Весьма популярной спутниковой орбитой является геостационарная орбита. Она используется для размещения спутников многих типов, включая спутники, ведущие прямое телерадиовещание, спутники, обеспечивающие связь, а также релейные системы.

Преимуществом геостационарной орбиты является то, что спутник, находящийся на ней, постоянно располагается в одной и той же позиции, что позволяет направлять на него фиксированную антенну наземной станции.

Читайте также:

Этот фактор является чрезвычайно важным для организации таких систем, как прямое телерадиовещание через спутник, где использование постоянно движущейся антенны, следующей за спутником, было бы крайне непрактичным.

Необходимо внимательно относиться к использованию сокращений, принятых для обозначения геостационарной орбиты. Мы можем встретить аббревиатуры GEO и GSO, и обе они используются для обозначения как геостационарной, так и геосинхронной орбиты.

Развитие геостационарных орбит

Идеи относительно возможности использования геостационарной орбиты для размещения на ней спутников выдвигались на протяжении многих лет. В качестве возможного автора положений, лежащих в основе данной идеи, часто называют российского теоретика и научного фантаста Константина Циолковского. Однако впервые о возможности размещения космических аппаратов на высоте 35 900 километров над Землёй с периодом обращения в 24 часа, дающим им возможность «парить» в одной точке над экватором, написали Герман Оберт и Герман Поточник.

Следующий важный шаг на пути к рождению Геостационарной орбиты был сделан в октябре 1945 года, когда научный фантаст Артур Чарльз Кларк написал серьёзную статью для Wireless World – ведущего британского издания в области радио и электроники. Статья была озаглавлена как «Внеземная релейная связь: смогут ли космические ракеты обеспечить охват сигналом всего мира?».

Кларк попытался экстраполировать то, что уже было возможно благодаря использованию существующих на тот момент ракетных технологий, разработанных немецкими учёными, на то, что могло бы стать возможным в будущем. Он высказал мысль о возможности покрытия сигналом всей Земли при использовании всего трёх геостационарных спутников.

В своей статье Кларк указал необходимые характеристики орбиты, а также уровни мощности передатчиков, возможности выработки электроэнергии при помощи солнечных батарей и даже рассчитал возможное влияние солнечных затмений.

Статья Кларка значительно опережала время. Лишь в 1963 году агентство NASA смогло запустить в космос спутники, способные проверить данную теорию на практике. Первым полноценным спутником, способным начать практические испытания теории Кларка, стал спутник Syncom 2, запущенный 26 июля 1963 года (по правде говоря, спутник Syncom 2 не смог этого сделать, поскольку его не удалось доставить на необходимую геостационарную орбиту).

Основы теории Геостационарной орбиты

С увеличением высоты орбиты, на которой находится спутник, увеличивается и период его обращения по данной орбите. На высоте 35 790 километров над Землёй спутнику требуется 24 часа для полного витка вокруг планеты. Такая орбита известна как геосинхронная, так как она синхронизирована с периодом обращения Земли вокруг своей оси.

Частным случаем геосинхронной орбиты является геостационарная орбита. При использовании такой орбиты направление движения спутника вокруг Земли соответствует направлению вращения самой планеты, а период обращения космического аппарата примерно равен 24 часам. Это значит, что спутник вращается с той же угловой скоростью, что и Земля, в том же направлении и, стало быть, постоянно находится в одной и той же точке относительно поверхности планеты.

Читайте также:

Чтобы гарантировать то, что спутник обращается вокруг Земли с той же скоростью, с которой обращается вокруг своей оси сама планета, необходимо чётко уяснить – каков же на самом деле период обращения Земли вокруг своей оси. Большинство хронометражных устройств измеряет обращение Земли относительно текущего положения Солнца, а вращение Земли вокруг своей оси в сочетании с её вращением вокруг Солнца даёт продолжительность дня. Однако это совсем не тот период обращения Земли, который интересует нас с точки зрения расчета геостационарной орбиты – время, необходимое для одного полного обращения. Этот отрезок времени известен как «звёздные сутки», продолжительность которых составляет 23 часа 56 минут и 4 секунды.

