مدار توندرا

بندانگشتی|300px|پویانمایی دو مدار توندرا با انحراف مداری ۶۳٫۴ درجه و خروج از مرکزهای متفاوت. حلقه ظاهری به دلیل استفاده از چارچوب ثابت زمین است که در طول حرکت روزانه زمین هم‌زمان می‌چرخد؛ مدارهای توندرا در یک چارچوب لخت مرکز زمین بیضی‌های ساده‌ای هستند.

یک **مدار توندرا** () یک مدار بسیار بیضوی زمین‌همگام با انحراف مداری بالا (تقریباً ۶۳٫۴ درجه)، دوره مداری یک روز نجومی و خروج از مرکز معمول بین ۰٫۲ تا ۰٫۳ است. ماهواره‌ای که در این مدار قرار می‌گیرد، بیشتر زمان خود را بر فراز یک منطقه انتخابی از زمین سپری می‌کند؛ پدیده‌ای که به آن حضیض در اوج (apogee dwell) گفته می‌شود. این ویژگی، این مدارها را به‌ویژه برای ماهواره‌های مخابراتی که به مناطق با عرض جغرافیایی بالا خدمات‌رسانی می‌کنند، مناسب می‌سازد.

مدار توندرا، مانند مدار مولنیا، توسط دانشمندان شوروی توسعه یافت. مدار مولنیا به‌طور خاص در دهه ۱۹۶۰ برای ارائه پوشش ارتباطی بهتر برای مناطق با عرض جغرافیایی بالا طراحی شد که ماهواره‌های زمین‌ثابت در پوشش مؤثر آن‌ها با مشکل مواجه بودند. مدار توندرا، با وجود شباهت در انحراف مداری بالا و شکل بیضوی، بعداً برای ارائه پوشش مداوم بر فراز مناطق خاص توسعه یافت، به‌طوری‌که ماهواره‌ها بیشتر زمان خود را در اوج مدار بر فراز یک منطقه مشخص سپری کنند. هر دو مدار راه‌حل‌های نوآورانه‌ای برای چالش‌های منحصربه‌فرد ناشی از موقعیت جغرافیایی اتحاد جماهیر شوروی و نیاز به قابلیت‌های ارتباطی و نظارتی قابل‌اعتماد بودند.

رد زمینی یک ماهواره در مدار توندرا یک شکل بسته شبیه عدد ۸ انگلیسی است که یک حلقه کوچک‌تر آن بر فراز نیمکره شمالی یا جنوبی قرار دارد. این ویژگی آن‌ها را از مدار مولنیا که برای خدمات‌رسانی به مناطق با عرض جغرافیایی بالا طراحی شده‌اند، متمایز می‌کند. مدارهای مولنیا انحراف مداری یکسانی دارند اما دوره مداری آن‌ها نصف مدار توندرا است و بر فراز یک منطقه واحد توقف نمی‌کنند.

## کاربردها
مدارهای توندرا و مدار مولنیا برای ارائه زوایای ارتفاع بالاتر به کاربران در عرض‌های جغرافیایی بالا در مقایسه با مدار زمین‌ثابت استفاده می‌شوند. این امر مطلوب است زیرا پخش سیگنال به این عرض‌های جغرافیایی از یک مدار زمین‌ثابت (بر فراز خط استوای زمین) به دلیل زوایای ارتفاع پایین، فاصله بیشتر و تضعیف اتمسفری ناشی از آن، به توان قابل توجهی نیاز دارد. سایت‌هایی که در عرض‌های جغرافیایی بالاتر از ۸۱ درجه قرار دارند، اصلاً قادر به مشاهده ماهواره‌های زمین‌مرکزی نیستند و به عنوان یک قاعده کلی، زوایای ارتفاع کمتر از ۱۰ درجه بسته به فرکانس ارتباطی می‌تواند مشکل‌ساز باشد.

مدارهای بسیار بیضوی جایگزینی برای مدارهای زمین‌ثابت ارائه می‌دهند، زیرا آن‌ها برای مدت طولانی در اوج مدار خود بر فراز مناطق با عرض جغرافیایی بالا باقی می‌مانند. با این حال، مزیت آن‌ها با هزینه کاهش می‌یابد: برای ارائه پوشش مداوم از یک مدار توندرا به دو ماهواره (و از یک مدار مولنیا به سه ماهواره) نیاز است.

