Геостаціона́рна орбі́та (ГСО) — колова орбіта, розташована на висоті 35 786 км над екватором Землі, на відстані 42 164 км від центра Землі, яка проходить у напрямку обертання Землі.
Об'єкт на такій орбіті має орбітальний період, що дорівнює періоду обертання Землі навколо своєї осі — одній зоряній добі. Тому для наземного спостерігача він здається нерухомим і постійно перебуває в одній і тій самій точці небесної сфери. Концепцію геостаціонарної орбіти популяризував письменник-фантаст Артур Кларк у 1940-х роках як спосіб докорінно змінити телекомунікації, а перший супутник, виведений на таку орбіту, було запущено 1963 року.
Супутники зв'язку часто розміщують на геостаціонарній орбіті, оскільки це дає змогу наземним супутниковим антенам не відстежувати їхнє переміщення, а бути постійно спрямованими на фіксовану точку неба, де розташований супутник. На цій орбіті також працюють метеорологічні супутники, які забезпечують моніторинг і збирання даних у режимі реального часу, а також навігаційні супутники, що використовуються як еталонні точки для калібрування та підвищення точності системи GPS.
Геостаціонарні супутники спочатку виводять на проміжну орбіту, після чого переводять у визначену орбітальну позицію над певною точкою земної поверхні. Для підтримання свого положення супутник потребує періодичного виконання маневрів утримання на орбіті. Після завершення експлуатації сучасні геостаціонарні супутники переводять на орбіту захоронення, розташовану вище геостаціонарної, щоб запобігти можливим зіткненням.
Історія У 1928 році Герман Поточник описав геосинхронні орбіти загалом і геостаціонарну орбіту Землі зокрема як придатні для розміщення космічних станцій. Уперше геостаціонарна орбіта з'явилася в художній літературі в жовтні 1942 року в першому оповіданні циклу Venus Equilateral Джорджа О. Сміта"(Korvus's message is sent) to a small, squat building at the outskirts of Northern Landing. It was hurled at the sky. ... It ... arrived at the relay station tired and worn, ... when it reached a space station only five hundred miles above the city of North Landing." , однак автор не навів докладного опису цієї концепції. Британський письменник-фантаст Артур Кларк популяризував і розвинув цю ідею у статті Extra-Terrestrial Relays – Can Rocket Stations Give Worldwide Radio Coverage? («Позаземні ретранслятори — чи можуть ракетні станції забезпечити всесвітнє радіопокриття?»), опублікованій 1945 року в журналі Wireless World. У передмові до збірки The Complete Venus Equilateral Кларк визнав, що його праця ґрунтувалася на ідеях Сміта"It is therefore quite possible that these stories influenced me subconsciously when ... I worked out the principles of synchronous communications satellites ...", . Орбіту, яку Кларк уперше запропонував як ефективну для супутників радіомовлення та зв'язку, іноді називають орбітою Кларка. Сукупність штучних супутників, що перебувають на цій орбіті, відома як пояс Кларка. У технічній літературі її зазвичай називають геостаціонарною орбітою або геосинхронною екваторіальною орбітою; ці терміни нерідко використовують як взаємозамінні.
Перший геостаціонарний супутник спроєктував Гарольд Розен, який у 1959 році працював у компанії Hughes Aircraft. Натхненний запуском Sputnik 1, він прагнув використати геостаціонарний супутник для створення глобальної системи зв'язку. На той час телекомунікаційний зв'язок між США та Європою давав змогу одночасно спілкуватися лише 136 особам і залежав від високочастотного радіозв'язку та підводного кабелю.
Тоді панувала думка, що для виведення супутника на геостаціонарну орбіту знадобиться надто потужна ракета, а сам супутник не пропрацює достатньо довго, щоб виправдати витрати. Тому перші зусилля були зосереджені на створенні сузір'їв супутників на низькій або середній навколоземній орбіті. Першими з них стали пасивні супутники-балони серії Echo, запущені 1960 року, а згодом — Телстар 1, запущений 1962 року. Хоча ці проєкти стикалися з проблемами потужності сигналу та відстеження, які можна було б розв'язати завдяки використанню геостаціонарної орбіти, саму концепцію вважали непрактичною. Через це керівництво Hughes Aircraft часто відмовлялося надавати фінансування та підтримку.
