¿Por qué los satélites de las constelaciones GPS están en una órbita tan alta?

El La razón principal por la que se encuentran en una órbita tan alta es para permitir que una mayor parte de la Tierra sea visible en cualquier momento. Para tener una cantidad razonable de la Tierra visible, debes estar en lo alto. En teoría, una altitud más baja también podría funcionar, pero la altitud elegida parece ser una distancia lo suficientemente grande como para ser útil, pero no tan lejos como para tener problemas con el enlace de comunicación, etc.

El costo de obtener un El satélite GPS a su órbita no es sustancialmente diferente que si estuviera en una órbita, digamos, de 6 horas. El presupuesto de enlace mejoraría algo, lo que permitiría construir un satélite un poco más barato. Sin embargo, el gran problema es que Se necesitan más satélites para asegurar que se haya cumplido con la cobertura completa. El GPS es fundamentalmente un sistema militar, y se requiere no tener huecos en el suelo. Cabe señalar, aquí está el porcentaje de la Tierra visible desde varias altitudes:

• Órbita de 12 horas: 38%
• Órbita de 8 horas: 34,3%
• Órbita de 6 horas: 31%

Cabe señalar que todos los demás sistema GNSS que se han lanzado utilizan una órbita similar a la del GPS. GLONASS es 8/17 de un día, BeiDou 9/17 y Galileo es 10/17. India está trabajando en un sistema que utiliza únicamente satélites GEO. Estos eligieron una banda similar porque el GPS demostró que funcionaba bien a esas altitudes.

Otro factor es la velocidad orbital. La velocidad orbital en una órbita de 6 horas es de unos 5 km / s. En GPS, es de 3,8 km / s. Esta velocidad más lenta permite un ancho de banda más estrecho (dado que los cambios de frecuencia Doppler son más pequeños), usando menos espectro y permitiendo que haya más canales en uso.

También hay otras razones, que involucran al precisión del GPS. Esa altitud en particular funciona bien para proporcionar suficiente precisión.

En resumen, la altitud a la que se encuentra el GPS funciona bastante bien, hay pocas otras naves espaciales que utilicen tales órbitas, lo que las hace más estables en general, y parece una buena idea seguir usando satélites GPS en el Órbitas de 12 horas en las que se colocan.

Comentarios

• Los efectos relativistas no son ‘ t importantes, se pueden calcular. La velocidad hasta el suelo puede ser un problema, se necesitan 15 minutos para obtener un bloqueo completo en un satélite, por lo que si se va en ese período de tiempo, podría crear problemas. Yo ‘ estoy pensando que el problema es la huella, no la cobertura, ‘ tendré que trabajar para corregir mi respuesta para abordar eso … .
• Bueno, la distancia al satélite cambiaría más rápido entonces, por lo que un cambio de fase más pronunciado (debido al efecto Doppler) podría crear problemas con la sincronización del reloj, lo que reduciría la precisión del uso civil del GPS. Supongo que debería haber explicado eso, pero me quedé sin espacio.
• @DavidGrinberg Sí, las órbitas más bajas están sujetas a una tasa de desintegración orbital más alta debido a la presión atmosférica aún no despreciable, por lo que se necesitan reinicios orbitales periódicos . Vea algunos de los hilos que discuten eso en nuestro sitio. Pero esto ‘ no habría marcado una gran diferencia para las altitudes orbitales discutidas en la pregunta, ellos ‘ están todos dentro de la radiación de Van Allen. cinturones. Es ‘ casi exactamente a la altitud orbital de la constelación del GPS (20,194,292 km sobre el nivel medio del mar) donde el flujo de intensidad de protones es el mayor dentro de los cinturones. Por lo tanto, subir o bajar sería un poco mejor incluso.
• Las órbitas más altas también reducirían la potencia de la señal en el receptor, a menos que se aumentara la potencia de salida de cada satélite.
• PearsonArtPhoto (y @costrom) Las señales de GPS se modulan mediante varios códigos para lograr una localización precisa, libre de ambigüedades (es decir, sin conteo de franjas). Todos los satélites transmiten usando la misma frecuencia (ok 2 frecuencias) y todos tienen un ancho de banda de aproximadamente 1 MHz, que es casi 2 órdenes de magnitud más grande que el Doppler. No hay reales » canales «, Hedy Lamarr y OK más que algunos otros, nos han dado el milagro del espectro ensanchado. Un receptor GPS tiene varios correlacionadores que seleccionan los distintos códigos. ¿Quizás puedas actualizar tu respuesta?

