Штучні Супутники Землі: Їх Типи Та Застосування

Штучні Супутники Землі: Що Це Таке Та Які Їхні Типи?

Штучний супутник – це будь-який створений людиною об’єкт, запущений у космос за допомогою ракет. Ці космічні апарати оснащені високоточними приладами та чутливими камерами, а завдяки широкому охопленню території фільмування та покращеній роздільній здатності ШСЗ різних типів можуть збирати інформацію набагато швидше, ніж наземні датчики. Крім того, на відміну від наземних обсерваторій, на вид з космосу не впливають такі атмосферні перешкоди, як хмари та пил. За допомогою штучних супутників вивчають не тільки явища на нашій планеті, а й у далекому Всесвіті.

Орбіти Штучних Супутників Землі

Типи ШСЗ заведено класифікувати за висотою орбіти (відстань від штучного супутника до Землі), від якої безпосередньо залежить зона охоплення (покриття) та особливості руху навколо планети. Під час проєктування космічних апаратів враховують їхнє цільове призначення, дані та спектр виконуваних ними функцій, а також вартість, зону охоплення та доцільність використання різних висот.

Як правило, після запуску космічний апарат виходить на одну з кількох заздалегідь заданих орбіт навколо Землі, тобто штучний супутник рухається навколо землі по коловій орбіті. Утім, у деяких випадках ШСЗ може здійснювати міжпланетну подорож, слідуючи траєкторією навколо Сонця, допоки не досягне кінцевого пункту призначення.

Розрізняють п’ять основних висот, на яких штучні супутники обертаються навколо Землі:

• низька навколоземна орбіта (LEO);
• середня навколоземна орбіта (MEO);
• геостаціонарна орбіта (GEO);
• сонячно-синхронна орбіта (SSO);
• геостаціонарна перехідна орбіта (GTO).

Розглянемо докладніше особливості функціонування космічних апаратів на кожній висоті, а також можливості використання різних типів ШСЗ залежно від орбіти.

Штучні Супутники На Низькій Навколоземній Орбіті (Тип LEO)

Космічні апарати на низькій навколоземній орбіті рухаються на висоті приблизно 160-1500 км над поверхнею Землі. Штучний супутник цього типу здійснює короткі орбітальні польоти (від 90 до 120 хвилин), тобто може обертатися навколо Землі до 16 разів на добу. Ця особливість забезпечує швидке отримання та передачу даних, тому штучні супутники типу LEO широко використовуються для дистанційного зондування всіх видів, моніторингу Землі за допомогою знімків високої роздільної здатності та наукових досліджень.

Усі штучні супутники типу LEO можуть змінювати кут нахилу своєї орбітальної площини до земної поверхні. Низькі навколоземні орбіти мають широке застосування, оскільки забезпечують більше можливих траєкторій руху космічних апаратів. Утім, оскільки такий штучний супутник знаходиться на порівняно малій відстані від поверхні Землі, він має меншу зону охоплення, ніж космічні апарати інших типів. Групи космічних апаратів на низькій навколоземній орбіті, які називаються супутниковими угрупованнями або сузір’ями типу LEO, часто запускаються разом і утворюють своєрідну мережу ШСЗ, які обертаються навколо нашої планети. Отже, усі одиниці сузір’я такого типу можуть одночасно охоплювати величезні території завдяки спільному функціонуванню.

Штучні Супутники Землі На Середній Навколоземній Орбіті (Тип MEO)

Середня навколоземна орбіта розташована між низькою навколоземною та геостаціонарною орбітами. Як правило, відстань від штучного супутника до Землі на цій орбіті становить від 5 000 до 20 000 км. Останнім часом в експлуатацію вводяться угруповання космічних апаратів високої пропускної спроможності (HTS) на орбітах типу MEO, які забезпечують передачу даних із низькою латентністю (коротким інтервалом). Штучні супутники типу MEO застосовуються в службах позиціювання та навігації, наприклад GPS, а також мають попит серед операторів зв’язку, комерційних та урядових організацій.

