Орбитальные позиции геостационарных спутников. Высокая эллиптическая орбита
СПУТНИКОВАЯ СВЯЗЬ
и проблема
геостационарной
орбиты
Предисловие.................................................. …………………….……5
1. Орбита геостационарных ИСЗ. Зоны обслуживания………………..10
1.1.Орбиты спутников Земли.................... …………………………….10
1.2.Геостационарная орбита..................... …………………………… 13
1.3.Освещенность геостационарного ИСЗ; засветка антенн земных
станций Солнцем и Лунно…………………………………………………….21
1.4.Запаздывание радиосигналов и эффект Доплера ……………..……27
1.5.Зоны обслуживания геостационарных ИСЗ……………………32 2.Основные радиотехнические характеристики систем связи с геостационарными ИСЗ……………………………………………………….38
2.1.Службы радиосвязи, использующие спутники на геостационарной орбите…………………………………………………………………...…38
2.2.Основные характеристики геостационарных ИСЗ и систем связи
на их основ……………………………….…………………...…....…..42
2.4.О тенденциях освоения геостационарной орбиты, планах создания новых систем связи с геостационарными ИСЗ………...............................65
3.Расчет взаимных помех между стационарными ИСЗ…………….70
3.1.Определение необходимых защитных отношений сигнал-помеха
на входе приемного устройств…………………………………………70
3.2.Воздействие помех на аналоговые ЧМ сигналы……..…72 Воздействие помех при передаче сигналов в дискретной форме….....
3.3.Расчет отношения сигнала к помехе на входе приемных устройств …………………………………………………………………………94
3.4.Нормы на допустимые уровни помех... …………………………..99
3.5. Нормы на допустимые уровни помех……….....…...…...…………107
4.Показатели эффективности использования геостационарной орбиты..................................................................................................................112
4.1.Возможные подходы к выработке показателя………………….112
4.2.Показатель эффективности использования ГО……………........Технические факторы, влияющие на эффективность использования ГО………………………………………………………………………………..124
5.1. Параметры антенн, определяющие эффективность использования ГО……………………………………………………..….……124
5.2.Технические факторы, влияющие на эффективность использования ГО, связанные с методами передачи сигналов и нормированием.....134
5.3.Анализ однородности систем спутниковой связи …………….143
6.Оценка емкости геостационарной орбиты…………………………...154
6.1.Опенка емкости орбиты на основе реальных предпосылок……....154
6.2.Оценка предельной пропускной способности ГО …………….....161
7. Международное регулирование использования геостационарной орбиты………………………………............................................................…..169
7.1.Общие положения по использованию ГО…………….…………169
7.2.Действующий порядок координации новых систем, использующих геостационарные ИСЗ……………………………….………176
8.Плановое использование полос частот, распределенных спутниковой вещательной службе…………………………….…..…………181
8.1.Планы для спутниковой вещательной службы, принятые
ВАКР-77 и РАКР-83…………………………………………………………...181
8.2.Критерии межрегионального совмещения и решения РАКР-83 ………………………………………………………………….......196
8.3.Проблемы планирования линий подачи программ в Ройнах 1 и 3…………………………………………………………………………...…201
8.4Проблемы реализации Планов спутниковой вещательной службы в полосе 12 ГГц ………………………......205
9.Возможные методы обеспечения гарантированного доступа к геостационарной орбите и решения ВАКР ОРБ 1985 г…………………......207
9.1.Задачи ВАКР ОРБ 1985 г. и подготовительная работа в
МККР ……………………………………………………………………….....207
9.2.Решения ВАКР ОРБ 1985 г. в отношении введения планирования спутниковых служб......................................215
9.3.О применении обобщенных параметров при планировании ФСС…………………………………………………………………..................222
9.4.О разработке примера плана ФСС..........................232
Заключение.................................................................................................242
Список литературы...................................................................................245
ПРЕДИСЛОВИЕ
Середина XX века ознаменована успехами ракетно-космической техники. Выдающуюся роль в создании научных основ для этих успехов сыграл русский ученый.
С момента запуска в СССР а 1957 г. первого искусственного спутника Земли (ИСЗ) возникла практическая возможность создания систем связи с ретранслятором (пассивным или активным), расположенным на спутнике. Эффективность такого размещения ретранслятора была уже к тому времени очевидна, поскольку получили широкое распространение радиорелейные линии связи прямой видимости с ретрансляционными станциями на высоких башнях, а для увеличения дальности связи неоднократно осуществлялся подъем ретранслятора на большую высоту с помощью самолетов и других летательных аппаратов. В качестве космической ретрансляционной станции ИСЗ оказался более удобным, чем другие средства подъема активного ретранслятора, из-за большой (практически неограниченной) высоты, длительного срока существования без заметных затрат энергии (спутник движется по орбите как небесное тело), эффективной работы солнечных батарей, не затеняемых атмосферными образованиями - облаками. Эти преимущества оказались важнее, чем очевидный недостаток- высокая стоимость вывода ИСЗ на орбиту.
Большая высота космической станции позволяет не только создать широкополосные линии связи прямой видимости большой длины и большой емкости, но и осуществить непосредственную связь через ИСЗ большого числа земных станций, расположенных в зоне обслуживания этого ИСЗ.
Уже в начале шестидесятых годов были запущены первые спутники связи - «Молния-1» (СССР, 1965 г.) «Тельстар» (США, 1962 г). Высокая эллиптическая орбита ИСЗ «Молния-l» с высотой апогея околокм в северном полушарии и наклонением к экватору около 65° оказалась удобной для обслуживания зон включающих в себя приполярные районы, и с успехом используется Советским Союзом до сих пор. Низкая орбита «Тельстара» (высота апогея 4800 км, перигея 800 км, наклонение к плоскости экватора 45°) в дальнейшем никогда не использовалась.
Однако еще в 1945 г. английский инженер А. Кларк, более известный сейчас как автор фантастических романов, предложил (по-видимому, впервые) использовать для спутников
связи геостационарную орбиту, определил необходимую высоту этой орбиты (~км над поверхностью Земли) и показал, что трех геостационарных ИСЗ достаточно для создания системы связи, охватывающей почти всю территорию земного шара (см. рисунок). Замечательная особенность спутника на геостационарной орбите заключается в том, что он оказывается «неподвижно висящим» над некоторой точкой Земли. Это позволяет организовать связь через;
такой ИСЗ без перерывов, без сопровождения спутника антеннами земных станций. Не случайно системы спутниковой связи с
ИСЗ на геостационарной орбите (ГО) получили широчайшее развитие. Так, к августу 1985 г. на геостационарной орбите зарегистрированы Международным комитетом регистрации частот (МКРЧ) 128 спутниковых систем связи и еще 222 системы заявлены в МКРЧ или находятся в процессе координации. Предполагается, что в ближайшие 6 лет для целей связи на ГО будет выведено еще около 200 ИСЗ. Геостационарная орбита удобна и для некоторых других перспективных применений, например для преобразования с помощью солнечных батарей, установленных на геостационарном ИСЗ, солнечной энергии в электрическую и передачи ее на Землю остронаправленным лучом.
