วงโคจรของดาวเทียม

        การออกแบบวงโคจรของดาวเทียมขึ้นอยู่กับวัตถุประสงค์ของการใช้งานดาวเทียม ระดับความสูงของดาวเทียมมีความสัมพันธ์กับคาบเวลาในวงโคจรตามกฎของเคปเลอร์ข้อที่ 3 (กำลังสองของคาบวงโคจรของดาวเทียม แปรผันตาม กำลังสามของระยะห่างจากโลก) ดังนั้น ณ ระดับความสูงจากผิวโลกระดับหนึ่ง ดาวเทียมจะต้องมีความเร็วในวงโคจรค่าหนึ่ง มิฉะนั้นดาวเทียมอาจตกสู่โลกหรือหลุดจากวงโคจรรอบโลก ดาวเทียมวงโคจรต่ำเคลื่อนที่เร็ว ดาวเทียมวงโคจรสูงเคลื่อนที่ช้า 

        นักวิทยาศาสตร์คำนวณหาค่าความเร็วในวงโคจรได้โดยใช้ “กฎความโน้มถ่วงแห่งเอกภพของนิวตัน” (Newton's Law of Universal Gravitation) “วัตถุสองชิ้นดึงดูดกันด้วยแรงซึ่งแปรผันตามมวลของวัตถุ แต่แปรผกผันกับระยะทางระหว่างวัตถุยกกำลังสอง” ดังนี้ 

                แรงสู่ศูนย์กลาง = แรงโน้มถ่วงของโลก 

                       mv2/r      = G (Mm/r2) 

                               v    =  (GM/r)1/2 

โดยที่ v = ความเร็วของดาวเทียม

          M = มวลของโลก

          m = มวลของดาวเทียม

          r = ระยะทางระหว่างศูนย์กลางของโลกกับดาวเทียม

          G = ค่าคงที่ของแรงโน้มถ่วง = 6.67 x 10-11 Nm2/kg2

ตัวอย่างที่ 1 ถ้าต้องการส่งดาวเทียมให้โคจรรอบโลกที่ระดับสูง 35,780 กิโลเมตร ดาวเทียมจะต้องมีความเร็วในวงโคจรเท่าไร  

                                      r  = 6,380 km (รัศมีโลก) + 35,786 km (ระยะสูงของวงโคจร) = 4.23 x 107 km 

                                      v  =  (GM/r)1/2   

                                          =  {(6.67 x 10-11 Nm2/kg2)(5.98 x 1028 kg)/(4.23 x 107)} 1/2

                                          =  11,052 กิโลเมตรต่อชั่วโมง

ตารางที่ 1 ความสัมพันธ์ระหว่างระดับสูงของดาวเทียมกับคาบวงโคจรรอบโลก

        ข้อมูลในตารางที่ 1 แสดงให้เห็นถึงความสัมพันธ์ระหว่างระดับความสูงของดาวเทียมและความเร็วในวงโคจร  กฎแปรผกผันยกกำลังสองของนิวตันกล่าวว่า ยิ่งใกล้ศูนย์กลางของแรงโน้มถ่วง (ศูนย์กลางของโลก) แรงโน้มถ่วงจะเพิ่มขึ้น  ดังนั้น 

• • ถ้าต้องการให้ดาวเทียมมีวงโคจรต่ำ ดาวเทียมจะต้องเคลื่อนที่เร็วมาก เพื่อเอาชนะแรงโน้มถ่วงของโลก ดาวเทียมวงโคจรต่ำจึงใช้เวลาในการโคจรรอบโลกน้อยที่สุด 

  • ดาวเทียมวงโคจรสูงมีความเร็วในวงโคจรช้ากว่าวงโคจรต่ำ ทั้งนี้เนื่องจากสูงขึ้นไป ยิ่งอยู่ห่างจากศูนย์กลางแรงโน้มถ่วง ดาวเทียมวงโคจรสูงจึงโคจรรอบโลกใช้เวลามากกว่าดาวเทียมวงโคจรต่ำ 

