지구 동기 궤도 문서 원본 보기

{{위키데이터 속성 추적}}
[[파일:Geosynchronous orbit.gif|섬네일|upright=1.3|지구 동기 궤도를 따라 공전하는 위성을 묘사한 애니메이션. (축척은 맞지 않음)]]

'''지구 동기 궤도'''(Geosynchronous Orbit)는 그 주기가 지구의 자전축에 대한 회전 주기, 즉 1 [[항성일]]과 같은 궤도이다. 궤도 주기와 지구의 회전 주기가 일치한다는 것은 지표면의 관측자가 지구 동기 궤도를 따라 공전하는 물체를 관측하고 정확히 1 [[항성일]] 뒤에 그 지점에서 물체를 다시 관측할 수 있다는 뜻이다. 여러 날에 거쳐 관측하면 같은 시각에 관측한 물체의 위치는 8자 모양을 그리는데, 이 모양을 아날렘마라 한다. 아날렘마의 정확한 모양은 궤도의 경사와 [[궤도 이심률|이심률]]에 의존한다. 원형의 지구 동기 궤도는 지표면으로부터 35,786km 떨어져 있고, 모든 지구 동기 궤도는 그 장축을 공유한다.

지구 동기 궤도의 특수한 예로는 [[정지 궤도]]가 있다. 정지 궤도는 그 [[궤도면]]이 지구의 적도면과 일치하는 지구 동기 궤도이다. 정지 궤도를 따라 공전하는 물체는 지표면의 관측자가 항상 같은 위치에서 관측할 수 있다.

통신 위성은 일반적으로 정지 궤도 또는 정지 궤도에 가까운 궤도를 따라 공전한다. 그러면 그 위성을 향한 [[안테나]]가 항상 고정되어 있어도 그 위성을 이용하여 통신할 수 있기 때문이다.

== 종류 ==

=== 정지 궤도 ===

[[파일:Geostat.gif|섬네일|정지 궤도를 따라 공전하는 위성 (녹색)은 항상 지표면 위의 동일한 지점 (갈색)위에 있다.]]

정지 궤도는 지구 중심으로부터 42,164km 떨어져 있으며 궤도면이 지구의 적도면과 일치하는 지구 동기 궤도이다.<ref name="smad"/>{{rp|156}} 정지 궤도를 따라 공전하는 위성은 지표면으로부터 35,786km 떨어져 있게 된다. 이 궤도를 따라 공전하는 위성은 지표면에 대하여 항상 같은 위치를 유지한다. 정지 궤도를 따라 공전하는 물체를 관측하면 그 물체는 항상 같은 위치에 정지해 있는 것처럼 보인다. 즉, 다른 천체들과 같은 [[일주 운동]]이 관측되지 않는다. 이러한 궤도는 통신 위성에 유용하다.<ref>{{웹 인용|url=https://www.esa.int/Our_Activities/Telecommunications_Integrated_Applications/Orbits |title=Orbits |publisher=[[ESA]] |access-date=October 1, 2019 |date=October 4, 2018}}</ref>

완전히 안정적인 정지 궤도는 이론적으로만 가능하다. 실제로는 정지 궤도를 따라 공전하는 위성이라 하더라도 태양풍, 지구 중력장의 편차, 태양과 달의 중력 등의 영향으로 정지 궤도를 벗어날 수 있다.<ref name="smad">{{서적 인용|title=Space Mission Analysis and Design|publisher=Microcosm Press and Kluwer Academic Publishers |editor1-first=Wiley J. |editor1-last=Larson |editor2-first=James R. |editor2-last=Wertz |bibcode=1999smad.book.....W |last1=Wertz |first1=James Richard |last2=Larson |first2=Wiley J. |year=1999|isbn=978-1-881883-10-4}}</ref>{{rp|156}}

추진기의 사용 없이는 정지 궤도는 궤도 경사를 가지게 된다. 이 경사는 0도에서 15도 사이를 55년 주기로 진동하게 된다. 위성의 수명이 다하여 연료가 고갈되어 가면 위성 운영자는 궤도 경사의 수정을 포기하고 궤도의 이심률만을 조정할 수 있다. 이렇게 하면 위성의 연료를 절약하여 위성의 수명을 연장할 수 있지만, 지표면에서 관측했을 때 위성이 주기적으로 남북 방향으로 움직일 것이므로 남북 방향으로 움직일 수 있는 안테나를 갖추어야만 위성을 이용할 수 있다.<ref name="smad"/>{{rp|156}}

=== 타원형 또는 경사가 있는 지구 동기 궤도 ===

[[파일:Qzss-45-0.09.jpg|left|섬네일|A quasi-[[zenith]] satellite orbit]]

많은 지구 동기 궤도는 궤도 이심률과 궤도 경사를 가진다. 이심률은 궤도가 타원형이 되게 하고 지상에서 관측하였을 때 궤도가 동서로 진동하는 것처럼 보이게 하며, 궤도 경사는 지상에서 관측하였을 때 궤도가 남북으로 진동하는 것처럼 보이게 한다.<ref name="smad"/>{{rp|122}} [[타원 궤도]] 또는 경사가 있는 궤도를 따라 공전하는 위성은 위성을 조종할 수 있는 지상의 시설에서 추적받아야 한다.<ref name="smad"/>{{rp|122}}

==== 툰드라 궤도 ====

툰드라 궤도는 [[러시아]]에서 운용하는 타원형의 지구 동기 궤도로서, 이 궤도를 따라 공전하는 위성은 오랜 시간을 고위도 지역에서 보내게 된다. 이 궤도의 경사는 63.4도로, 지상에서의 궤도 조정 필요성이 최소화된다.<ref name="scs">{{서적 인용|url=https://books.google.com/books?id=PEsmLaDXzvsC&q=tundra&pg=PT110 |section=2.2.1.2 Tundra Orbits |isbn=978-1-119-96509-1 |title=Satellite Communications Systems: Systems, Techniques and Technology|last1=Maral |first1=Gerard |last2=Bousquet |first2=Michel |date=2011-08-24 }}</ref> 이 궤도가 담당하는 지역에 지속적인 통신 서비스를 제공하기 위하여 최소한 두 대 이상의 위성이 필요하다.<ref name="jenkin">{{콘퍼런스 인용|title=Tundra Disposal Orbit Study|surname1=Jenkin|given1=A.B.|surname2=McVey|given2=J.P.|surname3=Wilson|given3=J.R.|surname4=Sorge|given4=M.E.|date=2017|publisher=ESA Space Debris Office|conference=7th European Conference on Space Debris|url=https://conference.sdo.esoc.esa.int/proceedings/sdc7/paper/328|access-date=2017-10-02|archive-url=https://web.archive.org/web/20171002121240/https://conference.sdo.esoc.esa.int/proceedings/sdc7/paper/328|archive-date=2017-10-02|url-status=dead}}</ref> Sirius XM Satellite Radio가 이 궤도를 이용하여 미국 북부와 캐나다에 통신 서비스를 제공한다.<ref name="Sirius Launch">{{웹 인용
  | title=Sirius Rising: Proton-M Ready to Launch Digital Radio Satellite Into Orbit
  | url=http://www.americaspace.com/2013/10/18/sirius-rising-proton-m-ready-to-launch-digital-radio-satellite-into-orbit/
  | website=AmericaSpace
  | access-date=8 July 2017
  | date=2013-10-18
  | archive-url=https://web.archive.org/web/20170628043459/http://www.americaspace.com/2013/10/18/sirius-rising-proton-m-ready-to-launch-digital-radio-satellite-into-orbit/
  | archive-date=28 June 2017
  | url-status=live
  }}</ref>


==== Quasi-zenith orbit ====
Quasi-Zenith Satellite System (QZSS)는 [[궤도 이심률|이심률]]이 0.075이고 궤도 경사가 42도인 궤도를 따라 공전하는 세 대의 위성으로 구성된 시스템이다.<ref>{{인용|title=Interface Specifications for QZSS |version=version 1.7 |url=http://qz-vision.jaxa.jp/USE/is-qzss/index_e.html |date=2016-07-14 |author=Japan Aerospace Exploration Agency |pages=7–8 |url-status=dead |archive-url=https://web.archive.org/web/20130406032030/http://qz-vision.jaxa.jp/USE/is-qzss/index_e.html |archive-date=2013-04-06 }}</ref> 각 위성은 일본 상공에서 도시 거주자들에게 통신 서비스를 제공하고 [[오스트레일리아]] 상공을 빠르게 통과한다.<ref>{{웹 인용|url=http://qzss.go.jp/en/technical/technology/orbit.html |title=Quasi-Zenith Satellite Orbit (QZO) |access-date=2018-03-10 |archive-url=https://web.archive.org/web/20180309194252/http://qzss.go.jp/en/technical/technology/orbit.html |archive-date=2018-03-09 |url-status=live }}</ref>




== 발사 ==
{{multiple image|perrow = 1|total_width=
| image1 = Animation of EchoStar XVII trajectory.gif
| image2 = Animation of EchoStar XVII trajectory Equatorial view.gif
| footer = 정지 천이 궤도에서 지구 동기 궤도로의 이동.<br />{{legend2|magenta|[[EchoStar XVII]]}}{{·}}{{legend2|RoyalBlue|[[지구]]}}.
}}

지구 동기 궤도를 따라 공전하는 위성은 [[적도]]의 회전 속도와 일치하도록 동쪽으로 [[순행 운동]] 하게끔 발사된다. 위성이 발사되어 궤도의 수정 없이 가질 수 있는 최소의 궤도 경사는 발사 장소의 [[위도]]이므로 적도와 가까운 곳에서 위성을 발사하는 것은 향후 필요할 [[궤도 경사]] 수정의 양을 제한하는 효과가 있다.<ref name="conf"/> 추가적으로, 위성을 발사하면 발사 장소의 자전 속력만큼의 속력이 위성에 추가적으로 붙으므로 적도와 가까운 곳에서 위성을 발사하면 위성이 더 큰 추가 속력을 가지고 궤도에 진입하게 된다. 발사 장소는 동쪽에 수면 또는 [[사막]]이 있어 실패한 발사체가 주거 지역에 떨어지지 않게 해야 한다.<ref>{{웹 인용|url=https://www.eumetsat.int/website/home/Satellites/LaunchesandOrbits/LaunchingSatellites/index.html|title=Launching Satellites|website=[[EUMETSAT]]|확인날짜=2021-10-25|archive-date=2019-12-21|archive-url=https://web.archive.org/web/20191221164243/https://www.eumetsat.int/website/home/Satellites/LaunchesandOrbits/LaunchingSatellites/index.html|url-status=}}</ref>

대부분의 발사체는 지구 동기 궤도를 따라 공전할 위성을 [[정지 천이 궤도]]에 직접적으로 올려놓는다. 정지 천이 궤도는 그 원지점은 지구 동기 궤도의 높이에 있고 근지점은 낮은 궤도이다. 이후 위성의 추진력을 이용하여 근지점을 상승시켜 궤도를 원에 가깝게 하여 지구 동기 궤도에 이른다.<ref name="conf">{{콘퍼런스 인용|url=https://www.researchgate.net/publication/282014319 |conference=20th International Symposium on Space Flight Dynamics|first1=Nicholas |last1=Farber |first2=Andrea |last2=Aresini |first3=Pascal |last3=Wauthier |first4=Philippe |last4=Francken|date=September 2007 |title=A general approach to the geostationary transfer orbit mission recovery |page=2}}</ref><ref>{{웹 인용|url=http://www.planetary.org/blogs/jason-davis/20140116-how-to-get-a-satellite-to-gto.html |title=How to get a satellite to geostationary orbit |first=Jason |last=Davis|date=January 17, 2014|access-date=October 2, 2019 |publisher=The Planetary Society}}</ref>

어떤 정지 궤도를 따라 공전하는 물체도 그 궤도의 장축의 길이를 바꾸어 공전 주기를 1 항성일보다 짧거나 길게 하여 동쪽 또는 서쪽으로의 이동과 같은 효과를 얻고 원하는 경도에 다다르면 다시 그 공전 주기를 1 항성일로 맞출 수 있다.

== Proposed orbits ==
=== Statite ===

Statite는 태양 돛을 이용하여 [[태양풍]]을 그 추진력으로 사용하는 가상의 위성이다.<ref name="st"/> 이 위성은 지구의 태양 반대편 구역 중 위도 30도 정도의 지역에 있다. 이 위성은 매일 같은 시각에 지표면의 관측자가 관측할 때에 같은 지점에 있게 되므로 지구 동기 궤도를 따라 공전하는 위성과 비슷하게 작용한다.<ref name="st">{{cite patent |country = US |number = 5183225 |status = patent |title = Statite: Spacecraft That Utilizes Sight Pressure and Method of Use|pubdate = February 2, 1993 |pridate = 1989-01-09 |inventor-surname = Forward |inventor-given = Robert}}</ref><ref>{{잡지 인용|magazine=New Scientist |date=March 9, 1991 |title=Science: Polar 'satellite' could revolutionise communications|issue=1759|url=https://www.newscientist.com/article/mg12917594-000-science-polar-satellite-could-revolutionisecommunications/ |access-date=October 2, 2019}}</ref>

=== 우주 엘리베이터 ===

우주 엘리베이터는 지구 동기 궤도의 발전된 형태이다. 한쪽 끝이 지구에 고정되면 정지 궤도의 고도 아래에 있는 엘리베이터의 부분은 [[중력]]만 작용할 때보다 짧은 공전 주기를 가지게 된다.<ref>{{웹 인용|url=http://www.niac.usra.edu/files/studies/final_report/521Edwards.pdf |title=The Space Elevator NIAC Phase II Final Report |date=1 March 2003 |first=Bradley C. |last=Edwards |page=26 |publisher=[[NASA Institute for Advanced Concepts]]}}</ref>

== 수명을 다한 위성 ==

[[파일:Debris-GEO1280.jpg|섬네일|alt=우주에서 본 지구. 하얀 점에 둘러싸여 있다.|컴퓨터로 생성된 우주 쓰레기들의 모습. 지구 동기 궤도와 지구 저궤도에 각각 우주 쓰레기가 쌓여 있다.]]

지구 동기 궤도를 따라 공전하는 위성은 그 위치를 유지하기 위하여 어느 정도의 궤도 수정이 필요하다. 연료가 떨어지고 더 이상 쓸모없게 된 위성은 지구 동기 궤도보다 더 높은 graveyard orbit로 보내진다. 지구 동기 궤도를 따라 공전하던 위성을 아예 지구의 [[중력장]] 밖으로 보내버리는 것은 경제적이지 못하다.<ref>{{웹 인용 |url=https://www.nasa.gov/news/debris_faq.html |title=Frequently Asked Questions: Orbital Debris |publisher=NASA |date=September 2, 2011 |확인날짜=2021-10-25 |archive-date=2020-03-23 |archive-url=https://web.archive.org/web/20200323170238/https://www.nasa.gov/news/debris_faq.html |url-status= }}</ref> 위성의 사용 종료 절차에 대한 규제는 점점 강화되고 있으며 위성은 수명을 다할 때에 지구 동기 궤도보다 200km 이상 더 높아질 수 있어야 한다.<ref>{{웹 인용|url=https://phys.org/news/2017-04-satellites-die.html|title=Where old satellites go to die|website=phys.org|date=April 3, 2017|author=EUMETSAT|author-link=EUMETSAT}}</ref>


=== 우주 쓰레기 ===
지구 동기 궤도를 따라 공전하는 대부분의 물체는 같은 궤도면을 공유하므로 지구 저궤도에 있는 우주 쓰레기보다 충돌 속력이 느리다. 하지만 타원 궤도를 따라 공전하는 위성들은 충돌 속력이 초속 4km 정도까지 되게 할 수 있다. 충돌이 일어날 가능성이 작긴 하지만 지구 동기 궤도에 있는 위성이 모든 파편을 피할 수는 없다.<ref>{{웹 인용|url=https://physicsworld.com/a/space-debris-threat-to-geosynchronous-satellites-has-been-drastically-underestimated/|title=Space debris threat to geosynchronous satellites has been drastically underestimated|date=December 12, 2017|website=Physics World |first=Marric |last=Stephens}}</ref> 지름이 10cm 이하인 파편은 지구에서 관측할 수 없어서 그 위험을 평가하기가 어렵다.<ref name="telk1">{{웹 인용|url=https://spacenews.com/exoanalytic-video-shows-telkom-1-satellite-erupting-debris/|title=ExoAnalytic video shows Telkom-1 satellite erupting debris|date=August 30, 2017|website=SpaceNews.com |first=Caleb |last=Henry}}</ref>

