Dina Mica Satelites Artificiai s

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DINÂMICA DE SATÉLITES ARTIFICIAIS Ana Paula Marins Chiaradia Grupo de Dinâmica Orbital e Planetologia Campus de Guaratinguetá - UNESP [email protected] Desde o lançamento do primeiro satélite articial Sputnik pelos russos, em 1957, o homem não parou de explorar o espaço em diversas maneiras. Foram lançados satélites articiais ter- restres, sondas espaciais para explorar outros planetas, telescópios espaciais e outros. Quanto aos satélites articiais, são diversos os serviços prestados por eles ao redor da Terra, sendo os mais conhecidos: a previsão do tempo, o sensoriamento remoto, o envio e a recepção de dados, voz e imagens, o acesso à internet, a localização precisa através do Sistema de Posicionamento Global (GPS) em qualquer parte da superfície terrestre, e a observação astronômica viabilizada pelos satélites cientícos. Porém, para usufruirmos de todos estes serviços, o satélite deve estar controlado, isto é, sua órbita e sua atitude devem estar dentro de certos limites operacionais, caso contrário há perda de sinal entre as antenas receptoras e o satélite. Como veremos a seguir, o satélite articial sofre, naturalmente, ações dos outros corpos ce- lestes, alterando sua órbita e atitude. Satélites em diferentes distâncias da superfície da Terra são submetidos a diferentes efeitos perturbadores, porém satélites que orbitam outros corpos do Sistema Solar são submetidos quase aos mesmos efeitos, porém com intensidade diferente. Para corrigir tais efeitos, são aplicadas manobras de correção orbital e atitude, que são execu- tados através de disparos de jatos fornecendo ao satélite um impulso de velocidade geralmente na direção contrária aos efeitos da perturbação. Estes mesmos jatos também são usados para posicionar o satélite um sua órbita nal após a fase de lançamento ou para mudar sua posição orbital durante sua vida útil. O tempo de vida útil de um satélite é denido basicamente pela quantidade de combustível que ele leva no momento de seu lançamento e realizar manobras de correção otimizadas é prolongar seu tempo de vida. (Corrêa, 2008). Consulte Winter e Prado (2007) para conhecer mais sobre a conquista do espaço. 115

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DINÂMICA DE SATÉLITESARTIFICIAIS

Ana Paula Marins Chiaradia

Grupo de Dinâmica Orbital e PlanetologiaCampus de Guaratinguetá - UNESP

[email protected]

Desde o lançamento do primeiro satélite artificial Sputnik pelos russos, em 1957, o homemnão parou de explorar o espaço em diversas maneiras. Foram lançados satélites artificiais ter-restres, sondas espaciais para explorar outros planetas, telescópios espaciais e outros. Quantoaos satélites artificiais, são diversos os serviços prestados por eles ao redor da Terra, sendo osmais conhecidos: a previsão do tempo, o sensoriamento remoto, o envio e a recepção de dados,voz e imagens, o acesso à internet, a localização precisa através do Sistema de PosicionamentoGlobal (GPS) em qualquer parte da superfície terrestre, e a observação astronômica viabilizadapelos satélites científicos.

Porém, para usufruirmos de todos estes serviços, o satélite deve estar controlado, isto é, suaórbita e sua atitude devem estar dentro de certos limites operacionais, caso contrário há perdade sinal entre as antenas receptoras e o satélite.

Como veremos a seguir, o satélite artificial sofre, naturalmente, ações dos outros corpos ce-lestes, alterando sua órbita e atitude. Satélites em diferentes distâncias da superfície da Terrasão submetidos a diferentes efeitos perturbadores, porém satélites que orbitam outros corposdo Sistema Solar são submetidos quase aos mesmos efeitos, porém com intensidade diferente.Para corrigir tais efeitos, são aplicadas manobras de correção orbital e atitude, que são execu-tados através de disparos de jatos fornecendo ao satélite um impulso de velocidade geralmentena direção contrária aos efeitos da perturbação. Estes mesmos jatos também são usados paraposicionar o satélite um sua órbita final após a fase de lançamento ou para mudar sua posiçãoorbital durante sua vida útil. O tempo de vida útil de um satélite é definido basicamente pelaquantidade de combustível que ele leva no momento de seu lançamento e realizar manobras decorreção otimizadas é prolongar seu tempo de vida. (Corrêa, 2008).

