Em 23 de abril de 1965, o primeiro satélite de comunicações doméstico, Molniya-1, foi lançado em uma órbita elíptica elevada, o que marcou o estabelecimento de comunicações de rádio por satélite em nosso país. Quase simultaneamente, o primeiro satélite comercial de comunicações, o Intelsat-1, foi lançado em órbita geoestacionária nos Estados Unidos.
Assim, a ideia de um aumento acentuado no alcance da comunicação rádio foi concretizada através da colocação de um repetidor bem acima da superfície da Terra, o que permitiu garantir a visibilidade rádio simultânea de estações de rádio localizadas em diferentes pontos de um vasto território. As vantagens dos sistemas de comunicação por satélite (SS) são o alto rendimento, a cobertura global e alta qualidade comunicações.
A configuração dos sistemas SS depende do tipo de satélite terrestre artificial (AES), do tipo de comunicação e dos parâmetros das estações terrenas. Para construir sistemas SS, eles são usados principalmente três tipos de satélites(Figura 9.1) - em órbita elíptica alta (HEO), órbita geoestacionária (GEO) e órbita de baixa altitude (LEO). Cada tipo de satélite tem suas próprias vantagens e desvantagens.
Um exemplo de satélite artificial com VEO são os satélites domésticos do tipo Molniya com período orbital de 12 horas, inclinação de 63° e altitude de apogeu sobre o hemisfério norte de 40 mil km. O movimento do satélite na região do apogeu fica mais lento, enquanto a duração da visibilidade do rádio é de 6 a 8 horas. deste tipo satélite é tamanho grandeáreas de serviço que cobrem a maior parte do hemisfério norte. A desvantagem do VEO é a necessidade de rastrear antenas para um satélite que se desloca lentamente e reorientá-las do satélite que chega para o satélite ascendente.
Uma órbita única é a GSO - uma órbita circular com período de rotação do satélite de 24 horas, situada no plano equatorial, a uma altitude de 35.875 km da superfície da Terra. A órbita é sincronizada com a rotação da Terra, então o satélite está estacionário em relação a superfície da Terra. Vantagens do GSO: a área de serviço é cerca de um terço da superfície terrestre, três satélites são suficientes para comunicações quase globais, as antenas das estações terrenas praticamente não requerem sistemas de rastreamento. No entanto, nas latitudes norte, o satélite é visível em pequenos ângulos em relação ao horizonte e não é visível nas regiões polares.
O plano das órbitas de baixa altitude está inclinado em relação ao plano do equador (órbitas polares e quase polares) com uma altitude de cerca de 200 a 2.000 km acima da superfície da Terra. O lançamento de um satélite leve em órbita baixa pode ser realizado usando lançadores baratos.
O princípio de implementação de um sistema de comunicação utilizando satélites artificiais da Terra é mostrado na Figura 9.2. Aqui, a e b denotam estações terrenas (ES), entre as quais a comunicação é estabelecida, e as retas e , tangentes à superfície da Terra nos pontos a e b, são as linhas do horizonte desses pontos. Portanto, o satélite AES 1, movendo-se em órbita MN, pode ser observado simultaneamente a partir das estações aeb quando se move ao longo da seção de órbita e. Consequentemente, as oscilações eletromagnéticas emitidas pelo sistema de antenas parabólicas no ponto a na direção do satélite 1 podem ser recebidas pelo equipamento de rádio de bordo do satélite e, após amplificação e conversão de frequência, são direcionadas para a Terra, onde serão recebidas por a antena de satélite no ponto b. As antenas GS devem estar sempre orientadas para o satélite. Conseqüentemente, ao mover os satélites, as antenas devem girar, “rastreando” continuamente o movimento do satélite no espaço.
Um sistema de comunicação de rádio com equipamento de bordo é denominado sistema com relé de sinal ativo ou sistema com satélite ativo.
Consideremos o diagrama de blocos da comunicação duplex entre ES localizados nos pontos aeb durante o relé de sinal ativo (Figura 9.3). Aqui a mensagem C 1 é fornecida ao modulador M da estação ZS a, como resultado as oscilações são moduladas com uma frequência portadora f 1. Essas oscilações do transmissor P são fornecidas à antena A a1 e irradiadas em direção ao satélite, onde são recebidas pela antena de bordo A do repetidor. Em seguida, as oscilações com frequência f 1 são fornecidas ao filtro de separação (RF), amplificadas pelo receptor Pr 1, convertidas para frequência f 2 e fornecidas ao transmissor P 1. Da saída do transmissor, oscilações com frequência f 2 são fornecidas através do RF para a antena A de bordo e irradiadas em direção à Terra. Essas oscilações são recebidas pela antena A b2 pela estação ZS b, alimentadas ao receptor (Pr) e detector (Det), em cuja saída a mensagem C 1 é destacada. A transmissão da mensagem C 2 do ES b para a estação ES a ocorre na frequência f 3 de maneira semelhante, e o repetidor integrado converte oscilações com frequência portadora f 3 em oscilações com frequência f 4 .
Outro método de transmissão de mensagens pode ser proposto, no qual não há equipamento de rádio a bordo do satélite. Neste caso, os sinais enviados do ponto A são refletidos pela superfície do satélite 1 em direção à Terra (incluindo o ponto b) sem amplificação prévia. Portanto, os sinais recebidos pela estação b serão muito mais fracos do que na presença de equipamentos de bordo. Como satélites passivos, podem ser utilizados tanto refletores especiais de vários formatos (na forma de cilindros esféricos, poliedros volumétricos e outros) quanto o satélite natural da Terra, a Lua. A capacidade de tais sistemas de comunicação com o nível atual de tecnologia não excede duas ou três mensagens telefônicas.
No caso em que o satélite AES 2 se move em órbita m – n (Figura 9.2) com uma altitude tão baixa que não pode ser observado simultaneamente pelas antenas das estações ZS a e ZS b (a altitude da órbita está abaixo do ponto de intersecção de as linhas do horizonte e ) e, portanto, o sinal recebido do equipamento de bordo no satélite 2 não pode ser transmitido imediatamente para a estação b. O funcionamento do sistema, neste caso, pode ser estruturado da seguinte forma: o satélite 2, sobrevoando a estação a, recebe mensagens que, após amplificação, são alimentadas no equipamento de memória do bot (por exemplo, gravadas em fita). Então, quando o satélite 2 sobrevoa a estação b, ele é ligado ao transmissor bot e as informações recebidas da estação a são transmitidas. O transmissor pode ser ligado enviando um sinal de comando especial emitido pelo satélite no momento em que o satélite aparece na zona de visibilidade desta estação, ou utilizando um dispositivo de software bot que leva em consideração a velocidade do satélite em órbita, sua altitude e a distância entre as estações. Tal sistema é chamado de sistema de comunicação de memória ou sistema de retransmissão retardada. Um sistema com relé de sinal ativo, dependendo da altitude orbital e da distância entre estações, pode ser implementado como sistema com relé de sinal instantâneo (não atrasado) (sistema em tempo real) e como sistema com relé atrasado.
De particular interesse é a órbita geoestacionária - uma órbita circular localizada no plano equatorial (i=0) e distante da superfície da Terra a uma distância de cerca de 36.000 km. No caso em que a direção do movimento do satélite em tal órbita coincide com a direção de rotação da Terra, o satélite ficará imóvel em relação ao observador terrestre (satélite geoestacionário). Esta característica, aliada ao facto de o satélite estar localizado a uma grande distância da Terra, conduz às seguintes vantagens importantes da comunicação através de um satélite geoestacionário: em primeiro lugar, torna-se possível transmitir e receber sinais através de sistemas de antenas fixas (que é, mais simples e mais barato que o móvel) e, em segundo lugar, a implementação de comunicação contínua, 24 horas por dia, numa área igual a aproximadamente um terço da superfície terrestre. Porém, através de um satélite geoestacionário é difícil comunicar-se com as regiões circumpolares localizadas em latitudes acima de 75º...78º, pois isso aumenta significativamente o ruído na entrada dos receptores terrestres.
Em nosso país, satélites de comunicações como "Rainbow" e "Gorizont" foram lançados em órbita geoestacionária.
Quando os satélites se movem em outras órbitas (não geoestacionárias), os satélites se moverão em relação a um observador terrestre. Neste caso, são necessários dispositivos de antena móvel e equipamentos especiais para garantir o rastreamento e direcionamento da antena para um satélite em movimento. Os sistemas de comunicação com satélites móveis, com escolha adequada de órbitas, permitem a comunicação com quaisquer áreas globo, inclusive com os polares. Ao utilizar satélites móveis, a comunicação entre as estações localizadas nos pontos aeb (Figura 9.2) pode ser realizada apenas durante o tempo em que o satélite se move ao longo da seção de órbita.
Garantir a comunicação contínua de longo prazo em órbitas relativamente baixas só é possível com o aumento do número de satélites (Figura 9.4a).Neste caso, devem ser instaladas duas antenas (A 1 e A 2) em cada estação terrena, que podem transmitir e receber sinais utilizando um dos satélites, por exemplo o satélite 1, localizado na zona de comunicação mútua. Quando o satélite 1 sair desta zona, a comunicação ocorrerá através do satélite 2 utilizando antenas A 2. Quando o satélite 2 sai da zona, a transmissão e recepção dos sinais devem ser feitas através do satélite 3 e das antenas A 1 direcionadas a este satélite, e assim sucessivamente. Para obter comunicação contínua entre as estações A e B, a distância entre os satélites vizinhos deve ser menor que a zona. O número de satélites com este método depende da distância entre os pontos de comunicação e dos parâmetros orbitais.
Ao utilizar satélites, é possível retransmitir sinais não apenas através de um, mas também através de vários satélites. Além disso, no caso de órbitas baixas, para a transmissão contínua de sinais nas estações terrenas é necessária a existência de duas antenas.
A Figura 9.4, b mostra satélites movendo-se no sentido horário em uma órbita baixa, parte da qual é mostrada como um arco mn. O sinal da estação A através da antena A 1 entra no satélite 4 e é retransmitido através do satélite 3, satélite 2, satélite 1 para a antena receptora A 1 da estação b. Assim, neste caso, as antenas A 1 e o segmento orbital contendo o satélite 4 - satélite 1 são utilizados para retransmitir o sinal. Quando o satélite 4 sai da zona situada à esquerda da linha do horizonte, o sinal será transmitido e recebido através das antenas A 2 e do segmento que contém o satélite 5 - satélite 2. Em seguida, a transmissão e recepção dos sinais serão realizadas pelas antenas A 1 e por um segmento composto pelos satélites AES 6 - AES 3 e assim sucessivamente.
Figura 9.4. Sistema de comunicação multi-satélite
A utilização de satélites movendo-se em órbitas de baixa altitude simplifica o equipamento das estações terrenas, pois é possível reduzir o ganho das antenas terrestres, a potência dos transmissores e trabalhar com receptores que possuem temperatura de ruído equivalente um pouco superior ao caso de satélites geoestacionários. Porém, neste caso, o número de satélites aumenta e é necessário o controle de seu movimento orbital.
Outro caso de uso para retransmissão de sinais de vários satélites é mostrado na Figura 9.4c. Neste caso, de um grupo de satélites movendo-se na mesma órbita, por exemplo o satélite 4, o sinal emitido por A 1 da estação “a” é retransmitido para o satélite geoestacionário satélite d, e então recebido pela antena A da estação “b”. Quando o satélite 4 sair da área situada à esquerda da linha do horizonte, a comunicação contínua entre a estação “a” e o satélite d será realizada através da antena A 2 e do satélite 5, depois através da A 1 e do satélite 6, e assim sucessivamente. Na estação “b” neste caso bastará ter apenas uma antena direcionada ao satélite da cidade.
Como um satélite pode ser observado a partir de uma grande área da superfície da Terra, é possível a comunicação entre vários satélites através de um satélite comum. Neste caso, o satélite está “disponível” para muitas estações terrenas, por isso o sistema é denominado sistema de acesso múltiplo (MA). Nos sistemas MD, podem ser organizadas tanto a comunicação circular entre estações (transmissão de mensagens de uma estação para várias estações) quanto a comunicação duplex simultânea entre todos os satélites usando um repetidor de bordo comum localizado no satélite. O sistema de comunicação via satélite com MD consiste em várias estações terrenas localizadas na zona de comunicação mútua via satélite e utilizando um repetidor comum no satélite para comunicação entre si ou para comunicação de uma estação com várias estações em qualquer combinação (Figura 9.5) . Observe que em um sistema com MD, a comunicação simultânea também pode ser organizada não com todas as estações, mas apenas com um grupo de estações. Neste caso, é aconselhável utilizar antenas integradas com padrões de radiação estreitos (alto ganho). Essas antenas são controladas a partir da Terra e podem ser direcionadas para o grupo desejado de estações. Outra versão deste sistema é a comutação do equipamento de bordo para uma ou outra antena de bordo, que tem direção fixa para determinados pontos da superfície terrestre. Os canais de comunicação organizados através de satélites entre as estações terrenas do sistema MD podem ser divididos em dois grupos:
- canais permanentes (fixos) destinados à comunicação apenas entre determinadas estações terrenas;
- canais não permanentes (soltos), organizados temporariamente entre diferentes estações dependendo das necessidades dos consumidores.
Obviamente, os canais do primeiro grupo permitem organizar a comunicação imediata a qualquer momento; os canais do segundo grupo para organização da comunicação requerem a implementação de um determinado procedimento, semelhante ao típico das comunicações telefónicas regulares da cidade. Antes de transmitir mensagens pelos canais do segundo grupo, é necessário: obter informações sobre a presença de um canal livre no sistema (ou seja, receber a confirmação de acesso ao sistema de comunicação - em um PABX isso corresponde a um tom longo ); disque o endereço (número) do correspondente desejado; certifique-se de que o canal para o correspondente seja gratuito (ou seja, tenha acesso ao correspondente).
Obviamente, em sistemas com canais fixos, devido ao fato de alguns canais serem utilizados em determinados intervalos de tempo, o número total de canais deve ser maior do que em sistemas com canais não fixos. Assim, os sistemas com canais não atribuídos são mais eficientes, mas também apresentam desvantagens: em primeiro lugar, leva mais tempo para estabelecer a comunicação (é necessário encontrar um canal livre e fazer a comutação necessária usando sinais de toque e endereço) e, em segundo lugar, é possível recusa em estabelecer uma conexão imediata ao sistema.
Com qualquer tipo de canal de comunicação (fixo ou não fixado), podem ser criadas mensagens e troncos multicast, unicast e mistos.
Na construção de mensagens de grupo multicast, cada estação terrena emite um tronco, que transmite uma mensagem de grupo destinada à recepção por todas as estações terrenas. Os troncos emitidos por todas as estações, passando pelo repetidor de bordo, são recebidos em cada estação. Após a demodulação, as partes das mensagens de grupo destinadas apenas a uma determinada estação são separadas de cada tronco. Esta atribuição é efectuada quer com base no endereço de uma determinada estação, que é transmitido antes da mensagem (para canais não atribuídos), quer mediante acordo prévio sobre a colocação de canais destinados a uma determinada estação em mensagens de grupo transmitidas (para atribuídos canais).
Obviamente, ao construir mensagens de grupo multicast em troncos HF, cada AP deve receber n-1 troncos, onde n é o número de APs. Assim, neste caso, obtém-se um dispositivo de transmissão relativamente simples, mas o equipamento de recepção da estação torna-se significativamente mais complicado.