Не грозит ли нам переполнение геостационарной орбиты? С точки зрения чисто геометрической, т. е. с точки зрения вероятности столкновений и взаимного затенения ИСЗ, такая опасность пока не существует. Ведь протяженность геостационарной орбиты весьма велика - км, а размеры ИСЗ ограничиваются несколькими метрами. Кроме того, ГО на практике, для реально запущенных ИСЗ, имеющих некоторый разброс по высоте и скорости движения, - это не геометрическая линия, а тело вращения («бублик»), имеющее заметный объем. Подсчитано , что даже если на геостационарную орбиту будет выведеноИСЗ, вероятность MX столкновения не превысит 1 раза залет. Тем не менее, во избежание «засорения» ГО в документах Международного консультативного комитета по радио (МККР) рассматривается необходимость «увода» ИСЗ с геостационарной орбиты по окончании их функционирования, для чего некоторый запас энергии в двигателе ИСЗ должен сохраняться к концу срока службы.
Если же рассматривать проблему заполнения ГО с точки зрения электромагнитной совместимости между системами связи с геостационарным ИСЗ, то оказывается, что геостационарная орбита уже сейчас на отдельных участках в некоторых полосах частот перегружена. При реализуемой сейчас на практике пространственной избирательности антенн разнос между соседними ИСЗ, работающими в общей полосе частот, во избежание взаимных помех составляет на практике 3-4°, и лишь в редких случаях снижается до 2°. В этих условиях на ГО можно разместить не более 100-180 ИСЗ, работающих в общей полосе частот. Разделение ИСЗ по частоте для некоторых служб затруднено, поскольку, например, современный ИСЗ фиксированной службы использует обычно большую часть выделенной для этой службы полосы частот в одном из сдвоенных диапазонов 4/6 или 11/14 ГГц либо даже в обоих. Реализация систем связи в других, более высокочастотных диапазонах, выделенных для фиксированной службы, возможна, но связана с определенными энергетическими и технологическими трудностями.
Таким образом, перегрузка геостационарной орбиты спутниками из-за возникающих между ними радиопомех является фактом сегодняшнего дня. Координация между заинтересованными Администрациями связи перед регистрацией новой системы длится подчас годами.
В связи с создавшимся положением у ряда Администраций связи (в первую очередь, развивающихся стран) появилось желание распределить геостационарную орбиту на плановой основе, закрепив за каждой страной позицию и полосу частот для обслуживания определенной зоны (с соблюдением ряда необходимых параметров сигналов). Для вещательной службы такой план удалось разработать и принять на Всемирной Административной конференции радиосвязи 1977 г. (ВАКР-77) для стран восточного полушария, на Региональной Административной конференции радиосвязи 1983 г. (РАКР-83) -для западного.
В 1985 г. состоялась ВАКР (1-я сессия) по использованию геостационарной орбиты и планированию использующих ее служб, с целью обеспечить всем странам равноправный доступ к геостационарной орбите. Эта сессия решила, что для национальных систем фиксированной спутниковой службы должен быть разработан так называемый план выделений, удовлетворяющих запросы Администраций, с выделением каждой Администрации не менее одной позиции на орбите. Для планирования выделены полосы в диапазонах 4/6 ГГц и 11/14 ГГц, по 800 МГц для линий Космос - Земля и Земля - Космос. В остальных полосах должна быть введена улучшенная процедура координации.
Таким образом, можно видеть, что использование геостационарной орбиты спутниками связи является сейчас одной из самых важных и интересных проблем развития техники связи и освоения космоса в интересах народного хозяйства. Этой проблеме и посвящена настоящая книга. В книге приведены основные сведения о движении спутников по геостационарной орбите, о принципах определения зон обслуживания для таких спутников. Описаны типичные системы спутниковой связи с геостационарными ИСЗ, приведены параметры передаваемых в этих системах сигналов, параметры оборудования земных и космических станций. Рассматриваются правовые и технические аспекты проблемы регулирования использования орбиты, анализируются помехи между системами связи с геостационарными ИСЗ. Важнейшие разделы книги посвящены методам повышения эффективности использования геостационарной орбиты, оценке предельно достижимой емкости этой орбиты, принципам ее использования на плановой основе.
Можно полагать, что эти вопросы сохранят актуальность на длительное время и представят интерес для широкого круга читателей- как специалистов в области создания и использования современных систем связи, так и читателей, интересующихся возможностями и перспективами таких систем.
Главы 1, 2, 4, 5, 6, § 3.1, 3.2, 3.3, 9.3 написаны Л. Кантором; гл. 7, 8, § 3.4, 3.5, 9.1, 9.2 -В. Тимофеевым; § 9.4-авторами совместно на основе материалов, любезно предоставленных В. Баклановой.
1. ОРБИТА ГЕОСТАЦИОНАРНЫХ ИСЗ. ЗОНЫ ОБСЛУЖИВАНИЯ
1.1. ОРБИТЫ СПУТНИКОВ ЗЕМЛИ
Траектория движения искусственного спутника Земли называется его орбитой. Во время свободного полета, когда бортовые реактивные двигатели выключены, спутник Земли движется как небесное тело, под воздействием гравитационных сил и инерции, причем главенствующей гравитационной силой является притяжение Земли. Если упрощенно считать Землю строго сферической, а гравитационное поле Земли - единственным воздействующим на ИСЗ, то движение ИСЗ вокруг Земли подчиняется законам Кеплера. При этих предположениях движение спутника происходит в неподвижной (в абсолютном пространстве) плоскости - плоскости орбиты, проходящей через центр Земли; полная механическая энергия (кинетическая и потенциальная) спутника остается неизменной, вследствие чего при удалении спутника от Земли скорость его движения уменьшается, при приближении - увеличивается. Орбита спутника в строго центральном гравитационном поле имеет вид эллипса или окружности - частного случая эллипса.
Уравнение эллиптической орбиты спутника Земли в полярной системе координат (в обозначениях, принятых в ) (имеет вод-
= р /(1+ е COShttps://pandia.ru/text/78/235/images/image004_24.gif" width="12" height="13"> - модуль радиуса-вектора (расстояние от ИСЗ до центра Земли); - угловая координата радиуса-вектора («истинная аномалия»); е - эксцентриситет орбиты; р - фокальный параметр.
При е = 0 уравнение (1..gif" width="12" height="13 src=">.gif" width="17" height="19">=0°), и точку апогея (=180°) - с наибольшим значением r =r a (рис. 1.1). Центр притягивающего тела - Земли - находится в одном из фокусов эллипса (у круговой орбиты фокусы сливаются с центром). Из геометрии известно, что для эллипса фокальный параметр р = b 2/а =а (1-е 2), где а =(а+п)/2 - большая полуось, b = а - малая полуось, е = =
= (https://pandia.ru/text/78/235/images/image004_24.gif" width="12" height="13 src=">п)/2а - эксцентриситет. Фокусы эллипса отстоят от era центра на расстояние ае , - ае . Если считать Землю сферической, то высота орбиты (высота ИСЗ над поверхностью Земли)
h = г - R , где R - радиус Земли.
Плоскость орбиты в общем случае пересекается с плоскостью экватора (рис. 1.2). Линия пересечения плоскости орбиты с плоскостью экватора называется линией узлов, точка пересечения орбитой ИСЗ плоскости экватора при переходе ИСЗ из южного полушария в северное - восходящим узлом, точка пересечения при движении ИСЗ с севера на юг - нисходящим узлом.