Законы геометрии говорят нам о том, что единственный вариант для того, чтобы, делая один виток в сутки, спутник всегда оставался над одной точкой земной поверхности, состоит в его обращении в том же направлении, в котором вращается сама Земля. Кроме того, спутник не должен смещаться на своей орбите ни на север, ни на юг. Всего этого можно достичь лишь в том случае, если орбита спутника проходит над экватором.

На диаграмме показаны различные типы орбит. Поскольку плоскость любой орбиты должна проходить через центр Земли, на рисунке представлены два возможных варианта. При этом даже если обращение космических аппаратов на обеих орбитах будет осуществляться со скоростями, равными скорости вращения Земли вокруг своей оси, орбита, обозначенная как «геосинхронная», будет полдня смещаться на север относительно экватора, а оставшиеся полдня – на юг и, стало быть, не будет стационарной. Для того, чтобы спутник стал стационарным, он должен располагаться над экватором.

Дрейф на геостационарной орбите

Даже если спутник расположен на геостационарной орбите, на него воздействуют некоторые силы, способные медленно изменять его позицию в течение времени.

Такие факторы, как эллиптическая форма Земли, притяжение Солнца и Луны, а также ряд других увеличивают потенциальную возможность отклонения спутника от своей орбиты. В частности, не совсем круглая форма Земли в районе экватора приводит к тому, что спутник притягивает к двум устойчивым точкам равновесия – одна из них находится над Индийским океаном, а вторая – приблизительно на противоположной части Земли. В результате имеет место явление, получившее название либрации с востока на запад, или движение вперёд и назад.

Для того чтобы преодолеть последствия такого движения, на борту спутника имеется определённый запас топлива, который позволяет ему проводить «поддерживающие манёвры», возвращающие аппарат чётко в необходимую орбитальную позицию. Необходимый промежуток между временем проведения таких «поддерживающих манёвров» определяется в соответствии с так называемым допуском отклонения спутника, который устанавливается, главным образом, с учётом ширины луча антенны наземной станции. Это значит, что при нормальной работе спутника не требуется никакой подстройки антенны.

Читайте также:

Очень часто период активной эксплуатации спутника рассчитывается из количества топлива на его борту, необходимого для поддержания расположения спутника в одной орбитальной позиции. Чаще всего этот период составляет несколько лет. После чего спутник начинает дрейфовать в направлении одной из точек равновесия, после чего возможно его снижение и последующее вхождение в атмосферу Земли. Поэтому желательно использовать последнее имеющееся у него на борту топливо для того, чтобы поднять спутник на более высокую орбиту, дабы избежать его возможного негативного воздействия на работу других космических аппаратов.

Покрытие с геостационарной орбиты

Совершенно очевидным является тот факт, что один геостационарный спутник не способен обеспечить полного покрытия сигналом поверхности Земли. Однако, каждый геостационарный спутник «видит» примерно 42% земной поверхности, при этом охват падает по направлению к спутнику, который не может «видеть» поверхность. Это происходит вокруг экватора и также в направлении полярных регионов.

Расположив на геостационарной орбите группировку из трёх равноудалённых друг от друга спутников, можно обеспечить покрытие сигналом всей поверхности Земли от экватора и вплоть до 81° северной и южной широты.

Отсутствие покрытия в полярных регионах не является проблемой для большинства пользователей, однако при необходимости обеспечения стабильного покрытия полярных широт требуется использования спутников, вращающихся на других орбитах.

Геостационарная орбита
и длина пути сигнала

Одной из проблем, возникающих при использовании спутников, находящихся на геостационарной орбите, является задержка сигнала, вызванная расстоянием, которое он вынужден проделывать.

Минимальное расстояние до любого из геостационарных спутников составляет 35790 км. И это лишь в том случае, если пользователь находится непосредственно под спутником, и сигнал попадает к нему по кратчайшему пути. В действительности же пользователь вряд ли будет находиться точно в данной точке, а стало быть расстояние, которое вынужден будет проделать сигнал, в реальности гораздо больше.