Na construção unicast, cada estação recebe sua própria mensagem de grupo e seu próprio tronco HF, no qual cada estação transmissora ocupa o número correspondente de canais. Assim, cada estação ocupa um certo número de canais em troncos n-1 que passam pelo repetidor, cada um dos quais é dedicado a apenas uma estação terrena específica. Neste caso, em cada estação é necessário receber e desmodular apenas um canal destinado a esta estação. Obviamente, o equipamento de transmissão é mais complexo que o equipamento de recepção.
Com uma construção mista de troncos, é realizada uma formação multicast de troncos em cada estação terrena, e no repetidor é feita a transição da construção multicast para unicast de troncos, ou seja, é realizado um reagrupamento de canais. Assim, com uma construção mista de troncos, tanto o equipamento de recepção como de transmissão das estações terrenas é simplificado, mas o equipamento repetidor torna-se mais complicado.
Existem três métodos principais de divisão de um canal de comunicação comum: por frequência (FR), por tempo (TS) e por meio de sinais que diferem em formato (divisão de canal de código).
Figura 9.6. Acesso múltiplo por divisão de frequência (a) e divisão de tempo (b)
Acesso Múltiplo por Divisão de Frequência (FDMA).
Neste caso, para cada tronco (ou seja, para cada estação) é alocada uma determinada frequência portadora (f 1, f 2,..., f n). O espaçamento entre um par de portadoras adjacentes é selecionado de modo que a possibilidade de sobreposição mútua de espectros durante a modulação seja excluída (Figura 9.6a). Observe que o FDMA é implementado de maneira mais simples no caso em que a modulação de frequência das oscilações é realizada em estações terrenas por comunicação multicanal com divisão de frequência de canais telefônicos (abreviado como sistema PD FM FDMA). Assim, neste sistema, um sinal complexo é recebido na entrada do repetidor, que é um sistema de n sinais harmônicos modulados em frequência, que são as frequências portadoras de todos os ES. A passagem de um sinal tão complexo por um repetidor comum de bordo, que é um dispositivo não linear, leva aos seguintes fenômenos indesejáveis:
1) a ocorrência de interferência transitória;
2) supressão de sinais dessas estações terrenas (ou seja, desses troncos), cujo nível na entrada do repetidor por algum motivo (por exemplo, devido ao desvanecimento) será inferior aos níveis de sinal de outras estações. Essa supressão pode ser de até 6 dB. Para eliminar este fenómeno, é necessário monitorizar e ajustar adequadamente os níveis de sinal emitidos por cada estação terrena. Tal ajuste pode ser feito automaticamente comparando os níveis de sinal recebidos da repetidora de diferentes troncos (estações;
3) a ocorrência de interferência transitória entre os troncos e uma diminuição na potência de saída do repetidor devido à não linearidade das características de amplitude dos estágios repetidores que são comuns a todos os troncos recebidos das estações terrenas. A diminuição da potência de saída é causada pelo aparecimento de produtos de não linearidade, que consomem parte da potência do repetidor.
Os fenómenos elencados levam a que para um determinado valor de ruído transitório nos canais telefónicos, com o aumento do número de estações terrenas, ou seja, com o aumento do número de troncos (portadoras) amplificados simultaneamente pelo repetidor, é é necessário reduzir o número de mensagens telefônicas transmitidas em cada operadora. Assim, quanto maior o número de estações incluídas no sistema FDMA, menos mensagens telefónicas podem ser transmitidas. Cálculos e testes de sistemas reais mostram que uma repetidora capaz de transmitir 700 canais telefônicos em uma operadora durante FM FM, no caso de operação de 8 estações no sistema FM FM FM, pode transmitir 30 canais em cada operadora, ou seja, não mais de 8 30 = 240 canais (taxa de transferência reduzida em quase 3 vezes). Quando 16 estações operam no sistema FR FM FDMA, não mais do que dez mensagens telefônicas podem ser transmitidas em cada operadora. Assim, em comparação com o rendimento original é de 23%. Porém, com este modo de operação, utilizando os recursos estatísticos das mensagens telefônicas transmitidas em diferentes operadoras, surgem novas oportunidades para aumentar a capacidade do repetidor. Se durante as pausas entre palavras, frases e quando os assinantes estiverem em silêncio em tal sistema, a radiação dos transmissores terrestres na frequência da portadora for suprimida, isso reduzirá significativamente a carga do repetidor e aumentará a taxa de transferência em 3...4 vezes. . Lembremos que tal supressão de portadora é utilizada na construção de equipamentos de divisão de frequência: na saída dos conversores individuais, procura-se que o nível de oscilações com frequências de subportadora seja o menor possível.
O método FDMA com supressão de portadora é utilizado no sistema Spade implementado no sistema internacional Intelsat. Neste sistema, cada mensagem telefônica é convertida em um sinal PCM de oito bits (64 kbit/s) e transmitida em uma portadora de RF separada usando PM quadrifásico. A banda de frequência ocupada por um canal telefônico é de 38 kHz, o intervalo de guarda Δf protege = 7 kHz (Figura 9.6a). O sistema descrito fornece transmissão de 800 canais independentes em um canal de 36 MHz de largura.
Os equipamentos domésticos Gradient N também utilizam FDMA, em que cada mensagem telefônica é transmitida em uma portadora separada por FM com desvio de frequência de pico correspondente ao nível de medição igual a 30 kHz. O número de frequências portadoras no tronco é 200, o espaçamento entre portadoras adjacentes é 160 kHz. No “Grupo” de equipamentos domésticos o número de operadoras é de 24; a separação entre eles é de 1,35 MHz. A modulação de frequência nesta versão do equipamento é realizada por um grupo padrão de 12 canais (espectro 12..60 kHz) com desvio efetivo de frequência de 125 kHz. Assim, o número de mensagens telefônicas transmitidas é 24·12 = 288.
Acesso Múltiplo por Divisão de Tempo (TDMA).
Neste caso, a operação das estações terrenas através de um repetidor é realizada alternadamente. Portanto, todas as estações podem operar na mesma frequência portadora e devem ter um sistema de sincronização comum que garanta a ativação e desativação estritamente sequencial dos transmissores.
A Figura 9.6b mostra o ciclo operacional de um sistema TDMA composto por três estações - 1, 2 e 3. Durante os intervalos de tempo τ, chamados de quadros de estação, cada estação emite oscilações de frequência portadora moduladas por uma mensagem proveniente do equipamento de separação; τ 3 indica um intervalo de tempo de proteção que impede o acionamento simultâneo de duas estações terrestres e T c indica o ciclo de transmissão. A opção descrita aplica-se ao caso de operação síncrona de estações terrestres. O sistema de sincronização, que pode ser realizado por meio de tom piloto, deve levar em consideração a diferença de distâncias entre o satélite e as estações terrenas individuais. Normalmente, os sistemas TDMA funcionam com satélites geoestacionários, pois a sincronização é difícil quando se utilizam satélites móveis, pois neste caso as distâncias entre os satélites e as estações terrestres serão variáveis. No caso do FDMA, a opção mais adequada é utilizar PCM com modulação de fase da portadora (abreviado como PCM PM FDMA). A Figura 9.7 mostra, como exemplo, um ciclo detalhado de operação do sistema TDMA. Resulta da figura que durante cada frame são transmitidas das estações através dos canais telefónicos e de comunicação de serviço não só mensagens, mas também vários sinais especiais. Estes incluem: sinais de sincronização, chamada e comutação (S&S), sinais de endereço (SA) e sinal piloto (PS). Observe que o S&C consiste em um sinal de sincronização para osciladores de referência durante recepção coerente (RSCS), um sinal de sincronização de quadro (CS), um sinal necessário em sistemas com PCM para sincronização de relógio (TS) e sinais que fornecem assinantes de chamada e comutação de circuito (C&S) .
A parte de informação do quadro é cerca de 85...90% do comprimento total do quadro.
Os sistemas com FDMA apresentam uma série de vantagens em comparação com o FDMA:
1) a potência de pulso do dispositivo transmissor de uma determinada estação independe das condições de operação de outras estações e não requer ajustes, uma vez que não há supressão mútua de sinais;
2) todas as estações transmissoras terrestres podem operar em uma frequência portadora e as receptoras em outra, o que simplifica a construção de estações;
3) o transmissor repetidor opera no modo de potência máxima; não há interferência mútua entre os sinais retransmitidos.
As desvantagens dos sistemas com TDMA incluem a complexidade do sistema de sincronização das estações e a ocorrência de interferências quando a sincronização da operação de pelo menos uma estação é interrompida.
Uma comparação de vários tipos de MD em termos de rendimento para um determinado valor de ruído na saída do canal e potência limitada do repetidor mostra que o FDMA tem vantagens claras sobre o FDMA.
O princípio MDVR é implementado no equipamento doméstico MDVU-40, que permite que a taxa de transmissão do fluxo digital no tronco do satélite seja igual a 40 Mbit/s. Este sistema usa OFM-4.
9.2. Características de transmissão de sinal no espaço sideral
Atraso de sinal.
O grande comprimento da linha de comunicação entre as estações terrenas e o repetidor localizado a bordo do satélite leva ao atraso do sinal. Isso é determinado pelo fato de que leva tempo para um sinal percorrer uma distância, m:
onde é o comprimento da linha de comunicação do SE localizado no ponto “a” passando pelo ISS até o SE localizado no ponto “b” (Figura 4.1.2); c = 3·10 8 m/s – velocidade da luz; H – distância do satélite à superfície da Terra. Segue-se que em H = 36.000 km (ou seja, no caso de um satélite geoestacionário), o valor do atraso será de aproximadamente 250 ms. O atraso do sinal durante a transmissão de conversas telefônicas duplex acarreta pausas forçadas na conversa, perda de “contato” entre os assinantes, ou seja, limita a naturalidade da conversa.
Ecos.
O atraso dos sinais leva ao aparecimento de sinais de eco perceptíveis aos assinantes, que surgem ao passar de circuitos de comunicação de quatro fios para dois fios devido à imperfeição dos sistemas diferenciais. Os sinais de eco se manifestam na forma de um assinante ouvindo sua conversa, atrasado por um tempo igual ao dobro do tempo de propagação do sinal entre os assinantes. Levando em consideração (9.1)
Os sinais de eco são especialmente perceptíveis em grandes valores de eco t. Para sistemas de comunicação que utilizam satélites movendo-se em órbitas de km (ou seja, para satélites geoestacionários), echo t ≈ 500 ms. Nestes casos, é necessário garantir que os sinais de eco sejam atenuados para um valor igual a aproximadamente 60 dB relativamente ao nível do sinal desejado. A atenuação necessária dos sinais de eco é realizada por meio de supressores de eco.
Efeito Doppler.
Uma das características dos sistemas de comunicação via satélite é o surgimento efeito Doppler, causado pelo movimento do satélite em relação à Terra. Denotemos por ν r aquela componente da velocidade de movimento do satélite que coincide com a linha de radiocomunicação do satélite - GS e concordamos em considerar o valor de ν r negativo no caso de diminuição da distância entre o satélite e o GS e positivo quando esta distância aumenta.
Sabe-se que quando a fonte do sinal se move a uma velocidade ± ν r, a frequência das oscilações recebidas f está relacionada à frequência das oscilações emitidas f 0 pela relação
. (9.3)
Aqui c é a velocidade da luz.
Normalmente a condição ν r /c é sempre satisfeita<< 1, поэтому при движении источника сигнала в сторону приемника
. Daí a mudança na frequência causada pelo efeito Doppler
O efeito Doppler se manifestará mais fortemente em sistemas de comunicação que usam órbitas não geoestacionárias (no sistema Molniya na seção de trabalho da órbita). Em sistemas de comunicação com satélites geoestacionários, o efeito Doppler pode ocorrer ao corrigir a posição do satélite em órbita.
Observe que, de acordo com (9.4), o efeito leva não apenas a uma mudança na frequência das oscilações emitidas e, portanto, na frequência da portadora, mas também causa uma deformação do espectro da mensagem transmitida. Assim, se a modulação foi realizada por uma oscilação com frequência F, a oscilação recebida na saída do detector, levando em consideração o efeito Doppler, terá uma frequência 
. Portanto, quando modulado por oscilações com frequências F 1 = 1 kHz e F 2 = 10 4 kHz, na saída do detector obtemos as frequências Hz e Hz, respectivamente. Segue-se, em primeiro lugar, que as frequências superiores no espectro da mensagem mudarão muito e, em segundo lugar, que a largura do espectro da oscilação recebida será diferente da largura do espectro das oscilações modulantes (no exemplo dado, em quase 100 Hz).
Faixas de frequência de operação de sistemas de comunicação via satélite. A escolha das faixas de frequências atribuídas ao funcionamento dos sistemas de comunicação via satélite é determinada pelas seguintes condições básicas:
características da propagação das ondas eletromagnéticas na atmosfera;
intensidade do ruído causado pelas emissões de rádio de diversas fontes externas (Sol, Lua, planetas, atmosfera terrestre e outras);
a capacidade de operar sistemas de comunicação através de satélites em bandas de frequência alocadas juntamente com outros serviços de rádio com valores aceitáveis de interferência de rádio.
De acordo com os regulamentos de rádio, para a região 1 (Europa, Federação Russa, Mongólia, África), ao serviço fixo por satélite, que inclui sistemas de comunicação via satélite, são atribuídas as seguintes faixas de frequências (na faixa até 40 GHz):
para transmissão de mensagens na seção de mensagens Terra-satélite 5.725...7.075; 7,9…8,4; 12,5…13,25; 14,0…14,8; 27,5…31,0 GHz;
para transmitir mensagens na seção de mensagens AES – Earth 3.4…4.2; 4,5…4,8; 7,25…7,75; 10,7…11,7; 12,5…12,75; 17,7…21,2; 37,5 a 40,5 GHz.
Deve-se notar que as melhores faixas de frequência para sistemas de comunicação via satélite são frequências na faixa de 2...8 GHz.
Sinal na entrada dos dispositivos receptores. A potência do sinal na entrada do receptor pode ser determinada pela fórmula:
. (9.5)
Aqui A ∑ é a atenuação total do sinal na área entre as antenas; V(t) – fator de atenuação não excedido durante o tempo t (%); A p e A pr - caracterizam, respectivamente, a atenuação (enfraquecimento) do sinal nos filtros localizados entre a saída do transmissor e a antena, e a saída do receptor e a antena; Kpol é a magnitude das perdas de polarização causadas tanto pela não identidade das características de polarização das antenas quanto pela mudança no plano de polarização causada pelo efeito Faraday.
Oficina.
Encontre a potência do sinal na entrada do receptor da estação terrestre em: R per =15 W; G por =25 dB; G pr=47db; f por =30 GHz. Perdas de energia na troposfera A = 190 dB, perdas de polarização K piso = 7 dB. Satélite geoestacionário.
Para resolver tais problemas, utiliza-se a fórmula (9.5), desde que V = 1, não haja perdas Ap e Apr. Todas as quantidades são substituídas na fórmula em unidades.
O valor de A ∑ é determinado pela atenuação do sinal no espaço livre A cv0 e absorção na atmosfera em um ângulo de elevação β na ausência de precipitação A a (β). como
. (9.6)
O valor A a (β) ηdepende do comprimento do caminho das ondas de rádio na atmosfera, que pode ser caracterizado pelo ângulo de elevação β. O caminho, e portanto a absorção, será mínimo em β = 90º, quando as ondas de rádio cruzam a atmosfera em ângulos retos, e máximo em β → 0. Ao determinar a atenuação, a altura da estação acima do nível do mar também desempenha um certo papel, uma vez que caracteriza o comprimento do percurso do feixe na atmosfera.
