Геостационарная орбита: высота, скорость и почему спутник на ней неподвижен

Геостационарная орбита — единственная орбита, на которой спутник неподвижен относительно земной поверхности. Он обходит планету ровно за сутки и потому всегда висит над одной и той же точкой экватора.

Поэтому и телевизионную тарелку на балконе наводят один раз и больше не трогают, и метеоспутник снимает одно и то же полушарие каждые несколько минут.

Какие вообще бывают орбиты

Прежде чем говорить о геостационарной, стоит разобраться, чем орбиты различаются между собой. Полное описание орбиты требует шести величин, но для нашего разговора хватит трёх главных свойств.

Высота определяет, как быстро спутник обращается вокруг планеты и какой кусок поверхности видит. Чем ниже, тем быстрее полёт и тем уже обзор.

Форма бывает круговой или вытянутой в эллипс. У эллипса есть ближняя к Земле точка (перигей) и дальняя (апогей), и скорость на нём непостоянна.

Наклонение — угол между плоскостью орбиты и плоскостью экватора. Ноль градусов означает полёт точно над экватором, девяносто — через полюса.

Лестница по высоте

К низкой орбите относят высоты примерно до двух тысяч километров, граница эта условная. Здесь работает Международная космическая станция, спутники съёмки Земли и большие группировки связи. Оборот занимает полтора-два часа, обзор узкий, поэтому одним аппаратом не обойтись — нужны десятки и сотни.

От двух тысяч километров и до самого геостационара тянется средний диапазон. Он заселён неравномерно, и главные его жильцы — навигационные системы. ГЛОНАСС летает примерно на 19 100 км, GPS — на 20 200 км, Галилео — выше 23 000 км. Высоты выбраны в том числе с оглядкой на радиационные пояса Земли, где заряженных частиц особенно много и электронике приходится тяжело.

Дальше идёт геостационарная орбита на 35 786 км, а за ней — высокие и сильно вытянутые эллиптические орбиты, где работают космические обсерватории и аппараты для приполярных широт.

Подробно о всех видах орбит для искусственных спутников можно прочитать в другой нашей статье.

Что такое геостационарная орбита

Геостационарная орбита — это круговая орбита в плоскости экватора, на которой спутник обходит Землю за то же время, за которое планета поворачивается вокруг своей оси. С поверхности спутник на этой орбите выглядит замершим в одной точке неба. Стоит он при этом всегда над экватором — над другими широтами такое невозможно.

Представьте карусель и человека, который бежит рядом с ней по земле. Бежит медленно — карусель его обгоняет, слишком быстро — опережает её. Но при определённой скорости он держится вровень с каруселью и если вы с неё будете смотреть на человека, будет казаться, что он стоит, хотя оба вы движетесь. Со спутником точно так же, только вместо карусели вращается планета.

Поэтому антенну достаточно навести на геостационарный спутник один раз и закрепить, дальше она постоянно направлена на него. На этом принципе работает и спутниковое телевидение, и вещание на целые континенты, и постоянный метеомониторинг.

Почему нельзя повесить спутник над Москвой

Здесь напрашивается вопрос. Если спутник способен стоять над точкой экватора, почему он не может делать это над Москвой или над любым другим городом?

Дело в том, что плоскость любой орбиты проходит через центр Земли. Значит, орбита либо лежит в плоскости экватора, либо пересекает её дважды за оборот, уходя то в северное полушарие, то в южное. Орбиты, целиком висящей над северным полушарием, быть не может.

Раз спутник стоит над экватором, то чем дальше от экватора наблюдатель, тем ниже аппарат над его горизонтом. А значит, в средней полосе антенна для спутникового ТВ или интернета смотрит под наклоном, за полярным кругом почти ложится, а севернее 81° широты спутник не виден вовсе. В реальности же связь становится ненадёжной даже раньше, уже с 75–76° широты, потому что аппарат у самого горизонта заслоняют рельеф и постройки, а сигнал проходит через слой атмосферы.

Приполярные широты обслуживают иначе, с вытянутых орбит. Два известных варианта — орбиты «Молния» и «Тундра». Спутники на такой орбите замедляются у дальней точки и несколько часов медленно движутся по небу над северными широтами. Они делают это настолько неспешно, что несколько аппаратов, сменяя друг друга, дают почти непрерывную связь. С таких орбит с шестидесятых годов работала связь и велось телевещание на Крайний Север через советские спутники «Молния» — их давно сменили, но принцип остался. Сегодня на вытянутых орбитах функционируют российские аппараты связи «Меридиан», а также спутники наблюдения, которым нужен долгий обзор северных территорий.

