Por que os satélites da constelação GPS estão em uma órbita tão alta?

O A razão principal de eles estarem em uma órbita tão alta é para permitir que mais partes da Terra sejam visíveis a qualquer momento. Para ter uma quantidade razoável da Terra visível, você precisa estar no alto. Uma altitude mais baixa poderia, em teoria, funcionar bem, mas a altitude escolhida parece estar a uma distância suficiente para ser útil, mas não a ponto de haver problemas de link de comunicação, etc.

O custo para obter um O satélite GPS em sua órbita não é substancialmente diferente do que se estivesse em uma órbita de, digamos, 6 horas. O orçamento do link melhoraria um pouco, permitindo a construção de um satélite um pouco mais barato. O grande problema, no entanto, é que você faria precisa de mais satélites para garantir que a cobertura completa foi cumprida. O GPS é fundamentalmente um sistema militar e não deve ter lacunas no solo. Deve-se observar, aqui está a porcentagem da Terra visível de várias altitudes:

• órbita de 12 horas – 38%
• órbita de 8 horas – 34,3%
• órbita de 6 horas – 31%

Deve-se observar que todos os outros sistema GNSS que foram lançados usam uma órbita semelhante ao GPS. GLONASS é 17/8 de um dia, BeiDou 17/9 e Galileo é 17/10. A Índia está trabalhando em um sistema que usa satélites puramente GEO. Eles escolheram uma banda semelhante porque o GPS provou que funcionava bem nessas altitudes.

Outro fator é a velocidade orbital. A velocidade orbital em uma órbita de 6 horas é de cerca de 5 km / s. No GPS, é 3,8 km / s. Esta velocidade mais lenta permite uma largura de banda mais estreita (uma vez que as mudanças de frequência Doppler são menores), usando menos espectro e permitindo que mais canais estejam em uso.

Existem também outras razões, envolvendo o precisão do GPS. Essa altitude específica funciona bem para fornecer precisão suficiente.

Resumindo, a altitude em que o GPS está funciona muito bem para isso, existem poucas outras espaçonaves usando essas órbitas, tornando-as mais estáveis em geral, e parece uma boa ideia continuar usando satélites GPS no Órbitas de 12 horas em que estão sendo colocados.

Comentários

• Os efeitos relativísticos não são ‘ importantes, eles podem ser calculados à distância. A velocidade até o solo pode ser um problema, leva 15 minutos para obter um travamento completo em um satélite, portanto, se você estiver partindo nesse período de tempo, poderá haver problemas. Eu ‘ estou pensando que a pegada é o problema, não a cobertura, ‘ terei que trabalhar para corrigir minha resposta para resolver isso. .
• Bem, a distância até o satélite mudaria mais rápido então, então uma mudança de fase mais pronunciada (devido ao efeito Doppler) pode criar problemas com a sincronização do relógio, o que reduziria a precisão do uso do GPS civil. Acho que deveria ter explicado isso, mas fiquei sem espaço.
• @DavidGrinberg Sim, órbitas inferiores estão sujeitas a uma taxa de decaimento orbital mais alta devido à pressão atmosférica ainda não desprezível, então reinicializações orbitais periódicas são necessárias . Veja alguns dos tópicos que discutem isso em nosso site. Mas isso não ‘ faria muita diferença para as altitudes orbitais discutidas na pergunta, elas ‘ estão todas dentro da radiação de Van Allen cintos. É ‘ quase exatamente na altitude orbital da constelação do GPS (20.194,292 km acima do nível médio do mar) que o fluxo de intensidade de prótons é o maior dentro dos cinturões. Portanto, ir mais alto ou mais baixo seria um pouco melhor ainda.
• Órbitas mais altas também diminuiriam a potência do sinal no receptor, a menos que a potência de cada satélite fosse aumentada.
• PearsonArtPhoto (e @costrom) Os sinais de GPS são modulados por vários códigos para obter uma localização precisa e livre de anomalias (ou seja, sem contagem de franjas). Todos os satélites transmitem usando a mesma frequência (ok 2 frequências) e todos têm uma largura de banda de cerca de 1 MHz, que é quase 2 ordens de magnitude maior do que o doppler. Não há reais ” canais “, Hedy Lamarr e OK, mais do que alguns outros, nos deram o milagre da propagação do espectro. Um receptor GPS possui vários correlacionadores que selecionam os vários códigos. Talvez você possa atualizar sua resposta?

