La maggior parte dei satelliti è in orbita terrestre bassa. Alcuni altri satelliti sono in orbita geostazionaria perché la loro funzione lo richiede.
I satelliti GPS (e altri GNSS, ad esempio GLONASS) sono in unorbita MEO molto più alta (sub-GEO):
Perché devono trovarsi a un livello così alto orbita? Chiaramente il progetto GPS non richiede che sia in GEO.
La pagina GPS di wikipedia menziona che con questa orbita, i satelliti avere un periodo orbitale di circa 12 ore, e quindi seguire la stessa traccia sulla terra – questo è stato utile per il debug quando il sistema è stato impostato per la prima volta. Ma sicuramente un effetto simile si sarebbe potuto ottenere con un periodo orbitale di 8 o 6 ore (o qualche altro divisore di 24) per una spesa molto inferiore.
Motivi possibili, sebbene non confermati, a cui posso pensare per lorbita alta :
- Inizialmente (e tuttora) un progetto militare, avere i satelliti in unorbita così alta li rende più difficili da abbattere per il nemico .
- Essere più in alto significa che più satelliti sono in linea di vista rispetto a un dato punto della superficie terrestre. Non so quanti satelliti sarebbero necessari per lo stesso livello di servizio se fossero nellorbita del periodo di 8 o 6 ore, anche se sarei interessato a vedere come si confrontano i costi per mettere più satelliti in orbite inferiori.
- I satelliti LEO sono più influenzati dalla resistenza atmosferica, quindi dovranno eseguire manovre di mantenimento della stazione più regolari. Presumibilmente devono essere temporaneamente tolti dal servizio GPS quando si eseguono queste manovre – forse questo è inaccettabile allinterno del progetto GPS. Inoltre è necessario più carburante per mantenere le stazioni, o ci saranno vite di servizio più brevi che forse compenseranno la spesa extra dellorbita più alta.
Allora, perché i satelliti GPS sono in orbite così alte?
Commenti
- Io ‘ non sono sicuro che nessuna delle risposte lo abbia indicato abbastanza chiaramente. I satelliti commerciali e militari (GPS) vengono generalmente posizionati dove devono essere collocati, limitati dalla disponibilità dellorbita. Ci sono molti fattori, uno dei quali potrebbe essere il numero totale di satelliti, ma la tua prima frase ” La maggior parte dei satelliti si trova in orbita terrestre bassa per il semplice motivo che è più economico da ottenere loro là che più in alto ” è semplicemente sbagliato. Poiché molte persone leggono sia domande che risposte, ‘ è una buona idea correggere affermazioni errate quando vengono notate, per evitare la propagazione di fatti errati.
- I ‘ m supponendo che in LEO ‘ avresti bisogno di più che in MEO, in MEO la loro copertura sarebbe maggiore che in LEO, richiedendo meno ma ottenendo la stessa funzionalità; perché ho pubblicato questo commento prima di leggere la risposta affermando la stessa cosa che non ho idea.
Risposta
Il La ragione principale per cui si trovano in unorbita così alta è per consentire a più parti della Terra di essere visibili in qualsiasi momento. Per avere una quantità ragionevole della Terra visibile, devi essere in alto. In teoria, anche unaltitudine inferiore potrebbe funzionare, ma laltitudine scelta sembra essere una distanza abbastanza lontana da essere utile, ma non così lontana da avere problemi di collegamento di comunicazione, ecc.
Il costo per ottenere un Il satellite GPS sulla sua orbita non è sostanzialmente diverso da quello se fosse, diciamo, su unorbita di 6 ore. Il budget del collegamento migliorerebbe leggermente, consentendo di costruire un satellite leggermente più economico. Il grosso problema, tuttavia, è che lo faresti servono più satelliti per garantire che sia stata raggiunta la copertura completa. Il GPS è fondamentalmente un sistema militare, ed è necessario non avere spazi vuoti sul terreno. Va notato, ecco la percentuale di Terra visibile da varie altitudini:
- Orbita di 12 ore – 38%
- Orbita di 8 ore – 34,3%
- Orbita di 6 ore – 31%
Va notato che ogni altro sistema GNSS avviato utilizza unorbita simile al GPS. GLONASS è 8/17 di un giorno, BeiDou 9/17 e Galileo è 10/17. LIndia sta lavorando a un sistema che utilizza esclusivamente satelliti GEO. Questi hanno scelto una banda simile perché il GPS ha dimostrato che funzionava bene a quelle altitudini.
