Главная » Ростелеком » Геостационарная орбита (ГСО). "фотометрия исз"

Геостационарная орбита (ГСО). "фотометрия исз"

: 23 часа 56 минут 4,091 секунды).

Идея использования геостационарных спутников для целей связи высказывалась ещё словенским теоретиком космонавтики Германом Поточником в 1928 году .

Преимущества геостационарной орбиты получили широкую известность после выхода в свет научно-популярной статьи Артура Кларка в журнале «Wireless World» в 1945 году , поэтому на Западе геостационарная и геосинхронные орбиты иногда называются «орбитами Кларка », а «поясом Кларка » называют область космического пространства на расстоянии 36000 км над уровнем моря в плоскости земного экватора, где параметры орбит близки к геостационарной. Первым спутником, успешно выведенным на ГСО, был Syncom-3 , запущенный NASA в августе 1964 года .

Энциклопедичный YouTube

1 / 5

Урок 64. Искусственные спутники Земли. Первая космическая скорость. Геостационарная орбита

Спутниковая связь. Геостационарная орбита

Стрим с проектировщиком геостационарных спутников связи

Геостационарные спутники / Geostationary Satellites

Расчёт параметров геостационарной орбиты

Субтитры

Точка стояния

Геостационарная орбита может быть точно обеспечена только на окружности, расположенной прямо над экватором, с высотой, очень близкой к 35 786 км.

Если бы геостационарные спутники были видны на небе невооружённым глазом, то линия, на которой они были бы видны, совпадала бы с «поясом Кларка» для данной местности. Геостационарные спутники, благодаря имеющимся точкам стояния, удобно использовать для спутниковой связи: единожды сориентированная антенна всегда будет направлена на выбранный спутник (если он не сменит позицию).

Для перевода спутников с низковысотной орбиты на геостационарную используются переходные геостационарные (геопереходные) орбиты (ГПО) - эллиптические орбиты с перигеем на низкой высоте и апогеем на высоте, близкой к геостационарной орбите.

После завершения активной эксплуатации на остатках топлива спутник должен быть переведён на орбиту захоронения , расположенную на 200-300 км выше ГСО.

Вычисление параметров геостационарной орбиты

Радиус орбиты и высота орбиты

На геостационарной орбите спутник не приближается к Земле и не удаляется от неё, и кроме того, вращаясь вместе с Землёй, постоянно находится над какой-либо точкой на экваторе. Следовательно, действующие на спутник силы гравитации и центробежная сила должны уравновешивать друг друга. Для вычисления высоты геостационарной орбиты можно воспользоваться методами классической механики и, перейдя в систему отсчета спутника, исходить из следующего уравнения:

F u = F Γ {\displaystyle F_{u}=F_{\Gamma }} ,

где F u {\displaystyle F_{u}} - сила инерции, а в данном случае, центробежная сила; F Γ {\displaystyle F_{\Gamma }} - гравитационная сила. Величину гравитационной силы, действующую на спутник, можно определить по закону всемирного тяготения Ньютона :

F Γ = G ⋅ M 3 ⋅ m c R 2 {\displaystyle F_{\Gamma }=G\cdot {\frac {M_{3}\cdot m_{c}}{R^{2}}}} ,

где - масса спутника, M 3 {\displaystyle M_{3}} - масса Земли в килограммах , G {\displaystyle G} - гравитационная постоянная , а R {\displaystyle R} - расстояние в метрах от спутника до центра Земли или, в данном случае, радиус орбиты.

Величина центробежной силы равна:

F u = m c ⋅ a {\displaystyle F_{u}=m_{c}\cdot a} ,

где a {\displaystyle a} - центростремительное ускорение, возникающее при круговом движении по орбите.

Как можно видеть, масса спутника m c {\displaystyle m_{c}} присутствует как множитель в выражениях для центробежной силы и для гравитационной силы, то есть высота орбиты не зависит от массы спутника, что справедливо для любых орбит и является следствием равенства гравитационной и инертной массы . Следовательно, геостационарная орбита определяется лишь высотой, при которых центробежная сила будет равна по модулю и противоположна по направлению гравитационной силе, создаваемой притяжением Земли на данной высоте.

Центростремительное ускорение равно:

a = ω 2 ⋅ R {\displaystyle a=\omega ^{2}\cdot R} ,

где - угловая скорость вращения спутника, в радианах в секунду.

