thumb|Animacja widoczności satelitów GPS z okolic Golden w stanie Kolorado. Konstelacje nawigacyjne rozmieszcza się tak, aby użytkownik miał zwykle widocznych kilka satelitów jednocześnie. Konstelacja satelitów (także: konstelacja satelitarna) – grupa sztucznych satelitów zaprojektowanych do działania jako jeden system. W odróżnieniu od pojedynczego satelity konstelacja może zapewniać ciągłą lub często powtarzaną dostępność usług nad dużym obszarem, ponieważ satelity są rozmieszczone na kilku orbitach lub w kilku płaszczyznach orbitalnych i obsługiwane przez wspólny segment naziemny.
W praktyce konstelacje wykorzystuje się przede wszystkim w nawigacji satelitarnej, łączności, transmisji danych, teledetekcji, obserwacji Ziemi, meteorologii, zastosowaniach wojskowych oraz misjach naukowych. Do najbardziej znanych przykładów należą systemy nawigacyjne GPS, GLONASS, Galileo, Beidou i QZSS, a także konstelacje łączności i transmisji danych, takie jak Globalstar, Iridium, Orbcomm i Starlink.
Zakres pojęcia Konstelacja satelitów nie oznacza jedynie dowolnego zbioru satelitów jednego operatora. Istotne jest wspólne zadanie systemowe: satelity uzupełniają swoje zasięgi, częstotliwość przelotów, geometrię pomiaru albo przepustowość, a użytkownik korzysta z efektu całej konfiguracji, a nie pojedynczego statku kosmicznego działającego w izolacji.
Pojęcie nie dotyczy serii satelitów, czyli kolejnych podobnych statków wysyłanych w ramach długotrwałego programu, od floty satelitarnej jednego przedsiębiorstwa, w której poszczególne satelity mogą działać niezależnie, oraz od lotu formacyjnego, w którym satelity poruszają się blisko siebie i utrzymują wzajemne położenie na potrzeby eksperymentu lub pomiaru.
W projektowaniu konstelacji często używa się także pojęcia powłoki orbitalnej. Oznacza ono zestaw orbit o zbliżonej wysokości, inklinacji i rozkładzie w długości geograficznej, na których rozmieszcza się satelity tej samej warstwy systemu. Duże systemy niskoorbitalne mogą składać się z wielu powłok, różniących się wysokością, nachyleniem i przeznaczeniem.
Rys historyczny Pierwsze prace teoretyczne dotyczące konstelacji satelitów przeznaczonych do globalnego pokrycia powierzchni Ziemi powstały na początku lat 60. XX wieku, między innymi analizy Lawrence'a Vargo („Orbital Patterns for Satellite Systems”, 1960) oraz Donalda Lüdersa („Satellite Networks for Continuous Zonal Coverage”, 1961). W latach 70. zaproponował opis regularnych układów satelitów na orbitach kołowych, zapisywany w notacji nazwanej później jego nazwiskiem.
W praktyce pierwszą rozległą konstelacją operacyjną był amerykański system nawigacyjny Transit, wykorzystywany od lat 60. przez marynarkę wojenną USA na niskiej orbicie biegunowej. W latach 90. powstały pierwsze globalne konstelacje telefonii satelitarnej, takie jak Iridium i Globalstar, a architektura systemów nawigacyjnych GPS i GLONASS na orbitach średnich osiągnęła dojrzałość operacyjną. Pod koniec drugiej dekady XXI wieku obraz konstelacji niskoorbitalnych zdominowały bardzo liczne systemy szerokopasmowe Starlink i OneWeb.
Dlaczego stosuje się konstelacje? Pojedynczy satelita na niskiej albo średniej orbicie okołoziemskiej obejmuje zasięgiem jedynie część powierzchni Ziemi i szybko przemieszcza się względem jej powierzchni. Aby użytkownik mógł korzystać z usługi stale lub z krótkimi przerwami, konieczne jest użycie kilku satelitów o odpowiednio dobranych orbitach, tak aby zapewnić widoczności wymaganej liczby satelitów nad zakładanym obszarem planety.
Satelita geostacjonarny i geosynchroniczny pozostaje nad tym samym obszarem równika i może obsłużyć rozległy region przez jednego satelitę, jednak orbita geostacjonarna leży w dużej odległości od Ziemi, co powoduje duże opóźnienie sygnału i na dużych szerokościach geograficznych satelita jest widziany pod niewielkim kątem. Satelita na niskiej orbicie jest bliżej Ziemi przez co opóźnienie transmisji jest mniejsze, ale porusza się szybko względem powierzchni Ziemi, przez co wymagają użycia wielu satelitów, śledzenia przelotów, przełączeń między satelitami oraz rozbudowanej infrastruktury kontroli.
