مدار متزامن مع الأرض

المدار المتزامن مع الأرض (يُختصر أحيانًا باسم GSO ) هو مدار مركزه الأرض بفترة مدارية تطابق دوران الأرض حول محورها، 23 ساعة و56 دقيقة و4 ثوانٍ ( يوم نجمي واحد ). يعني تزامن الدوران والفترة المدارية أنه بالنسبة للمراقب على سطح الأرض، يعود الجسم في مدار متزامن مع الأرض إلى نفس الموضع تمامًا في السماء بعد فترة يوم نجمي واحد. على مدار اليوم، قد يظل موضع الجسم في السماء ثابتًا أو يتتبع مسارًا، عادةً في شكل رقم 8 ، وتعتمد خصائصه الدقيقة على ميل المدار واختلاف مركزيته . يبلغ ارتفاع المدار المتزامن مع الأرض الدائري 35786 كم (22236 ميلًا). ^[1]

حالة خاصة من المدار الجغرافي المتزامن هي المدار الجغرافي الثابت (يُختصر غالبًا باسم GEO )، وهو مدار جغرافي متزامن دائري في المستوى الاستوائي للأرض مع ميل وانحراف يساوي 0. يظل القمر الصناعي في مدار جغرافي ثابت في نفس الموضع في السماء للمراقبين على السطح. ^[1]

غالبًا ما يتم إعطاء أقمار الاتصالات مدارات ثابتة جغرافيًا أو قريبة من المدار الثابت جغرافيًا، بحيث لا يتعين على هوائيات الأقمار الصناعية التي تتواصل معها التحرك ولكن يمكن توجيهها بشكل دائم إلى الموقع الثابت في السماء حيث يظهر القمر الصناعي. ^[1]

في عام 1929، وصف هيرمان بوتوكنيك كل من المدارات المتزامنة مع الأرض بشكل عام والحالة الخاصة لمدار الأرض الثابت مع الأرض بشكل خاص كمدارات مفيدة لمحطات الفضاء . ^[2] كان أول ظهور للمدار المتزامن مع الأرض في الأدب الشعبي في أكتوبر 1942، في أول قصة عن كوكب الزهرة المتساوي الأضلاع لجورج أو. سميث ، ^[3] لكن سميث لم يدخل في التفاصيل. قام مؤلف الخيال العلمي البريطاني آرثر سي كلارك بتعميم المفهوم وتوسيعه في ورقة بحثية عام 1945 بعنوان مرحلات خارج الأرض - هل يمكن لمحطات الصواريخ توفير تغطية راديو عالمية؟، نُشرت في مجلة Wireless World . أقر كلارك بالارتباط في مقدمته لكتاب The Complete Venus Equilateral . ^{[4] [5]} المدار، الذي وصفه كلارك لأول مرة بأنه مفيد لأقمار الاتصالات الإذاعية والبث، ^[5] يُطلق عليه أحيانًا مدار كلارك. ^[6] وبالمثل، تُعرف مجموعة الأقمار الصناعية في هذا المدار باسم حزام كلارك. ^[7]

في المصطلحات الفنية، غالبًا ما يُشار إلى المدارات المتزامنة مع الأرض باسم المدارات الثابتة إذا كانت فوق خط الاستواء تقريبًا، ولكن يتم استخدام المصطلحين بشكل متبادل إلى حد ما. ^{[8] [9]} على وجه التحديد، قد يكون مدار الأرض المتزامن مع الأرض ( GEO ) مرادفًا للمدار الاستوائي المتزامن مع الأرض ، ^[10] أو مدار الأرض الثابت مع الأرض . ^[11]

تم تصميم أول قمر صناعي متزامن مع الأرض بواسطة هارولد روزن أثناء عمله في شركة هيوز للطائرات في عام 1959. مستوحى من سبوتنيك 1 ، أراد استخدام قمر صناعي متزامن مع الأرض (خط استوائي متزامن مع الأرض) لعولمة الاتصالات. كان من الممكن آنذاك إجراء الاتصالات بين الولايات المتحدة وأوروبا بين 136 شخصًا فقط في وقت واحد، والاعتماد على أجهزة الراديو عالية التردد وكابل تحت البحر . ^[12]

