¿Por qué los últimos seis satélites TDRS comenzaron con una inclinación de ~7° en una tendencia descendente que parece ser "repelida" por cero y rebotar sin cruzarse?

Los seis satélites TDRS más recientes (del 8 al 13) se insertaron en órbitas de inclinación moderada de aproximadamente 7° y, en todos los casos, sus inclinaciones disminuyeron inmediatamente a tasas de aproximadamente +/-1 o +/-0,5 grados por año.

Tengo curiosidad tanto sobre la mecánica orbital subyacente como sobre el diseño de la misión que se lleva a cabo aquí.

Preguntas:

  1. ¿Por qué se tomó la decisión de poner TDRS 8 a 13 con una inclinación de aproximadamente 7°?
  2. ¿Por qué siempre se desplazan hacia abajo hacia la inclinación cero, y los que llegan allí parecen ser "repelidos" por cero y en lugar de cruzar cero disminuyen la velocidad, se detienen en una inclinación positiva pequeña pero finita y luego comienzan de nuevo? d i / d t ¡Parece parabólico cerca del mínimo pero lineal por lo demás!
  3. ¿Por qué la inclinación de los tres satélites TDRS más recientes cambia a la mitad de la tasa de los primeros tres? (~0,5 grados/año frente a 1 grado/año para los tres primeros)

Respuestas relacionadas y potencialmente útiles:


Los seis satélites TDRS (del 8 al 13) están26388, 27389, 27566, 39070, 39504, 42915

Los datos provienen de la siguiente consulta en Space-Track.org:

https://www.space-track.org/basicspacedata/query/class/gp_history/NORAD_CAT_ID/26388,27389,27566,39070,39504,42915/orderby/TLE_LINE1 DESC/EPOCH/2000-01-01--2022-01-01/format/tle

Evolución de la órbita TDRS utilizando TLE de Space-Track.org

guión para trazar:

import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
from datetime import datetime, timedelta

fname = 'TDRS TLEs for inclination.txt'

with open(fname, 'r') as infile:
    TLEs = np.array(infile.readlines()).reshape(-1, 2)

print('TLEs.shape: ', TLEs.shape)

satdict_unsorted = dict()

for L1, L2 in TLEs:
    satid = int(L1[2:7])
    year = 2000 + int(L1[18:20])
    decimal_days = float(L1[20:32])
    # https://stackoverflow.com/a/34910712/3904031
    datetim = datetime(year, 1, 1) + timedelta(decimal_days - 1)
    seconds_since_epoch = (datetim - datetime(1970, 1, 1)).total_seconds()
    decimal_year = 1970. + seconds_since_epoch / (365.2564 * 24 * 3600)
    inc = float(L2[8:16])
    raan = float(L2[17:25])
    ecc = float('.' + L2[26:33])
    n = float(L2[52:63])
    T = 24 * 3600 / n
    info = [year, decimal_days, seconds_since_epoch, decimal_year,
            inc, raan, ecc, T, n]
    try:
        satdict_unsorted[satid].append(info)
    except:
        satdict_unsorted[satid] = [info]

satdict = dict()
for key, thing in satdict_unsorted.items():
    thing.sort(key=lambda x: x[2])
    print('len(thing): ', len(thing))
    print('len(thing[1]): ', len(thing[1]))
    satdict[key] = np.array(list(zip(*thing)))

if True:
    fig, (ax1, ax2, ax3, ax4) = plt.subplots(4, 1)
    names = 'inc (deg)', 'RAAN (deg)', 'Ecc', 'T (sec)'
    T_siderial = 23 * 3600 + 56 * 60 + 4.09
    for key, thing in satdict.items():
        years, inc, raan, ecc, T, n = thing[3:9]
        ax1.plot(years, inc, label=str(key))
        ax1.set_ylabel('inc (deg)')
        ax2.plot(years, raan, label=str(key))
        ax2.set_ylabel('RAAN (deg)')
        ax3.plot(years, ecc, label=str(key))
        ax3.set_ylabel('Ecc')
        # implement a crude rolling median removing TLEs too close together
        d_t = years[1:] - years[:-1]
        d_inc = inc[1:] - inc[:-1]
        keep = d_t > 100. / 3600 / 365.2564 # years
        dinc_dt = d_inc[keep] / d_t[keep]
        yearz = years[:-1][keep] # fudge
        N = 20
        rolling = [np.median(dinc_dt[i:i+N]) for i in range(len(dinc_dt)-N)]
        ax4.plot(yearz[10:-10], rolling)
        ax4.set_ylabel('d inc/dt (deg/year)')
    ax1.legend()
    ax2.legend()
    ax1.set_ylim(0, 10)
    ax3.set_yscale('log')
    ax4.set_ylim(-1.2, 1.2)
    ax4.plot(ax4.get_xlim(), [0, 0], '-k')
    fig.suptitle('TDRS')
    plt.show()
¿Dónde está exactamente la diferencia entre esta pregunta y space.stackexchange.com/questions/41309/… ? Después de escribir esta respuesta tuve la sensación de que ya había escrito lo mismo antes...
@asdfex vea los dos comentarios debajo de su respuesta donde explico con varios ejemplos que, si bien es posible que haya escrito algo similar aquí, aún no responde a esta pregunta.