Un altro fattore è la velocità orbitale. La velocità orbitale su unorbita di 6 ore è di circa 5 km / s. Con il GPS è di 3,8 km / s. Questa velocità più lenta consente una larghezza di banda più stretta (poiché le variazioni di frequenza Doppler sono minori), utilizzando meno spettro e consentendo di utilizzare più canali.
Ci sono anche altri motivi, che coinvolgono il precisione del GPS. Quella particolare altitudine funziona bene per fornire una precisione sufficiente.
In conclusione, laltitudine a cui si trova il GPS funziona abbastanza bene per questo, ci sono pochi altri veicoli spaziali che utilizzano tali orbite che le rendono complessivamente più stabili e sembra una buona idea continuare a utilizzare i satelliti GPS nel Orbite di 12 ore in cui vengono posizionati.
Commenti
- Effetti relativistici aren ‘ t importante, possono essere calcolati. La velocità al suolo potrebbe essere un problema, ci vogliono 15 minuti per ottenere un blocco completo su un satellite, quindi se parti in quel lasso di tempo, potrebbero creare problemi. ‘ penso che il problema sia limpronta, non la copertura, ‘ dovrò lavorare per risolvere la mia risposta per risolvere questo problema .. .
- Bene, allora la distanza dal satellite cambierebbe più velocemente, quindi uno sfasamento più pronunciato (dovuto alleffetto Doppler) potrebbe creare problemi con la sincronizzazione dellorologio, che ridurrebbe la precisione delluso civile del GPS. Immagino che avrei dovuto spiegarlo, ma ho esaurito lo spazio.
- @DavidGrinberg Sì, le orbite inferiori sono soggette a un tasso di decadimento orbitale più elevato a causa della pressione atmosferica ancora non trascurabile, quindi sono necessari riavvii orbitali periodici . Guarda alcuni dei thread che ne parlano sul nostro sito. Ma questo ‘ non avrebbe fatto molta differenza per le altitudini orbitali discusse nella domanda, sono ‘ tutti allinterno della radiazione di Van Allen cinghie. È ‘ quasi esattamente allaltitudine orbitale della costellazione GPS (20.194.292 km sopra il livello medio del mare) che il flusso di intensità del protone è il massimo allinterno delle cinture. Quindi andare più in alto o più in basso sarebbe leggermente migliore anche.
- Orbite più alte abbasserebbero anche la potenza del segnale al ricevitore, a meno che la potenza di uscita di ciascun satellite non fosse aumentata.
- PearsonArtPhoto (e @costrom) I segnali GPS sono modulati da vari codici per ottenere una localizzazione precisa e priva di anbiguità (cioè non conteggio marginale). Tutti i satelliti trasmettono utilizzando la stessa frequenza (ok 2 frequenze) e hanno tutti una larghezza di banda di circa 1 MHz, che è quasi 2 ordini di grandezza maggiore del doppler. Non ci sono effettivi ” canali “, Hedy Lamarr e OK più di pochi altri, ci hanno dato il miracolo dello spettro esteso. Un ricevitore GPS ha più correlatori che individuano i vari codici. Forse puoi aggiornare la tua risposta?
