Selección de Órbitas Satelitales para Observación de la Tierra

Carlos Duarte Muñoz

Fecha: 2015-10-01


Uno de los resultados principales del análisis de una misión espacial es seleccionar la órbita que mejor cumpla con los objetivos de la misión. Para definir la órbita óptima se lleva a cabo un proceso iterativo en que se hacen muchas concesiones entre requerimientos en conflicto con el fin de encontrar una órbita adecuada que cumpla con los objetivos de la misión. Debido a que el abanico de posibilidades de una misión espacial es enorme, en esta ocasión nos concentraremos en la selección de órbitas para aplicaciones de observación de la tierra.
 
Las áreas que monitorea un sensor montado en un satélite, a medida que viaja alrededor de la tierra, dependen del campo de visión del instrumento (Instrument Field of View o IFOV por sus siglas en inglés) y de parámetros orbitales como la altitud y la inclinación que determinan la huella de satélite sobre la superficie de la tierra. Una órbita de gran altitud permite cubrir áreas muy grandes a expensas de perder resolución. Una órbita baja, por el contrario permite observar más detalles pero cubrirá un área pequeña y pasará muy poco tiempo por una localidad determinada.
 
 
 
Por otra parte la inclinación de la órbita determina la máxima latitud de observación del satélite. Una órbita polar puede observar toda la tierra, mientras que una órbita ecuatorial solamente observará regiones sobre el ecuador.
 
Además, la forma de la órbita es importante: una órbita circular generará una resolución igual para todos los sitios observados. Una órbita altamente elíptica cambiará su resolución dependiendo de la altura a la que se encuentre el satélite, pero tendrá la ventaja de aumentar el tiempo de cobertura en una región determinada.
 
Empecemos enumerando algunas propiedades deseables de las órbitas de observación de la tierra.
 
1. La anchura y resolución de las observaciones deberá ser igual para las diferentes regiones que observe el satélite.
 
2. La variación en la intensidad de brillo de las superficies que se observan desde el satélite debe ser mínima durante la operación del satélite.
 
3. La cobertura repetida de una determinada región de la tierra debe llevarse a cabo a intervalos regulares.
 
Y ahora veamos qué se necesita para cumplirlas:
 
1. Para conseguir una anchura de barrido y resolución iguales para las diferentes regiones que observe el satélite se requiere que la órbita sea circular, es decir que mantenga la misma altura sobre la tierra en todo su recorrido.
 
2. La iluminación solar constante es uno de los objetivos más deseables de la órbita. La órbita que logra esto es la heliosincrónica, la cual conserva la misma orientación respecto al sol.
 
 
Providencialmente, esta órbita se logra mediante el aprovechamiento de forma achatada de la tierra.
 
3.- Esta condición se lograr seleccionando adecuadamente la altitud y la inclinación de la órbita.
 
Órbitas heliosíncronas
 
Dado que la tierra gira alrededor del sol en una órbita aproximadamente circular que dura 365 días, cada día la orientación del sol respecto a las estrellas fijas se recorre aproximadamente 1 grado hacia el este. Por lo tanto, para que una órbita sea heliosíncrona, se requiere que vaya cambiando su orientación en la misma medida. Esto se logra afortunadamente por el hecho de que la tierra no es una esfera perfecta. La masa extra en el ecuador con respecto a los polos crea un torque en el satélite que hace que la órbita gire. Esto da lugar a un cambio en la ubicación del nodo ascendente conocido como regresión nodal. La tasa de regresión del plano de la órbita depende principalmente de su altitud y su inclinación.
 
Para una altitud dada, se puede escoger una inclinación de la órbita de manera que la regresión nodal de la órbita del satélite sea igual al desplazamiento aparente del sol. Si se desea cruzar el nodo a una cierta hora local, el plano de la órbita deberá estar orientado de acuerdo a esa hora. La tierra gira 360 ° en aproximadamente 23 horas 56 minutos, es decir, 15.042 / ° hora. Para órbitas terrestres bajas, la inclinación sincronizada con el sol está entre 90 ° y 100 ° para satisfacer el requisito para acceder a toda la tierra.
 
Por las razones anteriores, la órbita heliosíncrona es óptima para aplicaciones hidrometeorológicas y de monitoreo de recursos naturales.
Esta órbita tiene las siguientes ventajas adicionales.
 
1) Simplifica el diseño de los satélites ya que la orientación de los páneles solares es constante durante toda la misión. Además, por la misma razón, el mantenimiento térmico es más simple.
 
2) La conveniencia de que las sesiones de comunicación se lleven a cabo a la misma hora del día aproximadamente.
 
Además, dado que el desarrollo de la capa de nubes por encima de la superficie de la tierra ocurre con mayor intensidad en la segunda mitad del día, se aprovecha la primera mitad del día para la observación de la tierra, típicamente entre las 9 y las 11am.
 
En las siguientes animaciones podemos ver una simulación de una órbita heliosíncrona con una inclinación de 97.047º una altura de 400 Km y que pasa aproximadamente a las 10:30am para hacer observaciones.
 

 

 

 

 
 
Hemos visto entonces que las órbitas óptimas para misiones de observación de la tierra son las heliosíncronas. Conocida la altura a la que queremos hacer las observaciones, podemos calcular la inclinación y de ahí determinar los demás parámetros de la órbita. El tiempo de realización de las observaciones está determinado por el tiempo de lanzamiento del satélite.
 
Las órbitas heliosíncronas no son desde luego las únicas para aplicaciones de observación, pero sí las más prácticas cuando queremos realizar las observaciones con nivel similar de observación. Es providencial que la manera de realizar estas órbitas se deba a la no esfericidad de la tierra. Dado que otros cuerpos celestes también son achatados debido a su rotación, es posible lograr órbitas heliosíncronas en planetas como Marte.



Etiquetas: Órbitas,Satelitales,Observación,Tierra,misión

Revista Hacia El Espacio de divulgación de la ciencia y tecnología espacial de la Agencia Espacial Mexicana.




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