Para calcular A a (β) μ, podem ser utilizadas as curvas mostradas na Figura 9.8, onde o eixo das abcissas mostra o valor da atenuação a a (β), δB, ou seja, a a = 10·log A a (β).
Multiplicador de atenuação em sistemas de comunicação via satélite.
O fator de atenuação V 2 (t) é determinado apenas pela absorção da energia eletromagnética na precipitação (chuva, nuvens e neblina):
. (9.7)
Aqui ag é a atenuação linear do sinal, dB, em um caminho de 1 km; R g – comprimento do percurso, km, ao longo do qual se observa precipitação. O valor de a g para chuvas de diferentes intensidades é determinado a partir dos gráficos.
A quantidade R g incluída em (9.7) determina o comprimento do caminho ao longo do qual o coeficiente de atenuação a g é aproximadamente constante. Para rotas verticais (β=90º) o valor de R g pode ser considerado = 3...4 km, para rotas horizontais (β=0º) o valor de R g depende da intensidade da precipitação. Na intensidade de precipitação 1<10 мм/ч величина R g может доходить до нескольких сотен километров; при I=10 мм/ч R g =45…55 км; при I=25…30 мм/ч R g =30…35 км; в случае I ≥ 100 мм/ч R g =8…12 км.
Em frequências abaixo de 8 GHz, o valor de a d será pequeno, portanto, conforme (9.7), obtemos V 2 (t) = 1. Assim, em sistemas de comunicação via satélite em frequências abaixo de 8 GHz, o desvanecimento do sinal pode ser ignorado. Esta é uma vantagem importante destes sistemas de comunicação em comparação com os sistemas RRL e TRL.
O valor de Kpol, incluído em (9.5), será determinado apenas pela incompatibilidade das características de polarização das antenas receptoras e transmissoras. Para evitar uma queda acentuada no valor de Kpol em sistemas de comunicação via satélite, muitas vezes são utilizadas antenas com polarização circular, que, se as antenas não forem fabricadas com precisão, podem se tornar elípticas. Ao utilizar antenas com a mesma polarização (linear ou circular) para transmissão e recepção, pode-se obter o valor Kpol = 1. Se ambas as antenas possuírem polarização linear em planos mutuamente ortogonais, ou seja, se uma antena for projetada para oscilações com polarização horizontal , e o outro é vertical, o valor Kpol = 0, ou seja, não há conexão entre as antenas. Se uma das antenas tiver polarização circular e a outra tiver polarização linear, o valor de Kpol = 0,5, o que corresponde a uma diminuição de 2 vezes na potência recebida.
Ruído na entrada dos dispositivos receptores.
Nos sistemas de comunicação por satélite, em contraste com o RRL de linha de visão, são utilizados dispositivos de recepção com ruído intrínseco significativamente menor. Portanto, a potência total do ruído relacionada à entrada do dispositivo receptor é determinada tanto pelo valor do ruído térmico do próprio receptor P t.in quanto pela intensidade do ruído de diversas fontes e circuitos externos ao receptor. As fontes externas de ruído podem incluir: emissão de rádio da atmosfera, ruído da Terra e da antena, bem como ruído térmico criado por vários circuitos conectados à entrada do receptor (alimentadores, filtros, etc.). Além disso, um nível significativo de ruído na entrada do receptor pode ser criado por fontes extraterrestres - emissões de rádio do Sol, Lua, planetas e fontes cósmicas de emissão de rádio. Assim, a potência total de ruído relacionada à entrada dos receptores é
Aqui P t.in é a potência do ruído do próprio receptor; Р Ф – potência de ruído criada pelo alimentador e demais circuitos, relacionada à entrada do receptor; RA – potência de ruído da antena, levando em consideração o ruído térmico da atmosfera e o ruído da Terra, referente à entrada da antena; P k – potência de ruído gerada pela emissão de rádio do Sol, da Lua, dos planetas e de fontes cósmicas, referida à entrada da antena; η – eficiência do alimentador e filtros; localizado entre a entrada da antena e a entrada do receptor.
Considerando que a potência do ruído está relacionada à temperatura equivalente do ruído T e dependência
P w = kT e ·P e, (9,9)
Onde k é a constante de Boltzmann e P e é a largura de banda do receptor, a expressão (4.2.8) pode ser reescrita como
Consideremos a definição das quantidades incluídas em (9.10). O próprio ruído do receptor, atribuído à sua entrada, é geralmente caracterizado pela figura de ruído Ш ou pela temperatura de ruído equivalente T e.pr. Esses parâmetros estão relacionados pela relação
T e.pr = T 0 (SH-1),
onde T 0 = 290 K.
Os valores de T e.pr e W são determinados principalmente pelos parâmetros dos primeiros estágios do receptor. Receptores com amplificadores de entrada de baixo ruído são difíceis de fabricar e operar. Portanto, a escolha de um dispositivo receptor, por exemplo, com um amplificador de entrada de mecânica quântica, deve ser precedida de uma cuidadosa comparação técnica e econômica desta opção de construção de um dispositivo receptor com outras opções possíveis. Junto com isso, a escolha do circuito do dispositivo de entrada do receptor deve ser determinada pelo ganho na quantidade de ruído total. Assim, uma comparação de amplificadores quânticos e paramétricos mostra a superioridade absoluta dos primeiros nas características de ruído. No entanto, os amplificadores quânticos requerem instalações criogênicas de hélio líquido mais caras; além disso, são estruturalmente mais complexos devido à necessidade de criar um campo magnético constante. Em termos de ganho e largura de banda de frequência, ambos os amplificadores são aproximadamente iguais. Se o alimentador (ou elemento adicional), localizado a uma temperatura T f = 290º K, tiver uma atenuação de 0,1 dB (η = 0,977), a temperatura de ruído equivalente refere-se à sua saída (ou seja, à entrada do receptor) , T f. f = 6,7 K. Assim, cada décimo de atenuação de decibéis do alimentador (elemento adicional) levará a um aumento na temperatura total referida à entrada do receptor em aproximadamente 7 K. Isto implica a conveniência de reduzir o comprimento do alimentador entre a alimentação da antena e o receptor, ou seja, instalar amplificadores receptores de entrada de baixo ruído diretamente próximos às alimentações da antena.
A temperatura de ruído equivalente de uma antena é determinada pelo efeito sobre ela da radiação térmica da Terra, da radiação térmica da atmosfera e do próprio ruído da antena causado por perdas em seus elementos. Normalmente estas perdas são muito pequenas e portanto o ruído da própria antena pode ser ignorado. Portanto, a temperatura equivalente da antena, convertida em sua entrada,
, (9.11)
β – ângulo de elevação; T e.z, T e.a são respectivamente as temperaturas equivalentes da Terra e da atmosfera referidas à entrada da antena.
A Figura 9.9 mostra as curvas que determinam a dependência da temperatura equivalente da atmosfera referida à antena T e.a da frequência f e do ângulo de elevação β. O mesmo gráfico mostra faixas aproximadas de mudança na temperatura equivalente do ruído cósmico.
Figura 9.9. Dependência da temperatura equivalente do ruído das fontes cósmicas e da atmosfera da frequência e do ângulo de elevação.
O exame das curvas na Figura 9.9 mostra que à medida que β diminui, o valor de T e.a cresce tão rapidamente que usando o valor de β<5º нецелесообразно. Следует отметить, что при малых β увеличивается вероятность от наземных радиотехнических средств и промышленных объектов. Максимумы на частотах 22.23 и 60 ГГц объясняются поглощением в водяных парах и кислороде атмосферы соответственно.
As curvas (Figura 9.9) referem-se ao estado normal da atmosfera na ausência de precipitação; em caso de precipitação, T e.a aumenta. A Figura 9.10 mostra os resultados de experimentos em 6 GHz para diferentes intensidades de precipitação. A curva 2 coincide com a dependência de T e.a do ângulo β, mostrado na Figura 9.9 para 6 GHz.
Figura 9.10 – Temperatura sonora da atmosfera: 1 – chuva 6,35 mm/g; 2 – nuvens de chuva, sem chuva; vapor de água 5g/cm3
Consideremos a determinação da temperatura equivalente da Terra referida à entrada da antena T e.z. Os sistemas de comunicação via satélite usam antenas terrestres de alto ganho com largura de feixe de cerca de um grau ou menos. Tais antenas, conforme mostra a Figura 9.9, são utilizadas em β > 5...7º para reduzir a temperatura equivalente do ruído atmosférico. Portanto, pode-se supor que a emissão de rádio da Terra (ruído terrestre) será recebida apenas através dos lóbulos laterais do padrão de radiação da antena terrestre. Isto pode ser explicado usando as curvas da Figura 9.10. A figura mostra a dependência da temperatura do ruído da antena na frequência de 2 GHz no ângulo de elevação para duas opções de irradiação do espelho da antena (refletor) e mostra as quantidades relativas de ruído atribuíveis ao lóbulo principal do diagrama e ao lobos laterais dos hemisférios anterior e posterior. O ruído que chega pelos lóbulos laterais tem o maior “peso”, e são esses ruídos que determinam o nível de ruído da própria antena. Esses ruídos dependem em grande parte do método de irradiação do espelho da antena: com uma diminuição mais acentuada da irradiação em direção às bordas da antena, os lóbulos laterais ficam menores e, como resultado, a temperatura do ruído diminui. Deve-se notar que, ao mesmo tempo, o uso da superfície da antena se deteriora, o que leva a uma diminuição do ganho com dimensões constantes do espelho da antena.
Como na prática o decaimento da irradiação em direção às bordas do espelho geralmente corresponde a 10 dB, de acordo com a Figura 9.11 pode-se assumir aproximadamente que, devido aos lóbulos laterais, a temperatura equivalente da Terra (K), referida ao entrada da antena terrestre,
Aqui β define o ângulo de elevação em graus.
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Assim, de acordo com as fórmulas (9.11) e (9.12) para a antena receptora da estação terrena
onde T e.a (β) é determinado a partir das curvas da Figura 9.9 para um determinado valor de β e frequência f.
Para antenas embarcadas de satélites de comunicação orientadas para a Terra, podemos assumir que Ω A > Ω s, e T s > T; aqui Ω A é o ângulo sólido do lóbulo principal do padrão de radiação da antena de bordo (sterad); Ω з – ângulo sólido da Terra, “observado” de um satélite (sterad); Тз = 290º – temperatura equivalente da Terra; T é a temperatura equivalente do ambiente e dos objetos próximos ao redor da antena integrada. Considerando que, além da radiação terrestre, a antena de bordo será afetada pela radiação da atmosfera que circunda a Terra, obtemos
Aqui o valor de T e.a (90º) é determinado a partir da curva da Figura 9.9 para o valor β=90º e frequência f.
Para caracterizar as emissões de rádio de fontes cósmicas, costuma-se utilizar o conceito de temperatura de brilho T i da fonte, que é definida como a temperatura de um corpo absolutamente negro (K), que em uma determinada frequência e em uma determinada direção tem o mesmo brilho como a fonte em consideração.
No caso em que a temperatura ambiente em direções diferentes da antena não é a mesma e é caracterizada pela temperatura de brilho T i (β 0,ψ 0), onde β 0,ψ 0 são coordenadas no sistema esférico, para determinar T e.k é necessário multiplicar o valor T i (β 0,ψ 0) para o ganho da antena nas direções correspondentes G(β 0 ,ψ 0) e calculado a média de toda a esfera. Assim, na prática ocorrem frequentemente os dois casos seguintes:
1. O valor de T i (β 0,ψ 0) é constante ou varia pouco dentro do lóbulo principal do padrão de radiação da antena, e a radiação recebida pelos lóbulos laterais pode ser desprezada. Isto se aplica ao caso quando Ω e >Ω A, onde Ω A é a largura do padrão de radiação da antena. Neste caso, T ek = T i.
2. O tamanho angular das fontes de radiação Ω e é pequeno em comparação com a largura do padrão de radiação da antena Ω A (ou seja, Ω e< Ω з). При этом можно считать, что в пределах Ω и усиление G (β 0 ,ψ 0) = G max и потому
. (9.15)
A dependência de T avg para o Sol e vários planetas em relação ao comprimento de onda é mostrada na Figura 9.12
O valor do diâmetro angular do Sol para um observador “terrestre” é , e o diâmetro angular da Lua no perigeu e no apogeu é e , respectivamente, portanto, a probabilidade de direcionar a antena receptora exatamente para um ou outro planeta acaba sendo ser pequeno, porém, com isso, bem como com a possibilidade de receber radiação dos lóbulos do padrão de radiação da antena lateral, deve ser considerado.
A temperatura média de brilho da radiação de fundo do espaço, referida à entrada da antena, é mostrada como duas linhas tracejadas na Figura 9.9. A linha reta superior caracteriza o máximo e a linha reta inferior caracteriza o valor mínimo da temperatura.
Do exposto conclui-se que o cálculo do valor de T eq incluído na expressão (4.2.10) é realizado de acordo com as expressões (9.15) e os gráficos que caracterizam , mostrados na Figura 9.9. No caso em que a antena receptora não está direcionada para o Sol, Lua, planetas e fontes cósmicas discretas, o valor
T ek = , (9,16)
e é determinado de acordo com a Figura 9.9.
9.3. Recursos de hardware
Dispositivos de transmissão de estações terrenas.
Esses dispositivos são semelhantes aos dispositivos de transmissão das linhas de comunicação troposféricas. A modulação de frequência ou fase das oscilações é realizada por métodos usados em radares de linha de visão e links de comunicação troposféricos.
A Figura 9.13 apresenta um diagrama de blocos da parte transmissora do equipamento Gradient, que opera na faixa de frequência 5975...6225 MHz e está instalado em cada tronco de estação terrena (ES). As mensagens transmitidas (sinal telefônico multicanal ou sinal de televisão junto com uma mensagem de áudio) são alimentadas na entrada (In) do modulador (M). Aqui é realizada a modulação de frequência das oscilações de frequência intermediária, que são fornecidas aos conversores PR. Na saída PR, as oscilações FM são obtidas na banda de frequência acima com potência de 3 W. A amplificação subsequente (até 3 ou 10 kW) é realizada em amplificadores de alta potência (MU) utilizando clístrons com eficiência de pelo menos 25%. As saídas do MU são conectadas a um switch PC, com o qual você pode conectar o primeiro ou segundo conjunto de PR e MU ao dispositivo adicional (US) e assim realizar a redundância desses blocos (o tempo de comutação para reserva não é superior a 200 EM). Observe que usando o CS, você pode conectar vários conjuntos de equipamentos iguais ao sistema de antena, ou seja, transmitir vários canais através de uma antena, cada um ocupando metade de 34 MHz. O controle da operação é realizado por blocos K.
Figura 9.13. Diagrama de blocos do dispositivo transmissor "Gradiente"
Os dispositivos de transmissão de sistemas de comunicação via satélite diferem dos dispositivos de transmissão de outros sistemas de comunicação discutidos nos capítulos anteriores porque limitam a potência e introduzem sinais de dispersão especiais.
Receptores de estações terrenas.
Uma das principais características dos dispositivos receptores de estações terrenas é a utilização de amplificadores de baixo ruído na entrada e antenas com alto ganho, atingindo 52...60 dB.
