Órbita geossíncrona

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Animação (sem escala) mostrando satélite geossíncrono orbitando a Terra.

Uma órbita geossíncrona (às vezes abreviada GSO - em inglês) é uma órbita centrada na Terra com um período orbital que corresponde à rotação da Terra em seu eixo, 23 horas, 56 minutos e 4 segundos (um dia sideral). A sincronização de rotação e período orbital significa que, para um observador na superfície da Terra, um objeto em órbita geossíncrona retorna exatamente à mesma posição no céu após um período de um dia sideral. Ao longo de um dia, a posição do objeto no céu pode permanecer imóvel ou traçar um caminho, tipicamente em forma de 8, cujas características precisas dependem da inclinação e excentricidade da órbita. Uma órbita geossíncrona circular tem uma altitude constante de 35 786 km (22 236 milhas).

Um caso especial de órbita geossíncrona é a órbita geoestacionária, que é uma órbita geossíncrona circular no plano equatorial da Terra com inclinação e excentricidade iguais a 0. Um satélite em uma órbita geoestacionária permanece na mesma posição no céu para observadores na superfície.

Os satélites de comunicação geralmente são geoestacionários ou próximos a órbitas geoestacionárias para que as antenas de satélite que se comunicam com eles não precisem se mover, mas possam ser apontadas permanentemente para o local fixo no céu onde o satélite aparece.

História[editar | editar código-fonte]

A órbita geossíncrona foi popularizada pelo autor de ficção científica Arthur C. Clarke e, portanto, às vezes é chamada de Órbita Clarke.

Em 1929 Herman Potočnik descreveu as órbitas geossíncronas em geral e o caso especial da órbita geoestacionária da Terra em particular como órbitas úteis para estações espaciais.[1] A primeira aparição de uma órbita geossíncrona na literatura popular foi em outubro de 1942, na primeira história de Vênus Equilateral por George O. Smith,[2] mas Smith não entrou em detalhes. O autor britânico de ficção científica Arthur C. Clarke popularizou e expandiu o conceito em um artigo de 1945 intitulado Extra-Terrestrial Relays – Can Rocket Stations Give Worldwide Radio Coverage?, publicado em Revista Wireless World. Clarke reconheceu a conexão em sua introdução ao The Complete Venus Equilateral.[3][4] A órbita, que Clarke descreveu pela primeira vez como útil para satélites de comunicação de transmissão e retransmissão,[4] às vezes é chamada de Órbita Clarke.[5] Da mesma forma, o conjunto de satélites artificiais nesta órbita é conhecido como Cinturão Clarke.[6]

Syncom 2: O primeiro satélite geossíncrono funcional

Na terminologia técnica, as órbitas geossíncronas são muitas vezes referidas como geoestacionárias se estiverem aproximadamente sobre o equador, mas os termos são usados ​​de forma intercambiável.[7][8] Especificamente, órbita geossíncrona da Terra (geosynchronous Earth orbit - GEO) pode ser sinônimo de órbita equatorial[9] geossíncrona, ou órbita geoestacionária da Terra.

O primeiro satélite geossíncrono foi projetado por Harold Rosen enquanto trabalhava na Hughes Aircraft em 1959. Inspirado pelo Sputnik 1, ele queria usar um satélite geoestacionário (geossíncrono equatorial) para globalizar as comunicações. As telecomunicações entre os EUA e a Europa eram então possíveis entre apenas 136 pessoas de cada vez, e dependiam de rádios de alta frequência e um cabo submarino.[10]

A sabedoria convencional na época era que seria necessário muito poder de foguete para colocar um satélite em uma órbita geossíncrona e não sobreviveria tempo suficiente para justificar a despesa,[11] então os primeiros esforços foram feitos para constelações de satélites em baixa ou média Órbita terrestre. O primeiro deles foram os satélites de balão Echo passivos em 1960, seguidos pelo Telstar 1 em 1962.[12] Embora esses projetos tivessem dificuldades com a intensidade do sinal e rastreamento que poderiam ser resolvidos através de satélites geossíncronos, o conceito era visto como impraticável, então Hughes muitas vezes reteve fundos e apoio.[10][13]