Consulte Winter e Prado (2007) para conhecer mais sobre a conquista do espaço.

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1. Satélites Artificiais

O movimento de um satélite artificial é determinado pela sua posição e velocidade, orientaçãoe velocidade de rotação. A posição e velocidade descrevem o movimento orbital do centro demassa do satélite, com a trajetória sendo denominada de órbita. Já a orientação e velocidade derotação descrevem o movimento rotacional do satélite em torno do centro de massa, sendo quea orientação do veículo no espaço é denominada de atitude. Em geral, a órbita e a atitude sãointerdependentes. (Zanardi, 2008).

Aqui vamos estudar somente o movimento orbital dos satélites artificiais em órbita ao redor daTerra, que é praticamente o mesmo que o de um pequeno corpo celeste. Podemos dizer quea teoria básica se aplica tanto ao movimento de corpos celestes naturais como para satélitesartificiais. Isto é, os satélites artificiais terrestres também seguem a 1a Lei de Kepler, movendo-se em trajetórias elípticas com a Terra em um dos focos. A velocidade do satélite artificial variade ponto para ponto da órbita elíptica dependendo da distância que ele está da Terra, de acordocom a 2a Lei de Kepler. Quanto mais distante mais lento ele viaja. Então podemos afirmar quea velocidade do satélite artificial é maior no perigeu e menor no apogeu. Se o satélite encontra-se em órbita circular, isto é, a distância à Terra permanece constante, então sua velocidade éconstante.

Para estudar o movimento orbital do satélite precisamos conhecer os vetores posição e veloci-dade ou os elementos orbitais, a cada instante. O semi-eixo maior, excentricidade e inclinaçãoda órbita determinam os diferentes tipos de órbitas que um satélite artificial pode ser colocado.De acordo com as leis de Kepler, pode dividir-se a órbita dos satélites em dois grupos, sendoelas circulares e não-circulares (elípticas). Outra caracterização é feita levando-se em conside-ração a altitude das órbitas.

São circulares:

- A órbita GEO (Geosynchronous Earth Orbit), cuja altitude é de aproximadamente 36.000km, inclinação nula e período da ordem de 23 horas e 56 minutos (período de rotação da Terra).Para um ponto na superfície da Terra, o satélite permanece fico no céu, sendo a órbita tambémdenominada de geoestacionária Utilizada pelos satélites de comunicação porque as antenaspodem ser apontadas para uma direção fixa. A Terra possui um cinturão onde esses satélitespodem ser colocados.

Enfoque Evolucionário: "Dá o direito a uma posição em órbita geo-estacionária aos paísesque a ocuparem primeiro"

- A órbita MEO (Medium Earth Orbit), que varia entre 10.000 km e 20.000 km de altitude.

- A órbita LEO (Low Earth Orbit), associada a altitudes em torno de 280 km e menores que1.500 km. Este tipo de satélite é utilizado em aplicações de auxílio à navegação, sensoresremotos e militares e comunicações móveis onde não se exige que a área de cobertura seja fixa

- A órbita Polar que tem inclinação do plano orbital I = 90◦. Esta órbita é utilizada, em geral,para satélites meteorológicos e para mapeamento de recursos terrestres.

- A órbita Equatorial tem inclinação do plano orbital I = 0◦.

Não-circular:

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Figura 1 – Tipos de órbitas de satélites artificiais terrestres.

- A órbita HEO (Highly Elliptical Orbit), com perigeu a uma altura aproximada de 480 km eapogeu em torno de 41.000 km. Estas órbitas se caracterizam por ter o apogeu muito próximoda altitude de satélites geosíncronos, sendo que se movem lentamente em relação a um ponto daTerra durante um longo período de tempo. Utilizada em satélites de comunicação para regiõesterrestres com grandes latitudes.

Além destas, temos as órbitas hélio-síncrona que acompanhando o movimento anual do Sol.O satélite passa por cada latitude no mesmo tempo local com a mesma condição de iluminaçãoem todas as passagens. Muito utilizada em satélites de sensoriamento remoto.