Сделаем одно важное уточнение. В действительности, центростремительное ускорение имеет физический смысл только в инерциальной системе отсчета, в то время как центробежная сила является так называемой мнимой силой и имеет место исключительно в системах отсчета (координат), которые связаны с вращающимися телами. Центростремительная сила (в данном случае - сила гравитации) вызывает центростремительное ускорение. По модулю центростремительное ускорение в инерциальной системе отсчета равно центробежному в системе отсчета, связанной в нашем случае со спутником. Поэтому далее, с учетом сделанного замечания, мы можем употреблять термин «центростремительное ускорение» вместе с термином «центробежная сила».

Уравнивая выражения для гравитационной и центробежной сил с подстановкой центростремительного ускорения, получаем:

m c ⋅ ω 2 ⋅ R = G ⋅ M 3 ⋅ m c R 2 {\displaystyle m_{c}\cdot \omega ^{2}\cdot R=G\cdot {\frac {M_{3}\cdot m_{c}}{R^{2}}}} .

Сокращая m c {\displaystyle m_{c}} , переводя R 2 {\displaystyle R^{2}} влево, а ω 2 {\displaystyle \omega ^{2}} вправо, получаем:

R 3 = G ⋅ M 3 ω 2 {\displaystyle R^{3}=G\cdot {\frac {M_{3}}{\omega ^{2}}}} R = G ⋅ M 3 ω 2 3 {\displaystyle R={\sqrt[{3}]{\frac {G\cdot M_{3}}{\omega ^{2}}}}} .

Можно записать это выражение иначе, заменив G ⋅ M 3 {\displaystyle G\cdot M_{3}} на μ {\displaystyle \mu } - геоцентрическую гравитационную постоянную:

R = μ ω 2 3 {\displaystyle R={\sqrt[{3}]{\frac {\mu }{\omega ^{2}}}}}

Угловая скорость ω {\displaystyle \omega } вычисляется делением угла, пройденного за один оборот ( 360 ∘ = 2 ⋅ π {\displaystyle 360^{\circ }=2\cdot \pi } радиан) на период обращения (время, за которое совершается один полный оборот по орбите: один сидерический день , или 86 164 секунды). Получаем:

ω = 2 ⋅ π 86164 = 7 , 29 ⋅ 10 − 5 {\displaystyle \omega ={\frac {2\cdot \pi }{86164}}=7,29\cdot 10^{-5}} рад/с

Полученный радиус орбиты составляет 42 164 км. Вычитая экваториальный радиус Земли, 6 378 км, получаем высоту 35 786 км.

Можно сделать вычисления и иначе. Высота геостационарной орбиты - это такое удаление от центра Земли, где угловая скорость спутника, совпадающая с угловой скоростью вращения Земли, порождает орбитальную (линейную) скорость, равную первой космической скорости (для обеспечения круговой орбиты) на данной высоте.

Линейная скорость спутника, движущегося с угловой скоростью ω {\displaystyle \omega } на расстоянии R {\displaystyle R} от центра вращения равна

v l = ω ⋅ R {\displaystyle v_{l}=\omega \cdot R}

Первая космическая скорость на расстоянии R {\displaystyle R} от объекта массой M {\displaystyle M} равна

v k = G M R ; {\displaystyle v_{k}={\sqrt {G{\frac {M}{R}}}};}

Приравняв правые части уравнений друг к другу, приходим к полученному ранее выражению радиуса ГСО:

R = G M ω 2 3 {\displaystyle R={\sqrt[{3}]{G{\frac {M}{\omega ^{2}}}}}}

Орбитальная скорость

Скорость движения по геостационарной орбите вычисляется умножением угловой скорости на радиус орбиты:

v = ω ⋅ R = 3 , 07 {\displaystyle v=\omega \cdot R=3{,}07} км/с

Это примерно в 2.5 раза меньше, чем первая космическая скорость равная 8 км/с на околоземной орбите (с радиусом 6400 км). Так как квадрат скорости для круговой орбиты обратно пропорционален её радиусу,

v = G M R ; {\displaystyle v={\sqrt {G{\frac {M}{R}}}};}

то уменьшение скорости по отношению к первой космической достигается увеличением радиуса орбиты более чем в 6 раз.

