人工衛星の軌道
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人工衛星の軌道(じんこうえいせいのきどう)では、個々の利用目的にあわせた軌道に投入される人工衛星の、軌道の種類や性質や、衛星の位置を知る方法を示す。


目次

1 軌道運動の基本

2 軌道の種類

2.1 高度による分類

2.2 軌道傾斜角による分類

2.3 離心率による分類

2.4 周期性による分類

2.5 特殊な分類

2.6 擬似軌道


3 人工衛星の位置計算

4 脚注

5 関連項目


軌道運動の基本図1: もし地球が平面なら

地表で水平方向に物体を投げてみる。もし、地球が平面で果てしなく続き、重力が地表に向かって働くのなら、どんなに初速度が大きくても物体はいずれ地上に落ちてしまう。これは図1で、重力加速度により物体の速度ベクトルが最終的には地表に向かうことが理解できるだろう。

しかし、実際には地球は概ね球体であり、重力はその中心に向かう。このため、図2のA点(図は誇張して書いてあるが、地表からの高さは地球の直径にくらべ十分小さいものとする)から水平に投射した物体は、初速度の大きさによりp1 → p2 → p3と段々遠くまで届くようになり、ある速度になるともとの投射点に戻り、あとは繰り返して地球を周回するようになる。すなわち物体は地球の人工衛星になったのであり、この周回軌跡を軌道(orbit)と呼ぶ。このときの軌道の形は軌道である。また、このとき速度を第一宇宙速度といい、約7.9 km/sである。

初速度をさらに大きくしていくと軌道は楕円になり、ある速度になると物体は放物線を描き、周回して再び同じ点に戻ることはなく、地球の引力を脱出する。この時の速度を第二宇宙速度(脱出速度)といい、約11.2 km/sである。

さらに初速度を大きくして、第二宇宙速度以上の速度になると、軌道は双曲線を描き脱出軌道をとる。

なお、物体の地表からの高度を大きくすると、円軌道に達する速度も地球を脱出する速度も、上記の地表すれすれの速度より小さくて済む。

高度を変えたとき、円軌道を達成するために必要な初速とその高度での円軌道の周期は次の通りである。

高度初速
(km/s)周期 (分)
1m7.906484.37
1km7.905884.39
10km7.9084.57
100km7.8586.36
1,000km7.35105.0
10,000km4.93347.6
35,786km3.071,436
(1恒星日静止衛星となる)

話題を人工衛星に限ると、初期の高度が大気圏外(実用上は概ね100 km以上)で、円軌道または楕円軌道を描く場合を取り扱うことになる。

人工衛星の運動は近似的にニュートン力学の範囲で記述可能であり、その結果はケプラーの法則にしたがう(別に人工衛星に限らない)。但し、重力を及ぼしあう複数の物体の運動は、物体数が3以上の場合では解析的に解くことができない(多体問題)。このため物体数を2個、すなわち地球と人工衛星のみとして(二体問題)解き、他の天体、例えば太陽の重力による影響を摂動として加えて実用的な解を得るのが普通である。

また、二体問題では物体を質点として扱うが、地球‐人工衛星の系の場合、後者はともかく前者は現実には質点ではない。一応、軌道計算では球対称であれば質点と看做しても構わないが、地球は真球体ではないため、これも考慮する必要がある。通常は回転楕円体として扱う(ベッセル楕円体GRS80楕円体)。

人工衛星の軌道は一定の平面内に限定される。後述の摂動により多少のずれが生じるが、意図的な軌道変換を行う場合を除き短期的には同一平面上にあると言ってよい。この平面を軌道面という。
軌道の種類

これらの性質は軌道要素で表される。
高度による分類
低軌道 (LEO)[1][2]
高度2000km以下の地球周回軌道。国際宇宙ステーションなどはこの軌道に存在する。
中軌道 (MEO)
高度2000kmから地球同期軌道(35,786km)までの地球周回軌道。
高軌道 (HEO)
地球同期軌道(35,786km)より外の地球周回軌道。
軌道傾斜角による分類
傾斜軌道
衛星の軌道傾斜角が惑星の赤道に対して傾いている軌道。
極軌道
惑星の極、または極近傍の上空を通過する軌道。よって軌道傾斜角は90°に近くなる。
太陽同期軌道
極軌道に近く、赤道を常に同じ現地時間で通過する軌道。が常に同じ場所にできるので画像の撮影に便利である。


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出典: フリー百科事典『ウィキペディア(Wikipedia)
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