Consideremos o diagrama de blocos do dispositivo receptor Orbita-2 (Figura 9.14), projetado para operar na faixa de frequência 3400...3900 MHz. As oscilações recebidas pela antena passam pela chave dos conjuntos P e chegam na entrada de um dos amplificadores paramétricos resfriados de baixo ruído (LNA), e depois na entrada do conversor e pré-amplificador IF (PR; PUFC ). Da saída do conversor de frequência, as oscilações são fornecidas ao amplificador principal e detector de frequência, que estão localizados no rack P (St. P). Na saída deste rack, dependendo do tipo de sinal recebido, pode-se receber uma mensagem telefônica multicanal ou um sinal de imagem junto com áudio. A separação deste último é realizada pelo filtro F. A Figura 9.14 mostra que o LNA, PR e PRFC são totalmente redundantes, a transição para reserva é realizada automaticamente pelo switch P através do equipamento de controle e redundância (KR) em 250 ms. Os principais parâmetros do dispositivo receptor descrito são: temperatura efetiva de ruído referida à entrada - 80...90 K; fatores de ganho; LNA – 40 dB, AMP – 23 dB, AMP principal – 55 dB. O sistema AGC mantém o nível de saída IF com uma precisão de ±1 dB quando o nível de entrada muda em ±10 dB; SE a largura de banda do caminho no nível de 1 dB for 34 MHz, a largura de banda do LNA no nível de 1 dB será 250 MHz.
Figura 9.14. Diagrama de blocos do dispositivo receptor Orbita-2
O equipamento Orbita-2 permite criar uma opção de recepção multi-barril; para isso, a partir das saídas LNA mostradas na Figura 9.14, as oscilações são fornecidas a vários blocos PR conectados em paralelo; PUPC.
Antenas.
Os dispositivos de recepção e transmissão utilizam sistemas de antenas com ganho de 50...60 dB e pequenos lóbulos laterais - antenas chifre-parabólicas e parabólicas com reemissor (antenas Cassegrain). Junto com isso, o sistema de antena deve fornecer rastreamento contínuo do movimento do satélite. Isso é necessário mesmo quando se utilizam satélites geoestacionários, pois devido a imprecisões na inserção orbital eles apresentam algum movimento e necessitam de correção de movimento. Observe que os requisitos modernos determinam o deslocamento permitido de satélites geoestacionários em ±0,1 em relação ao valor nominal da longitude. Portanto, os sistemas de antenas com um padrão de radiação estreito devem ser equipados com dispositivos rotativos apropriados que garantam que a antena se mova no espaço, seja de acordo com um programa pré-compilado ou usando um sistema de rastreamento especial baseado no valor máximo do sinal recebido do satélite. O segundo método pode ser implementado diretamente apenas em antenas receptoras, a partir das quais os dados que caracterizam a direção da antena receptora ao satélite podem ser transmitidos ao sistema que controla o movimento da antena transmissora. Na transmissão destes dados, são feitas as devidas alterações, tendo em conta tanto uma certa separação territorial das antenas receptoras e transmissoras, como a sua não identidade estrutural.
Equipamento transceptor a bordo.
Um dos principais requisitos para todos os complexos incluídos nos equipamentos de bordo dos satélites é a sua alta confiabilidade, garantindo a operação sem problemas do equipamento em condições do espaço sideral por um longo período. Este requisito deve ser atendido não apenas pelas peças e componentes individuais incluídos no equipamento, mas também pelos métodos tecnológicos utilizados na fabricação do equipamento. A escolha da opção de design do equipamento de bordo deve ser determinada pelo peso mínimo, dimensões e consumo de energia.
A Figura 9.15 mostra um diagrama de blocos do transceptor do sistema de comunicação Molniya-1. A recepção e transmissão dos sinais é realizada por uma antena comum A, que, através de um divisor P 1 e filtros F 1 e F 2, é conectada à entrada dos receptores e à saída dos transmissores. Os sinais com frequências portadoras f 1 e f 2 recebidos das estações terrenas são fornecidos ao divisor R 2 (Figura 9.15) e através dos filtros F 3 e F 4 são fornecidos aos misturadores Sm, IF e limitadores Limit. Após nivelar os limitadores de amplitude dos sinais recebidos, estes são alimentados em misturadores, nos quais a frequência intermediária é convertida em micro-ondas. Em seguida, os sinais com frequências portadoras f 2 e f 4 são alimentados através dos filtros F 5 e F 6 e do divisor R 3 para um amplificador de dois estágios no TWT. O TWT é resfriado por um líquido que passa por radiadores externos que irradiam calor para o espaço sideral.
Figura 9.15. Diagrama de blocos do repetidor "Molniya-1"
Para garantir a operação a longo prazo e aumentar a confiabilidade da estação transceptora de bordo, são utilizados backup a frio de conjuntos de equipamentos e um sistema de testes automáticos, que consiste em um simulador de oscilação com a frequência portadora de estações terrenas (INS), um controle e dispositivo de medição (CIU), um dispositivo de tempo de programa (PVD) e chave complexa (CC). Se um conjunto defeituoso for detectado, ele será substituído por um dos dois conjuntos de backup.
As principais características do repetidor do sistema de comunicação Molniya-1 incluem: faixa de frequência – 800…1000 MHz; largura do padrão de radiação da antena embarcada na metade do nível de potência – 22º; a potência dos transmissores de bordo na transmissão de um sinal de televisão é de 40 W, na transmissão duplex de conversas telefônicas é de 14 W em cada canal de alta frequência (nas frequências f 2 e f 4); o movimento do satélite ocorre em órbita elíptica com apogeu de cerca de 40.000 km no hemisfério norte, perigeu de cerca de 500 km e inclinação orbital de cerca de 65º; o período de circulação do satélite é de 12 horas.
Em 1972, foi lançado o satélite Molniya-2 com um repetidor modernizado, cujos transmissores operam na faixa de 4 GHz.
Perguntas de controle:
1. Liste as vantagens dos sistemas de comunicação via satélite.
2. Definir órbita geoestacionária.
3. Explique o princípio da comunicação usando satélites terrestres artificiais
4. Qual sistema é um sistema de comunicação por relé atrasado?
5. Descreva um sistema de acesso múltiplo.
6. Explique o princípio da construção do tronco multicast.
7. Explique o princípio do Acesso Múltiplo por Divisão de Frequências.
8. Explique o princípio do acesso múltiplo por divisão de tempo.
9. O que causa atraso nos sinais?
10. Como os sinais de eco aparecem para os assinantes?
11. O que causa o efeito Doppler?
12. O que determina a escolha das faixas de frequências atribuídas ao funcionamento dos sistemas de comunicação via satélite?
13. Como é determinada a potência do sinal na entrada do receptor?
14. Dê a fórmula da potência total de ruído relacionada à entrada dos receptores?
15. Forneça um diagrama de blocos do dispositivo de transmissão Gradient.
16. Liste as principais características do repetidor do sistema de comunicação Molniya-1.
( UNIVERSIDADE TÉCNICA)
Faculdade de ciências humanas.
Resumo sobre o tema:
“Características de satélites terrestres artificiais usando o exemplo de sistemas de comunicação por satélite.”
Concluído por: aluno do grupo 10-202 Dobrotina E.G.
Moscou 2001
Plano
EU. Introdução
II. O primeiro satélite artificial da Terra
III. Sistemas de comunicação AES
4. Conclusão
EU . INTRODUÇÃO
O rápido desenvolvimento da astronáutica, os sucessos no estudo e exploração do espaço próximo da Terra e interplanetário expandiram enormemente nossa compreensão do Sol e da Lua, Marte, Vênus e outros planetas. O estudo das camadas superiores da atmosfera, ionosfera e magnetosfera revelou-se muito eficaz. Ao mesmo tempo, foi revelada uma eficiência muito elevada na utilização do espaço próximo da Terra e da tecnologia espacial no interesse de muitas ciências da Terra. .
A utilização de satélites artificiais da Terra para comunicações e televisão, previsão meteorológica operacional e de longo prazo e condições hidrometeorológicas, para navegação em rotas marítimas e aéreas, para geodésia de alta precisão, estudo dos recursos naturais da Terra e monitorização do habitat é cada vez mais e mais comum. No curto e no longo prazo, a utilização diversificada do espaço e da tecnologia espacial em várias áreas da economia aumentará significativamente.
Nossa era é caracterizada por um enorme aumento de informação em todas as esferas da atividade humana. Para além do desenvolvimento progressivo dos meios tradicionais de transmissão de informação - telefonia, telegrafia, radiodifusão, surgiu a necessidade de criação de novos tipos de informação - televisão, troca de dados em sistemas de controlo automático e computadores, transmissão de matrizes para impressão de jornais.
A natureza global de vários problemas económicos e de investigação científica, ampla integração interestadual e cooperação na produção, comércio, . as atividades de pesquisa e a expansão dos intercâmbios culturais levaram a um aumento significativo nas relações internacionais e intercontinentais, incluindo o intercâmbio de programas de televisão.
Os meios tradicionais de comunicação em termos de tipos, volume, alcance, eficiência e confiabilidade na transmissão de informações serão continuamente melhorados. No entanto, o seu desenvolvimento futuro enfrenta dificuldades consideráveis, tanto de natureza técnica como económica. Já está claro que os requisitos de capacidade, qualidade e confiabilidade dos canais de comunicação de longa distância não podem ser totalmente satisfeitos pelas comunicações terrestres por fio e rádio.
A construção de linhas de cabos terrestres e submarinos de longa distância leva muito tempo. São complexos e caros não só na construção, mas também na operação, e em relação ao desenvolvimento adicional. As linhas de cabo convencionais também têm uma largura de banda relativamente baixa. Os cabos concêntricos de banda larga apresentam as melhores perspectivas, no entanto, também apresentam uma série de desvantagens que limitam a sua utilização.
O rádio tem capacidade, alcance e capacidade de configuração significativamente maiores para vários tipos de comunicação. Mas as linhas de rádio também apresentam certas desvantagens que tornam seu uso difícil em muitos casos.
Devido ao alcance limitado, os sistemas de radiocomunicação de ondas ultralongas são normalmente utilizados apenas para necessidades de transporte, navegação aérea e para tipos especiais de comunicação.
As ligações de rádio de ondas longas, devido à sua capacidade limitada e alcance relativamente curto, são utilizadas principalmente para comunicações de rádio locais e radiodifusão.
As linhas de rádio de ondas curtas têm alcance suficiente e são amplamente utilizadas em muitos tipos de comunicações para diversos fins.
Novas formas de superar as deficiências inerentes às comunicações de rádio de longa distância foram abertas pelos lançamentos de satélites artificiais da Terra (AES).
A prática tem confirmado que a utilização de satélites para comunicação, especialmente para comunicações internacionais e intercontinentais de longa distância, para televisão e telecontrole, na transmissão de grandes quantidades de informação, pode eliminar muitas dificuldades. É por isso que os sistemas de comunicação por satélite (SCS) receberam uma aplicação rápida, ampla e diversificada sem precedentes num curto período de tempo.
II . O primeiro satélite artificial da Terra.
A primeira tentativa de levantar a questão da criação de um satélite artificial foi feita em dezembro de 1953, durante a preparação de um projeto de resolução do Conselho de Ministros sobre o foguete R-7. Foi proposto: “Organizar um departamento de pesquisa no NII-88 com a tarefa de desenvolver tarefas problemáticas em conjunto com a Academia de Ciências na área de vôo em altitudes de cerca de 500 km ou mais, bem como desenvolver questões relacionadas à criação de um satélite artificial da Terra e o estudo do espaço interplanetário usando um produto.” .
Esta tarefa foi considerada pelo Design Bureau não como uma tarefa única, mas com a expectativa de criar uma direção especial no desenvolvimento de foguetes.Uma formulação tão grande da questão exigiu muita preparação preliminar, até estimar o custo dos próximos trabalhos de criação de satélites artificiais.
Ao planejar o trabalho em satélites artificiais, as informações sobre o trabalho dos EUA nesta área serviram como uma certa diretriz. As questões de prioridade continuaram a ser o principal argumento durante todo o período subsequente de desenvolvimento da astronáutica. Portanto, os relatórios, em primeiro lugar, dão revisão detalhada a situação do trabalho no exterior. Ao mesmo tempo, pode-se dizer, expressa-se a ideia fundamental de que “AES é uma etapa inevitável no desenvolvimento da tecnologia de foguetes, após a qual as comunicações interplanetárias se tornarão possíveis”. Chama-se a atenção para o facto de, nos últimos 2-3 anos, a atenção da imprensa estrangeira ao problema da criação de satélites e das comunicações interplanetárias ter aumentado.
O que há de mais notável nos documentos sobre esse tema são os julgamentos sobre as perspectivas de trabalho em satélites artificiais. O desenvolvimento de um satélite simples é apenas a primeira etapa. A segunda etapa é a criação de um satélite que apoiará o voo de uma ou duas pessoas em órbita. Terceira etapa trabalho - criação estação de satélite para permanência prolongada de pessoas em órbita. Na implementação deste projeto, foi proposta a montagem de uma estação de satélite a partir de peças separadas, colocadas uma a uma em órbita.
Os trabalhos preparatórios para o lançamento dos primeiros foguetes decorreram com dificuldades significativas e com atrasos. Ao mesmo tempo, os projetistas expressaram confiança de que, com muito trabalho, os lançamentos de mísseis começariam em março de 1957. O foguete, através de algumas modificações, pode ser adaptado para lançamento como um satélite artificial da Terra, que possui uma pequena carga útil na forma de instrumentos pesando cerca de 25 kg... e um contêiner esférico destacável do próprio satélite com um diâmetro de cerca de 450 mm e um peso de 40-50 kg.
E assim, na União Soviética, foi criado um foguete capaz de atingir uma velocidade de 8 km/seg. Foi lançado em 4 de outubro de 1957. Decolando verticalmente, como uma vela, o foguete perfurou a estratosfera. Era controlado por dispositivos automáticos operando de acordo com um determinado programa. O foguete subiu mais de duzentos quilômetros, gradualmente tomou uma direção horizontal e entrou em curso. Isso teve que ser feito com muita precisão:
um erro de um grau arruinaria tudo. Mas as máquinas funcionaram perfeitamente. O foguete atingiu a velocidade necessária e disparou uma bola brilhante feita de ligas de alumínio - o primeiro satélite artificial do mundo fabricado em nosso país.
8 quilômetros por segundo, 28.800 quilômetrosà uma hora!
Se a qualquer minuto o satélite estivesse sobre a Austrália, depois de 20 minutos estava sobre o Alasca, depois de mais 12 minutos estava sobre Nova York e depois de mais 10 minutos estava sobre o Brasil. Em uma hora e meia - viagem ao redor do mundo, 15 rotações por dia, e cada vez ao longo de um novo caminho, porque o plano da órbita do satélite no espaço é estacionário e a Terra gira em torno de seu eixo dentro dessa órbita.
O primeiro satélite era pequeno: seu diâmetro era de 58 cm, peso - 83,6 kg. Ele tinha um bigode de dois metros - antenas. Dentro estão dois transmissores de rádio. Varrendo todos os países do mundo, o satélite anunciou que a era das viagens espaciais já havia chegado, e esta era foi inaugurada pelo país do socialismo. O segundo e o terceiro satélites o seguiram em uma viagem ao redor da Terra.
