Các dạng quỹ đạo của vệ tinh

Cỏc dng qu o ca v tinh
1. Cỏc nguyờn lý v qu o
V tinh bay xung quanh qu t vi cỏc dng qu o khỏc nhau, cỏc
cao khỏc nhau, nhng u phi tuõn theo cỏc nh lut sau:
nh lut th nht ca Kepler: v tinh chuyn ng vũng quanh qu t
theo mt qu o hỡnh ờlớp (hoc qu do trũn khi bỏn trc ln a bng bỏn trc
bộ b) vi tõm ca qu t trựng vi mt trong hai tiờu im ca hỡnh ờlớp ú,
nh ch ra trờn hỡnh 1.7.
nh lut th hai ca Kepler: Mt vt chuyn ng theo qu o ờlớp cú
vn tc gim khi bỏn kớnh qu o tng lờn v cú vn tc tng lờn khi bỏn kớnh
qu o gim.
Mt vt chuyn ng theo qu o trũn s cú vn tc khụng thay i
trong ton qu o (nh ch ra trờn hỡnh 1.8).

r
a
r
2a
cực
điểm
2b
r
p
cận
điểm
a, b: bán trục lớn và bán trục
nhỏ
r: bán kính quỹ đạo
Cực điểm là điểm có bán kính
quỹ đạo lớn nhất bằng r
n

Cận điểm là điểm có bán kính
quỹ đạo nhỏ nhất bằng r
p
Hình 1.7: Quỹ đạo êlíp

nh lut th 3 ca Kepler: Bỡnh phng chu k qu o thỡ t l vi lp
phng ca bỏn kớnh qu ao, c biu th bi cụng thc:
à
/2
3
rT
=
(s) (1.1)

H×nh 1.8: VËn tèc cña vÖ tinh trªn quü ®¹o
vËn tèc
nhá nhÊt
vËn tèc
kh«ng ®æi
vËn tèc
nhanh nhÊt
vËn tèc
kh«ng ®æi
E
Trong đó : r là nbán kính quỹ đạo vệ tinh (km)
µ là hằng số bằng G.M = 398.600,5 km
3
/s
2
G là hằng số hấp dẫn bằng 6,673.10

-20
km
3
/kg.s
2
M là khối lượng quả đất (kg)
Định luật vạn vật hấp dẫn của Newton: Lực hấp dẫn và lực ly tâm của
một vật thể cân bằng nhau thì vật thể đó sẽ chuyển động tròn xung quanh quả
đất với vận tốc không đổi, như chỉ ra trên hình 1.9


r
v
F
c
=
mv
2
/r
F
g
= GMm/r
2
H×nh 1.9: VÖ tinh chuyÓn ®éng víi quü ®¹o trßn
Từ điều kiện GMm/r
2
= mv
2
/r ta rút ra:
v = (µ/r)

1/2
(km/s) (1.2)
Trong đó m là khối lượng của vật thể, v là vận tốc ly tâm
Dựa vào các định luật đã nêu trên, vệ tinh được phóng lên với các quỹ
đạo khác nhau.
2. Các dạng quỹ đạo của vệ tinh
Có hai dạng quỹ đạo là quỹ đạo êlíp và quỹ đạo tròn
Quỹ đạo êlíp chỉ có một dạng quỹ đạo êlíp cao (HEO) mà điển hình là vệ
tinh Molniya của Liên xô (nên còn gọi là quỹ đạo Molniya), độ nghiêng của
mặt phẳng quỹ đạo so với măt phẳng xích đạo là 65
o
, cận điểm là 1000 km và
viễn điểm là 39.400 km, chukỳ quỹ đạo là 11gi58ph.
Dạng quỹ đạo tròn có thể có ba loại: quỹ đạo thấp (LEO), quỹ đạo trung
bình (MEO), quỹ đạo cao (HEO) hay quỹ đạo đồng bộ khi vệ tinh bay ở độ cao
35.786 km, lúc đó chu kỳ bay của vệ tinh bằng chu kỳ tự quay của quả đất bằng
23gi56ph04s. Trong quỹ đạo tròn lại có thể chia ra:
Quỹ đạo cực tròn, mặt phẳng quỹ đạo vuông góc với mặt phẳng xích
đạo, nghĩa là mỗi vòng bay của vệ tinh sẽ đi qua hai cực quả đất
Quỹ đạo tròn nghiêng khi mặt phẳng quỹ đạo nghiêng một góc nào đó so
với mặt phẳng xích đạo
Quỹ đạo xích đạo tròn, khi mặt phẳng quỹ đạo trùng với mặt phẳng xích
đạo. Trong quỹ đạo xích đạo tròn nếu chiều bay vệ tinh cùng chiều với chiều
quay quả đất và có chu kỳ bằng chu kỳ quay của quả đất gọi là quỹ đạo địa tĩnh
(GEO)