Важная характеристика орбиты спутника - наклонение ее плоскости к плоскости экватора, характеризуемое углом i между этими плоскостями (отсчитывается в восходящем узле, против часовой стрелки от восточного «направления) (рис. 1.2). По наклонению различают экваториальные (i = 0), полярные (i =90°) и наклонные (0< i <90°) орбиты, по направлению движения ИСЗ относительно вращения земли -прямые (0<i <90°) и обратные (90°< i DIV_ADBLOCK659">
Для систем связи и вещания необходима прямая видимость между спутником и земными станциями в течение сеанса достаточной длительности. Если сеанс связи не круглосуточный, то удобно, чтобы он повторялся ежесуточно в одно и то же время. Поэтому особый интерес представляют собой синхронные орбиты с периодом обращения, равным или кратным времени оборота Земли вокруг оси (т. е. звездным суткам). Период обращения ИСЗ T Q = T 3m / n (где Т 3-длительность звездных суток: m и n - целые числа), число витков спутника за сутки N =T 3/TQ=n / m ,
1.2. ГЕОСТАЦИОНАРНАЯ ОРБИТА
На основе изложенного можно дать определение геостационарной орбиты. Геостационарная орбита (точнее, орбита геостационарного ИСЗ) - это круговая (эксцентриситет е =0), экваториальная (t = 0), синхронная орбита с периодом обращения 24 ч, с движением ИСЗ в восточном направлении. Легко понять, что спутник на геостационарной орбите окажется «висящим» над определенной точкой земной поверхности (на определенной долготе над экватором) на высотекм над поверхностью Земли (см. табл. 1.1 и рис. 1.3). Точное значение периода обращения, равного периоду вращения Земли (звездным суткам), составляет 23ч.56 мин. 04 с.
Достоинства геостационарных спутников очевидны, чрезвычайно существенны. Связь через геостационарный ИСЗ может осуществляться непрерывно, круглосуточно, без перерывов для перехода с одного (заходящего) ИСЗ на другой; на земных станциях могут быть упрощены или вовсе исключены системы автоматического сопровождения ИСЗ, да и сами механизмы привода (перемещения) антенны могут быть облегчены и упрощены; выше стабильность уровня сигнала от ИСЗ из-за неизменности расстояния; отсутствует (или очень мал) частотный сдвиг, обусловленный эффектом Доплера (см. § 1.4).
Благодаря большой высоте геостационарного ИСЗ зона его видимости на поверхности Земли велика - около одной трети всей земной поверхности (рис. 1.4). Из-за всех указанных преимуществ геостационарную орбиту используют очень широко, и в наиболее удобных полосахчастот она уже насыщена спутниками связи почти до предела. Следует подчеркнуть, что гео-
стационарная орбита - единственная, уникальная, и ни при каком другом сочетании параметров нельзя добиться эффекта относительной неподвижности свободно движущегося ИСЗ для земного наблюдателя.
Из рис. 1.4 видно, что полярные области плохо обслуживаются геостационарными ИСЗ, поскольку спутник виден под очень малыми углами места, а вблизи полюса не виден вовсе. Малые углы места вызывают опасность затенения спутника местными предметами, увеличивают вклад радиотеплового излучения Земли в общие шумы земной станции. Из рис. 1.4 видно, что дело обстоит тем хуже, чем дальше по долготе расположена интересующая нас точка приема от долготы ИСЗ. Поэтому для обслуживания территорий в высоких широтах геостационарный ИСЗ должен размещаться как можно ближе к оптимальной по долготе точке, иными словами, должна быть минимальной так называемая дуга обслуживания-участок ГО, в пределах которого может перемещаться ИСЗ без нарушения зоны обслуживания. Это видно также из рис. 1.5, позволяющего определить угол места на геостационарный ИСЗ в любой точке зоны. В связи с этим недостатком, а также в связи с большой загрузкой геостационарной орбиты рассматривается применение других типов орбит, в первую очередь синхронных (см. табл. 1.1). Пока для целей связи нашла применение только 12-часовая эллиптическая орбита с высотой апогея около 40 тыс. км и наклонением iDIV_ADBLOCK661">
Однако в случае движения ИСЗ по высокой эллиптической орбите «Молния» антенны земных станций (ЗС) должны следить за движущимся ИСЗ, и не менее 3 раз в сутки все ЗС должны совершать одновременный переход на другой ИСЗ с перерывом связи.
Из-за неизбежного отклонения параметров ГО от необходимых значении при запуске ИСЗ, а также из-за возмущающих факторов, нарушающих строго центральное гравитационное поле, движение реального геостационарного ИСЗ всегда несколько отличается от идеально геостационарного. Нецентральность гравитационного поля обусловлена несферичностью Земли (как по форме, так и по распределению масс земного шара). Нарушение движения ИСЗ вызывает также сопротивление атмосферы, гравитационные поля Солнца и Луны и пр. Вследствие всех этих возмущений орбита ИСЗ становится незамкнутой, спутник после оборота вокруг Земли не возвращается точно в прежнее положение, если не производится необходимая коррекция. В частности, сопротивление атмосферы вызывает уменьшение скорости ИСЗ,
148">
следовательно - уменьшение высоты орбиты; одновременно уменьшается эксцентриситет орбиты. Реальное влияние торможения в атмосфере на геостационарные ИСЗ невелико (оно существенно для эллиптических орбит с небольшой высотой перигея или низких круговых орбит, попадающих в более плотные слои атмосферы).
Рассмотрим влияние неточности первоначальных параметров орбиты на движение геостационарного ИСЗ при идеально центральном гравитационном поле Земли. Отличие периода обращения спутника от звездных суток на некоторую величину T приводит к изменению долготы ИСЗ за время одного оборота спутника вокруг Земли на величину =-https://pandia.ru/text/78/235/images/image019_16.gif" width="15" height="17 src=">Т = Т С- Т 3, Т 3 - звездные сутки, Т с - период обращения спутника (так называемый сидерический ). Если Т С>Т 3, то <0, и спутник смещается в западном. направлении, отставая от движения Земли, и наоборот.
Если при выводе cпутника орбита окажется не точно круглой, а будет обладать небольшим эксцентриситетом е (е 1), но при этом период обращения точно равен необходимой величине (T с =T з), то спутник будет колебаться по долготе около среднего положения https://pandia.ru/text/78/235/images/image024_16.gif" width="103" height="24"> с амплитудой 2е .
Отличие орбиты от строго экваториальной (наклонение i0) при малом наклонении вызывает колебания спутника, причем преобладают колебания по широте, определяемые законом
где и -аргумент широты спутника (угол между восходящим узлом орбиты и направлением на спутник в плоскости орбиты); - географическая широта подспутниковой точки.
Из (1.2) очевидно, что амплитуда колебаний по широте равна наклонению, период равен периоду обращения спутника. Траектория движения подспутниковой точки при i 0 показана на рис. 1.6. Влияние наклонения орбиты на движение квазистациопарного (т. е. почти стационарного) спутника имеет особенно важное значение, поскольку наклонение орбиты возникает даже при первоначально строго экваториальной орбите вследствие неидельности поля тяготения.
Из факторов, возмущающих орбиту, заметное влияние оказывает экваториальное сжатие Земли (отклонение экватора от точной формы круга). Анализ показывает, что из-за этого возникают колебания геостационарного ИСЗ в плоскости орбиты по долготе по высоте с большим периодом - до нескольких лет, около точек устойчивого равновесия. Точками устойчивого равновесия являются точки пересечения малой полуоси экваториального сечения Земли с геостационарной орбитой. Другие отклонения поля Земли от строго центрального вызывают небольшое изменение периода обращения, небольшое изменение эксцентриситета, изменение долготы восходящего узла.
