Fizyka: Satelita geostacjonarny

Co to?

Satelita geostacjonarny jest sztucznym satelitą Ziemi umieszczonym na tzw. orbicie geostacjonarnej w płaszczyźnie równikowej w odległości 35 830 km od równika. Orbita ta charakteryzuje się tym, że umieszczony na niej obiekt porusza się synchronicznie do obrotu kuli ziemskiej niezależnie od swojej masy. Czas obiegu Ziemi jest dla takiego satelity dokładnie równy dobie astronomicznej. Oznacza to, że obieg satelity wokół środka Ziemi trwa tyle samo co obrót Ziemi wokół osi.

Zastosowanie

Meteorologia

Przy opracowywaniu prognoz pogody w dniu dzisiejszym bardzo pomocne okazują się informacje zebrane przez satelity meteorologiczne. Wykorzystywane są one przy opracowywaniu prognoz w stacjach naziemnych rozsianych na całym globie, ponieważ prognozy te opierają się także na historii wcześniejszych zjawisk. Satelita meteorologiczny znajdujący się na orbicie geostacjonarnej może stale monitorować przebieg procesów kształtujących pogodę na tym samym obszarze Ziemi Dzięki temu, iż satelity te znajdują się na dużej wysokości, mogą objąć swoim zasięgiem duże obszary terenu. A ponieważ są wyposażone w różnego rodzaju kamery i czujniki, pracującego także w systemie podczerwieni, mogą rejestrować zdjęcia wszelkich zjawisk pogodowych, potrafią dokonać pomiarów temperatury, wilgotności powietrza itp.. System satelitów meteorologicznych tworzy międzynarodową sieć, która umożliwia dostarczanie ciągłego spójnego obrazu naszej planety. Obecnie po orbitach geostacjonarnych krąży cała sieć satelitów meteorologicznych. Są to głównie obiekty amerykańskie typu GOES, japońskie GMS i Europejskiej Agencji Kosmicznej o nazwie Meteosat. Oprócz podstawowych dla meteorologii i klimatologii informacji o zachmurzeniu (uzyskiwanych również w nocy dzięki obserwacjom w podczerwieni), satelity meteorologiczne umożliwiają pomiary pionowych profili temperatury i wilgotności atmosfery, obrazowanie stref opadowych i burzowych, przewidywanie tworzenia się cyklonów w obszarach tropikalnych oraz śledzenie ich ewolucji i ruchu, określanie kierunków i prędkości wiatrów, badanie zmian składu chemicznego atmosfery, pomiary składowych bilansu radiacyjnego Ziemi itp.

Telekomunikacja

To zastosowania satelitów geostacjonarnych można podzielić na trzy grupy:
- rozpowszechnianie treści audiowizualnych (telewizja satelitarna)
- transmisję głosu
- przesyłanie danych (internet satelitarny)
Rola orbity geostacjonarnej w telekomunikacji jest kluczowa, zwłaszcza jeśli brane są pod uwagę transmisje radiodyfuzyjne (rozsiewcze). Prędkość kątowa satelity umieszczonego na orbicie geostacjonarnej jest równa prędkości kątowej Ziemi. Satelita znajduje się przez cały okres swojej pracy dokładnie w tym samym punkcie nad Ziemią. Dlatego wycelowana w niego antena odbiorcy na Ziemi pozostaje w takiej samej pozycji względem odbiornika umieszczonego na satelicie, bez konieczności jej modyfikowania lub dostosowywania. Sygnał z nadajnika naziemnego jest przechwytywany przez odbiornik satelitarny, wzmacniany i transmitowany z powrotem na Ziemię umożliwiając komunikację między punktami oddalonymi od siebie nawet o tysiące kilometrów. Orbita geostacjonarna jest szczególnie atrakcyjna dla usług radiodyfuzyjnych poprzez swoją zdolność do nadawania na bardzo duże obszary. W praktyce, już trzy satelity umieszczone na orbicie geostacjonarnej co 120° wystarczą do pokrycia niemal całego terytorium globu (z wyłączeniem obszarów podbiegunowych poza ok. 70 stopniem szerokości geograficznej). Sygnał transmitowany przez satelitę umieszczonego na tej orbicie może być przechwycony przez nieruchome anteny ustawione gdziekolwiek w zasięgu pokrywanego obszaru, a ten z kolei może mieć wielkość regionu, kraju, a nawet całego kontynentu. Każdy odbiorca umieszczony w zasięgu nadawania satelity jest w stanie odebrać nadawany sygnał posługując się niewielką anteną, zazwyczaj o średnicy 40-50 cm. Satelity przekaźnikowe transmitują sygnały telewizyjne albo bezpośrednio do anten indywidualnych użytkowników, albo do dużych anten zbiorczych telewizji kablowych.