Em 1961, Rosen e sua equipe produziram um protótipo cilíndrico com um diâmetro de 76 centímetros (30 pol), altura de 38 centímetros (15 pol), pesando 11,3 kg (25 lb); era leve e pequeno, o suficiente para ser colocado em órbita por foguetes então disponíveis, foi estabilizado por rotação e usado antenas dipolo produzindo uma forma de onda em forma de panqueca.[14] Em agosto de 1961, eles foram contratados para começar a construir o satélite em funcionamento.[10] Eles perderam o Syncom 1 por falha eletrônica, mas o Syncom 2 foi colocado com sucesso em uma órbita geossíncrona em 1963. Embora sua órbita inclinada ainda exigisse antenas móveis, ele foi capaz de retransmitir transmissões de TV e permitiu que o presidente dos EUA John F. Kennedy para telefonar para o primeiro-ministro nigeriano Abubakar Tafawa Balewa de um navio em 23 de agosto de 1963.[13][15]

Hoje existem centenas de satélites geossíncronos fornecendo sensoriamento remoto, navegação e comunicações.[10][16]

Embora os locais terrestres mais populosos do planeta agora tenham instalações de comunicação terrestre (microondas, fibra ótica), que muitas vezes têm vantagens de latência e largura de banda, e acesso telefônico cobrindo 96% da população e acesso à internet 90% a partir de 2018,[17] algumas áreas rurais e remotas em países desenvolvidos ainda dependem de comunicações via satélite.[18][19]

Tipos[editar | editar código-fonte]

Órbita geoestacionária[editar | editar código-fonte]

Ver artigo principal: Órbita geoestacionária
O satélite geoestacionário (verde) permanece sempre acima do mesmo ponto marcado no equador (marrom).

Uma órbita equatorial geoestacionária (GEO) é uma órbita geossíncrona circular no plano do equador da Terra com um raio de aproximadamente 42 164 km (26 199 mi) (medido a partir do centro da Terra).[20]:156 Um satélite em tal órbita está a uma altitude de aproximadamente 35 786 km (22 236 milhas) acima do nível médio do mar. Mantém a mesma posição em relação à superfície da Terra. Se pudéssemos ver um satélite em órbita geoestacionária, ele pareceria pairar no mesmo ponto do céu, ou seja, não apresentar movimento diurno, enquanto o Sol, a Lua e as estrelas atravessariam os céus atrás dele. Essas órbitas são úteis para satélites de telecomunicações.[21]

Uma órbita geoestacionária perfeitamente estável é um ideal que só pode ser aproximado. Na prática, o satélite sai dessa órbita devido a perturbações como o vento solar, pressão de radiação, variações no campo gravitacional da Terra e o efeito gravitacional da Lua e do Sol, e os propulsores são usados ​​para manter a órbita em um processo conhecido como manutenção de estação.[20]:156

Eventualmente, sem o uso de propulsores, a órbita ficará inclinada, oscilando entre 0° e 15° a cada 55 anos. No final da vida útil do satélite, quando o combustível se aproxima do esgotamento, os operadores de satélite podem decidir omitir essas manobras caras para corrigir a inclinação e controlar apenas a excentricidade. Isso prolonga a vida útil do satélite, pois consome menos combustível ao longo do tempo, mas o satélite só pode ser usado por antenas terrestres capazes de seguir o movimento NS.[20]:156

Os satélites geoestacionários também tenderão a flutuar em torno de uma das duas longitudes estáveis ​​de 75° e 255° sem manutenção da estação.[20]:157

Órbitas geossíncronas elípticas e inclinadas[editar | editar código-fonte]

Uma órbita de satélite quase- zênite

Muitos objetos em órbitas geossíncronas têm órbitas excêntricas e/ou inclinadas. A excentricidade torna a órbita elíptica e parece oscilar EW no céu do ponto de vista de uma estação terrestre, enquanto a inclinação inclina a órbita em relação ao equador e faz com que pareça oscilar NS a partir de uma estação terrestre. Esses efeitos se combinam para formar um analema (figura-8).[20]:122

Satélites em órbitas elípticas/excêntricas devem ser rastreados por estações terrestres direcionáveis.[20]:122

Órbita Tundra[editar | editar código-fonte]

Ver artigo principal: Órbita Tundra

A órbita Tundra é uma órbita geossíncrona russa excêntrica, que permite que o satélite passe a maior parte do tempo morando em um local de alta latitude. Ele fica a uma inclinação de 63,4°, que é uma órbita congelada, o que reduz a necessidade de manutenção da estação.[22] São necessários pelo menos dois satélites para fornecer cobertura contínua sobre uma área.[23] Foi usado pelo Sirius XM Satellite Radio para melhorar a força do sinal no norte dos Estados Unidos e Canadá.[24]

Órbita quase zenital[editar | editar código-fonte]

A Quasi-Zenith Satellite System (QZSS) é um sistema de quatro satélites que opera em uma órbita geossíncrona com uma inclinação de 42° e uma excentricidade de 0,075.[25] Cada satélite reside sobre o Japão, permitindo que os sinais cheguem aos receptores em cânions urbanos e depois passem rapidamente sobre a Austrália.[26]

Lançamento[editar | editar código-fonte]

Ver também: Órbita de transferência geoestacionária
Um exemplo de uma transição de órbita de transferência geoestacionária (GTO) para órbita geossíncrona (GSO).
      EchoStar XVII ·       Terra.