Гравитационные поля Луны и Солнца вызывают небольшие изменения периода обращения и эксцентриситета и существенную для практики эволюцию наклонения орбиты. Изменение наклонения за год существования ИСЗ может составитьв зависимости от астрономической даты (параметров орбиты Луны), т. е. уже через 1-2 года колебания ИСЗ из-за возникшего наклонения (рис. 1.6) начнут существенно влиять на работу системы связи. Несколько облегчить положение на первое время может вывод ИСЗ на орбиту с заранее заданным «отрицательным» наклонением- долготой восходящего угла 270°; тогда сначала наклонение орбиты будет уменьшаться по величине, достигнет нуля, и лишь затем начнет возрастать с указанной выше скоростью.
Таким образом, рассмотрены факторы, оказывающие существенное влияние на движение геостационарного ИСЗ (правильнее его называть квазистационарным). Перемещение ИСЗ относительно заданной точки стояния оказывает неблагоприятное влияние на работу систем связи. Во-первых, требуется непрерывное наведение на ИСЗ антенн земных станций, для чего их придется снабдить приводом и системой автоматического наведения, что в сетях с большим числом простых ЗС нередко недопустимо. Во-вторых, перемещение ИСЗ приводит к уменьшению зон обслуживания. В-третьих, перемещение ИСЗ по долготе приводит к вероятному сближению соседних спутников и увеличивает взаимные помехи между ними, ухудшая использование геостационарной орбиты. В связи с этим в настоящее время рекомендуется, чтобы нестабильность положения ИСЗ по долготе не превышала ±0,1°. Поскольку возмущающие факторы устранить нельзя, приходится периодически устранять их влияние на движение ИСЗ - производить так называемую коррекцию движения спутника, сообщая ему необходимое по величине ускорение в необходимом направлении. Для коррекции на спутнике устанавливают двигатели: либо включаемые по команде с Земли, либо работающие в автономном режиме. Анализ показывает, что энергетические затраты
на коррекцию положения ИСЗ не зависят от точности удержания; это объясняется тем, что для удержания спутника в более узких пределах необходимо чаще производить коррекцию, но при каждой коррекции затрачивать соответственно меньшее количество энергии. Следует отметить, что коррекция наклонения орбиты требует существенно больших затрат энергии, чем коррекция по долготе.
Высказывались предложения использовать колебания квазистационарного ИСЗ (см. рис. 1.6) для размещения как бы на одной номинальной позиции нескольких ИСЗ. Можно видеть, что при движении нескольких ИСЗ по такой траектории в одном и том же направлении между ними сохраняется некоторое угловое расстояние, которое может быть достаточным для поддержания взаимных помех на необходимом уровне (рис. 1.7). Рассматривалось, например, размещение на одной «восьмерке» трех ИСЗ, из которых включены в работу в любой момент лишь два , что при условии своевременного перевода ИСЗ из активного режима в пассивный позволяет сохранять угловой разнос между двумя активными ИСЗ равным 3/4 от размаха восьмерки в направлении север - юг. Однако подобные возможности пока не реализованы.
1.3. ОСВЕЩЕННОСТЬ ГЕОСТАЦИОНАРНОГО ИСЗ;
ЗАСВЕТКА АНТЕНН ЗЕМНЫХ СТАНЦИЙ
СОЛНЦЕМ И ЛУНОЙ
При движении по геостационарной орбите спутник может на некоторое время оказаться в тени Земли (рис. 1.8). Это явление имеет значение, поскольку питание ИСЗ осуществляется как правило от солнечных батарей, так что попадание в области тени Земли лишает бортовое оборудование энергоснабжения ; энергию приходится накапливать в аккумуляторах либо на время затенения прерывать работу системы связи. Затенение вызывает также резкое изменение тепловоз режима ИСЗ. Поэтому длительность затенения и время его наступления имеют важное значение.
рис. 1.9. Взаимное расположение плоскостей орбит Земли и экваториального ИСЗ а - лето в северном полушарии; б- период равноденствия
Поскольку плоскость геостационарной орбиты (плоскость экватора) и плоскость орбиты Земли при ее движении вокруг Солнца не совпадают (из-за известного наклона земной оси), большую часть года геостационарный ИСЗ вообще не попадает в тень Земли: при нахождении «за Землей» спутник находится выше (или ниже) линии Солнце-Земля (рис. 1.9,а). Лишь в «периоды, близкие к осеннему или весеннему равноденствию, затенение становится возможным, поскольку спутник, пересекая плоскость орбиты Земли, находится на прямой Солнце - Земля (рис. 1.9,б).
Очевидно также, что затенение может наступить один раз за период обращения Земли, т. е. за сутки, и что время затенения связано с местным временем для той долготы, на которой расположен геостационарный ИСЗ - из рис. 1.8 видно, что в подспутниковой точке во время затенения ИСЗ должна быть ночь.
Анализ, выполненный при некоторых упрощающих предположениях , позволил рассчитать время входа t в и выхода t вых спутника из тени Земли в зависимости от даты (pиc. 1.10). Как видим, затенение геостационарного ИСЗ возникает только в
периоды длительностью менее 1,5 месяцев, близкие к осеннему и весеннему равноденствию, и повремени не превышает 1 ч. 10 мин в сутки. Рисунок 1.10 построен для московского времени и спутника, расположенного на долготе =0°. Как видим, расположение ИСЗ на более западной долготе, чем долгота зоны обслуживания, приводит к наступлению затенения в более позднее время, уже после обычного времени телепередач, что позволяет обойтись без аккумуляторов на ИСЗ..gif" width="107" height="27">(1.3)
где вх, tвых определяются из рис. 1.10, а коэффициент 15 обусловлен тем, что ширина одного часового пояса составляет 15°.
Время затенения ИСЗ учитывалось при составлении плана вещательной службы на ЗАКР-77-все ИСЗ сдвинуты на запад относительно точки прицеливания бортовой антенны.
Теперь обратимся к другому явлению, также определяемому чисто астрономическими законами движения небесных тел - явлению попадания Солнца или Луны в луч антенны земных станций. И в этом случае спутник должен оказаться вблизи плоскости орбиты Земли при ее обращении вокруг Солнца (либо вблизи плоскости орбиты Луны при ее обращении вокруг Земли), однако не позади Земли, как в случае затенения, а впереди нее. Попадание Солнца или Луны в луч антенны ЗС вызывает помеху приему сигналов из-за радиотеплового излучения этих небесных тел. Плотность потока мощности W
2007 г.
Основная идея
Этот сайт посвящён вопросам наблюдения искуственных спутников Земли
(далее ИСЗ
). Со времени начала космической эры (4 октября 1957 г. был запущен первый ИСЗ - "Спутник-1") человечество создало огромное число спутников, которые кружат вокруг Земли по всевозможным орбитам. На сегодняшний момент число подобных рукотворных объектов превышает десятки тысяч. В основном это "космический мусор" - осколки ИСЗ, отработанные ступени ракет и т.д. Лишь небольшая часть из них составляют действующие ИСЗ.