“Baby Moon” - “Little Moon” - os americanos apelidaram nosso primogênito interplanetário. Milhares de olhos e rádios observaram seu vôo. E cada hora de sua vida interessou aos cientistas. Pela primeira vez, um corpo terrestre atingiu uma altura de 947 km. Pela primeira vez, um transmissor de rádio operou nessas altitudes.
Seus sinais mostraram como as ondas de rádio passam pelas camadas eletrificadas superiores da atmosfera e permitiram compreender melhor sua estrutura.
A transmissão de rádio requer energia. Existe energia no espaço. Pode ser emprestado do Sol. Deixe-o carregar as baterias com seus raios. Mas o primeiro satélite tinha baterias carregadas na Terra. Eles secaram depois de algum tempo, mas o satélite silencioso continuou a servir à ciência. Em grandes altitudes, onde estava seu caminho, quase não há ar... mas ainda assim “quase não”, e não “de jeito nenhum”. Mesmo em baixa densidade, o ar apresenta resistência e a velocidade do satélite diminui gradativamente. Graças a isso, é possível determinar qual é a densidade da atmosfera em diferentes altitudes.
Algumas características do movimento do satélite indicam a gravidade desigual da Terra. Isto permite esclarecer a forma e a estrutura do nosso planeta e encontrar massas pesadas ou leves escondidas sob a Terra.
Teoricamente, um corpo voando acima da Terra a uma velocidade de 8 km/seg, nunca cairá. Mas os primeiros satélites não poderiam voar para sempre. A resistência insignificante do ar acabou retardando seu vôo. Eles desceram e, voando em densas camadas de ar, queimaram e desmoronaram.
Agora a questão mais importante tinha que ser resolvida: poderia Ser vivo resistir ao voo espacial ou morrerá inevitavelmente fora da atmosfera? O segundo satélite artificial soviético, lançado em 3 de novembro de 1957, deveria responder a esta questão. Nele no espaço a uma altura de até 1670 quilômetros A primeira viajante, a cadela Laika, partiu. Dispositivos especiais monitoraram sua respiração, pulso e pressão arterial. Sabemos que Laika sobreviveu bem ao início rápido e à jornada de vários dias ao redor da Terra. No terceiro satélite artificial soviético da Terra, foram instalados equipamentos ainda mais diversos para estudar as propriedades do atmosfera da Terra, radiação solar, etc. Pesava 1,3 tonelada, e suas reservas de energia elétrica para alimentar os aparelhos eram repostas pela ação dos raios solares sobre os aparelhos instalados. Mais tarde, vários satélites artificiais foram lançados nos Estados Unidos.
O terceiro satélite soviético revelou-se o mais durável e pesado. O povo soviético conseguiu lançar no espaço uma estrutura sólida do tamanho de um carro de passageiros.
III . Sistemas de comunicação por satélite.
É interessante que a ideia de usar satélites artificiais da Terra para comunicações tenha sido expressa antes mesmo do lançamento do primeiro satélite. Em 1945, o famoso cientista soviético P.V. Shmakov apresentou a ideia de usar satélites para organizar a transmissão televisiva mundial.
Quais são os princípios da utilização de satélites para fins de comunicação e porque é que os sistemas de satélite superam muitas das dificuldades que surgem quando se organizam comunicações utilizando métodos antigos e tradicionais?
Sabe-se que uma bola reflete ondas eletromagnéticas uniformemente em todas as direções, e sua superfície refletiva efetiva é proporcional ao quadrado de seu diâmetro. Um aumento nas propriedades reflexivas de tal bola pode ser alcançado aumentando seu diâmetro. O balão foi inflado depois que o satélite foi lançado em órbita pelo método de sublimação. A carcaça possuía uma película protetora e um revestimento metalizado especial. A bola era composta por segmentos meridionais individuais. Segmentos esféricos de metal colocados na esfera proporcionaram contato elétrico entre todos os segmentos meridionais.
Apesar da simplicidade óbvia, do baixo custo e de certas vantagens técnicas de um tal sistema de comunicação por satélite, as suas graves deficiências rapidamente se tornaram aparentes. Para manter comunicações estáveis, eram necessárias alta potência de transmissão e alta sensibilidade dos dispositivos receptores de terra. Mas mesmo quando estas condições eram satisfeitas, as linhas de rádio não funcionavam de forma suficientemente estável e eram suscetíveis a interferências. A vida útil de tais satélites, devido a mudanças em sua forma, compressão da concha e deterioração das propriedades reflexivas, bem como devido à rápida perda de altitude, revelou-se curta.
O satélite, porém, está em constante movimento no espaço e nem sempre pode estar na zona de visibilidade conjunta de pontos que necessitam de comunicação. Como funciona o SSS se for necessária uma comunicação de longo prazo, de muitas horas ou mesmo 24 horas por dia, entre determinados pontos?
Uma das soluções possíveis para este problema é lançar um número tal de satélites nas órbitas adequadas que, assim que um deles saia da zona de visibilidade rádio conjunta dos pontos que necessitam de comunicação, outro satélite entre imediatamente nesta zona. Porém, mesmo com um número suficientemente grande de satélites, se a sua posição em órbita for aleatória, é possível que não haja um único satélite na zona de visibilidade conjunta de dois pontos que necessitem de comunicação.
O que determina o número de satélites necessários para garantir a comunicação contínua? Obviamente, quanto maior a altitude de suas órbitas, maior será a visibilidade conjunta dos satélites pelos pontos terrestres.
Inclinação - a condição mais importante cobertura por um sistema de comunicação via satélite de uma determinada área da Terra, uma determinada área de serviço. Em relação ao papel primário, pode-se dizer decisivo, das órbitas dos satélites nos sistemas de comunicação por satélite, é necessário, pelo menos muito brevemente, deter-nos em alguns dos seus tipos e conceitos básicos.
Uma órbita circular é uma órbita em que a distância do satélite ao centro da Terra é aproximadamente constante. Órbita elíptica - quando um satélite se move ao redor da Terra ao longo de uma curva próxima a uma elipse. Sua distância máxima da Terra (apogeu) e distância mínima (perigeu) podem diferir significativamente entre si. A forma da elipse é determinada pelo valor de sua excentricidade (a razão entre a diferença nas distâncias do centro da Terra ao apogeu e do perigeu ao eixo maior da elipse). Órbitas com alta excentricidade têm um alto apogeu e são chamadas de altamente elípticas.
A escolha da forma orbital (circular, elíptica, altamente elíptica), inclinação (polar, inclinada com um determinado ângulo de inclinação, equatorial), valor do período e natureza da órbita ao redor da Terra (síncrona, geoestacionária) é decisiva ao projetar um determinado satélite sistema de comunicação e por si só a fila é determinada pelas tarefas do sistema que está sendo projetado.
Desde os primeiros lançamentos, os satélites de comunicação quase sempre formam um sistema. Satélites de comunicação únicos raramente são amplamente utilizados.
Os sistemas de comunicação por satélite utilizam veículos em órbita baixa, satélites altamente elípticos e satélites geoestacionários.
Sistemas de comunicação usando satélites de órbita baixa
Os satélites de órbita baixa foram os primeiros a serem usados para fins de comunicação.
Isto se explica, em particular, pelo fato de o lançamento de satélites em órbitas baixas ser mais simples e realizado com o menor custo energético. Os primeiros lançamentos de satélites de comunicação de baixa órbita mostraram a possibilidade e viabilidade da utilização de satélites para comunicação e confirmaram a correção dos princípios técnicos do relé ativo. Ao mesmo tempo, desde a primeira experiência de operação de satélites em órbitas baixas, ficou claro que eles não podem fornecer uma solução suficientemente eficaz para os problemas das comunicações por satélite.
Para ampliar as áreas e aumentar a duração do SSS, foi planejado seguir o caminho de aumentar o número de satélites no sistema. Logo, porém, ficou claro que o sistema de comunicação multissatélite em satélites de órbita baixa, como sistema público, apresenta muitos inconvenientes operacionais e não é lucrativo.
Em sistemas de comunicação de órbita baixa, os satélites podem estar localizados no espaço uns em relação aos outros de forma aleatória ou ordenada. Com um arranjo aleatório, será necessário um número maior de satélites, mas a sua localização ordenada no espaço exigirá um esforço considerável para criar e manter uma determinada localização relativa. Neste caso, é necessário o monitoramento constante da localização dos satélites e o ajuste das órbitas devido à sua evolução durante o voo.
As vantagens dos SSS em órbitas baixas incluem, como já foi observado, o baixo custo comparativo de lançá-los em órbita e equipamentos de bordo mais simples. As desvantagens incluem a dificuldade de manter comunicação contínua 24 horas por dia e a complexidade do equipamento de solo atrás devido ao uso de dispositivos de antena de rastreamento, uma vida útil mais curta da espaçonave.
Os satélites de órbita baixa podem ser eficazes nos casos em que a comunicação contínua bidirecional não é necessária (por exemplo, se for necessária apenas a transmissão periódica de dados).
Sistemas de comunicação com satélites em órbitas altamente elípticas
Para evitar as desvantagens inerentes ao sistema de comunicação por satélite em órbitas baixas, é necessário aumentar a altitude das órbitas. Existem duas opções possíveis para tais órbitas - altamente circulares e altamente elípticas. Em alguns casos, o lançamento de satélites em órbitas altamente elípticas tem vantagens conhecidas.
Devido à altitude orbital, a duração da comunicação aumentará. Além disso, aumentará ainda mais devido ao facto de a relação entre o tempo de visibilidade de um satélite localizado próximo do apogeu numa determinada zona e o seu período orbital para satélites com órbita elíptica ser significativamente maior.
De acordo com as leis da mecânica celeste (segunda lei de Kepler), quando um satélite se move em uma órbita elíptica, sua velocidade angular é menor quanto mais longe estiver do centro da Terra. Em outras palavras, o satélite na região do apogeu se move significativamente mais devagar do que na região do perigeu. Ao determinar os parâmetros de projeto das órbitas dos satélites de comunicação, naturalmente, as características energéticas do veículo lançador, as capacidades do cosmódromo e do complexo de medição de comando, e outros fatores que determinam o lançamento do satélite em órbita e seu controle em voo também são levados em consideração.
Os satélites com órbita elíptica incluem, por exemplo, os satélites de comunicações americanos Telstar (perigeu - cerca de 1 mil km, apogeu - cerca de 11 mil quilômetros).
Um bom exemplo de satélites com órbita altamente elíptica são os satélites de comunicações soviéticos do tipo Molniya. Para satélites desta classe foi escolhida uma órbita com apogeu sobre o hemisfério norte de cerca de 40 mil km e perigeu de cerca de 500 km, com inclinação de 65° e período orbital de 12 horas. satélite de classe de 12 horas garante simultaneamente visibilidade de rádio entre Moscou e Extremo Oriente por 8-9 horas em um turno.
A estrutura orbital dos sistemas de comunicação por satélite (o número de satélites, suas órbitas e posições relativas no espaço) é determinada pelos requisitos de confiabilidade, continuidade, alcance de comunicação, ângulo de elevação mínimo permitido no qual as estações terrestres estão operacionais e outros fatores.
Sistemas com satélites geoestacionários
Os sistemas de comunicação via satélite com satélites geoestacionários, frequentemente chamados FES (satélites estacionários), estão se tornando cada vez mais difundidos. Eles são usados para comunicações telefônicas e telegráficas, transmissões de rádio e televisão. Naves espaciais geoestacionárias de tipo complexo estão sendo criadas para fins meteorológicos, estudando os recursos naturais da Terra, monitorando o habitat e realizando outras tarefas.
A vantagem mais importante dos satélites geoestacionários é a formação de uma enorme zona de visibilidade constante para numerosos pontos da Terra, a cobertura de vastos territórios e a capacidade de organizar comunicações de longo alcance e com um número significativo de correspondentes.
Uma vantagem significativa do SSS com satélites em órbitas geoestacionárias é que seu uso reduz os requisitos para sistemas de rastreamento e comunicação baseados em terra, enquanto os dispositivos apontadores das antenas a bordo também são simplificados ou eliminados. Com a ajuda de três desses satélites localizados em ângulos de 120° entre si, é possível criar um sistema de comunicação global, ou seja, um sistema que cobre praticamente toda a Terra.
Os satélites de comunicações geoestacionários, que podem ser imaginados figurativamente como torres de televisão elevadas a uma altura de 36 mil km, permitem, em princípio, transmissões diretas, sem a ajuda de centros de televisão locais, diretamente para as antenas dos assinantes. Atualmente, o nível de potência dos sinais de televisão emitidos por uma estação geoestacionária ainda é insuficiente para recepção por uma antena de assinante normal e típica, sendo necessária a utilização de pequenas antenas especiais para uso em grupo. Quanto à transmissão de rádio, a recepção pode ser realizada por meio de antenas externas muito pequenas.
Falando das vantagens indiscutíveis do satélite, não devemos perder de vista que lançar um veículo numa órbita estacionária é mais difícil do que colocá-lo numa órbita baixa ou mesmo altamente elíptica. A entrega de 1 kg de carga útil à órbita geoestacionária é muito mais cara. Para manter o satélite em um determinado ponto de “posição” na longitude desejada, é necessário ajuste regular da órbita por meio de micromotores, e reservas de combustível são necessárias a bordo do satélite para esses fins. O controle de vôo se torna mais difícil. O desenvolvimento da astronáutica permite, no entanto, contar com a superação rápida e bem-sucedida de todas as dificuldades que surgem durante a criação e operação de sistemas de comunicação por satélite em estações geoestacionárias.
As comunicações geoestacionárias soviéticas e os satélites de transmissão de televisão como “Rainbow”, “Ekran”, “Horizon” estão operando com sucesso.
Satélites de comunicação estrangeiros como Intelsat, Domsat (EUA), Telesat (Canadá) e outros estão em operação.
Apesar das suas vantagens, os sistemas geoestacionários nem sempre são benéficos em termos técnicos e económicos. Sob certas condições, é mais racional usar satélites em órbitas altamente elípticas, por exemplo, do tipo Molniya.
VI . Conclusão
O rendimento, as ramificações dos sistemas, a confiabilidade e a eficiência do SSS estão em constante crescimento. A televisão multiprogramas está gradualmente cobrindo cada vez mais áreas novas, incluindo os cantos mais remotos da Rússia. A importância do SSS tem aumentado na gestão dos vários sectores da economia nacional, nos sistemas de educação de massa, alertando para vários tipos de fenómenos naturais, proporcionando cuidados médicos. As comunicações móveis por satélite generalizaram-se, permitindo organizar de forma rápida e prática as comunicações através de satélites em quase todas as zonas do país.
A cooperação internacional no domínio da aplicação de sistemas de comunicação por satélite expandiu-se significativamente, os sistemas Intersputnik e Statsionar desenvolveram-se ainda mais e a sua interação com os sistemas Intel-Sat, Inmarsat e outros sistemas SSS de todo o mundo aumentou.
Milhões de pessoas têm a oportunidade de usar SSS diretamente para comunicação individual com qualquer assinante no mundo usando dispositivos de recepção e transmissão (telefones celulares) de baixo consumo de energia e de tamanho muito pequeno. É realista usar SSS para “e-mail” (Internet). Também é possível usar satélites para determinar individualmente a localização de alguém em qualquer lugar do mundo. Supõe-se que os usuários terão à sua disposição dispositivos de navegação individuais de pequeno porte e baratos, como um pequeno transistor.
Todos os anos, os sistemas de comunicação por satélite tornar-se-ão uma parte cada vez mais essencial do Sistema de Comunicações Unificadas, elemento importante sistema global de comunicação. Continuam a desempenhar um papel significativo na melhoria dos laços e da compreensão mútua entre os países, e esse papel aumentará ao longo do tempo.
