Quỹ đạo đồng bộ Mặt Trời

Sun-synchronous orbit (SSO), còn gọi là quỹ đạo đồng bộ Mặt Trời, là một quỹ đạo gần cực quanh một hành tinh, trong đó vệ tinh bay qua cùng một điểm trên bề mặt hành tinh vào cùng một thời gian Mặt Trời. Nói chính xác hơn, đây là quỹ đạo được thiết kế sao cho mặt phẳng quỹ đạo quay (tiến động) một vòng hoàn chỉnh mỗi năm, nhờ đó luôn giữ nguyên mối quan hệ với Mặt Trời.

Ứng dụng 
Quỹ đạo đồng bộ Mặt Trời rất hữu ích cho các vệ tinh chụp ảnh, trinh sát và khí tượng, bởi vì mỗi lần vệ tinh bay qua một khu vực, góc chiếu sáng của bề mặt hành tinh bên dưới gần như giống nhau. Điều kiện ánh sáng ổn định này là đặc điểm quan trọng đối với:

 Vệ tinh chụp ảnh Trái Đất trong dải ánh sáng nhìn thấy hoặc hồng ngoại (ví dụ: vệ tinh thời tiết, vệ tinh do thám)
 Các vệ tinh viễn thám khác (quan sát đại dương, khí quyển) cần ánh sáng Mặt Trời

Ví dụ:

Một vệ tinh SSO có thể bay qua xích đạo 12 lần mỗi ngày, và mỗi lần đều vào khoảng 15:00 theo thời gian Mặt Trời trung bình địa phương.

Các trường hợp đặc biệt của quỹ đạo đồng bộ Mặt Trời (SSO) là quỹ đạo trưa/nửa đêm (noon/midnight orbit), trong đó thời gian Mặt Trời trung bình địa phương của lần bay qua đối với các vĩ độ xích đạo vào khoảng buổi trưa hoặc nửa đêm, và quỹ đạo bình minh/hoàng hôn (dawn/dusk orbit), trong đó thời gian Mặt Trời trung bình địa phương của lần bay qua đối với các vĩ độ xích đạo vào khoảng lúc mặt trời mọc hoặc mặt trời lặn, sao cho vệ tinh bay dọc theo đường phân chia giữa ngày và đêm (terminator).

Việc bay dọc theo đường terminator này hữu ích đối với các vệ tinh radar chủ động, vì các tấm pin Mặt Trời của vệ tinh luôn có thể nhìn thấy Mặt Trời mà không bị Trái Đất che khuất. Điều này cũng hữu ích đối với một số vệ tinh mang thiết bị thụ động cần hạn chế ảnh hưởng của Mặt Trời đến các phép đo, vì có thể luôn hướng các thiết bị về phía mặt đêm của Trái Đất.

Quỹ đạo bình minh/hoàng hôn đã được sử dụng cho các vệ tinh khoa học quan sát Mặt Trời như TRACE, Hinode và PROBA-2, cho phép chúng có góc nhìn gần như liên tục về Mặt Trời.

Tiến động quỹ đạo (Orbital precession) 
Quỹ đạo đồng bộ Mặt Trời (Sun-synchronous orbit) đạt được bằng cách để mặt phẳng quỹ đạo xấp xỉ (osculating orbital plane) tiến động (xoay) về phía đông khoảng một độ mỗi ngày so với bầu trời sao, để theo kịp chuyển động của Trái Đất quanh Mặt Trời. Tiến động này đạt được bằng cách điều chỉnh độ nghiêng của quỹ đạo theo độ cao (xem phần Chi tiết kỹ thuật), sao cho phần phình ở xích đạo của Trái Đất, vốn gây ảnh hưởng lên các quỹ đạo nghiêng, sẽ khiến mặt phẳng quỹ đạo của tàu vũ trụ tiến động với tốc độ mong muốn. Mặt phẳng quỹ đạo không cố định trong không gian đối với các ngôi sao xa, mà xoay chậm quanh trục Trái Đất.

Các quỹ đạo đồng bộ Mặt Trời điển hình quanh Trái Đất có độ cao khoảng 600–800 km, với chu kỳ khoảng 96–100 phút, và độ nghiêng xấp xỉ 98°. Đây là quỹ đạo hơi nghịch (retrograde) so với hướng quay của Trái Đất: 0° là quỹ đạo xích đạo, và 90° là quỹ đạo cực.

Quỹ đạo đồng bộ Mặt Trời cũng có thể thực hiện được quanh các hành tinh phình ở hai cực (oblate), chẳng hạn như Sao Hỏa. Một vệ tinh quay quanh một hành tinh gần như hình cầu, chẳng hạn Sao Kim, sẽ cần một lực bên ngoài để duy trì quỹ đạo đồng bộ Mặt Trời.

Chi tiết kỹ thuật 
Tiến động góc (angular precession) trên mỗi vòng quỹ đạo của một vệ tinh quay quanh Trái Đất được xấp xỉ cho bởi
  
Trong đó
  là hệ số của số hạng zonal thứ hai liên quan đến độ phình của Trái Đất,
  là bán kính trung bình của Trái Đất,
  là nửa trục phụ (semi-latus rectum) của quỹ đạo,
  là độ nghiêng của quỹ đạo so với xích đạo.

Một quỹ đạo sẽ là quỹ đạo đồng bộ Mặt Trời khi tốc độ tiến động bằng tốc độ chuyển động trung bình của Trái Đất quanh Mặt Trời Sun , bằng 360° mỗi năm sao ().

