太陽同期軌道

太陽同期軌道データセンターの設計。惑星の夜明け/夕暮れの移行期間の上を周回します。

AIスーパーコンピューティング衛星の太陽同期軌道アニメーション

太陽同期軌道（SSO）は太陽同期軌道とも呼ばれ、^{[ 1 ]}惑星の周りのほぼ極軌道であり、衛星は惑星表面の任意の地点を同じ地方平均太陽時で通過します。^{[ 2 ]}^{[ 3 ]}より技術的には、これは1年に1回完全に公転するように配置された軌道であるため、常に太陽と同じ関係を維持します。

アプリケーション

太陽同期軌道は、画像衛星、偵察衛星、気象衛星に有用である。^{[ 4 ]}なぜなら、衛星が頭上を通過するたびに、その下にある惑星の表面照明角度がほぼ同じだからである。この一貫した照明特性は、気象衛星やスパイ衛星など、可視光線や赤外線波長で地球表面を撮影する衛星や、太陽光を必要とする海洋や大気のリモートセンシング機器を搭載するリモートセンシング衛星など、他のリモートセンシング衛星にとって有用な特性である。例えば、太陽同期軌道上の衛星は、1日に12回、毎回平均現地時間15:00頃に赤道を横切って上昇する可能性がある。

太陽同期軌道の特殊なケースとしては、赤道緯度の地方平均太陽時刻が正午または真夜中頃となる正午/真夜中軌道と、赤道緯度の地方平均太陽時刻が日の出または日の入り頃となる夜明け/夕暮れ軌道があり、衛星は昼と夜の間で境界線上を通過する。境界線上を通過することは、能動型レーダー衛星にとっては有用である。なぜなら、衛星の太陽電池パネルは、地球の影に隠れることなく、常に太陽を観測できるからである。また、測定に対する太陽の影響を制限する必要のある受動型機器を搭載した一部の衛星にとっても有用である。なぜなら、機器を常に地球の夜側に向けることができるからである。夜明け/夕暮れ軌道は、TRACE、ひので、PROBA-2などの太陽観測科学衛星に使用されており、これらの衛星はほぼ連続的に太陽を観測できる。

2021年現在、アクアの上昇軌道は現地時間13時30分に赤道を横切ります。
2021年現在、アクアの降下軌道は現地時間1時30分に赤道を横切ります。

軌道歳差

太陽同期軌道は、地球の太陽周回運動に合わせて、接触軌道面を天球に対して毎日約1度東へ歳差運動（回転）させることで実現されます。^[⁵^]この歳差運動は、軌道の高度に応じて傾斜角を調整することで実現されます（技術詳細を参照）。傾斜軌道を乱す地球の赤道面の隆起によって、宇宙船の軌道面が所望の速度で歳差運動します。軌道面は遠方の恒星に対して宇宙空間で固定されているわけではなく、地球の軸を中心にゆっくりと回転します。

地球を周回する典型的な太陽同期軌道は、高度約600～800km（370～500マイル）、周期96～100分、傾斜角約98°です。これは地球の自転方向に比べてわずかに逆行しており、0°は赤道軌道、90°は極軌道を表します。^{[ 5 ]}

太陽同期軌道は、火星などの扁平惑星の周りでも形成可能です。金星のようなほぼ球形の惑星を周回する衛星は、太陽同期軌道を維持するために外部からの推進力を必要とします。

技術的な詳細

地球を周回する衛星の軌道角歳差運動は、おおよそ次のように表される。

\Delta \Omega =-3\pi {\frac {J_{2}R_{\text{E}}^{2}}{p^{2}}}\cos i,

どこ

J 2 = 1.082 63 \times 10 -3

は地球の扁平率に関連する第2の帯状項の係数である

R E \approx 6378 km

は地球の平均半径であり、

p

は眼窩の半直筋であり、

i

は赤道に対する軌道の傾斜角です。

$歳差運動速度ρ$ $=$ $⁠$ のとき、軌道は太陽同期となる。 $dΩ / d t ⁠ は$ 地球が太陽の周りを回る平均運動 $n E$ に等しく、これは恒星年あたり360°です（1.990 968 71 × 10 ⁻⁷ rad /s）なので、 $n$ $E$ $=$ $⁠と設定する必要があります。$ $ΔΩE / TE ⁠ = ρ = ⁠ ΔΩ / T ここ$ で、 $T E$ は地球の公転周期、 $T$ は宇宙船が地球を周回する周期です。