A órbita de um satélite artificial poderia ser considerada kepleriana resultante da força centraldevida ao problema dos dois corpos, isto é, não existem forças perturbadoras agindo sobre osatélite. A órbita, neste caso, seria uma elipse de tamanho e excentricidade constantes numplano fixo e o satélite permaneceria nessa órbita indefinidamente. Porém isto não acontece naprática. Forças perturbadoras agem sobre a órbita do satélite fazendo com que sua posição sejadeteriorada. Portanto, em cada missão é necessário fazer uma investigação detalhada e precisalevando em consideração as perturbações que podem agir sobre a órbita do satélite.

As principais forças perturbadoras que agem sobre um satélite artificial terrestre são a atraçãogravitacional, a atração gravitacional luni-solar e as marés devidas à Lua e ao Sol, o arrastoatmosférico e a pressão de radiação solar direta e indireta. As forças mais importantes queatuam em um satélite artificial com altitude abaixo de 1.000 km são as forças devidas ao campogravitacional terrestre e ao arrasto atmosférico. Para satélite em órbitas com altitude superiora 1.000 km são as forças gravitacionais (terrestre e luni-solar) e a pressão de radiação. Parasatélites acima de 1.000 km a pressão de radiação supera o arrasto atmosférico (Kuga, 1987).

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Em geral, adota-se um modelo simplificado, que exprime de maneira aproximada o movimentodo satélite porque essas forças são difíceis de serem modeladas. Um modelo matemático im-preciso do movimento em relação ao movimento real pode ser adotado, o que no entanto podetornar crítica a determinação de órbita.

2. Forças Perturbadoras

As forças perturbadoras podem ser classificadas como gravitacionais e não gravitacionais. Asgravitacionais são atração gravitacional terrestre, atração gravitacional luni-solar e marés devi-das à Lua e ao Sol. As não-gravitacionais são arrasto atmosférico, pressão de radiação solardireta e pressão de radiação solar indireta (albedo).

2.1. Forças gravitacionais

Pela lei gravitacional de Newton, um corpo puntual de massa m é atraído pelo corpo de massaM por um força dada por:

F (r) = GMm

r2�r ((1))

onde G = 6.67260 × 10−11Nm2Kg−2 é a constante universal da gravitação e r é a distânciaentre as duas massas. A força gravitacional é atrativa e atua na direção do raio vetor unitário �rentre as duas massas. O potencial correspondente criado pela massa M é dado por:

U =GM−→r ((2))

A força pode ser expressa na forma de um gradiente do potencial:

F = m∂U

∂−→r = m∇U ((3))

Perturbações devido ao geopotencial

Quando é assumida uma órbita kepleriana, considera-se a Terra perfeitamente esférica e homo-gênea em massa. Mas não é o caso, a Terra é achatada e tem essencialmente a forma de pêra.Veja a Figura 2.

O vetor aceleração do veículo espacial devido ao geopotencial, aGEO, é dado por:

−→a GEO =∂U

∂−→r ((4))

onde −→r é o vetor posição e U é o potencial gravitacional da Terra.

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Figura 2 – Fomato da Terra (Kuga, 2006).

O campo potencial formado no espaço apresenta deformações que modificam a direção e in-tensidade do gradiente em determinados pontos, tornando a força específica em tais pontos nãocentral. A modelagem desse campo (geopotencial) é feita através de uma série infinita de ter-mos conhecidos como harmônicos esféricos terrestres:

U(r,φ,λ) =µ

r

∞�

n=0

n�

m=0

�rer

�n

Pn,m(sinφ) [Cn,m cosmλ+ Sn,m sinmλ] ((5))

onde r é a distância radial do veículo espacial, φ é a latitude geocêntrica, λ é a longitude nascoordenadas fixas na Terra, µ é a constante gravitacional do corpo central e re é o raio do corpocentral. Os valores Cn,m e Sn,m são os coeficientes harmônicos esféricos de grau n e ordem m,enquanto P n,m são as funções de Legrende associadas de grau n e ordem m dadas pela Eq (5).As constantes µ, re e os coeficientes Cn,m e Sn,m definem um potencial gravitacional específico.