كانت الحكمة التقليدية في ذلك الوقت هي أن وضع قمر صناعي في مدار متزامن مع الأرض يتطلب قدرًا كبيرًا جدًا من قوة الصواريخ ولن يستمر طويلًا بما يكفي لتبرير التكلفة، ^[13] لذلك بُذلت جهود مبكرة نحو مجموعات من الأقمار الصناعية في مدار أرضي منخفض أو متوسط . ^[14] كان أولها أقمار إيكو البالونية السلبية في عام 1960، تلتها تلستار 1 في عام 1962. ^[15] على الرغم من أن هذه المشاريع واجهت صعوبات في قوة الإشارة والتتبع والتي يمكن حلها من خلال الأقمار الصناعية المتزامنة مع الأرض، إلا أن المفهوم كان يُنظر إليه على أنه غير عملي، لذلك غالبًا ما حجب هيوز الأموال والدعم. ^{[14] [12]}

بحلول عام 1961، أنتج روزن وفريقه نموذجًا أوليًا أسطوانيًا بقطر 76 سم (30 بوصة) وارتفاع 38 سم (15 بوصة) ووزن 11.3 كيلوجرامًا (25 رطلاً)؛ كان خفيفًا وصغيرًا بما يكفي لوضعه في المدار بواسطة الصواريخ المتوفرة آنذاك، وكان مستقرًا بالدوران ويستخدم هوائيات ثنائية القطب تنتج شكل موجة على شكل فطيرة. ^[16] في أغسطس 1961، تم التعاقد معهم لبدء بناء القمر الصناعي العامل. ^[12] لقد فقدوا سينكوم 1 بسبب فشل إلكتروني، ولكن تم وضع سينكوم 2 بنجاح في مدار متزامن مع الأرض في عام 1963. على الرغم من أن مداره المائل لا يزال يتطلب هوائيات متحركة، إلا أنه كان قادرًا على نقل عمليات الإرسال التلفزيونية، وسمح للرئيس الأمريكي جون ف. كينيدي بالاتصال برئيس الوزراء النيجيري أبو بكر تافوا باليوا من سفينة في 23 أغسطس 1963. ^{[14] [17]}

يوجد اليوم مئات من الأقمار الصناعية المتزامنة مع الأرض والتي توفر الاستشعار عن بعد والملاحة والاتصالات. ^{[12] [1]}

على الرغم من أن معظم المواقع الأرضية المأهولة بالسكان على الكوكب لديها الآن مرافق اتصالات أرضية ( ميكروويف ، ألياف بصرية )، والتي غالبًا ما تتمتع بمزايا زمن الوصول وعرض النطاق الترددي، وتغطية الهاتف لـ 96٪ من السكان ووصول الإنترنت لـ 90٪ اعتبارًا من عام 2018، ^[18] لا تزال بعض المناطق الريفية والنائية في البلدان المتقدمة تعتمد على اتصالات الأقمار الصناعية. ^{[19] [20]}

المدار الاستوائي الثابت جغرافيًا (GEO) هو مدار دائري متزامن مع الأرض في مستوى خط استواء الأرض بنصف قطر يبلغ حوالي 42164 كم (26199 ميلًا) (مقاسًا من مركز الأرض). ^{[21] : 156} يكون القمر الصناعي في مثل هذا المدار على ارتفاع حوالي 35786 كم (22236 ميلًا) فوق مستوى سطح البحر. ويحافظ على نفس الموضع بالنسبة لسطح الأرض. إذا تمكن المرء من رؤية قمر صناعي في مدار ثابت جغرافيًا، فسيبدو وكأنه يحوم في نفس النقطة في السماء، أي أنه لا يُظهر حركة نهارية ، بينما تجوب الشمس والقمر والنجوم السماء خلفه. مثل هذه المدارات مفيدة لأقمار الاتصالات . ^[22]

