پرش به محتوا

مدار توندرا

از ویکی‌پدیا، دانشنامهٔ آزاد
پویانمایی دو مدار توندرا با انحراف مداری ۶۳٫۴ درجه و خروج از مرکزهای متفاوت. حلقه ظاهری به دلیل استفاده از چارچوب ثابت زمین است که در طول حرکت روزانه زمین هم‌زمان می‌چرخد؛ مدارهای توندرا در یک چارچوب لخت مرکز زمین بیضی‌های ساده‌ای هستند.       خروج از مرکز ۰٫۲      خروج از مرکز ۰٫۳      زمین

یک مدار توندرا (روسی: орбита «Тундра») یک مدار بسیار بیضوی زمین‌همگام با انحراف مداری بالا (تقریباً ۶۳٫۴ درجه)، دوره مداری یک روز نجومی و خروج از مرکز معمول بین ۰٫۲ تا ۰٫۳ است. ماهواره‌ای که در این مدار قرار می‌گیرد، بیشتر زمان خود را بر فراز یک منطقه انتخابی از زمین سپری می‌کند؛ پدیده‌ای که به آن حضیض در اوج (apogee dwell) گفته می‌شود. این ویژگی، این مدارها را به‌ویژه برای ماهواره‌های مخابراتی که به مناطق با عرض جغرافیایی بالا خدمات‌رسانی می‌کنند، مناسب می‌سازد.

مدار توندرا، مانند مدار مولنیا، توسط دانشمندان شوروی توسعه یافت. مدار مولنیا به‌طور خاص در دهه ۱۹۶۰ برای ارائه پوشش ارتباطی بهتر برای مناطق با عرض جغرافیایی بالا طراحی شد که ماهواره‌های زمین‌ثابت در پوشش مؤثر آن‌ها با مشکل مواجه بودند. مدار توندرا، با وجود شباهت در انحراف مداری بالا و شکل بیضوی، بعداً برای ارائه پوشش مداوم بر فراز مناطق خاص توسعه یافت، به‌طوری‌که ماهواره‌ها بیشتر زمان خود را در اوج مدار بر فراز یک منطقه مشخص سپری کنند. هر دو مدار راه‌حل‌های نوآورانه‌ای برای چالش‌های منحصربه‌فرد ناشی از موقعیت جغرافیایی اتحاد جماهیر شوروی و نیاز به قابلیت‌های ارتباطی و نظارتی قابل‌اعتماد بودند.

رد زمینی یک ماهواره در مدار توندرا یک شکل بسته شبیه عدد ۸ انگلیسی است که یک حلقه کوچک‌تر آن بر فراز نیمکره شمالی یا جنوبی قرار دارد.[۱][۲] این ویژگی آن‌ها را از مدار مولنیا که برای خدمات‌رسانی به مناطق با عرض جغرافیایی بالا طراحی شده‌اند، متمایز می‌کند. مدارهای مولنیا انحراف مداری یکسانی دارند اما دوره مداری آن‌ها نصف مدار توندرا است و بر فراز یک منطقه واحد توقف نمی‌کنند.[۳][۴]

کاربردها

[ویرایش]

مدارهای توندرا و مدار مولنیا برای ارائه زوایای ارتفاع بالاتر به کاربران در عرض‌های جغرافیایی بالا در مقایسه با مدار زمین‌ثابت استفاده می‌شوند. این امر مطلوب است زیرا پخش سیگنال به این عرض‌های جغرافیایی از یک مدار زمین‌ثابت (بر فراز خط استوای زمین) به دلیل زوایای ارتفاع پایین، فاصله بیشتر و تضعیف اتمسفری ناشی از آن، به توان قابل توجهی نیاز دارد. سایت‌هایی که در عرض‌های جغرافیایی بالاتر از ۸۱ درجه قرار دارند، اصلاً قادر به مشاهده ماهواره‌های زمین‌مرکزی نیستند و به عنوان یک قاعده کلی، زوایای ارتفاع کمتر از ۱۰ درجه بسته به فرکانس ارتباطی می‌تواند مشکل‌ساز باشد.[۵]: 499 [۶]