Среди них есть и исследовательские, и метеорологические, и спутники связи и телекоммуникации, и военные ИСЗ. Пространство вокруг Земли "заселено" ими от высот 200-300 км и до 40000 км. Лишь часть из них доступна для наблюдений с использованием недорогой оптики (бинокли, подзорные трубы, любительские телескопы).
Создавая этот сайт, авторы ставили перед собой цель - собрать воедино информацию о методах наблюдения и съёмки ИСЗ, показать, как расчитывать условия их пролёта над определённой местностью, описать практические аспекты вопроса наблюдения и съёмки. На сайте представлен, в основном, авторский материал, полученный в ходе проведения наблюдений участниками секции "Космонавтика" астрономического клуба "hν" при Минском планетарии (Минск, Беларусь).
И всё же, отвечая на основной вопрос - "Зачем?", нужно сказать следующее. Среди всевозможных хобби, которыми увлекается человек, есть астрономия и космонавтика. Тысячи любителей астрономии наблюдают за планетами, туманностями, галактиками, переменными звёздами, метеорами и прочими астрономическими объектами, фотографируют их, проводят свои конференции и "мастер-классы". Зачем? Это просто хобби, одно из многих. Способ уйти от ежедневных проблем. Даже тогда, когда любители выполняют работы, имеющие научную значимость, они остаются любителями, которые делают это для своего удовольствия. Астрономия и космонавтика - очень "технологичные" увлечения, где можно применить свои знания оптики, электроники, физики и пр. естественно-научных дисциплин. А можно и не применять - и просто получать удовольствие от созерцания. Со спутниками дела обстоят похожим образом. Особенно интересно следить за теми ИСЗ, информация о которых не распространяется в открытых источниках - это военные спутники разведки разных стран. В любом случае, наблюдение ИСЗ - это охота. Часто мы можем заранее указать где и когда покажется спутник, но не всегда. А как он себя будет "вести" - предсказать ещё сложнее.
Благодарности:Описанные методики были созданы на основе наблюдений и исследований, в которых приняли участие члены клуба любителей астрономии "hν" Минского планетария (Беларусь):
- Бозбей Максим.
- Дрёмин Геннадий.
- Кенько Зоя.
- Мечинский Виталий.
Также большую помощь оказали члены клуба любителей астрономии "hν" Лебедева Татьяна , Повалишев Владимир и Ткаченко Алексей . Отдельная благодарность Александру Лапшину (Россия), profi-s (Украина), Даниилу Шестакову (Россия) и Анатолию Григорьеву (Россия) за помощь в создании п. II §1 "Фотометрия ИСЗ", Главы 2 и Главы 5, а Елене (Tau , Россия) также за консультации и написание нескольких расчётных программ. Авторы также благодарят Абгаряна Михаила (Беларусь), Горячко Юрия (Беларусь), Григорьева Анатолия (Россия), Еленина Леонида (Россия), Жука Виктора (Беларусь), Молотова Игоря (Россия), Морозова Константина (Беларусь), Плаксу Сергея (Украина), Прокопюка Ивана (Беларусь) за предоставленные иллюстрации для некоторых разделов сайта.
Часть материалов получена в ходе выполнения заказа УП "Геоинформационные системы" Национальной академии наук Беларуси. Представление материалов выполняется на некоммерческой основе в целях популяризации Белорусской космической программы среди детей и молодежи.
Виталий Мечинский, Куратор секции "Космонавтика" астроклуба "hν".
Новости сайта:
- 01.09.2013: Значительно Обновлён подпункт 2 "Фотометрия ИСЗ за пролёт" п. II §1 -- добавлена информация по двум методикам фотометрии треков ИСЗ (метод фотометрического профиля трека и метод изофотной фотометрии).
- 01.09.2013: Обновлён подпункт п. II §1 -- добавлена информация по работе с рограммой "Highecl" для расчёта вероятных вспышек от ГСС.
- 30.01.2013: Обновлена "Глава 3" -- добавлена информация по работе с рограммой "MagVision" для расчёта падения проницания от засветки со стороны Солнца и Луны.
- 22.01.2013: Обновлена Глава 2. Добавлена анимация движения спутников по небу за одну минуту.
- 19.01.2013: Обновлён подпункт "Визуальные наблюдения ИСЗ" п.1 "Определение орбит ИСЗ" §1 Главы 5. Добавлена информация про устройства подогрева электроники и оптики для защиты от выпадения росы, инея и от излищнего охлаждения.
- 19.01.2013: Добавлена в "Главу 3" информация про падение проницания при засветке от Луны и сумерек.
- 09.01.2013: Добавлен подпункт "Вспышки от лидара ИСЗ "CALIPSO" подпункта "Фотографирование вспышек" п. II "Фотометрия ИСЗ" §1 Главы 5. Описана информация по особенностям наблюдения вспышек от лазерного лидара ИСЗ "CALIPSO" и процесс подготовки к ним.
- 05.11.2012: Обновлена вводная часть §2 Главы 5. Добавлена информация о необходимом минимуме оборудования для радионаблюдений ИСЗ, а также приведена схема светодиодного индикатора уровня сигнала, который используется для выставления безопасного для диктофона уровня входного аудио-сигнала.
- 04.11.2012: Обновлён подпункт "Визуальные наблюдения ИСЗ" п.1 "Определение орбит ИСЗ" §1 Главы 5. Добавлена информация про звёздный атлас Брно, а также про красную плёнку на ЖКИ-экраны электронных устройств, используемых при наблюдениях.
- 14.04.2012: Обновлён подпункт подпункта "Фото/видео съёмка ИСЗ" п.1 "Определение орбит ИСЗ" §1 Главы 5. Добавлена информация про работу с программой "SatIR" для отождествления ИСЗ на фотографиях с широким полем зрения, а также определение координат концов треков ИСЗ на них.
- 13.04.2012: Обновлён подпункт "Астрометрия ИСЗ на полученных снимках: фото и видео" подпункта "Фото/видео съёмка ИСЗ" п.1 "Определение орбит ИСЗ" §1 Главы 5. Добавлена информация про работу с программой "AstroTortilla" для определения координат центра поля зрения снимков участков звёздного неба.
- 20.03.2012: Обновлён подпункт п.2 "Классификация орбит ИСЗ по величине большой полуоси" §1 Главы 2. Добавлена информация про величину дрейфа ГСС и возмущений орбиты.
- 02.03.2012: Добавлен подпункт "Наблюдения и съемка запусков ракет на отдалении" подпункта "Фото/видео съёмка ИСЗ" п. I "Определение орбит ИСЗ" §1 Главы 5. Описана информация по особенностям наблюдения полёта ракет-носителей на этапе выведения.
- "Конвертирование астрометрии в IOD-формат" подпункта "Фото/видео съёмка ИСЗ" п.I "Определение орбит ИСЗ" §1 Главы 5. Добавлено описание работы с программой "ObsEntry for Window" для конвертации астрометрии ИСЗ в IOD-формат -- аналог программы "OBSENTRY", но для ОС Windows.
- 25.02.2012: Обновлён подпункт "Солнечно-синхронные орбиты" п.1 "Классификация орбит ИСЗ по наклонению" §1 Главы 2. Добавлена информация о расчёте значения наклонения i ss солнечно-синхронной орбиты ИСЗ в зависимости от эксцентриситета и большой полуоси орбиты.