Bibliografia:
1. Academia de Ciências da URSS “Espaço-Terra” Ed. “Ciência”, Moscou 1981
2. Enciclopédia Infantil, volume 2. Ed. "Academia de Ciências Pedagógicas da RSFSR", Moscou 1962.
3. Talyzin N.V. "Satélites de Comunicações - Terra e Universo", 1977
Pesquisa de texto completo:
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Agência Federal de Comunicações
Instituição educacional estadual
"Universidade Estadual da Sibéria
Telecomunicações e Informática"
Departamento de Radiodifusão e Televisão
ABSTRATO
em Noções Básicas de Telecomunicações
assunto: "Comunicações de rádio por satélite".
Concluído por: aluno do 1º ano
Leonov N.I.
Verificado por: Katunin G.P.
Novosibirsk-2009
1. Satélites artificiais da Terra como repetidores de sistemas
comunicações.………………………………………………………………………….………….3
2. Princípios de construção e características do SSS…………………………………….7
3. Tendências tecnológicas………………………………………………..………11
4. Estações espaciais …………………………………………………………………………… 12
5. Estações terrenas……………………………………………………………………………….16
1. Satélites artificiais da Terra como repetidores para sistemas de comunicação
As tarefas de aumentar o alcance e a capacidade dos sistemas de comunicação sempre foram problemas fundamentais neste campo da tecnologia. Infelizmente, as características correspondentes, via de regra, revelam-se alternativas: medidas para aumentar o rendimento levam a uma redução do alcance e vice-versa. Em particular, aumentar o rendimento requer uma transição para bandas de ondas de frequência cada vez mais altas, cujos sinais podem ser transmitidos diretamente quase apenas em distâncias de linha de visão. Como meio de resolver esta contradição, repetidores elevados suficientemente alto na superfície da Terra pode ser usado.
Os avanços no desenvolvimento da astronáutica tornaram possível o uso de satélites como retransmissores. Uma vez que podem estar localizados quase arbitrariamente acima da Terra, a sua área de serviço pode cobrir não apenas países ou mares individuais, mas também continentes e oceanos inteiros. No caso geral, os satélites se movem em órbitas elípticas, em um dos focos onde está localizado o centro da Terra. O satélite se move em relação ao observador terrestre e com ele a área de serviço se move ao longo da superfície escura. Como resultado, é necessário aumentar o número de satélites no sistema ou concordar que não serão fornecidas comunicações 24 horas por dia.
Uma melhoria na situação pode ser alcançada se a órbita do satélite for escolhida de forma que o período de revolução do satélite em torno da Terra esteja em uma proporção simples com o período de sua revolução em torno de seu eixo (órbitas síncronas). A utilização de tais órbitas leva a um cronograma constante de possíveis sessões de comunicação, pois para qualquer observador terrestre, um satélite retransmissor (SR) aparece em um determinado ponto da esfera celeste periodicamente, constantemente ao mesmo tempo.
Outras simplificações dos sistemas de comunicação por satélite ocorrem se:
A órbita do satélite é circular e situa-se no plano equatorial;
O período orbital do satélite é de exatamente um dia. Tal satélite geralmente permanece imóvel em relação a qualquer observador terrestre. A órbita correspondente é chamada geoestacionário(GSO), e o satélite movendo-se ao longo dele é estacionário. O GSO tem um raio de aproximadamente 42,3 mil km. É único e único, portanto a colocação de satélites nele é estritamente controlada entre organizações populares, lideradas pelos atuais auspícios da ONU, a União Internacional de Telecomunicações (UIT). A mesma organização é responsável pela coordenação internacional de outros sistemas de comunicação por satélite com o objetivo de limitar racionalmente a influência mútua entre eles.
Embora atualmente a esmagadora maioria dos CPs em uso sejam estacionários, eles apresentam desvantagens significativas. São esses satélites os mais adequados para atender regiões tropicais e subtropicais. À medida que o observador na superfície da Terra se move do ponto subsatélite ao longo do meridiano até os pólos da Terra, o ângulo de elevação da direção em direção à espaçonave estacionária (SC) diminui, chegando a zero para a latitude 82 (norte ou sul). Para pontos do meridiano subsatélite mais próximos dos pólos, não há visibilidade alguma do satélite. É fácil entender que o limite de visibilidade geométrica de uma espaçonave estacionária, quando o observador se desvia do meridiano do subsatélite, diminui em direção ao equador. Além disso, a operação de links de rádio em direções com ângulos de elevação baixos é geralmente muito dificultada tanto pela recepção de sinais refletidos da Terra, quanto pelo efeito de blindagem de diversas elevações, florestas, edifícios ou outros obstáculos. Portanto, os satélites estacionários são praticamente incapazes de atender os territórios situados ao norte do norte e ao sul dos círculos polares do sul. Entretanto, estes territórios são frequentemente de interesse significativo, por exemplo para a Rússia. Até o território do Pólo Norte é de grande interesse, principalmente pelo facto de nele passarem as rotas mais rentáveis de algumas das companhias aéreas mais importantes.
As órbitas SR podem ser selecionadas para fornecer serviço preferencial a certas regiões da superfície da Terra. Assim, foi oferecida à Rússia uma órbita elíptica, especialmente adaptada para atender regiões do norte do nosso planeta. O apogeu desta órbita está acima do hemisfério norte, a uma distância de aproximadamente 40 mil km da superfície da Terra, e o perigeu fica a uma altitude de várias centenas de quilômetros acima do hemisfério sul. O plano orbital está inclinado em relação ao equador em aproximadamente 65°. O período orbital do satélite nesta órbita é de meio dia, portanto é um satélite síncrono. Durante o dia faz duas revoluções, a primeira das quais se chama principal, atinge seu apogeu sobre a Sibéria (em um ponto com coordenadas geográficas 63"5° N e 81° E), e o segundo - conjugado - em um ponto com a mesma latitude, mas deslocado em longitude em 180°, ou seja, . 99°W (sobre o Canadá). Os parâmetros desta órbita são escolhidos de forma que a velocidade do movimento angular do satélite na direção leste-oeste na parte da órbita adjacente ao apogeu coincida com a da Terra. Esta condição é aproximadamente satisfeita ao longo de toda a parte funcional da órbita (de três a quatro horas antes de atingir o apogeu até três a quatro horas após sua passagem) e garante que o satélite não se mova em relação a nenhum observador na Terra no leste- direção oeste.
Na parte funcional da órbita, o movimento na direção norte-sul também é relativamente pequeno. A órbita elíptica fornece serviço ao hemisfério norte da Terra, incluindo a região do Pólo Norte em ângulos de elevação bastante grandes. Sua desvantagem é a necessidade de utilizar um sistema de três ou quatro satélites para manter a continuidade da comunicação ao longo do dia, o que aumenta o custo do segmento espacial do sistema; Também é significativo que ao utilizar satélites elípticos na estação terrestre, seja necessário fornecer rastreamento por antena dos movimentos da espaçonave, o que também aumenta o custo do complexo terrestre do sistema.
O satélite retransmissor (SR) deve receber sinais das estações terrenas (ES) do sistema de comunicação, amplificá-los e retransmiti-los para aqueles ES aos quais os olhos se destinam. Assim, o CP contém equipamentos de recepção e transmissão para retransmissão de sinais.
Como o ganho ponta a ponta do caminho de transmissão-recepção SR deve ser bastante grande, é necessário receber e transmitir em frequências diferentes (caso contrário não será possível evitar a autoexcitação do caminho). Assim, os conversores de frequência também são um elemento obrigatório do caminho do relé.
A peculiaridade dos repetidores do serviço de radiodifusão é que o principal para eles é o caminho de transmissão, através do qual é realizada a própria transmissão. Os CPs de transmissão também estão equipados com equipamentos de recepção utilizados para receber programas de transmissão fornecidos a bordo. A linha de rádio para entrega de programas a bordo é chamada alimentador
Um satélite retransmissor, como qualquer espaçonave ativa, exceto o próprio caminho retransmissor, chamado em relação a este dispositivo, carga útil(PN), também contém uma série de sistemas auxiliares, como sistema de alimentação, sistema de orientação e estabilização, sistema de regulação e controle térmico. Este último inclui sistemas de geração e transmissão de informações telemétricas. A espaçonave menos a carga útil é chamada plataforma espacial(KP). Essa plataforma pode ser usada em combinação com vários PNs para criar diversas espaçonaves diferentes.
Atualmente, os SR de linha fixa são mais frequentemente utilizados em benefício de serviços fixos e de radiodifusão. Parâmetros típicos das plataformas de tais satélites:
fonte de alimentação de até 5-7 kW, com 1,5-2 kW alocados para alimentar a carga útil;
pesa cerca de 2-3 toneladas, incluindo carga útil de 0,5-0,8 g;
precisão de orientação e estabilização da ordem de 0,1;
O período de existência ativa é de 12 a 15 anos.
Juntamente com as naves espaciais padrão, o uso de pequenas naves espaciais (SSC) com uma massa de 500-800 kg (incluindo uma carga útil de 100-200 kg) e uma fonte de alimentação de 1,8-2,5 kW é atualmente considerado promissor no interesse da rede fixa. serviço. A vantagem das espaçonaves pequenas é a possibilidade de lançamento em grupo ou associado (junto com uma espaçonave padrão), o que reduz significativamente os custos de lançamento. Pequenas espaçonaves podem ser lançadas nos pontos onde outros SRs já estão localizados e fornecer o acréscimo necessário aos troncos que neles operam ou a substituição dos troncos que falharam. Os sistemas nacionais de comunicação por satélite de países relativamente pequenos ou pobres também podem ser construídos sobre eles.
Dependendo da composição dos usuários, as RS são divididas em internacionais e nacionais. As operadoras internacionais de serviços fixos mais conhecidas são Intelsat e Eutelsat. A empresa internacional Intersputnik também possui recursos significativos. Os CPs da Eutelsat também contêm os canais mais frequentemente utilizados pelos países europeus para transmissão televisiva. O sistema de satélite Astra é utilizado especificamente para estes fins.
O sistema nacional de serviço fixo por satélite da Rússia utiliza atualmente SR do tipo Express, bem como Yamal de várias modificações.
2. Princípios de construção e características do SSS.
Tipos de órbitas. Um satélite de comunicações pode estar em órbita circular ou elíptica. Assim, o centro da Terra coincide com o centro de uma órbita circular ou com um dos focos de uma órbita elíptica (Fig. 1).
Canto eu entre o plano orbital e o plano equatorial é chamado de inclinação. No eu=0 a órbita é chamada equatorial, quando eu=90° – polar, o resto – oblíquo. As órbitas circulares diferem em inclinação e altura H 3 acima da superfície da Terra. Órbitas elípticas - inclinação e alturas do apogeu A e perigeu P acima da superfície terrestre. A linha que conecta o apogeu e o perigeu é chamada de linha absidal. Os campos gravitacionais da Lua, do Sol, dos planetas, o campo magnético da Terra, a não esfericidade da Terra e outros fatores perturbadores causam mudanças nos parâmetros orbitais ao longo do tempo. Para órbitas elípticas inclinadas estas alterações são mínimas se você escolher eu=63,4°.
O SSS usa dois tipos de órbitas: alta elíptica do tipo “Molniya” e órbita geoestacionária. O primeiro recebeu o nome do satélite de comunicações soviético Molniya. Seus parâmetros: a altura do apogeu é de cerca de 40 mil km, a altura do perigeu é de cerca de 500 km, i≈63,4°. O apogeu da órbita está no hemisfério norte. O período orbital do satélite é de 12 horas e o satélite dá duas voltas por dia. Portanto, todos os dias é visível nas mesmas áreas da Terra ao mesmo tempo. Uma órbita para a qual o período orbital do satélite é um múltiplo do dia da Terra é chamada de subsíncrona. De acordo com a segunda lei de Kepler, na região do apogeu de uma órbita elíptica elevada, o satélite se move muito mais lentamente do que no perigeu. A sessão de comunicação é realizada quando o satélite se move ao longo da parte da órbita adjacente ao apogeu. Pode durar cerca de 8 horas, pois durante esse período um satélite em órbita Molniya é visível em todo o território da URSS. Ao colocar três satélites em órbita, a comunicação pode ser mantida 24 horas por dia. Esses satélites se movem em relação ao satélite, portanto este último deve instalar antenas móveis que monitorem o satélite.
Órbita geoestacionária(GO) é uma órbita circular equatorial, para a qual H 3 = 35.786 km. O satélite que se move nesta órbita é chamado geoestacionário. Ele gira na mesma velocidade angular da Terra e, portanto, parece estacionário para um observador na Terra. O ponto na superfície da Terra sobre o qual o satélite está localizado no zênite é chamado de subsatélite. Para um satélite geoestacionário, a trajetória do ponto subsatélite degenera em um ponto no equador. A longitude deste ponto determina a posição do satélite geoestacionário. A comunicação através de tal satélite pode ser mantida usando antenas de satélite fixas. Na verdade, muitas vezes é necessário ter em conta flutuações relativamente pequenas na posição do satélite causadas pelos factores perturbadores listados acima. Sob sua influência, o ponto subsatélite começa a oscilar com frequência diária. Depois de algum tempo, a trajetória do ponto subsatélite por dia assume a forma de um “oito”, alongado no sentido norte-sul, com centro no equador. Em um ano, o alcance deste número oito será de cerca de ±1°. Por conta disso, é necessário ajustar periodicamente a posição do satélite em órbita.
Comunicações via satélite………………………………………………………………..4 1.1 História satélite comunicações……………………………………………………….4 1.2 Organização satélite tronco……………………………………………………..5 ... conferência administrativa sobre comunicações de rádio(WARC-92), ...
Satélite artificial da Terra (AES) - espaço aeronave, girando em torno da Terra em uma órbita geocêntrica. Para se mover em órbita ao redor da Terra, o dispositivo deve ter uma velocidade inicial igual ou superior à primeira velocidade de escape. Os voos AES são realizados em altitudes de até várias centenas de milhares de quilômetros. O limite inferior da altitude de vôo do satélite é determinado pela necessidade de evitar o processo de frenagem rápida na atmosfera. O período orbital de um satélite, dependendo da altitude média de voo, pode variar de uma hora e meia a vários anos. De particular importância são os satélites em órbita geoestacionária, cujo período orbital é estritamente igual a um dia e, portanto, para um observador terrestre eles “penduram” imóveis no céu, o que permite livrar-se de dispositivos rotativos em antenas.