مدارهای بسیار بیضوی جایگزینی برای مدارهای زمین‌ثابت ارائه می‌دهند، زیرا آن‌ها برای مدت طولانی در اوج مدار خود بر فراز مناطق با عرض جغرافیایی بالا باقی می‌مانند. با این حال، مزیت آن‌ها با هزینه کاهش می‌یابد: برای ارائه پوشش مداوم از یک مدار توندرا به دو ماهواره (و از یک مدار مولنیا به سه ماهواره) نیاز است.[۳]

یک ایستگاه زمینی که داده‌ها را از یک منظومه ماهواره‌ای در یک مدار بسیار بیضوی دریافت می‌کند، باید به‌طور دوره‌ای بین ماهواره‌ها جابجا شود و با تغییرات قدرت سیگنال، تأخیر و اثر دوپلر که با تغییر فاصله ماهواره در طول مدارش رخ می‌دهد، مقابله کند. این تغییرات برای ماهواره‌های در مدار توندرا، به دلیل فاصله بیشترشان از سطح زمین، کمتر محسوس است که ردیابی و ارتباط را کارآمدتر می‌کند.[۷] علاوه بر این، برخلاف مدار مولنیا، یک ماهواره در مدار توندرا از عبور از کمربند وان آلن اجتناب می‌کند.[۸]

با وجود این مزایا، مدار توندرا کمتر از مدار مولنیا استفاده می‌شود[۸] که بخشی از آن به دلیل انرژی پرتاب بالاتر مورد نیاز است.[۱]

کاربردهای پیشنهادی

[ویرایش]

در سال ۲۰۱۷، دفتر زباله‌های فضایی ESA مقاله‌ای منتشر کرد که پیشنهاد می‌کرد از یک مدار شبیه توندرا به عنوان مدار دفع برای ماهواره‌های زمین‌همگام قدیمی با انحراف مداری بالا، به جای مدار قبرستان سنتی، استفاده شود.[۳]

ویژگی‌ها

[ویرایش]

یک مدار توندرا[۷] معمولی دارای ویژگی‌های زیر است:

  • انحراف: ۶۳٫۴ درجه
  • آرگومان حضیض: ۲۷۰ درجه
  • دوره: ۱۴۳۶ دقیقه
  • خروج از مرکز: ۰٫۲۴–۰٫۴
  • نیم‌قطر بزرگ: ۴۲٬۱۶۴ کیلومتر (۲۶٬۱۹۹ مایل)

انحراف مداری

[ویرایش]

به‌طور کلی، پخ‌شدگی زمین، آرگومان حضیض یک ماهواره () را مختل می‌کند، به طوری که با گذشت زمان به تدریج تغییر می‌کند.[۱] اگر فقط ضریب مرتبه اول را در نظر بگیریم، حضیض بر اساس معادله 1 تغییر خواهد کرد، مگر اینکه با سوزاندن مداوم پیشران‌ها برای حفظ موقعیت تصحیح شود.

 

 

 

 

(1)

که در آن انحراف مداری، خروج از مرکز، حرکت متوسط بر حسب درجه در روز، عامل اغتشاش، شعاع زمین، نیم‌قطر بزرگ، و بر حسب درجه در روز است.

برای جلوگیری از این مصرف سوخت، مدار توندرا از انحراف مداری ۶۳٫۴ درجه استفاده می‌کند که در آن عامل صفر می‌شود، بنابراین هیچ تغییری در موقعیت حضیض در طول زمان رخ نمی‌دهد.[۹][۱۰]: 143 [۷] این انحراف، انحراف مداری بحرانی نامیده می‌شود و مداری که به این روش طراحی شده باشد، مدار یخ‌زده نام دارد.

آرگومان حضیض

[ویرایش]

آرگومان حضیض ۲۷۰ درجه، اوج مدار را در شمالی‌ترین نقطه آن قرار می‌دهد. آرگومان حضیض ۹۰ درجه نیز به همین ترتیب برای عرض‌های جغرافیایی بالای جنوبی کارایی دارد. آرگومان حضیض ۰ یا ۱۸۰ درجه باعث می‌شود که ماهواره بر فراز استوا توقف کند، اما این کار فایده چندانی ندارد زیرا می‌توان آن را بهتر با یک مدار زمین‌ثابت معمولی انجام داد.[۷]

دوره

[ویرایش]

دوره مداری یک روز نجومی تضمین می‌کند که ماهواره در طول زمان از یک رد زمینی یکسان پیروی کند. این ویژگی توسط نیم‌قطر بزرگ مدار کنترل می‌شود.[۷]

خروج از مرکز

[ویرایش]

خروج از مرکز بر اساس زمان توقف مورد نیاز انتخاب می‌شود و شکل رد زمینی را تغییر می‌دهد. یک مدار توندرا معمولاً خروج از مرکزی در حدود ۰٫۲ دارد؛ مداری با خروج از مرکز حدود ۰٫۴، که رد زمینی را از شکل عدد ۸ به شکل قطره اشک تغییر می‌دهد، مدار سوپرتوندرا نامیده می‌شود.[۱۱]

نیم‌قطر بزرگ

[ویرایش]

ارتفاع دقیق یک ماهواره در مدار توندرا بین مأموریت‌های مختلف متفاوت است، اما یک مدار معمولی با خروج از مرکز ۰٫۲۵ تقریباً دارای ارتفاع حضیض ۲۵٬۰۰۰ کیلومتر (۱۶٬۰۰۰ مایل)، ارتفاع اوج ۴۶٬۰۰۰ کیلومتر (۲۹٬۰۰۰ مایل) و نیم‌قطر بزرگ ۴۲٬۰۰۰ کیلومتر (۲۶٬۰۰۰ مایل) خواهد بود.[۷]

فضاپیماهای استفاده‌کننده از مدارهای توندرا

[ویرایش]
رد زمینی مدار QZSS که ویژگی‌های مشابهی با مدار توندرا دارد اما انحراف مداری آن کمتر است

روسیه در حال حاضر از ماهواره‌هایی در مدار توندرا استفاده می‌کند. سامانه EKS (سامانه فضایی یکپارچه) یا Kupol، که بخشی از شبکه ماهواره‌ای هشدار سریع روسیه است، شامل ماهواره‌هایی است که در مدارهای توندرا فعالیت می‌کنند. این ماهواره‌ها برای شناسایی و ردیابی پرتاب موشک‌های بالستیک و ارائه هشدار سریع در مورد حملات موشکی احتمالی طراحی شده‌اند.

از سال ۲۰۰۰ تا ۲۰۱۶، رادیوی ماهواره‌ای سیریوس، که اکنون بخشی از سیریوس اکس‌ام است، یک منظومه ماهواره‌ای متشکل از سه ماهواره را در مدارهای توندرا برای رادیوی ماهواره‌ای اداره می‌کرد.[۱۲][۱۳] طول گره صعودی و آنومالی متوسط هر ماهواره به اندازه ۱۲۰ درجه از هم فاصله داشتند تا زمانی که یک ماهواره از موقعیت خارج می‌شد، ماهواره دیگری از حضیض عبور کرده و آماده جایگزینی بود. این منظومه برای دسترسی بهتر به مصرف‌کنندگان در عرض‌های جغرافیایی بسیار شمالی، کاهش تأثیر دره شهریها و نیاز به تنها ۱۳۰ تکرارکننده در مقایسه با ۸۰۰ تکرارکننده برای یک سامانه زمین‌ثابت توسعه یافته بود. پس از ادغام سیریوس با XM، طراحی و مدار ماهواره جایگزین FM-6 از توندرا به یک مدار زمین‌ثابت تغییر یافت.[۱۴][۱۵] این ماهواره مکمل ماهواره زمین‌ثابت FM-5 (پرتاب‌شده در سال ۲۰۰۹) بود[۱۶] و در سال ۲۰۱۶، سیریوس پخش از مدارهای توندرا را متوقف کرد.[۱۷][۱۸][۱۹] ماهواره‌های سیریوس تنها ماهواره‌های تجاری بودند که از مدار توندرا استفاده می‌کردند.[۲۰]