  • ถ้าต้องการให้ดาวเทียมโคจรไปพร้อมๆ กับที่โลกหมุนรอบตัวเอง ดาวเทียมจะลอยค้างอยู่เหนือพิกัดภูมิศาสตร์ที่ระบุบนพื้นผิวโลกตลอดเวลา จะต้องส่งดาวเทียมให้อยู่ที่ความสูง 35,786 กิโลเมตร เหนือพื้นผิวโลก วงโคจรระดับนี้เรียกว่า "วงโคจรประจำที่" (Geostationary Earth Orbit)" ซึ่งเหมาะสำหรับใช้ในการสะท้อนสัญญาณโทรคมนาคม 

ภาพที่ 1 วงโคจรประเภทต่างๆ 

        ในการออกแบบวงโคจรของดาวเทียม  นอกจากความสูงของวงโคจรแล้ว  ยังต้องคำนึงถึงทิศทางของวงโคจร เนื่องโลกหมุนรอบตัวเอง  นักวิทยาศาสตร์จะต้องคำนึงถึงพื้นที่บนพื้นผิวโลกที่ต้องการให้ดาวเทียมเคลื่อนที่ผ่าน  เราสามารถจำแนกประเภทของวงโคจร ตามระยะสูงของวงโคจรได้ดังนี้ 

• วงโคจรระยะต่ำ (Low Earth Orbit "LEO") อยู่สูงจากพื้นโลกไม่เกิน 2,000 กม. เหมาะสำหรับการถ่ายภาพรายละเอียดสูง  แต่เนื่องจากวงโคจรระยะต่ำอยู่ใกล้พื้นผิวโลกมาก ภาพถ่ายที่ได้จึงครอบคลุมพื้นที่เป็นบริเวณแคบ และไม่สามารถครอบคลุมบริเวณใดบริเวณหนึ่งได้นาน  ดาวเทียมในวงโคจรระต่ำเคลื่อนที่เร็วมาก เนื่องจากอยู่ใกล้อิทธิพลของแรงโน้มถ่วงโลก วงโคจรระยะต่ำมี 3 ประเภท ได้แก่  

  • • วงโคจรขั้วโลก (Polar  Orbit) : ดาวเทียมโคจรในแนวเหนือ-ใต้ ในขณะที่โลกหมุนรอบตัวเอง ทำให้ดาวเทียมจึงเคลื่อนที่ผ่านเกือบทุกส่วนของพื้นผิวโลก ดังที่แสดงในภาพที่ 2 

ภาพที่ 2 เส้นทางผ่านของดาวเทียมวงโคจรขั้วโลก

• • วงโคจรศูนย์สูตร (Equatorial Orbit) :  ดาวเทียมจะโคจรในแนวระนาบเส้นศูนย์สูตร 

  • วงโคจรสัมพันธ์กับดวงอาทิตย์ (Sun-Synchronous Orbit) : ดาวเทียมโคจรรอบโลกที่ระยะสูงประมาณ 400 - 900 กิโลเมตร โดยมีมุมเอียง 97-99 องศากับระนาบเส้นศูนย์สูตร ระนาบของวงโคจรทำมุมกับดวงอาทิตย์คงที่ตลอดเวลาทั้งปีที่โลกโคจรไปรอบดวงอาทิตย์ ส่งผลให้ดาวเทียมเคลื่อนที่ผ่านพื้นที่บนโลกตำแหน่งหนึ่ง ณ เวลาท้องถิ่นที่คงที่ ทำให้คุณลักษณะของแสงจากดวงอาทิตย์ที่ตกกระทบพื้นโลกบริเวณที่ต้องการตรวจติดตามเป็นมาตรฐานตลอดทั้งปี ดังแสดงในภาพที่ 3  ดังนั้นวงโคจรสัมพันธ์กับดวงอาทิตย์กับดวงอาทิตย์ (SSO) จึงเหมาะสำหรับดาวเทียมถ่ายภาพ 

ภาพที่ 3 วงโคจรสัมพันธ์กับดวงอาทิตย์  (ที่มา: Semantic Scholar)

