Która orbita jest najlepsza dla satelitów obserwacyjnych?

Krótki przegląd typów orbit

Po pierwsze – czym jest orbita? To tor ruchu, po którym obiekt porusza się w przestrzeni wokół innego ciała (a dokładniej wokół barycentrum) pod wpływem działania siły grawitacji. Zawęźmy nasze rozważania do orbit wokół Ziemi.

Na potrzeby naszych rozważań możemy wyróżnić kilka głównych typów orbit:

• LEO – Low Earth Orbit (niska orbita okołoziemska)
• MEO – Medium Earth Orbit (średnia orbita okołoziemska)
• GEO – Geostationary (orbita geostacjonarna)
• SSO – Sun-synchronous orbit (orbita heliosynchroniczna)

LEO to najniższa orbita, która rozciąga się od najniższej stabilnej wysokości, jaką obiekt może utrzymać, do około 1000 km nad powierzchnią Ziemi. Jest to popularna orbita dla wielu satelitów komunikacyjnych (np. Starlink, Iridium) oraz dla prawdopodobnie najsłynniejszego satelity na świecie – Międzynarodowej Stacji Kosmicznej. Jest to orbita najłatwiejsza do osiągnięcia, ponieważ wymaga stosunkowo niewielkiej energii do wyniesienia satelity. Dodatkowo niskie opóźnienia i wysoka przepustowość sprawiają, że orbita ta jest bardzo przydatna w wielu zastosowaniach.

MEO znajduje się powyżej niskiej orbity okołoziemskiej (LEO) i jest powszechnie wykorzystywana przez systemy nawigacji satelitarnej, takie jak amerykański GPS czy europejski Galileo. Jej górną granicą jest orbita geostacjonarna (GEO).

GEO znajduje się na wysokości 35 786 km nad równikiem. Każdy obiekt umieszczony na tej orbicie potrzebuje 23 godziny, 56 minut i 4 sekundy, aby wykonać pełny obrót – czyli dokładnie tyle, ile wynosi okres obrotu Ziemi. Powoduje to pozorny brak ruchu satelity, który pozostaje nad tym samym punktem na powierzchni Ziemi. Dzięki temu możliwe jest m.in. nadawanie telewizji satelitarnej, a także inne zastosowania, takie jak European Data Relay System (EDRS) rozwijany przez ESA.

A następnie mamy orbitę SSO. Jest to szczególny typ orbity LEO, jednak często wyróżnia się ją jako osobną kategorię. W przeciwieństwie do „standardowych” orbit obiekty na orbicie SSO poruszają się z północy na południe, a nie z zachodu na wschód. Co jest w niej wyjątkowego? Satelity umieszczone na tej orbicie są zsynchronizowane ze Słońcem, co oznacza, że przelatują nad tym samym miejscem o tej samej porze, np. nad Wrocławiem każdego dnia o 15:00.

Oczywiście istnieje wiele innych typów orbit, takich jak GSO, GTO, Molniya czy Tundra, jednak dziś nie będziemy ich omawiać.

Wady niskiej orbity okołoziemskiej (LEO)

Dlaczego chcemy przelatywać nad tym samym miejscem o tej samej porze? Ponieważ jeśli chcemy porównywać zmiany na powierzchni Ziemi, znacznie łatwiej jest to robić przy tych samych warunkach oświetleniowych, a nie raz o północy, a raz o zachodzie słońca.

W poniższej tabeli przedstawiono kilka z najbliższych zaplanowanych przelotów ISS w pobliżu Wrocławia:

Jak widać, ISS nie tylko przelatuje w pobliżu Wrocławia o różnych porach (a dodatkowo czasami w nocy, co bardzo utrudnia obserwację jakichkolwiek zmian; należy jednak wspomnieć, że zdarzają się okresy, gdy ISS przelatuje nad naszym obszarem o bardziej zbliżonych porach), ale zmienia się także czas jej widoczności z Wrocławia (co oznacza, że stacja przelatuje w różnych odległościach). Czy nie byłoby łatwiej, gdyby satelita przelatywał nad naszym miastem zawsze o tej samej porze?