Respuestas (1)

Estos satélites están en el mismo ciclo de 53 años de RAAN y cambios de inclinación como cualquier satélite geosíncrono cuya inclinación no se mantiene activamente. Esencialmente, es la influencia combinada de la Luna, el Sol y el achatamiento de la Tierra (J2) lo que tira de la órbita.

Hay un buen artículo sobre esto: Anderson, Paul; et al. (2015). Consideraciones operativas de la dinámica de sincronización de desechos GEO (PDF). 66º Congreso Internacional de Astronáutica. Jerusalén, Israel.

Consulte la figura 2 en la página 4 para ver una representación gráfica de los cambios de RAAN/inclinación de las órbitas. No lo agregaré aquí debido a los derechos de autor poco claros.

¿Por qué siempre se desplazan hacia abajo hacia la inclinación cero, y los que llegan allí parecen ser "repelidos" por cero y en lugar de cruzar cero disminuyen la velocidad, se detienen en una inclinación positiva pequeña pero finita y luego comienzan de nuevo?

Esto es lo que realmente sucede: el cambio en la inclinación se detiene y el cambio en RAAN se acelera.

¡di/dt parece parabólico cerca del mínimo pero lineal por lo demás!

Eso es solo una coincidencia: hay partes del ciclo que son casi lineales y partes fuertemente curvadas en otras posiciones.

¿Por qué la inclinación de los tres satélites TDRS más recientes cambia a la mitad de la tasa de los primeros tres?

Están en una órbita con un RAAN diferente: los más antiguos se insertaron a aproximadamente -60 °, mientras que los más nuevos están a solo -30 °. Esto los acerca al punto de equilibrio y, por lo tanto, los hace evolucionar más lentamente.

¿Por qué se tomó la decisión de poner TDRS 8 a 13 con una inclinación de aproximadamente 7°?

Siempre es más barato lanzarse a una órbita inclinada que a una órbita exactamente estacionaria (a menos que su puerto espacial esté en el ecuador, eso es). La inclinación elegida y el RAAN ligeramente negativo aseguran que el satélite orbitará siempre con una inclinación inferior a la inicial durante los próximos 20 años. Solo después de este tiempo, la inclinación será mayor con un pico de aproximadamente 14 °, pero en este momento es probable que ya esté fuera de servicio.

¡Gracias por tu respuesta! Anderson 2015 también se cita en su respuesta aquí , a la que Puffin se vincula en la respuesta que menciono, pero para esta pregunta estoy tratando de obtener una idea más profunda que podría o no estar en la referencia. A la pregunta "¿Por qué ellos..." la respuesta "Esto es lo que realmente sucede". deja al lector todavía con la duda. Para "di/dt parece parabólico cerca del mínimo pero lineal de lo contrario", la respuesta "Eso es solo una coincidencia" es nuevamente insatisfactoria.
Y no veo por qué órbitas similares diferentes RAAN referenciadas a la esfera celeste tendrían diferentes di/dt a menos que se relacionen con algo más anclado a la esfera celeste. Incluso la órbita de la Luna tiene una precesión bastante agradable.
@uhoh La alineación relativa a la órbita del Sol es importante. Tal vez pueda explicar por qué le resulta difícil de creer, entonces podría proporcionarle una respuesta más detallada.
No se mencionaron "creencias"; Estoy buscando una respuesta de Stack Exchange que explique en lugar de enlaces a posibles explicaciones. Todo importa , pero como acabo de mencionar, RAAN se refiere a la esfera celeste, mientras que la aceleración gravitacional del Sol y la Luna gira anualmente o mensualmente a su alrededor. Lo único que no se mueve constantemente en RA son los equinoccios, por lo que es posible que sea la separación entre RAAN y los equinoccios lo que determina di/dt en los regímenes aproximadamente lineales entre los máximos y mínimos de inclinación.
@uhoh Esas parcelas se promedian a lo largo del tiempo: se suavizan las variaciones diarias, mensuales y anuales. Cuanto más miro las otras respuestas, menos entiendo lo que falta. Mi impresión es que todo está ahí, simplemente distribuido en tantas preguntas ligeramente diferentes...
Eso podría ser cierto, pero en Stack Exchange "la respuesta a su pregunta está en este enlace" se llama respuesta de solo enlace y generalmente se eliminan y se mueven a comentarios. Aquí he pedido que se publique una respuesta real. ¿Es posible al menos elaborar aquí y explicar qué tramas, qué indican y cómo se pueden usar para comprender "Por qué ellos ..." más allá de simplemente "Esto es lo que realmente sucede"?
@uhoh Si esto es lo que quieres, ¿por qué no lo pides directamente? "¿Cómo calcular los cambios en RAAN e inclinación causados ​​por el Sol, la Luna y J2?"
Tal vez esta pregunta se pueda subdividir así, lo pensaré un poco, o tal vez debería simplemente abrocharme el cinturón, leer el documento y escribir una respuesta completa aquí.