De acordo com o acordo internacional, uma nave espacial é chamada de satélite se tiver completado pelo menos uma revolução ao redor da Terra. Caso contrário, é considerada uma sonda-foguete que faz medições ao longo de uma trajetória balística e não é registrada como satélite. Dependendo das tarefas resolvidas com o auxílio de satélites artificiais, elas são divididas em pesquisas e aplicadas. Se um satélite estiver equipado com transmissores de rádio, algum tipo de equipamento de medição, lâmpadas de flash para envio de sinais luminosos, etc., ele é denominado ativo. Os satélites passivos são geralmente destinados a observações da superfície da Terra ao resolver certos problemas científicos (satélites de balão que atingem um diâmetro de várias dezenas de m estão entre esses satélites). Satélites de pesquisa são usados para estudar a Terra, os corpos celestes e o espaço sideral. Estes incluem, em particular, satélites geofísicos (ver satélite geofísico), satélites geodésicos, observatórios astronômicos orbitais, etc. Os satélites aplicados são satélites de comunicações, satélites meteorológicos (ver satélite meteorológico), satélites para o estudo dos recursos terrestres, satélites de navegação (ver navegação satélite), satélites para fins técnicos (para estudar os efeitos das condições espaciais nos materiais, para testar e testar sistemas de bordo), etc. AES destinados ao voo humano são chamados de satélites-naves tripuladas. Os satélites em órbita equatorial próximos ao plano equatorial são chamados de equatoriais, os satélites em órbita polar (ou subpolar) passando perto dos pólos da Terra são chamados de polares. AES colocado em uma órbita equatorial circular, a 35.860 km de distância da superfície da Terra, e movendo-se em uma direção que coincide com a direção de rotação da Terra, “pendura” imóvel sobre um ponto da superfície da Terra; esses satélites são chamados de estacionários.
O primeiro satélite "Sputnik".
Lançado no âmbito do programa IGY (Ano Geofísico Internacional) durante o período de máxima atividade solar (1957-1958). A massa do satélite é de 83,6 kg. Corpo - esfera dia. 0,58 M. Vida útil 92 dias.
O primeiro satélite com um animal (Sputnik 2 com a cadela Laika).
O satélite não se separou e representou todo o segundo estágio - o bloco central do foguete. Massa de carga útil 503,8 kg Data de lançamento 03/11/1957
O primeiro satélite de comunicação - um repetidor ativo (Atlas-Skor)
Inglês Atlas-Score, "Atlas" do nome do veículo de lançamento e SCORE do Signal Communications Orbit Relay Experiment - um experimento sobre retransmissão de sinais de comunicação em órbita. Data de lançamento 18/12/1958
O primeiro satélite meteorológico "TIROS-1"
("TIROS", abreviação de Television Infra-Red Observation Satellite, é um satélite de observação com televisão e equipamento infravermelho para visualizar a cobertura de nuvens e medir a radiação térmica da Terra). Peso 120kg. Corpo - prisma de 18 lados (altura 0,5 m, dimensão transversal máxima ~ 1 m) Data de lançamento 01/04/1960
O primeiro satélite de reconhecimento soviético (Zenit-2)
O nome oficial é "Cosmos-4". Criado com base no Vostok 2K CS. Tinha uma cápsula de descida para devolver equipamentos científicos e filmes fotográficos à Terra. Data de lançamento 26/04/1962
20. Estações interplanetárias automáticas: metas e objetivos de sua aplicação, exemplos de implementação.
Uma estação interplanetária automática (AIS) é uma espaçonave não tripulada projetada para voar no espaço interplanetário (não em uma órbita geocêntrica) para executar várias tarefas atribuídas. Embora existam várias dezenas de países com satélites próximos da Terra, apenas alguns países dominaram as tecnologias complexas de estações interplanetárias - a URSS/Rússia, os EUA, a Europa/ESA, o Japão, a China, a Índia. Ao mesmo tempo, apenas os quatro primeiros foram enviados para Marte, Vênus e cometas, para asteróides - apenas os EUA, Europa e Japão, para Mercúrio, Urano e Netuno - apenas pelos EUA, para Júpiter e Saturno - pelos EUA, dos quais dois contaram com a participação da ESA. Devido ao custo significativo e à alta complexidade dos voos interplanetários, os projetos internacionais nesta área têm grandes perspectivas. Por exemplo, está planeada uma sonda de nova geração para explorar o sistema de Júpiter com a participação conjunta da NASA, ESA, Roscosmos e JAXA. Os AWSs normalmente destinam-se a servir uma variedade de propósitos, que vão desde projetos de pesquisa até manifestações políticas. Objetos típicos para tarefas de pesquisa são outros planetas, seus satélites naturais, cometas e outros objetos sistema solar. Isto geralmente envolve tirar fotografias e digitalizar o relevo; parâmetros atuais do campo magnético, radiação e temperatura são medidos; composição química a atmosfera de outro planeta, solo e espaço sideral próximo ao planeta; As características sísmicas do planeta são verificadas. As medições acumuladas são transmitidas periodicamente à Terra por meio de comunicações de rádio. A maioria dos AWSs possui comunicação de rádio bidirecional com a Terra, o que torna possível utilizá-los como dispositivos controlados remotamente. EM este momento Frequências na faixa de rádio são usadas como canal para transmissão de dados. As perspectivas de uso de lasers para comunicações interplanetárias estão sendo exploradas. Longas distâncias criam atrasos significativos na troca de dados, portanto, procura-se maximizar o grau de automação dos AWSs.
O primeiro satélite artificial da Lua (ISL "Luna-10")
Vida útil 56 dias, deu 460 voltas ao redor da Lua, lançado em 31/03/1966, lançado em órbita ao redor da Lua em 03/04/1966
O primeiro satélite artificial de Marte ISM (Mariner-9)
Massa da nave espacial 998 kg, incl. 450 kg KTDU, impulso 1,3 kN. Transmitiu 7.329 imagens de Marte (resolução de até 0,1 m), seus satélites Deimos e Fobos. Com base nas imagens, foi compilado um mapa do planeta e selecionadas as áreas de pouso dos módulos de pouso das espaçonaves Viking-1 e Viking-2, que pousaram em Marte em 20 de julho. e 04.09. 1976, a uma distância de 6.400 km um do outro. Lançado em 30/05/1971; lançamento em órbita ao redor de Marte 14/11/1971
O primeiro soviético satélites artificiais Marte ISM ("Marte-2", "Marte-3")
A massa da espaçonave era de 4.650 kg, possuíam compartimentos orbitais e veículos de descida. O ISM, após a separação, frenagem na atmosfera, descida e pouso suave da espaçonave na superfície marciana, foram retransmissores para transmissão de dados da espaçonave para a Terra. O IMS contava com equipamentos científicos e duas câmeras de fototelevisão com diferentes distâncias focais para filmar a superfície de Marte. Lançado em 19/05 e 28/05/1971; lançamento em órbita ao redor de Marte em 27/11 e 02/12/1971
Os primeiros satélites artificiais de Vênus (WIS) (Venera-9, Venera-10).
Lançado em 08/06 e 14/06/1975; inserção em órbita ao redor de Vênus em 22/10 e 25/10/1975.
O primeiro satélite artificial de Saturno, Cassini.
O orçamento do projeto é superior a US$ 3 bilhões. Com a ajuda deste dispositivo, muitos novos satélites de Saturno foram descobertos, foram obtidas fotografias únicas do próprio planeta e de seus satélites. A massa da Cassini no lançamento era de 5.710 kg, incluindo 320 kg da Huygens, 336 kg de instrumentos científicos e 3.130 kg de combustível. As dimensões da estação são 6,7 m de altura e 4 m de largura. Data de lançamento 15/10/1997, lançamento na órbita de Saturno 30/06/2004 O primeiro satélite artificial de Mercúrio "Mensageiro" traduzido como "Mensageiro" - abreviação de MErcury Surface, Space ENvironment, GEochemistry and Ranging Massa de lançamento do satélite MESSENGER - cerca de 1100 kg, sendo quase 600 kg (mais da metade da massa total) de combustível. O corpo do dispositivo é feito de material composto de grafite e tem dimensões de 1,42 × 1,85 × 1,27 M. Potência 450 kW Data de lançamento 17/03/2011 Entrada orbital 18/03/2011.
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(satélite)
nave espacial lançada em órbita ao redor da Terra e projetada para resolver problemas científicos e aplicados. O lançamento do primeiro satélite, que se tornou o primeiro corpo celeste artificial criado pelo homem, foi realizado na URSS em 4 de outubro de 1957 e foi resultado de conquistas nas áreas de foguetes, eletrônica, controle automático, informática, celeste mecânica e outros ramos da ciência e tecnologia. Com a ajuda deste satélite, a densidade da alta atmosfera foi medida pela primeira vez (por mudanças em sua órbita), foram estudadas as características da propagação dos sinais de rádio na ionosfera, cálculos teóricos e soluções técnicas básicas relacionadas ao lançamento o satélite em órbita foram testados. Em 1º de fevereiro de 1958, o primeiro satélite americano, Explorer-1, foi lançado em órbita e, um pouco depois, outros países também lançaram satélites independentes: 26 de novembro de 1965 - França (satélite A-1), 29 de novembro de 1967 - Austrália (VRSAT-1). 1"), 11 de fevereiro de 1970 - Japão ("Osumi"), 24 de abril de 1970 - China ("China-1"), 28 de outubro de 1971 - Grã-Bretanha ("Prospero"). Alguns satélites, fabricados no Canadá, França, Itália, Grã-Bretanha e outros países, foram lançados (desde 1962) utilizando veículos lançadores americanos. Na prática da pesquisa espacial, tornou-se difundido a cooperação internacional. Assim, no âmbito da cooperação científica e técnica entre os países socialistas, foram lançados vários satélites. O primeiro deles, Intercosmos-1, foi lançado em órbita em 14 de outubro de 1969. No total, em 1973, foram lançados mais de 1.300 satélites de vários tipos, incluindo cerca de 600 soviéticos e mais de 700 americanos e de outros países, inclusive tripulados. naves espaciais-satélites e estações orbitais com tripulação.
informações gerais sobre satélites. De acordo com o acordo internacional, uma nave espacial é chamada de satélite se tiver completado pelo menos uma revolução ao redor da Terra. Caso contrário, é considerada uma sonda-foguete que faz medições ao longo de uma trajetória balística e não é registrada como satélite. Dependendo das tarefas resolvidas com o auxílio de satélites artificiais, elas são divididas em pesquisas e aplicadas. Se um satélite estiver equipado com transmissores de rádio, algum tipo de equipamento de medição, lâmpadas de flash para envio de sinais luminosos, etc., ele é denominado ativo. Os satélites passivos são geralmente destinados a observações da superfície da Terra ao resolver certos problemas científicos (tais satélites incluem satélites-balão atingindo várias dezenas de diâmetro eu). Satélites de pesquisa são usados para estudar a Terra, os corpos celestes e o espaço sideral. Estes incluem, em particular, satélites geofísicos (Ver), observatórios astronômicos orbitais, etc. Os satélites aplicados incluem satélites meteorológicos (Ver), satélites para estudar os recursos terrestres, satélites de navegação (Ver), satélites para fins técnicos (Ver). impacto das condições espaciais nos materiais, para testes e testes de sistemas de bordo), etc. AES destinados ao voo humano são chamados de satélites tripulados. Os satélites em órbita equatorial próximos ao plano equatorial são chamados de equatoriais, os satélites em órbita polar (ou subpolar) passando perto dos pólos da Terra são chamados de polares. Satélites lançados em órbita equatorial circular a uma distância de 35.860 quilômetros da superfície da Terra, e movendo-se em uma direção que coincide com a direção de rotação da Terra, “pendura” imóvel sobre um ponto da superfície da Terra; esses satélites são chamados de estacionários. Os últimos estágios dos veículos lançadores, carenagens do nariz e algumas outras partes separadas do satélite durante o lançamento em órbita representam objetos orbitais secundários; geralmente não são chamados de satélites, embora orbitem a Terra e em alguns casos sirvam como objetos de observação para fins científicos.
De acordo com o sistema internacional de registro de objetos espaciais (satélites, sondas espaciais (ver), etc.) no âmbito organização Internacional Os objetos espaciais COSPAR em 1957-1962 foram designados pelo ano de lançamento com a adição de uma letra do alfabeto grego correspondente ao número de série do lançamento em um determinado ano, e um algarismo arábico - o número do objeto orbital dependendo de seu brilho ou grau de significado científico. Assim, 1957α2 é a designação do primeiro satélite soviético, lançado em 1957; 1957α1 - designação do último estágio do veículo lançador deste satélite (o veículo lançador era mais brilhante). À medida que o número de lançamentos aumentou, a partir de 1º de janeiro de 1963, os objetos espaciais passaram a ser designados pelo ano de lançamento, pelo número de série do lançamento em determinado ano e por uma letra maiúscula do alfabeto latino (às vezes também substituída por um número de série). Assim, o satélite Intercosmos-1 tem a designação: 1969 88A ou 1969 088 01. B programas nacionais pesquisa espacial, séries de satélites muitas vezes também têm seus próprios nomes: “Cosmos” (URSS), “Explorer” (EUA), “Diadema” (França), etc. No exterior, a palavra “satélite” até 1969 era usada apenas em relação a Satélites soviéticos. Em 1968-69, durante a preparação do dicionário astronáutico multilíngue internacional, foi alcançado um acordo segundo o qual o termo “satélite” seria aplicado a satélites lançados em qualquer país.
De acordo com a variedade de problemas científicos e aplicados resolvidos com a ajuda de satélites, os satélites podem ter diferentes tamanhos, pesos, designs e composição de equipamentos de bordo. Por exemplo, a massa do menor satélite (da série EPC) é de apenas 0,7 kg; O satélite soviético "Proton-4" tinha uma massa de cerca de 17 T. A massa da estação orbital Salyut com a espaçonave Soyuz acoplada era superior a 25 T. A maior massa de carga lançada em órbita por um satélite artificial foi de cerca de 135 T(Nave espacial americana Apollo com o último estágio do veículo lançador). Existem satélites automáticos (de pesquisa e aplicados), nos quais o funcionamento de todos os instrumentos e sistemas é controlado por comandos vindos da Terra ou de um software de bordo, satélites tripulados e estações orbitais com tripulação.
Para resolver alguns problemas científicos e aplicados, é necessário que o satélite esteja orientado de uma determinada forma no espaço, e o tipo de orientação é determinado principalmente pela finalidade do satélite ou pelas características dos equipamentos nele instalados. Assim, os satélites destinados à observação de objetos na superfície e na atmosfera terrestre possuem orientação orbital, em que um dos eixos está constantemente direcionado verticalmente; Os satélites para pesquisas astronômicas são orientados para objetos celestes: estrelas, o Sol. Sob comando da Terra ou de acordo com um determinado programa, a orientação pode mudar. Em alguns casos, nem todo o satélite é orientado, mas apenas seus elementos individuais, por exemplo, antenas altamente direcionais - em direção a pontos terrestres, painéis solares - em direção ao Sol. Para que a direção de um determinado eixo do satélite permaneça inalterada no espaço, é dada uma rotação em torno desse eixo. Para orientação, também são utilizados sistemas gravitacionais, aerodinâmicos e magnéticos - os chamados sistemas de orientação passivos, e sistemas equipados com elementos de controle reativos ou inerciais (geralmente em satélites e espaçonaves complexos) - sistemas de orientação ativos. Os AES que possuem motores a jato para manobras, correção de trajetória ou desorbitação são equipados com sistemas de controle de movimento, dos quais é parte integrante o sistema de controle de atitude.
A alimentação dos equipamentos de bordo da maioria dos satélites é fornecida por painéis solares, cujos painéis são orientados perpendicularmente à direção dos raios solares ou localizados de forma que alguns deles sejam iluminados pelo Sol em qualquer posição em relação a o satélite (os chamados painéis solares omnidirecionais). Painéis solares garantir a operação a longo prazo do equipamento de bordo (até vários anos). AES projetado para períodos limitados de operação (até 2-3 semanas) usa fontes de corrente eletroquímica - baterias, células de combustível. Alguns satélites possuem geradores isotópicos de energia elétrica a bordo. O regime térmico dos satélites, necessário ao funcionamento dos seus equipamentos de bordo, é mantido por sistemas de controle térmico.
