สวัสดีครับ สำหรับท่านที่หลงเข้ามาอ่าน ครั้งนี้ก็เป็นเรื่องของวงโคจรอีกแล้วครับ ตามหัวข้อเลยครับนั่นคือ วงโคจรแบบสัมพันธ์ดวงอาทิตย์ หรือ Sun-Synchronous Orbit วงโคจรประเภทนี้คืออะไร แล้วเราใช้ประโยชน์อะไรจากวงโคจรประเภทนี้???
Sun-Synchronous Orbit คือวงโคจรที่ถูกออกแบบมาให้โคจรผ่านพื้นที่เดิมซ้ำๆในเวลาท้องถิ่น เช่น ดาวเทียม Napa- 2N จะโคจรผ่านประเทศไทยเวลา 10.30 นาฬิกาของทุกๆวัน วงโคจรนี้ถูกนำมาใช้กับดาวเทียมที่มี Payload แบบ Optical สำหรับถ่ายภาพในภารกิจการลาดตระเวน หรือการสำรวจทรัพยากรธรรมชาติ และ เกษตรกรรม เนื่องจาก Payload แบบ Optical มักจะตรวจวัดแสงในย่านความถี่ 400 - 700 นาโนเมตร หรือ Visible Light นั่นหมายความว่าช่วงเวลาที่ดาวเทียมจะสามารถถ่ายภาพได้จำเป็นต้องเป็นตอนกลางวันเท่านั้น และเป็นช่วงที่ดาวเทียมมีดวงอาทิตย์อยู่ฉากหลัง
รูปที่ 1 : แสดงมุมของแสงอาทิตย์เมื่อดาวเทียมผ่านกับเวลาท้องถิ่นที่ 10.30
เวลาท้องถิ่นที่ถูกกำหนด หรือ LTAN (Local Time of Ascending Node) ของวงโคจรแบบ Sun-Synchronous Orbit จะถูกกำหนดไว้ที่ประมาณ 10.30 ตามเวลาท้องถิ่น การไม่ถูกเลือกให้เป็น 12.00 (Noon - Midnight Orbit) เนื่องจากจะส่งผลให้ เงาของวัตถุหายไป ทำให้ยากต่อการระบุมิติความลึกของพื้นผิวโลก ซึ่งเป็นข้อมูลสำคัญต่อการแปลความภาพถ่าย รวมถึงแสงสะท้อนโดยตรงจากการตั้งฉากของดวงอาทิตย์ ส่งผลให้ภาพถ่ายพื้นผิวโลกมีปริมาณแสงที่มากเกินไป ส่งผลต่อการวัดค่าในทางรังสีวิทยา
การเข้าเงาโลกของดาวเทียมแบบ Sun-Synchronous Orbit เมื่อเทียบกับในกรณีที่ LTAN 12.00 กับ 10.30 จะได้ว่า
เมื่อ LTAN : 12.00 มุม Beta จะเปลี่ยนแปลงในรอบปีซึ่งอยู่ระหว่าง -23 ถึง 23 องศา โดยมีช่วงเวลาที่เข้าเงาโลกนานสุดที่ มุม Beta = 0 องศา แม้ว่าระนาบวงโคจรจะคงที่ แต่การเกิด ฤดูกาลบนโลกจากการเอียงของแกนโลกที่ประมาณ 23.5 องศา ทำให้มุมเวกเตอร์ของแสงนั้นแตกต่างไปในแต่ละฤดูกาล สำหรับ LTAN : 12.00 ที่มุม Beta = 0 องศา จะเป็นช่วง Vernal Equinox และ Autumnal Equinox
เมื่อ LTAN : 10.30 มุม Beta จะเปลี่ยนแปลงในรอบปี ซึ่งอยู่ระหว่าง -20 ถึง 45 องศา (ไม่มีช่วงที่ Beta = 0 องศา)
รูปที่ 2 : แสดงมุมของแสงอาทิตย์เมื่อดาวเทียมผ่านกับเวลาท้องถิ่นที่ 12.00 (์Noon)
Sun-Synchronous บางประเภทสามารถรักษาระนาบวงโคจรของดาวเทียมให้ไม่เข้าเงาโลกได้เกือบตลอดทั้งปี (ยกเว้นช่วง Equinox ที่อาจจะมีเวลาในเงาโลกประมาณ 10-15 นาที) การรักษาระนาบนี้ทำให้ดาวเทียมสามารถรับพลังงานแสงอาทิตย์ได้ตลอดทั้งวัน แต่ก็ต้องแลกมาด้วยผลกระทบจากอุณหภูมิที่สูงขึ้นของดาวเทียม เช่นวงโคจร Dawn - Dusk Sun-Synchronous Orbit เป็นวงโคจรที่มี LTAN (Local Time of Ascending Node) ที่เวลา 06.00 (Dawn) หรือ 18.00 (Dusk) ซึ่งมุม Beta Angle (มุมที่วัดระหว่างระนาบวงโคจรกับเวกเตอร์ของแสงอาทิตย์) จะประมาณ 90 องศา ทำให้เส้นวงโคจรของดาวเทียม โคจรอยู่เหนือเส้นแบ่งกลางวัน-กลางคืนของโลก ส่งผลให้ระนาบวงโคจรไม่ตัดผ่านกรวยเงาของโลกเลย
