人工衛星の軌道

人工衛星の軌道とは

人工衛星の軌道とは、人工衛星が宇宙空間を移動する経路のことです。それぞれの衛星は、その利用目的に合わせて特定の軌道に投入されます。この記事では、人工衛星の軌道の種類、性質、そして衛星の位置を知るための方法について詳しく解説します。

軌道運動の基本

地球上で物体を水平に投げると、重力によって物体は地面に落下します。しかし、地球が球体であるため、物体をある速度以上で水平に投げると、地球の周りを周回するようになります。これが人工衛星の基本的な原理です。

第一宇宙速度: 地球の表面すれすれを周回するために必要な速度で、約7.9km/sです。この速度で物体を水平に投げると、円軌道を描いて地球を周回します。
第二宇宙速度: 地球の引力を振り切って宇宙空間に脱出するために必要な速度で、約11.2km/sです。この速度で物体を投げると、放物線を描いて地球から離れていきます。

物体の高度が高くなるほど、円軌道や脱出に必要な速度は小さくなります。人工衛星は通常、大気圏外の高度で円軌道または楕円軌道を描きます。人工衛星の運動は、近似的にニュートン力学で記述でき、ケプラーの法則に従います。ただし、3つ以上の物体の運動は解析的に解けないため、地球と人工衛星の二体問題として扱い、他の天体の影響を摂動として加えるのが一般的です。地球は完全な球体ではないため、回転[[楕円体]]として扱われます。

人工衛星の軌道は、通常、一定の平面内に限定されます。これを軌道面と呼びます。摂動によって多少のずれは生じますが、短期的には同一平面上にあると考えて良いでしょう。

軌道の種類

人工衛星の軌道は、その高度、軌道傾斜角、離心率によって分類できます。以下に主な分類を説明します。

高度による分類

低軌道 (LEO): 高度2,000km以下の軌道。国際宇宙ステーションなどがこの軌道にあります。
中軌道 (MEO): 高度2,000kmから地球同期軌道（35,786km）までの軌道。
高軌道 (HEO): 地球同期軌道より外側の軌道。

軌道傾斜角による分類

傾斜軌道: 衛星の軌道面が地球の赤道に対して傾いている軌道。
極軌道: 地球の極またはその近くを通過する軌道。軌道傾斜角は90°に近い。
極太陽同期軌道: 極軌道の一種で、常に同じ現地時間で赤道を通過する軌道。地球観測衛星などに利用される。
順行軌道: 軌道傾斜角が90°以下の軌道。地球の自転と同じ方向に周回する。
逆行軌道: 軌道傾斜角が90°以上の軌道。地球の自転と逆方向に周回する。

離心率による分類

円軌道: 軌道離心率が0の円形の軌道。
楕円軌道: 軌道離心率が0より大きく1より小さい楕円形の軌道。離心率が大きいものは長楕円軌道と呼ばれる。
[静止トランスファ軌道]: 静止軌道への移行を目的とした楕円軌道。
モルニア軌道: 軌道傾斜角63.4°、周回周期が地球の自転周期の半分の楕円軌道。
ツンドラ軌道: 軌道傾斜角63.4°、周回周期が地球の自転周期と同じ楕円軌道。
準天頂軌道(QZO): 特定の地域の上空に長時間滞在するように設計された楕円軌道。
双曲線軌道: 離心率が1以上の軌道。第二宇宙速度以上で天体の引力を振り切る。
放物線軌道: 離心率が1の軌道。第二宇宙速度で天体の引力を振り切る。

周期性による分類

回帰軌道: 1日あたりの周回数が整数になる軌道。同じ地点の上空に再び飛来する。
同期軌道: 惑星の自転周期と衛星の公転周期が等しい軌道。
対地同期軌道 (GEO): 地球を周回する同期軌道で、高度は約35,786km。
静止軌道 (GSO): 軌道傾斜角が0°の対地同期軌道。地上から見ると衛星が静止しているように見える。
墓場軌道: 任務を終えた衛星を移動させるための、静止軌道より数百km上の軌道。
分同期軌道: 静止軌道のすぐ下にあるドリフト軌道。
準同期軌道: 公転周期が惑星の自転周期の半分である軌道。
準回帰軌道: 1日のうちに地球を何度か周回し、数日後に同じ地点の上空に戻る軌道。
太陽同期準回帰軌道: 準回帰軌道かつ太陽同期軌道である衛星軌道。
太陽同期軌道 (SSO): 太陽からの光の角度が一定になる軌道。地球観測衛星に利用される。

特殊な分類

月周回軌道: 月の周りを回る軌道。
擬似軌道: 実際には惑星と共有軌道だが、地上からは惑星を周回しているように見える軌道。
馬蹄形軌道: 擬似軌道の一種。
エクソ軌道: 軌道に到達予定だったが速度不足で落下する軌道
ホーマン遷移軌道(HTO): 異なる円軌道間を移動するための軌道。
ハロー軌道/リサージュ軌道: ラグランジュ点の周りを回る軌道。

人工衛星の位置計算

人工衛星の位置を把握するためには、以下の手順で計算を行います。

1. 軌道面内の位置を決定する。
2. 地球中心の座標系における3次元位置を決定する。
3. 観測地の地表上の位置を決定する。
4. 衛星と観測地の相対関係を求める。

これらの計算により、特定の観測地から人工衛星がどこに見えるかを把握することができます。

まとめ

人工衛星の軌道は、その種類や性質によってさまざまな特徴を持ちます。この記事では、人工衛星の軌道に関する基本的な知識から、軌道の分類、位置計算の方法までを詳しく解説しました。人工衛星の軌道についての理解を深める上で、この記事が役立つことを願っています。

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