Pn,m(sinφ) = (1− sin2 φ)m/2 1

2nn!

dn+m

d (sinφ)n+m (sin2 φ− 1)n ((6))

Esta representação do geopotencial pode ser considerada em 3 partes:

U = U1 + U2 + U3

onde

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U1 =µ

r

U2 = −µ

r

∞�

n=0

rernPn (sinφ) JnondeJn = −Cn,0

U3 =µ

r

∞�

n=0

n�

m=0

�rer

�n

Pn,m(sinφ) [Cn,m cosmλ+ Sn,m sinmλ] ((7))

A primeira parte da função geopotencial é resultante do tratamento do corpo como ponto demassa e é usado para derivar os resultados fundamentais do problema do dois corpos. A segundaparte da função depende da latitude e dos coeficientes do geopotencial, Jn, que são chamadosde coeficientes zonais que representam a simetria rotacional. A terceira parte inclui os termostesserais e setoriais na expansão. Os termos tesserais na expansão dependem da latitude elongitude e tentam representar outras anomalias além da simetria rotacional. Os termos setoriaisdependem somente da longitude.

O coeficiente J2, que representa o efeito do achatamento da Terra nos polos, é o termo de maiormagnitude podendo ser, às vezes, um termo à parte das equações do movimento. A expressãopara o potencial devido J2 é dado por:

U =µ

r

�1− J2rer

2P2 (sinφ)�

((8))

onde J2 = 0, 00108263. O perturbação devido ao J2 conserva a forma e as dimensões da órbitae causa variações seculares na longitude do nodo ascendente, argumento do perigeu e anomaliamédia. Essa perturbação manifesta-se com intensidade mais acentuada quando o satélite temaltitude não superior a cerca de 1.600 km da superfície terrestre (De Luca, 1982).

Para considerar outros graus e ordens do geopotencial nas equações do movimento, devemser levados em conta a precisão desejada e o método de propagação de órbita utilizado, comoserá visto adiante. Para os métodos analíticos e semi-analíticos, termos zonais até a 6a ordemsão considerados, enquanto são consideradas ordens menores quando é empregado o métodonumérico. O método numérico aumenta os custos computacionais quase exponencialmentecom a ordem, principalmente quando os coeficientes tesserais são considerados. Para análisede missão, os primeiros quatro coeficientes zonais, sem inclusão dos coeficientes tesserais,são suficientes. No caso de determinação de órbita e rastreamento, são necessários estudoscuidadosos para especificar adequadamente o mínimo grau/ordem que satisfaz os requisitos deprecisão (Kuga, 1987).

Pertubações devido a um terceiro corpo

Perturbações gravitacionais devido ao terceiro corpo devem ser consideradas quanto ele estiverpróximo ou for massivo o suficiente para afetar a órbita do satélite. O Sol e a Lua são as maioresfontes de perturbações nesse caso. O Sol porque a sua massa influencia todos os corpos celestes

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circundantes e a Lua devido à sua proximidade. Essa perturbação pode ser estudada através doproblema restrito dos três corpos, onde um deles tem massa desprezível em relação aos outrosdois.

O potencial perturbador deduzido pela força de atração do Sol e da Lua é dado por:

Ui = µMi

�1

|−→r −−→r i|−

−→r ·−→r i

r3i

�((9))

onde Mi é a massa do corpo perturbador, −→r é o vetor distância Terra-satélite e −→r i é o vetordistância do corpo perturbador-Terra.

A taxa de variação dos elementos orbitais é essencialmente proporcional ao cubo do semi-eixomaior; consequentemente, em altitudes muito baixas tais perturbações podem ser desprezadas,mas a partir de certas altitudes é aconselhável levá-lo em conta (Kuga, 1987).

A força específica atuante terá resultante igual ao gradiente do potencial perturbador com rela-ção a −→r , ou seja:

−→a T = −µMi

�(−→r −−→r i)

|−→r −−→r i|3+

−→r ·−→r i

r3i

�((10))

Perturbações devidas às marés terrestres As forças gravitacionais do Sol e da Lua atuam namatéria da Terra, resultando numa deformação do tipo protuberância de sua forma (superfície)na direção do corpo perturbador (Sol e Lua). Essa redistribuição de massa causa um potencialgravitacional adicional que perturba o espaço exterior à Terra. A força deduzida desse potencialé chamada força de maré e afeta o movimento de um corpo qualquer no espaço.

