ลักษณะ การจำแนกประเภท และการประยุกต์ใช้ความเอียงของวงโคจรดาวเทียม

วงโคจรของดาวเทียมคือเส้นทางที่ดาวเทียมเทียมโคจรรอบโลกในอวกาศ วงโคจรอยู่ในระนาบและมีรูปร่างเป็นวงรี โดยมีขนาดใหญ่ที่สุดที่จุดไกลโลกและเล็กที่สุดที่จุดใกล้โลก ตามกฎทางฟิสิกส์ เมื่อระยะห่างจากโลกเพิ่มขึ้น ความเร็วของดาวเทียมในวงโคจรจะลดลง

องค์ประกอบวงโคจรทั้งหก (องค์ประกอบ) ของวงโคจรดาวเทียม ได้แก่ มุมเอียง (i), ไรต์แอสเซนชันของจุดตัดวงโคจร (Ω) และมุมใกล้โลกที่สุด (w) ซึ่งเป็นตัวกำหนดตำแหน่งวงโคจร; ความเยื้องศูนย์ (e), ความยาวแกนกึ่งเอก (a) และเวลาที่ดาวโคจรใกล้โลกที่สุด (τ) ซึ่งเป็นตัวกำหนดรูปร่างวงโคจร โดยอาศัยองค์ประกอบทั้งหกนี้ สามารถกำหนดตำแหน่งของดาวเทียมในอวกาศ ณ เวลาใดเวลาหนึ่งได้

ความเอียงของวงโคจรของดาวเทียม

ในบรรดาองค์ประกอบของวงโคจรดาวเทียม มุมระหว่างระนาบวงโคจรของดาวเทียมกับระนาบเส้นศูนย์สูตรของโลกเรียกว่ามุมเอียงวงโคจร โดยเฉพาะอย่างยิ่งจะคำนวณได้จากการหมุนดาวเทียมทวนเข็มนาฬิกาจากระนาบเส้นศูนย์สูตรไปยังระนาบวงโคจรในระหว่างช่วงการขึ้นสู่วงโคจร มุมเอียงวงโคจรเป็นพารามิเตอร์ที่สำคัญในการกำหนดตำแหน่งในอวกาศของดาวเทียม โดยพิจารณาจากขนาดของมุมเอียงวงโคจรของดาวเทียม สามารถจำแนกวงโคจรดาวเทียมทั่วไปได้หลายแบบ

วงโคจรค้างฟ้า:มุมเอียง 0 องศา

วงโคจรค้างฟ้า (Geostationary orbit) เป็นวงโคจรซิงโครนัสแบบวงกลมที่มีมุมเอียง 0 องศา จัดอยู่ในประเภทเดียวกับวงโคจรซิงโครนัส (Geosynchronous orbit) ซึ่งมีลักษณะเฉพาะที่แตกต่างออกไป ระนาบของวงโคจรค้างฟ้าจะตรงกับระนาบเส้นศูนย์สูตรของโลก ทำให้มั่นใจได้ว่าดาวเทียมจะโคจรอยู่เหนือเส้นศูนย์สูตรเสมอ

วงโคจรค้างฟ้า (Geostationary orbit) มีระดับความสูง 35,786 กิโลเมตรเหนือพื้นผิวโลก โดยดาวเทียมโคจรด้วยความเร็ว 3.07 กิโลเมตรต่อวินาที ดาวเทียมหนึ่งดวงสามารถครอบคลุมพื้นที่ประมาณ 40% ของพื้นผิวโลก ดาวเทียมอุตุนิยมวิทยา ดาวเทียมสื่อสาร และดาวเทียมกระจายเสียงมักใช้วงโคจรนี้ นอกจากนี้ ดาวเทียมบางดวงในระบบนำทางด้วยดาวเทียมเป่ยโต่ว (BeiDou Navigation Satellite System) ของประเทศจีนก็ใช้วงโคจรนี้เช่นกัน

วงโคจรซิงโครนัสทางภูมิศาสตร์:มุมเอียง 0-90 องศา

วงโคจรซิงโครนัสทางภูมิศาสตร์ (Geosynchronous orbit) คือวงโคจรแบบขนานกับการหมุนของโลกสำหรับดาวเทียมเทียม โดยมีคาบการโคจรเท่ากับคาบการหมุนของโลก ไม่ว่ามุมเอียงของวงโคจรจะเป็นอย่างไร วงโคจรซิงโครนัสทางภูมิศาสตร์ก็จะยังคงซิงโครไนซ์กับการหมุนของโลกเสมอ เนื่องจากความเร็วเชิงมุมของวงโคจรนี้รอบโลกเท่ากับความเร็วเชิงมุมของการหมุนของโลก จึงทำให้ดาวเทียมดูเหมือนหยุดนิ่งเมื่อมองจากพื้นดิน

