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지구 동기 궤도

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지구 동기 궤도를 따라 공전하는 위성을 묘사한 애니메이션. (축척은 맞지 않음)

지구 동기 궤도(Geosynchronous Orbit)는 그 주기가 지구의 자전축에 대한 회전 주기, 즉 1 항성일과 같은 궤도이다. 궤도 주기와 지구의 회전 주기가 일치한다는 것은 지표면의 관측자가 지구 동기 궤도를 따라 공전하는 물체를 관측하고 정확히 1 항성일 뒤에 그 지점에서 물체를 다시 관측할 수 있다는 뜻이다. 여러 날에 거쳐 관측하면 같은 시각에 관측한 물체의 위치는 8자 모양을 그리는데, 이 모양을 아날렘마라 한다. 아날렘마의 정확한 모양은 궤도의 경사와 이심률에 의존한다. 원형의 지구 동기 궤도는 지표면으로부터 35,786km 떨어져 있고, 모든 지구 동기 궤도는 그 장축을 공유한다.

지구 동기 궤도의 특수한 예로는 정지 궤도가 있다. 정지 궤도는 그 궤도면이 지구의 적도면과 일치하는 지구 동기 궤도이다. 정지 궤도를 따라 공전하는 물체는 지표면의 관측자가 항상 같은 위치에서 관측할 수 있다.

통신 위성은 일반적으로 정지 궤도 또는 정지 궤도에 가까운 궤도를 따라 공전한다. 그러면 그 위성을 향한 안테나가 항상 고정되어 있어도 그 위성을 이용하여 통신할 수 있기 때문이다.

종류

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정지 궤도

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정지 궤도를 따라 공전하는 위성 (녹색)은 항상 지표면 위의 동일한 지점 (갈색)위에 있다.

정지 궤도는 지구 중심으로부터 42,164km 떨어져 있으며 궤도면이 지구의 적도면과 일치하는 지구 동기 궤도이다.[1]:156 정지 궤도를 따라 공전하는 위성은 지표면으로부터 35,786km 떨어져 있게 된다. 이 궤도를 따라 공전하는 위성은 지표면에 대하여 항상 같은 위치를 유지한다. 정지 궤도를 따라 공전하는 물체를 관측하면 그 물체는 항상 같은 위치에 정지해 있는 것처럼 보인다. 즉, 다른 천체들과 같은 일주 운동이 관측되지 않는다. 이러한 궤도는 통신 위성에 유용하다.[2]

완전히 안정적인 정지 궤도는 이론적으로만 가능하다. 실제로는 정지 궤도를 따라 공전하는 위성이라 하더라도 태양풍, 지구 중력장의 편차, 태양과 달의 중력 등의 영향으로 정지 궤도를 벗어날 수 있다.[1]:156

추진기의 사용 없이는 정지 궤도는 궤도 경사를 가지게 된다. 이 경사는 0도에서 15도 사이를 55년 주기로 진동하게 된다. 위성의 수명이 다하여 연료가 고갈되어 가면 위성 운영자는 궤도 경사의 수정을 포기하고 궤도의 이심률만을 조정할 수 있다. 이렇게 하면 위성의 연료를 절약하여 위성의 수명을 연장할 수 있지만, 지표면에서 관측했을 때 위성이 주기적으로 남북 방향으로 움직일 것이므로 남북 방향으로 움직일 수 있는 안테나를 갖추어야만 위성을 이용할 수 있다.[1]:156

타원형 또는 경사가 있는 지구 동기 궤도

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A quasi-zenith satellite orbit

많은 지구 동기 궤도는 궤도 이심률과 궤도 경사를 가진다. 이심률은 궤도가 타원형이 되게 하고 지상에서 관측하였을 때 궤도가 동서로 진동하는 것처럼 보이게 하며, 궤도 경사는 지상에서 관측하였을 때 궤도가 남북으로 진동하는 것처럼 보이게 한다.[1]:122 타원 궤도 또는 경사가 있는 궤도를 따라 공전하는 위성은 위성을 조종할 수 있는 지상의 시설에서 추적받아야 한다.[1]:122