R ≈ 6400 ⋅ (8 3 , 07) 2 ≈ 43000 {\displaystyle R\approx \,\!{6400\cdot \left({\frac {8}{3{,}07}}\right)^{2}}\approx \,\!43000}

Длина орбиты

Длина геостационарной орбиты: 2 ⋅ π ⋅ R {\displaystyle {2\cdot \pi \cdot R}} . При радиусе орбиты 42 164 км получаем длину орбиты 264 924 км.

Длина орбиты крайне важна для вычисления «точек стояния» спутников.

Удержание спутника в орбитальной позиции на геостационарной орбите

Спутник, обращающийся на геостационарной орбите, находится под воздействием ряда сил (возмущений), изменяющих параметры этой орбиты. В частности, к таким возмущениям относятся гравитационные лунно-солнечные возмущения, влияние неоднородности гравитационного поля Земли, эллиптичность экватора и т. д. Деградация орбиты выражается в двух основных явлениях:

1) Спутник смещается вдоль орбиты от своей первоначальной орбитальной позиции в сторону одной из четырёх точек стабильного равновесия, т. н. «потенциальных ям геостационарной орбиты» (их долготы 75,3°E, 104,7°W, 165,3°E, и 14,7°W) над экватором Земли;

2) Наклонение орбиты к экватору увеличивается (от первоначального 0) со скоростью порядка 0,85 градусов в год и достигает максимального значения 15 градусов за 26,5 лет.

Для компенсации этих возмущений и удержания спутника в назначенной точке стояния спутник оснащается двигательной установкой (химической или электроракетной). Периодическими включениями двигателей малой тяги (коррекция «север-юг» для компенсации роста наклонения орбиты и «запад-восток» для компенсации дрейфа вдоль орбиты) спутник удерживается в назначенной точке стояния. Такие включения производятся по нескольку раз в несколько (10-15) суток. Существенно, что для коррекции «север-юг» требуется значительно большее приращение характеристической скорости (около 45-50 м/с в год), чем для долготной коррекции (около 2 м/с в год). Для обеспечения коррекции орбиты спутника на протяжении всего срока его эксплуатации (12-15 лет для современных телевизионных спутников) требуется значительный запас топлива на борту (сотни килограммов, в случае применения химического двигателя). Химический ракетный двигатель спутника имеет вытеснительную подачу топлива (газ наддува-гелий), работает на долгохранимых высококипящих компонентах (обычно несимметричный диметилгидразин и диазотный тетраоксид). На ряде спутников устанавливаются плазменные двигатели. Их тяга существенно меньше по отношению к химическим, однако большая эффективность позволяет (за счет продолжительной работы, измеряемой десятками минут для единичного маневра) радикально снизить потребную массу топлива на борту. Выбор типа двигательной установки определяется конкретными техническими особенностями аппарата.

Эта же двигательная установка используется, при необходимости, для маневра перевода спутника в другую орбитальную позицию. В некоторых случаях - как правило, в конце срока эксплуатации спутника, для сокращения расхода топлива коррекция орбиты «север-юг» прекращается, а остаток топлива используется только для коррекции «запад-восток».

Запас топлива является основным лимитирующим фактором срока службы спутника на геостационарной орбите.

Недостатки геостационарной орбиты

Задержка сигнала

Связь через геостационарные спутники характеризуется большими задержками в распространении сигнала. При высоте орбиты 35 786 км и скорости света около 300 000 км/с ход луча «Земля-спутник» требует около 0,12 с. Ход луча «Земля (передатчик) → спутник → Земля (приемник)» ≈0,24 с. Полная задержка (измеряемая утилитой Ping) при использовании спутниковой связи для приема и передачи данных составит почти полсекунды. С учетом задержки сигнала в аппаратуре ИСЗ, в аппаратуре и в кабельных системах передач наземных служб общая задержка сигнала на маршруте «источник сигнала → спутник → приёмник» может достигать 2-4 секунд . Такая задержка затрудняет применение спутников на ГСО в телефонии и делает невозможной применение спутниковой связи с использованием ГСО в различных сервисах реального времени (например в онлайн-играх) .

Невидимость ГСО с высоких широт

Так как геостационарная орбита не видна с высоких широт (приблизительно от 81° до полюсов), а на широтах выше 75° наблюдается очень низко над горизонтом (в реальных условиях спутники просто скрываются выступающими объектами и рельефом местности) и виден лишь небольшой участок орбиты (см. таблицу ), то невозможна связь и телетрансляция с использованием ГСО в высокоширотных районах Крайнего Севера (Арктики) и Антарктиды

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

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.