¿Por qué los satélites de la constelación GPS están en una órbita tan alta?

La mayoría de los satélites están en órbita terrestre baja. Algunos otros satélites están en órbita geoestacionaria porque su función lo requiere.

Los satélites GPS (y otros GNSS, por ejemplo, GLONASS) están en una órbita MEO mucho más alta (sub-GEO):

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¿Por qué necesitan estar en una órbita tan alta? Claramente, el diseño del GPS no requiere que estén en GEO.

La página de wikipedia de GPS menciona que con esta órbita, los satélites tienen un período orbital de aproximadamente 12 horas y, por lo tanto, siguen la misma ruta sobre la tierra; esto fue útil para la depuración cuando el sistema se estaba configurando por primera vez. Pero seguramente se podría haber logrado un efecto similar con un período orbital de 8 o 6 horas (o algún otro divisor de 24) por mucho menos gasto.

Razones posibles, aunque no confirmadas, en las que puedo pensar para la órbita alta:

  • Inicialmente (y todavía) un proyecto militar, tener los satélites en una órbita tan alta los hace más difíciles de derribar para el enemigo .
  • Estar más alto significa que hay más satélites en la línea de visión de cualquier punto de la superficie de la tierra. No sé cuántos satélites se requerirían para el mismo nivel de servicio si estuvieran en la órbita del período de 8 o 6 horas, aunque me interesaría ver cómo se comparan los costos para poner más satélites en órbitas más bajas.
  • Los satélites LEO se ven más afectados por la resistencia atmosférica, por lo que deberán realizar maniobras de mantenimiento de posición más regulares. Es de suponer que deben desconectarse temporalmente del servicio de GPS al realizar estas maniobras; tal vez esto sea inaceptable dentro del diseño del GPS. También se requiere más combustible para el mantenimiento de la estación, o habrá una vida útil más corta, lo que quizás compense el gasto adicional de la órbita más alta.

Entonces, ¿por qué los satélites GPS están en órbitas tan altas?

No estoy seguro de que ninguna de las respuestas haya señalado esto con suficiente claridad. Los satélites comerciales y militares (GPS) generalmente se ubican donde deben ubicarse, limitados por la disponibilidad de la órbita. Hay muchos factores, uno de los cuales podría ser la cantidad total de satélites, pero su primera oración "La mayoría de los satélites están en órbita terrestre baja por la simple razón de que es más barato llevarlos allí que más arriba" es simplemente incorrecta. Dado que muchas personas leen tanto las preguntas como las respuestas, es una buena idea corregir las declaraciones incorrectas cuando se noten, para evitar la propagación de factoides incorrectos.
Supongo que en LEO necesitarás más que en MEO, en MEO su cobertura sería mayor que en LEO, requiriendo menos pero obteniendo la misma funcionalidad; por qué publiqué este comentario antes de leer la respuesta que dice lo mismo, no tengo idea.
Veo que todas las respuestas explican la elección de la órbita para la línea de visión y las consideraciones del período orbital, pero el GPS funciona midiendo/calculando el tiempo de viaje de las ondas de radio. Si los satélites estuvieran solo al 10% de su altitud actual, todo el hardware y los relojes necesarios tendrían que ser 10 veces más precisos para lograr la misma precisión. ¿No ha sido eso también un factor?

Respuestas (3)

La razón principal por la que se encuentran en una órbita tan alta es para permitir que una mayor parte de la Tierra sea visible en cualquier momento. Para tener una cantidad razonable de la Tierra visible, tienes que estar en lo alto. En teoría, una altitud más baja también podría funcionar, pero la altitud elegida parece ser una distancia lo suficientemente lejana como para ser útil, pero no tanto como para tener problemas de enlace de comunicación, etc.

El costo de llevar un satélite GPS a su órbita no es sustancialmente diferente que si estuviera en una órbita de, digamos, 6 horas. El presupuesto del enlace mejoraría un poco, lo que permitiría construir un satélite un poco más barato. El gran problema, sin embargo, es que necesitaría más satélites para garantizar que se haya alcanzado la cobertura completa. El GPS es fundamentalmente un sistema militar, y se requiere que no tenga huecos en el suelo. Cabe señalar que aquí está el porcentaje de la Tierra visible desde varias altitudes:

  • Órbita de 12 horas: 38 %
  • Órbita de 8 horas - 34,3%
  • órbita de 6 horas - 31%

Cabe señalar que todos los demás sistemas GNSS que se han lanzado utilizan una órbita similar al GPS. GLONASS es 8/17 de un día, BeiDou 9/17 y Galileo es 10/17. India está trabajando en un sistema que utiliza únicamente satélites GEO. Estos eligieron una banda similar porque el GPS demostró que funcionaba bien en esas altitudes.