Исходя из длины кратчайшего расстояния от наземной станции до спутника, расчётное минимальное время движения сигнала в одну сторону – то есть, с Земли на спутник или со спутника на Землю – составляет примерно 120 миллисекунд. А это значит, что время полного маршрута сигнала – с Земли на спутник и со спутника назад на Землю – составляет примерно четверть секунды.

Таким образом, для того, чтобы получить ответ в процессе диалога, проходящего через спутник, требуется полсекунды, поскольку сигнал должен пройти через спутник дважды: один раз – в движении в направлении удалённого слушателя, а второй раз назад – с ответом. Эта задержка усложняет телефонные разговоры, для проведения которых используется спутниковый канал связи. Репортёру, получившему вопрос из студии вещания, требуется некоторое время на то, чтобы ответить. Наличие такого эффекта задержки стало причиной того, что многие линии дальней связи используют кабельные каналы вместо спутниковых, ибо задержки в кабеле намного меньшие.

Преимущества и недостатки спутников,
расположенных на геостационарной орбите

Несмотря на то, что геостационарная орбита широко используется на практике для развёртывания различных технологий, она всё же подходит не для всех ситуаций. Размышляя над возможным использованием данной орбиты следует учесть целый ряд её преимуществ и недостатков:

Преимущества

Недостатки

Спутник постоянно находится в одной точке относительно Земли – соответственно, не требуется перенаправление антенн

Сигнал проделывает большее расстояние, а стало быть, наблюдаются большие, в сравнении с LEO или MEO, потери. Стоимость доставки и размещения спутника на GEO-орбиту выше – в силу большей высоты над Землёй. Длинное расстояние от Земли до спутника приводит к задержкам сигнала. Геостационарная спутниковая орбита может пролегать исключительно над экватором, в связи с чем отсутствует покрытие полярных широт.

Однако, несмотря на все имеющиеся недостатки геостационарной орбиты, спутники, расположенные на ней, широко используются во всём мире благодаря главному их преимуществу, которое способно перевесить все недостатки: геостационарный спутник всегда находится в одной орбитальной позиции относительно той или иной точки на Земле.

В наше время человечество использует несколько различных орбит для размещения спутников. Наибольшее внимание приковано к геостационарной орбите, которая может быть использована для «стационарного» размещения спутника над той или иной точкой Земли. Орбита, выбираемая для работы спутника, зависит от его назначения. К примеру, спутники, используемые для прямого вещания телевизионных программ, помещают на геостационарную орбиту. Многие спутники связи также находятся на геостационарной орбите. Другие спутниковые системы, в частности те, которые используются для связи между спутниковыми телефонами, вращаются на низкой околоземной орбите. Аналогично спутниковые системы, используемые для систем навигации, таких как Navstar или Система глобального позиционирования (GPS), также находятся на относительно низких околоземных орбитах. Существует ещё бесчисленное множество других спутников – метеорологические, исследовательские и так далее. И каждый из них, в зависимости от своего назначения, получает «прописку» на определённой орбите.

Читайте также:

Конкретная орбита, избираемая для работы спутника, зависит от множества факторов, среди которых – функции спутника, а также обслуживаемая им территория. В одних случаях это может быть крайне низкая околоземная орбита (LEO), находящаяся на высоте всего 160 километров над Землёй, в других случаях спутник находится на высоте более 36 000 километров над Землёй – то есть, на геостационарной орбите GEO. Более того, ряд спутников использует не круговую орбиту, а эллиптическую.

Притяжение Земли и спутниковые орбиты

По мере обращения спутников на околоземной орбите они потихоньку с неё смещаются из-за силы притяжения Земли. Если бы спутники не вращались по орбите, они бы начали постепенно падать на Землю и сгорели бы в верхних слоях атмосферы. Однако само вращение спутников вокруг Земли создаёт силу, отталкивающую их от нашей планеты. Для каждой из орбит существует своя расчётная скорость, которая позволяет сбалансировать силу притяжения Земли и центробежную силу, удерживая аппарат на постоянной орбите и не давая ему ни набирать, ни терять высоту.

