衛星の仕組み：軌道力学、主な種類と日常的な用途

衛星は落下することで空に留まります。ロケットが十分な横向きの速度を与えると、地球の重力は衛星を地面に向かって引き続けます。しかし、惑星の表面は衛星が落ちるのと同じ速度で湾曲するため、実際には表面に到達することはありません。NASAの地球観測所は、このバランスを人工衛星すべての背後にある基本的な物理学として説明しています：より低い軌道はより高い速度を必要とします。一方、より高い軌道はより遅い速度を許可します。

物理学：高度、離心率、傾斜角

NASAの科学部門によると、3つのパラメータが衛星の軌道を定義します。高度は軌道速度と地球の周りを1周するのに必要な時間を設定します。離心率は、経路が円形であるか伸ばされた楕円であるかを説明します。傾斜角は赤道に対する軌道平面の傾きです。これら3つの数字を合わせて、衛星が見ることができる地球の部分と、それが頭上を通過する頻度を決定します。

NASAは具体的な例を与えます：その水準衛星は705キロメートルの高度で、99分ごとに1回の軌道を完成させます。一方、静止軌道帯に駐車された衛星は、約36,000キロメートルで、一度周回するのにほぼ24時間かかり、地球自体の回転と一致します。

主な軌道族

宇宙機関は、ほとんどの衛星を少数の標準的な軌道タイプにグループ化し、それぞれが異なるミッションに適しています。欧州宇宙機関（ESA）とNASAは同じ基本的なセットを説明し、高度範囲がほぼ一致しています。

ESAは、地静止衛星が赤道のすぐ上を西から東に時速約3キロメートルで移動し、地球の自転と正確に一致するため、地上の固定された1つのポイントの上にホバーしているように見えることに注意しています。NASAのカタログは、GPS型衛星が約20,200キロメートルの「半同期」軌道に位置し、1日に2つの軌道を完成させることを追加します。一方、モルニヤ軌道は高度に拡張された楕円（離心率0.722）であり、その約12時間の周期の大部分を高北緯度で費やすため、歴史的に北極圏通信に役立ってきました。

地球を周回する軌道を超えて、一部の宇宙船はラグランジュ点（ESAによると地球から約150万キロメートル離れた重力的にバランスしたロケーション）に配置されています。この場所では、深宇宙観測所は地球と太陽からの干渉を最小限に抑えて動作できます。その他は、逃出速度に達した後、太陽の周りの太陽中心パスに地球軌道を完全に離れます。

衛星が使用されるもの

軌道の選択は直接ミッションタイプを追跡します。米国政府の公式GPS情報サイト、GPS.govは、グローバルポジショニングシステムを3つの部分で構成されていると説明しています：位置と時間信号を継続的に放送する24個の動作中の衛星の編隊（スペースセグメント）；衛星を適切な軌道に保ち、それらのクロックを修正する世界中の追跡指令ステーション（制御セグメント）；およびそれらの信号から位置と時間を計算する受信機（ユーザーセグメント）。

• 通信衛星は、主に中軌道および地静止軌道からテレビジョン、電話、ラジオ、およびインターネット信号を中継します。
• GPS、ガリレオ、GLONASS、BeiDouなどのナビゲーション衛星は、中地球軌道から正確な時間と位置信号をブロードキャストして、地上の受信機が自分の位置を計算できるようにします。
• 地球観測衛星は、多くの場合、極軌道または太陽同期低軌道にあり、気象予報、農業、マッピング、災害対応のための表面を画像化します。
• 科学衛星は太陽、宇宙放射線、遠い天体を研究し、時には地球軌道から、時にはラグランジュ点からです。
• Starlinkなどの低地球軌道ブロードバンドコンステレーションは、独立した触媒に追跡されている数千のStarlink衛星を含め、地上ステーションと受信機の間でシグナルを中継することで、インターネットアクセスを提供します。

衛星を軌道に保つ

軌道はメンテナンスが自由ではありません。NASAの地球観測所は、低地球軌道衛星が大気抵抗を経験し、定期的に高度を上げる必要があることに注意しています：Aquaクラスの衛星は、太陽が非常に活発な場合は2～3週間ごとに必要ですが、太陽活動が低い場合は1年に約4回だけです。太陽活動は上層大気の密度を変更するためです。すべての高度の衛星も、重力の摂動の修正およびデブリまたは他の宇宙船との衝突を避けるために時折修正が必要です。

衛星の全体的な人口を追跡することは、独立した観測者にとって進行中のタスクです。ジョナサンの宇宙レポートは、長年実行中の追跡プロジェクトで、2026年10月12日現在、地球軌道内で16,988個の活動ペイロードを数えました。そのうち11,114個はStarlink衛星でした；活動中の衛星の大部分は、より低い低地球軌道にあるものとして分類されました。