در تمامی مأموریت‌های فضایی تعیین مدار ماهواره یکی از مهمترین بخش هاست. برای مثال پایه اولیه استفاده از سامانه‌های ناوبری ماهواره ای جهانی مشخص بودن موقعیت ماهوارههای سیستم در فضا است. یا به‌عنوان‌مثال دیگر به‌منظور استفاده از ماهواره های آلتیمتری داشتن موقعیت دقیق این ماهواره ها بسیار حائز اهمیت هست. همچنین به‌عنوان‌مثال پایانی میتوان ماهواره های ثقل سنج را در نظر گرفت، برای مطالعه میدان ثقل زمین تعیین دقیق موقعیت ماهواره بسیار حیاتی است.
در مأموریت‌های فضایی اولیه تعیین مدار ماهواره بر مبنای مدل های نیرو انجام میشد و سپس به کمک مشاهدات نجومی میزان انحراف ماهواره از مدار اسمی تعیین میشد. اما با ورود به عصر GNSS مسئله تعیین مدار دچار تغییرات بسیار شگرفی شد. با توجه به مزایای کاربرد گیرندههای GNSS در تعیین موقعیت ماهواره هایی با ارتفاع پایین تر از ماهواره های GNSS (و به‌طور خاص سیستم تعیین موقعیت جهانی یا همان GPS) مسئله تعیین مدار بسیار متفاوت شد. باوجود کاربرد روزافزون گیرنده های GPS در ماهوارههای با ارتفاع پایین میتوان نقطه عطف این کاربرد را به‌کارگیری و نصب گیرنده GPS بر روی ماهواره TOPEX/Poseidon در سال ۱۹۹۲ دانست که برای اولین بار مشاهدات شبه‌فاصله و فاز موج حامل به‌صورت وسیع استفاده گردید و امکان دسترسی به‌دقت زیر دسی‌متر در راستای شعاعی را فراهم آورد.
در ادامه به معرفی تعدادی از پروژههای مهم ماهوارههای ارتفاع پایین پرداخته میشود:
TOPEX/Poseidon
مأموریت مشترک فرانسوی-آمریکایی بود که به‌عنوان اولین پروژه، به‌طور ویژه در مورد اقیانوس‌نگاری طراحی و اجرا شد. ماهواره این سیستم در دهم آگوست ۱۹۹۲ پرتاب شد، با حداقل سه سال امکان عملیاتی بودن و بهره‌وری سیستم که تدریجاً به بیش از ده سال رسید. هدف این مأموریت اندازهگیری توپوگرافی اقیانوسها به کمک یک ارتفاع‌سنج بود. این نوع سنجنده به‌عنوان اولین ارتفاع‌سنج دو فرکانسه به‌منظور کاهش خطای ناشی از اثر الکترون‌های آزاد (موسوم به اثر یونسفر) بود و امکان اندازه گیری ارتفاع را با دقت ۲-۲٫۵ (cm) فراهم میآورد. علاوه بر سنجنده ارتفاع، یک رفلکتور سیستم SLR، گیرندهDORIS و یک گیرنده GPS که در شکل محل قرارگیری آن نمایش داده‌شده است در این مأموریت به خدمت گرفته شد.
CHAMP
یک مأموریت آلمانی بود که در پانزدهم جولای ۲۰۰۰ پرتاب شد. دوره مأموریت این ماهواره پنج سال در نظر گرفته شده بود درحالی‌که اطلاعات آن تا اواخر سال ۲۰۰۸ موجود است. یکی از اصلی ترین مأموریت‌های CHAMP، تعیین میدان ثقل زمین با دقت بی نظیر، از مشاهدات گیرنده GPS و شتاب سنج های نیروهای غیر پایستار نصب‌شده بر روی بدنه آن است. علاوه بر این سنجنده ها، ماهواره حامل رفلکتور سیستم SLR، Star Camera جهت تعیین وضعیت و موقعیت ماهواره یا به بیان دقیقتر تعیین وضعیت سیستم مختصات ماهواره نسبت به سیستم اینرشیال و مغناطیس‌سنج جهت بررسی لایه مگنتوسفر است.