Вполне понятно, что чем ниже орбита спутника, тем сильнее на него влияет притяжение Земли и тем большая требуется скорость для преодоления этой силы. Чем больше расстояние от поверхности Земли до спутника – тем, соответственно, меньшая требуется скорость для его нахождения на постоянной орбите. Для аппарата, вращающегося на расстоянии около 160 км над поверхностью Земли, требуется скорость примерно 28 164 км/ч, а это значит, что такой спутник совершает виток вокруг Земли примерно за 90 минут. На расстоянии 36 000 км над поверхностью Земли спутнику для нахождения на постоянной орбите требуется скорость немногим менее 11 266 км/ч, что даёт возможность такому спутнику обращаться вокруг Земли примерно за 24 часа.

Определения круговой и эллиптической орбит

Все спутники обращаются вокруг Земли, используя один из двух базовых типов орбит.

• Круговая спутниковая орбита: при обращении космического аппарата вокруг Земли по круговой орбите его расстояние над земной поверхностью остаётся всегда одинаковым.
• Эллиптическая спутниковая орбита: Вращение спутника по эллиптической орбите означает изменение расстояния до поверхности Земли в разное время в течение одного витка.

Читайте также:

Спутниковые орбиты

Существует множество различных определений, связанных с различными типами спутниковых орбит:

• Центр Земли: Когда спутник обращается вокруг земли – по круговой или эллиптической орбите – орбита спутника формирует плоскость, которая проходит через центр земного притяжения или же Центр Земли.
• Направление движения вокруг Земли: Способы обращения спутника вокруг нашей планеты можно разбить на две категории в соответствии с направлением этого обращения:

1. Ускорительная орбита: Обращение спутника вокруг Земли называют ускорительным, если спутник вращается в том же направлении, в котором вращается Земля;
2. Ретроградная орбита: Обращение спутника вокруг Земли называют ретроградным, если спутник вращается в направлении, противоположном направлению вращения Земли.

• Трасса орбиты: трассой орбиты спутника называют точку на земной поверхности, при пролёте над которой спутник находится прямо над головой в процессе движения по орбите вокруг Земли. Трасса образует круг, в центре которого расположен Центр Земли. Следует отметить, что геостационарные спутники представляют собой особый случай, поскольку они постоянно находятся над одной и той же точкой над поверхностью Земли. Это означает, что их трасса орбиты состоит из одной точки, расположенной на экваторе Земли. Также можно добавить, что трасса орбиты спутников, вращающихся строго над экватором, тянется вдоль этого самого экватора.

Для этих орбит, как правило, характерно смещение трассы орбиты каждого спутника в западном направлении, поскольку Земля под спутником обращается в восточном направлении.

• Орбитальные узлы: Это точки, в которых трасса орбиты переходит из одного полушария в другое. Для неэкваториальных орбит существует два таких узла:

1. Восходящий узел: Это узел, в котором трасса орбиты переходит из южного полушария в северное.
2. Нисходящий узел: Это узел, в котором трасса орбиты переходит из северного полушария в южное.

• Высота спутника: При расчёте многих орбит необходимо учитывать высоту спутника над центром Земли. Этот показатель включает расстояние от спутника до поверхности Земли плюс радиус нашей планеты. Как правило, считается, что он равен 6370 километрам.
• Орбитальная скорость: Для круговых орбит она всегда одинакова. Однако в случае с эллиптическими орбитами всё обстоит иначе: скорость обращения спутника по орбите изменяется в зависимости от его позиции на этой самой орбите. Она достигает своего максимума при наибольшем приближении к Земле, где спутнику предстоит максимальное противостояние силе притяжения планеты, и снижается до минимума при достижении точки наибольшего удаления от Земли.
• Угол подъёма: Углом подъёма спутника называют угол, на котором спутник расположен над линией горизонта. Если угол слишком мал, сигнал может быть перекрыт расположенными близко объектами – в случае, если приёмная антенна поднята недостаточно высоко. Однако и для антенн, которые подняты над препятствием, также существует проблема при приёме сигнала со спутников, имеющих низкий угол подъёма. Причина здесь в том, что спутниковый сигнал в таком случае должен пройти большее расстояние через земную атмосферу и в результате он подвергается большему ослаблению. Минимально допустимым углом подъёма для более-менее удовлетворительного приёма принято считать угол в пять градусов.
• Угол наклона: Не все спутниковые орбиты следуют вдоль линии экватора – на самом деле, большая часть низких околоземных орбит не придерживается этой линии. А поэтому необходимо определять угол наклона орбиты спутника. Диаграмма, расположенная ниже, иллюстрирует данный процесс.