До 1961 року Розен і його команда створили циліндричний прототип діаметром 76 см, заввишки 38 см і масою 11,3 кг — достатньо легкий і компактний, щоб вивести його на орбіту. Супутник був стабілізований обертанням і мав дипольну антену, яка формувала діаграму спрямованості у вигляді «млинця».
У серпні 1961 року команда отримала контракт на створення повноцінного супутника. Перший апарат, Syncom 1, було втрачено через відмову електроніки, однак Syncom 2 успішно вивели на геосинхронну орбіту 1963 року. Хоча через нахил орбіти його наземні антени все ще потребували коригування, супутник забезпечив ретрансляцію телевізійних сигналів, а також дав змогу президентові США Джону Ф. Кеннеді, який перебував у Вашингтоні, здійснити телефонний дзвінок прем'єр-міністру Нігерії Абубакару Тафаві Балеві, який перебував на борту судна USNS Kingsport, пришвартованого в Лагосі, 23 серпня 1963 року.
Першим супутником, виведеним на геостаціонарну орбіту, став Syncom 3, який було запущено ракетою-носієм Delta D у 1964 році. Завдяки більшій пропускній здатності він забезпечив пряму телевізійну трансляцію літніх Олімпійських ігор із Японії до США. Відтоді геостаціонарні орбіти набули широкого застосування, насамперед для супутникового телебачення. Нині на геостаціонарній орбіті працюють сотні супутників, які використовують для дистанційного зондування Землі та забезпечення зв'язку. Хоча сьогодні більшість населених районів світу має розвинену наземну телекомунікаційну інфраструктуру (мікрохвильові радіорелейні лінії та волоконно-оптичні мережі), а телефонний зв'язок охоплює близько 96 % населення, тоді як доступ до інтернету мають приблизно 90 % людей, у деяких сільських та віддалених районах навіть розвинених країн супутниковий зв'язок і досі залишається основним засобом комунікації.
Застосування Див. також: Геосинхронний супутник Більшість комерційних супутників зв'язку, супутників телебачення та систем функціонального доповнення (SBAS) перебувають на геостаціонарних орбітах.
Зв'язок Головна перевага таких апаратів полягає в тому, що вони забезпечують покриття великої площі земної поверхні (до 81° за широтою та 77° за довготіою) і залишаються майже нерухомими відносно спостерігача на Землі. Це дозволяє використовувати для прийому сигналу відносно дешеві стаціонарні антени, усуваючи потребу в їх постійному наведенні. Водночас суттєвим недоліком геостаціонарних систем є затримка сигналу, яка становить близько 240 мс під час проходження радіохвилі від наземного передавача на екваторі до супутника та у зворотному напрямку. Ця затримка створює проблеми для застосунків, що працюють у режимі реального часу, зокрема для голосового зв'язку. Через це геостаціонарні супутники зв'язку переважно використовуються для односпрямованої передачі розважального контенту або в умовах, коли альтернативи з низькою затримкою недоступні.
Для спостерігачів у високих широтах (ближче до полюсів) здається, що геостаціонарні супутники перебувають низько над горизонтом. У міру віддалення від екватора (збільшення широти) спостерігача якість зв'язку погіршується через низку факторів: атмосферну рефракцію, теплове випромінювання Землі, перешкоди на лінії прямої видимості та відбиття сигналу від землі або сусідніх споруд. На широтах, що перевищують приблизно 81°, геостаціонарні супутники перебувають нижче горизонту і стають повністю недоступними. Для розв'язання цієї проблеми та забезпечення зв'язку у високих широтах деякі російські системи використовують супутники зв'язку на високо еліптичних орбітах типу «Молнія» та «Тундра», які мають чудову видимість у приполярних регіонах.
