Órbita geoestacionaria

Una órbita geosincrónica (a veces abreviada como 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 sideral ). La sincronización de la rotación y el período orbital significa que, para un observador en la superficie de la Tierra, un objeto en órbita geosincrónica regresa exactamente a la misma posición en el cielo después de un período de un día sideral. En el transcurso de un día, la posición del objeto en el cielo puede permanecer fija o trazar una trayectoria, típicamente en forma de 8 , cuyas características precisas dependen de la inclinación y excentricidad de la órbita . Una órbita geosincrónica circular tiene una altitud constante de 35.786 km (22.236 mi). ^[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 los observadores en la superficie. ^[1]

A los satélites de comunicaciones a menudo se les asignan órbitas geoestacionarias o cercanas a las geoestacionarias, de modo que las antenas satelitales que se comunican con ellos no tienen que moverse sino que pueden apuntar permanentemente a la ubicación fija en el cielo donde aparece el satélite. ^[1]

En 1929, Herman Potočnik describió tanto las órbitas geoestacionarias en general como el caso especial de la órbita geoestacionaria de la Tierra en particular como órbitas útiles para estaciones espaciales . ^[2] La primera aparición de una órbita geoestacionaria en la literatura popular fue en octubre de 1942, en la primera historia de Venus Equilátera de George O. Smith , ^[3] pero Smith no entró en detalles. El autor de ciencia ficción británico Arthur C. Clarke popularizó y amplió el concepto en un artículo de 1945 titulado Extra-Terrestrial Relays – Can Rocket Stations Give Worldwide Radio Coverage?, 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 llama la órbita de Clarke. ^[6] De manera similar, la colección de satélites artificiales en esta órbita se conoce como el Cinturón de Clarke. ^[7]

En la terminología técnica, las órbitas geosincrónicas a menudo se denominan geoestacionarias si están aproximadamente sobre el ecuador, pero los términos se usan de manera algo intercambiable. ^{[8] [9]} Específicamente, la órbita terrestre geosincrónica ( GEO ) puede ser un sinónimo de órbita ecuatorial geosincrónica , ^[10] u órbita terrestre geoestacionaria . ^[11]

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 (ecuatorial geoestacionario) para globalizar las comunicaciones. Las telecomunicaciones entre Estados Unidos y Europa eran posibles entonces entre tan solo 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 geoestacionaria y que no sobreviviría lo suficiente como para justificar el gasto, ^[13] por lo que los primeros esfuerzos se dirigieron hacia constelaciones de satélites en órbita terrestre baja o media . ^[14] Los primeros de estos 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 podrían resolverse mediante satélites geoestacionarios, el concepto se consideró poco práctico, por lo que Hughes a menudo retuvo 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 ligero y pequeño, lo suficientemente ligero como para ser colocado en órbita por los cohetes disponibles en ese momento, estaba estabilizado por giro y utilizaba antenas dipolares que producían una forma de onda con forma de panqueque. ^[16] En agosto de 1961, fueron contratados para comenzar a construir el satélite funcional. ^[12] Perdieron Syncom 1 por una falla electrónica, pero Syncom 2 se colocó con éxito en una órbita geoestacionaria en 1963. Aunque su órbita inclinada aún requería antenas móviles, pudo retransmitir transmisiones de televisión y permitió que el presidente estadounidense John F. Kennedy telefoneara 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 geoestacionarios que proporcionan teledetección , navegación y comunicaciones. ^{[12] [1]}

Aunque la mayoría de las zonas pobladas del planeta cuentan ahora 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% en 2018, ^[18] algunas áreas rurales y remotas en países desarrollados todavía dependen de las comunicaciones por satélite. ^{[19] [20]}

Una órbita ecuatorial geoestacionaria (GEO) es una órbita geoestacionaria circular en el plano del ecuador de la Tierra con un radio de aproximadamente 42.164 km (26.199 mi) (medido desde el centro de la Tierra). ^{[21] : 156} Un satélite en una órbita de este tipo se encuentra a una altitud de aproximadamente 35.786 km (22.236 mi) sobre el nivel medio del mar. Mantiene la misma posición relativa a la superficie de la Tierra. Si uno pudiera ver un satélite en órbita geoestacionaria, parecería flotar en el mismo punto en el cielo, es decir, no exhibiría movimiento diurno , mientras que el Sol, la Luna y las estrellas atravesarían los cielos detrás de él. Tales órbitas son útiles para los satélites de telecomunicaciones . ^[22]

Una órbita geoestacionaria perfectamente estable es un ideal al que sólo se puede llegar a aproximar. En la práctica, el satélite se desvía de esta órbita debido a perturbaciones como el viento solar , la presión de radiación , las variaciones en el campo gravitatorio de la Tierra y el efecto gravitatorio de la Luna y el Sol , y se utilizan propulsores para mantener la órbita en un proceso conocido como mantenimiento de la posición . ^{[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 esté agotando, 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 solo puede ser utilizado por antenas terrestres capaces de seguir el movimiento del satélite. ^{[21] : 156}

Los satélites geoestacionarios también tenderán a desviarse alrededor de una de dos longitudes estables de 75° y 255° sin mantener la posición. ^{[21] : 157}

Muchos objetos en órbitas geoestacionarias tienen órbitas excéntricas y/o inclinadas. La excentricidad hace que la órbita sea elíptica y parezca oscilar en dirección este-oeste 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 norte-sur 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 por estaciones terrestres orientables . ^{[21] : 122}