- 21.09.2011: Обновлён подпункт подпункта 2 "Фотометрия ИСЗ за пролёт" п. II "Фотометрия ИСЗ" §1 Главы 5. Добавлена информация о синодическом эффекте, искажающем определение периода вращения ИСЗ.
- 14.09.2011: Обновлён подпункт "Расчёт орбитальных (кеплеровских) элементов орбиты ИСЗ на основе астрометрических данных. Один пролёт" подпункта "Фото/видео съёмка ИСЗ" п. I "Определение орбит ИСЗ" §1 Главы 5. Добавлена информация о программе "SatID" для идентификации спутника (используя полученные TLE) среди спутников из сторонней базы TLE, а также описан метод идентификации спутника в программе "Heavensat" на основе увиденного пролёта возле опорной звезды.
- 12.09.2011: Обновлён подпункт "Расчёт орбитальных (кеплеровских) элементов орбиты ИСЗ на основе астрометрических данных. Несколько пролётов" подпункта "Фото/видео съёмка ИСЗ" п. I "Определение орбит ИСЗ" §1 Главы 5. Добавлена информация о программе пересчёта TLE-элементов на нужную дату.
- 12.09.2011: Добавлен подпункт "Вхождение ИСЗ в атмосферу Земли" подпункта "Фото/видео съёмка ИСЗ" п. I "Определение орбит ИСЗ" §1 Главы 5. Описана информация по работе с программой "SatEvo" для предсказания даты вхождения ИСЗ в плотные слои атмосферы Земли.
- "Вспышки от геостационарных ИСЗ" подпункта "Фотографирование вспышек" п. II "Фотометрия ИСЗ" §1 Главы 5. Добавлена информация о периоде видимости вспышек ГСС.
- 08.09.2011: Обновлён подпункт "Изменение блеска ИСЗ в течении пролёта" подпункта 2 "Фотометрия ИСЗ за пролёт" п. II "Фотометрия ИСЗ" §1 Главы 5. Добавлена информация о виде фазовой функции для нескольких примеров отражающих поверхностей.
- подпункта 1 "Наблюдение вспышек ИСЗ" п. II "Фотометрия ИСЗ" §1 Главы 5. Добавлена информация о неравномерности шкалы времени вдоль изображения трека ИСЗ на матрице фотоприёмника.
- 07.09.2011: Обновлён подпункт "Фотометрия ИСЗ за пролёт" п. II "Фотометрия ИСЗ" §1 Главы 5. Добавлен пример сложной кривой блеска ИСЗ "NanoSail-D" (SCN:37361) и моделирование его вращения.
- "Вспышки от низкоорбитальных ИСЗ" подпункта 1 "Наблюдение вспышек ИСЗ" п. II "Фотометрия ИСЗ" §1 Главы 5. Добавлены фотография и фотометрический профиль вспышки от LEO ИСЗ "METEOR 1-29".
- 06.09.2011: Обновлён подпункт "Геостационарные и геосинхронные орбиты ИСЗ" §1 Главы 2. Добавлена информация по классификации геостационарных ИСЗ, информация о форме траекторий ГСС.
- 06.09.2011: Обновлён подпункт "Съёмка пролёта ИСЗ: оборудование для съёмки. Оптические элементы" подпункта "Фото/видео съёмка ИСЗ" п. I "Определение орбит ИСЗ" §1 Главы 5. Добавлены ссылки на обзоры отечественных объективов в применении к съёмке ИСЗ.
- 06.09.2011: Обновлён подпункт "Фазовый угол" п. II "Фотометрия ИСЗ" §1 Главы 5. Добавлена анимация изменения фазы спутника в зависимости от фазового угла.
- 13.07.2011: Закончено заполнение всех глав и разделов сайта.
- 09.07.2011: Закончено написание вводной части к п. II "Фотометрия ИСЗ" §1 Главы 5.
- 05.07.2011: Закончено написание вводной части к §2 "Радионаблюдения ИСЗ" Главы 5.
- 04.07.2011: Обновлён подпункт "Обработка наблюдений" п. I "Приём телеметрии ИСЗ" §2 Главы 5.
- 04.07.2011: Закончено написание п. II "Получение снимков облачности" §2 Главы 5.
- 02.07.2011: Закончено написание п. I "Приём телеметрии ИСЗ" §2 Главы 5.
- 01.07.2011: Закончено написание подпункта "Фото/видео съёмка ИСЗ" п. I §1 Главы 5.
- 25.06.2011: Закончено написание Приложений .
- 25.06.2011: Закончено написание вводной части к Главе 5: "Что и как наблюдать?"
- 25.06.2011: Закончено написание вводной части к §1 "Оптические наблюдения" Главы 5.
- 25.06.2011: Закончено написание вводной части к п. I "Определение орбит ИСЗ" §1 Главы 5.
- 25.06.2011: Закончено написание Главы 4: "О времени" .
- 25.01.2011: Закончено написание Главы 2: "Какие орбиты и ИСЗ бывают?" .
- 07.01.2011: Закончено написание Главы 3: "Подготовка к наблюдениям" .
- 07.01.2011: Закончено написание Главы 1: "Как движутся ИСЗ?"
Расчет параметров геостационарной орбиты
При стационарном круговом вращении спутника массой m на него действует сила притяжения Земли (сила тяжести) F и центробежная сила F ц , они уравновешивают друг друга.
где v – скорость космического аппарата (КА), m – масса КА, R з – радиус Земли, h – высота КА над поверхностью Земли.
Сила притяжения Земли из закона всемирного тяготения определяется следующим образом:
где G = 6,6729*10 -11 м 3 кг -1 с -2 – гравитационная постоянная, M – масса Земли, m – масса КА, r = R з +h – расстояние от центра Земли до космического аппарата.
Для расчета главного параметра – радиуса геостационарной орбиты необходимо, чтобы скорость спутника обеспечивала период вращения 24 часа вокруг Земли.
Скорость спутника на круговой орбите зависит от радиуса и периода:
где T = 24 часа
Подставляя v в уравнение F ц = F получаем формулу для расчета высоты геостационарной орбиты:
= 42241752,19 м
h = 35 870 452,1877312 м
Можно определить скорость вращения спутника v= 3071,906906 м/с = 11 058,86486 км/ч.
1. Введение.. 3
1.1. Краткая история. 3
1.3. Телевидение. 5
1.4. Системы навигации.. 5
1.4.2. ГЛОНАСС.. 7
1.4.3. GALILEO.. 8
1.4.4. BeiDou. 8
1.5. Спутниковая телефония. 9
1.6. Аварийно-спасательные системы.. 10
1.8. Использование космического пространства.. 13
1.9. Тенденции развития спутниковых телекоммуникаций.. 14
2. Классификация, способы организации и использования ресурсов систем спутниковых телекоммуникаций.. 17
2.1. Частотный ресурс и его характеристики.. 18
2.2. Способ использования частотного ресурса.. 19
2.3. Способы организации канала связи.. 19
2.4. Характеристики космического сегмента.. 20
3. Оборудование систем спутниковых телекоммуникаций 27
3.1. Спутниковые антенны.. 28
3.1.1. Классификация спутниковых антенн. 28
3.1.2. Упрощенный расчет диаметра параболической приемной антенны 33
3.1.3. Методика расчета азимутального подвеса. 36
3.1.4. Полярный подвес спутниковой антенны и его методика расчета 39
3.1.5. Расчет видимости спутников в данной местности. 44
3.1.6. Расчет поворота плоскости поляризации. 44
3.1.7. Способы улучшения эксплуатационных характеристик спутниковых антенн 45
3.2. Устройства позиционирования. 46
3.3. Коммуникационное оборудование. 47
3.3.1. Конверторы спутниковых приемных устройств. 48
3.3.2. Спутниковые ресиверы (приемники) 52
3.3.3. Компьютерные карты.. 53
3.3.4. Переключатели. 54
4. Стандарты управления антенными системи и другим коммуникационным оборудованием... 56
Геостационарная орбита (рисунок 13.7) характеризуется тем, что если находящиеся на ней спутники движутся с угловыми скоростями, равными угловой скорости вращения Земли вокруг своей оси, то с поверхности Земли они кажутся неподвижными, «висящими» на одном месте, в одной точке. Так как расстояние от движущегося по геостационарной орбите спутника до Земли в три раза больше диаметра Земли, то спутник «видит» сразу около 40% земной поверхности.
Вывод искусственных спутников на геостационарную орбиту – задача непростая. Раньше для запуска на нее не имелось достаточно мощных ракетоносителей, поэтому первые спутники связи находились на эллиптической, низкой околоземной орбите (например, первый американский спутник-ретранслятор Telstar).
Рисунок 13.7 - Геостационарная орбита
Поддержание связи со спутниками на эллиптической орбите очень сложное и дорогостоящее дело как в части передачи, так и приема.
Из-за быстрого изменения местоположения спутников необходимо иметь подвижную систему следящих антенн. Спутники на таких орбитах можно использовать для создания постоянной связи только тогда, когда они по отношению как передающего, так и приемного устройства находятся над уровнем горизонта, т.е. для них должен быть виден как «восход» одного спутника, так и «заход» другого.
Развитие ракетной техники и создание мощных ракетных носителей дали возможность широко использовать геостационарную орбиту для «установки» на ней спутников-ретрансляторов. На рисунке 13.8 показан часто применяемый способ вывода спутников на геостационарную орбиту. Искусственный спутник выводят сначала на круговую орбиту, близкую к поверхности Земли (250...300 км от поверхности), затем, повышая его скорость, переводят на эллиптическую промежуточную орбиту, ближайшая точка которой – перигей находится примерно на расстоянии 270 км от Земли, а удаленная точка – апогей на расстоянии около 36000 км, которая уже соответствует высоте геостационарной орбиты*.
Рисунок 13.8 - Последовательность вывода спутника на геостационарную орбиту:
1 - сброс обтекателя; 2 - завершение начального полета; 3 - полное отделение последней ступени; 4 - определение положения для первого включения собственного (апогейного) двигателя; 5 - первое включение собственного двигателя для выхода на промежуточную (переходную) орбиту; 6 - определение положения на промежуточной орбите; 7 - второе включение собственного двигателя для выхода на геостационарную орбиту; 8 - переориентация плоскости орбиты спутника и коррекция ошибок; 9 - ориентация спутника перпендикулярно к плоскости орбиты и коррекция ошибок; 10-остановка, раскрытие панелей солнечных батарей, полная расстыковка; 11 - раскрытие антенн, включение стабилизаторов; 12 - стабилизация положения и начало работы
Когда искусственный спутник «станет» на эллиптическую промежуточную (переходную) орбиту, и, если у него все функционирует безупречно, то в точке апогея включаются его собственные реактивные, так называемые, апогейные двигатели, которые быстро увеличивают линейную скорость спутника до 3,074 км /с. Такая скорость необходима для перехода на геостационарную орбиту и «остановки» (точнее для движения по ней), после чего спутник по командам с Земли перемещают по геостационарной орбите на плановую позицию в точку стояния. Затем осуществляют раскрытие панелей солнечных батарей, развертывание антенн, их ориентацию на заданную территорию Земли, ориентацию солнечных батарей на Солнце и включение бортового передатчика-ретранслятора. Точная установка спутника на геостационарной орбите проводится его собственными реактивными двигателями, работающими на твердом или жидком топливе. После того как спутник выведен в точку стояния на орбите, двигатели отключаются и он движется по геостационарной орбите как небесное тело под воздействием инерции со скоростью 3,074 км/с и сил притяжения Земли. Для спутника-ретранслятора очень важно, чтобы его собственная орбита соответствовала бы идеально геостационарной. Так, если спутник движется по орбите, которая несколько меньше геостационарной, то он постепенно смещается со своей позиции в западном направлении, а если его орбита превышает геостационарную, то смещение происходит в восточном направлении, т. е. по направлению движения Земли. Сдвиг на 1° на геостационарной орбите соответствует расстоянию на ней примерно в 750 км. При наличии в наземном приемном устройстве поворотной следящей антенны ее несложно снова точно направить на спутник. Однако большинство индивидуальных наземных устройств для приема со спутников имеют неподвижные антенны с очень узкими, «игольчатыми» диаграммами направленности, и постоянно корректировать направление антенны на спутник ручным способом довольно обременительно, а из-за неточности ее наведения принимаемое телевизионное изображение заметно ухудшается или вовсе исчезает. В связи с этим в целях надежного и уверенного приема необходимо обеспечить постоянный во времени «след» спутника, стабильность излучения его бортовых антенн только на отведенную территорию. Поэтому спутнику нужно часто проводить коррекцию своего положения и орбиты, что осуществляется им при помощи собственных двигателей и приводит к расходу топлива. Это влияет на его срок службы. При отсутствии топлива для двигателей спутник начинает смещаться со своей позиции, что приводит к периодическому сближению соседних спутников и, соответственно, к увеличению взаимных помех, и к увеличению помех приемным устройствам на Земле.
С точки зрения срока функционирования спутника крайне важным является количество топлива, потребляемого его собственными реактивными (апогейными) двигателями. И, очевидно, чем больше останется топлива после первичной установки спутника на орбите, тем больше корректировок положения можно сделать и, следовательно, тем дольше будет функционировать спутник. Продолжительность «жизни» спутника на орбите обычно составляет 5...7 лет, а некоторых - 10 лет и более, после чего он заменяется новым, устанавливаемым на той же позиции.
Преимущества геостационарной орбиты. Геостационарная орбита (в Англии и в некоторых странах Европы ее называют поясом Кларка) является уникальной и представляет значительную эксплуатационную ценность. Ряд экваториальных государств раньше хотели, чтобы участок орбиты, находящийся над их территорией, использовался бы только по договоренности с ними. Неэкваториальные страны, естественно, с этим согласиться не могли, рассматривая геостационарную орбиту как общее достояние человечества. Лишь в 1988 г. удалось согласовать план распределения позиций спутников для вещания в диапазонах частот 6/4 ГГц и 14/11 ГГц.