ดาวเทียมดวงที่ห้าของระบบนำทางดาวเทียมเป่ยโต่วของประเทศจีน ซึ่งปล่อยขึ้นสู่อวกาศเมื่อเวลา 5:30 น. ของวันที่ 1 สิงหาคม 2553 โคจรอยู่ในวงโคจรซิงโครนัสกับโลก

วงโคจรขั้วโลก:เอียง 90 องศา

วงโคจรขั้วโลกมีมุมเอียง 90 องศา โดยระนาบวงโคจรตั้งฉากกับระนาบเส้นศูนย์สูตรของโลก และโคจรผ่านขั้วโลกเหนือและขั้วโลกใต้ ดาวเทียมในวงโคจรนี้สามารถโคจรผ่านละติจูดใดก็ได้ รวมถึงขั้วโลกเหนือและขั้วโลกใต้ในแต่ละรอบการโคจร ซึ่งใช้เวลาประมาณหนึ่งชั่วโมงครึ่งในการหมุนรอบตัวเองครบหนึ่งรอบ ขณะที่ดาวเทียมเข้าสู่วงโคจร โลกจะหมุนอยู่ใต้ดาวเทียม

ดาวเทียมวงโคจรขั้วโลกสามารถสังเกตพื้นผิวโลกทั้งหมดได้ภายใน 24 ชั่วโมง ทำให้เป็นวงโคจรที่เหมาะสมที่สุดสำหรับการสังเกตการณ์ทั้งโลก ดาวเทียมด้านอุตุนิยมวิทยา ดาวเทียมสำรวจทรัพยากร และดาวเทียมสอดแนม มักใช้วงโคจรนี้ ระบบนำทางด้วยดาวเทียมใกล้โลก (เช่น ระบบนำทางด้วยดาวเทียมของกองทัพเรือสหรัฐฯ) ใช้วงโคจรขั้วโลกเพื่อให้บริการนำทางทั่วโลก และดาวเทียมวิทยาศาสตร์บางดวงที่ศึกษาฟิสิกส์ขั้วโลกก็ใช้วงโคจรขั้วโลกเช่นกัน

วงโคจรซิงโครนัสกับดวงอาทิตย์:เอียง 98 องศา

วงโคจรแบบซิงโครนัสกับดวงอาทิตย์เป็นวงโคจรชนิดพิเศษที่เกิดขึ้นตามธรรมชาติจากรูปร่างที่ไม่เป็นทรงกลมและการกระจายมวลที่ไม่สม่ำเสมอของโลก วงโคจรแบบซิงโครนัสกับดวงอาทิตย์เกิดขึ้นเมื่อความเร็วเชิงมุมของระนาบวงโคจรตรงกับความเร็วเชิงมุมเฉลี่ยของการโคจรของโลกรอบดวงอาทิตย์ ตำแหน่งสัมพัทธ์ของดาวเทียมกับดวงอาทิตย์จึงคงที่ และมุมของแสงอาทิตย์จะเท่ากันในทุกภูมิภาคที่ดาวเทียมโคจรผ่าน ดาวเทียมจะโคจรผ่านจุดใดจุดหนึ่งบนโลกในเวลาเกือบเดียวกันทุกครั้ง เนื่องจากโลกโคจรรอบดวงอาทิตย์ปีละครั้ง เพื่อรักษามุมคงที่ในระนาบวงโคจร ดาวเทียมจะต้องหมุนหรือเคลื่อนที่ 360 องศาต่อปี ซึ่งหมายความว่าระนาบวงโคจรหมุน 0.9856 องศาต่อวัน

โดยทั่วไป วงโคจรซิงโครนัสกับดวงอาทิตย์จะมีระดับความสูงประมาณ 600-800 กิโลเมตร คาบการโคจร 96-100 นาที และมุมเอียงประมาณ 98° ขึ้นอยู่กับค่าความเยื้องศูนย์กลาง เพื่อให้ตรงตามข้อกำหนดของภารกิจ การเลือกวงโคจรซิงโครนัสกับดวงอาทิตย์ช่วยให้มั่นใจได้ว่าดาวเทียมจะโคจรผ่านพื้นที่ที่กำหนดในเวลาที่แน่นอนในแต่ละวัน ซึ่งหมายความว่าเวลาท้องถิ่น (เวลาสุริยะเฉลี่ยท้องถิ่น) จะเหมือนกันเมื่อโคจรผ่านละติจูดเดียวกันในทิศทางเดียวกัน นี่คือเหตุผลที่ดาวเทียมด้านอุตุนิยมวิทยาและทรัพยากรมักเลือกวงโคจรซิงโครนัสกับดวงอาทิตย์