Геостационарная и геосинхронная орбита

Термины похожи, и их нередко смешивают. А разница есть.

• Геосинхронная орбита — любая, на которой спутник оборачивается вокруг Земли за звёздные сутки. Наклонение при этом может быть каким угодно.
• Геостационарная — частный случай геосинхронной, у которого орбита круговая и лежит точно в плоскости экватора. Стоит нарушиться любому из двух условий, и спутник перестаёт держаться одной точки неба. При наклонении он уходит к северу и югу, при вытянутой орбите — забегает вперёд и отстаёт по долготе.

Разница видна с земли. Геостационарный спутник стоит в одной точке неба. Геосинхронный возвращается в ту же точку раз в сутки, а между этими моментами описывает петлю или восьмёрку, уходя к северу и к югу. Дальше в статье встретится и обратный случай — геостационарный аппарат, который под конец службы сам сползает на геосинхронную орбиту и начинает выписывать такую петлю.

Откуда взялась идея

Орбиту вычислили задолго до того, как в космос отправился первый спутник. В 1928 году словенский инженер Герман Поточник описал станцию, которая обращалась бы вокруг Земли синхронно с её вращением, и даже посчитал нужную высоту.

Широко идею распространил Артур Кларк, писатель-фантаст и по образованию физик. В 1945 году в британском журнале Wireless World он предложил связать планету тремя обитаемыми станциями, расставленными над экватором на равном расстоянии друг от друга. Транзисторов тогда ещё не было, и Кларк исходил из того, что аппаратуру на борту придётся обслуживать людям. Расчёт оказался верным — три спутника над экватором действительно покрывают почти всю обитаемую часть Земли. В англоязычной литературе орбиту с тех пор нередко называют орбитой Кларка, а пояс пространства на этой высоте — поясом Кларка.

От идеи до первого аппарата на этой орбите прошло без малого сорок лет. Первый искусственный спутник Земли, запущенный в 1957 году, летал по низкой орбите в паре сотен километров от поверхности, как и всё, что отправляли в космос следующие несколько лет. Поднять аппарат на тридцать с лишним тысяч километров долго было попросту не на чем.

Помогли два решения. Ракету дополнили верхней ступенью, способной поднять груз с промежуточной орбиты на нужную высоту, а на сам спутник добавили небольшой двигатель, который довыводил аппарат и подправлял его положение уже на месте. Заодно спутники стали заметно легче — прежнюю аппаратуру связи в такую массу было не уложить.

В июле 1963 года на суточную орбиту вышел американский Syncom 2. Он делал оборот за сутки, но плоскость его орбиты осталась наклонённой к экватору, поэтому спутник за это время уходил то к северу, то к югу. В исходную точку неба он возвращался раз в сутки, а между этими моментами описывал вытянутую петлю, похожую на восьмёрку. Первым по-настоящему геостационарным стал Syncom 3, запущенный 19 августа 1964 года и поставленный над Тихим океаном. Осенью того же года через него передали в США телевизионную картинку с Олимпиады в Токио — первую в истории трансляцию крупных соревнований через спутник.

Высота геостационарной орбиты

Высота геостационарной орбиты составляет 35 786 км над экватором. Если считать не от поверхности, а от центра планеты, получается 42 164 км — это радиус орбиты, и в справочниках он встречается наравне с высотой.

Разница между двумя числами — экваториальный радиус Земли, 6378 км. Важно, что именно экваториальный. Земля не шар, она приплюснута у полюсов, и её средний радиус меньше экваториального примерно на семь километров.

Округление до 36 000 км встречается часто и для разговора вполне годится. А вот в расчётах антенн и зон покрытия работают с точным значением.

Почему высота только одна

Скорость движения по круговой орбите однозначно связана с её высотой. Чем выше спутник, тем медленнее он летит и тем дольше длится оборот. У Международной космической станции на четырёхстах километрах оборот занимает около полутора часов, у навигационных спутников — примерно полсуток, у Луны — почти месяц.

Раз каждой высоте отвечает свой период обращения, то и обратное верно. Стоит потребовать, чтобы оборот занимал ровно сутки, и высота определяется однозначно.

Поэтому «низкой геостационарной орбиты» не существует. Само сочетание противоречиво. Опустите спутник ниже — он полетит быстрее суточного оборота и начнёт обгонять земную поверхность, поднимите выше — отстанет. В обоих случаях для наблюдателя с Земли он будет двигаться по небу, и направленная в одну точку антенна его потеряет.

Скорость спутника и суточный оборот

Скорость на геостационарной орбите — около 3,07 км/с, то есть примерно 11 000 км/ч. Неподвижным спутник выглядит только относительно земной поверхности, а наблюдатель из космоса увидел бы аппарат, несущийся по кругу длиной больше четверти миллиона километров.

С вращением самой Земли эта скорость не совпадает. Точка экватора проходит около 0,46 км/с, то есть примерно в шесть с половиной раз медленнее. Совпадает у них угол, который каждый проходит за единицу времени. Земля повернулась на градус, спутник сместился на градус, и они остались друг напротив друга. Просто спутник перемещается по кругу гораздо большего радиуса, и тот же угол обходится ему в куда большее расстояние.

Кстати, период обращения геостационарного спутника — не 24 часа, а 23 часа 56 минут 4 секунды. Это звёздные сутки, время полного оборота Земли вокруг оси относительно далёких звёзд.

Откуда взялись ещё четыре минуты? За сутки Земля не только поворачивается, но и заметно сдвигается по своей орбите вокруг Солнца. Повернувшись на один оборот, планета оказывается уже в другом месте, и чтобы Солнце снова встало в ту же точку неба, ей нужно довернуться ещё немного. Эта добавка и даёт привычные 24 часа солнечных суток. Спутнику же нужно совпасть с вращением самой планеты относительно далёких звёзд, а не с положением Солнца.

Орбитальная позиция — адрес в небе

Место геостационарного спутника задаётся долготой точки экватора, над которой он стоит. «36° восточной долготы» или «75° восточной долготы» — адрес, по которому наводят антенну.

Разместить спутники вплотную друг к другу нельзя. Бытовая тарелка видит не точку, а сектор неба, и два аппарата, стоящих слишком близко на одних частотах, она примет вперемешку. Поэтому между соседями делают промежуток. Единого шага нет, он зависит от частот, зон покрытия и качества антенн. Для спутникового телевидения это обычно два-три градуса. А несколько аппаратов одного оператора, наоборот, могут стоять в одной позиции и работать как один — так сделано, например, на 36° в. д.

Мест на геостационарной орбите конечное число, и они давно превратились в дефицитный ресурс.

Раздаёт позиции и частоты Международный союз электросвязи (ITU, International Telecommunication Union). Заявки подают государства, а не компании, после чего идёт согласование с теми, чьим спутникам новичок может помешать. Процедура может тянуться годами.

Появились даже так называемые бумажные спутники, когда заявку подают под аппарат, которого нет и, возможно, не будет, чтобы застолбить место. Срок на то, чтобы заявку реализовать, сейчас составляет семь лет. Но правила постепенно ужесточали, и теперь позицию нужно занять по-настоящему. Обычно оператор приводит в неё работающий спутник и должен продержать его там непрерывно девяносто суток — только тогда заявленные частоты считаются введёнными в работу. Этот приём называют «парковкой».

Сколько спутников на геостационарной орбите

По разным каталогам на середину 2026 года активных геостационарных аппаратов насчитывается порядка 560–590. Расхождение нормально, ведь каталоги по-разному считают аппараты, только что выведенные или уже выработавшие ресурс.

Основная часть занята связью и телевещанием. Дальше идут метеорологические аппараты вроде европейских Meteosat, американских GOES и российских «Электро-Л», которые снимают целое полушарие целиком и обновляют картинку каждые несколько минут. Отдельная группа — системы раннего предупреждения, замечающие тепловой след ракетных пусков. Есть и навигационные аппараты, передающие поправки к сигналам спутниковой навигации для авиации.

На фоне низкой орбиты, где активных аппаратов уже больше пятнадцати тысяч, шестьсот выглядит скромно. Но каждый геостационарный аппарат крупный, дорогой и занимает место, которого на всех не хватает.

Как спутник удерживают на месте

Стоять на геостационарной орбите само собой не получается. Оставленный без присмотра спутник будет смещаться, и вызывают это сразу три силы.

• Луна и Солнце притяжением уводят плоскость орбиты в сторону от экватора, примерно на градус в год. Спутник, который прежде шёл точно над экватором, начинает уходить то к северу, то к югу.
• Неровности Земли смещают его вдоль орбиты. Экватор нашей планеты не идеальный круг, и из-за этого на орбите есть две точки устойчивого равновесия, около 75,3° восточной и 104,7° западной долготы. Спутник, стоящий в стороне от них, медленно сползает к ближайшей.
• Солнечный свет давит на аппарат — в первую очередь на широкие панели солнечных батарей, которые работают как парус. Сила эта крохотная, но действует без перерыва, и за месяцы круговая орбита успевает слегка вытянуться в овал.

Всё это компенсируют включениями двигателей. Аппарат стараются удерживать в пределах примерно десятой доли градуса по обеим осям, чтобы наземные антенны не пришлось подстраивать. Основная часть топлива при этом расходуется на борьбу с наклонением — на удержание по долготе его нужно в разы меньше.

Чаще всего именно остаток топлива и определяет, сколько спутник проработает, — отсюда обычные для отрасли 15-20 лет службы. Хотя закончить работу аппарат может и раньше, если сядут солнечные батареи или откажет аппаратура.

Электричество всё же помогает, и заметно. В электрореактивных двигателях рабочее вещество не сжигают, а разгоняют электрическим полем до скоростей, недостижимых для химического горения. Выбрасывается его при этом в разы меньше, а бортовое электричество как раз от батарей и берётся. Тяга получается крохотной, но на удержание в точке большая и не нужна.

Отдельная статья расходов — защита от радиации. Геостационарная орбита попадает в область повышенной радиации, и заряженные частицы там сбивают электронику и понемногу съедают солнечные батареи. Спасают экранирование и радиационно стойкие микросхемы.

Кстати, как устроен спутник, мы рассказываем в другой статье. Почитайте, если интересно.

Наклонная орбита — вторая жизнь спутника

Что делают, когда топливо заканчивается? Аппарат к этому времени обычно исправен, и списывать его жалко. Тогда оператор отказывается от удержания по наклонению, оставив только контроль долготы. Основная статья расхода отпадает, остатков хватает ещё на несколько лет, и спутник переходит на наклонную орбиту. Он держится примерно на своей долготе, но начинает заметно уходить с севера на юг в течение суток. Размах поначалу небольшой, но год за годом растёт.

Решение это бесповоротное — вернуть плоскость орбиты к экватору стоило бы топлива, запаса которого уже нет.

Рано или поздно спутник становится потерян для неподвижной антенны — сигнал то появляется, то пропадает по нескольку раз в сутки. Работать с ним могут станции с поворотной антенной на моторизованном опорном устройстве, которое ведёт аппарат по небу. Это наземные узлы спутниковых операторов, репортажные комплекты для ТВ, антенны корпоративных и ведомственных сетей.

Встретить такие аппараты можно в любом частотном справочнике — напротив них там стоит пометка «наклонная орбита».

Когда время выходит окончательно, аппарат уводят на орбиту захоронения — на две-три сотни километров выше рабочей. Вывести геостационарный спутник туда дешевле и проще, чем опустить в атмосферу, как делают с низкоорбитальными аппаратами.

Низкая орбита вместо геостационарной

Геостационарная орбита перестала быть единственным способом раздать связь на большую территорию. Ставку всё чаще делают на противоположный подход — тысячи небольших аппаратов в сотнях километров от Земли.

Дело в меньшей задержке сигнала.
Радиоволны идут со скоростью света, высота геостационарной орбиты 35 786 км — расстояние немалое даже для неё. Путь сигнала до спутника занимает около 0,12 секунды, столько же обратно. Это значит, что при использовании спутникового интернета будет задержка в видеосвязи, сложность с играми типа шутеров и т.д.

А вот с высоты в несколько сотен километров сигнал возвращается за десятки миллисекунд вместо четверти секунды. Скорость связи лучше, антенна нужна меньше, а мощность передатчика скромнее, ведь расстояние короче в десятки раз.

Но низкий спутник виден с земли несколько минут, потом уходит за горизонт, поэтому чтобы покрытие не прерывалось, нужны сотни аппаратов, а абонентская антенна должна вести спутник по небу и вовремя переключаться на соседний.

В России низкоорбитальную группировку строит компания «Бюро 1440», проект называется «Рассвет». Экспериментальные запуски прошли в 2023 и 2024 годах, а в 2026-м начались пакетные запуски серийных аппаратов. Коммерческих услуг для абонентов пока нет, начало эксплуатации компания относит к 2027 году. У нас можно прочитать подробную статью о проекте.

Вытеснит ли это геостационарную орбиту? Скорее нет, потому что задачи у них разные. Там, где один и тот же поток нужно раздать сразу всем и в одну сторону геостационарные спутники остаются вне конкуренции. Так устроены телевидение, радио и рассылка данных. Один аппарат покрывает континент, а на земле стоят миллионы неподвижных тарелок. Двусторонний обмен устроен иначе, у каждого абонента свой канал и важен отклик, поэтому здесь низкая орбита выигрывает.