Os satélites geossíncronos são lançados para o leste em uma órbita progressiva que corresponde à taxa de rotação do equador. A menor inclinação em que um satélite pode ser lançado é a latitude do local de lançamento, portanto, lançar o satélite próximo ao equador limita a quantidade de mudança de inclinação necessária posteriormente.[27] Além disso, o lançamento próximo ao equador permite que a velocidade de rotação da Terra dê um impulso ao satélite. Um local de lançamento deve ter água ou desertos a leste, para que nenhum foguete com falha caia em uma área povoada.[28]

A maioria dos veículos de lançamento coloca satélites geossíncronos diretamente em uma órbita de transferência geossíncrona (GTO), uma órbita elíptica com um apogeu na altura do GSO e um baixo perigeu. A propulsão de satélite a bordo é então usada para elevar o perigeu, circular e chegar ao GSO.[27][29]

Uma vez em uma órbita geoestacionária viável, a espaçonave pode mudar sua posição longitudinal ajustando seu semi-eixo maior de modo que o novo período seja mais curto ou mais longo que um dia sideral, a fim de efetuar uma aparente "desvio" para leste ou oeste, respectivamente.

Elevador espacial[editar | editar código-fonte]

Uma outra forma de órbita geossíncrona é o elevador espacial teórico. Quando uma extremidade está presa ao solo, para altitudes abaixo do cinturão geoestacionário, o elevador mantém um período orbital mais curto do que apenas pela gravidade.[30]

Propriedades[editar | editar código-fonte]

A órbita de um satélite geossíncrono em uma inclinação, da perspectiva de um observador fora da Terra (ECI) e de um observador girando em torno da Terra em sua taxa de rotação (ECEF).

Uma órbita geossíncrona tem as seguintes propriedades:

  • Período: 1436 minutos (um dia sideral)
  • Semi-major axis: 42,164 km[20]:121

Período[editar | editar código-fonte]

Todas as órbitas geossíncronas têm um período orbital igual a exatamente um dia sideral.[31] Isso significa que o satélite retornará ao mesmo ponto acima da superfície da Terra a cada dia (sideral), independentemente de outras propriedades orbitais.[32][20]:121Este período orbital, T, está diretamente relacionado ao semi-eixo maior da órbita através da fórmula:

Onde:

a é o comprimento do semi-eixo maior da órbita
ié o parâmetro gravitacional padrão do corpo central[20]:137

Inclinação[editar | editar código-fonte]

Uma órbita geossíncrona pode ter qualquer inclinação.

Os satélites geralmente têm uma inclinação zero, garantindo que a órbita permaneça sobre o equador em todos os momentos, tornando-a estacionária em relação à latitude do ponto de vista de um observador terrestre (e no referencial ECEF).[20]:122

Outra inclinação popular é 63,4° para uma órbita Tundra, o que garante que o argumento do perigeu da órbita não mude com o tempo.[22]

Trilha do solo[editar | editar código-fonte]

No caso especial de uma órbita geoestacionária, a trilha terrestre de um satélite é um único ponto no equador. No caso geral de uma órbita geossíncrona com inclinação ou excentricidade diferente de zero, a trilha no solo é uma figura de oito mais ou menos distorcida, retornando aos mesmos lugares uma vez por dia sideral.[20]:122

Referências[editar | editar código-fonte]

