la órbita gira.
Las órbitas geosincrónicas también se denominan geoestacionarias.