W nawigacji satelitarnej konstelacja jest warunkiem samego pomiaru pozycji: odbiornik musi widzieć jednocześnie kilka satelitów, aby na podstawie pseudoodległości i danych czasu wyznaczyć położenie, prędkość oraz czas. Z tego powodu systemy GNSS rozmieszczają satelity w wielu płaszczyznach na średnich orbitach okołoziemskich albo w układach regionalnych łączących orbity geosynchroniczne i geostacjonarne.
Projektowanie konstelacji Projektowanie konstelacji polega na doborze liczby satelitów, wysokości orbit, inklinacji, liczby płaszczyzn orbitalnych, fazowania satelitów w każdej płaszczyźnie, wymaganej rezerwy, parametrów segmentu naziemnego oraz sposobu utrzymania orbit. Kryteria projektowe zależą od charakteru misji: dla nawigacji najważniejsza jest geometria widocznych satelitów, dla łączności przepustowość i opóźnienie, a dla obserwacji Ziemi czas powrotu nad ten sam obszar i rozdzielczość czasowa.
Klasyczną rodziną konfiguracji są układy Walkera, opisujące regularne rozmieszczenie satelitów na orbitach kołowych. Notacja Walkera określa zwykle inklinację, całkowitą liczbę satelitów, liczbę płaszczyzn i parametr fazowania; pozwala to zwięźle opisać sposób przesunięcia satelitów względem siebie w sąsiednich płaszczyznach. W praktyce wyróżnia się dwa pokrewne warianty: Walker-Delta, w którym długości węzłów wstępujących płaszczyzn orbitalnych są rozłożone w pełnym zakresie 360°, oraz Walker-Star, w którym płaszczyzny mieszczą się w przybliżeniu w zakresie 180° długości węzła wstępującego. Drugi wariant jest typowy dla konstelacji prawie biegunowych, takich jak Iridium.
W systemach globalnych często stosuje się regularne układy wielu płaszczyzn orbitalnych, natomiast systemy regionalne mogą być asymetryczne i skoncentrowane nad określonym obszarem. Wybór zależy od tego, czy celem jest równomierna globalna dostępność, pokrycie wybranych szerokości geograficznych, szybki powrót nad punkt obserwacji czy koncentracja zasobów nad określonym regionem. Asymetryczne konfiguracje rozważa się także w nowszych zastosowaniach, takich jak rozproszone monitorowanie śmieci orbitalnych oraz świadomość sytuacyjna w przestrzeni cislunarnej.
Ze względu na dużą liczbę stopni swobody projektowanie konstelacji stanowi klasyczne zadanie optymalizacyjne. Wśród stosowanych metod wyróżnia się trzy główne podejścia. Pierwsze, oparte na pełnej enumeracji albo systematycznym przeszukiwaniu siatki parametrów, sięga lat 70. XX wieku i nadal jest stosowane dla niewielkich przestrzeni decyzyjnych. Drugie wykorzystuje sformułowania liniowego programowania całkowitoliczbowego oraz heurystyki dekompozycyjne; sprawdzają się one przy projektowaniu pokrycia regionalnego i rekonfiguracji konstelacji. Trzecie obejmuje metaheurystyki, w tym wielokryterialne algorytmy genetyczne, pozwalające jednocześnie minimalizować liczbę satelitów, średni i maksymalny czas powrotu nad punkt obserwacji oraz inne wskaźniki jakości.
Projekt musi uwzględniać również zakłócenia orbitalne, zużycie paliwa na utrzymanie położenia, ryzyko kolizji, żywotność satelitów, rozmieszczenie stacji naziemnych i zasoby częstotliwościowe. Satelity w tej samej konstelacji zwykle mają podobne elementy orbit, aby perturbacje oddziaływały na nie w porównywalny sposób i aby geometria systemu nie ulegała destabilizacji bez ciągłych, kosztownych manewrów.