O gradiente da expressão (11) fornece a força (específica) devida às marés que atua em umsatélite:

Ui =1

2k2

µMi

r3i

r5er3

�3 (�r · �ri)2 − 1

�((11))

onde �r e �ri são os versores Terra-satélite e Terra-corpo perturbador, respectivamente, e k2 é ocoeficiente de proporcionalidade mais significativo e vale 0, 245±0, 005 ≤ k2 ≤ 0, 31±−0, 01(Kuga e Da Silva, 1984).

2.2. Perturbações não-gravitacionais

Essas forças, em geral, dependem da área A da secção do satélite e de sua massa m sendo tãomais importante quanto maior a relação A

m(são forças que resultam de uma pressão aplicada

e, portanto, são proporcionais à área da secção de impacto; e as acelerações resultantes sãoinversamente proporcionais à massa do satélite).

Se o efeito da pressão de radiação da luz solar independe da altura do satélite, já o efeitodo arrasto atmosférico depende dela em maior grau, visto que é proporcional à densidade do

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Figura 3 – Efeito do arrasto atmosférico (Kuga, 2006).

ar no local por onde está passando o satélite. Para satélites abaixo de 1.000 km de altitude,a aceleração do arrasto é maior do que a pressão de radiação solar; acima de 1.000 km, aaceleração da pressão de radiação solar é maior.

O arrasto e a pressão de radiação solar afetam diretamente o semi-eixo e a excentricidade daórbita, e devem ser considerados sempre que o satélite tiver uma secção relativamente grandeem relação à uma massa reduzida.

Arrasto atmosférico

Essa é a principal força não-gravitacional para um satélite de baixa altitude. O arrasto agena direção oposta do vetor velocidade e remove a energia da órbita. Essa redução de energiafaz com que a órbita se torne mais baixa; isto é, tende a circularizar as órbitas elípticas e areduzir a altitude do satélite de forma progressiva, até que o satélite reentre na atmosfera, onde,finalmente, devido à fricção com o ar mais denso, ele se queima. Veja a Figura 3.

A equação para aceleração devido ao arrasto no satélite é dada por:

−→a D = −1

2ρCD

A

mvr−→v r ((12))

onde ρ é densidade atmosférica, CD é o coeficiente de arrasto, Am

é a razão de área de referênciasobre a massa do satélite, −→v r é o vetor velocidade do satélite com respeito a atmosfera. A e CD

dependem da atitude do satélite, mas em casos de satélites com atitude controlada, mantêm-sequase constantes e, para efeitos práticos, podem ser considerados constantes.

A densidade atmosférica é uma das variáveis mais relevantes da Eq. (12). É função da altitudee temperatura exosférica que, por sua vez, depende do fluxo solar e da atividade geomagnética.Erros no modelo atmosférico podem redundar em significativo desvio na determinação e pre-visão da posição do satélite.

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Pressão de radiação solar

Deve ser calculada sempre que o satélite estiver na região iluminada pelo Sol. A pressão deradiação solar faz com que uma órbita originalmente circular se torne elíptica, com distânciapericêntrica decrescente, até que o satélite reentre na atmosfera. Veja a Figura 4. É proporci-onal à razão A

mentre a área da secção eficaz (superfície iluminada) e a massa do satélite. Ela

causa variações periódicas nos elementos orbitais. A aceleração devido a pressão de radiaçãosolar é dada por:

−→a s = −νCrA

mPs�r ((13))

onde ν é o fator de eclipse que vale 1 quando o satélite está iluminado e zero quando o satéliteestá na sombra da Terra; Cr é um fator que depende da reflexividade do material da superfíciedo satélite; A

mé a razão área de referência sobre a massa do satélite; Ps é a pressão de radiação

na superfície da Terra e �rs é o versor na direção do Sol. O fator de eclipse é calculado conformea posição do satélite em relação à Terra e ao plano terminador que separa luz e sombra sobre aTerra. O critério para o fator de eclipse é dado por:

h = −→r · �rs ((14))

D =√r2 − h2 ((15))

se h ≥ 0 então ν = 1, ou se h < 0 e D ≥ re então ν = 1 (luz) ou se h < 0 e D < re entãoν = 0 (sombra).A penumbra não foi considerada devido à dimensão da fonte luminosa (Sol),porque o seu efeito é totalmente negligenciável.