المدار الثابت الجغرافي المستقر تمامًا هو مدار مثالي لا يمكن تقريبه إلا. في الممارسة العملية، ينحرف القمر الصناعي عن هذا المدار بسبب الاضطرابات مثل الرياح الشمسية ، وضغط الإشعاع ، والاختلافات في مجال جاذبية الأرض، والتأثير الجاذبي للقمر والشمس ، وتُستخدم المحركات الدافعة للحفاظ على المدار في عملية تُعرف باسم الحفاظ على المحطة . [ ^{21] : 156}

في النهاية، وبدون استخدام المحركات الدافعة، سوف يصبح المدار مائلًا، ويتأرجح بين 0 درجة و15 درجة كل 55 عامًا. وفي نهاية عمر القمر الصناعي، عندما يقترب الوقود من النضوب، قد يقرر مشغلو القمر الصناعي حذف هذه المناورات المكلفة لتصحيح الميل والتحكم فقط في الانحراف. وهذا يطيل عمر القمر الصناعي لأنه يستهلك وقودًا أقل بمرور الوقت، ولكن لا يمكن استخدام القمر الصناعي بعد ذلك إلا بواسطة هوائيات أرضية قادرة على متابعة حركة القمر الصناعي. ^{[21] : 156}

تميل الأقمار الصناعية الثابتة جغرافيًا أيضًا إلى الانجراف حول أحد خطي الطول المستقرين 75 درجة و255 درجة دون الحفاظ على الثبات. ^{[21] : 157}

تمتلك العديد من الأجسام في المدارات المتزامنة مع الأرض مدارات شاذة و/أو مائلة. يجعل الشذوذ المدار بيضاوي الشكل ويبدو وكأنه يتأرجح باتجاه الغرب في السماء من وجهة نظر محطة أرضية، بينما يميل الميل المدار مقارنة بخط الاستواء ويجعله يبدو وكأنه يتأرجح باتجاه الشمال الغربي من وجهة نظر محطة أرضية. تتحد هذه التأثيرات لتكوين أناليما ( الشكل 8). ^{[21] : 122}

يجب تتبع الأقمار الصناعية في المدارات الإهليلجية/اللامركزية بواسطة محطات أرضية قابلة للتوجيه . ^{[21] : 122}

مدار التندرا هو مدار متزامن مع الأرض، مما يسمح للقمر الصناعي بقضاء معظم وقته في موقع واحد على خطوط العرض المرتفعة. يقع عند ميل 63.4 درجة، وهو مدار متجمد ، مما يقلل من الحاجة إلى الحفاظ على المحطة . ^[23] هناك حاجة إلى قمرين صناعيين على الأقل لتوفير تغطية مستمرة على مساحة ما. ^[24] تم استخدامه بواسطة راديو القمر الصناعي Sirius XM لتحسين قوة الإشارة في شمال الولايات المتحدة وكندا. ^[25]

نظام الأقمار الصناعية شبه السمتي (QZSS) هو نظام مكون من أربعة أقمار صناعية يعمل في مدار متزامن مع الأرض بزاوية ميل 42 درجة وانحراف 0.075. ^[26] يمر كل قمر صناعي فوق اليابان ، مما يسمح للإشارات بالوصول إلى أجهزة الاستقبال في الوديان الحضرية ثم يمر بسرعة فوق أستراليا. ^[27]

تُطلق الأقمار الصناعية المتزامنة مع الأرض إلى الشرق في مدار متعامد مع معدل دوران خط الاستواء. أصغر ميل يمكن إطلاق القمر الصناعي إليه هو ميل خط عرض موقع الإطلاق، لذا فإن إطلاق القمر الصناعي من بالقرب من خط الاستواء يحد من مقدار تغيير الميل المطلوب لاحقًا. ^[28] بالإضافة إلى ذلك، فإن الإطلاق من بالقرب من خط الاستواء يسمح لسرعة دوران الأرض بإعطاء القمر الصناعي دفعة. يجب أن يكون موقع الإطلاق به مياه أو صحارى إلى الشرق، حتى لا تسقط أي صواريخ فاشلة على منطقة مأهولة بالسكان. ^[29]