宇宙船の軌道周期は

T=2\pi {\sqrt {\frac {a^{3}}{\mu }}},

ここで、 $a$ は軌道の長半径、 $μ$ は惑星の標準重力パラメータである（地球の場合、速度は398 600 .440 km ³ /s ²である。円軌道またはほぼ円軌道の場合、 $p \approx aとなるので、$

{\begin{aligned}\rho &\approx -{\frac {3J_{2}R_{\text{E}}^{2}{\sqrt {\mu }}\cos i}{2a^{7/2}}}\\&=-(360^{\circ }{\text{ あたり}})\times \left({\frac {a}{12\,352{\text{ km}}}}\right)^{-7/2}\cos i\\&=-(360^{\circ }{\text{ あたり}})\times \left({\frac {T}{3.795{\text{ h}}}}\right)^{-7/3}\cos i,\end{aligned}}

または $ρ$ が1年あたり360°の場合、

\cos i\approx -{\frac {2\rho }{3J_{2}R_{\text{E}}^{2}{\sqrt {\mu }}}}a^{7/2}=-\left({\frac {a}{12\,352{\text{ km}}}}\right)^{7/2}=-\left({\frac {T}{3.795{\text{ h}}}}\right)^{7/3}.

例えば、 $=$ 7200 km、つまり高度 $a - R E$ ≈この式により、宇宙船が地球の表面から 800 km離れた地点で太陽同期傾斜角は 98.7° になります。

この近似によれば、半径が等しいとき、 $cos i は-1 となることに注意されたい。$ 12,352 kmであり、これはより低い軌道のみが太陽同期軌道となることを意味します。周期は、非常に低い軌道（ $a$ =6554 km、 $i$ = 96°）から3.8時間（ $a$ =12 352 kmであるが、この軌道は赤道軌道で、 $i$ = 180°である。p < $12$ 352 kmの偏心軌道を使用すれば、3.8時間を超える周期も可能となる。12 352 kmですが $>$ 12,352 キロ。

地球上の特定の地点を毎日同じ時間に衛星が通過するようにしたい場合、衛星は1日に整数回の周回軌道を回る必要があります。円軌道を想定すると、これは1日に7～16周回となります。7周回未満では太陽同期軌道の最高高度を超える必要があり、16周回を超えると地球の大気圏内または地表内を周回する必要があるためです。結果として得られる有効な軌道を次の表に示します。（表は与えられた周期を前提として計算されています。実際には、使用すべき軌道周期はわずかに長くなります。例えば、24時間後に同じ地点の上空を通過する逆行赤道軌道の真の周期は約⁠365/364⁠ ≈ 通過間隔の1.0027倍。赤道軌道以外の軌道では、この係数は1に近くなります。

1日あたりの周回回数	期間（時間）		高度（km）	最大緯度	傾斜
16	⁠1+1/2⁠	= 1:30	274	83.4°	96.6°
15	⁠1+3/5⁠	= 1:36	567	82.3°	97.7°
14	⁠1+5/7⁠	≈ 1:43	894	81.0°	99.0°
13	⁠1+11/13⁠	≈ 1:51	1262	79.3°	100.7°
12	2		1681	77.0°	103.0°
11	⁠2+2/11⁠	≈ 2:11	2162	74.0°	106.0°
10	⁠2+2/5⁠	= 2:24	2722	69.9°	110.1°
9	⁠2+2/3⁠	= 2:40	3385	64.0°	116.0°
8	3		4182	54.7°	125.3°
7	⁠3+3/7⁠	≈ 3:26	5165	37.9°	142.1°

太陽同期軌道が地球上の一点を毎回同じ地方時に周回すると言う場合、これは平均太陽時を指し、視太陽時を指しているわけではありません。太陽は一年を通して空の中で全く同じ位置にあるわけではありません（均時差とアナレンマを参照）。

