مسار أرضي عبر الأقمار الصناعية

المسار الأرضي للقمر الصناعي هو المسار على سطح الكوكب أسفل مسار القمر الصناعي مباشرةً . يُعرف أيضًا بالمسار شبه المداري أو مسار ما تحت القمر الصناعي ، وهو الإسقاط الرأسي لمدار القمر الصناعي على سطح الأرض (أو أي جرم سماوي يدور حوله). ^{[ 1 ] [ 2 ]} يمكن اعتبار المسار الأرضي للقمر الصناعي مسارًا على طول سطح الأرض يتتبع حركة خط وهمي بين القمر الصناعي ومركز الأرض. بعبارة أخرى، المسار الأرضي هو مجموعة النقاط التي سيمر عندها القمر الصناعي فوق رأس الراصد مباشرةً، أو يعبر سمت الرأس ، في إطار مرجعي أرضي. ^{[ 3 ]}

يمكن أن يتخذ المسار الأرضي للقمر الصناعي عدة أشكال مختلفة، وذلك تبعاً لقيم العناصر المدارية ، وهي المعايير التي تحدد حجم وشكل واتجاه مدار القمر الصناعي. ^{[ ملاحظة 1 ]}

عادةً، تسير الأقمار الصناعية في مسار أرضي شبه جيبي . يُقال إن القمر الصناعي الذي يميل مداره بين صفر و90 درجة يدور في مدار مباشر أو متزامن مع دوران الكوكب، أي أنه يدور في نفس اتجاه دوران الكوكب. أما القمر الصناعي الذي يميل مداره بين 90° و180° (أو ما يعادله بين 0° و-90°) فيدور في مدار عكسي . ^{[ ملاحظة 2 ]}

يميل القمر الصناعي في مدار مباشر بفترة مدارية أقل من يوم واحد إلى التحرك من الغرب إلى الشرق على طول مساره الأرضي. تُسمى هذه الحركة "الحركة المباشرة الظاهرية". أما القمر الصناعي في مدار مباشر بفترة مدارية أكبر من يوم واحد، فيميل إلى التحرك من الشرق إلى الغرب على طول مساره الأرضي، فيما يُسمى "الحركة التراجعية الظاهرية". يحدث هذا التأثير لأن القمر الصناعي يدور بسرعة أبطأ من سرعة دوران الأرض تحته. أي قمر صناعي في مدار تراجعي حقيقي سيتحرك دائمًا من الشرق إلى الغرب على طول مساره الأرضي، بغض النظر عن طول فترة مداره. ^{[ 4 ]}

نظرًا لأن القمر الصناعي في مدار بيضاوي يتحرك بسرعة أكبر قرب نقطة الحضيض وأبطأ قرب نقطة الأوج، فمن الممكن أن يتحرك القمر الصناعي شرقًا خلال جزء من مداره وغربًا خلال جزء آخر. تسمح هذه الظاهرة بوجود مسارات أرضية تتقاطع في مدار واحد، كما هو الحال في المدارات المتزامنة مع الأرض ومدار مولنيا المذكورة أدناه.

القمر الصناعي الذي تدور دورته المدارية جزءًا صحيحًا من اليوم (مثل 24 ساعة، 12 ساعة، 8 ساعات، إلخ) سيتبع تقريبًا نفس المسار الأرضي يوميًا. وينزاح هذا المسار الأرضي شرقًا أو غربًا تبعًا لخط طول العقدة الصاعدة ، والذي قد يتغير بمرور الوقت نتيجةً لاضطرابات المدار. إذا كانت دورة القمر الصناعي أطول بقليل من جزء صحيح من اليوم، سينزاح المسار الأرضي غربًا بمرور الوقت؛ وإذا كانت أقصر بقليل، سينزاح المسار الأرضي شرقًا. ^{[ 3 ] [ 5 ]}

مع ازدياد الفترة المدارية للقمر الصناعي، واقترابها من الفترة الدورانية للأرض (أي مع تباطؤ متوسط ​​سرعته المدارية نحو سرعة دوران الأرض)، ينضغط مساره الأرضي الجيبي طولياً، ما يعني أن "العقد" (النقاط التي يعبر عندها خط الاستواء ) تتقارب حتى تصبح متطابقة تماماً عند المدار المتزامن مع الأرض. أما بالنسبة للفترات المدارية الأطول من الفترة الدورانية للأرض، فإن ازدياد الفترة المدارية يقابله تمدد طولي للمسار الأرضي (الذي يبدو ظاهرياً عكسياً).