Завдяки більш тривалому періоду обертання (зазвичай від 2 до 12 годин) цей вид штучних супутників є золотою серединою, оскільки має оптимальний баланс зони охоплення та швидкості передачі даних. Порівняно з низькоорбітальними космічними апаратами, для забезпечення глобального покриття необхідна менша кількість одиниць у складі сузір’я типу MEO, але їхні сигнали слабші, а передача даних займає більше часу.

Штучні Супутники Землі На Геостаціонарній Орбіті (Тип GEO)

Космічні апарати на геостаціонарній орбіті знаходяться на висоті 35 786 км над поверхнею Землі, точно над екватором. Використання трьох одиниць типу GEO, розміщених на рівній відстані один від одного, забезпечує практично всесвітнє покриття завдяки величезному охопленню територій.

Із Землі об’єкти типу GEO здаються нерухомими, оскільки їхній орбітальний період збігається з періодом обертання Землі – 23 години 56 хвилин та 4 секунди. Отже, наземна антена завжди спрямована на той самий космічний апарат. З цієї причини такий тип штучних супутників ідеально підходить для сфери безперервних послуг зв’язку, зокрема передачі сигналу в телебаченні та телефонії. Крім того, космічні апарати цього типу можуть використовуватися в метеорології для моніторингу погодних явищ у зазначених регіонах та відстеження динаміки розвитку явищ у локальному масштабі.

Недоліком штучних супутників типу GEO для зв’язку в реальному часі є велика затримка передачі сигналу, зумовлена їхньою великою віддаленістю від Землі.

Штучні Супутники Землі На Сонячно-Синхронній Орбіті (Тип SSO)

Сонячно синхронна орбіта проходить з півночі на південь через полярні області на висоті 600-800 км над Землею. Нахил та висота орбіти космічних апаратів типу SSO вивірені таким чином, що вони завжди перетинають будь-яку задану точку в той самий момент за місцевим сонячним часом. Таким чином, цей тип штучних супутників фільмує в однакових умовах освітленості, що є оптимальним рішенням для спостереження за Землею та екологічного моніторингу.

Із зазначеного також випливає, що поточні й історичні космічні знімки зі штучних супутників типу SSO застосовні та для відстеження змін. Вчені використовують ці знімки для вивчення динаміки погодних умов, прогнозування циклонів, моніторингу та запобігання лісовим пожежам і повеням, а також для збору інформації про такі довгострокові проблеми, як вирубування лісів та зміна берегової лінії. Утім, через те, що космічні апарати на сонячно-синхронній орбіті знаходяться на малій висоті, вони можуть одночасно спостерігати лише за невеликим за площею регіоном, а для безперервного знімання потрібно більше одиниць у сузір’ї цього типу.

Штучні Супутники Землі На Геостаціонарній Перехідній Орбіті (Тип GTO)

Найчастіше для переміщення космічних апаратів із проміжної орбіти на GEO використовується перехідна геостаціонарна орбіта. У разі запуску штучних супутників Землі в космос ракетами-носіями типу Falcon-9, космічні апарати не завжди виходять на кінцеву орбіту відразу. Ракети, що доставляють корисне навантаження на GEO, виводять його на перехідні орбіти, які є проміжними точками на шляху проходження ШСЗ. Через певний час двигун штучного супутника запускається для виходу на цільову орбіту та коригування її нахилу ^{Davis, J. (2014, January 17). How to get a satellite to geostationary orbit. The Planetary Society.}. Такий порівняно короткий шлях дає змогу космічному апарату досягти геостаціонарної орбіти з мінімальними витратами ресурсів.

До інших, менш поширених типів відносяться високоеліптична (ВЕО), полярна орбіта та точка Лагранжа (ТЛ). Вибір типу орбіти визначається функціями та задачами космічного апарату. У зв’язку з цим слід більш ретельно підходити до вибору конфігурації супутника залежно від сфери його використання.