Jakie informacje możemy uzyskać z porównania zdjęć?

Jak wiemy, obrazowanie Ziemi z kosmosu może pomagać nam na wiele sposobów. Jak wyjaśniono w jednym z poprzednich artykułów, satelity Scanway są zdolne do obserwacji rozwoju obszarów miejskich, rolnictwa, rozpoznawania obiektów (np. samochodów czy budynków), zastosowań obronnych, katastrof naturalnych oraz zmian klimatycznych.

Niektóre z tych zastosowań mają charakter długoterminowy, a inne krótkoterminowy. Na przykład zmiany klimatyczne stają się widoczne w perspektywie miesięcy, a nawet lat. Z kolei katastrofy naturalne zachodzą bardzo szybko – w ciągu dni. Dlatego istnieje potrzeba regularnego wykonywania zdjęć danego obszaru. Taką możliwość zapewnia właśnie orbita SSO. Satelita na standardowej orbicie LEO, taki jak wcześniej wspomniana ISS, może nie przelatywać nad danym obszarem przez wiele dni, co oznaczałoby brak możliwości wykonania obserwacji.

Poniższe obrazy przedstawiają fotografie erupcji wulkanu Hunga Tonga–Hunga Ha’apai, która miała miejsce na początku 2022 roku. Ponieważ państwo wyspiarskie zostało odcięte od globalnej komunikacji po tym, jak tsunami zniszczyło podmorski kabel światłowodowy, naukowcy mogli ocenić skalę zniszczeń niemal w czasie rzeczywistym jedynie dzięki obecności satelity obserwacyjnego na orbicie SSO.

Źródło:

Innymi zastosowaniami porównawczej analizy zdjęć mogą być zbieranie danych wywiadowczych (np. obserwacja ruchów wojsk), analiza plonów i określanie optymalnego momentu zbiorów, monitorowanie rozwoju obszarów miejskich oraz wiele innych.
Dzięki różnorodnym czujnikom ograniczeniem wykorzystania obrazowania satelitarnego jest często jedynie odpowiednie oprogramowanie oraz wyobraźnia użytkownika. Co ważne, analiza danych może być dziś prowadzona z wykorzystaniem sztucznej inteligencji.

Jak wynieść satelitę na orbitę heliosynchroniczną (SSO)?

Nie różni się to znacząco od wynoszenia satelitów na standardowe orbity LEO. Główna różnica polega na trajektorii lotu rakiety z północy na południe. Dodatkowo niektóre stanowiska startowe nie mogą wykorzystywać określonych azymutów startu ze względów bezpieczeństwa, dlatego wybór odpowiedniego kosmodromu stanowi dodatkowe wyzwanie (np. z Florydy nie można bezpośrednio wynieść satelity na orbitę SSO, podczas gdy standardowe starty na wschód – np. z Vandenberg – są możliwe).
Ponieważ start nie odbywa się zgodnie z kierunkiem obrotu Ziemi, rakieta musi zużyć więcej paliwa i utleniacza, aby osiągnąć prędkość orbitalną – nie otrzymuje bowiem „darmowego przyspieszenia” wynikającego z rotacji naszej planety. Dla przykładu SpaceX wynosi 54 satelity Starlink na standardową niską orbitę okołoziemską, ale „tylko” 46, gdy start odbywa się na orbitę heliosynchroniczną (SSO).

Satelita Scanway

Nasza misja STAR VIBE została wyniesiona na orbitę SSO 3 stycznia tego roku w ramach misji współdzielonej SpaceX Transporter-6. Start odbył się z Florydy na pokładzie rakiety Falcon 9.
Jak wspomniano wcześniej, bezpośredni start na orbitę SSO z Florydy nie jest możliwy, ponieważ rakiety nie mogą przelatywać nad obszarami zamieszkanymi i pobliskimi wyspami ze względów bezpieczeństwa. Z tego powodu rakieta wykonała tzw. manewr „dogleg”, czyli zmianę trajektorii w trakcie lotu.