Otro factor es la velocidad orbital. La velocidad orbital en una órbita de 6 horas es de unos 5 km/s. En GPS, es de 3,8 km/s. Esta velocidad más lenta permite un ancho de banda más estrecho (ya que los cambios de frecuencia Doppler son más pequeños), utilizando menos espectro y permitiendo que se utilicen más canales.

También hay otras razones relacionadas con la precisión del GPS. Esa altitud en particular funciona bien para proporcionar suficiente precisión.

En pocas palabras, la altitud a la que se encuentra el GPS funciona bastante bien, hay pocas otras naves espaciales que usan tales órbitas, lo que las hace más estables en general, y parece una buena idea continuar usando satélites GPS en las órbitas de 12 horas en las que se colocan. en.

Ese es un buen punto. Obtiene una cobertura de más del 76 % del gran círculo desde 20 194 km sobre la superficie donde se encuentran los satélites GPS, el 68 % desde 13 928 km (órbita de 8 horas) y el 62 % desde 10 388 km (órbita de 6 horas). Pero quizás igual de importante, si no más, sería su velocidad relativa al suelo, o su tiempo de horizonte a horizonte (aproximadamente 4,5, 2,7 y 1,9 horas, respectivamente), lo que dificultaría los bloqueos. Aunque no estoy seguro de que se requieran muchos más satélites, ya que su área de superficie total se reduce con la altitud, y tener un pozo de gravedad más profundo también reduciría los efectos relativistas en el tiempo.
Los efectos relativistas no son importantes, se pueden calcular. La velocidad al suelo puede ser un problema, se necesitan 15 minutos para obtener un bloqueo completo de un satélite, por lo que si se va en ese período de tiempo, podría crear problemas. Estoy pensando que la huella es el problema, no la cobertura, tendré que trabajar para arreglar mi respuesta para abordar eso ...
Bueno, la distancia al satélite cambiaría más rápido entonces, por lo que un cambio de fase más pronunciado (debido al efecto Doppler) podría crear problemas con la sincronización del reloj, lo que reduciría la precisión del uso civil del GPS. Supongo que debería haber explicado eso, pero me quedé sin espacio.
¿Mayor altitud también significa que la órbita es más estable? Es decir, la ISS está en órbita muy baja y necesita ser reubicada constantemente. Al estar más arriba, supongo que los satélites GPS evitan esto.
@DavidGrinberg Sí, las órbitas más bajas están sujetas a una mayor tasa de descomposición orbital debido a la presión atmosférica aún no despreciable, por lo que se necesitan reinicios orbitales periódicos. Vea algunos de los hilos que discuten eso en nuestro sitio. Pero esto no habría hecho una gran diferencia para las altitudes orbitales discutidas en la pregunta, todas están dentro de los cinturones de radiación de Van Allen. Es casi exactamente en la altitud orbital de la constelación GPS (20.194,292 km sobre el nivel medio del mar) que el flujo de intensidad de protones es mayor dentro de los cinturones. Así que ir más alto o más bajo sería incluso un poco mejor.
Las órbitas más altas también reducirían la potencia de la señal en el receptor, a menos que se aumentara la potencia de salida de cada satélite.
¿Podría explicar por qué tener una velocidad orbital más lenta da como resultado un ancho de banda más estrecho?
El efecto Doppler. Una sola frecuencia en el satélite ocupa mucho más espacio en tierra.
Las señales de GPS de PearsonArtPhoto (y @costrom) se modulan mediante varios códigos para lograr una localización precisa y sin ambigüedades (es decir, sin contar franjas). Todos los satélites transmiten usando la misma frecuencia (bien, 2 frecuencias) y todos tienen un ancho de banda de aproximadamente 1 MHz, que es casi 2 órdenes de magnitud mayor que el doppler. No hay "canales" reales , Hedy Lamarr y OK, más que algunos otros, nos han dado el milagro del espectro ensanchado. Un receptor GPS tiene múltiples correladores que seleccionan los distintos códigos. ¿Quizás puedas actualizar tu respuesta?
PearsonArtPhoto (y @costrom) y se me acaba de ocurrir que el simple hecho de que los nanosatélites, los satélites, las naves espaciales y las estaciones espaciales en LEO que viajan a alrededor de 8 km por segundo usan señales de GPS de forma rutinaria con bastante eficacia debería poner fin a todo el problema del doppler.
@uhoh El costo de un receptor GPS satelital es mucho mayor que uno de mano, pero sigo creyendo que al menos hace alguna diferencia.
Esta respuesta debe ser corregida. La(s) declaración(es) sobre el ancho de banda, incluso en su versión modificada recientemente, son claramente incorrectas. Hay sutilezas relacionadas con las cagadas de velocidad de reloj dependiendo del método (hardware vs software) de correlación debido a Doppler, pero NO un problema de "ancho de banda" o "canales". Puede leer esta útil respuesta de @Andreas y un poco más sobre los canales aquí . Componentes calificados para el espacio, aparte de que tal vez esto siempre sea costoso.
El comentario de seguimiento de @Anreas es particularmente relevante aquí.