تضع معظم مركبات الإطلاق الأقمار الصناعية المتزامنة مع الأرض مباشرة في مدار نقل متزامن مع الأرض (GTO)، وهو مدار بيضاوي ذو أوج عند ارتفاع GSO وحضيض منخفض . ثم يتم استخدام الدفع على متن القمر الصناعي لرفع الحضيض والدوران والوصول إلى GSO. ^{[28] [30]}

بمجرد وصول المركبة الفضائية إلى مدار ثابت جغرافيًا قابل للتطبيق، يمكنها تغيير موضعها الطولي عن طريق ضبط محورها شبه الرئيسي بحيث تكون الفترة الجديدة أقصر أو أطول من اليوم النجمي، من أجل إحداث "انجراف" واضح شرقًا أو غربًا على التوالي. بمجرد الوصول إلى خط الطول المطلوب، يتم استعادة فترة المركبة الفضائية إلى التزامن الجغرافي. ^[31]

الستاتيت هو قمر صناعي افتراضي يستخدم ضغط الإشعاع من الشمس ضد الشراع الشمسي لتعديل مداره. ^[32]

سيحتفظ بموقعه فوق الجانب المظلم من الأرض عند خط عرض يبلغ حوالي 30 درجة. وسيعود إلى نفس النقطة في السماء كل 24 ساعة من منظور المشاهد من الأرض، وبالتالي سيكون مشابهًا وظيفيًا للمدار الجغرافي المتزامن. ^{[32] [33]}

شكل آخر من أشكال المدار المتزامن مع الأرض هو المصعد الفضائي النظري . عندما يتم توصيل أحد طرفيه بالأرض، بالنسبة للارتفاعات تحت الحزام الجغرافي الثابت، يحافظ المصعد على فترة مدارية أقصر من الجاذبية وحدها. ^[34]

تتطلب الأقمار الصناعية المتزامنة مع الأرض بعض الحفاظ على الثبات في مكانها حتى تظل في موضعها، وبمجرد نفاد وقود المحرك وعدم فائدتها، يتم نقلها إلى مدار مقبرة أعلى . ليس من الممكن إخراج الأقمار الصناعية المتزامنة مع الأرض من المدار، لأن القيام بذلك سيتطلب وقودًا أكثر بكثير مما قد يستخدمه رفع المدار قليلاً؛ كما أن السحب الجوي لا يُذكر، مما يمنح الأقمار الصناعية المتزامنة مع الأرض أعمارًا تصل إلى آلاف السنين. ^[35]

أصبحت عملية التقاعد خاضعة للتنظيم بشكل متزايد ويجب أن تكون لدى الأقمار الصناعية فرصة بنسبة 90% للتحرك لمسافة تزيد عن 200 كيلومتر فوق الحزام الثابت بالنسبة للأرض عند نهاية عمرها الافتراضي. ^[36]

عادةً ما يكون للحطام الفضائي في المدارات المتزامنة مع الأرض سرعة تصادم أقل من تلك الموجودة في المدار الأرضي المنخفض نظرًا لأن معظم أقمار GSO تدور في نفس المستوى والارتفاع والسرعة؛ ومع ذلك، فإن وجود أقمار صناعية في مدارات شاذة يسمح بالتصادم بسرعة تصل إلى 4 كم/ثانية. وعلى الرغم من أن الاصطدام غير مرجح نسبيًا، فإن أقمار GSO لديها قدرة محدودة على تجنب أي حطام. ^[37]

لا يمكن رؤية الحطام الذي يقل قطره عن 10 سم من الأرض، مما يجعل من الصعب تقييم انتشاره. ^[38]