툰드라 궤도

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툰드라 궤도는 러시아에서 운용하는 타원형의 지구 동기 궤도로서, 이 궤도를 따라 공전하는 위성은 오랜 시간을 고위도 지역에서 보내게 된다. 이 궤도의 경사는 63.4도로, 지상에서의 궤도 조정 필요성이 최소화된다.[3] 이 궤도가 담당하는 지역에 지속적인 통신 서비스를 제공하기 위하여 최소한 두 대 이상의 위성이 필요하다.[4] Sirius XM Satellite Radio가 이 궤도를 이용하여 미국 북부와 캐나다에 통신 서비스를 제공한다.[5]


Quasi-zenith orbit

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Quasi-Zenith Satellite System (QZSS)는 이심률이 0.075이고 궤도 경사가 42도인 궤도를 따라 공전하는 세 대의 위성으로 구성된 시스템이다.[6] 각 위성은 일본 상공에서 도시 거주자들에게 통신 서비스를 제공하고 오스트레일리아 상공을 빠르게 통과한다.[7]



발사

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정지 천이 궤도에서 지구 동기 궤도로의 이동.
  EchoStar XVII ·   지구.

지구 동기 궤도를 따라 공전하는 위성은 적도의 회전 속도와 일치하도록 동쪽으로 순행 운동 하게끔 발사된다. 위성이 발사되어 궤도의 수정 없이 가질 수 있는 최소의 궤도 경사는 발사 장소의 위도이므로 적도와 가까운 곳에서 위성을 발사하는 것은 향후 필요할 궤도 경사 수정의 양을 제한하는 효과가 있다.[8] 추가적으로, 위성을 발사하면 발사 장소의 자전 속력만큼의 속력이 위성에 추가적으로 붙으므로 적도와 가까운 곳에서 위성을 발사하면 위성이 더 큰 추가 속력을 가지고 궤도에 진입하게 된다. 발사 장소는 동쪽에 수면 또는 사막이 있어 실패한 발사체가 주거 지역에 떨어지지 않게 해야 한다.[9]

대부분의 발사체는 지구 동기 궤도를 따라 공전할 위성을 정지 천이 궤도에 직접적으로 올려놓는다. 정지 천이 궤도는 그 원지점은 지구 동기 궤도의 높이에 있고 근지점은 낮은 궤도이다. 이후 위성의 추진력을 이용하여 근지점을 상승시켜 궤도를 원에 가깝게 하여 지구 동기 궤도에 이른다.[8][10]

어떤 정지 궤도를 따라 공전하는 물체도 그 궤도의 장축의 길이를 바꾸어 공전 주기를 1 항성일보다 짧거나 길게 하여 동쪽 또는 서쪽으로의 이동과 같은 효과를 얻고 원하는 경도에 다다르면 다시 그 공전 주기를 1 항성일로 맞출 수 있다.

Proposed orbits

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Statite

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Statite는 태양 돛을 이용하여 태양풍을 그 추진력으로 사용하는 가상의 위성이다.[11] 이 위성은 지구의 태양 반대편 구역 중 위도 30도 정도의 지역에 있다. 이 위성은 매일 같은 시각에 지표면의 관측자가 관측할 때에 같은 지점에 있게 되므로 지구 동기 궤도를 따라 공전하는 위성과 비슷하게 작용한다.[11][12]

우주 엘리베이터

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우주 엘리베이터는 지구 동기 궤도의 발전된 형태이다. 한쪽 끝이 지구에 고정되면 정지 궤도의 고도 아래에 있는 엘리베이터의 부분은 중력만 작용할 때보다 짧은 공전 주기를 가지게 된다.[13]

수명을 다한 위성

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우주에서 본 지구. 하얀 점에 둘러싸여 있다.
컴퓨터로 생성된 우주 쓰레기들의 모습. 지구 동기 궤도와 지구 저궤도에 각각 우주 쓰레기가 쌓여 있다.

