Quỹ đạo địa tĩnh là một quỹ đạo Trái đất tầm cao cho phép vệ tinh khớp với chuyển động quay của Trái đất. Nằm ở độ cao 35.786 km phía trên đường xích đạo của Trái đất, vị trí này là một địa điểm lí tưởng cho việc theo dõi thời tiết, viễn thông và do thám.
Bởi vì vệ tinh quay cùng tốc độ với chuyển động tự quay của Trái đất, nên vệ tinh sẽ giống như ở tại chỗ trên một đường kinh độ, mặc dù nó có thể trôi giạt từ bắc xuống nam.
Các vệ tinh được thiết kế quay xung quanh Trái đất theo một trong ba quỹ đạo cơ bản được xác định bởi khoảng cách của chúng đến hành tinh: quỹ đạo Trái đất tầm thấp, quỹ đạo Trái đất trung bình hoặc quỹ đạo Trái đất tầm cao. Vệ tinh càng ở cao so với mặt đất (hoặc bất cứ hành tinh nào khác), thì nó chuyển động càng chậm. Đây là do tác dụng của trọng lực của Trái đất; trọng lực hút các vệ tinh ở gần mạnh hơn hút các vệ tinh ở xa.
Vì thế, một vệ tinh ở quỹ đạo Trái đất tầm thấp – ví dụ Trạm Vũ trụ Quốc tế, ở độ cao chừng 400 km – sẽ chuyển động so với mặt đất, nhìn thấy ở những vùng khác nhau tại những thời điểm khác nhau trong ngày. Những vệ tinh ở quỹ đạo Trái đất trung bình (từ 2.000 đến 35.780 km) chuyển động chậm hơn, cho phép nghiên cứu chi tiết hơn một vùng nào đó. Tuy nhiên, ở quỹ đạo địa tĩnh, chu kì quỹ đạo của vệ tinh khớp với quỹ đạo của Trái đất (chừng 24 giờ), và vệ tinh xuất hiện hầu như ở một điểm cố định; nó ở nguyên tại một kinh độ, nhưng quỹ đạo của nó có thể bị nghiêng, một vài độ bắc hoặc nam.
Trung tâm Dự báo Thời tiết trực thuộc Cục Hải dương và Khí quyển Hoa Kì sử dụng năm vệ tinh địa tĩnh: GOES-11, GOES-13, MSG-2, Meteosat-7 và MTSAT-2. Ảnh: NASA/Goddard Space Flight Center Scientific Visualization Studio
Lợi ích
Một vệ tinh trong quỹ đạo địa tĩnh có thể nhìn về một địa điểm trên mặt đất trong hầu như suốt thời gian. Đối với nhiệm vụ quan sát mặt đất, điều này cho phép vệ tinh khảo sát một vùng biến đổi bao nhiêu theo hằng tháng hoặc hằng năm. Nhược điểm là vệ tinh bị hạn chế với một mảng nhỏ trên mặt đất; nếu một thảm họa thiên nhiên xảy ra ở đâu đó khác, chẳng hạn, thì vệ tinh sẽ không thể di chuyển sang nơi đó do các yêu cầu nhiên liệu.
Đây là một lợi ích to lớn cho ngành quân sự. Ví dụ, nếu nước Mĩ quan ngại về các hoạt động ở một vùng nhất định trên thế giới – hoặc muốn giám sát xem quân đội đang làm việc như thế nào – thì một quỹ đạo địa tĩnh cho phép chụp ảnh liên tục và trinh sát một vùng nhất định nào đó. Một thí dụ là vệ tinh Wideband Global SATCOM5 của nước Mĩ, phóng lên hồi năm 2013. Gia nhập một “chòm sao” cùng bốn vệ tinh WGS khác, nó mở rộng hệ thống viễn thông của quân đội bao quát hầu như toàn bộ hành tinh.
Viễn thông dân sự cũng hưởng lợi từ quỹ đạo địa tĩnh. Có vô số công ti cung cấp điện thoại, Internet, truyền hình và các dịch vụ khác thu từ vệ tinh trên quỹ đạo địa tĩnh. Vì vệ tinh liên tục hướng về một địa điểm trên mặt đất, nên tín hiệu viễn thông từ địa điểm đó là đáng tin cậy miễn là vệ tinh còn được kết nối với địa điểm mà bạn muốn truyền tín hiệu.
Hình minh họa quỹ đạo xích đạo địa tĩnh trong đó đa số vệ tinh viễn thông và vệ tinh thời tiết đang hoạt động. Ảnh: Smithsonian National Air and Space Museum
Cạnh tranh quỹ đạo
Theo trang Satellite Signals, có 402 vệ tinh trong quỹ đạo địa tĩnh. Ở quỹ đạo địa tĩnh, “vành đai” bao quanh Trái đất đó có thể chứa một số vệ tinh – lên tới 1800, theo một phân tích của Lawrence Roberts công bố trên tập san Berkeley Technology Law Review. Tuy nhiên, có những hạn chế công nghệ nhất định.
Đặc biệt, các vệ tinh phải duy trì trong một khu vực rất hạn hẹp và không trôi dạt quá xa khỏi “điểm cắm” được gán ban đầu của chúng phía trên Trái đất; nếu không chúng có thể gây đe dọa cho những vệ tinh khác. Hiệp hội Viễn thông Quốc tế quy định điểm cắm cho quỹ đạo địa tĩnh và giải quyết tranh chấp giữa các nước về các điểm cắm.
Tương tự, Hiệp hội Viễn thông Quốc tế còn xem xét việc di chuyển các vệ tinh đã gần như không còn sử dụng vào quỹ đạo “nghĩa địa” phía trên quỹ đạo địa tĩnh trước khi chúng cạn kiệt nhiên liệu, để dọn sạch đường cho thế hệ vệ tinh tiếp theo.
Các vệ tinh còn phải được bố trí cách nhau đủ xa để tín hiệu truyền thông của chúng không gây nhiễu cho nhau, khoảng cách trung bình là từ 1 đến 3 độ. Khi công nghệ được cải tiến, người ta có thể bố trí nhiều vệ tinh hơn vào một vùng cắm nhỏ hơn.
Nguồn: Space.com
