مدار جغرافي ثابت: الفرق بين النسختين

أُضيف 6 بايت ، ‏ قبل 7 سنوات
لا يوجد ملخص تحرير
ط (نقلت Fatimah M صفحة المدار الجغرافى الثابت إلى المدار الجغرافي الثابت: تصحيح الخطأ الإملائي)
لا ملخص تعديل
[[ملف:Geostationaryjava3D.gif|thumb|المدار الجغرافىالجغرافي الثابت (مسقط رأسىرأسي) بالنسبة لمشاهد على الأرض المتحركة كل قمر صناعىصناعي يبدو ثابت في السماء في المكان الخاص به]]
[[ملف:Geostationaryjava3Dsideview.gif|thumb|المدار الجغرافىالجغرافي الثابت (مسقط جانبىجانبي)]]
'''المدار الجغرافىالجغرافي الثابت''' (بالإنجليزية Geostationary Earth Orbit) هو [[مدار دائري]] على ارتفاع 35,786 كيلومتر (22,236 ميل) فوق [[خط الاستواء|خط الأستواء]] وفى نفس اتجاه دوران الأرض. أىأي جسم في هذا المدار يكون له فترة مدارية تساوىتساوي الوقت اللازم ليتم كوكب الأرض دورة كاملة حول نفسه (يوم فلكىفلكي) وبالتالى يبدو كأنه في موقع ثابت لا يتحرك بالنسبة لمشاهد على الأرض. أقمار الاتصالات وأقمار الأرصاد الجوية غالباً يتم وضعها في المدار الجغرافىالجغرافي الثابت, وذلك حتى لا تضطر الهوائيات الأرضية التي تتصل بها أن تتحرك معها لمتابعتها, بل يتم توجيهها لنقطة ثابتة في السماء التي يوجد بها القمر المطلوب. المدار الجغرافىالجغرافي الثابت هو أحد أنواع '''[[مدار متزامن|المدارات المتزامنة]]'''.
فكرة الأقمار الصناعية في [[مدار متزامن|المدارات المتزامنة]] بغرض الاتصالات تم نشرها لأول مرة عام 1928 (ولكنها لم تنتشر بشكل كبير حينها) بواسطة هرمان بوتوكنيك.<ref name='NASA SP-4026'>{{cite book | last = Noordung | first = Hermann | authorlink = | coauthors = et al. | title = The Problem With Space Travel | publisher = DIANE Publishing | year = 1995 | location = | pages = 72 | url = | doi = | id = | isbn = 978-0788118494 | origyear=1929 | others=Translation from original German}}</ref> فكرة المدار الجغرافىالجغرافي الثابت انتشرت على نطاق واسع عام 1945 في مقال بعنوان "المبدلات خارج كوكب الأرض - هل تستطيع المحطات الصاروخية توفير تغطية راديو عالمية؟" من تأليف كاتب الخيال العلمىالعلمي البريطانىالبريطاني آرثر سى كلارك, ونشرت في مجلة "عالم اللاسلكىاللاسلكي Wireless World". المدار الذي وصفه كلارك على أنه يمكن استخدامه لأقمار التغطية الإذاعية والاتصالات<ref>{{cite web | publisher = Arthur C. Clark | url = http://www.clarkefoundation.org/docs/ClarkeWirelessWorldArticle.pdf | title = Extra-Terrestrial Relays — Can Rocket Stations Give Worldwide Radio Coverage? | date = October 1945 | accessdate = 2009-03-04}}</ref> يسمى أحياناً '''مدار كلارك'''.<ref>{{cite web | publisher = NASA | url = http://www2.jpl.nasa.gov/basics/bsf5-1.php | title = Basics of Space Flight Section 1 Part 5, Geostationary Orbits | accessdate = 2009-06-21}}</ref>. كذلك يوجد '''حزام كلارك''' والذي هو جزء من الفضاء على ارتفاع 35,786 كيلومتر (حوالىحوالي 22,000 ميل) فوق سطح البحر في مستوى خط الأستواء,الأستواء، حيث توجد المدارات شبيهة المدارات الجغرافية الثابتة, وهو بطول حوالىحوالي 265,000 كيلومتر (165,000 ميل).
 