یک ایستگاه زمینی که داده‌ها را از یک منظومه ماهواره‌ای در یک مدار بسیار بیضوی دریافت می‌کند، باید به‌طور دوره‌ای بین ماهواره‌ها جابجا شود و با تغییرات قدرت سیگنال، تأخیر و اثر دوپلر که با تغییر فاصله ماهواره در طول مدارش رخ می‌دهد، مقابله کند. این تغییرات برای ماهواره‌های در مدار توندرا، به دلیل فاصله بیشترشان از سطح زمین، کمتر محسوس است که ردیابی و ارتباط را کارآمدتر می‌کند. علاوه بر این، برخلاف مدار مولنیا، یک ماهواره در مدار توندرا از عبور از کمربند وان آلن اجتناب می‌کند.

با وجود این مزایا، مدار توندرا کمتر از مدار مولنیا استفاده می‌شود که بخشی از آن به دلیل انرژی پرتاب بالاتر مورد نیاز است.

### کاربردهای پیشنهادی
در سال ۲۰۱۷، دفتر زباله‌های فضایی ESA مقاله‌ای منتشر کرد که پیشنهاد می‌کرد از یک مدار شبیه توندرا به عنوان مدار دفع برای ماهواره‌های زمین‌همگام قدیمی با انحراف مداری بالا، به جای مدار قبرستان سنتی، استفاده شود.

## ویژگی‌ها
یک مدار توندرا معمولی دارای ویژگی‌های زیر است:
* انحراف: ۶۳٫۴ درجه
* آرگومان حضیض: ۲۷۰ درجه
* دوره: ۱۴۳۶ دقیقه
* خروج از مرکز: ۰٫۲۴–۰٫۴
* نیم‌قطر بزرگ: 

### انحراف مداری
به‌طور کلی، پخ‌شدگی زمین، آرگومان حضیض یک ماهواره (\omega) را مختل می‌کند، به طوری که با گذشت زمان به تدریج تغییر می‌کند. اگر فقط ضریب مرتبه اول J_2 را در نظر بگیریم، حضیض بر اساس معادله  تغییر خواهد کرد، مگر اینکه با سوزاندن مداوم پیشران‌ها برای حفظ موقعیت تصحیح شود.

که در آن i انحراف مداری، e خروج از مرکز، n حرکت متوسط بر حسب درجه در روز، J_2 عامل اغتشاش، R_E شعاع زمین، a نیم‌قطر بزرگ، و \dot{\omega} بر حسب درجه در روز است.

برای جلوگیری از این مصرف سوخت، مدار توندرا از انحراف مداری ۶۳٫۴ درجه استفاده می‌کند که در آن عامل (4 - 5\sin^2 i) صفر می‌شود، بنابراین هیچ تغییری در موقعیت حضیض در طول زمان رخ نمی‌دهد. این انحراف، انحراف مداری بحرانی نامیده می‌شود و مداری که به این روش طراحی شده باشد، مدار یخ‌زده نام دارد.

### آرگومان حضیض
آرگومان حضیض ۲۷۰ درجه، اوج مدار را در شمالی‌ترین نقطه آن قرار می‌دهد. آرگومان حضیض ۹۰ درجه نیز به همین ترتیب برای عرض‌های جغرافیایی بالای جنوبی کارایی دارد. آرگومان حضیض ۰ یا ۱۸۰ درجه باعث می‌شود که ماهواره بر فراز استوا توقف کند، اما این کار فایده چندانی ندارد زیرا می‌توان آن را بهتر با یک مدار زمین‌ثابت معمولی انجام داد.

### دوره
دوره مداری یک روز نجومی تضمین می‌کند که ماهواره در طول زمان از یک رد زمینی یکسان پیروی کند. این ویژگی توسط نیم‌قطر بزرگ مدار کنترل می‌شود.