Do đó, ta phải đặt: , trong đó  là chu kỳ quỹ đạo của Trái Đất quanh Mặt Trời còn  là chu kỳ quay của tàu vũ trụ quanh Trái đất.

Chu kỳ quỹ đạo của một tàu vũ trụ là:
 

trong đó  là bán trục lớn của quỹ đạo,  là tham số hấp dẫn tiêu chuẩn của hành tinh ( đối với Trái đất); vì  đối với quỹ đạo tròn hoặc gần tròn nên suy ra
 

hoặc khi  = 360° mỗi năm,
 

Ví dụ, với  = , tức độ cao  ≈  so với bề mặt Trái Đất, công thức này cho độ nghiêng của quỹ đạo đồng bộ Mặt Trời là 98,7°.

Lưu ý rằng theo xấp xỉ này,  bằng −1 khi bán trục lớn a=, nghĩa là chỉ những quỹ đạo thấp hơn mới có thể là quỹ đạo đồng bộ Mặt Trời. Chu kỳ quỹ đạo có thể nằm trong khoảng:

 88 phút cho quỹ đạo rất thấp ( = ,  = 96°) 
 đến 3,8 giờ ( = , nhưng quỹ đạo này sẽ là xích đạo, với  = 180°). Một chu kỳ dài hơn 3,8 giờ vẫn có thể thực hiện được bằng cách sử dụng quỹ đạo elip với  <  nhưng  > .

Nếu muốn vệ tinh bay qua một vị trí nhất định trên Trái Đất vào cùng giờ mỗi ngày, vệ tinh phải hoàn tất một số nguyên vòng quỹ đạo mỗi ngày.

Giả sử quỹ đạo tròn, điều này sẽ nằm trong khoảng từ 7 đến 16 vòng mỗi ngày, vì:

 ít hơn 7 vòng → độ cao sẽ vượt quá giới hạn tối đa cho quỹ đạo đồng bộ Mặt Trời
 nhiều hơn 16 vòng → quỹ đạo sẽ nằm bên trong bầu khí quyển hoặc dưới bề mặt Trái Đất

Các quỹ đạo hợp lệ tương ứng được trình bày trong bảng sau.

(Bảng này ban đầu được tính dựa trên các chu kỳ quỹ đạo cho trước. Tuy nhiên, đối với quỹ đạo đồng bộ Mặt Trời, chu kỳ sử dụng nên dài hơn một chút so với chu kỳ danh nghĩa (nodal period).)

Một quỹ đạo đồng bộ Mặt Trời cắt xích đạo theo một hướng trong  có chu kỳ thực sự xấp xỉ .)

Khi nói rằng một quỹ đạo đồng bộ Mặt Trời (Sun-synchronous orbit) đi qua một điểm trên Trái Đất vào cùng giờ địa phương mỗi lần, điều này ám chỉ thời gian Mặt Trời trung bình (mean solar time), chứ không phải thời gian Mặt Trời biểu kiến (apparent solar time). Trong suốt năm, Mặt Trời sẽ không ở đúng vị trí giống hệt trên bầu trời (xem phương trình thời gian – Equation of time – và Analemma).

Các quỹ đạo đồng bộ Mặt Trời chủ yếu được chọn cho vệ tinh quan sát Trái Đất, với độ cao thường từ 600 đến 1000 km so với bề mặt Trái Đất.

Mặc dù một quỹ đạo vẫn duy trì tính đồng bộ với Mặt Trời, các tham số quỹ đạo khác như góc đối điểm cận (argument of periapsis) và độ lệch tâm quỹ đạo (orbital eccentricity) vẫn thay đổi, do:

 các nhiễu động bậc cao trong trường hấp dẫn của Trái Đất,
 áp lực ánh sáng Mặt Trời,
 và các nguyên nhân khác.

Các vệ tinh quan sát Trái Đất đặc biệt ưu tiên quỹ đạo có độ cao gần như không đổi khi đi qua cùng một điểm.

Việc chọn lọc cẩn thận độ lệch tâm và vị trí cận điểm (perigee) sẽ cho ra các tổ hợp đặc biệt mà tốc độ thay đổi của các nhiễu động được giảm thiểu, do đó quỹ đạo tương đối ổn định – được gọi là quỹ đạo “đóng băng” (frozen orbit), trong đó vị trí cận điểm gần như ổn định. 

Ví dụ, các vệ tinh ERS-1, ERS-2 và Envisat của Cơ quan Vũ trụ châu Âu (ESA), cũng như vệ tinh MetOp của EUMETSAT và RADARSAT-2 của Cơ quan Vũ trụ Canada, đều hoạt động trong các quỹ đạo đồng bộ Mặt Trời đóng băng như vậy.

Xem thêm 
 
 Analemma
 Quỹ đạo địa đồng bộ
 Quỹ đạo địa tĩnh
 Quỹ đạo cực
 Hệ thống trắc địa thế giới

Tham khảo

Xem thêm 
 Sandwell, David T., The Gravity Field of the Earth - Part 1 (2002) (p. 8)
 Sun-Synchronous Orbit dictionary entry, from U.S. Centennial of Flight Commission
 NASA Q&A

Liên kết ngoài 
 List of satellites in Sun-synchronous orbit

Quỹ đạo Trái Đất