يُقال إن القمر الصناعي الذي تتساوى فترة دورانه حول الأرض مع فترة دورانها حول محورها يدور في مدار متزامن مع الأرض . ويكون مساره على الأرض على شكل الرقم ثمانية فوق موقع ثابت، ويعبر خط الاستواء مرتين يوميًا. ويتجه شرقًا عندما يكون في الجزء الأقرب من مداره إلى نقطة الحضيض ، وغربًا عندما يكون أقرب إلى نقطة الأوج .

يُعد المدار الثابت بالنسبة للأرض حالة خاصة من المدار المتزامن مع الأرض ، حيث يكون انحرافه المركزي صفراً (أي أن مداره دائري)، وميله صفراً في نظام الإحداثيات الأرضية المركزية الثابتة (أي أن مستوى المدار غير مائل بالنسبة لخط استواء الأرض). في هذه الحالة، يتكون "المسار الأرضي" من نقطة واحدة على خط استواء الأرض، حيث يبقى القمر الصناعي فوقها طوال الوقت. تجدر الإشارة إلى أن القمر الصناعي لا يزال يدور حول الأرض، ويعود ثباته الظاهري إلى دوران الأرض حول مركز كتلتها بنفس سرعة دوران القمر الصناعي.

ميل المدار هو الزاوية المحصورة بين مستوى مدار القمر الصناعي ومستوى خط استواء الأرض. تتراوح خطوط العرض الجغرافية التي يغطيها مسار القمر الصناعي من -i إلى i ، حيث i هو ميل المدار. ^{[ 5 ]} بعبارة أخرى، كلما زاد ميل مدار القمر الصناعي، زادت المسافة التي يمر بها مساره على الأرض شمالًا وجنوبًا. يُقال إن القمر الصناعي الذي يبلغ ميل مداره 90 درجة بالضبط يدور في مدار قطبي ، أي أنه يمر فوق قطبي الأرض الشمالي والجنوبي .

تُفضّل مواقع الإطلاق عند خطوط العرض المنخفضة جزئيًا لما توفره من مرونة في ميل المدار؛ إذ يُشترط أن يكون الميل الأولي للمدار أكبر من أو يساوي خط عرض الإطلاق. فعلى سبيل المثال، المركبات التي تُطلق من كيب كانافيرال يكون ميلها المداري الأولي 28°27′ على الأقل، وهو خط عرض موقع الإطلاق، ولتحقيق هذا الحد الأدنى، يتطلب الإطلاق باتجاه الشرق تمامًا ، وهو ما قد لا يكون ممكنًا دائمًا نظرًا لقيود الإطلاق الأخرى. في أقصى الحالات، يمكن لموقع إطلاق يقع على خط الاستواء أن يُطلق المركبة مباشرةً إلى أي ميل مطلوب، بينما لا يستطيع موقع إطلاق افتراضي عند القطب الشمالي أو الجنوبي سوى الإطلاق إلى مدارات قطبية. (مع أنه من الممكن إجراء مناورة تغيير ميل المدار بعد الوصول إلى المدار، إلا أن هذه المناورات تُعدّ عادةً من بين أكثر المناورات المدارية تكلفةً من حيث الوقود، ولذا يُتجنبها أو يُقلّل منها قدر الإمكان).

إضافةً إلى توفير نطاق أوسع من زوايا ميل المدار الأولية، تتميز مواقع الإطلاق في خطوط العرض المنخفضة بميزة الحاجة إلى طاقة أقل للوصول إلى المدار (على الأقل بالنسبة للمدارات الأمامية، التي تشكل الغالبية العظمى من عمليات الإطلاق)، وذلك بفضل السرعة الأولية الناتجة عن دوران الأرض. وقد شجعت الرغبة في مواقع إطلاق استوائية، إلى جانب الاعتبارات الجيوسياسية واللوجستية، على تطوير منصات إطلاق عائمة، أبرزها منصة "سي لانش" .

إذا كانت قيمة حجة الحضيض صفرًا، أي أن الحضيض والأوج يقعان في مستوى خط الاستواء، فإن مسار القمر الصناعي على الأرض سيبدو متطابقًا فوق خط الاستواء وتحته (أي أنه سيُظهر تناظرًا دورانيًا بزاوية 180 درجة حول عقدتي المدار ). أما إذا كانت قيمة حجة الحضيض غير صفرية، فسيتصرف القمر الصناعي بشكل مختلف في نصفي الكرة الأرضية الشمالي والجنوبي. ويُعد مدار مولنيا ، الذي تبلغ قيمة حجة الحضيض فيه حوالي -90 درجة، مثالًا على هذه الحالة. في مدار مولنيا، يقع الأوج عند خط عرض مرتفع (63 درجة)، ويكون المدار شديد الانحراف ( e = 0.72). هذا يجعل القمر الصناعي "يحوم" فوق منطقة من نصف الكرة الشمالي لفترة طويلة، بينما يقضي وقتًا قصيرًا جدًا فوق نصف الكرة الجنوبي. تُعرف هذه الظاهرة باسم "البقاء عند الأوج"، وهي مرغوبة للاتصالات في المناطق ذات خطوط العرض المرتفعة. ^{[ 5 ]}