== التطبيقات العملية ==
معظم أقمار الاتصالات والبث توجد في المدار الجغرافىالجغرافي الثابت. مدار النقل للمدار الجغرافىالجغرافي الثابت (بالإنجليزية Geostationary Transfer Orbit) هو مدار يستخدم لنقل القمر الصناعي من مدار أرضى منخفض إلى مدار جغرافىجغرافي ثابت. بعض أقمار البث التلفيزيونىالتلفيزيون الروسية استخدمت مدارات مولنيا وتوندرا ذات الشكل البيضاوىالبيضاوي بسبب وجود المتلقىالمتلقي في دوائر عرض عالية. أول قمر صناعي وضع في المدار الجغرافىالجغرافي الثابت كان القمر سينكوم-3 (Syncom-3), وتم إطلاقه على صاروخ من نوع دلتا-دى (Delta-D) في عام 1964.
شبكات عالمية من أقمار الأرصاد الجوية العاملة تستخدم لالتقاط صور مرئية وصور بالأشعة تحت الحمراء لسطح الأرض والغلاف الجوىالجوي. وهذه الأنظمة تتضمن:
* نظام جويس (GOES) التابع للولايات المتحدة.
* نظام ميتيوسات (Meteosat) أطلق بواسطة وكالة الفضاء الأوروبية ويتم تشغليه بواسطة المنظمة الأوروبية للأرصاد الجوية (EUMETSAT).
* نظام ميتسات (MTSAT) اليابانىالياباني.
* نظام إنسات (INSAT) الهندىالهندي.
يوجد فرضيات نظرية لأقمار صناعية تعمل بما يسمى الشراع الشمسىالشمسي لتعديل المدار (يطلق عليها بالإنجليزية Statite),هذه الأقمار يمكنها نظرياً الحفاظ على موقعها في مدار ثابت جغرافياً حتى مع تغير الارتفاع وميل المدار عن المدار الجغرافىالجغرافي الثابت المعتاد عليه فوق خط الاستواء.
 
=== الاستقرار في المدار ===
المدار الجغرافىالجغرافي الثابت يمكن تحقيقه فقط عند ارتفاع قريب جداً من 35,786 كيلومتر (22,236 ميل), وفوق خط الأستواء تماماً. وهذا يساوى سرعة مدارية تساوىتساوي 3.07 كيلومتر/ثانية (1.91 ميل/ثانية) وفترة مدارية تساوىتساوي 1,436 دقيقة,دقيقة، والتي تساوىتساوي بالضبط يوم فلكىفلكي واحد تقريباً أو 23.934461223 ساعة. وهذا يضمن تزامن القمر الصناعي مع دوران الأرض حول نفسها وثباته فوق نقطة واحدة من الأرض دائماً. جميع أقمار الثبات الجغرافىالجغرافي يجب أن تتواجد في هذه الحلقة.
ويسبب اتحاد العوامل الآتية: الجاذبية القمرية, الجاذبية والجاذبية الشمسية, وتفلطح الأرض عند قطبيها؛ يسبب هذا المزيج ترنح في المستوى المدارى لأىلأي جسم في مدار الثبات الجغرافى,الجغرافي بدورة تساوىتساوي 53 سنة تقريباً ومعدل انحدار مبدأىمبدأي يساوىيساوي 0.85 درجة كل عام, ويتم أقصى انحدار يساوىيساوي 15 درجة كل 26.5 سنة. ولتصحيح هذا الاضطراب في المدار يلزم استخدام مناورات تثبيت الموقع في المدار, وتقدر بتغير في السرعة (Delta-V) يساوىيساوي 50 متر/ثانية كل عام.
تأثير آخر يجب أخذه في الاعتبار ألا وهو الانجراف على خطوط الطول, وسببه اللا تماثل في الكرة الأرضية - خط الأستواء بيضاوى الشكل قليلاً.
يوجد نقطتىنقطتي توازن مستقرتين عند خطىخطي طول 75.3° شرق و104.7° غرب, ونقطتىونقطتي توازن غير مستقرتين عند خطىخطي طول 165.3° شرق و14.7° غرب. أى جسم في مدار الثبات الجغرافىالجغرافي بين نقطتىنقطتي توازن سيتأثر بعجلة تسارع صغيرة (بدون أى مؤثر خارجىخارجي غير قوى الجاذبية) نحو نقطة التوازن المستقر, مما يتسبب بتغير مستمر في خط الطول, وتصحيح هذا التأثير يلزم مناورات للتحكم في المدار بتغيير في السرعة المدارية بحد أقصى 2 متر/ثانية كل عام, اعتماداً على خط الطول المطلوب.
وتؤثر أيضاً كلاً من الرياح الشمسية والضغط الإشعاعىالإشعاعي بقوى صغيرة على الأقمار الصناعية مما يؤدىيؤدي لتغييرات بسيطة في مداراتها.
وفى غياب أى مهمات صيانة من الأرض, استهلاك واستهلاك وقود الدفع (المستخدم في صواريخ التحكم) لتثبيت مكان القمر يحدد العمر الأفتراضى للقمر الصناعي, لأنه في حالة الاستهلاك الكامل للوقود سينحرف القمر الصناعي عن مكانه ولا يوجد وسيلة لتصحيح الخطأ فيصبح - في أغلب الأحوال - بلا فائدة حتى ولو كانت المعدات في حالة جيدة.
 
=== الإتصالات ===
الأقمار الصناعية في مدار الثبات الجغرافى بعيدة جداً لدرجة تسبب تأخر ملحوظ في الأتصالات - يقدر بحوالى ربع ثانية خلال رحلة من محطة إرسالل أرضية إلى القمر الصناعي ورجوعاً إلى المحطة الأرضية وحوالى نصف ثانية عند نقل الإشارة من محطة أرضية إلى أخرى أرضية ثم عودتها للأولى مجدداً.
على سبيل المثال؛ بالنسبة للمحطات الأرضية بين دائرتى عرض (رمزها) +45° و-45° وعلى نفس خط طول القمر الصناعي, الوقت اللازم لتسافر الإشارة من محطة أرضية إلى القمر الصناعي ثم رجوعاً إلى المحطة الأرضية يمكن حسابه باستخدام قاعدة جيب التمام, على افتراض معرفة الآتىالآتي: نصف قطر مدار الثبات الجغرافى ورمزه هنا r (مستنتجة لاحقاً) ونصف قطر الأرض ورمزه هنا R, وسرعة الضوء ورمزها هنا c (التي هي سرعة الموجات الكهرومغناطيسية والتي تندرج تحتها إشارة الاتصالات).
 
:<math>2 \frac {\sqrt{R^2+r^2-2 R r \cos\varphi}} c \approx253\,\mathrm{ms}</math>
هذا التأخير يسبب مشاكل في التطبيقات الحساسة للتأخير مثل الأتصالات الصوتية وألعاب الكمبيوتر المباشرة على الإنترنت.
<ref>[http://www.isoc.org/inet96/proceedings/g1/g1_3.htm The Teledesic Network: Using Low-Earth-Orbit Satellites to Provide Broadband, Wireless, Real-Time Internet Access Worldwide<!-- Bot generated title -->]</ref>
الأقمار الصناعية في مدارات الثبات الجغرافىالجغرافي تكون فوق خط الأستواء مباشرةً وتدنو لأسفل في السماء كلما اتجهنا شمالاً أو جنوباً من خط الأستواء. وفى دوائر العرض البعيدة (قرب قطبىقطبي الأرض), تبدو الأقمار الصناعية منخفضة جداً وبالتالىوبالتالي تصبح الأتصالاتالإتصالات صعبة وربما مستحيلة بسبب عواملبعض العوامل مثل: الانحراف الأشعة عبر الغلاف الجوى,الجوي، الأنبعاثاتالإنبعاثات الحرارية للأرض,للأرض، الموانع المادية عبر خط النظر (الجبال, المبانىوالمباني المرتفعة), وانعكاس الإشارات عن سطح الأرض أو المبانى.المباني، وفى دوائر العرض الأكبر من 81° تختفىتختفي الأقمار الصناعية في مدارات الثبات الجغرافىالجغرافي تحت خط الأفق وبالتالىوبالتالي لا ترىتُرى نهائياً.<ref>http://www.ngs.noaa.gov/CORS/Articles/SolerEisemannJSE.pdf p. 123</ref>
 
=== تقسيم المدار ===
جميع الأقمار الصناعية في مدار الثبات الجغرافىالجغرافي يجب أن تتواجد في حلقة واحدة فوق خط الأستواء تماماً, وضرورة الفصل بين هذه الأقمار لتجنب تداخل الموجات العاملة تعنىتعني أنه يوجد عدد محدود من المواقع المتاحة في المدار, وبالتالى عدد محدود من الأقمار يمكن تشغيلها في مدار الثبات الجغرافىالجغرافي. هذه القيود أدت إلى نشأة صراعات بين الدول المختلفة الراغبة في أمتلاك أقمار صناعية في مدار الثبات الجغرافى في نفس خط الطول وبنفس الترددات (الدول التي توجد على دوائر عرض مختلفة ولكن نفس خط الطول). هذه النزاعات يتم حلها عبر آلية التقسيم الخاصة بالأتحاد الدولي للاتصالات. في إعلان بوجوتا الصادر عام 1976, أعلنت ثمانى دول واقعة على خط الأستواء سيادتها على مدارات الثبات الجغرافىالجغرافي الواقعة فوق أراضيها على اعتبارها ثروات طبيعية, ولكن الإعلان لم يلق اعتراف دولي.<ref>Oduntan, Gbenga. {{cite web | url = http://www.herts.ac.uk/fms/documents/schools/law/HLJ_V1I2_Oduntan.pdf | title = The Never Ending Dispute: Legal Theories on the Spatial Demarcation Boundary Plane between Airspace and Outer Space}} Hertfordshire Law Journal, 1(2), p. 75.</ref> ويوجد حالياً معاهدات دولية لتقسيم الأماكن في المدار, وتقسيم الترددات كذلك.
 
بالنسبة للأقمار الصناعية التي خرجت من الخدمة في نهاية فترة العمر المحددة لها (بمعنى انتهاء وقود الدفع الذي يصحح مسارها) إما أن يتواصل استخدامها في مداراتها الجديدة المائلة أو يتم دفعها بعيداً عن المدار الجغرافىالجغرافي الثابت إلى مدار أعلى منه يطلق عليه "المقبرة" أو "مدار المهملات".
 
== استنتاج ارتفاع المدار الجغرافى الثابت ==
في أى مدار دائرى,دائري القوة المضادة للقوة الطاردة المركزية المطلوبة للحفاظ على المدار (F<sub>c</sub>) تنتج عن قوة الجاذبية المؤثرة على القمر (F<sub>g</sub>). لحساب ارتفاع المدار الجغرافىالجغرافي الثابت, نبدأ بالمعادلة التالية:
: <math>\mathbf{F}_\text{c} = \mathbf{F}_\text{g}</math>
باستخدام [[قانون نيوتن الثاني|قانون نيوتن الثانى]] للحركة, يمكن استبدال القوى ''F'' [[كتلة|بكتلة]] الجسم ''m'' مضروبة في عجلة التسارع التي يشعر بها الجسم نتيجة لهذه القوة:
: <math>m \mathbf{a}_\text{c} = m \mathbf{g}</math>
نلاحظ أن كتلة القمر الصناعي ''m'' تظهر في كلا الطرفين - مدار الثبات الجغرافىالجغرافي لا يعتمد على كتلة القمر الصناعي.<ref>
In the [[Geocentric gravitational constant#Small body orbiting a central body|small body approximation]], the geostationary orbit is independent of the satellite's mass. For satellites having a mass less than ''M''&nbsp;''μ<sub>err</sub>''/''μ''≈10<sup>15</sup>&nbsp;kg, that is, over a billion times that of the [[ISS]], the error due to the approximation is smaller than the error on the universal [[geocentric gravitational constant]] (and thus negligible).
</ref> لذلك يمكن تبسيط معادلة حساب الارتفاع إلى حساب النقطة التي يتساوى فيها مقدار العجلة الناتجة عن القوة المضادة للطاردة المركزية اللازمة للحركة المدارية بعجلة الجاذبية المؤثرة من الأرض على القمر الصناعي.
مقدار [[عجلة الجاذبية]] عبارة عن:
: <math>|\mathbf{g}| = \frac{G M}{r^2}</math>
حيث ''M'' هي كتلة الكرة الأرضية والتي تساوىتساوي {{nowrap|5.9736 × 10<sup>24</sup> كيلوجرام}}, و''G'' هي [[ثابت الجذب العام]] والذي يساوىيساوي {{nowrap|6.67428 ± 0.00067 × 10<sup>−11</sup> م<sup>3</sup> كجم<sup>−1</sup> ث<sup>−2</sup>}}
وبمساواة العجلتين نستنتج أن:
: <math>r^3 = \frac{G M}{\omega^2} \to r = \sqrt[3]{\frac{G M}{\omega^2}}</math>
حاصل الضرب التالى ''GM'' معروف بدقة أكبر من أى من العاملين بمفرده, ويطلق عليه ثابت الجذب الأرض-مركزىمركزي
''μ'' = {{nowrap|398,600.4418 ± 0.0008 km<sup>3</sup> s<sup>−2</sup>}}:
 
: <math>r = \sqrt[3]{\frac\mu{\omega^2}}</math>
السرعة الزاوية ''ω'' يمكن استنتاجها بقسمة الزاوية المقطوعة خلال دورة واحدة (360° = 2π rad) على الفترة المدارية (الوقت المطلوب لقطع دورة واحدة كاملة). في حالة المدار الجغرافىالجغرافي الثابت؛ الفترة المدارية هي يوم فلكىفلكي واحد, أو 86,164.09054 ثانية.<ref>
Edited by P. Kenneth Seidelmann, "Explanatory Supplement to the Astronomical Almanac", University Science Books,1992, pp. 700</ref>. وينتج عن هذا التالى:
: <math>\omega \approx \frac{2 \mathrm\pi~\mathrm{rad}} {86\,164~\mathrm{s}} \approx 7.2921 \times 10^{-5}~\mathrm{rad} / \mathrm{s}</math>
نصف قطر المدار الناتج يساوى 42,164 كيلومتر (26,199 ميل). وبطرح نصف قطر الأرض عند خط الأستواء والذي يساوىيساوي 6378 كيلومتر (3,963 ميل), يتبقى لنا ارتفاع 35,786 كيلومتر (22,236 ميل).
أما [[السرعة المدارية]] (السرعة التي يتحرك بها القمر الصناعي خلال الفضاء) فيتم حسابها بضرب [[السرعة الزاوية]] في نصف قطر المدار:
: <math>v = \omega r \approx 3.0746~\mathrm{km}/\mathrm{s} \approx 11\,068~\mathrm{km}/\mathrm{h} \approx 6877.8~\mathrm{mph}\text{.}</math>
أى أن السرعة المدارية تساوىتساوي 3.0746 كم/ث أو 11,068 كم/س أو 6877.8 ميل/س.
 
== مصادر ==