  1. ↑ Noordung, Hermann (1929). Das Problem der Befahrung des Weltraums: Der Raketen-Motor (PDF). Berlin: Richard Carl Schmidt & Co. pp. 98–100 
  2. ↑ "(Korvus's message is sent) to a small, squat building at the outskirts of Northern Landing. It was hurled at the sky. ... It ... arrived at the relay station tired and worn, ... when it reached a space station only five hundred miles above the city of North Landing." Smith, George O. (1976). The Complete Venus Equilateral. New York: Ballantine Books. pp. 3–4. ISBN 978-0-345-28953-7 
  3. ↑ "It is therefore quite possible that these stories influenced me subconsciously when ... I worked out the principles of synchronous communications satellites ...", McAleer, Neil (1992). Arthur C. Clarke. [S.l.]: Contemporary Books. p. 54. ISBN 978-0-809-24324-2 
  4. ↑ a b Clarke, Arthur C. (1945). «Extra-Terrestrial Relays – Can Rocket Stations Give Worldwide Radio Coverage?» (PDF). Wireless World. pp. 305–308. Consultado em 4 de março de 2009. Cópia arquivada (PDF) em 18 de março de 2009 
  5. ↑ Phillips Davis (ed.). «Basics of Space Flight Section 1 Part 5, Geostationary Orbits». NASA. Consultado em 25 de agosto de 2019 
  6. ↑ Mills, Mike (3 de agosto de 1997). «Orbit Wars: Arthur C. Clarke and the Global Communications Satellite». The Washington Post Magazine. pp. 12–13. Consultado em 25 de agosto de 2019 
  7. ↑ Kidder, S.Q. (2015). North, Gerald; Pyla, John; Zhang, Fuqing, eds. Encyclopedia of Atmospheric Sciences 2 ed. [S.l.]: Elsiver. pp. 95–106. ISBN 978-0-12-382225-3. doi:10.1016/B978-0-12-382225-3.00362-5 
  8. ↑ Brown, C. D. (1998). Spacecraft Mission Design 2nd ed. [S.l.]: AIAA Education Series. p. 81. ISBN 978-1-60086-115-4 
  9. ↑ «Ariane 5 User's Manual Issue 5 Revision 1» (PDF). Ariane Space. Julho de 2011. Consultado em 28 de julho de 2013. Cópia arquivada (PDF) em 4 de outubro de 2013 
  10. ↑ a b c d McClintock, Jack (9 de novembro de 2003). «Communications: Harold Rosen – The Seer of Geostationary Satellites». Discover Magazine. Consultado em 25 de agosto de 2019 
  11. ↑ Perkins, Robert (31 de janeiro de 2017). Harold Rosen, 1926–2017. [S.l.]: Caltech. Consultado em 25 de agosto de 2019 
  12. ↑ Glover, Daniel R. (1997). «Chapter 6: NASA Experimental Communications Satellites, 1958-1995». In: Andrew J Butrica. Beyond The Ionosphere: Fifty Years of Satellite Communication. [S.l.]: NASA. Bibcode:1997bify.book.....B 
  13. ↑ a b Vartabedian, Ralph (26 de julho de 2013). «How a satellite called Syncom changed the world». Los Angeles Times. Consultado em 25 de agosto de 2019 
  14. ↑ David R. Williams (ed.). «Syncom 2». NASA. Consultado em 29 de setembro de 2019 
  15. ↑ «World's First Geosynchronous Satellite Launched». History Channel. Foxtel. 19 de junho de 2016. Consultado em 25 de agosto de 2019 
  16. ↑ Howell, Elizabeth (24 de abril de 2015). «What Is a Geosynchronous Orbit?». Space.com. Consultado em 25 de agosto de 2019 
  17. ↑ «ITU releases 2018 global and regional ICT estimates». International Telecommunication Union. 7 de dezembro de 2018. Consultado em 25 de agosto de 2019 
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  20. ↑ a b c d e f g h i j k Wertz, James Richard; Larson, Wiley J. (1999). Larson, Wiley J.; Wertz, James R., eds. Space Mission Analysis and Design. [S.l.]: Microcosm Press and Kluwer Academic Publishers. Bibcode:1999smad.book.....W. ISBN 978-1-881883-10-4 
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  22. ↑ a b Maral, Gerard; Bousquet, Michel (24 de agosto de 2011). Satellite Communications Systems: Systems, Techniques and Technology. [S.l.: s.n.] ISBN 978-1-119-96509-1 
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  25. ↑ Japan Aerospace Exploration Agency (14 de julho de 2016), Interface Specifications for QZSS, version 1.7, pp. 7–8, cópia arquivada em 6 de abril de 2013 
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  28. ↑ «Launching Satellites». EUMETSAT 
  29. ↑ Davis, Jason (17 de janeiro de 2014). «How to get a satellite to geostationary orbit». The Planetary Society. Consultado em 2 de outubro de 2019 
  30. ↑ Edwards, Bradley C. (1 de março de 2003). «The Space Elevator NIAC Phase II Final Report» (PDF). NASA Institute for Advanced Concepts. p. 26 
  31. ↑ Chobotov, Vladimir, ed. (1996). Orbital Mechanics 2nd ed. Washington, DC: AIAA Education Series. p. 304. ISBN 9781563471797. OCLC 807084516 
  32. ↑ Vallado, David A. (2007). Fundamentals of Astrodynamics and Applications. Hawthorne, CA: Microcosm Press. 31 páginas. OCLC 263448232 

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