La órbita de la tundra es una órbita geoestacionaria excéntrica, que permite al satélite pasar la mayor parte de su tiempo en una ubicación de alta latitud. Se encuentra a una inclinación de 63,4°, que es una órbita congelada , lo que reduce la necesidad de mantener la posición . ^[23] Se necesitan al menos dos satélites para proporcionar cobertura continua sobre un área. ^[24] Fue utilizada por la radio satelital Sirius XM para mejorar la intensidad de la señal en el norte de los EE. UU. y Canadá. ^[25]

El sistema de satélites Quasi-Zenith (QZSS) es un sistema de cuatro satélites que opera en una órbita geoestacionaria con una inclinación de 42° y una excentricidad de 0,075. ^[26] Cada satélite se encuentra sobre Japón , lo que permite que las señales lleguen a los receptores en cañones urbanos y luego pasen rápidamente sobre Australia. ^[27]

Los satélites geoestacionarios se lanzan hacia el este en una órbita prograda que coincide con la velocidad de rotación del ecuador. La inclinación mínima a la que se puede lanzar un satélite es la de la latitud del lugar 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 le dé un impulso al satélite. Un lugar de lanzamiento debe tener agua o desiertos al este, de modo que los cohetes que fallen no caigan en una zona poblada. ^[29]

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 GSO y un perigeo bajo . Luego se utiliza la propulsión del satélite a bordo para elevar el perigeo, circularizarlo y alcanzar la GSO. ^{[28] [30]}

Una vez que se encuentran 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 sideral, con el fin de efectuar una aparente "deriva" hacia el este o hacia el oeste, respectivamente. Una vez que se alcanza la longitud deseada, el período de la nave espacial se restablece a geoestacionario. ^[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 posición sobre el lado oscuro de la Tierra a una latitud de aproximadamente 30 grados. Volvería al mismo punto en el cielo cada 24 horas desde la perspectiva de un observador terrestre, por lo que su funcionamiento sería similar al de una órbita geoestacionaria. ^{[32] [33]}

Otra forma de órbita geoestacionaria 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 el que se produce por la gravedad únicamente. ^[34]

Los satélites geoestacionarios requieren cierto mantenimiento para permanecer en posición, y una vez que se quedan sin combustible para sus propulsores y ya no son útiles, se los traslada a una órbita cementerio más alta . No es posible desorbitar los satélites geoestacionarios, ya que para ello se necesitaría mucho más combustible del que se utilizaría elevando ligeramente la órbita; y la resistencia atmosférica es insignificante, lo que da a los satélites geoestacionarios una vida útil de miles de años. ^[35]

El proceso de retiro está cada vez más regulado y los satélites deben tener un 90% de posibilidades de moverse más de 200 km por encima del cinturón geoestacionario al final de su vida útil. ^[36]

Los desechos espaciales en órbitas geoestacionarias suelen tener una velocidad de colisión menor que en órbitas bajas, ya que la mayoría de los satélites GSO orbitan en el mismo plano, altitud y velocidad; sin embargo, la presencia de satélites en órbitas excéntricas permite colisiones a velocidades de hasta 4 km/s. Aunque una colisión es comparativamente improbable, los satélites GSO tienen una capacidad limitada para evitar cualquier desecho. ^[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 entre naves espaciales. El satélite de telecomunicaciones Olympus-1 de la Agencia Espacial Europea fue alcanzado por un meteoroide el 11 de agosto de 1993 y finalmente pasó a una órbita cementerio ^[39] , y en 2006 el satélite de comunicaciones ruso Express-AM11 fue alcanzado por un objeto desconocido y quedó inoperativo ^[40] , aunque sus ingenieros tuvieron suficiente tiempo de contacto con el satélite para enviarlo a una órbita cementerio. En 2017, tanto el AMC-9 como el Telkom-1 se separaron por una causa desconocida ^{[41] [38] [42]}

Una órbita geosincrónica tiene las siguientes propiedades:

• Periodo: 1436 minutos (un día sideral )
• Semieje mayor : 42.164 km ^{[21] : 121}

Todas las órbitas geoestacionarias tienen un período orbital igual a exactamente un día sideral. ^[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 a través de la fórmula:

${\displaystyle T=2\pi {\sqrt {a^{3} \sobre \mu }}}$

dónde:

a es la longitud del semieje mayor de la órbita

${\estilo de visualización \mu}$es el parámetro gravitacional estándar del cuerpo central ^{[21] : 137}

Una órbita geosincrónica puede tener cualquier inclinación.

Los satélites suelen tener una inclinación de 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 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 geoestacionaria con una inclinación o excentricidad distinta de cero , la trayectoria terrestre es una figura en forma de ocho más o menos distorsionada, que regresa a los mismos lugares una vez por día sideral. ^{[21] : 122}

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• Satélites actualmente en órbita geoestacionaria, lista actualizada diariamente
• Ciencia@NASA – Órbita geoestacionaria
• NASA – Órbitas planetarias
• Datos de Science Presse sobre órbitas geoestacionarias (incluidos datos históricos y estadísticas de lanzamiento)
• Mecánica orbital (Tecnología espacial y de cohetes)
• Imagen astronómica del día de la NASA: time-lapse de satélites geoestacionarios más allá de los Alpes (11 de abril de 2012)