Pressão de radiação solar indireta (Albedo) Albedo é a radiação solar refletida pela Terra etambém exerce força sobre o satélite, que pode atingir de 20 a 40% da pressão de radiação solar(Kuga, 1987). O albedo obviamente depende das propriedades refletoras da superfície terrestre,sendo, portanto, maior nos pólos e menor no equador. A força de albedo é considerada na dire-ção radial Terra-satélite, uma vez que só se considera a radiação difusa e despreza a especulare pode ser calculado por:

−→aal= PsCr

A

mCa�r ((16))

onde �r é o versor Terra-satélites e Ca é o coeficiente de albedo pode ser escrito em função dalatitude na forma:

Ca = a0 + a2sen2φ ((17))

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Figura 4 – Efeito da pressão de radiação solar (Kuga, 2006).

para a0 = 0, 219 e a2 = 0, 410, os coeficientes que modelam o albedo (Kuga e da Silva, 1984).

3. Propagação da órbita

A propagação de órbita é um dos problemas mais importantes na análise de uma missão econtrole de missões que envolvem satélites artificiais. Propagar a órbita de um satélite consisteem calcular a sua trajetória sujeito à ação do campo gravitacional com o conhecimento dasua posição e da velocidade em uma época de referência. Isso pode ser realizado através demétodos de resolução das equações diferenciais do movimento que consistem, basicamente,em analítico, semi-analítico ou numérico.

A escolha do método depende dos requerimentos exigidos que podem ser, por exemplo, umamelhor precisão sem ponderação dos custos de tempo de processamento em computador, ra-zoável precisão para utilização para longos intervalos de propagação de órbita ou um relativograu de precisão em conjunto com o mínimo custo computacional.

O método analítico é o mais rápido para propagação de órbita; porém, oferece poucas op-ções que possam torná-lo mais genérico. Nesse método a derivação da teoria envolve o usode aproximações, expansões em séries e integração analítica. Algumas características para ométodo analítico são: manipulação algébrica laboriosa na dedução; modelos simples de forçasperturbadoras; fácil visualização dos efeitos perturbadores, o que permite a compreensão datendência de evolução dos elementos orbitais; pouco gasto de tempo computacional; e órbitapropagada num único passo indiferente ao intervalo de propagação (Kuga, 1984). Exemplo demétodo analítico clássico é o método de Brouwer.

O método semi-analítico tenta fazer uso da rapidez computacional da teoria analítica em con-junto com a precisão e flexibilidade de modelagem no método numérico. Existem várias vari-antes para esse tipo de método. Liu (1983) fornece um tutorial para esse método.

O método numérico utiliza procedimentos de cálculo passo a passo. Ele é capaz de lidar comtodo o tipo de situação com precisão arbitrária. O método é muito utilizado quando o número

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de revoluções da órbita a ser integrada é limitado. Ele tenta fazer aproximações polinomiaisda trajetória integrando exatamente um polinômio de um certo grau. A maior desvantagem dométodo numérico é a lentidão devido à seqüência de cálculos passo a passo. Sua principal van-tagem é a precisão. Isto é, precisão às custas de esforço computacional. A precisão juntamentecom o tempo de processamento em computador são dependentes da formulação adotada paraas equações diferenciais ordinárias do movimento e do método de integração (resolução dasequações diferenciais).

Os métodos mais utilizados, na prática, para propagar órbitas de satélites artificiais são osmétodos numéricos. Quando se deseja propagar e analisar teoricamente o movimento utilizam-se os métodos analíticos.

3.1. Métodos Numéricos

O método numérico mais popular é o método de Cowell, devido a rapidez com que a técnicapode ser usada. A sua vantagem é a simplicidade de formulação e implementação. Consiste emescrever as equações do movimento do objeto a ser estudado, incluindo todas as perturbações eentão integrá-las passo a passo numericamente. As perturbações podem ser incluídas todas aomesmo tempo. Esse método não requer tanto espaço de armazenamento nos computadores doque outros métodos.