### خروج از مرکز
خروج از مرکز بر اساس زمان توقف مورد نیاز انتخاب می‌شود و شکل رد زمینی را تغییر می‌دهد. یک مدار **توندرا** معمولاً خروج از مرکزی در حدود ۰٫۲ دارد؛ مداری با خروج از مرکز حدود ۰٫۴، که رد زمینی را از شکل عدد ۸ به شکل قطره اشک تغییر می‌دهد، مدار **سوپرتوندرا** نامیده می‌شود.

### نیم‌قطر بزرگ
ارتفاع دقیق یک ماهواره در مدار توندرا بین مأموریت‌های مختلف متفاوت است، اما یک مدار معمولی با خروج از مرکز ۰٫۲۵ تقریباً دارای ارتفاع حضیض ، ارتفاع اوج  و نیم‌قطر بزرگ  خواهد بود.

## فضاپیماهای استفاده‌کننده از مدارهای توندرا
[بندانگشتی|راست|رد زمینی مدار [سامانه ماهواره‌ای کواسی-زنیث|QZSS که ویژگی‌های مشابهی با مدار توندرا دارد اما انحراف مداری آن کمتر است]]

روسیه در حال حاضر از ماهواره‌هایی در مدار توندرا استفاده می‌کند. سامانه EKS (سامانه فضایی یکپارچه) یا Kupol، که بخشی از شبکه ماهواره‌ای هشدار سریع روسیه است، شامل ماهواره‌هایی است که در مدارهای توندرا فعالیت می‌کنند. این ماهواره‌ها برای شناسایی و ردیابی پرتاب موشک‌های بالستیک و ارائه هشدار سریع در مورد حملات موشکی احتمالی طراحی شده‌اند.

از سال ۲۰۰۰ تا ۲۰۱۶، رادیوی ماهواره‌ای سیریوس، که اکنون بخشی از سیریوس اکس‌ام است، یک منظومه ماهواره‌ای متشکل از سه ماهواره را در مدارهای توندرا برای رادیوی ماهواره‌ای اداره می‌کرد. طول گره صعودی و آنومالی متوسط هر ماهواره به اندازه ۱۲۰ درجه از هم فاصله داشتند تا زمانی که یک ماهواره از موقعیت خارج می‌شد، ماهواره دیگری از حضیض عبور کرده و آماده جایگزینی بود. این منظومه برای دسترسی بهتر به مصرف‌کنندگان در عرض‌های جغرافیایی بسیار شمالی، کاهش تأثیر دره شهریها و نیاز به تنها ۱۳۰ تکرارکننده در مقایسه با ۸۰۰ تکرارکننده برای یک سامانه زمین‌ثابت توسعه یافته بود. پس از ادغام سیریوس با XM، طراحی و مدار ماهواره جایگزین FM-6 از توندرا به یک مدار زمین‌ثابت تغییر یافت. این ماهواره مکمل ماهواره زمین‌ثابت FM-5 (پرتاب‌شده در سال ۲۰۰۹) بود و در سال ۲۰۱۶، سیریوس پخش از مدارهای توندرا را متوقف کرد. ماهواره‌های سیریوس تنها ماهواره‌های تجاری بودند که از مدار توندرا استفاده می‌کردند.

سامانه ماهواره‌ای کواسی-زنیث ژاپن از یک مدار زمین‌همگام مشابه مدار توندرا استفاده می‌کند، اما با انحراف مداری تنها ۴۳ درجه. این سامانه شامل چهار ماهواره است که از یک رد زمینی یکسان پیروی می‌کنند. این سامانه از سال ۲۰۱۰ مورد آزمایش قرار گرفت و در نوامبر ۲۰۱۸ به‌طور کامل عملیاتی شد.

### سامانه‌های پیشنهادی
مدار توندرا برای استفاده در پروژه ارشمیدس آژانس فضایی اروپا (ESA)، یک سامانه پخش که در دهه ۱۹۹۰ پیشنهاد شد، در نظر گرفته شده بود.

## جستارهای وابسته
* مدار بیضوی
* مدار مولنیا
## منابع

* 

رده:پخش ماهواره‌ای
رده:مدارهای زمین