Em satélites artificiais, que se caracterizam pela significativa geração de calor a partir de seus equipamentos, e em espaçonaves, são utilizados sistemas com circuito de transferência de calor líquido; em satélites com baixa geração de calor, o equipamento em alguns casos limita-se a meios passivos de regulação térmica (seleção de uma superfície externa com coeficiente óptico adequado, isolamento térmico de elementos individuais).
A transmissão de informações científicas e outras dos satélites para a Terra é realizada por meio de sistemas de radiotelemetria (muitas vezes com dispositivos de armazenamento a bordo para registrar informações durante os períodos de voo dos satélites fora das zonas de radiovisibilidade dos pontos terrestres).
Os satélites tripulados e alguns satélites automáticos possuem veículos de descida para devolver a tripulação, instrumentos individuais, filmes e animais experimentais à Terra.
Movimento de satélites. Os AES são lançados em órbita por meio de veículos lançadores de vários estágios controlados automaticamente, que se movem desde o lançamento até um determinado ponto calculado no espaço graças ao empuxo desenvolvido pelos motores a jato. Esse caminho, chamado de trajetória de lançamento de um satélite artificial em órbita, ou parte ativa do movimento do foguete, geralmente varia de várias centenas a dois a três mil km. quilômetros. O foguete começa a se mover verticalmente para cima e passa pelas camadas mais densas da atmosfera terrestre a uma velocidade relativamente baixa (o que reduz os custos de energia para superar a resistência atmosférica). À medida que o foguete sobe, ele gira gradualmente e a direção de seu movimento torna-se próxima da horizontal. Neste segmento quase horizontal, o impulso do foguete não é gasto na superação do efeito de frenagem das forças gravitacionais e da resistência atmosférica da Terra, mas principalmente no aumento da velocidade. Após o foguete atingir a velocidade projetada (em magnitude e direção) no final da seção ativa, a operação dos motores a jato é interrompida; Este é o chamado ponto de lançamento do satélite em órbita. A espaçonave lançada, que carrega o último estágio do foguete, separa-se automaticamente dele e inicia seu movimento em uma determinada órbita em relação à Terra, tornando-se um corpo celeste artificial. Seu movimento está sujeito a forças passivas (gravidade da Terra, bem como da Lua, do Sol e de outros planetas, resistência da atmosfera terrestre, etc.) e forças ativas (de controle) se motores a jato especiais estiverem instalados a bordo da espaçonave. O tipo de órbita inicial de um satélite em relação à Terra depende inteiramente de sua posição e velocidade no final da fase ativa do movimento (no momento em que o satélite entra em órbita) e é calculado matematicamente usando métodos da mecânica celeste. Se esta velocidade for igual ou exceder (mas não mais que 1,4 vezes) a primeira velocidade de escape (Ver) (cerca de 8 quilômetros/segundo próximo à superfície da Terra), e sua direção não se desvia muito da horizontal, então a espaçonave entra na órbita do satélite terrestre. O ponto em que o satélite entra em órbita, neste caso, está localizado próximo ao perigeu da órbita. A entrada orbital também é possível em outros pontos da órbita, por exemplo, próximo ao apogeu, mas como neste caso a órbita do satélite está localizada abaixo do ponto de lançamento, o próprio ponto de lançamento deve estar localizado bastante alto, e a velocidade no final do segmento ativo deve ser um pouco menor que o circular.
Numa primeira aproximação, a órbita de um satélite é uma elipse com foco no centro da Terra (num caso particular, um círculo), mantendo uma posição constante no espaço. O movimento em tal órbita é denominado imperturbado e corresponde às suposições de que a Terra atrai de acordo com a lei de Newton como uma bola com distribuição de densidade esférica e que apenas a força gravitacional da Terra atua sobre o satélite.
Fatores como a resistência da atmosfera terrestre, compressão da terra, pressão radiação solar, a atração da Lua e do Sol, são a causa dos desvios do movimento imperturbado. O estudo desses desvios permite obter novos dados sobre as propriedades da atmosfera terrestre e do campo gravitacional terrestre. Devido à resistência atmosférica, os satélites que se movem em órbitas com perigeu a uma altitude de várias centenas quilômetros, diminuindo gradualmente e caindo em camadas relativamente densas da atmosfera a uma altitude de 120-130 quilômetros e abaixo, eles desmoronam e queimam; eles, portanto, têm uma vida útil limitada. Por exemplo, quando o primeiro satélite soviético entrou em órbita, estava a uma altitude de cerca de 228 quilômetros acima da superfície da Terra e tinha uma velocidade quase horizontal de cerca de 7,97 quilômetros/seg. O semieixo maior de sua órbita elíptica (ou seja, a distância média do centro da Terra) era de cerca de 6.950 quilômetros, período 96,17 min, e os pontos menos e mais distantes da órbita (perigeu e apogeu) estavam localizados em altitudes de cerca de 228 e 947 quilômetros respectivamente. O satélite existiu até 4 de janeiro de 1958, quando, devido a perturbações em sua órbita, entrou nas densas camadas da atmosfera.
A órbita na qual o satélite é lançado imediatamente após a fase de reforço do veículo lançador às vezes é apenas intermediária. Nesse caso, existem motores a jato a bordo do satélite, que são ligados em determinados momentos por um curto período de tempo sob comando da Terra, conferindo velocidade adicional ao satélite. Como resultado, o satélite passa para outra órbita. As estações interplanetárias automáticas são geralmente lançadas primeiro na órbita do satélite da Terra e depois transferidas diretamente para a trajetória de voo para a Lua ou planetas.
Observações de satélite. O controle do movimento de satélites e objetos orbitais secundários é realizado observando-os a partir de estações terrestres especiais. Com base nos resultados de tais observações, os elementos das órbitas dos satélites são refinados e as efemérides são calculadas para as próximas observações, inclusive para a resolução de diversos problemas científicos e aplicados. Com base no equipamento de observação utilizado, os satélites são divididos em ópticos, rádio e laser; de acordo com seu objetivo final - para observações posicionais (determinação de direções em satélites) e telêmetros, medições de velocidade angular e espacial.
As observações posicionais mais simples são visuais (ópticas), realizadas por meio de instrumentos ópticos visuais e que permitem determinar as coordenadas celestes do satélite com uma precisão de vários minutos de arco. Para resolver problemas científicos, são realizadas observações fotográficas por meio de câmeras de satélite (ver), proporcionando precisão de determinações de até 1-2 "" na posição e 0,001 segundo por tempo. As observações ópticas só são possíveis quando o satélite está iluminado pela luz solar (a exceção são os satélites geodésicos equipados com fontes de luz pulsada; também podem ser observados na sombra da Terra), o céu acima da estação está suficientemente escuro e o clima é favorável para observações. Estas condições limitam significativamente a possibilidade de observações ópticas. Menos dependentes de tais condições são os métodos radiotécnicos de observação de satélites, que são os principais métodos de observação de satélites durante a operação dos sistemas de rádio especiais neles instalados. Tais observações envolvem a recepção e análise de sinais de rádio gerados pelos transmissores de rádio a bordo do satélite ou enviados da Terra e retransmitidos pelo satélite. A comparação das fases dos sinais recebidos em várias (pelo menos três) antenas espaçadas permite determinar a posição do satélite na esfera celeste. A precisão de tais observações é de cerca de 3" na posição e cerca de 0,001 segundo por tempo. Medir a mudança de frequência Doppler (ver) dos sinais de rádio permite determinar a velocidade relativa do satélite, a distância mínima até ele durante a passagem observada e o momento em que o satélite estava a essa distância; observações feitas simultaneamente a partir de três pontos permitem calcular velocidades angulares satélite
As observações de telêmetro são realizadas medindo o intervalo de tempo entre o envio de um sinal de rádio da Terra e o recebimento dele após a retransmissão pelo respondedor de rádio a bordo do satélite. As medições mais precisas de distâncias aos satélites são fornecidas por telêmetros a laser (precisão de até 1-2 eu e mais alto). Para observações de engenharia de rádio de objetos espaciais passivos, são usados sistemas de radar.
Satélites de pesquisa. Os equipamentos instalados a bordo do satélite, bem como as observações de satélite a partir de estações terrestres, permitem realizar diversos estudos geofísicos, astronômicos, geodésicos e outros. As órbitas de tais satélites são variadas - desde quase circulares a uma altitude de 200-300 quilômetros a elípticos alongados com altura de apogeu de até 500 mil. quilômetros. Os satélites de pesquisa incluem os primeiros satélites soviéticos, satélites soviéticos das séries " ", " ", " ", satélites americanos das séries Avangard, Explorer, OGO, OSO, OAO (observatórios orbitais geofísicos, solares, astronômicos); Satélite inglês "Ariel", satélite francês "Diadema", etc. Os satélites de pesquisa representam cerca de metade de todos os satélites lançados.
Por meio de instrumentos científicos instalados em satélites, são estudadas a composição neutra e iônica da alta atmosfera, sua pressão e temperatura, bem como as alterações nesses parâmetros. A concentração de elétrons na ionosfera e suas variações são estudadas tanto por meio de equipamentos de bordo quanto pela observação da passagem de sinais de rádio de radiofaróis de bordo através da ionosfera. Usando ionossondas, foram estudadas detalhadamente a estrutura da parte superior da ionosfera (acima do máximo principal de densidade eletrônica) e as mudanças na densidade eletrônica dependendo da latitude geomagnética, hora do dia, etc.. Todos os resultados da pesquisa atmosférica obtidos usando satélites são material experimental importante e confiável para a compreensão dos mecanismos dos processos atmosféricos e para resolver questões práticas como previsão de comunicações de rádio, previsão do estado da alta atmosfera, etc.
Com a ajuda de satélites, eles são descobertos e estudados. Junto com as sondas espaciais, os satélites permitiram estudar a estrutura da magnetosfera terrestre (ver) e a natureza do fluxo do vento solar ao seu redor, bem como as características do próprio vento solar (ver) (densidade de fluxo e energia das partículas, a magnitude e a natureza do campo magnético “congelado”), etc. radiação solar inacessível às observações terrestres - ultravioleta e raios X, que é de grande interesse do ponto de vista da compreensão das conexões solar-terrestres. Alguns satélites aplicados também fornecem dados valiosos para a investigação científica. Assim, os resultados das observações realizadas em satélites meteorológicos são amplamente utilizados para diversos estudos geofísicos.
Os resultados das observações de satélite permitem determinar com alta precisão perturbações nas órbitas dos satélites, mudanças na densidade da alta atmosfera (devido a diversas manifestações da atividade solar), leis da circulação atmosférica, a estrutura do campo gravitacional da Terra, etc. . Observações síncronas posicionais e de telêmetro especialmente organizadas de satélites (simultaneamente de várias estações) usando métodos de geodésia por satélite (Ver) permitem a referência geodésica de pontos a milhares de quilômetros de distância quilômetros uns dos outros, estudar o movimento dos continentes, etc.
Satélites aplicados. Os satélites aplicados incluem satélites lançados para resolver certos problemas técnicos, econômicos e militares.
Os satélites de comunicação são utilizados para fornecer transmissões de televisão, radiotelefonia, telégrafo e outros tipos de comunicação entre estações terrestres localizadas entre si a distâncias de até 10-15 mil. quilômetros. O equipamento de rádio integrado de tais satélites recebe sinais de estações de rádio terrestres, amplifica-os e retransmite-os para outras estações de rádio terrestres. Os satélites de comunicação são exibidos em órbitas altas(até 40 mil quilômetros). Satélites deste tipo incluem o satélite soviético " " , satélite americano "Sincom", satélite "Intelsat", etc. Os satélites de comunicação lançados em órbitas estacionárias estão constantemente localizados acima de certas áreas da superfície terrestre.
Os satélites meteorológicos são projetados para transmissão regular para estações terrestres de imagens de televisão das camadas de nuvens, neve e gelo da Terra, informações sobre a radiação térmica da superfície terrestre e das nuvens, etc. , com altitude de 500-600 quilômetros até 1200-1500 quilômetros; O alcance de visualização deles chega a 2-3 mil. quilômetros. Os satélites meteorológicos incluem alguns satélites soviéticos da série "Cosmos", os satélites "" e os satélites americanos "Tiros", "ESSA" e "Nimbus". Experimentos estão sendo realizados em observações meteorológicas globais em altitudes que chegam a 40 mil. quilômetros(Satélite soviético "Molniya-1", satélite americano "ATS").
Extremamente promissor do ponto de vista de aplicação em economia nacional são satélites para pesquisa recursos naturais Terra. Juntamente com observações meteorológicas, oceanográficas e hidrológicas, tais satélites permitem obter informações operacionais necessárias para a geologia, agricultura, pesca, silvicultura e controle da poluição ambiental. Os resultados obtidos com satélites e espaçonaves tripuladas, por um lado, e medições de controle de cilindros e aeronaves, por outro, mostram as perspectivas de desenvolvimento desta área de pesquisa.
Os satélites de navegação, cujo funcionamento é apoiado por um sistema especial de apoio terrestre, são utilizados para a navegação de navios marítimos, incluindo submarinos. A nave, recebendo sinais de rádio e determinando sua posição em relação ao satélite, cujas coordenadas em órbita a cada momento são conhecidas com alta precisão, estabelece sua localização. Exemplos de satélites de navegação são os satélites americanos Transit e Navsat.
Satélites tripulados. Os satélites tripulados e as estações orbitais tripuladas são os satélites artificiais mais complexos e avançados. Eles são, via de regra, projetados para resolver uma ampla gama de problemas, principalmente para a realização de pesquisas científicas complexas, testes de tecnologia espacial, estudo dos recursos naturais da Terra, etc. O primeiro lançamento de um satélite tripulado foi realizado em 12 de abril de 1961 : em uma espaçonave-satélite soviética " "o piloto-cosmonauta Yu. A. Gagarin voou ao redor da Terra em uma órbita com uma altitude de apogeu de 327 quilômetros. Em 20 de fevereiro de 1962, a primeira espaçonave americana entrou em órbita com o astronauta J. Glenn a bordo. Um novo passo na exploração do espaço exterior com a ajuda de satélites tripulados foi o voo da estação orbital soviética "", na qual em junho de 1971 a tripulação composta por G. T. Dobrovolsky, V. N. Volkov e V. I. Patsaev realizou um amplo programa de pesquisa científica e pesquisas técnicas, médicas, biológicas e outras.
Aceso.: Aleksandrov S. G., Fedorov R. E., satélites soviéticos e naves espaciais, 2ª ed., M., 1961; Eliasberg P.E., Introdução à teoria do voo de satélites artificiais da Terra, M., 1965; Ruppe G. O., Introdução à Astronáutica, trad. do inglês, volume 1, M., 1970; Levantovsky V.I., Mecânica do voo espacial em uma apresentação elementar, M., 1970; King-Healy D., Teoria das órbitas de satélites artificiais na atmosfera, trad. do inglês, M., 1966; Ryabov Yu.A., Movimento dos corpos celestes, M., 1962; Meller I., Introdução à geodésia por satélite, trad. do inglês, M., 1967. Veja também lit. na arte. Nave espacial
Satélites artificiais estrangeiros da Terra. "Transito".
Satélites artificiais estrangeiros da Terra. "Óscar 3".
Satélites artificiais estrangeiros da Terra. "OSO-1".
Satélites artificiais estrangeiros da Terra. "Sincom-3".
Satélites artificiais estrangeiros da Terra. "Explorador 25".