على الرغم من الجهود المبذولة للحد من المخاطر، فقد حدثت تصادمات بين المركبات الفضائية. فقد ضرب نيزك القمر الصناعي للاتصالات التابع لوكالة الفضاء الأوروبية أوليمبوس-1 في 11 أغسطس 1993، وانتقل في النهاية إلى مدار مقبرة ، ^[39] وفي عام 2006، ضرب جسم غير معروف القمر الصناعي الروسي للاتصالات إكسبريس-AM11 وأصبح غير صالح للعمل، ^[40] على الرغم من أن مهندسيه كان لديهم وقت اتصال كافٍ بالقمر الصناعي لإرساله إلى مدار مقبرة. في عام 2017، انفصل كل من AMC-9 و Telkom-1 لسبب غير معروف. ^{[41] [38] [42]}

المدار الجغرافي المتزامن له الخصائص التالية:

• الفترة: 1436 دقيقة ( يوم نجمي واحد )
• المحور شبه الرئيسي : 42,164 كم ^{[21] : 121}

تتمتع جميع المدارات المتزامنة مع الأرض بفترة مدارية تساوي يومًا نجميًا واحدًا بالضبط. ^[43] وهذا يعني أن القمر الصناعي سيعود إلى نفس النقطة فوق سطح الأرض كل يوم (نجمي)، بغض النظر عن خصائص المدار الأخرى. ^{[44] [21] : 121} ترتبط هذه الفترة المدارية، T، ارتباطًا مباشرًا بالمحور شبه الرئيسي للمدار من خلال الصيغة:

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

أين:

أ هو طول نصف المحور الرئيسي للمدار

${\displaystyle \mu }$هي معامل الجاذبية القياسي للجسم المركزي ^{[21] : 137}

يمكن للمدار الجغرافي المتزامن أن يكون له أي ميل.

عادةً ما يكون للأقمار الصناعية ميل يساوي الصفر، مما يضمن بقاء المدار فوق خط الاستواء في جميع الأوقات، مما يجعله ثابتًا بالنسبة لخط العرض من وجهة نظر مراقب أرضي (وفي إطار مرجع ECEF ). ^{[21] : 122}

من بين الميول الشائعة الأخرى 63.4 درجة لمدار التندرا، وهو ما يضمن عدم تغير حجة المدار للحضيض بمرور الوقت. ^[23]

في الحالة الخاصة للمدار الجغرافي الثابت، يكون مسار القمر الصناعي على الأرض نقطة واحدة على خط الاستواء . وفي الحالة العامة للمدار الجغرافي المتزامن مع ميل أو انحراف غير صفري ، يكون مسار القمر الصناعي على الأرض على شكل رقم ثمانية مشوه إلى حد ما، ويعود إلى نفس الأماكن مرة واحدة لكل يوم نجمي. ^{[21] : 122}

• مدار ثابت جغرافيا
• قمر صناعي متزامن مع الأرض
• مدار المقبرة
• مدار أرضي مرتفع
• قائمة المدارات
• قائمة الأقمار الصناعية في المدار الجغرافي المتزامن
• مدار أرضي منخفض
• مدار الأرض المتوسط
• مدار مولنيا
• مدار دون تزامني
• مدار متزامن
• مدار متزامن

• الأقمار الصناعية الموجودة حاليًا في المدار الجغرافي المتزامن، قائمة يتم تحديثها يوميًا
• العلوم في وكالة ناسا – المدار الجغرافي المتزامن
• ناسا – مدارات الكواكب
• بيانات Science Press عن المدارات المتزامنة مع الأرض (بما في ذلك البيانات التاريخية وإحصائيات الإطلاق)
• ميكانيكا المدارات (تكنولوجيا الصواريخ والفضاء)
• صورة اليوم من علم الفلك التابع لوكالة ناسا: صور فوتوغرافية متتابعة للأقمار الصناعية الثابتة جغرافيًا خلف جبال الألب (11 أبريل 2012)