วงโคจรกึ่งซิงโครนัส:มุมเอียง 0-180 องศา

คาบการโคจรของวงโคจรประเภทนี้เท่ากับครึ่งหนึ่งของคาบการหมุนรอบตัวเองของวัตถุท้องฟ้าศูนย์กลางที่มันโคจรอยู่ และทิศทางการเคลื่อนที่ของยานอวกาศในวงโคจรจะเป็นไปในทิศทางเดียวกับการหมุนรอบตัวเองของวัตถุท้องฟ้าศูนย์กลาง สำหรับโลก วงโคจรแบบกึ่งซิงโครนัสคือวงโคจรของโลกที่ระดับความสูงปานกลาง มีคาบประมาณ 12 ชั่วโมง (เนื่องจากคาบการหมุนรอบตัวเองของโลกคือ 23 ชั่วโมง 56 นาที 4 วินาที คาบจริงของวงโคจรแบบกึ่งซิงโครนัสของโลกจึงสั้นกว่า 12 ชั่วโมงเล็กน้อย) และระดับความสูงของวงโคจร (วงโคจรแบบวงกลม) ประมาณ 20,200 กิโลเมตร ซึ่งจัดอยู่ในช่วงวงโคจรของโลกที่ระดับความสูงปานกลาง นอกเหนือจากวงโคจรสามประเภท ความเยื้องศูนย์กลางของวงโคจรเหล่านี้ใกล้เคียงกับศูนย์ หมายความว่ามันใกล้เคียงกับวงกลม วงโคจรแบบเยื้องศูนย์กลางกำหนดวงโคจรที่ขยายออกไป ยิ่งความเยื้องศูนย์กลางใกล้เคียงกับศูนย์มากเท่าใด วงโคจรก็จะยิ่งใกล้เคียงกับวงกลมมากขึ้นเท่านั้น

วงโคจรแบบกึ่งซิงโครนัสเป็นวงโคจรทั่วไปของดาวเทียม GPS

แทร็กย้อนกลับ:มุมเอียง 90-180 องศา

วงโคจรย้อนกลับ คือวงโคจรที่มีมุมเอียงมากกว่า 90 องศาและน้อยกว่า 180 องศา ซึ่งทิศทางการเคลื่อนที่ของดาวเทียมจะตรงข้ามกับการหมุนของโลก การส่งดาวเทียมเข้าสู่วงโคจรนี้ จำเป็นต้องปล่อยยานปล่อยไปทางทิศตะวันตกเฉียงใต้ ซึ่งไม่เพียงแต่จะทำให้ไม่สามารถใช้ประโยชน์จากความเร็วในการหมุนของโลกได้บางส่วนเท่านั้น แต่ยังต้องใช้พลังงานเพิ่มเติมเพื่อเอาชนะการหมุนของโลกด้วย ดังนั้น ยกเว้นวงโคจรซิงโครนัสกับดวงอาทิตย์ วงโคจรประเภทนี้จึงโดยทั่วไปไม่ค่อยได้ใช้

ในปัจจุบัน ด้วยความก้าวหน้าของเทคโนโลยี จำนวนดาวเทียมเทียมที่ถูกปล่อยขึ้นสู่อวกาศเพิ่มขึ้นทุกปี ดาวเทียมแต่ละดวงมีวงโคจรเฉพาะของตนเอง และทรัพยากรวงโคจรที่ไม่ใช่แบบคงที่ทางภูมิศาสตร์ที่ใช้กันทั่วไปก็มีจำกัด เพื่อป้องกันไม่ให้ดาวเทียมชนกันในอวกาศ จึงจำเป็นต้องมีการจัดการและจัดสรรวงโคจรของดาวเทียม ด้วยเหตุนี้ องค์กรระหว่างประเทศและประเทศต่างๆ จึงได้ออกกฎระเบียบการจัดการทรัพยากรดาวเทียม ซึ่งทำหน้าที่เป็นพื้นฐานและแนวทางในการประสานงาน จัดสรร และใช้ทรัพยากรดาวเทียม การปฏิบัติตามกฎระเบียบเหล่านี้เป็นสิ่งจำเป็นเบื้องต้นสำหรับการจัดการทรัพยากรดาวเทียมอย่างมีเหตุผลและเป็นระเบียบ