Tipos y definiciones de órbita satelital

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Hay muchas órbitas de satélite diferentes que se pueden utilizar. Los que reciben más atención son la órbita geoestacionaria utilizada, ya que están estacionarias por encima de un punto particular de la Tierra.

La órbita que se elige para un satélite depende de su aplicación. Los utilizados para la televisión de difusión directa, es decir, la televisión por satélite, por ejemplo, utilizan una órbita geoestacionaria. Muchos satélites de comunicaciones utilizan de manera similar una órbita geoestacionaria.

Otros sistemas satelitales, como los utilizados para teléfonos satelitales, pueden utilizar sistemas orbitales de Tierra Baja. Del mismo modo, los sistemas satelitales utilizados para sistemas de navegación por satélite como Navstar o el sistema de posicionamiento global (GPS) ocupan una órbita terrestre relativamente baja. También hay muchos otros tipos de satélites, desde satélites meteorológicos hasta satélites de investigación y muchos otros. Cada uno tendrá su propio tipo de órbita dependiendo de su aplicación.

También los nuevos Cubesats o satélites cúbicos utilizan órbitas relativamente bajas, así como en vista de los niveles de potencia que pueden transmitir y las pérdidas de trayectoria permitidas.

La órbita real del satélite que se elija dependerá de factores que incluyen su función y el área a la que va a servir. En algunos casos, la órbita del satélite puede ser tan baja como 100 millas (160 km) para un LEO de órbita terrestre baja, mientras que otros puede tener más de 22 000 millas (36000 km) de altura como en el caso de un GEO de órbita geoestacionaria. El satélite puede incluso tener una órbita elíptica en lugar de circular.

Gravedad y órbitas de satélite

A medida que los satélites orbitan la Tierra, son atraídos hacia atrás por la fuerza del campo gravitacional. Si no tuvieran ningún movimiento propio, caerían de nuevo a la Tierra, ardiendo en los confines superiores de la atmósfera. En cambio, el movimiento del satélite que gira alrededor de la Tierra tiene una fuerza asociada a él que lo aleja de la Tierra. Para cualquier órbita dada hay una velocidad para la que la gravedad y la fuerza centrífuga se equilibran entre sí y el satélite permanece en una órbita estable, sin ganar altura ni perderla.

Obviamente, cuanto más bajos orbitan los satélites en la Tierra, más fuerte será la atracción gravitacional, y esto significa que el satélite debe viajar más rápido para contrarrestar esta atracción. Más lejos, el campo gravitacional es menor y las velocidades del satélite son correspondientemente menores. Para una órbita muy baja de alrededor de 100 millas se necesita una velocidad de alrededor de 17500 millas por hora y esto significa que el satélite orbitará la Tierra en unos 90 minutos. A una altitud de 22 000 millas se necesita una velocidad de poco menos de 7000 millas por hora, lo que da un tiempo de órbita de aproximadamente 24 horas.

Definiciones de órbita circular y elíptica

Un satélite orbita la Tierra en uno de los dos tipos básicos de órbita.

  • Órbita circular del satélite: Para una órbita circular, la distancia con la Tierra sigue siendo la misma en todo momento.
  • Órbita de satélite elíptica: La órbita elíptica cambia la distancia a la Tierra
Órbitas de satélite
Órbitas de satélite

Hay una serie de definiciones asociadas con varios tipos diferentes de órbitas de satélite:

  • Geocentro: Cuando los satélites orbitan la Tierra, ya sea en una órbita circular o elíptica, la órbita del satélite forma un plano que pasa a través del centro de gravedad o geocentro de la Tierra.
  • Dirección de rotación alrededor de la Tierra: Hay dos formas en las que se puede categorizar una órbita de satélite:
    • Posigrado: Se dice que la rotación alrededor de la tierra es posígrada cuando gira en la misma dirección que la rotación de la Tierra.
    • Retrógrado: Se dice que la rotación alrededor de la tierra es retrógrada cuando gira en la dirección opuesta a la rotación de la Tierra
  • Vía terrestre: La pista terrestre de un satélite es un punto en la superficie de la Tierra donde el satélite está directamente sobre la cabeza a medida que se mueve alrededor del mundo. Esto forma un círculo que tiene el geocentro en su centro. Vale la pena señalar que los satélites geoestacionarios son un caso especial, ya que aparecen directamente sobre el mismo punto de la Tierra todo el tiempo. Esto significa que su pista terrestre consiste en un solo punto en el ecuador de la Tierra. También para satélites con órbitas ecuatoriales, la pista terrestre está a lo largo del ecuador.Para estas órbitas generalmente se encuentra que la pista terrestre se desplaza hacia el oeste para cada órbita porque la Tierra está girando hacia el este debajo del satélite.
  • Nodos orbitales: Estos son los puntos donde la pista terrestre pasa de un hemisferio a otro. Hay dos para cualquier órbita no ecuatorial:
    • Nodo ascendente: Este es el nodo donde la pista terrestre pasa del hemisferio sur al hemisferio norte.
    • Nodo descendente: Este es el nodo donde la pista terrestre pasa del hemisferio norte al hemisferio sur.
  • Altura del satélite: Para muchos cálculos de órbita es necesario considerar la altura del satélite por encima del geocentro. Esta es la altura sobre la Tierra más el radio de la Tierra. Esto generalmente se considera de 3960 millas o 6370 km.
  • Velocidad de la órbita: Para una órbita circular siempre es la misma. Sin embargo, en el caso de una elíptica, este no es el caso, ya que los cambios de velocidad dependen de la posición en la órbita. Alcanza un máximo cuando está más cerca de la Tierra y tiene que combatir la mayor atracción gravitacional, y está a su velocidad más baja cuando está más lejos.
  • Ángulo de elevación: El ángulo de elevación es el ángulo en el que el satélite aparece por encima de la horizontal. Si el ángulo es demasiado pequeño, las señales pueden ser obstruidas por objetos cercanos si la antena no es muy alta. Para aquellas antenas que tienen una vista sin obstáculos todavía hay problemas con pequeños ángulos de elevación. La razón es que las señales tienen que viajar a través de más atmósfera de la Tierra y están sujetas a mayores niveles de atenuación como resultado. Un ángulo de cinco grados es generalmente aceptado como el ángulo mínimo para un funcionamiento satisfactorio.
  • Ángulo de inclinación: No todas las órbitas de satélite siguen el ecuador – de hecho, la mayoría de las órbitas terrestres bajas no lo hacen. Por lo tanto, es necesario definir el ángulo de inclinación de la órbita del satélite. El siguiente diagrama define esto
    Ángulo de inclinación de una órbita de satélite
    Ángulo de inclinación de una órbita de satélite

Otras consideraciones sobre la órbita del satélite

Para que un satélite pueda ser utilizado con fines de comunicaciones, la estación terrestre debe ser capaz de seguirlo para recibir su señal y transmitirlo de vuelta a él. Naturalmente, las comunicaciones solo serán posibles cuando sean visibles, y dependiendo de la órbita solo pueden ser visibles por un corto período de tiempo. Para garantizar que la comunicación sea posible durante el máximo tiempo, hay una serie de opciones que se pueden emplear:

  • La primera es utilizar una órbita elíptica donde el apogeo está por encima de la estación terrestre planificada para que el satélite permanezca visible durante el máximo tiempo.
  • Otra opción es lanzar una serie de satélites con la misma órbita para que cuando uno desaparezca de la vista y se pierdan las comunicaciones, aparezca otro. Generalmente se requieren tres satélites para mantener una comunicación casi ininterrumpida. Sin embargo, la entrega de un satélite a otro introduce complejidad adicional en el sistema, además de tener un requisito de al menos tres satélites.

 

Definiciones de órbita circular de satélite

Las órbitas circulares se clasifican de varias maneras. Términos como órbita terrestre baja, órbita geoestacionaria y los elementos distintivos de detalle similares de la órbita. En la siguiente tabla se da un resumen de las definiciones de órbita circular:

DEFINICIONES DE ÓRBITAS POR SATÉLITE
NOMBRE DE LA ÓRBITA INICIALES DE ÓRBITOS ALTITUD DE ÓRBITOS (KM SOBRE LA SUPERFICIE DE LA TIERRA) DETALLES / COMENTARIOS
Órbita terrestre baja LEO 200 – 1200
Órbita de Tierra Media MEO 1200 – 35790
Órbita geosincrónica OSG 35790 Órbitas una vez al día, pero no necesariamente en la misma dirección que la rotación de la Tierra – no necesariamente estacionarias
Órbita geoestacionaria GEO 35790 Órbitas una vez al día y se mueve en la misma dirección que la Tierra y, por lo tanto, aparece estacionaria por encima del mismo punto en la superficie de la Tierra. Solo puede estar por encima del Ecuador.
Órbita de alta tierra HEO Por encima de 35790

 

En algunas aplicaciones pueden ser necesarias órbitas terrestres altas. Para estas aplicaciones, el satélite tardará más de 24 horas en orbitar la Tierra, y las longitudes de la trayectoria pueden llegar a ser muy largas, lo que resulta en retrasos adicionales para el viaje de ida y vuelta desde la Tierra al satélite y viceversa, así como en un aumento de los niveles de pérdida de trayectoria.

La elección de la órbita del satélite dependerá de sus aplicaciones. Mientras que las órbitas geoestacionarias son populares para aplicaciones como la radiodifusión directa o la televisión por satélite y para los satélites de comunicaciones, otras como el GPS e incluso los satélites utilizados para teléfonos móviles son mucho más bajos. Incluso los nuevos cubosats utilizan órbitas relativamente bajas como resultado de su tamaño, potencia del transmisor y las pérdidas de trayectoria incurridas.

De esta manera, la función del satélite combinada con los requisitos y las pérdidas de trayectoria permitidas gobiernan la órbita en la que debe colocarse.

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