รูปที่ 3 : แสดงมุมของแสงอาทิตย์เมื่อดาวเทียมผ่านกับเวลาท้องถิ่นที่ 06.00 (Dawn)
Sun-Synchronous Orbit เป็นวงโคจรที่มีอัตราการบิดตัว (Precession) ของวงโคจรเท่ากับการเปลี่ยนแปลงมุมของดวงอาทิตย์ งงไหมครับ
เนื่องจากการโคจรของโลกที่เคลื่อนที่ไปบนระนาบสุริยะวิถี ใน 1 ปี หรือ 365 วัน จะมีมุมกวาดบนระนาบวงโคจรครบ 360 องศา ในหมายความว่า ใน 1 วัน โลกจะมีตำแหน่งขยับไปบนระนาบสุริยะวิถีประมาณ 1 องศา (0.98 องศาโดยประมาณ) ต่อวัน ในมุมมองคติเมื่อโลกเป็นศูนย์กลาง ดวงอาทิตย์จะขยับตำแหน่งบนระนาบสุริยะวิถีวันละประมาณ 1 องศาเช่นกัน
ปรากฎการณ์นี้ทำให้วงโคจร จำเป็นต้องมีการบิดตัวของระนาบวงโคจรให้มีอัตราการเปลี่ยนแปลงเชิงมุมเท่ากับอัตราการเปลี่ยนแปลงเชิมมุมของดวงอาทิตย์เช่นกัน แต่เนื่องด้วย ผลกระทบที่เกิดจากความไม่สมบูรณ์ของโลก (ตามหัวข้อของบทความเลยครับ) ส่งผลให้ระนาบวงโคจรของดาวเทียมเกิดการบิดตัวอยู่ตลอดเวลา (รายละเอียดเพื่มเติมสามารถอ่านได้จากบทความ : Earth Second Zonal Harmonic : การรบกวนที่ส่งผลต่อวงโคจร) Sun-Synchronous Orbit จึงเป็นวงโคจรที่อาศัยความไม่สมบูรณ์แบบนี้ ทำให้ดาวเทียมสามารถตอบสนองต่อภารกิจได้อย่างสมบูรณ์
Sun-Synchronous Orbit ส่วนใหญ่จะมีค่า Inclination ที่ประมาณ 98 องศา (Retrograde) เนื่องจาก Inclination ที่มากกว่า 90 องศา การบิดตัวของระนาบวงโคจรจะขยับไปทางทิศตะวันออก ซึ่งเป็นทิศทางเดียวกับการขยับของดวงอาทิตย์ การกำหนดความสูงและค่า Inclination ที่เหมาะสมจะทำให้อัตราการบิดตัวของระนาบวงโคจรเท่ากับอัตราการเปลี่ยนแปลงเชิมมุมของดวงอาทิตย์พอดี หากวงโคจรมีความสูงมากขึ้น ผลกระทบของ J2 Perturbations จะน้อยลง ยกตัวอย่างให้เห็นดังนี้ครับ
1. ดาวเทียม Theos มีความสูงประมาณ 800 กิโลเมตร มีค่า Inclination 98.6 องศา
2. ดาวเทียม Napa-2N มีความสูงประมาณ 500 กิโลเมตร มีค่า Inclination 97.7 องศา
เนื่องจากความสูงที่เพิ่มขึ้นส่งผลให้การบิดตัวของระนาบวงโคจรนั้นช้าลง ดาวเทียม Theos จึงต้องใช้ Inclination ที่มากกว่าดาวเทียม Napa-2N เพื่อเพิ่มอัตราการบิดตัวของระนาบวงโคจรให้พอดีกับการขยับของดวงอาทิตย์
รูปที่ 4 : แสดงการบิดของระนาบวงโคจรของดาวเทียมแบบ Sun-Synchronous Orbit ใน 1 ปี
หากเราปรับวงโคจรให้เป็นแบบ Polar Orbit หรือวงโคจรแนวเหนือ-ใต้ มันแน่นอนครับที่ดาวเทียมจะเคลื่อนที่ผ่านทุกตำแหน่งของโลก แต่วงโคจรแบบ Polar Orbit คือวงโคจรที่มี Inclination 90 องศา ซึ่งมันไม่ได้รับผลกระทบจาก J2 Perturbations เลย คือมันไม่บิดระนาบวงโคจรไปไหนเลย ดังนั้นวงโคจรนี้จึงไม่สามารถทำให้มันสัมพันธ์กับดวงอาทิตย์ได้เลย
รูปที่ 5 : แสดงความคงที่ของระนาบวงโคจรแบบ Polar Orbit ใน 1 ปี
บทความโดย
ร.ท.เอกพล ไพบูลย์นภาพงศ์