Преимущества геостационарной орбиты стимулируют все большее количество пользователей размещать на ней спутники различного назначения. С европейского континента можно «наблюдать» несколько десятков искусственных спутников, движущихся на геостационарной орбите. Через них осуществляется в первую очередь телефонная связь со странами американского континента и странами Ближнего Востока. Кроме того, много спутников задействовано для ретрансляции телевизионного и звукового вещания. Использование геостационарной орбиты для этих целей дает следующие преимущества:
§ спутник движется по геостационарной орбите с Запада на Восток длительное время без затрат энергии на это движение (как небесное тело) благодаря гравитационному притяжению Земли и собственной инерции, с линейной скоростью 3,074 км/с;
§ движущийся по геостационарной орбите с угловой скоростью, равной угловой скорости вращения Земли, спутник совершает оборот точно за одни сутки, вследствие чего он оказывается неподвижно «висящим» над земной поверхностью;
§ энергоснабжение его систем осуществляется от солнечных батарей, освещаемых Солнцем;
§ поскольку спутник не пересекает радиационный пояс Земли, а находится выше его, то увеличивается надежность и ресурс работы его электронных устройств и источников питания – солнечных батарей;
§ связь с передающей станцией осуществляется непрерывно, без переключения с одного «заходящего» спутника на другой – «восходящий», т.е. для обеспечения непрерывной постоянной связи необходим только один спутник;
§ в передающих антеннах в системе Земля-Спутник устройства автоматического слежения за спутником могут быть упрощены или исключены вовсе, а в наземных приемных антеннах в них фактически нет необходимости, что обеспечивает простоту приемных устройств, их дешевизну, доступность и массовость распространения;
§ так как расстояние до спутника на геостационарной орбите всегда постоянно, то ослабление сигнала при прохождении по трассе Земля – Спутник – Земля всегда определенное, не изменяющееся при движении спутника по орбите, что позволяет точно рассчитать мощность его бортового передатчика;
§ геостационарная орбита уникальна – спутники, расположенные на орбитах выше ее, «уходят» в космическое пространство, а, расположенные на орбитах ниже, – постепенно приближаются к Земле. И только спутники, находящиеся на геостационарной орбите, синхронно вращаются на постоянном расстоянии от Земли и неподвижны относительно нее;
§ после окончания срока функционирования спутник переводится на так называемую «кладбищенскую» орбиту, которая находится на 200 км выше геостационарной, и он постепенно удаляется от Земли в космическое пространство.
Однако орбитальным группировкам, состоящим из геостационарных спутников, присущ один крупный недостаток: большое время распространения радиосигналов, – что приводит к задержкам передачи сигналов при радиотелефонной связи. Ожидание прихода ответного сигнала может вызвать недовольство нетерпеливых абонентов.
Благодаря своим уникальным свойствам и преимуществам геостационарная орбита на наиболее удобных участках (особенно над Тихим и Индийским океанами, а так же над Африканским континентом) «заселена» спутниками до предела. На геостационарной орбите определено 425 точек «стояния» – позиций спутников. Слово «позиция» однозначно определяет положение спутника на геостационарной орбите его долготу.
Первый искусственный спутник Земли был запущен в 1957 году. С тех пор человечество сделало огромный технологический прорыв. На данный момент на околоземной орбите находится несколько десятков тысяч спутников. Они обеспечивают жителей планеты сотовой связью, интернетом, GPS-данными, телевидением, принимают активное участие в научно-исследовательской работе. Также они используются для военных целей. В зависимости от целевого назначения выбирается, на какой высоте летают спутники. Все это значительно облегчило жизнь, позволило поднять уровень связи. Наибольший вклад они внесли в науку – изучение строение атмосферы Земли, погодных изменений, космоса, небесных тел.
Какие виды спутников встречаются на орбите?
К искусственным спутникам Земли относятся все тела, которые были выведены на орбиту при помощи ракеты носителя. Сюда можно отнести шаттлы, космические станции, исследовательские лаборатории, автономные аппараты. Именно непилотируемые спутники являются главными поставщиками связи и научных данных. Такие аппараты не требуют наличия экипажа, обслуживания, специальных отсеков для обеспечения жизнедеятельности. Классифицируются искусственные спутники Земли по своему прямому назначению:- Научно-исследовательские. Применяются в целях изучения строения атмосферы, космоса. Могут нести на своем борту телескоп для изучения удаленных планет;
- Прикладные. Предназначены для удовлетворения нужд населения, испытания оборудования, систем связи.
Спутники выполняют свои функции автономно, не используют топливо. Мониторинг состояния и необходимое маневрирование выполняется из командных центров на Земле. В зависимости от своего назначения, спутники снабжаются необходимым оборудованием и системой связи.
Объем аппарата напрямую зависит от его функциональности и назначения. Встречаются спутники с массой от 20 кг до нескольких сотен тонн. Первый аппарат, запущенный СССР весил всего 28 килограмм и нес на борту только систему радиопередачи.
На какой высоте летают спутники?
Выведение на орбиту спутника осуществляется при помощи многоступенчатой ракеты. Принцип действия прост – аппарат выталкивается из атмосферы с такой силой, которой хватит для задания траектории полета. Движется вокруг планеты он за счет силы притяжения. Комплектацией предусмотрена установка маневровых двигателей для корректировки траектории. Они позволяют избегать столкновения с космическим мусором, другими спутниками.Движение осуществляется на заданной орбите. Удаленность от планеты зависит от назначения аппарата, заданной траектории. Используется несколько видов орбит:
- Околоземная или низкая. Обеспечивает наиболее приближенное расположение. Высота составляет 300-500 км над уровнем моря. Использовалась для работы первых космических аппаратов, сейчас там находятся аппараты для дистанционного зондирования земной поверхности и атмосферы;
- Полярная. Расположена в плоскости полярных полюсов Земли. Угол наклона близок к 90 градусам. Из-за сплюснутости планеты, можно добиться различной скорости вращения, которая позволит проходить спутнику одну и ту же широту в одинаковое время;
- Геостационарная. Высота на ней составляет от 35 000 км, расположена в плоскости экватора. Устойчивых точек всего две, на остальном пути необходимо поддерживать траекторию искусственно;
- Сильноэллиптическая. Контур орбиты представляет собой эллипс. Высота меняется в зависимости от точки траектории. Благодаря большому размеру, позволяет поддерживать необходимое количество спутников одновременно над одной страной. Используется преимущественно в телекоммуникационных целях. Также здесь работают аппараты с телескопами для изучения отдаленных объектов;
- Круглая. Сечение орбиты представляет собой круг. Показатель высоты близок к постоянному в любой момент времени.
Высота полета спутников над Землей задается на основании их целевого назначения и выбранной орбиты. Геостационарная орбита является наиболее важной и дорогой. Поэтому аппараты, выработавшие свой ресурс, удаляются с нее. Используется в основном в научных целях.
Для систем глобального позиционирования используются круглые орбиты с постоянной высотой. Такая траектория является оптимальной для передачи сигнала. Высота орбиты спутников GPS составляет 20 тысяч километров. Один аппарат за сутки совершает два витка вокруг планеты. Скорость позволяет использовать 4 спутника в одной плоскости для обеспечения постоянной передачи данных.
На какой высоте летают космические корабли?
Главное отличие пилотируемых аппаратов – необходимость поддержание жизнедеятельности и возвращения экипажа. Поэтому высота полета кораблей значительно ниже. Пилотируемые станции используются для проведения научных исследований, изучения влияния невесомости, открытого космоса, наблюдения за космическими телами.Первый пилотируемый космический корабль был запущен в 1961 году. Движение осуществлялось по эллиптической орбите. Перигей составлял 175 км, а апогей – 320 км над уровнем моря. За прошедшие полвека исследований высота значительно увеличилась из-за присутствия большого количества космического мусора на околоземной орбите. На данный момент используется орбита с перигеем в 400 км. Обусловлено это также и отсутствием влияния атмосферы на траекторию движения.