As desvantagens são quando o movimento estiver próximo do corpo central, e passos de inte-gração menores devem ser tomados, o que afeta o tempo de processamento e aumenta o erroacumulado do processo. Quando as perturbações se tornam mais severas, exigem-se interva-los de integração menores e mais cálculos; o que implica a provável ocorrência de um maiornúmero de erros.

Para o problema de 2-corpos com perturbações, as equações seriam:..−→r = − µ

r3−→r +−→a P ((18))

onde −→a P é o vetor soma de todas as perturbações a serem incluídas na integração.

Métodos de integração numérica

O método de integração numérica é um dos mais poderosos métodos conhecidos em mecânicaceleste para calcular o movimento de qualquer corpo no sistema solar em torno do corpo pri-mário (Kuga, 1987). Os métodos de integração numérica podem ser divididos em passo fixo emulti-passos. Alguns dos métodos de passo fixo são Runge-Kutta, Gill, Euler-Cauchy e Bowie.Alguns dos métodos de multi-passos são Milne, Adams-Moulton, Gauss-Jackson, Obrechkoffe Adams-Bashforth. O método de multi-passos exige um método de passo fixo para iniciá-lo edepois cada tamanho de passo muda. Os métodos de multi-passos são freqüentemente referidoscomo método do preditor-corretor.

Para a integração numérica, a Eq.(18) pode ser reduzida a equações diferenciais de 1o ordem:.−→r = −→v

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.−→v = − µ

r3−→r +−→a P ((19))

onde −→r e −→v são os vetores posição e velocidade de um satélite com respeito ao corpo central.Para a equação de integração numérica, elas podem ser expressas nas componentes dos vetorescom a condição inicial (x, y, z)0 em t0:,

.x = vx.y = vy.z = vz

.vx = − µ

r3x+−→a Px

.vy = − µ

r3y +−→a Py

.vz = − µ

r3z +−→a Pz

((20))

onde r =�

x2 + y2 + z2.

Método de Runge-Kutta Essa técnica aproxima uma extrapolação da função da série deTaylor por vários cálculos das primeiras derivadas em pontos pertencentes ao intervalo de ex-trapolação. A ordem de um membro particular da família é a ordem da potência mais alta dotamanho do passo, h, na expansão da série de Taylor equivalente. A formulação para o métodopadrão de ordem 4 é:

xn+1 = xn +h

6(k1 + 2k2 + 2k3 + k4) ((21))

onde

k1 = f(tn, xn)k2 = f(tn +

h2, xn +

k12)

k3 = f(tn +h2, xn +

k22)

k4 = f(tn + h, xn + k3)

((22))

O método de Runge-Kutta é estável e não exige um procedimento de início. Ele é relativamentesimples, fácil de implementar, tem relativamente um pequeno erro de truncamento e o tamanhodo passo é fácil de ser mudado. Uma das desvantagens é que não existe um caminho simplespara determinar o erro de truncamento, então é difícil determinar o tamanho do passo adequado.Uma falha óbvia é que o uso é feito somente com informação do último passo calculado. Essaidéia conduz ao método de multi-passos ou preditor-corretor.

4. Referências

Corrêa, A. A. Dinâmica de satélites artificiais e geoestarcionários. Apostila da 12a Escolade Verão em Dinâmica Orbital e Planetologia. p207-214. 2008.

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De Luca, N. Mecânica Celeste. Editora da Universidade Federal do Paraná, Curitiba, 1982.438p.

Kuga, H.K. Gerador Numérico de órbitas de satélites artificiais terrestres. São José dosCampos: INPE, 1984. 93p. (INPE-3050-RPE/455).

Kuga, H.K. Métodos em propagação de órbita de satélites artificiais terrestres. São Josédos Campos: INPE, 1987. 62p. (INPE – 4405 – RPE/556).

Kuga, H.K. [email protected] Figuras do curso de Tecnologia de Satélites - Órbitas. Chia-radia, A. P. M. [email protected]. 28 janeiro 2006.

Kuga, H.K.; Da Silva, W.C.C. Gerador numérico de órbita de satélites artificiais terrestres.São José dos Campos: INPE, 1984. 93p. (INPE – 3050 – RPE/455).

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Zanardi, M. C. Movimento de Satélites Artificiais. Apostila da 12a Escola de Verão emDinâmica Orbital e Planetologia. p69-77. 2008.

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