• วงโคจรระยะปานกลาง (Medium Earth Orbit "MEO") อยู่ที่ระยะความสูงมากกว่า 2,000 กิโลเมตร แต่ไม่ถึง 35,786 กิโลเมตร  สามารถถ่ายภาพและส่งสัญญาณวิทยุได้ครอบคลุมพื้นที่ได้เป็นบริเวณกว้างกว่าดาวเทียมวงโคจรต่ำ  แต่หากต้องการสัญญาณให้ครอบคลุมทั้งโลกจะต้องใช้ดาวเทียมหลายดวงทำงานร่วมกันเป็นเครือข่ายและมีทิศทางของวงโคจรรอบโลกทำมุมเฉียงหลายๆ ทิศทาง  ดาวเทียมที่มีวงโคจรระยะปานกลางส่วนมากเป็นดาวเทียมนำร่อง เช่น เครือข่ายดาวเทียม GPS ประกอบด้วยดาวเทียมจำนวน 32 ดวง  ทำงานร่วมกันดังภาพที่ 4 โดยส่งสัญญาณวิทยุออกมาพร้อมๆ กัน ให้เครื่องรับที่อยู่บนพื้นผิวโลกเปรียบเทียบสัญญาณจากดาวเทียมแต่ละดวง เพื่อคำนวณหาตำแหน่งพิกัดที่ตั้งของเครื่องรับ 

• • ภาพที่ 4 วงโคจรดาวเทียม GPS 

• วงโคจรประจำที่ (Geostationary Earth Orbit "GEO") อยู่สูงจากพื้นโลกประมาณ 35,786 กม. มีเส้นทางโคจรอยู่ในแนวเส้นศูนย์สูตร (Equatorial Orbit) ดาวเทียมจะหมุนรอบโลกด้วยความเร็วเชิงมุมเท่ากับโลกหมุนรอบตัวเองทำให้ดูเหมือนลอยนิ่งอยู่เหนือพื้นผิวโลกตำแหน่งเดิมอยู่ตลอดเวลา จึงถูกเรียกว่า "ดาวเทียมวงโคจรสถิต หรือ วงโคจรค้างฟ้า"  เนื่องจากดาวเทียมวงโคจรชนิดนี้อยู่ห่างไกลจากโลกและสามารถลอยอยู่เหนือพื้นโลกตลอดเวลา จึงนิยมใช้สำหรับการถ่ายภาพโลกทั้งดวง เฝ้าสังเกตการณ์เปลี่ยนแปลงของบรรยากาศ  และใช้ในการโทรคมนาคมข้ามทวีป 

• หมายเหตุ:  วงโคจรค้างฟ้า หรือ วงโคจรสัมพันธ์กับโลก (Geo-synchronous Orbit "GSO") คือ วงโคจรประจำที่ (GEO) ที่มีมุมเอียงจากระนาบเส้นศูนย์สูตร   >1 องศา หรือ <1 องศา  

ภาพที่ 5 วงโคจรค้างฟ้า  (คลิกที่ภาพ)

ที่มา: Talifero 

• วงโคจรรูปวงรีมาก (Highly Elliptical Orbit "HEO") เป็นวงโคจรออกแบบสำหรับดาวเทียมที่ปฏิบัติภารกิจพิเศษเฉพาะกิจ  เนื่องจากดาวเทียมมีความเร็วในวงโคจรไม่คงที่  เมื่ออยู่ใกล้โลกดาวเทียมจะเคลื่อนที่เร็วมาก และเคลื่อนที่ช้าลงเมื่อออกห่างจากโลกตามกฎข้อที่ 2 ของเคปเลอร์  ดาวเทียมวงโคจรรูปวงรี ส่วนมากเป็นดาวเทียมที่ปฏิบัติงานด้านวิทยาศาสตร์ เช่น ศึกษาสนามแม่เหล็กโลก เนื่องจากสามารถมีระยะห่างจากโลกได้หลายระยะดังภาพที่ 6  หรือเป็นดาวเทียมจารกรรมซึ่งสามารถบินโฉบเข้ามาถ่ายภาพพื้นผิวโลกด้วยระยะต่ำมากและปรับวงโคจรได้  

• • ภาพที่ 6 วงโคจรรูปวงรีของดาวเทียมสำรวจสนามแม่เหล็กโลก