Комунікації Глобальна мережа геостаціонарних метеорологічних супутників забезпечує безперервне отримання знімків земної поверхні та атмосфери у видимому й інфрачервоному діапазонах. Ці дані є ключовими для метеорологічних спостережень, океанографічних досліджень та загального моніторингу стану атмосфери. Станом на 2019 рік 19 супутників перебувають в експлуатації або в резервному режимі. До основних діючих супутникових систем належать:
серія GOES Сполучених Штатів, що експлуатується NOAA. серія , запущена Європейським космічним агентством та експлуатована Європейською організацією метеорологічних супутників . Багатоцільові супутники Республіки Корея та . російські супутники "Електро-Л". японська серія . Китайська серія . Індійська серія .
Ці супутники зазвичай отримують зображення у видимому та інфрачервоному спектрах із просторовою роздільною здатністю від 0,5 до 4 квадратних кілометрів. Стандартний кут огляду становить 70°, проте в окремих місіях він може бути меншим.
Знімки з геостаціонарних орбіт мають широке практичне застосування. Вони використовувалися для відстеження вулканічного попелу, вимірювання температури верхнього краю хмарності та водяної пари, вимірювання температури суші та рослинного покриву. Крім того, ці дані відіграють важливу роль в , прогнозуванню траєкторії циклонів та безперервному моніторингу хмарного покриву. Хоча частина отриманої інформації інтегрується в , специфіка геостаціонарних супутників (широке поле зору та постійний моніторинг за умови відносно низької роздільної здатності) робить їхні знімки найбільш ефективними саме для оперативного моніторингу в режимі реального часу та короткострокового прогнозування.
Навігація Геостаціонарні супутники можуть використовуватися для доповнення глобальних навігаційних супутникових систем (GNSS), передаючи поправки до сигналів годинників, ефемерид і іоносферних похибок, які обчислюються наземними станціями з точно відомими координатами, а також забезпечуючи додатковий опорний сигнал. Це дає змогу підвищити точність визначення місцеположення приблизно з 5 м до 1 м або менше.
До навігаційних систем, які використовують або використовували геостаціонарні супутники, належать:
Wide Area Augmentation System (WAAS) — система широкозонного функціонального доповнення, що експлуатується Федеральним управлінням цивільної авіації США (FAA); European Geostationary Navigation Overlay Service (EGNOS) — Європейська геостаціонарна служба навігаційного доповнення, що експлуатується компанією ESSP від імені Агентства Європейського Союзу з космічної програми (колишнє GSA); Multi-functional Satellite Augmentation System (MSAS) — багатофункціональна система супутникового доповнення, що експлуатується Бюро цивільної авіації Міністерства землі, інфраструктури, транспорту та туризму Японії (JCAB); GPS Aided GEO Augmented Navigation (GAGAN) — система супутникового доповнення GPS, що експлуатується в Індії; StarFire — комерційна навігаційна система, що експлуатується компаніями John Deere і C-Nav Positioning Solutions (Oceaneering); Starfix DGPS System і OmniSTAR — комерційні системи диференціальної супутникової навігації, що експлуатуються компанією Fugro.
Реалізація Запуск Див. також: Геоперехідна орбіта
Геостаціонарні супутники запускаються на схід на прогресивну орбіту, що відповідає швидкості обертання екватора. Найменше нахилення, з яким можна запустити супутник, відповідає географічній широті місця запуску, тому запуск поблизу екватора мінімізує необхідну надалі зміну нахилення орбіти. Крім того, запуск поблизу екватора дозволяє використати швидкість обертання Землі як додатковий імпульс для супутника. На схід від місця запуску повинні бути водні простори або пустелі, щоб уламки ракети у разі невдачі не впали на населені пункти.
Більшість ракет-носіїв виводять геостаціонарні супутники безпосередньо на геоперехідну орбіту (ГПО) — еліптичну орбіту з апогеєм на висоті ГСО та низьким перигеєм. Після цього бортова система двигуна супутника використовується для підняття перигею, округлення орбіти та виходу на ГСО.
Визначення орбіти Див. також: