Órbita de Molniya

Tipo de órbita satelital de alta latitud
Figura 1: La órbita de Molniya. Normalmente se utiliza el período 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 de Molniya. La constelación de satélites en órbita de 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 deórbitadiseñada para proporcionar comunicaciones yde teledetecciónen altaslatitudes. Es unaórbita altamente elípticacon unainclinaciónde 63,4grados, unargumento de perigeode 270 grados y unperíodo orbitalde aproximadamente mediodía sideral.[1]El nombre proviene de losMolniya, una serie desatélites de comunicacionesciviles y militaressoviéticos/rusosque han utilizado este tipo de órbita desde mediados de la década de 1960. Una variación de la órbita Molniya es la llamada órbita de tres apogeos (TAP), cuyo período es un tercio de un día sideral.

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 la coloca sobre Rusia o Canadá durante la mayor parte de su órbita, lo que proporciona un alto ángulo de visión a los satélites de comunicaciones y monitoreo que cubren estas áreas de alta latitud. Las órbitas geoestacionarias , que necesariamente están inclinadas sobre el ecuador , solo pueden ver estas regiones desde un ángulo bajo, lo que dificulta el rendimiento. En la práctica, un satélite en una órbita de Molniya cumple el mismo propósito para altas latitudes 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, monitoreo meteorológico, sistemas de alerta temprana y algunos propósitos clasificados.

Historia

La órbita de Molniya fue descubierta por científicos soviéticos en la década de 1960 como una alternativa de comunicaciones de alta latitud a las órbitas geoestacionarias , que requieren grandes energías de lanzamiento para lograr un perigeo alto y cambiar la inclinación para orbitar sobre el ecuador (especialmente cuando se lanzan 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 territorio ruso. [4] El nombre de la órbita se refiere a la velocidad "del rayo" con la que el satélite pasa por el perigeo. [5]

El primer uso de la órbita Molniya fue para 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 televisión civil, telecomunicaciones y comunicaciones militares de largo alcance, pero también estaban equipados con cámaras utilizadas para el monitoreo meteorológico 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 se veían alteradas por perturbaciones y tenían que ser reemplazados constantemente. [1]

La serie siguiente, Molniya-2, proporcionó transmisiones militares y civiles y se utilizó para crear la red de televisión Orbita , que abarcaba la Unión Soviética. Estos a su vez fueron reemplazados por el diseño Molniya-3. [4] Un satélite llamado Mayak fue diseñado 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 a partir de 1967, como parte del sistema Oko . [10] [11] [12]

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

En 2015 y 2017, Rusia lanzó dos satélites Tundra a una 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 de 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, Escocia central, Moscú y la parte sur de la bahía de Hudson). Un satélite en estas órbitas pasa la mayor parte de su tiempo sobre el hemisferio norte y pasa rápidamente sobre el hemisferio sur.

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

Un satélite en órbita Molniya es más adecuado para las comunicaciones en estas regiones, porque las observa más directamente durante gran parte 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 de Molniya requieren considerablemente menos energía de lanzamiento que los de órbitas geoestacionarias (especialmente los de lanzamiento 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 para el 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 de Banda Ancha Antártica , 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 extinto Programa Australiano de Investigación Espacial , no progresó más allá del desarrollo inicial. [25] [26]

Constelaciones de Molniya

Para cubrir de forma permanente y en latitudes altas una gran zona de la Tierra (como toda Rusia, donde las partes meridionales están a unos 45°  N) se necesita una constelación de al menos tres naves espaciales en órbitas de Molniya. Si se utilizan tres naves espaciales, cada una de ellas estará activa durante un período de ocho horas por órbita, centrada en el 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. En la órbita original de Molniya, los apogeos se situaban sobre Rusia y América del Norte, pero modificando la ascensión recta del nodo ascendente se puede variar. [19] La cobertura de un satélite en una órbita de 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 mostrada en la figura 6 (o figura 9), y el cambio puede tener lugar. Obsérvese que las dos naves espaciales en el momento del cambio están separadas por unos 1.500 kilómetros (930 mi), de modo que las estaciones terrestres solo tienen que mover sus antenas unos pocos grados para adquirir la nueva nave espacial. [28]

Diagramas

  • Figura 4: Una constelación de tres naves espaciales Molniya que prestan servicio en el hemisferio norte. P es el período orbital. La línea verde corresponde al servicio en Asia y Europa con la visibilidad de las figuras 6 a 8. La línea roja corresponde al servicio en América del Norte con la visibilidad de las figuras 9 a 11.
    Figura 4: Una constelación de tres naves espaciales Molniya que prestan servicio en el hemisferio norte. P es el período orbital. La línea verde corresponde al servicio en Asia y Europa con la visibilidad de las figuras 6 a 8. La línea roja corresponde al servicio en 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 del 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 solo ±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 del 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 solo ±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 de 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 de 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 de 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 de 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 de Molniya suponiendo 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 de Molniya suponiendo 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 de Molniya bajo el supuesto de que la longitud del apogeo es 90° O. La nave espacial se encuentra a una altitud de 24.043 km sobre el punto 87,35° O 47,04° N.
    Figura 9: Vista de la Tierra cuatro horas antes del apogeo desde una órbita de Molniya bajo el supuesto de que la longitud del apogeo es 90°  O. La nave espacial se encuentra a una altitud de 24.043 km sobre el punto 87,35°  O 47,04°  N.
  • Figura 10: Vista de la Tierra desde el apogeo de una órbita de Molniya bajo el supuesto de que la longitud del apogeo es 90° O. La nave espacial se encuentra a una altitud de 39.867 km sobre el punto 90° O 63,43° N.
    Figura 10: Vista de la Tierra desde el apogeo de una órbita de Molniya bajo el supuesto de que la longitud del apogeo es 90°  O. La nave espacial se encuentra a una altitud de 39.867 km sobre el punto 90°  O 63,43°  N.
  • Figura 11: Vista de la Tierra 4 horas después del apogeo desde una órbita de Molniya bajo el supuesto de que la longitud del apogeo es 90° O. La nave espacial se encuentra a una altitud de 24.043 km sobre el punto 92,65° O 47,04° N.
    Figura 11: Vista de la Tierra 4 horas después del apogeo desde una órbita de Molniya bajo el supuesto de que la longitud del apogeo es 90°  O. La nave espacial se encuentra a una altitud de 24.043 km sobre el punto 92,65°  O 47,04°  N.
Comparación de la órbita de Tundra , la órbita QZSS y la órbita de 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: 270°
  • Inclinación: 63,4° [20]
  • Periodo: 718 minutos [1]
  • Excentricidad: 0,74
  • Semieje mayor : 26.600 km (16.500 mi)

Argumento del perigeo

El ángulo del perigeo se ha fijado en 270°, lo que hace que el satélite alcance el apogeo en el punto más septentrional de su órbita. Para futuras aplicaciones en el hemisferio sur, se fijaría en 90°. [24]

Inclinación orbital

En general, la achatación de la Tierra altera el argumento del perigeo ( ), de modo que cambia gradualmente con el tiempo. Si solo consideramos el coeficiente de primer orden , el perigeo cambiará según la ecuación 1 , a menos que se corrija constantemente con encendidos de los propulsores para mantener la posición. ω {\estilo de visualización \omega} Yo 2 Estilo de visualización J_{2}

ω ˙ = 3 4 ⋅ norte Yo 2 ⋅ ( R mi a ) 2 4 − 5 pecado 2 ⁡ i ( 1 − mi 2 ) 2 {\displaystyle {\dot {\omega }}={\frac {3}{4}}\cdot nJ_{2}\cdot \left({\frac {R_{E}}{a}}\right)^{2}{\frac {4-5\sin ^{2}{i}}{(1-e^{2})^{2}}}} ( 1 )

donde es la inclinación orbital, es la excentricidad, es el movimiento medio en grados por día, es el factor perturbador, es el radio de la tierra, es el semieje mayor y está en grados por día. i {\estilo de visualización i} mi {\estilo de visualización e} norte {\estilo de visualización n} Yo 2 Estilo de visualización J_{2} R mi Estilo de visualización R_{E}} a {\estilo de visualización a} ω ˙ {\displaystyle {\dot {\omega }}}

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 . 4 − 5 pecado 2 ⁡ i {\displaystyle 4-5\sin ^{2}{i}}

Periodo orbital

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

Sin embargo, la achatación de la Tierra también perturba la ascensión recta del nodo ascendente ( ), cambiando el período nodal y provocando que la trayectoria del terreno se desplace con el tiempo a la velocidad que se muestra en la ecuación 2 . Ohmio {\estilo de visualización\Omega}

Ohmio ˙ = − 3 2 ⋅ norte Yo 2 ⋅ ( R mi a ) 2 porque ⁡ i ( 1 − mi 2 ) 2 {\displaystyle {\dot {\Omega }}=-{\frac {3}{2}}\cdot nJ_{2}\cdot \left({\frac {R_{E}}{a}}\right)^{2}{\frac {\cos {i}}{(1-e^{2})^{2}}}} ( 2 )

donde está en grados por día. [19] : 143  Ohmio ˙ {\displaystyle {\dot {\Omega }}}

Como la inclinación de la órbita de Molniya es fija (como se indica más 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 para cancelar este efecto. [20] Ohmio ˙ = − 0.3 {\displaystyle {\dot {\Omega }}=-0,3}

Excentricidad

La excentricidad de la órbita se basa en las diferencias de altitud entre su apogeo y perigeo. Para maximizar la cantidad de tiempo que el satélite pasa sobre el apogeo, la excentricidad debe ser lo más alta posible [ ancla rota ] . Sin embargo, el perigeo debe ser lo suficientemente alto como para mantener al satélite sustancialmente por encima de la atmósfera para minimizar la resistencia (~600 km), y el período orbital debe mantenerse en aproximadamente medio día sideral (como se indica anteriormente). Estos dos factores limitan la excentricidad, que se convierte en 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 utilizando las órbitas de Molniya, los científicos utilizan el modelo de perturbaciones simplificado SDP4 , que calcula la ubicación de un satélite basándose en la forma orbital, la resistencia, la radiación, los efectos de la gravitación del sol y la luna, y los términos de resonancia terrestre. [29]

Véase también

Referencias

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  • Ilustración de la geometría de las comunicaciones proporcionada por los satélites en órbitas Molniya de 12 horas (vídeo)
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