H×nh 1.10: Ba d¹ng quü ®¹o c¬ b¶n cña vÖ tinh

Quü ®¹o

cùc trßn
Quü ®¹o ªlÝp
nghiªng
Quü ®¹o xÝch
®¹o trßn
Có thể tóm tắt các dạng quỹ đạo của vệ tinh bằng sơ đồ dưới đây.
Quỹ đạo
Êlíp
Quỹ đạo tròn
Các hệ thống
quỹ đạo êlíp
cao (HEO)
Vùng phủ
sóng từ vĩ độ
trung bình
đến vĩ độ cao
với một ít vệ
tinh
Quỹ đạo
cực v nghiêngà
Quỹ đạo thấp
(LEO)
Quỹ đạo trung bình
(MEO)
Vùng phủ sóng rộng
to n cà ầu nhưng yêu
cầu phải có nhiều vệ
tinh
Quỹ đạo
Xích đạo

Quỹ đạo đồng
bộ v quà ỹ đạo
địa tĩnh (GEO)
Phủ sóng to n à
cầu với ba vệ
tinh
Từ các dạng quỹ đạo nêu trên thì vệ tinh địa tĩnh là vệ tinh sử dụng cho
thông tin là lý tưởng nhất vì nó đứng yên khi quan sát từ một vi trí cố định trên
mặt đất. Nghĩa là thông tin sẽ được bảo đảm liên tục, ổn định trong 24 giờ đối
với các trạm nằm trong vùng phủ sóng của vệ tinh mà không cần chuyển đôỉ
sang một vệ tinh khác. Bởi vậy hầu hết các hệ thống thông tin vệ tinh cố định
đều sử dụng vệ tinh địa tĩnh.
3. Các thông số chính của vệ tinh địa tĩnh
Để có một vệ tinh địa tĩnh phải có các điều kiện:
-Vệ tinh phải có chu kỳ bay bằng chu kỳ tự quay xung quanh trục của
quả đất, chu kỳ đó theo giờ thiên văn là 23 gi 56 ph 04,1 s hoặc 1436 phút.
-Mặt phẳng quỹ đạo vệ tinh trùng với mặt phẳng xích đạo, nghĩa là vệ
tinh phải bay ở quỹ đạo xích đạo tròn và bay cùng chiều quay của quả đất
Với quỹ đạo địa tĩnh vệ tinh có các đặc điểm sau:
- Để có chu kỳ bay 1436 phút, theo định luật thứ ba của Kepler, thì bán
kính quỹ đạo sẽ là:
r = (T
2
µ/4π
2
)
1/3
thay các giá trị T = 1436.60 (s); µ = 398.600,6 km
3
/s

2
, tính được
r = 42.164 km.
- Độ cao bay h = r - R
e
, trong đó R
e
là bán kính quả đất bằng 6378km, h
= 42.164 km - 6378 km = 35.786 km.
- “ Góc nhìn” từ vệ tinh xuống quả đất, là góc hợp bởi hai đường thẳng
nối từ tâm vệ tinh và tiếp tuyến với mặt đất tại một điểm, như chỉ ra trên hình
1.11. Xét tam giác vuông AOS.
Ta có: sinα = AO/OS = 6378/42.164, suy ra: α = 8
o
7 và 2α = 17
o
4,
tương ứng với góc ở tâm 2φ = 180
o
- 17
o
4 = 162
o
6, φ = 81
o
3
- Vệ tinh địa tĩnh chỉ “nhìn thấy” các vĩ độ 81
o
3 Bắc và Nam, với góc
ngẩng bằng 0

o
. Như vậy ở các vĩ độ cao hơn 81
o
3 Bắc và Nam là không “nhìn
thấy” vệ tinh địa tĩnh, có nghĩa là các vùng cực không thể thông tin qua vệ tinh
địa tĩnh.
- Vùng “nhìn thấy” của vệ tinh lên mặt đất có thể được xác định từ độ
dài cung AB bằng 2R
e
. φ
(rad)
= 2.6378.1.42 = 18090,98 km. Chu vi quả đất