Risposta
I satelliti GPS / GNSS stanno orbitando a unaltitudine in cui la loro orbita periodo è la metà del giorno siderale medio della Terra (23 ore, 56 minuti, 4,0916 secondi), quindi il loro tasso di precessione nodale è piccolo (circa 4 minuti, o ± 222 km est-ovest alla deriva lungo lequatore terrestre al giorno) e abbastanza costanti, o forse per meglio dire stabili, per periodi di tempo più lunghi. Ciò mantiene la loro longitudine del nodo ascendente entro ± 2 gradi rispetto al valore nominale e consente la ripetibilità della traccia del terreno per la costellazione :
Orario giornaliero spostamento della ripetizione della traccia terrestre del satellite GPS rispetto a 24 ore in base ai dati delle effemeridi trasmessi. Fonte: InsideGNSS.com
La ripetibilità di questa traccia a terra era importante allinizio del GPS, in modo che una copertura del suolo sufficiente è stato assicurato (nelle sessioni, non proprio tutto il giorno) con un numero molto inferiore di costellazioni di satelliti. Le orbite inferiori sarebbero state soggette a perturbazioni orbitali più forti, in particolare la già citata precessione nodale a causa della forma della Terra come uno sferoide oblato e non una sfera perfetta, quindi satelliti “Il tasso di deriva est-ovest sarebbe stato più alto, pur non eliminando completamente altri effetti perturbanti (come la gravità del Sole e della Luna, la pressione della radiazione solare, …) o sarebbe stato ancora più alto (resistenza atmosferica ) e causando un tasso di decadimento orbitale più elevato o altrimenti richiedono ustioni correttive dellorbita più frequenti.
Questo è spiegato più dettagliatamente in numero di giugno / luglio 2006 di Inside GNSS , nellarticolo Soluzioni GNSS: precessione orbitale, tecniche ottimali a doppia frequenza e ricevitori Galileo di Penina Axelrad e Kristine M. Larson.
Risposta
La risposta breve serve a garantire la ripetibilità della traccia a terra. E il periodo non è di 12 ore ma di mezza giornata siderale (cioè circa 4 minuti più breve), in modo che quando la terra ha fatto una rotazione, i satelliti hanno fatto due e la geometria dellintera costellazione relativa alla terra è la stessa di un siderale giorno prima.La ripetibilità è importante per molteplici ragioni, una delle quali è che alcuni errori relativi allatmosfera o alle riflessioni del suolo (cioè multipath) dipendono dalla geometria. Se la geometria è la stessa ogni giorno siderale gli errori saranno simili, quindi gli spostamenti calcolati in base al giorno siderale per giorno siderale sono molto accurati, perché gli errori sono così simili che si annullano quando si calcolano gli spostamenti (o velocità ). Anche le correzioni degli effetti atmosferici o degli effetti multipath sono molto più facili da calcolare e riutilizzare se le tracce al suolo si ripetono (il che equivale a dire che i satelliti tornano nella stessa posizione nel cielo ogni giorno siderale).
Ora unaltra domanda è perché scegliere la mezza giornata siderale invece di un terzo o un quarto. Non ne sono sicuro al 100%, ma sono abbastanza fiducioso che sia dovuto al fatto che, a differenza di altri satelliti, affinché il satellite GPS sia utile, la loro posizione deve essere conosciuta con altissima precisione e in tempo reale, quindi per ottenere ciò, più grande è lorbita più facile è, a causa della velocità più bassa e delle perturbazioni più piccole dovute al campo di gravità non centrale della Terra e alla resistenza atmosferica. Allora perché non orbitare con un intero periodo di giorno siderale? Probabilmente a causa del costo (per portarli in orbita e per trasmettere con più potenza), quindi mezza giornata siderale era la più economica che consentiva ancora di soddisfare le specifiche di precisione della posizione del satellite.
Questo documento ha una buona trattamento e spiegare quanto la ripetibilità multipath sia importante per la qualità della soluzione e come tale ripetibilità possa essere utilizzata per migliorare le soluzioni GPS. Spiega anche che il periodo è vicino a un giorno siderale: Miglioramento della precisione del GPS ad alta velocità
Commenti
- Questo documento ha una buona trattazione e spiega come la ripetibilità di più percorsi sia importante per la qualità della soluzione e come tale ripetibilità può essere utilizzata per migliorare le soluzioni GPS. Spiega anche che il periodo è vicino a un giorno siderale: xenon.colorado.edu/larsonetal_2007.pdf