Los satélites GPS/GNSS están orbitando a una altitud en la que su período orbital es la mitad del día sideral medio de la Tierra (23 horas, 56 minutos, 4,0916 segundos), por lo que su tasa de precesión nodal es pequeña (aproximadamente 4 minutos o ±222 km de este a oeste). deriva a lo largo del ecuador de la Tierra por día) y bastante constante, o quizás mejor dicho estable, durante períodos de tiempo más largos. Esto mantiene la longitud del nodo ascendente dentro de ±2 grados del valor nominal y permite la repetibilidad de la trayectoria terrestre para la constelación:

Cambio de hora diario de la repetición del seguimiento en tierra del satélite GPS en relación con 24 horas en función de los datos de efemérides de transmisión

Cambio de hora diario de la repetición del seguimiento en tierra del satélite GPS en relación con 24 horas en función de los datos de efemérides de transmisión. Fuente: InsideGNSS.com

Esta repetibilidad de la trayectoria terrestre fue importante en los primeros días del GPS, de modo que se aseguraba una cobertura terrestre suficiente (en sesiones, no realmente durante todo el día) con un número mucho menor de satélites de la constelación. Las órbitas más bajas habrían estado sujetas a perturbaciones orbitales más fuertes, especialmente la precesión nodal ya mencionada debido a que la forma de la Tierra es un esferoide achatado y no una esfera perfecta, por lo que la tasa de deriva Este-Oeste de los satélites habría sido mayor, sin eliminar por completo otras perturbaciones. (como la gravedad del Sol y la Luna, la presión de la radiación solar, ...) o habría sido aún mayor (arrastre atmosférico) y causaría una mayor tasa de descomposición orbital o requeriría quemaduras correctivas de órbita más frecuentes.

Esto se explica con más detalle en la edición de junio/julio de 2006 de Inside GNSS , en el artículo Soluciones GNSS: Precesión orbital, técnicas óptimas de doble frecuencia y receptores Galileo de Penina Axelrad y Kristine M. Larson.

La respuesta corta es garantizar la repetibilidad de la pista en tierra. Y el período no es de 12 horas sino de medio día sideral (es decir unos 4 minutos menos), de modo que cuando la tierra ha hecho una rotación, los satélites han hecho dos y la geometría de toda la constelación relativa a la tierra es la misma que un día sideral antes. La repetibilidad es importante por múltiples razones, una de ellas es que algunos errores relacionados con la atmósfera o las reflexiones del suelo (es decir, trayectos múltiples) dependen de la geometría. Si la geometría es la misma cada día sideral los errores serán similares, por lo tanto los desplazamientos calculados día sideral día a sideral son muy precisos, porque al ser los errores tan similares se anulan al calcular los desplazamientos (o velocidades). ).

Ahora otra pregunta es por qué elegir medio día sideral en lugar de un tercio o un cuarto. No estoy 100% seguro de esto, pero estoy bastante seguro de que se debe al hecho de que, a diferencia de otros satélites, para que el satélite GPS sea útil, su posición debe conocerse con una precisión muy alta y en tiempo real, por lo que para que esto se logre, cuanto más grande sea la órbita, más fácil, debido a la velocidad más lenta y las perturbaciones más pequeñas debido al campo de gravedad no central de la Tierra y la resistencia atmosférica. Entonces, ¿por qué no orbita con un período de día sideral completo? Probablemente debido al costo (llevarlos a la órbita y transmitir con más potencia), por lo que medio día sideral fue lo más barato que aún permitía cumplir con las especificaciones de precisión de la posición del satélite.

Este documento tiene un buen tratamiento y explica cómo la repetibilidad de trayectos múltiples es importante para la calidad de la solución y cómo se puede utilizar dicha repetibilidad para mejorar las soluciones de GPS. También explica que el período es cercano a un día sideral: Mejorando la precisión del GPS de alta velocidad

Este documento tiene un buen tratamiento y explica cómo la repetibilidad de trayectos múltiples es importante para la calidad de la solución y cómo se puede utilizar dicha repetibilidad para mejorar las soluciones de GPS. También explica que el período es cercano a un día sideral: xenon.colorado.edu/larsonetal_2007.pdf
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