Угол наклона спутниковой орбиты

Прочие показатели, связанные со спутниковой орбитой

Для того чтобы спутник мог использоваться для предоставления услуг связи, наземные станции должны иметь возможность «следить» за ним с целью получения с него сигнала и отправки сигнала на него. Понятно, что связь со спутником возможна лишь в то время, когда он находится в зоне видимости наземных станций, и, в зависимости от типа орбиты, он может находиться в зоне видимости лишь в короткие промежутки времени. Для уверенности в том, что связь со спутником возможна в течение максимального промежутка времени, существует несколько вариантов, которые можно использовать:

• Первый вариант состоит в использовании эллиптической орбиты, точка апогея которой находится в аккурат над планируемым размещением наземной станции, что даёт возможность спутнику пребывать в зоне видимости этой станции в течение максимального промежутка времени.
• Второй вариант заключается в запуске нескольких спутников на одну орбиту, и, таким образом, в то время, когда один из них исчезает из виду и связь с ним теряется, на его место приходит другой. Как правило, для организации более-менее бесперебойной связи требуется запуск на орбиту трёх спутников. Однако процесс смены одного «дежурного» спутника другим вносит в систему дополнительные сложности, а также ряд требований к минимум трём спутникам.

Определения круговых орбит

Круговые орбиты можно классифицировать по нескольким параметрам. Такие термины, как Низкая околоземная орбита, Геостационарная орбита (и им подобные) указывают на отличительную черту конкретной орбиты. Краткий обзор определений круговых орбит представлен в таблице ниже.

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.

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

Траектории движения искусственных космических аппаратов отличаются от орбит естественных небесных тел: дело в том, что в первом случае присутствуют так называемые «активные участки». Это те участки орбиты спутников , на которых они двигаются, включив реактивный двигатель. Таким образом, вычисление траектории движения космических аппаратов – сложная и ответственная задача, занимаются которой специалисты в области астродинамики .

Каждая спутниковая система обладает определенным статусом, зависящим от назначения спутника, его размещения, охвата обслуживаемой территории, принадлежности как самого космического аппарата, так и наземной станции, принимающей его сигналы. В зависимости от статуса, спутниковые системы бывают:

• Международные (региональные или глобальные);
• Национальные;
• Ведомственные.

Кроме того, все орбиты подразделяются на геостационарные и негеостационарные (в свою очередь, делящиеся на LEO – низкоорбитальные, MEO – средневысотные и HEO – эллиптические). Рассмотрим эти классы подробнее.

Геостационарные спутниковые орбиты

Этот тип орбиты используется для размещения космических аппаратов чаще всего, ведь он обладает существенными преимуществами: возможна непрерывная круглосуточная связь, а сдвиг частоты практически отсутствует. Геостационарные спутники располагаются на высоте около 36000 км над поверхностью Земли и двигаются со скоростью ее вращения, как бы «зависая» над определенной точкой экватора, «подспутниковой точкой». Однако, на самом деле, положение такого спутника не неподвижно: он испытывает некоторый «дрейф» из-за ряда факторов, как следствие – орбита слегка смещается со временем.

Как уже отмечалось, геостационарный спутник практически не требует перерывов в работе, так как отсутствует взаимное перемещение космического аппарата и его наземной станции. Система, состоящая из трех спутников этого типа, способна обеспечить охват почти всей земной поверхности.