Призначення Штучних Супутників Землі

Надання послуг зв’язку та телебачення – це лише вершина айсберга у використанні космічних технологій. Останніми роками було здійснено запуск численної кількості штучних супутників Землі різних типів для різноманітних наукових цілей, у тому числі для спостереження за нашою планетою, метеорологічних досліджень, навігації, вивчення впливу космічних польотів на живі організми та отримання нових знань про космос.

Основними сферами застосування космічних апаратів є:

• комунікаційні технології;
• спостереження за Землею;
• GPS та навігація;
• астрономічні дослідження.

Розглянемо докладніше, для чого потрібні штучні супутники Землі, та основні характеристики кожного типу.

Комунікаційні Супутники

Як правило, космічний апарат для забезпечення зв’язку функціонує на геостаціонарній орбіті та оснащений транспондером – інтегрованим приймачем та передавачем радіосигналів. Штучний супутник зв’язку може приймати сигнали із Землі та ретранслювати їх назад на планету. Передача цих сигналів допомагає встановити зв’язок між регіонами, який раніше був неможливим через великі відстані або інші перешкоди. Штучні супутники для телекомунікаційних цілей забезпечують передачу різних видів інформації, таких як радіомовлення, телебачення, телефонія та інтернет.

Використання штучних супутників комунікаційного типу дозволяє ретранслювати множинні сигнали одночасно. Космічні апарати, призначені для мовлення та передачі телевізійних сигналів на наземні станції, зазвичай мають окремі транспондери для кожного носія. Проте, у більшості випадків кілька носіїв ретранслюються одним транспондером. Завдяки сумісності з мобільними терміналами, цей тип штучних супутників успішно використовується для забезпечення зв’язку на великих відстанях.

Штучні Супутники Для Спостереження За Землею

Завдання космічних апаратів для моніторингу Землі – спостерігати за нашою планетою з космосу та інформувати про виявлені зміни. Ця технологія уможливлює послідовний та регулярний моніторинг навколишнього середовища, а також оперативний аналіз подій під час таких надзвичайних ситуацій, як стихійні лиха та збройні конфлікти.

Цілі програм спостереження за Землею визначають тип використовуваних супутникових датчиків. Своєю чергою, інформація, яку збирають штучні супутники, залежить від типу використовуваного датчика й доступних частотних діапазонів.

Штучні супутники для спостереження за Землею мають дві основні сфери застосування:

• Метеорологічні космічні апарати використовуються для моніторингу та прогнозування погодних тенденцій, а також для отримання фактичних даних про погоду. Оптимальною для метеорологічних ШСЗ є геостаціонарна орбіта, оскільки ця висота забезпечує постійну точку огляду, завдяки чому вчені можуть відстежувати структуру хмар та прогнозувати їхнє переміщення.
• Космічні апарати дистанційного зондування в основному застосовуються для багатоцільового моніторингу навколишнього середовища та географічного картографування. Штучні супутники дистанційного зондування Землі такого типу рухаються навколо нашої планети полярною / неполярною орбітою типу LEO чи GEO. Супутникові сузір’я географічних інформаційних систем (ГІС) – це різновид космічних апаратів дистанційного зондування, основною функцією яких є отримання супутникових знімків для ГІС-картування та подальшого просторового аналізу в ГІС.

Штучні Супутники Для Систем Навігації

Супутникові сузір’я для обслуговування навігаційних систем знаходяться на відстані від 20 до 37 тис. км від поверхні Землі. Штучний супутник такого типу відправляє на Землю сигнали, за якими можна визначити час, місце його знаходження у просторі та технічний стан. Космічні навігаційні системи поділяються на два основних типи:

• Глобальна навігаційна супутникова система (ГНСС), космічні апарати якої передають сигнали, які приймаються ГНСС-приймачами та використовуються для визначення місцеперебування, що забезпечує глобальне покриття. Прикладами ГНСС є європейська система Galileo, американська GPS та китайська навігаційна супутникова система BeiDou ^{What is GNSS? (2021, December 03). European Union Agency for the Space Programme.}.
• Регіональна навігаційна супутникова система (РНСС) – це автономна локальна система навігації, яка забезпечує покриття в регіональному масштабі. Наприклад, індійський проєкт IRNSS було створено, щоб забезпечити громадян Індії надійним сервісом для визначення місцеперебування ^{IRNSS Programme. (2023, February 6). Indian Space Research, Department of Space (ISRO/DOS).}.