Os satélites GPS / GNSS estão orbitando em uma altitude em que seus orbitais período é a metade do dia sideral médio da Terra (23 horas, 56 minutos, 4,0916 segundos), então sua taxa de precessão nodal é pequena (cerca de 4 minutos, ou ± 222 km de deriva leste-oeste ao longo do equador da Terra por dia) e razoavelmente constante, ou talvez melhor dito estável, por longos períodos de tempo. Isso mantém sua longitude do nó ascendente dentro de ± 2 graus fora do nominal e permite a repetibilidade da trilha no solo para a constelação :

^{Tempo diário mudança de repetição de rastreamento de satélite de GPS em relação a 24 horas com base em dados de efemérides de transmissão. Fonte: InsideGNSS.com}

Essa repetibilidade da trilha no solo era importante nos primeiros dias do GPS, para que houvesse cobertura de solo suficiente foi garantido (em sessões, não durante todo o dia) com um número muito menor de satélites de constelação. As órbitas inferiores estariam sujeitas a perturbações orbitais mais fortes, especialmente a já mencionada precessão nodal devido ao formato da Terra ser um esferóide oblato e não uma esfera perfeita, então satélites “A taxa de deriva Leste-Oeste teria sido maior, embora não eliminasse completamente outros efeitos perturbadores (como a gravidade do Sol e da Lua, pressão da radiação solar, …) ou teria sido ainda maior (arrasto atmosférico ) e causando uma taxa de decaimento orbital mais alta ou de outra forma exigir queimaduras corretivas de órbita mais frequentes.

Isso é explicado com mais detalhes na edição de junho / julho de 2006 do Inside GNSS , no artigo Soluções GNSS: precessão orbital, técnicas de frequência dupla ideais e receptores Galileo de Penina Axelrad e Kristine M. Larson.

As respostas curtas são para garantir a repetibilidade da pista no solo. E o período não é de 12 horas, mas meio dia sideral (ou seja, cerca de 4 minutos mais curto), de modo que quando a Terra fez uma rotação, os satélites fizeram duas e a geometria de toda a constelação em relação à Terra é a mesma que um dia sideral antes.A repetibilidade é importante por várias razões, uma delas é que alguns erros relacionados à atmosfera ou às reflexões do solo (ou seja, multicaminhos) dependem da geometria. Se a geometria for a mesma a cada dia sideral os erros serão semelhantes, portanto os deslocamentos calculados em uma base sideral-dia-sideral são muito precisos, pois são os erros tão semelhantes que se cancelam ao computar os deslocamentos (ou velocidades ) Além disso, correções de efeitos atmosféricos ou efeitos de multipercurso são muito mais fáceis de calcular e reutilizar se os rastros de solo se repetirem (o que é o mesmo que dizer que os satélites retornam às mesmas posições no céu a cada um dos dias siderais).

Agora, outra questão é por que escolher meio dia sideral em vez de um terço ou um quarto. Não estou 100% certo sobre isso, mas estou bastante confiante de que é devido ao fato de que, em contraste com outros satélites, para o satélite GPS ser útil, sua posição deve ser conhecida com precisão realmente alta e em tempo real. para que isso seja alcançado, quanto maior a órbita, mais fácil, por causa da velocidade mais lenta e menores perturbações devido ao campo gravitacional não central da Terra e ao arrasto atmosférico. Então, por que não orbita com um período de dia sideral completo? Provavelmente devido ao custo (para colocá-los em órbita e transmitir com mais potência), então meio dia sideral foi o mais barato que ainda permitiu atender às especificações de precisão da posição do satélite.

Este artigo tem uma boa tratamento e explicar como a repetibilidade de múltiplos caminhos é importante para a qualidade da solução e como essa repetibilidade pode ser usada para melhorar as soluções de GPS. Também explica que o período se aproxima de um dia sideral: Melhorando a precisão do GPS de alta taxa

Comentários

• Este artigo tem um bom tratamento e explica como a repetitividade multipercurso é importante para a qualidade da solução e como tal repeteabiliti pode ser usada para melhorar as soluções GPS. Também explica que o período está próximo a um dia sideral: xenon.colorado.edu/larsonetal_2007.pdf