Вместе с тем, такие системы не лишены и определенных недостатков, главный из которых – некоторая задержка сигнала. Поэтому спутники на геостационарных орбитах применяются чаще всего для осуществления радио- и телевещания, в которых задержки в обоих направлениях 250 мс не сказываются на качестве сигнала. Существенно более ощутимыми оказываются задержки в системе радиотелефонной связи (с учетом обработки сигнала в наземных сетях, суммарное время уже примерно 600 мс). Кроме того, зона охвата подобных спутников не включает высокоширотные районы (свыше 76,50° с.ш . и ю.ш .), то есть действительно глобальный охват не гарантируется.

В связи с бурным развитием спутниковой связи, в последнее десятилетие на геостационарной орбите стало «тесно», а с размещением новых аппаратов возникают проблемы. Дело в том, что, в соответствии с международными нормами, на околоэкваториальной орбите можно разместить не более 360-ти спутников, иначе будут возникать взаимные помехи.

Средневысотные орбиты спутников

Спутниковые системы этого типа начали разрабатывать компании, занимающиеся изначально выпуском геостационарных космических аппаратов. Средневысотная орбита обеспечивает более качественные показатели связи для подвижных абонентов, так как каждый пользователь мобильной связью оказывается в поле достижения одновременно нескольких спутников; суммарная задержка – не более 130 мс.

Местоположение негеостационарного спутника ограничено так называемыми радиационными поясами Ван-Аллена, пространственными поясами заряженных частиц, которые были «захвачены» магнитным полем Земли. Первый из устойчивых поясов высокой радиации находится примерно на высоте 1500 км от поверхности планеты, его размах – несколько тысяч километров. Второй пояс – с такой же высокой интенсивностью (10 000 имп ./с), находится в пределах 13000–19000 км от Земли.

Своеобразная «трасса» для средневысотных спутников располагается между первым и вторым радиационными поясами, то есть на высоте 5000–15000 км. Эти аппараты слабее геостационарных, поэтому для полного покрытия поверхности Земли необходима орбитальная группа из 8-12 спутников (например, Spaceway NGSO, ICO, «Ростелесат »); каждый спутник находится в зоне радиовидимости наземной станции недолго, примерно 1,5-2 ч.

Низкие круговые орбиты спутников

Спутники на низких орбитах (700-1500 км) обладают некоторыми преимуществами перед другими космическими аппаратами по энергетическим характеристикам, однако, проигрывают в длительности сеансов связи, а также общем сроке службы. Период обращения спутника, в среднем, составляет 100 мин, при этом примерно 30% этого времени он пребывает на теневой стороне планеты. Аккумуляторные бортовые батареи способны испытать в год около 5000 циклов зарядки/разрядки, как результат – срок их работы не превышает 5-8 лет.

Выбор подобного диапазона высот для низкоорбитальных спутниковых систем неслучаен. На высоте менее 700 км относительно высокая плотность атмосферы, что вызывает «деградацию» орбиты – постепенное отклонение от курса, для его сохранения требуются повышенные затраты топлива. На высоте же 1500 км начинается первый пояс Ван-Аллена, в зоне радиации которого практически невозможна работа бортовой аппаратуры.

Однако в связи с низкой высотой орбиты, для охвата всей территории Земли требуется орбитальная группировка из не менее чем 48 космических аппаратов. Период вращения на этих орбитах – 90 мин-2 ч, при этом максимальное время пребывания спутника в зоне радиовидимости – всего 10-15 мин.

Эллиптические орбиты

Эллиптические орбиты спутников Земли являются синхронными, то есть, будучи выведенными на орбиту, они вращаются со скоростью планеты, а период обращения кратен суткам. В настоящее время используется несколько типов подобных орбит: Archi-medes , Borealis , «Тундра»,«Молния».

Скорость эллиптического спутника в апогее (при достижении вершины «эллипса») ниже, чем в перигее, поэтому в этот период аппарат может находиться в зоне радиовидимости определенного региона дольше, чем спутник с круговой орбитой. Сеансы связи, к примеру, у «Молнии» длятся 8-10 ч, а система из трех спутников способна поддерживать круглосуточную глобальную связь.