سامانه ماهواره‌ای کواسی-زنیث ژاپن از یک مدار زمین‌همگام مشابه مدار توندرا استفاده می‌کند، اما با انحراف مداری تنها ۴۳ درجه. این سامانه شامل چهار ماهواره است که از یک رد زمینی یکسان پیروی می‌کنند. این سامانه از سال ۲۰۱۰ مورد آزمایش قرار گرفت و در نوامبر ۲۰۱۸ به‌طور کامل عملیاتی شد.[۲۱]

سامانه‌های پیشنهادی

[ویرایش]

مدار توندرا برای استفاده در پروژه ارشمیدس آژانس فضایی اروپا (ESA)، یک سامانه پخش که در دهه ۱۹۹۰ پیشنهاد شد، در نظر گرفته شده بود.[۱۳][۲۲]

مقایسه مدار توندرا، سامانه ماهواره‌ای کواسی-زنیث|مدار QZSS و مدار مولنیا - نمای استوایی
نمای روبرو
نمای جانبی
نمای روبرو، چارچوب ثابت زمین
نمای جانبی، چارچوب ثابت زمین
       مدار توندرا       مدار QZSS      مدار مولنیا      زمین

جستارهای وابسته

[ویرایش]

منابع

[ویرایش]
  1. ۱٫۰ ۱٫۱ ۱٫۲ Fortescue, P. W.; Mottershead, L. J.; Swinerd, G.; Stark, J. P. W. (2003). "Section 5.7: highly elliptic orbits". Spacecraft Systems Engineering. John Wiley and Sons. ISBN 978-0-471-61951-2.
  2. Dickinson, David (2018). The Universe Today Ultimate Guide to Viewing The Cosmos: Everything You Need to Know to Become an Amateur Astronomer (به انگلیسی). Page Street Publishing. p. 203. ISBN 978-1-62414-545-2.
  3. ۳٫۰ ۳٫۱ ۳٫۲ Jenkin, A. B.; McVey, J. P.; Wilson, J. R.; Sorge, M. E. (2017). Tundra Disposal Orbit Study. 7th European Conference on Space Debris. ESA Space Debris Office. Archived from the original on 2017-10-02. Retrieved 2017-10-02.
  4. Mortari, D.; Wilkins, M. P.; Bruccoleri, C. (2004). The Flower Constellations (PDF) (Report). p. 4. Archived from the original (PDF) on 2017-08-09. Retrieved 2017-10-02.
  5. Ilčev, Stojče Dimov (2017). Global Satellite Meteorological Observation (GSMO) Theory. Vol. 1. Springer International Publishing. p. 57. Bibcode:2018gsmo.book.....I. ISBN 978-3-319-67119-2. Retrieved 16 April 2019.
  6. Soler, Tomás; Eisemann, David W. (August 1994). "Determination of Look Angles To Geostationary Communication Satellites" (PDF). Journal of Surveying Engineering. 120 (3): 123. doi:10.1061/(ASCE)0733-9453(1994)120:3(115). ISSN 0733-9453. Archived (PDF) from the original on 4 March 2016. Retrieved 16 April 2019.
  7. ۷٫۰ ۷٫۱ ۷٫۲ ۷٫۳ ۷٫۴ ۷٫۵ Maral, Gerard; Bousquet, Michel (2011-08-24). "2.2.1.2 Tundra Orbits". Satellite Communications Systems: Systems, Techniques and Technology. John Wiley & Sons. ISBN 978-1-119-96509-1.
  8. ۸٫۰ ۸٫۱ Capderou, Michel (2005). Satellites. Springer. p. 228. ISBN 9782287213175.