위험을 줄이기 위한 노력에도 불구하고 1993년 8월 11일에 [[유럽우주국]] 통신 위성 Olympus-1이 [[소행성]]과 충돌하여 graveyard orbit로 옮겨졌다.<ref name="The Olympus failure">[http://www.selkirkshire.demon.co.uk/analoguesat/olympuspr.html "The Olympus failure"] ''ESA press release'', August 26, 1993.  {{webarchive |url=https://web.archive.org/web/20070911181644/http://www.selkirkshire.demon.co.uk/analoguesat/olympuspr.html |date=September 11, 2007 }}</ref> 또한, 2006년에는 러시아의 통신 위성 Express-AM11이 미상의 물체와 충돌하여 graveyard orbit로 옮겨졌다.<ref name=srdc20060419>{{웹 인용|url=http://www.spaceref.com/news/viewsr.html?pid=20320|title=Notification for Express-AM11 satellite users in connection with the spacecraft failure|publisher=Russian Satellite Communications Company|date=April 19, 2006|via=Spaceref|확인날짜=2021-10-25|archive-date=2013-01-04|archive-url=https://archive.today/20130104185122/http://www.spaceref.com/news/viewsr.html?pid=20320|url-status=}}</ref> 2017년에는 AMC-9와 Telekom-1이 미상의 원인에 의하여 분해되었다.<ref>{{웹 인용|url=https://spacenews.com/op-ed-do-we-care-about-orbital-debris-at-all/|title=Do we care about orbital debris at all?|first=James E.|last=Dunstan|date=January 30, 2018|website=SpaceNews.com}}</ref><ref name="telk1"/><ref>{{웹 인용|url=http://spaceflight101.com/amc-9-satellite-anomaly-orbit-change/|title=AMC 9 Satellite Anomaly associated with Energetic Event & sudden Orbit Change – Spaceflight101|date=June 20, 2017|website=spaceflight101.com|확인날짜=2021-10-25|archive-date=2019-12-26|archive-url=https://web.archive.org/web/20191226011502/http://spaceflight101.com/amc-9-satellite-anomaly-orbit-change/|url-status=}}</ref>

== 특성 ==
지구 동기 궤도는 다음과 같은 특징을 지닌다.
* 주기: 1436분 (1 항성일)
* 장반경: 42,164 km

=== 주기 ===
모든 지구 동기 궤도는 정확히 1 항성일의 주기를 가진다.<ref>{{서적 인용|editor-first1=Vladimir|editor-last1=Chobotov |year=1996 |title=Orbital Mechanics |url=https://archive.org/details/orbitalmechanics0000unse_x2j5|publisher=AIAA Education Series |page=[https://archive.org/details/orbitalmechanics0000unse_x2j5/page/n325 304]|edition=2nd|location=Washington, DC|isbn=9781563471797|oclc=807084516}}</ref> 이는 지구 동기 궤도를 따라 공전하는 위성은 다른 궤도 요소와 상관없이 지표면의 똑같은 지점 위로 매 항성일마다 돌아온다는 것이다.<ref>
{{서적 인용|title=Fundamentals of Astrodynamics and Applications |last=Vallado |first=David A. |year=2007 |publisher=Microcosm Press |location=Hawthorne, CA  |pages=31|oclc=263448232}}
</ref><ref name="smad"/>{{rp|121}} 이 궤도의 주기 T는 다음의 공식에 의하여 궤도의 장반경에 의존한다.

: <math>T = 2\pi\sqrt{a^3 \over \mu}</math>

이때
: {{mvar|a}}는 궤도의 장반경
: <math>\mu</math>는 천체의 표준 중력 변수이다.<ref name="smad"/>{{rp|137}}

=== 궤도 경사 ===
지구 동기 궤도는 어떤 경사이든 가질 수 있다. 지구 동기 궤도를 따라 공전하는 위성은 일반적으로 0도의 궤도 경사를 가진다. 이는 그 궤도가 항상 적도 상공에 있어 지표면의 관찰자 입장에서 위성의 경도가 항상 같음을 의미한다.<ref name="smad"/>{{rp|122}}

다른 흔히 알려진 지구 동기 궤도의 궤도 경사는 툰드라 궤도의 63.4도이다. 이 경사를 가지는 지구 동기 궤도의 [[근점 편각]]은 변하지 않는다.<ref name="scs"/>

=== Ground track ===
특수한 정지 궤도에 있어서는 그 궤도를 따라 공전하는 위성의 Ground track이 적도상의 한 점이다. 궤도 경사 또는 [[궤도 이심률|이심률]]이 0이 아닌 일반적인 정지 궤도를 따라 공전하는 위성의 Ground track은 8자 모양이며, 매 항성일마다 제자리로 돌아온다.<ref name="smad"/>{{rp|122}}

== 같이 보기 ==
* [[정지 궤도]]
* [[지구 저궤도]]
* [[지구 중궤도]]
== 각주 ==

{{각주}}
{{궤도}}

[[분류:지구 궤도]]
[[분류:지구 동기 궤도의 인공위성| ]]