نظرًا لأن العمليات المدارية غالبًا ما تكون ضرورية لمراقبة موقع محدد على الأرض، تُستخدم مدارات تغطي المسار الأرضي نفسه دوريًا. على الأرض، تُعرف هذه المدارات عادةً باسم مدارات تكرار الأرض، وغالبًا ما تُصمم بمعايير "المدار الثابت" لتحقيق مدار متكرر على المسار الأرضي بعناصر مدارية مستقرة (أقل تغيرًا مع الزمن). ^{[ 6 ]} تستخدم هذه المدارات تأثير ترنح العقدة لإزاحة المدار بحيث يتطابق المسار الأرضي مع مسار مدار سابق، مما يُعادل بشكل أساسي الانحراف في دوران الجسم المداري. يُعطى الدوران الطولي للكوكب بعد فترة زمنية معينة بالمعادلة التالية:

${\displaystyle \Delta L_{1}=-2\pi {\frac {T}{T_{E}}}}$

أين

• ${\displaystyle T}$هل الوقت المنقضي
• ${\displaystyle T_{E}}$هو الوقت اللازم لدوران كامل للجسم المداري، وفي حالة الأرض يوم فلكي واحد

يمكن تحديد تأثير ترنح العقدة كمياً على النحو التالي:

${\displaystyle \Delta L_{2}=-{\frac {3\pi J_{2}R_{e}^{2}cos(i)}{a^{2}(1-e^{2})^{2}}}}$

أين

• ${\displaystyle J_{2}}$هو الشكل الديناميكي الثاني للجسم
• ${\displaystyle R_{e}}$نصف قطر الجسم
• ${\displaystyle i}$ميل المدار
• ${\displaystyle a}$هو المحور شبه الرئيسي للمدار
• ${\displaystyle e}$الانحراف المداري

يجب أن يلغي هذان التأثيران بعضهما البعض بعد مجموعة${\displaystyle j}$الدورات المدارية و${\displaystyle k}$(الأيام النجمية). وبالتالي، فإن مساواة الوقت المنقضي بالفترة المدارية للقمر الصناعي ودمج المعادلتين أعلاه ينتج عنه معادلة تنطبق على أي مدار متكرر:

${\displaystyle j\left|\Delta L_{1}+\Delta L_{2}\right|=j\left|-2\pi {\frac {2\pi {\sqrt {\frac {a^{3}}{\mu }}}}{T_{E}}}-{\frac {3\pi J_{2}R_{e}^{2}cos(i)}{a^{2}(1-e^{2})^{2}}}\right|=k2\pi }$

أين

• ${\displaystyle \mu }$هو المعامل القياسي للجاذبية للجسم الذي يدور حوله
• ${\displaystyle j}$هو عدد الدورات المدارية التي يتم بعدها تغطية نفس المسار الأرضي
• ${\displaystyle k}$هو عدد الأيام الفلكية التي يتم بعدها تغطية نفس المسار الأرضي

• المسار (الملاحة)
• محطة تتبع أرضية
• المرور (رحلة فضائية) ، الفترة التي تكون فيها المركبة الفضائية مرئية فوق الأفق المحلي
• فترة إعادة زيارة القمر الصناعي ، وهي الفترة الزمنية المنقضية بين عمليات رصد نفس النقطة على الأرض بواسطة قمر صناعي
• مراقبة الأقمار الصناعية كهواية
• بصمة القمر الصناعي
• نقطة تحت الشمس
• خط الفصل (الشمسي) ، الخط المتحرك الذي يفصل بين الجانب المضاء نهارًا والجانب المظلم ليلًا لجسم كوكبي

• لايل، إس. وكابديرو، ميشيل (2006) الأقمار الصناعية: المدارات والمهام، سبرينغر، رقم ISBN 9782287274695الصفحات 175-264

• متتبع الأقمار الصناعية على موقع eoPortal.org
• satview.org
• heavens-above.com
• https://isstracker.pl متتبع محطة الفضاء الدولية
• مسار القمر الصناعي الأرضي، GPS BII-10 في Wayback Machine (تمت أرشفته في 30-09-2020) الأقمار الصناعية الصغيرة (رمز البرنامج)
• infosatellites.com
• n2yo.com