การจำแนกวงโคจรดาวเทียมสามารถแยกวงโคจรได้จากเงื่อนไข 2-3 ประการ เช่น การจำแนกจากระนาบวงโคจร (Orbital Plane ) และจุดศูนย์กลางวงโคจร (Center of Orbit) รวมถึงระยะความสูงวงโคจร (Orbital Altitude) เป็นต้น ซึ่งในส่วนของการแบ่งวงโคจรด้วยระยะความสูงของวงโคจรนั้น จะแบ่งออกเป็น 4 ประเภทตามช่วงระยะความสูง ได้แก่ วงโคจรรอบโลกระดับต่ำ (Low Earth Orbit : LEO) จะอยู่ที่ 200 -700 กิโลเมตร ระดับกลาง (Medium Earth Orbit : MEO) ที่ 700 – 35,785 กิโลเมตร ต่อมาเป็นแบบค้างฟ้า Geostationary Earth (GEO) และ Geosynchronous Orbit(GSO) ที่ระดับความสูง 35,785 กิโลเมตร และอยู่เหนือไปหรือมากกว่า 35,785 กิโลเมตรจะเป็นแบบ Highly Elliptical Orbit (HEO)
จากข้อมูลที่ได้กล่าวมาจะเห็นว่าส่วนใหญ่ระดับความสูงจะเป็นลักษณะของช่วงระยะห่างจากพื้นโลก แต่ทว่าจะมีเพียงวงโคจรแบบ GEO และ GSO ที่มีลักษณะพิเศษกว่าวงโคจรอื่น ๆ คือระยะห่างนั้นเป็นตัวเลขเฉพาะเจาะจง ที่ 35,786 กิโลเมตร เท่านั้น แล้วทำไมถึงเป็นเช่นนั้น วันนี้เราจะมาสร้างความกระจ่างไปพร้อม ๆ กัน
บทความนี้ขอกล่าวถึงเฉพาะดาวเทียมวงโคจรค้างฟ้า คุณลักษณะของวงโคจรแบบ GEO คือดาวเทียมจะลอยอยู่เหนือเส้นศูนย์สูตร ที่ระยะความสูง 35,786 โดยมีคาบของการโคจรประมาณ 24 ชั่วโมง หรือหากจะกล่าวให้เห็นภาพว่าดาวเทียมดวงนี้ใช้เวลาโคจรรอบโลกเท่ากับโลกหมุนรอบตัวเองนั้นเอง นั้นจึงเหตุผลว่าทำไมดาวเทียมที่มีวงโคจรแบบนี้จึงเรียกว่าวงโคจรค้างฟ้า ซึ่งหากเราสามารถเห็นดาวเทียมด้วยตาเปล่าได้ จะเห็นดาวเทียมมีลักษณะอยู่นิ่ง ไม่เคลื่อนที่ และจะอยู่ประจำที่เดิมตลอดเวลา ทั้งนี้มีข้อพิจารณาอยู่ 3 ประเด็นดังนี้
ประเด็นแรกคือความสูง (Altitude)
จากความสัมพันธ์ของคาบ (T) กับขนาดของรัศมีวงโคจร ดังนี้
เมื่อ G คือ Newton’s Gravitational Constant มีค่า เท่ากับ 6.674 ×10-11 m3kg-1s-2
Mคือ มวลของโลก มีค่าเท่ากับ 5.972×1024 kg
Rคือ รัศมีของวงโคจร
จากสูตรจะมี R ค่าเดียวที่ทำให้เกิดคาบมีค่าเท่ากับ 1 วัน (Sidereal day) ซึ่งมีค่าเท่ากับโลกหมุนรอบตัวเองครบจำนวน 1 รอบ ซึ่งหากพิจารณาค่า Rมากขึ้นก็จะทำให้คาบมีระยะเวลามากขึ้นตามความสัมพันธ์แบบแปรผันตรง
เพราะฉะนั้น R จึงเป็นตัวแปรที่ยังไม่ทราบค่า ในขณะที่คาบจะมีระยะเวลาที่ต้องการคือ 1 วัน ซึ่งจะใช้ T = 86164.1 วินาที จะได้
จาก
จะได้
เมื่อแทนค่าจะได้ R = 4.2163×107 m หรือ 42,163กิโลเมตร
ระยะ 42,163กิโลเมตร คือระยะที่วัดจากจุดศูนย์กลางของโลก เพราะฉะนั้นดาวเทียมจะมีความสูงเหนือเส้นศูนย์โลกประมาณ 42,163-6,378 = 35,785 กิโลเมตรนั้นเอง (รัศมีของโลก =6,378 กิโลเมตร)
ประเด็นที่สอง เรื่องของความเร็ว ความเร็วที่ดาวเทียมเคลื่อนที่โคจรนั้นมีอิทธิพลมาจากแรงดึงดูดจากโลกและขนาดมวลของโลกซึ่งมีความสัมพันธ์ดังนี้
จาก
จากความสัมพันธ์ข้างต้นจะเห็นได้ว่าความเร็ว (V)ที่เกิดนั้นจะไม่มีส่วนของแรงขับของดาวเทียมเลย อาจกล่าวได้ว่าความเร็วนี้คือความเร็วที่ดาวเทียมไม่ใช่แรงจากระบบสร้างแรงขับ (Thuster) เลย ซึ่งหากพิจารณาขนาดของรัศมีที่ใหญ่ขึ้นจะทำให้ความเร็วของวงโคจรลดลงนั้นเอง
ประเด็นที่สาม เรื่องเชื้อเพลิง เหตุใดจึงพิจารณาประเด็นนี้ ก็เพราะจากความสัมพันธ์ของคาบ (T) และความเร็ว (V) ข้อเสนอว่า หากดาวเทียมที่มีวงโคจรน้อยกว่า 35,785 กิโลเมตร เพียงแค่ลดความเร็วของดาวเทียมลงก็สามารถทำให้ดาวเทียมมีคาบที่ T = 86164.1 วินาที ได้ ในทางกลับกัน ขณะที่ดาวเทียมไกลจากโลกมากกว่า 35,785 กิโลเมตร ก็เพียงเพิ่มความเร็วขึ้นเท่านั้นเอง จะเป็นอย่างนั้นดาวเทียมจะต้องมีเชื้อเพลิงมหาศาลที่สามารถใช้ได้อย่างไม่จำกัด แต่ทว่าในทางปฏิบัติดาวเทียมมีเชื้อเพลิงที่จำกัดมาก การลด/เพิ่มความเร็วดาวเทียมจึงเป็นไปไม่ได้เลย
35,785 กิโลเมตร จึงไม่ใช่ตัวเลขลอย ๆ ที่เกิดขึ้นอย่างไม่มีเหตุผล ทุกสิ่งเกิดจากความชาญฉลาดของมนุษย์ที่สามารถคำนวณหาตำแหน่งเฉพาะที่ทำให้เกิดวงโคจรดาวเทียมค้างฟ้าที่ใช้งานอยู่จนถึงปัจจุบัน
เรียบเรียงโดย ร.อ.สุทธิพงษ์ โตสงวน