지구 동기 궤도를 따라 공전하는 위성은 그 위치를 유지하기 위하여 어느 정도의 궤도 수정이 필요하다. 연료가 떨어지고 더 이상 쓸모없게 된 위성은 지구 동기 궤도보다 더 높은 graveyard orbit로 보내진다. 지구 동기 궤도를 따라 공전하던 위성을 아예 지구의 중력장 밖으로 보내버리는 것은 경제적이지 못하다.[14] 위성의 사용 종료 절차에 대한 규제는 점점 강화되고 있으며 위성은 수명을 다할 때에 지구 동기 궤도보다 200km 이상 더 높아질 수 있어야 한다.[15]


우주 쓰레기

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지구 동기 궤도를 따라 공전하는 대부분의 물체는 같은 궤도면을 공유하므로 지구 저궤도에 있는 우주 쓰레기보다 충돌 속력이 느리다. 하지만 타원 궤도를 따라 공전하는 위성들은 충돌 속력이 초속 4km 정도까지 되게 할 수 있다. 충돌이 일어날 가능성이 작긴 하지만 지구 동기 궤도에 있는 위성이 모든 파편을 피할 수는 없다.[16] 지름이 10cm 이하인 파편은 지구에서 관측할 수 없어서 그 위험을 평가하기가 어렵다.[17]

위험을 줄이기 위한 노력에도 불구하고 1993년 8월 11일에 유럽우주국 통신 위성 Olympus-1이 소행성과 충돌하여 graveyard orbit로 옮겨졌다.[18] 또한, 2006년에는 러시아의 통신 위성 Express-AM11이 미상의 물체와 충돌하여 graveyard orbit로 옮겨졌다.[19] 2017년에는 AMC-9와 Telekom-1이 미상의 원인에 의하여 분해되었다.[20][17][21]

특성

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지구 동기 궤도는 다음과 같은 특징을 지닌다.

  • 주기: 1436분 (1 항성일)
  • 장반경: 42,164 km

주기

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모든 지구 동기 궤도는 정확히 1 항성일의 주기를 가진다.[22] 이는 지구 동기 궤도를 따라 공전하는 위성은 다른 궤도 요소와 상관없이 지표면의 똑같은 지점 위로 매 항성일마다 돌아온다는 것이다.[23][1]:121 이 궤도의 주기 T는 다음의 공식에 의하여 궤도의 장반경에 의존한다.

이때

a는 궤도의 장반경
는 천체의 표준 중력 변수이다.[1]:137

궤도 경사

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지구 동기 궤도는 어떤 경사이든 가질 수 있다. 지구 동기 궤도를 따라 공전하는 위성은 일반적으로 0도의 궤도 경사를 가진다. 이는 그 궤도가 항상 적도 상공에 있어 지표면의 관찰자 입장에서 위성의 경도가 항상 같음을 의미한다.[1]:122

다른 흔히 알려진 지구 동기 궤도의 궤도 경사는 툰드라 궤도의 63.4도이다. 이 경사를 가지는 지구 동기 궤도의 근점 편각은 변하지 않는다.[3]

Ground track

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특수한 정지 궤도에 있어서는 그 궤도를 따라 공전하는 위성의 Ground track이 적도상의 한 점이다. 궤도 경사 또는 이심률이 0이 아닌 일반적인 정지 궤도를 따라 공전하는 위성의 Ground track은 8자 모양이며, 매 항성일마다 제자리로 돌아온다.[1]:122