Los satélites GPS / GNSS orbitan a una altitud donde su órbita el período es la mitad del día sideral medio de la Tierra (23 horas, 56 minutos, 4.0916 segundos), por lo que su tasa de precesión nodal es pequeña (aproximadamente 4 minutos o ± 222 km de deriva Este-Oeste a lo largo del ecuador de la Tierra por día) y bastante constante, o quizás mejor dicho estable, durante períodos de tiempo más largos. Esto mantiene su longitud del nodo ascendente dentro de ± 2 grados fuera del valor nominal y permite la repetibilidad de la trayectoria terrestre para la constelación. :

^{Hora diaria Desplazamiento de la repetición de la trayectoria terrestre del satélite GPS en relación con las 24 horas según los datos de efemérides transmitidos. Fuente: InsideGNSS.com}

Esta repetibilidad de la pista terrestre era importante en los primeros días del GPS, por lo que una cobertura terrestre suficiente se aseguró (en sesiones, no durante todo el día) con un número mucho menor de satélites de constelaciones. Las órbitas inferiores habrían estado sujetas a perturbaciones orbitales más fuertes, especialmente la precesión nodal ya mencionada debido a que la forma de la Tierra es un esferoide achatado y no una esfera perfecta, por lo que satélites «La tasa de deriva Este-Oeste habría sido mayor, sin eliminar por completo otros efectos perturbadores (como la gravedad del Sol y la Luna, la presión de la radiación solar, …) o habría sido aún mayor (arrastre atmosférico ) y causan una mayor tasa de desintegración orbital o requieren quemaduras correctivas de órbita más frecuentes.

Esto se explica con más detalle en edición de junio / julio de 2006 de Inside GNSS , en el artículo Soluciones GNSS: precesión orbital, técnicas óptimas de doble frecuencia y receptores Galileo de Penina Axelrad y Kristine M. Larson.

Las respuestas cortas son para asegurar la repetibilidad de la pista terrestre. Y el período no es de 12 horas sino de medio día sidéreo (es decir, unos 4 minutos más corto), de modo que cuando la Tierra ha hecho una rotación, los satélites han hecho dos y la geometría de toda la constelación relativa a la Tierra es la misma que un día sideral antes.La repetibilidad es importante por varias razones, una de ellas es que algunos errores relacionados con la atmósfera o las reflexiones del suelo (es decir, multitrayectoria) dependen de la geometría. Si la geometría es la misma cada día sideral los errores serán similares, por lo tanto, los desplazamientos calculados en una base de día sideral a día sideral son muy precisos, porque siendo los errores tan similares se cancelan al calcular los desplazamientos (o velocidades). ). Además, las correcciones de los efectos atmosféricos o los efectos multitrayecto son mucho más fáciles de calcular y reutilizar si las pistas terrestres se repiten (que es lo mismo que decir que los satélites regresan a las mismas posiciones en el cielo cada día sideral).

Ahora otra pregunta es por qué elegir medio día sidéreo en lugar de un tercio o un cuarto. No estoy 100% seguro de esto, pero estoy bastante seguro de que se debe al hecho de que, a diferencia de otros satélites, para que el satélite GPS sea útil, su posición debe conocerse con una precisión realmente alta y en tiempo real, por lo que para que esto se logre, cuanto más grande sea la órbita, más fácil, debido a la velocidad más lenta y las perturbaciones más pequeñas debido al campo de gravedad no central de la Tierra y al arrastre atmosférico. Entonces, ¿por qué no orbitas con un período completo de día sidéreo? Probablemente debido al costo (llevarlos a la órbita y transmitir con más potencia), por lo que medio día sidéreo fue el más barato que aún permitía cumplir con las especificaciones de precisión de la posición del satélite.

Este documento tiene una buena tratamiento y explicar cómo la repetibilidad multitrayecto es importante para la calidad de la solución y cómo dicha repetibilidad se puede utilizar para mejorar las soluciones GPS. También explica que el período es cercano a un día sidéreo: Mejora de la precisión del GPS de alta velocidad

Comentarios

• Este documento tiene un buen tratamiento y explica cómo la repetibilidad multitrayecto es importante para la calidad de la solución y cómo dicha repetición puede usarse para mejorar las soluciones GPS. También explica que el período es cercano a un día sidéreo: xenon.colorado.edu/larsonetal_2007.pdf