CHAMP با مداری تقریباً دایرهای و قطبی با ارتفاع اولیه ۴۵۴ کیلومتر از سطح زمین و میل ۸۷ درجه، از ایستگاه پلستسک روسیه پرتاب شد. ارتفاع اولیه به‌گونه‌ای طراحی شد تا بتواند پاسخگوی اهداف گوناگون مأموریت خود به بهترین نحو باشد. همچنین تضمینی برای چند سال عملیاتی ماندن سیستم، به علت کاهش پیوسته ارتفاع به‌واسطه وجود اصطکاک اتمسفری باشد. این ارتفاع از یک‌سو فرصت مناسبی جهت بازیابی میدان ثقل زمین، که اثرات آن در اغتشاشات مداری این ماهواره قابل‌ملاحظه است را فراهم میآورد و از سوی دیگر به‌عنوان ارتفاع مناسب، جهت بررسی میدان مغناطیسی زمین است.
GRACE
مأموریت مشترک مابین آلمان و آمریکا است که به‌نوعی میتوان آن را ادامه مأموریت CHAMP به‌حساب آورد. ماهوارههای این سیستم در هفدهم مارس ۲۰۰۲ با ارتفاع اولیه ۲۲۰ کیلومتر از سطح زمین در مداری مشترک پرتاب گردید. یکی از مهمترین اهداف آن بررسی تغییرات زمانی میدان ثقل زمین به کمک یک سیستم اندازهگیری طول KBR، اندازهگیریهای گیرنده GPS و شتاب سنج‌های نیروهای ناپایستار به‌صورت پیوسته، است. همچنین هر دو ماهواره این سیستم مجهز به رفلکتورهای سیستم SLR و Star Camerasمیباشند.
GRACE با مداری تقریباً دایره ای و قطبی با ارتفاع اولیه ۵۰۰ کیلومتر و میل ۸۹ درجه از ایستگاه پلستسک روسیه پرتاب شد. این ماموریت نیز همانند همتای خود (CHAMP) دارای مواردی با ویژگی های مشترک و پوششی جهانی میباشد. جدایی بین ماهواره های این سیستم همواره در حال کنترل میباشد که در دامنه ۱۷۰-۲۷۰ همواره در حال نوسان است و این امر به کمک نیروی پیشرانه، تقریبا هر ۵۰ بار در روز اتفاق میافتد.
GOCE
این مأموریت را میتوان مکمل مأموریت‌های CHAMPو GRACE دانست. این ماهواره در هفدهم مارس ۲۰۰۹ پرتاب شد. هدف اصلی این مأموریت تعیین بخش ایستای میدان ثقل و تعیین ژئوئید با دقت بالا به کمک مشاهدات پیوسته گراویمتر و گیرنده GPS نصب‌شده بر روی این ماهواره است. همچنین این ماهواره به رفلکتورهای سیستم SLR و Star Cameraنیز مجهز است.
GOCE با مداری تقریباً دایرهای و میل ۹۶٫۵ درجه و ارتفاع اولیه ۲۵۰ کیلومتر، بر طبق برنامه پیش‌بینی‌شده، مأموریت خود را در دو بخش انجام میدهد. در نیمه اول با ارتفاع ۲۵۰ کیلومتر و در نیمه دوم تا ارتفاع ۲۴۰ کیلومتر کاهش مییابد. ارتفاع بسیار پایین این ماهواره امکان اندازهگیری میدان ثقل زمین تا دقت یک میلی گال (به‌طور متوسط) و تعیین ژئوئید با دقت ۲ سانتی‌متر را فراهم میآورد.(هر دو این کمیتها موجبات دگرگونی در علوم وابسته هستند.)
همچنین به علت ارتفاع پایین این ماهواره، جهت مقابله با اثر اصطکاک اتمسفری مجهز به سیستم پیشرانه الکترونیکی منحصربه‌فرد و نوینی است. سیستم پیشرانه به‌صورت پیوسته در حالت تعدیل اثر اصطکاک اتمسفری است. به‌عبارت‌دیگر این پیشرانه وضعیت عاری از اصطکاک را ایجاد مینماید.
منبع: با اندکی دخل و تصرف از پایان‌نامه مهندس محمود رضایی با عنوان “تعیین مدار دینامیکی ماهوارههای LEO به روش سری مگنوس”