- Przesyłanie danych
Rozsiewcza transmisja danych (Data-casting) i usługi internetow ("Turbo-Internet") wykorzystują wolne pojemności transponderów satelitów eostacjonarnych a odbiór realizowany jest za pomocą typowych dbiorczych anten parabolicznych o średnicy 45 m. Odebrany sygnał jest przesyłany przewodem spółosiowym do komputera wyposażonego w kartę DVB.

- Systemy nawigacji satelitarnej
Satelity mogą być także wykorzystywane do określenia położenia wszelkiego rodzaju położenia. Dzięki ygnałom które wysyłają statki, samoloty, samochody, satelita może dokładnie określić z którego miejsca na iemi dociera do niego sygnał i otrzymaną w ten sposób informację przekazać z powrotem, a także do centrum awigacji które monitoruje dany środek transportu. Zapewnia to bezpieczeństwo podróżnym.Coprawda system GPS korzysta z satelitów krążących po orbitach eliptycznych, jednak bez systemu korekcji różnicowej dokładnośc nie jest zbyt wielka. W celu zwiększenia dokładności używa się dodatkowego odbiornika GPS osadzonego w stacji referencyjnej tj. miejscu o dokładnie znanej szerokości i długości geograficznej . Błąd jaki występuje w odczycie pozycji w systemie GPS (sygnał korekcyjny) jest rozsyłany za pomocą 3 satelitów znajdujących się na orbicie geostacjonarnej do wszystkich odbiorników mobilnych znajdujących się w okolicy stacji referencyjnej.Na terenie Europy znajduje się 34 stałe stacje referencyjne ( jedna w Warszawie) Możemy dzięki temu uzyskac dokładności rzędu 15-20cm (wykorzystując system EGNOS). Sygnał EGNOS jest bezpłatny. Orbita geostacjonarna, na której robi się już ciasno, wymaga uporządkowania. Dotyczy to szybkiego usuwania nieczynnych już satelitów. Podobnego czyszczenia wymagają też inne orbity - w tym najczęściej wykorzystywane 1200 i 800 km. Z porządkowaniem orbit wiąże się problem kosmicznego złomu. Każdy satelita już w momencie wejścia na orbitę zostawia za sobą trochę śmieci - jak części rakiety nośnej czy różnego rodzaju osłony. Wokół ziemi krąży ponad 10 tys. obiektów o rozmiarach powyżej 10 cm - od porzuconych wraków, aż po drobne szczątki zniszczonych satelitów. Zapobieganie zaśmiecaniu przestrzeni wokółziemskiej i usuwanie kosmicznych śmieci to jeden z problemów badawczych rekomendowanych przez Podkomitet ONZ, w którym uczestniczy również Polska. Za priorytetowe uznał Podkomitet ONZ problemy zastosowania technik satelitarnych do ochrony środowiska i ostrzegania przed klęskami żywiołowymi. Co roku ofiarą takich klęsk pada ponad 100 tys. osób, a stra ty przez
nie spowodowane sięgają 100 mld dolarów. Dzisiaj nikt nie wyobraża sobie życia bez technik wykorzystujących satelity telekomunikacyjne. Prawie wszystkie satelity telekomunikacyjne umieszczane są na orbitach geostacjonarnych.