같이 보기

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각주

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  1. ↑ 가 나 다 라 마 바 사 아 자 Wertz, James Richard; Larson, Wiley J. (1999). Larson, Wiley J.; Wertz, James R., 편집. 《Space Mission Analysis and Design》. Microcosm Press and Kluwer Academic Publishers. Bibcode:1999smad.book.....W. ISBN 978-1-881883-10-4. 
  2. ↑ “Orbits”. ESA. 2018년 10월 4일. 2019년 10월 1일에 확인함. 
  3. ↑ 가 나 Maral, Gerard; Bousquet, Michel (2011년 8월 24일). 〈2.2.1.2 Tundra Orbits〉. 《Satellite Communications Systems: Systems, Techniques and Technology》. ISBN 978-1-119-96509-1. 
  4. ↑ Jenkin, A.B.; McVey, J.P.; Wilson, J.R.; Sorge, M.E. (2017). 《Tundra Disposal Orbit Study》. 7th European Conference on Space Debris. ESA Space Debris Office. 2017년 10월 2일에 원본 문서에서 보존된 문서. 2017년 10월 2일에 확인함. 
  5. ↑ “Sirius Rising: Proton-M Ready to Launch Digital Radio Satellite Into Orbit”. 《AmericaSpace》. 2013년 10월 18일. 2017년 6월 28일에 원본 문서에서 보존된 문서. 2017년 7월 8일에 확인함. 
  6. ↑ Japan Aerospace Exploration Agency (2016년 7월 14일), 《Interface Specifications for QZSS》, version 1.7, 7–8쪽, 2013년 4월 6일에 원본 문서에서 보존된 문서 
  7. ↑ “Quasi-Zenith Satellite Orbit (QZO)”. 2018년 3월 9일에 원본 문서에서 보존된 문서. 2018년 3월 10일에 확인함. 
  8. ↑ 가 나 Farber, Nicholas; Aresini, Andrea; Wauthier, Pascal; Francken, Philippe (September 2007). 《A general approach to the geostationary transfer orbit mission recovery》. 20th International Symposium on Space Flight Dynamics. 2쪽. 
  9. ↑ “Launching Satellites”. 《EUMETSAT》. 2019년 12월 21일에 원본 문서에서 보존된 문서. 2021년 10월 25일에 확인함. 
  10. ↑ Davis, Jason (2014년 1월 17일). “How to get a satellite to geostationary orbit”. The Planetary Society. 2019년 10월 2일에 확인함. 
  11. ↑ 가 나 US patent 5183225, Forward, Robert, "Statite: Spacecraft That Utilizes Sight Pressure and Method of Use", published February 2, 1993 
  12. ↑ “Science: Polar 'satellite' could revolutionise communications”. 《New Scientist》. 1759호. 1991년 3월 9일. 2019년 10월 2일에 확인함. 
  13. ↑ Edwards, Bradley C. (2003년 3월 1일). “The Space Elevator NIAC Phase II Final Report” (PDF). NASA Institute for Advanced Concepts. 26쪽. 
  14. ↑ “Frequently Asked Questions: Orbital Debris”. NASA. 2011년 9월 2일. 2020년 3월 23일에 원본 문서에서 보존된 문서. 2021년 10월 25일에 확인함. 
  15. ↑ EUMETSAT (2017년 4월 3일). “Where old satellites go to die”. 《phys.org》. 
  16. ↑ Stephens, Marric (2017년 12월 12일). “Space debris threat to geosynchronous satellites has been drastically underestimated”. 《Physics World》. 
  17. ↑ 가 나 Henry, Caleb (2017년 8월 30일). “ExoAnalytic video shows Telkom-1 satellite erupting debris”. 《SpaceNews.com》. 
  18. ↑ "The Olympus failure" ESA press release, August 26, 1993. 보관됨 9월 11, 2007 - 웨이백 머신
  19. ↑ “Notification for Express-AM11 satellite users in connection with the spacecraft failure”. Russian Satellite Communications Company. 2006년 4월 19일. 2013년 1월 4일에 원본 문서에서 보존된 문서. 2021년 10월 25일에 확인함 – Spaceref 경유. 
  20. ↑ Dunstan, James E. (2018년 1월 30일). “Do we care about orbital debris at all?”. 《SpaceNews.com》. 
  21. ↑ “AMC 9 Satellite Anomaly associated with Energetic Event & sudden Orbit Change – Spaceflight101”. 《spaceflight101.com》. 2017년 6월 20일. 2019년 12월 26일에 원본 문서에서 보존된 문서. 2021년 10월 25일에 확인함. 
  22. ↑ Chobotov, Vladimir, 편집. (1996). 《Orbital Mechanics》 2판. Washington, DC: AIAA Education Series. 304쪽. ISBN 9781563471797. OCLC 807084516. 
  23. ↑ Vallado, David A. (2007). 《Fundamentals of Astrodynamics and Applications》. Hawthorne, CA: Microcosm Press. 31쪽. OCLC 263448232. 
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