Typy orbit i konfiguracji thumb|Porównanie konstelacji biegunowej (z lewej) i konstelacji Walkera (z prawej). Konfiguracja biegunowa obejmuje rejony okołobiegunowe, natomiast układ Walkera koncentruje się na szerokościach niskich i średnich. Konstelacje niskoorbitalne (LEO, z ang. low Earth orbit) są użyteczne wtedy, gdy wymagana jest niewielka odległość do użytkownika, małe opóźnienie sygnału, wysoka rozdzielczość obserwacji albo możliwość stosowania mniejszych terminali. Ich wadą jest konieczność użycia wielu satelitów i częstych przełączeń, ponieważ pojedynczy satelita niskoorbitalny przebywa nad danym obszarem jedynie przez krótki czas.
Konstelacje na średniej orbicie okołoziemskiej są typowe dla globalnych systemów nawigacji satelitarnej. Wysokość orbit pozwala zmniejszyć liczbę satelitów w porównaniu z LEO, a jednocześnie utrzymać mniejsze opóźnienie i większą użyteczność na wysokich szerokościach geograficznych niż w przypadku samej orbity geostacjonarnej.
Układy geostacjonarne i geosynchroniczne są istotne dla łączności, transmisji danych i niektórych systemów regionalnych. Trzy satelity geostacjonarne mogą teoretycznie pokrywać większość zamieszkanej powierzchni Ziemi, jednak praktyczna dostępność zależy od lokalnych przeszkód terenowych, kąta elewacji anteny, mocy sygnału i wymagań usługi.
Konstelacje na orbitach silnie eliptycznych, takich jak orbity typu (okres około 12 godzin, apogeum nad obszarami okołobiegunowymi) lub (okres dobowy, również z apogeum nad wysokimi szerokościami), umożliwiają dłuższe przebywanie satelity nad wysokimi szerokościami geograficznymi. Stosuje się je tam, gdzie satelity geostacjonarne są widoczne nisko nad horyzontem albo gdzie potrzebny jest dłuższy czas widoczności nad północnymi lub południowymi regionami.
Segment naziemny i łącza między satelitami Konstelacja jest systemem obejmującym nie tylko satelity, lecz także centra kontroli, stacje monitorujące, stacje bramowe, sieć dystrybucji danych i terminale użytkowników. Segment naziemny wyznacza orbity, wysyła komendy, monitoruje stan satelitów, odbiera dane i przekazuje je do sieci naziemnych albo do użytkowników końcowych.
W części systemów satelity komunikują się wyłącznie ze stacjami naziemnymi, co wymaga obecności właściwej stacji bramowej w zasięgu satelity. Inne konstelacje wykorzystują łącza międzysatelitarne, w tym łącza radiowe lub optyczne, dzięki którym dane mogą być przekazywane przez kilka satelitów, zanim trafią na Ziemię.
Łącza międzysatelitarne pozwalają ograniczyć zależność od gęstej sieci stacji naziemnych i skrócić trasę danych między odległymi regionami, ale zwiększają złożoność satelitów, sterowania ruchem i oprogramowania routingu. W systemach szerokopasmowych jest to jeden z głównych kompromisów między prostotą, kosztem, opóźnieniem i niezawodnością.
Zastosowania W nawigacji satelitarnej konstelacje dostarczają sygnałów czasu i efemeryd, na podstawie których odbiorniki wyznaczają pozycję. Globalne systemy GPS, GLONASS, Galileo i Beidou są projektowane tak, aby użytkownik miał zwykle widocznych kilka satelitów jednocześnie, a systemy regionalne, takie jak QZSS lub NavIC, zwiększają dostępność i dokładność w wybranych obszarach.
W łączności satelitarnej konstelacje umożliwiają telefonię satelitarną, transmisję danych, łączność ratunkową, Internet rzeczy, śledzenie statków i samolotów oraz szerokopasmowy dostęp do Internetu. Systemy niskoorbitalne zmniejszają opóźnienie względem klasycznych usług geostacjonarnych, lecz wymagają wielu satelitów, anten śledzących lub fazowanych oraz automatycznego przełączania połączeń między kolejnymi satelitami.
W obserwacji Ziemi konstelacje zwiększają częstotliwość obrazowania tego samego miejsca, skracają czas oczekiwania na dane po katastrofach naturalnych i umożliwiają łączenie pomiarów z wielu instrumentów. Przykładami są konstelacje teledetekcyjne i środowiskowe, takie jak A-Train, RapidEye czy SAR-Lupe, choć część z nich stanowi raczej skoordynowany układ misji niż jednorodną konstelację w ścisłym znaczeniu tego pojęcia. Od tej kategorii należy odróżnić długoletnie serie misji ciągłych, takie jak program Landsat, w których kolejne satelity przejmują zadania poprzedników, ale nie pracują równocześnie jako jeden system.