  9. Kidder, Stanley Q.; Vonder Haar, Thomas H. (18 August 1989). "On the Use of Satellites in Molniya Orbits of Meteorological Observation of Middle and High Latitudes". Journal of Atmospheric and Oceanic Technology. 7 (3): 517. Bibcode:1990JAtOT...7..517K. doi:10.1175/1520-0426(1990)007<0517:OTUOSI>2.0.CO;2.
  10. Wertz, James Richard; Larson, Wiley J. (1999). Larson, Wiley J.; Wertz, James R. (eds.). Space Mission Analysis and Design. Microcosm Press and Kluwer Academic Publishers. Bibcode:1999smad.book.....W. ISBN 978-1-881883-10-4.
  11. Capderou, Michel (2006-01-16). Satellites: Orbits and Missions (PDF). Springer. p. 224. ISBN 978-2-287-27469-5. Archived (PDF) from the original on 2018-05-17. Retrieved 2019-04-30.
  12. "Sirius Rising: Proton-M Ready to Launch Digital Radio Satellite Into Orbit". AmericaSpace. 2013-10-18. Archived from the original on 28 June 2017. Retrieved 8 July 2017.
  13. ۱۳٫۰ ۱۳٫۱ Capderou, Michel (2014-04-23). Handbook of Satellite Orbits: From Kepler to GPS. Springer. p. 290. Bibcode:2014hso..book.....C. ISBN 978-3-319-03416-4.
  14. Selding, Peter B. de (October 5, 2012). "Sirius XM Needs To Install 600 New Ground Repeaters". SpaceNews.com.
  15. Binkovitz, Leah (24 October 2012). "Sirius Satellite Comes to Udvar-Hazy". Smithsonian. Archived from the original on 8 May 2019. Retrieved 8 May 2019.
  16. Clark, Stephen (30 June 2009). "New Sirius XM Radio Satellite Launches to Orbit". Space.com. Archived from the original on 8 May 2019. Retrieved 8 May 2019.
  17. Wiley Rein (19 November 2009). Application for Modification (Report). کمیسیون فدرال ارتباطات. Archived from the original on 2 October 2017. Retrieved 2 February 2017.
  18. Meyer, James E.; Frear, David J., eds. (2 February 2016). Sirius XM Holdings 10-K 2015 Annual Report (PDF) (Report). Sirius XM Holdings. Archived (PDF) from the original on 29 August 2016. Retrieved 2 February 2017.
  19. Meyer, James E.; Frear, David J., eds. (2 February 2017). Sirius XM Holdings Inc. 10-K Feb. 2, 2017 11:57 AM. Seeking Alpha (Report). Sirius XM Holdings Inc.
  20. Bruno, Michael J.; Pernicka, Henry J. (2005). "Tundra Constellation Design and Stationkeeping". Journal of Spacecraft and Rockets. 42 (5): 902–912. Bibcode:2005JSpRo..42..902B. doi:10.2514/1.7765.
  21. "Quasi-Zenith Satellite Orbit (QZO)". Archived from the original on 2018-03-09. Retrieved 2018-03-10.
  22. Hoeher, P.; Schweikert, R.; Woerz, T.; Schmidbauer, A.; Frank, J.; Grosskopf, R.; Schramm, R.; Gale, F. C. T.; Harris, R. A. (1996). "Digital Audio Broadcasting (DAB) via Archimedes/Media Star HEO-Satellites". Mobile and Personal Satellite Communications 2. pp. 150–161. doi:10.1007/978-1-4471-1516-8_13. ISBN 978-3-540-76111-2.