Штучні Супутники Для Астрономічних Досліджень

За своєю сутністю, астрономічний ШСЗ – це гігантський телескоп, розташований на певній орбіті. Цей тип космічного апарату забезпечує відмінну видимість без перешкод із боку земної атмосфери, але на функціонування його інфрачервоного знімального устаткування впливає температура земної поверхні. Штучні супутники, які використовуються для астрономічних спостережень, відображають космічні об’єкти вдесятеро краще, ніж найпотужніший телескоп на Землі.

Штучні супутники Землі для астрономічних досліджень поділяють на декілька типів:

• Астрономічні космічні апарати служать для дослідження різних небесних тіл та явищ у космосі – від створення карт зіркових і планетних поверхонь та знімання планет нашої Сонячної системи до вивчення чорних дірок.
• Штучні супутники для дослідження клімату, оснащені певними типами датчиків, дозволяють вченим збирати комплексні, багатогранні дані про Світовий океан і крижаний покрив, ділянки суші, а також біосферу та атмосферу нашої планети.
• Біосупутники уможливлюють космічні дослідження клітин та структур рослин і тварин. Завдяки спільній роботі вчених із різних регіонів цей тип штучних супутників відіграє найважливішу роль у розвитку медицини та біології.

Найчастіше ШСЗ можуть виконувати кілька функцій одночасно. І все ж, для отримання повніших і точніших результатів досліджень ученим часто рекомендують орієнтуватися на космічні апарати декількох типів. У цьому плані корисним інструментом є платформа EOSDA LandViewer, яка містить космічні знімки (у тому числі високої роздільної здатності) з різних джерел і має зручний інтерфейс для пошуку та завантаження потрібних зображень.

Роль Штучних Супутників Землі Та Перспективи Розвитку Космічної Технології

ШСЗ різних типів, що класифікуються як за орбітою, так і за призначенням, стали невіднятною частиною нашого повсякденного життя. Крім забезпечення зв’язку, навігації, просторового аналізу, прогнозування погодних умов, ліквідації наслідків стихійного лиха та отримання астрономічних знань, ці космічні апарати допомагають нам глибше зрозуміти своє місце на Землі та у Всесвіті.

Завдяки технічному прогресу, зокрема зменшенню розмірів комп’ютерів та інших комплектувальних елементів, процес виведення на орбіту штучних супутників дистанційного зондування Землі став значно простішим. У 2022 році на орбіті Землі перебувало 6905 активних космічних апаратів, а це на 43,8% більше, ніж у попередньому році ^{Salas, E. B. (2023, February 6). Number of active satellites from 1957 to 2022 (Chart). Statista Search Department.}. Безсумнівно, кількість штучних супутників Землі зростатиме, і зрештою населення нашої планети матиме такі можливості, про які раніше можна було тільки мріяти.

Космічні технології здатні значно покращити наше життя, тому необхідно постійно вкладати ресурси в їхній розвиток. Штучні супутники Землі уможливлюють моніторинг та збирання даних про важкодоступні регіони в режимі реального часу, і у цей спосіб допомагають приймати виважені рішення щодо таких актуальних проблем, як зміна клімату та стихійні лиха. Розширюючи можливості зв’язку в сільських та слаборозвинених регіонах, штучні супутники різних типів сприяють економічному зростанню та допомагають подолати «цифровий розрив», що зрештою забезпечить гідне та стабільне майбутнє для всього людства.