地球観測衛星には主に太陽同期軌道が選択され、高度は通常600～太陽同期軌道は、地球表面から1000 km上空を周回する軌道である。しかし、軌道が太陽同期であっても、地球の重力場の高次摂動、太陽光の圧力、その他の原因により、近点引数や軌道離心率などの他の軌道パラメータは変化する。特に地球観測衛星は、同じ地点を通過する際に高度が一定となる軌道を好んで用いる。離心率と近地点の位置を慎重に選択することで、摂動の変化率が最小となり、したがって軌道が比較的安定する特定の組み合わせ、すなわち近点位置の動きが安定する凍結軌道が得られる。 ^{[ 6 ]}欧州宇宙機関のERS -1、ERS-2、Envisat、およびEUMETSATのMetOp宇宙船とカナダ宇宙機関のRADARSAT-2 は、いずれもこのような太陽同期凍結軌道で運用されている。^[⁷^]

参照

参考文献

^ Tscherbakova, NN; Beletskii, VV; Sazonov, VV (1999). 「太陽圧力による地球の人工衛星の太陽同期軌道の安定化」 .宇宙研究. 37 (4): 393– 403. Bibcode : 1999KosIs..37..417S . 2016年3月3日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2015年5月19日閲覧。
^ 「衛星と軌道」（PDF） .
^ 「軌道の種類」 marine.rutgers.edu . 2019年8月22日時点のオリジナルよりアーカイブ。2017年6月24日閲覧。
^ 『変わりゆく地球：宇宙からの視点』（第1版）ケンブリッジ大学出版局、2007年、 339ページ、ISBN 978-0521828703。
^ ^a ^b Rosengren, M. (1992年11月). 「ERS-1 - 選ばれた軌道を正確に辿る地球観測衛星」. ESA紀要. 72 (72). 欧州宇宙機関: 76.書誌コード: 1992ESABu..72...76R .
^ Low, Samuel YW (2022年1月). 「凍結繰り返し近赤道低軌道の基準軌道設計」. AIAA Journal of Spacecraft and Rockets . 59 (1): 84– 93. Bibcode : 2022JSpRo..59...84L . doi : 10.2514/1.A34934 . S2CID 236275629 .
^ Rosengren, Mats (1989). 「受動偏心制御のための改良技術 (AAS 89-155)」.宇宙科学の進歩. 第69巻. AAS/NASA. Bibcode : 1989ommd.proc...49R .

さらに読む

サンドウェル、デイビッド・T.『地球の重力場 - パート1』（2002年）（p.8）
太陽同期軌道辞書の項目、米国飛行100周年記念委員会より
NASA Q&A
Boain, Ronald J. (2004年2月). 「太陽同期軌道設計のAB-C」(PDF) . 宇宙飛行力学会議. 2007年10月25日時点のオリジナル(PDF)からのアーカイブ。

外部リンク

太陽同期軌道上の衛星一覧

[shcherbakova-1] Tscherbakova, NN; Beletskii, VV; Sazonov, VV (1999). 「太陽圧力による地球の人工衛星の太陽同期軌道の安定化」 .宇宙研究. 37 (4): 393– 403. Bibcode : 1999KosIs..37..417S . 2016年3月3日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2015年5月19日閲覧。

[2] 「衛星と軌道」（PDF） .

[3] 「軌道の種類」 marine.rutgers.edu . 2019年8月22日時点のオリジナルよりアーカイブ。2017年6月24日閲覧。

[:0-4] 『変わりゆく地球：宇宙からの視点』（第1版）ケンブリッジ大学出版局、2007年、 339ページ、ISBN 978-0521828703。

[me-5] Rosengren, M. (1992年11月). 「ERS-1 - 選ばれた軌道を正確に辿る地球観測衛星」. ESA紀要. 72 (72). 欧州宇宙機関: 76.書誌コード: 1992ESABu..72...76R .

[6] Low, Samuel YW (2022年1月). 「凍結繰り返し近赤道低軌道の基準軌道設計」. AIAA Journal of Spacecraft and Rockets . 59 (1): 84– 93. Bibcode : 2022JSpRo..59...84L . doi : 10.2514/1.A34934 . S2CID 236275629 .

[7] Rosengren, Mats (1989). 「受動偏心制御のための改良技術 (AAS 89-155)」.宇宙科学の進歩. 第69巻. AAS/NASA. Bibcode : 1989ommd.proc...49R .

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